Diagenesis and geochemical stratigraphy of Upper Pennsylvanian madera brachiopods, New Mexico

Owing to the fact that low-Mg calcite fossil shells are so important in paleoceanographic research, 249 brachiopod, cement and matrix specimens from two neighboring localities (Jemez Springs and Battleship Rock), of the Upper Pennsylvanian Madera Formation were analyzed. Of which, about 86% of the Madera brachiopods are preserved in their pristine mineralogy, microstructure and geochemistry. Cement and matrix samples, in contrast, have been subjected to complete but variable post-deposition~1 alteration. It is confirmed that the stable isotope data of brachiopods are much better than that of matrix material in defining depositional parameters. Because there is no uniform or constant relationship between the two data bases (e.g., from 0.1 to 3.0%0 for 0180 and from 0.2 to 6.7%0 for 013C in this study), it is not possible to make corrections for the matrix data. Regarding the two stratigraphic sections, elemental and petrographic analyses suggest that Jemez Springs is closer to Penasco Uplift than Battleship Rock. Seawater at Jemez Springs is more aerobic, and the water chemistry is more influenced by continental sources than that at Battleship Rock. In addition, there is a relatively stronger dolomitization in the mid-section of the Battleship Rock. Results further suggest that no significant biogenic fractionation or vital effects occurred during their shell secretion, suggesting that the Madera brachiopods incorporated oxygen and carbon isotopes in equilibrium with the ambient seawater. This conclusion is not only drawn from the temporal and spatial analyses, but also supported by brachiopod inter-generic comparison (Composita and Neospirifer) and statistical analysis ( t-test).

Diatoms as indicators of lake trophic status

Relationships between surface sediment diatom assemblages and lake trophic status were studied in 50 Canadian Precambrian Shield lakes in the Muskoka-Haliburton and southern Ontario regions. The purpose of this study was to develop mathematical regression models to infer lake trophic status from diatom assemblage data. To achieve this goal, however, additional investigations dealing with the evaluation of lake trophic status and the autecological features of key diatom species were carried out. Because a unifying index and classification for lake trophic status was not available, a new multiple index was developed in this study, by the computation of the physical, chemical and biological data from 85 south Ontario lakes. By using the new trophic parameter, the lake trophic level (TL) was determined: TL = 1.37 In[1 +(TP x Chl-a / SD)], where, TP=total phosphorus, Chl-a=chlorophyll-a and SD=Secchi depth. The boundaries between 7 lake trophic categories (Ultra-oligotrophic lakes: 0-0.24; Oligotrophic lakes: 0.241-1.8; Oligomesotrophic lakes: 1.813.0; Mesotrophic lakes: 3.01-4.20; Mesoeutrophic lakes: 4.21-5.4; Eutrophic lakes: 5.41-10 and Hyper-eutrophic lakes: above 10) were established. The new trophic parameter was more convenient for management of water quality, communication to the public and comparison with other lake trophic status indices than many of the previously published indices because the TL index attempts to Increase understanding of the characteristics of lakes and their comprehensive trophic states. It is more reasonable and clear for a unifying determination of true trophic states of lakes. Diatom specIes autecology analysis was central to this thesis. However, the autecological relationship of diatom species and lake trophic status had not previously been well documented. Based on the investigation of the diatom composition and variety of species abundance in 30 study lakes, the distribution optima of diatom species were determined. These determinations were based on a quantitative method called "weighted average" (Charles 1985). On this basis, the diatom species were classified into five trophic categories (oligotrophic, oligomesotrophic, mesotrophic, mesoeutrophic and eutrophic species groups). The resulting diatom trophic status autecological features were used in the regressIon analysis between diatom assemblages and lake trophic status. When the TL trophic level values of the 30 lakes were regressed against their fi ve corresponding diatom trophic groups, the two mathematical equations for expressing the assumed linear relationship between the diatom assemblages composition were determined by (1) uSIng a single regression technique: Trophic level of lake (TL) = 2.643 - 7.575 log (Index D) (r = 0.88 r2 = 0.77 P = 0.0001; n = 30) Where, Index D = (0% + OM% + M%)/(E% + ME% + M%); 4 (2) uSIng a' multiple regressIon technique: TL=4.285-0.076 0%- 0.055 OM% - 0.026 M% + 0.033 ME% + 0.065 E% (r=0.89, r2=0.792, P=O.OOOl, n=30) There was a significant correlation between measured and diatom inferred trophic levels both by single and multiple regressIon methods (P < 0.0001, n=20), when both models were applied to another 20 test lakes. Their correlation coefficients (r2 ) were also statistically significant (r2 >0.68, n=20). As such, the two transfer function models between diatoms and lake trophic status were validated. The two models obtained as noted above were developed using one group of lakes and then tested using an entirely different group of lakes. This study indicated that diatom assemblages are sensitive to lake trophic status. As indicators of lake trophic status, diatoms are especially useful in situations where no local trophic information is available and in studies of the paleotrophic history of lakes. Diatom autecological information was used to develop a theory assessing water quality and lake trophic status.

Microstructural and geochemical investigation of North American lower-middle Paleozoic trilobites and recent arthropods

Trilobites ¥tere collected from Ordovician and Devonian formations of Ontario} New York} Ohio} Oklahoma} and Indiana. Diversity was generally low} but 19..?telllS and Ph..~tY>ps ¥tere the most abundant species from the Ordovician and Devonian} respectively. Recent marine arthropods ¥tere collected from the Atlantic shore of the middle Florida Keys} and from the Pacific and lagoonal waters at Cape Beale} B. C. Fresh-water arthropods were collected along the shore of the Severn River in northcentral Ontario. Cuticles ¥tere analyzed for major} minor and trace elements, 180 and 13C isotopes, as ¥tell as examined by scanning electron micr?scope to identify original and diagenetic fabrics. Examination of trilobite cuticles by scanning electron microscope revealed several microstructures consistent with those observed in Recent arthropods. Microstructures} such as setae and tegumental gland duct openings} in like sized Lim/IllS and Isoteline trilobites may indicate common ancestral origins for these organisms, or simply parallel cuticle evolutions. The dendritic microstructure, originally' thought to be a diagenetic indicator, was found in Recent specimens and therefore its presence in trilobites may be suggestive of the delicate nature of diagenesis in trilobites. The absence of other primary microstructures in trilobites may indicate alteration, taxonomic control} or that there is some inherent feature of S EM examination which may' not allow detection of some features} while others are apparently visit·le onl~1 under SH.·1. The region of the cuticle sampled for examination is also a major influence in detecting pristine microstructures, as not all areas of trilobite and Recent arthropod cuticles will have microstructures identifiable in a SEM study. Subtleties in the process of alteration, however} ma~·· leave pristine microstructures in cuticles that are partial~/ silicified or do 10m itized, and degree and type of alteration may vary stratigraphically and longitudinally within a unit. The presence of fused matrices, angular calcite rhombs, and pyrite in the cuticle are thought to be indicative of altered cuticles, although pyritization may not affect the entire cuticle. t-~atural processes in Recent arthropods, such as molting, lead to variations in cuticle chemistries, and are thought to reflect the area of concentration of the elements during calcification. The level of sodium in Recent arthropods was found to be higher than that in trilobites, but highly mobile when sUbjected to the actions of VY'€'athering. Less saline water produced lovy'€'r magnesium and higher calcium values in Recent specimens .. and metal variations in pristine Ordovician trilobite cuticle appears to follow the constraints outlined for Recent arthropods, of regulation due to the chemislry of the surrounding medium. In diagenetic analysis, sodium, strontium and magnesium proved most beneficial in separating altered from least altered trilobites. Using this criterion, specimens from shale show the least amount of geochemical alteration, and have an original mineralogy of 1.7 - 2.4 mole % MgC03 (8000 t(> 9500 ppm magnesium) for both /s>..?/e/11S lJA'i.riff!11S and PseIAit'11J17ites I..itmirpin..itl/~ and 2.8 - 3.3 mole % MgC03 (5000 to 7000 ppm magnesium) for Ph.i{).?PS This is Slightly lower than the mineralogy of Recent marine arthropods (4.43 - 12.1 mole % MgC03), and slightly higher than that of fresh-water crayfish (0.96 - 1.82 mole % MgC03). Geochemically pristine trilobites were also found to possess primary microstructures. Stable isotope values and trends support the assertion that marine-meteoriclburial fluids were responsible for the alteration observed in a number of the trilobite specimens. The results of this stUdy suggest that fossil material has to be evaluated separately along taxonomic and lithological lines to arrive at sensible diagenetic and e nvironmenta I interpretations.

Paleoindicators of meromixis

This study was undertaken to ascertain whether meromictic lakes could be differentiated from holomictic lakes on the basis of their surficial profundal sediments. Surface sediment cores (15 cm long) were collected from both the littoral and profundal zones of four meromictic and six holomictic lakes and analyzed for total number of fossil chironomid headcapsu~es, chlorophyll and carotenoid degradation products as well as \ iron and manganese concentrations. Littoral and profundal comparisons of the surface sediments were made between the two lake types using the Mann-Whitney U test. Iron, manganese and the iron to manganese ratio in the littoral sediments of meromictic lakes were significantly lower than those found in the littoral sediments of holomictic lakes. The observed differences are believed to represent an artifact of the significantly higher carbonate concentrations found in three of the four meromictic lakes studied. Profundal and littoral to profundal ratio comparison between holomictic and meromictic lakes suggest that the significantly lower iron and higher carotenoid concentrations in meromictic profundal sediments were a con~equence of meromixis. However, the overlap in distribution exhibited by both iron and carotenoid degradation products between the two lake types was sufficiently large in this study to nullify their use as a means of differentiating meromictic from holomictic lakes. A long core (4.25 m) was removed from the deepest part of the meromictic Crawford Lake (Ontario), sectioned at 5 cm intervals, and analyzed to assess when meromixis occurred, based on its fossil record. Temporal changes in the total number of chironomid headcapsules, and chlorophyll and carotenoid sediment degradation products were closely correlated with organic matter, indicating in my opinion that extensive redeposition of littoral chironomid headcapsules in the profundal zone has occurred. Temporal variations in carotenoid degradation products, in response to changes in organic matter, obscured increased preservation that may have occurred as a consequence of meromixis. Temporal variations in iron and manganese suggest that relatively stable redox conditions have existed throughout most of the lake's history. Therefore it would appear that Crawford Lake has been meromictic since its inception.

Postglacial water levels in the Great Lakes Region in relation to Holocene climate change : Thecamoebian and Palynological evidence /

Various lake phases have developed in the upper Great Lakes in response to isostatic adjustment and changes in water supply since the retreat of the Laurentide Ice Sheet. Georgian Bay experienced a lowstand that caused a basin wide unconformity approximately 7,500 years ago that cannot be explained by geological events. Thecamoebians are shelled protozoans abundant in freshwater environments and they are generally more sensitive to changing environmental conditions than the surrounding vegetation. Thecamoebians can be used to reconstruct the paleolimnology. The abundance of thecamoebians belonging to the genus Centropyxis, which are known to tolerate slightly brackish conditions (i.e. high concentrations of ions) records highly evaporative conditions in a closed basin. During the warmer interval (9000 to 700 yBP), the Centropyxis - dominated population diminishes and is replaced by an abundant and diverse Difflugia dominate population. Historical climate records from Tobermory and Midland, Ontario were correlated with the Lake Huron water level curve. The fossil pollen record and comparison with modem analogues allowed a paleo-water budget to be calculated for Georgian Bay. Transfer function analysis of fossil pollen data from Georgian Bay records cold, dry winters similar to modem day Minneapolis, Minnesota. Drier climates around this time are also recorded in bog environments in Southem Ontario - the drying of Lake Tonawanda and inception of paludification in Willoughby Bog, for instance, dates around 7,000 years ago. The dramatic impact of climate change on the water level in Georgian Bay underlines the importance of paleoclimatic research for predicting future environmental change in the Great Lakes.

Investigating the potential of thecamoebians (testate amoebae) as bio-indicators of impact of oil sands mining operations on freshwater environments in Northeastern Alberta, Canada

Thecamoebian (testate amoeba) species diversity and assemblages in reclamation wetlands and lakes in northeastern Alberta respond to chemical and physical parameters associated with oil sands extraction. Ecosystems more impacted by OSPM (oil sands process-affected material) contain sparse, low-diversity populations dominated by centropyxid taxa and Arcella vulgaris. More abundant and diverse thecamoebian populations rich in difflugiid species characterize environments with lower OSPM concentrations. These shelled protists respond quickly to environmental change, allowing year-to-year variations in OSPM impact to be recorded. Their fossil record thus provides corporations with interests in the Athabasca Oil Sands with a potential means of measuring the progression of highlyimpacted aquatic environments to more natural wetlands. Development of this metric required investigation of controls on their fossil assemblage (e.g. seasonal variability, fossilization potential) and their biogeographic distribution, not only in the constructed lakes and wetlands on the oil sands leases, but also in natural environments across Alberta.

Evolutionary Origin and Maintenance of Sociality in the Small Carpenter Bees

Many arthropods exhibit behaviours precursory to social life, including adult longevity, parental care, nest loyalty and mutual tolerance, yet there are few examples of social behaviour in this phylum. The small carpenter bees, genus Ceratina, provide important insights into the early stages of sociality. I described the biology and social behaviour of five facultatively social species which exhibit all of the preadaptations for successful group living, yet present ecological and behavioural characteristics that seemingly disfavour frequent colony formation. These species are socially polymorphic with both / solitary and social nests collected in sympatry. Social colonies consist of two adult females, one contributing both foraging and reproductive effort and the second which remains at the nest as a passive guard. Cooperative nesting provides no overt reproductive benefits over solitary nesting, although brood survival tends to be greater in social colonies. Three main theories explain cooperation among conspecifics: mutual benefit, kin selection and manipulation. Lifetime reproductive success calculations revealed that mutual benefit does not explain social behaviour in this group as social colonies have lower per capita life time reproductive success than solitary nests. Genetic pedigrees constructed from allozyme data indicate that kin selection might contribute to the maintenance of social nesting -, as social colonies consist of full sisters and thus some indirect fitness benefits are inherently bestowed on subordinate females as a result of remaining to help their dominant sister. These data suggest that the origin of sociality in ceratinines has principal costs and the great ecological success of highly eusociallineages occurred well after social origins. Ecological constraints such as resource limitation, unfavourable weather conditions and parasite pressure have long been considered some of the most important selective pressures for the evolution of sociality. I assessed the fitness consequences of these three ecological factors for reproductive success of solitary and social colonies and found that nest sites were not limiting, and the frequency of social nesting was consistent across brood rearing seasons. Local weather varied between seasons but was not correlated with reproductive success. Severe parasitism resulted in low reproductive success and total nest failure in solitary nests. Social colonies had higher reproductive success and were never extirpated by parasites. I suggest that social nesting represents a form of bet-hedging. The high frequency of solitary nests suggests that this is the optimal strategy when parasite pressure is low. However, social colonies have a selective advantage over solitary nesting females during periods of extreme parasite pressure. Finally, the small carpenter bees are recorded from all continents except Antarctica. I constructed the first molecular phylogeny of ceratinine bees based on four gene regions of selected species covering representatives from all continents and ecological regions. Maximum parsimony and Bayesian Inference tree topology and fossil dating support an African origin followed by an Old World invasion and New World radiation. All known Old World ceratinines form social colonies while New World species are largely solitary; thus geography and phylogenetic inertia are likely predictors of social evolution in this genus. This integrative approach not only describes the behaviour of several previously unknown or little-known Ceratina species, bu~ highlights the fact that this is an important, though previously unrecognized, model for studying evolutionary transitions from solitary to social behaviour.

Freshwater dinoflagellates as proxies of cultural eutrophication: a case study from Crawford Lake, Ontario

Crawford Lake, Ontario, provides an ideal natural laboratory to study the response of freshwater dinoflagellates to cultural eutrophication. The anoxic bottom waters that result from meromixis in this small (2.4 ha) but deep (24 m) lake preserve varved sediments that host an exceptional fossil record. These annual layers provide dates for human activity (agriculture and land disturbance) around the lake over the last millennium by both Iroquoian village farmers (ca. A.D. 1268-1486) and Canadian farmers beginning ~A.D. 1883. The well established separate intervals of human activity around Crawford Lake, together with an abundance of available data from other fossil groups, allow us to further investigate the potential use of the cyst of freshwater dinoflagellates in studies of eutrophication. Cyst morphotypes observed have been assigned as Peridinium willei Huitfeldt-Kaas, Peridinium wisconsinense Eddy and Peridinium volzii Lemmermann and Parvodinium inconspicuum (Lemmermann) Carty. The latter two cyst-theca relationships were determined by culturing and by the exceptional preservation of thecae of P. inconspicuum in varves deposited at times of anthropogenic reductions in dissolved oxygen.

Algal and protozoan response to Holocene climate change and anthropogenic impact: a case study from Sluice Pond, MA

Sluice Pond is a small (18 ha) and deep (Zmax 20.0 m) partially meromictic, pond in Lynn, Massachusetts that contains a diverse dinocyst record since the early Holocene. High dinocyst concentrations, including morphotypes not previously described, as well as the preservation of several specimens of cellulosic thecae are attributed to low dissolved oxygen (DO) in the basin. The fossil protozoan record supports the interpretation- thecamoebians were unable to colonize the basin until the middle Holocene and only became abundant when the drought-induced lowstand oxygenated the bottom waters. Protozoans tolerant of low DO became abundant through the late Holocene as water levels rose and cultural eutrophication produced a sharp increase in biochemical oxygen demand (BOD) beginning in the 17th century. Recent sediments contain a dominance of Peridinium willei, indicating cultural eutrophication and the planktonic ciliate Codonella cratera and the thecamoebian Cucurbitella tricuspis in the deep basin. Above the chemocline however, a diverse difflugiid thecamoebian assemblage is present.

L’orientation de la cavité glénoïde de la scapula chez les grands singes (Gorilla, Pan et Pongo) et l’humain moderne : une étude comparative et ontogénique

Le degré de rétention de l’arboricolisme dans le répertoire locomoteur des hominines fossiles du Pliocène est toujours matière à débat, les études ayant principalement porté sur la courbure des phalanges et la proportion des membres. Vu la récente découverte de DIK-1-1 (A. afarensis) et de la scapula qui lui est associée, l’étude de cet os d’un point de vue fonctionnel est intéressante, puisqu’il est directement impliqué dans la locomotion de presque tous les hominoïdes. Le but de cette étude est de tenter d’établir un lien entre l’orientation supéro-inférieure (SI) et antéro-postérieure (AP) de la cavité glénoïde de la scapula et les comportements locomoteurs chez les grands singes et l’humain moderne. Des analyses comparatives sur les adultes ont été réalisées pour 1) voir s’il existe des différences dans la morphologie étudiée entre les espèces et 2) voir si ces différences peuvent être expliquées par la taille corporelle. Des analyses ontogéniques ont aussi été réalisées pour voir si un accroissement de la taille corporelle pendant le développement et les changements locomoteurs qui y sont associés correspondent à un changement d’orientation de la cavité glénoïde. Les résultats montrent que les humains ont une cavité glénoïde qui est orientée moins supérieurement que les grands singes, mais que Pongo, bien qu’étant le plus arboricole, n’a pas l’orientation la plus supérieure. Les « knuckle-walkers » (Pan et Gorilla) se distinguent des autres hominoïdes avec une orientation de la surface glénoïde relative à l’épine plus inférieure. La taille corporelle ne semble pas influencer la morphologie étudiée, sauf parfois chez le gorille. Seuls l’humain et les mâles Pongo montrent un changement ontogénique dans l’orientation de la cavité glénoïde relativement à l’épine. Sur la base de ces résultats, l’orientation de la cavité glénoïde semble refléter partiellement la fonction du membre supérieur dans la locomotion, mais des recherches plus poussées sont nécessaires. Mots-Clés : Scapula, cavité glénoïde, grands singes, humains, locomotion, arboricolisme.

Reconstitution paléo-écologique et contexte magnéto-stratigraphique de la forêt fossile de l'île Bylot (Nunavut)

Ce projet porte sur la reconstitution paléo-écologique d'un environnement forestier fossile retrouvé sur un plateau au sud-ouest de l'île Bylot. Il a comme objectifs 1) de préciser la chrono-stratigraphie du site; 2) d’établir une liste et une succession des différents taxons polliniques retrouvés dans les différentes unités stratigraphiques du site; 3) d’estimer leur âge et 4) d’en inférer des conditions climatiques (température et précipitations). Plusieurs coupes stratigraphiques ont été excavées puis échantillonnées afin de réaliser des analyses stratigraphiques, paléomagnétiques et polliniques. Un GPS différentiel fut également utilisé afin de caractériser à petite et grande échelle les unités stratigraphiques associées aux unités organiques fossiles. Les résultats des analyses granulométriques indiquent la séquence de dépôt suivante au sein d’une dépression dans la roche en place (schiste tertiaire) : 1) un diamicton glaciaire local ; 2) un sédiment limoneux d’origine glacio-lacustre ; 3) une unité organique tourbeuse; 4) une unité de type alluvial ; 5) un sédiment fluvio-glaciaire et 6) un diamicton glaciaire d’origine allochtone. Les analyses polliniques suggèrent une végétation similaire à celle présente près de la limite des arbres actuelle, environ 2000 km plus au sud. Les conditions climatiques plus humides et plus chaudes permettaient notamment la croissance du pin (Pinus type strobus et banksiana), de l’épinette (Picea cf. mariana), de l’aulne (type crispa et incana) et du mélèze (Larix, indifférencié). Enfin, les études paléomagnétiques et la présence d’espèces éteintes suggèrent un âge pour les dépôts organiques fossiles situé entre 2,14 et 2,15 Ma ou entre 2,581 et 3,040 Ma.

Age and species related variation in the development of growth plates of the knee and implications for the locomotion of Australopithecus afarensis

Comprendre l'évolution de la bipédie est un élément essentiel à la recherche en paléoanthropologie, car ce comportement est le trait le plus important utilisé pour identifier les fossiles comme appartenant à la lignée des hominines. La topographie de la surface infradiaphysaire du fémur et du tibia pourrait donner un aperçu du comportement locomoteur des espèces fossiles, mais n'a pas été étudiée de façon approfondie. Ce trait reflète directement les différences dans la locomotion, puisque la surface change de topographie pour mieux résister aux charges encourues par les mouvements réguliers. Le plan infradiaphysaire du fémur chez les humain est relativement plat, tandis que la surface est plus irrégulière chez les grands singes. Dans ce projet, les métaphyses du genou ont été étudiées d’une manière quantifiée afin de percevoir les différences entre espèces et mieux comprendre le développement ontogénique de ces traits. Les angles formés par les protrusions et les creux de ces surfaces ont été mesurés à partir de points de repère enregistrés en trois-dimensions sur les métaphyses du genou chez les humains, chimpanzés, gorilles, et orangs-outans, et chez trois fossiles Australopithecus afarensis, afin d’observer de l’effet de facteurs tel le stade de croissance et l’appartenance à une espèce sur la topographie des plaques de croissance du genou. Les angles d’obliquité du fémur et du tibia ont aussi été mesurés et analysés. Les résultats ont révélé que le stade développemental et l’appartenance à une espèce et, par association, le mode de locomotion, ont un effet significatif sur les métaphyses du genou. Il a également été constaté que les mesures d'Australopithecus afarensis chevauchent les valeurs trouvées chez les humains et chez les grands singes, ce qui suggère que cette espèce avait possiblement conservé une composante arboricole dans son comportement locomoteur habituel.

Étude taphonomique des assemblages fauniques de la formation géologique Mursi et du membre A de la Formation Shungura, Éthiopie

La formation géologique Mursi est datée à plus de 4 millions d’années, ce qui correspond à la période de l’émergence présumée des australopithèques, premiers hominines présentant une bipédie incontestable. La collection faunique Mursi (N=201) est comparée à celle du membre A de la Formation Shungura (N=300) sur une base taphonomique. La taphonomie est la science dédiée aux modes de formation des fossiles ainsi qu’aux traces laissées par ceux-ci. L’objectif principal de ce mémoire est de vérifier quelles sont les différences et ressemblances entre ces deux assemblages fossiles et d’en tirer des interprétations paléoenvironnementales. Pour chacun des agents taphonomiques (météorisation, piétinement, etc.), les fossiles sont gradés en fonction de stades prédéfinis tirés des écrits scientifiques. Finalement, malgré quelques différences (action des carnivores, intempérisation) on constate que les assemblages sont assez semblables et que, comme prédit par les reconstructions paléoenvironnementales préexistantes, leur lien à l’eau est assez bien démontré (groupes de Voorhies, abrasion).

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Isolation and identification of native microalgae for biodiesel production

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales.