Analysis of chromium behaviour and speciation during the electrodialytic process

The interest in chromium (Cr) arises from the widespread use of this heavy metal in various industrial processes that cause its release as liquid, solid and gaseous waste into the environment. The impact of Cr on the environment and living organisms primarily depends on its chemical form, since Cr(III) is an essential micronutrient for humans, other animals and plants, and Cr(VI) is highly toxic and a known human carcinogen. This study aimed to evaluate if the electrodialytic process (ED) is an appropriate treatment for Cr removal, through a critical overview of Cr speciation, before and after the ED experiments, to assess possible Cr(III)-Cr(VI) interconversions during the treatment. ED was the treatment technique applied to two types of matrices containing Cr: chromate copper arsenate (CCA) contaminated soil and municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash. In order to study Cr remediation, three EDR set-ups were used: a new set-up, the combined cell (2/3C or 3/2C), with three compartments, alternating current between two anodes and different initial experimental conditions, one set-up with three compartments (3C cell) and the other set-up with two compartments (2C cell). The Cr removal rates obtained in this study were between 10-36% for the soil, and 1-13% for the fly ash. The highest Cr removal rates were achieved in the 26 days experiments: 36% for the soil, 13% for the fly ash. Regarding the 13 days experiments, the highest Cr removal rates were attained with the 2/3C set-up: 24% for the soil, 5% for the fly ash. The analysis of Cr(VI) was performed before and after ED experiments to evaluate eventual changes in Cr speciation during the treatment. This analysis was conducted by two methods: USEPA Method 3060A, for the extraction of Cr(VI); and Hach Company Method 8023, for the detection of Cr(VI). Despite the differences in Cr total concentration, both matrices presented a similar speciation, with Cr(III) being the main species found and Cr(VI) less than 3% of Cr total, before and after the treatment. For fly ash, Cr(VI) was initially below the detection limit of the method and remained that way after the treatment. For soil, Cr(VI) decreased after the treatment. Oxidation of Cr(III) to Cr(VI) did not occur during the ED process since there was no increase in Cr(VI) in the matrices after the treatment. Hence, the results of this study indicate that ED is an appropriate technique to remediate matrices containing Cr because it contributes to Cr removal, without causing Cr(III)-Cr(VI) interconversions.

Electrokinetic treatment of environmental matrices. Contaminants removal and phosphorus recovery

There is a need to develop viable techniques for removal and recovery organic and inorganic compounds from environmental matrices, due to their ecotoxicity, regulatory obligations or potential supplies as secondary materials. In this dissertation, electro –removal and –recovery techniques were applied to five different contaminated environmental matrices aiming phosphorus (P) recovery and/or contaminants removal. In a first phase, the electrokinetic process (EK) was carried out in soils for (i) metalloids and (ii) organic contaminants (OCs) removal. In the case of As and Sb mine contaminated soil, the EK process was additionally coupled with phytotechnologies. In a second phase, the electrodialytic process (ED) was applied to wastes aiming P recovery and simultaneous removal of (iii) toxins from membrane concentrate, (iv) heavy metals from sewage sludge ash (SSA), and (v) OCs from sewage sludge (SS). EK enhanced phytoremediation showed to be viable for the remediation of soils contaminated with metalloids, as although remediation was low, it combines advantages of both technologies while allowing site management. EK also proved to be an effective remediation technology for the removal and degradation of emerging OCs from two types of soil. Aiming P recovery and contaminants removal, different ED cell set-ups were tested. For the membrane concentrates, the best P recovery was achieved in a three compartment (3c) cell, but the highest toxin removal was obtained in a two compartment (2c) cell, placing the matrix in the cathode end. In the case of SSA the best approach for simultaneous P recovery and heavy metals removal was to use a 2c-cell placing the matrix in the anode end. However, for simultaneous P recovery and OCs removal, SS should be placed in the cathode end, in a 2c-cell. Overall, the data support that the selection of the cell design should be done case-by-case.

Biological materials in colorectal surgery: current applications and potential for the future.

Biological materials are increasingly used in abdominal surgery for ventral, pelvic and perineal reconstructions, especially in contaminated fields. Future applications are multi-fold and include prevention and one-step closure of infected areas. This includes prevention of abdominal, parastomal and pelvic hernia, but could also include prevention of separation of multiple anastomoses, suture- or staple-lines. Further indications could be a containment of infected and/or inflammatory areas and protection of vital implants such as vascular grafts. Reinforcement patches of high-risk anastomoses or unresectable perforation sites are possibilities at least. Current applications are based mostly on case series and better data is urgently needed. Clinical benefits need to be assessed in prospective studies to provide reliable proof of efficacy with a sufficient follow-up. Only superior results compared with standard treatment will justify the higher costs of these materials. To date, the use of biological materials is not standard and applications should be limited to case-by-case decision.

Quantification of clenbuterol at trace level in human urine by ultra-high pressure liquid chromatography-tandem mass spectrometry.

Clenbuterol is a β2 agonist agent with anabolic properties given by the increase in the muscular mass in parallel to the decrease of the body fat. For this reason, the use of clenbuterol is forbidden by the World Anti-Doping Agency (WADA) in the practice of sport. This compound is of particular interest for anti-doping authorities and WADA-accredited laboratories due to the recent reporting of risk of unintentional doping following the eating of meat contaminated with traces of clenbuterol in some countries. In this work, the development and the validation of an ultra-high pressure liquid chromatography coupled to electrospray ionization tandem mass spectrometry (UHPLC-ESI-MS/MS) method for the quantification of clenbuterol in human urine is described. The analyte was extracted from urine samples by liquid-liquid extraction (LLE) in basic conditions using tert butyl-methyl ether (TBME) and analyzed by UHPLC-MS/MS with a linear gradient of acetonitrile in 9min only. The simple and rapid method presented here was validated in compliance with authority guidelines and showed a limit of quantification at 5pg/mL and a linearity range from 5pg/mL to 300pg/mL. Good trueness (85.8-105%), repeatability (5.7-10.6% RSD) and intermediate precision (5.9-14.9% RSD) results were obtained. The method was then applied to real samples from eighteen volunteers collecting urines after single oral doses administration (1, 5 and 10μg) of clenbuterol-enriched yogurts.

Public health assessment : Railroad Avenue groundwater contamination, West Des Moines, Polk County, Iowa EPA facility ID: IA0001610963 (2004)

The Railroad Avenue groundwater contamination site (the site) is in West Des Moines, Polk County, Iowa. Located on approximately 120 acres. The site comprises mixed residential, industrial and commercial properties. Underneath the site, chlorinated volatile organic compounds (VOCs) have contaminatcd the shallow (i.e., 30-50 feet deep) groundwater. These compounds have compromised several shallow wells within the West Des Moines water works system. A contamination source, however, has not yet been identified. In 1993, routine water analysis by the City of West Des Moines identified 1, 2 cis-dichlorocthylcne (1, 2 cis-DCE) at a concentration of 1.2 μg/L (micrograms) per liter of water) in the water supply. Subsequently. several shallow municipal wells were found to be contaminated by VOCs, including 1. 2 cis-DCE, trichloroethylene (TCE), tetrachloroethylene (PCE) and benzene. Five of these wells have been taken out of service. Because of the impact on the West Des Moines water supply, the U.S. Environmental Protection Agency (USEPA) has assigned the site to the National Priorities List. Surface water und sediment at the site have not been impacted by the VOCs. Testing for VOCs in surface soils has not revealed any significant VOC contamination. Subsurface soils -- generally 8 feet or greater in depth -- are contaminated with VOCs, but at levels which should not present a health hazard. The past, present, and future health hazard category chosen for this site is no apparent public health hazard. This category is used when exposure to toxins might be occurring or might have occurrcd in the past, but at levels below any known health hazard. Analysis of available environmental data has not revealed that residental or commercial water customers are or have been exposed to VOCs at concentrations that might cause any adverse health effects.

Geochemistry and mineralogical association of heavy metal contaminants in fine grained sediment, Welland River, Southern Ontario /

This investigation of geochemistry and mineralogy of heavy metals in fine grained (<63^m) sediment of the Welland River was imdertaken to: 1) describe metal dispersion patterns relative to a source, identify minerals forming and existing at the outfall region and relate sediment particle size to chemistry; 2) to delineate sample handling, preparation and evaluate, modify and develop analytical methods for heavy metal analysis of complex environmental samples. Ajoint project between Brock University and Geoscience Laboratories was initiated to test a contaminated site of the Welland River at the base of Atlas Speciality Steels Co. Methods were developed and utilized for particle size separation and two acid extraction techniques: 1) Partial extraction; 2) Total extraction. The mineralogical assessment identified calcite, dolomite, quartz and clays. These minerals are typical of the carbonate-shale rock basement of the Niagara Peninsula. Minerals such as, mullite and ferrocolumbite were found at the outfall region. These are not typical of the local geology and are generally associated with industrial pollutants. Partial and total extraction techniques were used to characterize the sediments based on chemical distribution, elemental behaviour and analytical differences. The majority of elements were lower in concentration in the partial extraction technique; suggesting these elements are bound in an acid extractable phase (exchangeable, organic and carbonate phases). The total extraction technique yielded higher elemental concentrations taking difficult oxides and silicates into solution. Geochemical analyses of grain size separates revealed that heavy metal (Co, Ni, V, Mn, Fe, Ba) concentrations did not increase with decreasing grain size. This is a function of the anthropogenic mill scale input into the river. The background elements (Sc, Y, Sr, Mg, Al and Ti) showed an increase in concentration to the finest grain size suggesting that it is directly related to the local mineralogy and geology. Dispersion patterns ofmetals fall into two distinct categories: 1) the heavy metals (Co, Cu, Ni, Zn, V and Cr), and 2) the background elements (Be, Sc, Y, Sr, Al and Ti). The heavy metals show a marked increase in the outfall region, while the background elements show a significant decrease at the outfall. This pattern is attributed to a "dilution effect" ofthe natural sediments by the anthropogenic mill scale sediments. Multivariant statistical analysis and correlation coefficient matrix results clearly support these results and conclusions. These results indicate the outfall region ofthe Welland River is highly contaminated with to heavy metals from the industrialized area of Welland. A short distance downstream, the metal concentrations return to baseline geochemical levels. It appears, contaminants rapidly come out of suspension and are deposited in close proximity to the source. Therefore, it is likely that dredging the sediment from the river may cause resuspension of contaminated sediments, but may not distribute the sediment as far as initially anticipated.

Sediment genotoxicity and its relationship to the frequency of chironomid labial plate deformities

Sediment samples were taken from seven locations in the WeIland River in December 1986 and April 1987. The DMSO extracts of these sediment samples showed a significant (pcontaminated with genotoxic materials. The genotoxic materials may have induced the observed increased frequency in chironomid labial plate deformities . Samples from stations C and D-l, located in a downstream portion of the river bounded by an industrialized area were slightly toxic according to -the alkaline phosphatase inhib_ii~ion component of the 50S chromotest analyses. The toxicity of these samples was only evident once they had been activated by the 59 (liver extract) mixture.

Exact property estimation from diffusion Monte Carlo with minimal stochastic reconfiguration /

Our objective is to develop a diffusion Monte Carlo (DMC) algorithm to estimate the exact expectation values, ($o|^|^o), of multiplicative operators, such as polarizabilities and high-order hyperpolarizabilities, for isolated atoms and molecules. The existing forward-walking pure diffusion Monte Carlo (FW-PDMC) algorithm which attempts this has a serious bias. On the other hand, the DMC algorithm with minimal stochastic reconfiguration provides unbiased estimates of the energies, but the expectation values ($o|^|^) are contaminated by ^, an user specified, approximate wave function, when A does not commute with the Hamiltonian. We modified the latter algorithm to obtain the exact expectation values for these operators, while at the same time eliminating the bias. To compare the efficiency of FW-PDMC and the modified DMC algorithms we calculated simple properties of the H atom, such as various functions of coordinates and polarizabilities. Using three non-exact wave functions, one of moderate quality and the others very crude, in each case the results are within statistical error of the exact values.

Gas chromatographic electron capture negative ionization mass spectrometric (GC/ECNI/MS) determination of unique fluorinated compounds in the sediments of Lake Ontario and the effect of high-boiling alcohols (as injection solvents) on chromatographic behaviour of polycyclic aromatic hydrocarbons in gas chromatography

Part I - Fluorinated Compounds A method has been developed for the extraction, concentration, and determination of two unique fluorinated compounds from the sediments of Lake Ontario. These compounds originated from a common industrial landfill, and have been carried to Lake Ontario by the Niagara River. Sediment samples from the Mississauga basin of Lake Ontario have been evaluated for these compounds and a depositional trend was established. The sediments were extracted by accelerated solvent extraction (ASE) and then underwent clean-up, fractionation, solvent exchange, and were concentrated by reduction under nitrogen gas. The concentrated extracts were analyzed by gas chromatography - electron capture negative ionization - mass spectrometry. The depositional profile determined here is reflective of the operation of the landfill and shows that these compounds are still found at concentrations well above background levels. These increased levels have been attributed to physical disturbances of previously deposited contaminated sediments, and probable continued leaching from the dumpsite. Part II - Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Gas chromatography/mass spectrometry is the most common method for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from various matrices. Mass discrimination of high-boiling compounds in gas chromatographic methods is well known. The use of high-boiling injection solvents shows substantial increase in the response of late-eluting peaks. These solvents have an increased efficiently in the transfer of solutes from the injector to the analytical column. The effect of I-butanol, I-pentanol, cyclopentanol, I-hexanol, toluene and n-octane, as injection solvents, was studied. Higher-boiling solvents yield increased response for all PAHs. I -Hexanol is the best solvent, in terms of P AH response, but in this solvent P AHs were more susceptible to chromatographic problems such as peak splitting and tailing. Toluene was found to be the most forgiving solvent in terms of peak symmetry and response. It offered the smallest discrepancies in response, and symmetry over a wide range of initial column temperatures.

Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

Étude de l’efficacité de la vaccination à Salmonella Enteritidis chez la poule pondeuse et de la protection contre l’infection

Les infections à Salmonella Enteritidis chez les humains sont associées à la consommation d’œufs ou d’ovoproduits contaminés. La vaccination est un outil utilisé pour diminuer les risques d’infection à SE chez la volaille, mais avec des résultats variables. Au Canada deux bactérines, MBL SE4C et Layermune, sont couramment utilisées pour lutter contre SE. Cependant, leur efficacité n’a pas été complètement déterminée chez les poules pondeuses plus âgées. Par ailleurs, la capacité de ces vaccins à prévenir la transmission verticale et horizontale n’a pas encore été étudiée. L’objectif principal de cette étude était d’évaluer l’effet des deux bactérines sur la réponse immunitaire chez les poules pondeuses, de vérifier la protection conférée par ces vaccins contre l’infection expérimentale à SE, et d’identifier des protéines immunogènes afin de développer un vaccin sous-unitaire. Les oiseaux ont été vaccinés avec deux protocoles d’immunisation en cours d’élevage (soit à 12 et 18, ou à 16 semaines d’âge). Le groupe contrôle a été injecté avec la solution saline. Les oiseaux ont été inoculés per os avec 2 x 109 CFU de la souche SE lysotype 4 à 55 ou à 65 semaines d’âge. Les anticorps (IgG et IgA) ont été mesurés à différents temps avec un ELISA maison en utilisant l’antigène entier de SE. La phagocytose, flambée oxydative, les populations des splénocytes B et T ont été analysées en utilisant la cytométrie en flux. Les signes cliniques, l’excrétion fécale, la contamination des jaunes d’œufs et l’invasion des salmonelles dans les organes ont été étudiés pour évaluer l’efficacité de protection. La transmission horizontale a aussi été étudiée en évaluant l’infection à SE chez les oiseaux mis en contact avec les oiseaux inoculés. Les protéines immunogènes ont été identifiées par SDS-PAGE et Western blot à l’aide d’antisérums prélevés suite à la vaccination et/ou à l’infection expérimentale/naturelle, puis caractérisées par la spectrométrie de masse. Le protocole de vaccination avec deux immunisations a généré un niveau élevé de séroconversion à partir de 3 jusqu’à 32-34 semaines post-vaccination par rapport à celui avec une seule immunisation (p < 0.02), mais il n’y avait plus de différence entre les groupes à 54 et 64 semaines d’âge. Il n’y a pas eu de corrélation entre les niveaux d’IgG et les taux d’isolement des salmonelles dans les organes et des jaunes d’œuf. La production des IgA n’a été observée que chez les oiseaux vaccinés avec 2 injections de MBL SE4C (p ≤ 0.04). Après l’infection expérimentale, la production des IgA a été significativement plus élevée aux jours 1 et 7 p.i dans l’oviducte des oiseaux vaccinés (sauf pour le groupe vacciné avec 2 injections de Layermune) par comparaison avec le groupe contrôle (p ≤ 0.03). Seule la bactérine MBL SE4C a eu un effet protecteur contre la contamination des jaunes d’œuf chez les oiseaux infectés. Ce vaccin réduit partiellement en utilisant deux immunisations, le taux d’excrétion fécale des salmonelles chez les oiseaux inoculés et les oiseaux horizontalement infectés (p ≤ 0.02). Cinq des protéines identifiées par la spectrométrie de masse sont considérées comme des protéines potentiellement candidates pour une étude plus approfondie de leur immonogénicité: Lipoamide dehydrogenase, Enolase (2-phosphoglycerate dehydratase) (2-phospho-D-glycerate hydro-lyase), Elongation factor Tu (EF-Tu), Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) et DNA protection during starvation protein. En général, les bactérines ont induit une immunité humorale (IgG et IgA) chez les poules pondeuses. Cette réponse immunitaire a protégé partiellement les oiseaux quant à l’élimination des salmonelles, la contamination des jaunes d’œuf, ainsi que la transmission horizontale. Dans cette étude, la bactérine MBL SE4C (avec deux immunisations) s’est montrée plus efficace pour protéger les oiseaux que la bactérine Layermune. Nos résultats apportent des informations objectives et complémentaires sur le potentiel de deux bactérines pour lutter contre SE chez les poules pondeuses. Étant donné la protection partielle obtenue en utilisant ces vaccins, l’identification des antigènes immunogènes a permis de sélectionner des protéines spécifiques pour l’élaboration éventuelle d’un vaccin plus efficace contre SE chez les volailles.

Rôle des kinines dans la physiopathologie des effets secondaires causés par les héparines contaminées d’origine chinoise : approche expérimentale

En janvier 2008, une éclosion de réactions anaphylactoïdes (RA) potentiellement mortelles associées à l’injection intraveineuse d’héparine manufacturées en Chine et contaminée par le chondroïtine sulfate hypersulfaté (CSHS) a forcé le rappel de ces dernières par la U.S. Food and Drug Administration. Ces RA ont rapidement été attribuées à la libération de la bradykinine (BK) suite à l’activation du système de contact par le CSHS. Cependant, aucune évidence expérimentale définitive n’est à ce jour venue appuyer directement cette hypothèse. En se basant sur le nombre de morts déclaré et associé à la contamination (>150 morts au niveau mondial) ainsi qu’aux données épidémiologiques, qui stipulent que 25% des patients ayant développés une RA aux États-Unis étaient essentiellement des insuffisant rénaux en dialyse traités au moyen d’un inhibiteur de l’enzyme de conversion de l’angiotensine (iECA), nous avons émis l’hypothèse suivante : les RA causées par l’injection intraveineuse d’héparine contaminée au CSHS sont de nature multifactorielle et complexe. Le but de notre travail est donc, dans un premier temps, d’évaluer le pouvoir kininoformateur du CSHS en présence d’un iECA et de le comparer à celui du sulfate de dextran, un activateur de référence du système de contact. Comme les RA associées à l’injection intraveineuse d’héparine contaminée par le CSHS se produisent généralement dans les premières minutes des séances de dialyse, nous allons étudier l’effet de la dilution du plasma sur la quantité de BK libérée en présence ou en absence d’un iECA. Nous allons également mesurer les profils cinétiques de la libération de la BK sur un plasma stimulé par différents lots d’héparine contaminée, et associée à des RA, et nous comparerons cette cinétique avec celles d’une héparine de référence complémentée ou non avec différentes concentrations de CSHS synthétique. Enfin, nous allons caractériser le profil de libération de la BK et de son métabolite actif, la des-Arg9-BK, dans le plasma de patients dialysé ayant présenté une RA associée à une membrane de dialyse chargée négativement. L’application de méthodes expérimentales développées dans notre laboratoire nous a permis de montrer, pour la première fois, que l’héparine contaminée au CSHS a la capacité de libérer la BK à des concentrations susceptibles d’expliquer le rôle de ce peptide inflammatoire dans la physiopathologie des RA causées par l’injection intraveineuse d’héparine d’origine chinoise contaminée au CSHS.

Analyse quantitative des cyanotoxines d'eau douce par LDTD-APCI-MS/MS

Avec la hausse mondiale de la fréquence des floraisons de cyanobactéries (CB), dont certaines produisent des cyanotoxines (CT), le développement d’une méthode de détection/quantification rapide d’un maximum de CT s’impose. Cette méthode permettrait de faire un suivi quotidien de la toxicité de plans d’eau contaminés par des CB et ainsi d’émettre rapidement des avis d’alerte appropriés afin de protéger la santé publique. Une nouvelle technologie utilisant la désorption thermique induite par diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique sous pression atmosphérique (APCI) et reliée à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) a déjà fait ses preuves avec des temps d'analyse de l’ordre de quelques secondes. Les analytes sont désorbés par la LDTD, ionisés en phase gazeuse par APCI et détectés par la MS/MS. Il n’y a donc pas de séparation chromatographique, et la préparation de l’échantillon avant l’analyse est minimale selon la complexité de la matrice contenant les analytes. Parmi les quatre CT testées (microcystine-LR, cylindrospermopsine, saxitoxine et anatoxine-a (ANA-a)), seule l’ANA-a a généré une désorption significative nécessaire au développement d’une méthode analytique avec l’interface LDTD-APCI. La forte polarité ou le poids moléculaire élevé des autres CT empêche probablement leur désorption. L’optimisation des paramètres instrumentaux, tout en tenant compte de l’interférence isobarique de l’acide aminé phénylalanine (PHE) lors de la détection de l’ANA-a par MS/MS, a généré une limite de détection d’ANA-a de l’ordre de 1 ug/L. Celle-ci a été évaluée à partir d’une matrice apparentée à une matrice réelle, démontrant qu’il serait possible d’utiliser la LDTD pour effectuer le suivi de l’ANA-a dans les eaux naturelles selon les normes environnementales applicables (1 à 12 ug/L). Il a été possible d’éviter l’interférence isobarique de la PHE en raison de sa très faible désorption avec l’interface LDTD-APCI. En effet, il a été démontré qu’une concentration aussi élevée que 500 ug/L de PHE ne causait aucune interférence sur le signal de l’ANA-a.

Analyse spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hydrogène(DA) : vers des modèles d'atmosphère améliorés sans paramètres libres

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange.

Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.