Investigations into the extraction and the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from water by solid-phase extraction and capillary gas chromatography/ mass spectrometry

Factors affecting the detennination of PAHs by capillary GC/MS were studied. The effect of the initial column temperature and the injection solvent on the peak areas and heights of sixteen PAHs, considered as priority pollutants, USillg crosslinked methyl silicone (DB!) and 5% diphenyl, 94% dimethyl, 1% vinyl polysiloxane (DBS) columns was examined. The possibility of using high boiling point alcohols especially butanol, pentanol, cyclopentanol, and hexanol as injection solvents was investigated. Studies were carried out to optimize the initial column temperature for each of the alcohols. It was found that the optimum initial column temperature is dependent on the solvent employed. The peak areas and heights of the PAHs are enhanced when the initial column temperature is 10-20 c above the boiling point of the solvent using DB5 column, and the same or 10 C above the boiling point of the solvent using DB1 column. Comparing the peak signals of the PAHs using the alcohols, p-xylene, n-octane, and nonane as injection solvents, hexanol gave the greatest peak areas and heights of the PAHs particularly the late-eluted peaks. The detection limits were at low pg levels, ranging from 6.0 pg for fluorene t9 83.6 pg for benzo(a)pyrene. The effect of the initial column temperature on the peak shape and the separation efficiency of the PARs was also studied using DB1 and DB5 columns. Fronting or splitting of the peaks was obseIVed at very low initial column temperature. When high initial column temperature was used, tailing of the peaks appeared. Great difference between DB! and.DB5 columns in the range of the initial column temperature in which symmetrical.peaks of PAHs can be obtained is observed. Wider ranges were shown using DB5 column. Resolution of the closely-eluted PAHs was also affected by the initial column temperature depending on the stationary phase employed. In the case of DB5, only the earlyeluted PAHs were affected; whereas, with DB1, all PAHs were affected. An analytical procedure utilizing solid phase extraction with bonded phase silica (C8) cartridges combined with GC/MS was developed to analyze PAHs in water as an alternative method to those based on the extraction with organic solvent. This simple procedure involved passing a 50 ml of spiked water sample through C8 bonded phase silica cartridges at 10 ml/min, dried by passing a gentle flow of nitrogen at 20 ml/min for 30 sec, and eluting the trapped PAHs with 500 Jll of p-xylene at 0.3 ml/min. The recoveries of PAHs were greater than 80%, with less than 10% relative standard deviations of nine determinations. No major contaminants were present that could interfere with the recognition of PAHs. It was also found that these bonded phase silica cartridges can be re-used for the extraction of PAHs from water.

Encapsulation de Dehalococcoides: avantage pour la déhalogénation des solvants chlorés en sites contaminés

Le tétrachloroéthène (PCE) et les éthènes chlorés qui lui sont apparentés ont été abondamment utilisés pour plusieurs applications en industrie dès le début du 20e siècle. Ils sont cependant comptés parmi les polluants les plus communs des sols et de l’eau et beaucoup d’efforts sont déployés afin de les éliminer. Nous croyons que la conversion des éthènes chlorés en éthènes par des microorganismes est une solution prometteuse. Le premier aspect du projet visait donc à établir les conditions pour lesquelles un consortium enrichi en Dehalococcoides ethenogenes permettrait la conversion complète de PCE en éthène. Les expériences réalisées nous ont permis de souligner le rôle de l’acide lactique ajouté aux cultures comme source de carbone et source indirecte d’électrons pour la déhalorespiration. Nous avons également pu établir l’effet de la concentration initiale de biomasse dans les cultures sur le profil de déhalogénation du PCE. Le deuxième aspect du projet visait à développer un protocole d’encapsulation du consortium dans une matrice polymérique afin de profiter des nombreux avantages potentiels de l’encapsulation. Nous avons testé trois montages d’encapsulation différents : atomisation avec jet d’air, atomisation avec vibrations ultrasoniques et « drop-wise ». Le dernier montage prévoyait l’encapsulation des cultures dans des billes d’alginate enrobées de chitosane gélifié par du lignosulfonate. C’est le seul montage qui nous a permis d’encapsuler le consortium de façon efficace sans effet significatifs négatifs sur son activité de déchlorination. Aussi, la comparaison des profils de déhalogénation du PCE de cellules encapsulées et cellules libres a montré une plus faible accumulation de TCE, 1,2-DCE et VC dans les échantillons de cellules encapsulée et, par conséquent, une conversion plus rapide et plus complète du PCE en éthène. Finalement, nous avons observé une tendance favorable à l’idée que les microorganismes encapsulés bénéficient d’un effet de protection contre de faibles concentrations d’oxygène.

Impact des polluants agricoles sur la génétique des populations d’une espèce sentinelle : le ouaouaron (Rana catesbeiana)

L’expansion agricole ne cesse d’agir sur la perte d’habitats essentiels et nécessaires au développement des espèces. Bien que plusieurs espèces réussissent à survivre dans ces habitats peu adéquats, la persistance et la santé de plusieurs populations semblent compromises par l’utilisation souvent intensive de polluants chimiques agricoles et de fertilisants. Cette étude a pour but de déterminer l’impact des contaminants et de l’écologie du paysage sur la diversité génétique des populations de ouaouarons retrouvées en milieu agricole. Notre hypothèse de départ stipule qu’une exposition chronique aux polluants agricoles induira des différences génétiques au niveau des populations exposées. Le bassin versant de la rivière Yamaska a été désigné comme site d’étude puisqu’il fait partie de la région agricole la plus importante du Québec et parce qu’on y retrouve un gradient d’utilisation des terres pour l’agriculture (faible, moyen, élevé). Le ouaouaron a été choisi à titre de modèle biologique puisque ses caractéristiques physiologiques et écologiques en font une espèce sentinelle capable de rendre compte de l’état de santé global des écosystèmes. La caractérisation génétique des populations a été effectuée à partir de marqueurs d’AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism). Les résultats montrent que la diversité génétique est liée à la colonisation à partir de l’embouchure de la rivière Yamaska et que quelques populations sont génétiquement différenciées. De plus, nous avons démontré une relation positive entre le nombre de locus polymorphes et l’atrazine, l’indice de contamination et le métolachlore et la concentration en azote ainsi qu’entre l’hétérozygotie attendue et la concentration en phosphate.

Discrimination d'événements par analyse des signaux enregistrés par le projet PICASSO

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP.

Le droit à un environnement de qualité au Québec : une réponse aux problèmes de pollution diffuse?

Les Québécois sont de plus en plus conscients de l’environnement qui les entoure et de l’importance d’en assurer la qualité et la pérennité. Certains phénomènes, tels les changements climatiques, l’accumulation de polluants organiques persistants et l’amincissement de la couche d’ozone, que nous qualifierons de phénomènes environnementaux diffus, sont engendrés par de multiples émetteurs de polluants et ont des effets globaux qui ne peuvent être liés à un événement précis et dont les impacts sont difficiles à identifier et à quantifier pour le moment. En l’absence de preuve quant aux effets qu’auront ces phénomènes diffus sur les citoyens et les difficultés liées à la preuve scientifique du lien causal entre ce dommage et un émetteur de polluant donné, les recours classiques en responsabilité civile et pour troubles de voisinage, prévus aux articles 1457 et 976 C.c.Q., apparaissent inopérants. Nous nous interrogeons donc sur l’existence d’un droit à l’environnement qui conférerait aux citoyens le droit de vivre dans un environnement sain et leur permettrait ainsi de réclamer que cesse toute atteinte environnementale engendrée par ces phénomènes, même si elle n’a pas d’effet directement sur eux. Considérant l’importance de l’efficacité des recours qui pourraient permettre une mise en œuvre de ce droit, nous procéderons à l’analyse de trois sources potentielles d’un droit à l’environnement sous cet angle. À cet effet, nous étudierons les recours constitutionnels et quasi-constitutionnels liés à la Charte canadienne des droits et libertés, à la Charte des droits et libertés de la personne et au recours institutionnel prévu dans la Loi sur la qualité de l’environnement. Considérant l’absence de reconnaissance suffisante d’un droit à l’environnement et de recours efficaces pour en assurer la mise en œuvre, nous proposerons ensuite des pistes de solution afin que puisse être développé un mécanisme permettant une réponse judiciaire aux phénomènes environnementaux diffus.

Taux quotidiens d’inhalation et paramètres cardio-pulmonaires chez l’humain selon les données publiées en rapport au double marquage des molécules d’eau pour l’analyse du risque

L’objectif de cette étude est de déterminer certains paramètres respiratoires et cardiovasculaires chez des sujets de tous âges pour utilisation, à titre d’intrants physiologiques, en modélisation toxicocinétique et en analyse du risque toxique. La base de données utilisée est tirée de la littérature. Il s’agit de mesures portant sur la dépense d’énergie quotidienne de base et la dépense d’énergie quotidienne de totale obtenues, l’une par calorimétrie indirecte, l’autre par double marquage isotopique des molécules d’eau. Selon le type d’unité retenu, les valeurs les plus élevées au 99e centile des taux quotidiens d’inhalation sont obtenues chez des adolescentes et des femmes âgées de 11 à 55 ans souffrant d’embonpoint ou d’obésité, durant leur 36e semaine de grossesse (47,31 m³/jour), ainsi que chez des garçons de poids corporel normal âgés de 2,6 à moins de 6 mois (1,138 m³/kg-jour) et de 10 à moins de 16,5 ans (22,29 m³/m²-jour). Chez les enfants et les adolescents de poids corporel normal âgés de 5 à moins de 16.5 ans, les valeurs pour l’écart entre le 2,5e au 99e centile sont généralement plus élevées que celles obtenues chez les sujets plus âgés : taux de ventilation minute, 0,132 à 0,774 L/kg-min ou 4,42 à 21,69 L/m²-min versus 0,076 à 0,461 L/kg-min ou 2,80 à 16,99 L/m²-min; taux de ventilation alvéolaire, 0,093 à 0,553 L/kg-min ou 3,09 à 15,53 L/m²-min versus 0,047 à 0,312 L/kg-min ou 1,73 à 11,63 L/m²-min; débit cardiaque, 0,065 à 0,330 L/kg-min ou 2,17 à 9,46 L/m²-min versus 0,045 à 0,201 L/kg-min ou 1,63 à 7,24 L/m²-min; ratio de ventilation-perfusion, 1,12 à 2,16 versus 0,78 à 2,40. Il faut conclure que les apports inhalés en polluants, exprimés en ug/kg-min ou ug/m²-min sont plus élevés chez les enfants que chez les sujets plus âgés pour des concentrations d’exposition comparables. D’autres données montrent qu’il en est de même pour les apports inhalés par unité de poids corporel chez les femmes enceintes et les femmes qui allaitent par rapport à des sujets males d’âge comparable. L’ensemble des résultats obtenus suggère notamment que les valeurs des NOAELH de Santé Canada pourraient être abaissées par un facteur de 2,6 par utilisation du 99e centile le plus élevé des taux quotidiens d’inhalation chez les enfants; le taux de ventilation minute de 20,83 L/min approximé pour une journée de travail de 8 heures peut être considéré comme étant conservateur ; par contre, l’utilisation du taux quotidien d’inhalation de 0,286 m³/kg-jour (c.-à-d. 20 m³/jour pour un adulte de poids corporel de 70 kg) est inappropriée en analyse et gestion du risque lorsqu’appliquée à l’ensemble de la population.

Caractérisation de la composante toxicocinétique du facteur d’ajustement pour la variabilité interindividuelle utilisé en analyse du risque toxicologique

Un facteur d’incertitude de 10 est utilisé par défaut lors de l’élaboration des valeurs toxicologiques de référence en santé environnementale, afin de tenir compte de la variabilité interindividuelle dans la population. La composante toxicocinétique de cette variabilité correspond à racine de 10, soit 3,16. Sa validité a auparavant été étudiée sur la base de données pharmaceutiques colligées auprès de diverses populations (adultes, enfants, aînés). Ainsi, il est possible de comparer la valeur de 3,16 au Facteur d’ajustement pour la cinétique humaine (FACH), qui constitue le rapport entre un centile élevé (ex. : 95e) de la distribution de la dose interne dans des sous-groupes présumés sensibles et sa médiane chez l’adulte, ou encore à l’intérieur d’une population générale. Toutefois, les données expérimentales humaines sur les polluants environnementaux sont rares. De plus, ces substances ont généralement des propriétés sensiblement différentes de celles des médicaments. Il est donc difficile de valider, pour les polluants, les estimations faites à partir des données sur les médicaments. Pour résoudre ce problème, la modélisation toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été utilisée pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes lors de l’exposition aux polluants. Cependant, les études réalisées à ce jour n’ont que peu permis d’évaluer l’impact des conditions d’exposition (c.-à-d. voie, durée, intensité), des propriétés physico/biochimiques des polluants, et des caractéristiques de la population exposée sur la valeur du FACH et donc la validité de la valeur par défaut de 3,16. Les travaux de la présente thèse visent à combler ces lacunes. À l’aide de simulations de Monte-Carlo, un modèle TCBP a d’abord été utilisé pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes (c.-à-d. chez les adultes, ainés, enfants, femmes enceintes) de contaminants de l’eau lors d’une exposition par voie orale, respiratoire, ou cutanée. Dans un deuxième temps, un tel modèle a été utilisé pour simuler cette variabilité lors de l’inhalation de contaminants à intensité et durée variables. Ensuite, un algorithme toxicocinétique à l’équilibre probabiliste a été utilisé pour estimer la variabilité interindividuelle des doses internes lors d’expositions chroniques à des contaminants hypothétiques aux propriétés physico/biochimiques variables. Ainsi, les propriétés de volatilité, de fraction métabolisée, de voie métabolique empruntée ainsi que de biodisponibilité orale ont fait l’objet d’analyses spécifiques. Finalement, l’impact du référent considéré et des caractéristiques démographiques sur la valeur du FACH lors de l’inhalation chronique a été évalué, en ayant recours également à un algorithme toxicocinétique à l’équilibre. Les distributions de doses internes générées dans les divers scénarios élaborés ont permis de calculer dans chaque cas le FACH selon l’approche décrite plus haut. Cette étude a mis en lumière les divers déterminants de la sensibilité toxicocinétique selon le sous-groupe et la mesure de dose interne considérée. Elle a permis de caractériser les déterminants du FACH et donc les cas où ce dernier dépasse la valeur par défaut de 3,16 (jusqu’à 28,3), observés presqu’uniquement chez les nouveau-nés et en fonction de la substance mère. Cette thèse contribue à améliorer les connaissances dans le domaine de l’analyse du risque toxicologique en caractérisant le FACH selon diverses considérations.

Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

Hospitalisation pour problèmes respiratoires et exposition aux émissions d’une aluminerie chez l’enfant

L’exposition quotidienne aux polluants atmosphériques tels que le dioxyde de soufre, les particules fines (PM2.5) et l’ozone en milieu urbain sont associés à des effets néfastes sur la santé respiratoire des enfants. Des études épidémiologiques transversales rapportent des associations entre la pollution atmosphérique et des problèmes de santé respiratoires chez les enfants en milieu industriel telles que la prévalence de l’asthme et de l'hyperréactivité bronchique. Ces études épidémiologiques transversales ne permettent pas d’évaluer les effets sur la santé d’une exposition de courte durée. Peu d’études ont évalué les effets respiratoires des expositions aiguës chez les enfants à la pollution atmosphérique d’émissions industrielles. Dans ce mémoire, nous avons analysé l’association entre l’exposition journalière aux émissions d’une aluminerie et l’hospitalisation pour problèmes respiratoires (asthme, bronchiolite) chez les enfants de Shawinigan. Pour étudier ces effets des expositions aiguës, nous avons utilisé le devis épidémiologique de type « case-crossover » qui compare l’exposition lors des jours « cas » (jour d’hospitalisation) avec l’exposition lors des jours « contrôle » (exposition du même individu, les mêmes jours de la semaine, durant le même mois). Les variables d’exposition suivantes ont été calculées pour les enfants vivants dans un rayon de 7.5 km de l’industrie et pour ceux habitant à moins de 2.5 km de la station de mesure de polluants près de l’industrie : i) le nombre d’heures par jour durant lesquelles la résidence de chaque enfant recevait le panache de fumée de l’industrie. ii) les concentrations journalières de PM2.5 et de SO2 (moyenne et maximales) de la station de mesure des polluants localisée près de l’industrie. Des régressions logistiques conditionnelles ont été utilisées pour estimer les rapports de cotes (OR) et leurs intervalles de confiance à 95% (IC95%). Au total, 429 hospitalisations d’enfants pour asthme et bronchiolite ont été recensées pendant la période d’étude allant de 1999 à 2008. Le risque d’hospitalisations pour asthme et bronchiolite a augmenté avec l’augmentation du nombre d’heures d’exposition aux fumées de l’industrie, chez les enfants de moins de 5 ans. Pour les enfants de 2-4 ans, cette association était : OR : 1.27, pour un interquartile de 4.8 heures/jour; intervalle de confiance à 95%: 1.03-1.56. Des tendances moins prononcées sont notées avec les niveaux de SO2 et de PM2.5. Cette étude suggère que l’exposition journalière aux émissions industrielles identifiées par l’exposition horaire des vents venant de l’usine pourrait être associée à une exacerbation des problèmes respiratoires chez les jeunes enfants. De plus, l’effet plus prononcé avec la variable d’exposition basée sur les vents suggère un effet découlant des polluants autres que ceux mesurés (SO2 et PM2.5), possiblement comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

La préservation de l'eau face à la pollution industrielle : le rôle de l'État Québécois

Le Québec, qui dispose de près de 3 % des ressources d’eau douce de la planète, a longtemps géré cette ressource selon une rationalité permissive, ce qui a encouragé la pollution de celle-ci. Le secteur industriel est à l’origine des rejets de polluants les plus difficiles à décomposer, lesquels auraient déjà occasionné une baisse de la biodiversité. Dès 1978, le Québec commence à réaffirmer le rôle de l’État dans la protection et la préservation de l’eau. À ce sujet, un programme d’assainissement des eaux, associé à une législation plus contraignante, a permis de récupérer les eaux des fleuves et des rivières les plus polluées. Avec l’adoption de la Politique nationale de l’eau et de la Loi affirmant le caractère collectif des ressources en eau et visant à renforcer leur protection, le Québec réaffirme de nouveau le rôle de l’État en tant que fiduciaire des ressources en eau dans le but de les préserver et de les gérer pour les générations futures.

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.

Analyse systématique de la relation entre l’exposition prénatale aux biphényles polychlorés et les effets neurodéveloppementaux et thyroïdiens chez l’enfant

Les biphényles polychlorés (BPC) sont des contaminants de l’environnement, omniprésents dans la chaîne alimentaire, qui ont une propension à la bioaccumulation dans le corps humain. Ils traversent la barrière placentaire et sont suspectés d’induire des altérations du développement mental ou moteur chez des enfants exposés aux BPC pendant la vie intrautérine. Ces effets s’expliqueraient notamment par la capacité des BPC à perturber l’homéostasie de la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte ou le nouveau-né. Malgré le nombre considérable d’études épidémiologiques réalisées, la relation entre l’exposition prénatale aux BPC et les altérations du développement mental et moteur ou de la fonction thyroïdienne n’a pas encore été clairement établie ; d’une part, différents bioindicateurs de l’exposition ont été employés (différents congénères de BPC mesurés et différentes matrices biologiques ou unités de mesure) limitant la comparaison directe entre les études et, d’autre part, le lien de causalité entre les BPC et les effets ciblés n’a pas été vérifié avec des critères épidémiologiques reconnus. Cette étude a été réalisée afin d’analyser la relation « concentration biologique de BPC – effet » entre l'exposition aux BPC de la mère pendant la grossesse et le développement mental et moteur de l’enfant ainsi que les paramètres de la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte et le nouveau-né à partir d’une analyse systématique des études épidémiologiques disponibles en standardisant les données biologiques entre les études. Sur la base de considérations toxicocinétiques et en appliquant des facteurs de conversion établis à partir de la littérature épidémiologique publiée, les concentrations des BPC rapportées dans les différentes études revues ont été standardisées en termes d’équivalent de BPC totaux par kilogramme de lipides dans le plasma maternel (µg PCBMPEQ/kg de lipides). Afin d’analyser la possibilité d’une association causale entre l’exposition aux BPC et les effets d’intérêt, les critères de Hill ont été appliqués systématiquement à l’ensemble des associations « concentrations biologiques standardisées – effet ciblés ». En appliquant cette approche aux données publiées de 20 études épidémiologiques sur la relation entre les BPC et le poids à la naissance, l’exposition prénatale aux BPC, aux niveaux décrits (moyenne < 1920 µg PCBMPEQ/kg de lipides), n’apparaît pas associée de manière significative à un poids à la naissance inférieur à 2500 g dans les populations étudiées. Par ailleurs, en considérant des études menées sur le suivi de neuf cohortes d’enfants, la probabilité qu’une altération cognitive ou motrice cliniquement significative, qui persiste entre la naissance et l’âge scolaire, soit observée à des concentrations de BPC totaux inférieures à 1000 µg PCBMPEQ/kg de lipides semble faible. Aussi, à partir de l’analyse systématique des données de 17 études épidémiologiques, l’exposition aux BPC aux niveaux standardisés décrits (moyenne < 1000 µg PCBMPEQ/kg de lipides) ne semble pas induire de variation des hormones thyroïdiennes ou de TSH en dehors des intervalles physiologiques reconnus chez la femme enceinte et le nouveau-né. Ainsi, la valeur biologique de référence établie à 1000 µg PCBMPEQ/kg de lipides pour prévenir les effets sur le développement devrait aussi prévenir les effets sur le poids à la naissance et la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte ou le nouveau-né. Les résultats présentés dans cette thèse fournissent aux autorités de santé publique responsables de l’établissement de directives et des normes de l’information utile à la révision des critères sanitaires visant à protéger des effets des BPC sur le développement de l’enfant et la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte et le nouveau-né.

Détection de nouvelles candidates au rang de naines brunes de types spectraux plus tardifs que T5 avec le Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE)

Les naines brunes sont, en termes de masse, les objets astrophysiques intermédiaires entre les planètes géantes gazeuses et les étoiles de faible masse. Elles se forment de la même manière que les étoiles, par contraction gravitationnelle d’un fragment de nuage de gaz moléculaire ayant atteint la limite de Jeans, mais se différencient par leur incapa- cité à produire les réactions de fusion de l’hydrogène dans leur cœur. Les naines brunes sont par conséquent des objets qui se refroidissent graduellement, et dont les propriétés spectrales évoluent au cours du temps. Ce mémoire présente la recherche de nouvelles candidates de type spectral T tardif et Y, dans le but de compléter le relevé des naines brunes du voisinage solaire. Cette recherche est motivée par deux objectifs principaux. Premièrement, un échantillon com- plet des objets de faible masse est nécessaire pour contraindre correctement la limite aux faibles masses de la fonction de masse initiale des nuages interstellaires, problème clé en astrophysique actuellement. Deuxièmement, les naines brunes de types spectraux tardifs sont les objets stellaires dont les propriétés atmosphériques sont les plus semblables à celles des planètes géantes gazeuses. Par conséquent, la recherche de nouvelles naines brunes permet indirectement d’améliorer nos connaissances des exoplanètes, sans être contraints par la proximité d’étoiles brillantes. À partir du WISE All-Sky Source Catalog, nous avons établi un échantillon de 55 candidates naines brunes répondant aux critères photométriques attendus. Parmi ces can- didates, 17 ont fait l’objet d’un suivi photométrique en bande J à l’Observatoire du Mont-Mégantic, et 9 ont pu être détectées. De ces 9 détections, 4 objets présentent des mouvements propres cohérents avec ceux de naines brunes.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.