Subgeneric diversity of Brasilonema (Cyanobacteria, Scytonemataceae)

The recently described scytonematoid cyanobacterial genus Brasilonema is known mainly from tropical and subtropical rain forests (Mata Atlântica) of southeastern Brazil, where it occurs in aerophytic wooden, stony and iron substrates. This genus was defined according to both molecular and morphological criteria. The type species B. bromeliae was described from the specialized habitat: it grows in phytothelmes, epiphytic on both living and died leaves within the rosettes of large bromeliad plants slightly above or in the zone of the water level. The genus Brasilonema is evidently widely distributed in coastal forests of São Paulo State, where it occurs also in remarkable diversity. According to our results, this genus currently comprises seven taxa, which are distinct by different morphology and ecological characteristics.

Extended hydrogen photoproduction by nitrogen-fixing cyanobacteria

Cyanobacteria are the only prokaryotic organisms performing oxygenic photosynthesis. They comprise a diverse and versatile group of organisms in aquatic and terrestrial environments. Increasing genomic and proteomic data launches wide possibilities for their employment in various biotechnical applications. For example, cyanobacteria can use solar energy to produce H2. There are three different enzymes that are directly involved in cyanobacterial H2 metabolism: nitrogenase (nif) which produces hydrogen as a byproduct in nitrogen fixation; bidirectional hydrogenase (hox) which functions both in uptake and in production of H2; and uptake hydrogenase (hup) which recycles the H2 produced by nitrogenase back for the utilization of the cell. Cyanobacterial strains from University of Helsinki Cyanobacteria Collection (UHCC), isolated from the Baltic Sea and Finnish lakes were screened for efficient H2 producers. Screening about 400 strains revealed several promising candidates producing similar amounts of H2 (during light) as the ΔhupL mutant of Anabaena PCC 7120, which is specifically engineered to produce higher amounts of H2 by the interruption of uptake hydrogenase. The optimal environmental conditions for H2 photoproduction were significantly different between various cyanobacterial strains. All suitable strains revealed during screening were N2-fixing, filamentous and heterocystous. The top ten H2 producers were characterized for the presence and activity of the enzymes involved in H2 metabolism. They all possess the genes encoding the conventional nitrogenase (nifHDK1). However, the high H2 photoproduction rates of these strains were shown not to be directly associated with the maximum capacities of highly active nitrogenase or bidirectional hydrogenase. Most of the good producers possessed a highly active uptake hydrogenase, which has been considered as an obstacle for efficient H2 production. Among the newly revealed best H2 producing strains, Calothrix 336/3 was chosen for further, detailed characterization. Comparative analysis of the structure of the nif and hup operons encoding the nitrogenase and uptake hydrogenase enzymes respectively showed minor differences between Calothrix 336/3 and other N2-fixing model cyanobacteria. Calothrix 336/3 is a filamentous, N2-fixing cyanobacterium with ellipsoidal, terminal heterocysts. A common feature of Calothrix 336/3 is that the cells readily adhere to substrates. To make use of this feature, and to additionally improve H2 photoproduction capacity of the Calothrix 336/3 strain, an immobilization technique was applied. The effects of immobilization within thin alginate films were evaluated by examining the photoproduction of H2 of immobilized Calothrix 336/3 in comparison to model strains, the Anabaena PCC 7120 and its ΔhupL mutant. In order to achieve optimal H2 photoproduction, cells were kept under nitrogen starved conditions (Ar atmosphere) to ensure the selective function of nitrogenase in reducing protons to H2. For extended H2 photoproduction, cells require CO2 for maintenance of photosynthetic activity and recovery cycles to fix N2. Application of regular H2 production and recovery cycles, Ar or air atmospheres respectively, resulted in prolongation of H2 photoproduction in both Calothrix 336/3 and the ΔhupL mutant of Anabaena PCC 7120. However, recovery cycles, consisting of air supplemented with CO2, induced a strong C/N unbalance in the ΔhupL mutant leading to a decrease in photosynthetic activity, although total H2 yield was still higher compared to the wild-type strain. My findings provide information about the diversity of cyanobacterial H2 capacities and mechanisms and provide knowledge of the possibilities of further enhancing cyanobacterial H2 production.

Oxygen Photoreduction in Cyanobacteria

Cyanobacteria are well-known for their role in the global production of O2 via photosynthetic water oxidation. However, with the use of light energy, cyanobacteria can also reduce O2. In my thesis work, I have investigated the impact of O2 photoreduction on protection of the photosynthetic apparatus as well as the N2-fixing machinery. Photosynthetic light reactions produce intermediate radicals and reduced electron carriers, which can easily react with O2 to generate various reactive oxygen species. To avoid prolonged reduction of photosynthetic components, cyanobacteria use “electron valves” that dissipate excess electrons from the photosynthetic electron transfer chain in a harmless way. In Synechocystis sp. PCC 6803, flavodiiron proteins Flv1 and Flv3 comprise a powerful electron sink redirecting electrons from the acceptor side of Photosystem I to O2 and reducing it directly to water. In this work, I demonstrate that upon Ci-depletion Flv1/3 can dissipate up to 60% of the electrons delivered from Photosystem II. O2 photoreduction by Flv1/3 was shown to be vital for cyanobacteria in natural aquatic environments and deletion of Flv1/3 was lethal for both Synechocystis sp. PCC 6803 and Anabaena sp. PCC 7120 under fluctuating light conditions. The lethal phenotype observed in the absence of Flv1/3 results from oxidative damage to Photosystem I, which appeared to be a primary target of reactive oxygen species produced upon sudden increases in light intensity. Importantly, cyanobacteria also possess other O2 photoreduction pathways which can protect the photosynthetic apparatus. This study demonstrates that respiratory terminal oxidases are also capable of initiating O2 photoreduction in mutant cells lacking the Flv1/3 proteins and grown under fluctuating light. Photoreduction of O2 by Rubisco was also shown in Ci-depleted cells of the mutants lacking Flv1/3, and thus provided the first evidence for active photorespiratory gas-exchange in cyanobacteria. Nevertheless, and despite the existence of other O2 photoreduction pathways, the Flv1/3 route appears to be the most robust and rapid system of photoprotection. Several groups of cyanobacteria are capable of N2 fixation. Filamentous heterocystous N2- fixing species, such as Anabaena sp. PCC 7120, are able to differentiate specialised cells called heterocysts for this purpose. In contrast to vegetative cells which perform oxygenic photosynthesis, heterocysts maintain a microoxic environment for the proper function of the nitrogenase enzyme, which is extremely sensitive to O2. The genome of Anabaena sp. PCC 7120 harbors two copies of genes encoding Flv1 and Flv3 proteins, designated as “A” and “B” forms. In this thesis work, I demonstrate that Flv1A and Flv3A are expressed only in the vegetative cells of filaments, whilst Flv1B and Flv3B are localized exclusively in heterocysts. I further revealed that the Flv3B protein is most responsible for the photoreduction of O2 in heterocysts, and that this reaction plays an important role in protection of the N2-fixing machinery and thus, the provision of filaments with fixed nitrogen. The function of the Flv1B protein remains to be elucidated; however the involvement of this protein in electron transfer reactions is feasible. Evidence provided in this thesis indicates the presence of a great diversity of O2 photoreduction reactions in cyanobacterial cells. These reactions appear to be crucial for the photoprotection of both photosynthesis and N2 fixation processes in an oxygenic environment.

Advanced biofuel production: Engineering metabolic pathways for butanol and propane biosynthesis.

Greenhouse gases emitted from energy production and transportation are dramatically changing the climate of Planet Earth. As a consequence, global warming is affecting the living conditions of numerous plant and animal species, including ours. Thus the development of sustainable and renewable liquid fuels is an essential global challenge in order to combat the climate change. In the past decades many technologies have been developed as alternatives to currently used petroleum fuels, such as bioethanol and biodiesel. However, even with gradually increasing production, the market penetration of these first generation biofuels is still relatively small compared to fossil fuels. Researchers have long ago realized that there is a need for advanced biofuels with improved physical and chemical properties compared to bioethanol and with biomass raw materials not competing with food production. Several target molecules have been identified as potential fuel candidates, such as alkanes, fatty acids, long carbon‐chain alcohols and isoprenoids. The current study focuses on the biosynthesis of butanol and propane as possible biofuels. The scope of this research was to investigate novel heterologous metabolic pathways and to identify bottlenecks for alcohol and alkane generation using Escherichia coli as a model host microorganism. The first theme of the work studied the pathways generating butyraldehyde, the common denominator for butanol and propane biosynthesis. Two ways of generating butyraldehyde were described, one via the bacterial fatty acid elongation machinery and the other via partial overexpression of the acetone‐butanol‐ethanol fermentation pathway found in Clostridium acetobutylicum. The second theme of the experimental work studied the reduction of butyraldehyde to butanol catalysed by various bacterial aldehyde‐reductase enzymes, whereas the final part of the work investigated the in vivo kinetics of the cyanobacterial aldehyde deformylating oxygenase (ADO) for the generation of hydrocarbons. The results showed that the novel butanol pathway, based on fatty acid biosynthesis consisting of an acyl‐ACP thioesterase and a carboxylic acid reductase, is tolerant to oxygen, thus being an efficient alternative to the previous Clostridial pathways. It was also shown that butanol can be produced from acetyl‐CoA using acetoacetyl CoA synthase (NphT7) or acetyl‐CoA acetyltransferase (AtoB) enzymes. The study also demonstrated, for the first time, that bacterial biosynthesis of propane is possible. The efficiency of the system is clearly limited by the poor kinetic properties of the ADO enzyme, and for proper function in vivo, the catalytic machinery requires a coupled electron relay system.

Quantification of Toxin Biosynthesis Genes In Cyanobacteria and Dinoflagellates - Genetic Factors as Predictors of Toxin Production in the Environment

Harmful algal blooms (HABs) are events caused by the massive proliferation of microscopic, often photosynthetic organisms that inhabit both fresh and marine waters. Although HABs are essentially a natural phenomenon, they now cause worldwide concern. Recent anthropogenic effects, such as climate change and eutrophication via nutrient runoff, can be seen in their increased prevalence and severity. Cyanobacteria and dinoflagellates are often the causative organisms of HABs. In addition to adverse effects caused by the sheer biomass, certain species produce highly potent toxic compounds: hepatotoxic microcystins are produced exclusively by cyanobacteria and neurotoxic saxitoxins, also known as paralytic shellfish toxins (PSTs), by both cyanobacteria and dinoflagellates. Specific biosynthetic genes in the cyanobacterial genomes direct the production of microcystin and paralytic shellfish toxins. Recently also the first paralytic shellfish toxin gene sequences from dinoflagellate genomes have been elucidated. The public health risks presented by HABs are evident, but the monitoring and prediction of toxic events is challenging. Characterization of the genetic background of toxin biosynthesis, including that of microcystins and paralytic shellfish toxins, has made it possible to develop highly sensitive molecular tools which have shown promise in the monitoring and study of potentially toxic microalgae. In this doctoral work, toxin-specific genes were targeted in the developed PCR and qPCR assays for the detection and quantification of potentially toxic cyanobacteria and dinoflagellates in the environment. The correlation between the copy numbers of the toxin biosynthesis genes and toxin production were investigated to assess whether the developed methods could be used to predict toxin concentrations. The nature of the correlation between gene copy numbers and amount of toxin produced varied depending on the targeted gene and the producing organism. The combined mcyB copy numbers of three potentially microcystin-producing cyanobacterial genera showed significant positive correlation to the observed total toxin production. However, the presence of PST-specific sxtA, sxtG, and sxtB genes of cyanobacterial origin was found to be a poor predictor of toxin production in the studied area. Conversely, the dinoflagellate sxtA4 was a good qualitative indicator of a neurotoxic bloom both in the laboratory and in the field, and population densities reflected well the observed toxin concentrations. In conclusion, although the specificity of each potential targeted toxin biosynthesis gene must be assessed individually during method development, the results obtained in this doctoral study support the use of quantitative PCR -based approaches in the monitoring of toxic cyanobacteria and dinoflagellates.

Palaeopigment accumulation and implcations for paleolimnology over the lost century for two Ontario lakes

Crawford Lake is a meromictic lake, which is 24 m deep and has an area of 2.5 ha, and has never been reported to have mixed below 16 m. Lady Evelyn Lake, which became a reservoir when a dam was built in 1916, is dimictic with a maximum depth of about 35 m. 1 My research proved that both native chlorophylls and the ratio of chlorophyll derivatives to total carotenoids were better preserved in the shallower lake (Crawford Lake) because it was meromictic. Thus the anaerobic conditions in Crawford Lake below 16 m (monimolimnion) provide excellent conditions for pigment preservation. Under such conditions, the preservation of both chlorophylls and carotenoids, including oscillaxanthin and myxoxanthophyll, are extremely good compared with those of Lady Evelyn Reservoir, in which anaerobic conditions are rarely encountered at the mud-water interface. During the period from 1500 to 1900 A. D. in Crawford Lake, the accumulation rates of oscillaxanthin and myxoxanthophyll were extremely high, but those of chlorophyll derivatives and total carotenoids were relatively low. This was correlated with the presence of a dense benthic mat of cyanobacteria near the lake's chemocline. Competition for light between the deep dwelling cyanobacteria and overlying phytoplankton in this meromictic lake would have been intensified as the lake became more and more eutrophic (1955-1991 A. D.). During the period from 1955 to 1991 A. D., the accumulation rates of chlorophyll derivatives and total carotenoids in the sediment core from Crawford Lake (0-7.5 cm, 1955-present) increased. During this same period, the accumulation rates of cyanobacterial pigments (Le. oscillaxanthin and myxoxanthophyll) declined as the lake became more eutrophic. Because the major cyanobacteria in Crawford Lake are benthic mat forming Lyngbya and Oscillatoria and not phytoplankton, eutrophication resulted in a decline of the mat forming algal pigments. This is important because in previous palaeolimnological studies the concentrations of oscillaxanthin and myxoxanthophyll have been used as correlates with lake trophic levels. The results of organic carbon a13c analysis on the Crawford Lake sediment core supported the conclusions from the pigment study as noted above. High values of a13c at the depth of 34-48 cm (1500-1760 A. D.) were related to a dense population of benthic Oscillatoria and Lyngbya living on the bottom of the lake during that period. The Oscillatoria and Lyngbya utilized the bicarbonate, which had a high a 13C value. Very low values were found at 0-7 cm in the Crawford sediment core. At this time phytoplankton was the main primary producer, which enriched 12C by photosynthetic assimilation.

Aspects of spatial and habitat ecology of multiple Anopheles species (Diptera: Culicidae): malaria vectors in the highlands and foothills of Ecuador

The resurgence of malaria in highland regions of Africa, Oceania and recently in South America underlines the importance of the study of the ecology of highland mosquito vectors of malaria. Since the incidence of malaria is limited by the distribution of its vectors, the purpose of this PhD thesis was to examine aspects of the ecology of Anopheles mosquitoes in the Andes of Ecuador, South America. A historical literature and archival data review (Chapter 2) indicated that Anopheles pseudopunctipennis transmitted malaria in highland valleys of Ecuador prior to 1950, although it was eliminated through habitat removal and the use of chemical insecticides. Other anopheline species were previously limited to low-altitude regions, except in a few unconfirmed cases. A thorough larval collection effort (n=438 attempted collection sites) in all road-accessible parts of Ecuador except for the lowland Amazon basin was undertaken between 2008 - 2010 (Chapter 3). Larvae were identified morphologically and using molecular techniques (mitochondrial COl gene), and distribution maps indicated that all five species collected (Anopheles albimanus, An. pseudopunctipennis, Anopheles punctimacula, Anopheles oswaldoi s.l. and Anopheles eiseni) were more widespread throughout highland regions than previously recorded during the 1940s, with higher maximum altitudes for all except An. pseudopunctipennis (1541 m, 1930 m, 1906 m, 1233 m and 1873 m, respectively). During larval collections, to characterize species-specific larval habitat, a variety of abiotic and biotic habitat parameters were measured and compared between species-present and species-absent sites using chi-square tests and stepwise binary logistic regression analyses (Chapter 4). An. albimanus was significantly associated with permanent pools with sand substrates and An. pseudopunctipennis with gravel and boulder substrates. Both species were significantly associated with floating cyanobacterial mats and warmer temperatures, which may limit their presence in cooler highland regions. Anopheles punctimacula was collected more often than expected from algae-free, shaded pools with higher-than-average calculated dissolved oxygen. Anopheles oswaldoi s.l., the species occurring on the Amazonian side of the Andes, was associated with permanent, anthropogenic habitats such as roadside ditches and ponds. To address the hypothesis that human land use change is responsible for the emergence of multiple highland Anopheles species by creating larval habitat, common land uses in the western Andes were surveyed for standing water and potential larval habitat suitability (Chapter 5). Rivers and road edges provided large amounts of potentially suitable anopheline habitat in the western Andes, while cattle pasture also created potentially suitable habitat in irrigation canals and watering ponds. Other common land uses surveyed (banana farms, sugarcane plantations, mixed tree plantations, and empty lots) were usually established on steep slopes and had very little standing water present. Using distribution and larval habitat data, a GIS-based larval habitat distribution model for the common western species was constructed in ArcGIS v.l 0 (ESRI 2010) using derived data layers from field measurements and other sources (Chapter 6). The additive model predicted 76.4 - 97.9% of the field-observed collection localities of An. albimanus, An. pseudopunctipennis and An. punctimacula, although it could not accurately distinguish between species-absent and speciespresent sites due to its coarse scale. The model predicted distributional expansion and/or shift of one or more anopheline species into the following highland valleys with climate warming: Mira/Chota, Imbabura province, Tumbaco, Pichincha province, Pallatanga and Sibambe, Chimborazo province, and Yungilla, Azuay province. These valleys may serve as targeted sites of future monitoring to prevent highland epidemics of malaria. The human perceptions of malaria and mosquitoes in relation to land management practices were assessed through an interview-based survey (n=262) in both highlands and lowlands, of male and female land owners and managers of five property types (Chapter 7). Although respondents had a strong understanding of where the disease occurs in their own country and of the basic relationship among standing water, mosquitoes and malaria, about half of respondents in potential risk areas denied the current possibility of malaria infection on their own property. As well, about half of respondents with potential anopheline larval habitat did not report its presence, likely due to a highly specific definition of suitable mosquito habitat. Most respondents who are considered at risk of malaria currently use at least one type of mosquito bite prevention, most commonly bed nets. In conclusion, this interdisciplinary thesis examines the occurrence of Anopheles species in the lowland transition area and highlands in Ecuador, from a historic, geographic, ecological and sociological perspective.

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.

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.

Rôle de l’azote dans la structure et la fonction des communautés de cyanobactéries toxiques

Dans cette étude de trois lacs sujets aux efflorescences de cyanobactéries, nous avons examiné la diversité des bactéries diazotrophes et des cyanobactéries toxiques. Nous avons tenté de définir les facteurs environnementaux influençant la composition des communautés phytoplanctoniques, la concentration ainsi que la composition des microcystines (MCs). Nous avons émis l’hypothèse que l’azote jouerait un rôle majeur dans le façonnement des communautés cyanobactériennes et influencerait la concentration et composition des MCs. Des concentrations de cette toxine ainsi que le gène mcyE codant pour l’enzyme microcystine synthétase ont été détectés à chaque échantillonnage dans tous les lacs. L’azote, particulièrement sous sa forme organique dissoute (AOD) ainsi que la température de l’eau étaient les facteurs environnementaux expliquant le mieux les concentrations des MCs, tandis que la biomasse de Microcystis spp. était globalement le meilleur prédicteur. Le gène nifH codant pour l’enzyme nitrogénase (fixation d’azote) a aussi été détecté dans chaque échantillon. Malgré les concentrations faibles en azote inorganique dissous (AID) et les densités importantes d’hétérocystes, aucun transcrits du gène n’a été détecté par réverse-transcription (RT-PCR), indiquant que la fixation d’azote n’avait pas lieu à des niveaux détectables au moment de l’échantillonnage. De plus, le pyroséquençage révèle que les séquences des gènes nifH et mcyE correspondaient à différents taxons, donc que les cyanobactéries n’avaient pas la capacité d’effectuer les deux fonctions simultanément.

Écologie et implications trophiques de la cyanobactérie Lyngbya wollei dans le fleuve Saint-Laurent

Les proliférations nuisibles de la cyanobactérie filamenteuse benthique Lyngbya wollei qui forme des tapis déposés sur les sédiments ont augmenté en fréquence au cours des 30 dernières années dans les rivières, lacs et sources de l'Amérique du Nord. Lyngbya wollei produit des neurotoxines et des composés organiques volatils (géosmin, 2-méthylisobornéol) qui ont des répercussions sur la santé publique de même que des impacts d'ordre socioéconomiques. Cette cyanobactérie est considérée comme un habitat et une source de nourriture de piètre qualité pour les invertébrés en raison de sa gaine robuste et de sa production de toxines. Les proliférations de L. wollei ont été observées pour la première fois en 2005 dans le fleuve Saint-Laurent (SLR; Québec, Canada). Nous avons jugé important de déterminer sa distribution sur un tronçon de 250 km afin d'élaborer des modèles prédictifs de sa présence et biomasse en se basant sur les caractéristiques chimiques et physiques de l'eau. Lyngbya wollei était généralement observé en aval de la confluence de petits tributaires qui irriguent des terres agricoles. L’écoulement d’eaux enrichies à travers la végétation submergée se traduisait par une diminution de la concentration d’azote inorganique dissous (DIN), alors que les concentrations de carbone organique dissous (DOC) et de phosphore total dissous (TDP) demeuraient élevées, produisant un faible rapport DIN :TDP. Selon nos modèles, DOC (effet positif), TP (effet négatif) et DIN :TDP (effet négatif) sont les variables les plus importantes pour expliquer la répartition de cette cyanobactérie. La probabilité que L. wollei soit présent dans le SLR a été prédite avec exactitude dans 72 % à 92 % des cas pour un ensemble de données indépendantes. Nous avons ensuite examiné si les conditions hydrodynamiques, c'est-à-dire le courant généré par les vagues et l'écoulement du fleuve, contrôlent les variations spatiales et temporelles de biomasse de L. wollei dans un grand système fluvial. Nous avons mesuré la biomasse de L. wollei ainsi que les variables chimiques, physiques et météorologiques durant trois ans à 10 sites le long d'un gradient d'exposition au courant et au vent dans un grand (148 km2) lac fluvial du SLR. L'exposition aux vagues et la vitesse du courant contrôlaient les variations de biomasses spatiales et temporelles. La biomasse augmentait de mai à novembre et persistait durant l'hiver. Les variations interannuelles étaient contrôlées par l'écoulement de la rivière (niveau d'eau) avec la crue printanière qui délogeait les tapis de l'année précédente. Les baisses du niveau d'eau et l'augmentation de l'intensité des tempêtes anticipées par les scénarios de changements climatiques pourraient accroître la superficie colonisée par L. wollei de même que son accumulation sur les berges. Par la suite, nous avons évalué l'importance relative de L. wollei par rapport aux macrophytes et aux épiphytes. Nous avons examiné l'influence structurante de l'échelle spatiale sur les variables environnementales et la biomasse de ces producteurs primaires (PP) benthiques. Nous avons testé si leur biomasse reflétait la nature des agrégats d'habitat basées sur l'écogéomorphologie ou plutôt le continuum fluvial. Pour répondre à ces deux questions, nous avons utilisé un design à 3 échelles spatiales dans le SLR: 1) le long d'un tronçon de 250 km, 2) entre les lacs fluviaux localisés dans ce tronçon, 3) à l'intérieur de chaque lac fluvial. Les facteurs environnementaux (conductivité et TP) et la structure spatiale expliquent 59% de la variation de biomasse des trois PP benthiques. Spécifiquement, les variations de biomasses étaient le mieux expliquées par la conductivité (+) pour les macrophytes, par le ratio DIN:TDP (+) et le coefficient d'extinction lumineuse (+) pour les épiphytes et par le DOC (+) et le NH4+ (-) pour L. wollei. La structure spatiale à l'intérieur des lacs fluviaux était la plus importante composante spatiale pour tous les PP benthiques, suggérant que les effets locaux tels que l'enrichissement par les tributaire plutôt que les gradients amont-aval déterminent la biomasse de PP benthiques. Donc, la dynamique des agrégats d'habitat représente un cadre général adéquat pour expliquer les variations spatiales et la grande variété de conditions environnementales supportant des organismes aquatiques dans les grands fleuves. Enfin, nous avons étudié le rôle écologique des tapis de L. wollei dans les écosystèmes aquatiques, en particulier comme source de nourriture et refuge pour l'amphipode Gammarus fasciatus. Nous avons offert aux amphipodes un choix entre des tapis de L. wollei et soit des chlorophytes filamenteuses ou un tapis artificiel de laine acrylique lors d'expériences en laboratoire. Nous avons aussi reconstitué la diète in situ des amphipodes à l'aide du mixing model (d13C et δ15N). Gammarus fasciatus choisissait le substrat offrant le meilleur refuge face à la lumière (Acrylique>Lyngbya=Rhizoclonium>Spirogyra). La présence de saxitoxines, la composition élémentaire des tissus et l'abondance des épiphytes n'ont eu aucun effet sur le choix de substrat. Lyngbya wollei et ses épiphytes constituaient 36 et 24 % de l'alimentation in situ de G. fasciatus alors que les chlorophytes, les macrophytes et les épiphytes associées représentaient une fraction moins importante de son alimentation. Les tapis de cyanobactéries benthiques devraient être considérés comme un bon refuge et une source de nourriture pour les petits invertébrés omnivores tels que les amphipodes.

Nouvelles stratégies pour l’analyse des cyanotoxines par spectrométrie de masse

Les cyanobactéries ont une place très importante dans les écosystèmes aquatiques et un nombre important d’espèces considéré comme nuisible de par leur production de métabolites toxiques. Ces cyanotoxines possèdent des propriétés très variées et ont souvent été associées à des épisodes d’empoisonnement. L’augmentation des épisodes d’efflorescence d’origine cyanobactériennes et le potentiel qu’ils augmentent avec les changements climatiques a renchéri l’intérêt de l’étude des cyanobactéries et de leurs toxines. Considérant la complexité chimique des cyanotoxines, le développement de méthodes de détection simples, sensibles et rapides est toujours considéré comme étant un défi analytique. Considérant ces défis, le développement de nouvelles approches analytiques pour la détection de cyanotoxines dans l’eau et les poissons ayant été contaminés par des efflorescences cyanobactériennes nuisibles a été proposé. Une première approche consiste en l’utilisation d’une extraction sur phase solide en ligne couplée à une chromatographie liquide et à une détection en spectrométrie de masse en tandem (SPE-LC-MS/MS) permettant l’analyse de six analogues de microcystines (MC), de l’anatoxine (ANA-a) et de la cylindrospermopsine (CYN). La méthode permet une analyse simple et rapide et ainsi que la séparation chromatographique d’ANA-a et de son interférence isobare, la phénylalanine. Les limites de détection obtenues se trouvaient entre 0,01 et 0,02 μg L-1 et des concentrations retrouvées dans des eaux de lacs du Québec se trouvaient entre 0,024 et 36 μg L-1. Une deuxième méthode a permis l’analyse du b-N-méthylamino-L-alanine (BMAA), d’ANA-a, de CYN et de la saxitoxine (STX) dans les eaux de lac contaminés. L’analyse de deux isomères de conformation du BMAA a été effectuée afin d’améliorer la sélectivité de la détection. L’utilisation d’une SPE manuelle permet la purification et préconcentration des échantillons et une dérivatisation à base de chlorure de dansyle permet une chromatographie simplifiée. L’analyse effectuée par LC couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et des limites de détections ont été obtenues entre 0,007 et 0,01 µg L-1. Des échantillons réels ont été analysés avec des concentrations entre 0,01 et 0,3 µg L-1 permettant ainsi la confirmation de la présence du BMAA dans les efflorescences de cyanobactéries au Québec. Un deuxième volet du projet consiste en l’utilisation d’une technologie d’introduction d’échantillon permettant des analyses ultra-rapides (< 15 secondes/échantillons) sans étape chromatographique, la désorption thermique à diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et à la spectrométrie de masse (MS). Un premier projet consiste en l’analyse des MC totales par l’intermédiaire d’une oxydation de Lemieux permettant un bris de la molécule et obtenant une fraction commune aux multiples congénères existants des MC. Cette fraction, le MMPB, est analysée, après une extraction liquide-liquide, par LDTD-APCI-MS/MS. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et des concentrations entre 1 et 425 µg L-1 ont été trouvées dans des échantillons d’eau de lac contaminés du Québec. De plus, une analyse en parallèle avec des étalons pour divers congénères des MC a permis de suggérer la possible présence de congénères ou d’isomères non détectés. Un deuxième projet consiste en l’analyse directe d’ANA-a par LDTD-APCI-HRMS pour résoudre son interférence isobare, la phénylalanine, grâce à la détection à haute résolution. La LDTD n’offre pas de séparation chromatographique et l’utilisation de la HRMS permet de distinguer les signaux d’ANA-a de ceux de la phénylalanine. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et la méthode a été appliquée sur des échantillons réels d’eau avec un échantillon positif en ANA-a avec une concentration de 0,21 µg L-1. Finalement, à l’aide de la LDTD-APCI-HRMS, l’analyse des MC totales a été adaptée pour la chair de poisson afin de déterminer la fraction libre et liée des MC et comparer les résultats avec des analyses conventionnelles. L’utilisation d’une digestion par hydroxyde de sodium précédant l’oxydation de Lemieux suivi d’une purification par SPE a permis d’obtenir une limite de détection de 2,7 µg kg-1. Des échantillons de poissons contaminés ont été analysés, on a retrouvé des concentrations en MC totales de 2,9 et 13,2 µg kg-1 comparativement aux analyses usuelles qui avaient démontré un seul échantillon positif à 2 µg kg-1, indiquant la possible présence de MC non détectés en utilisant les méthodes conventionnelles.

Ecological and Biochemical Studies On Cyanobacteria of Cochin Estuary and Their Application as Source of Antioxidants

The main objectives of the present investigation were to evaluate the qualitative and quantitative distribution of natural cyanobacterial population and their ecobiological properties along the Cochin estuary and their application in aquaculture systems as a nutritional supplement due to their nutrient-rich biochemical composition and antioxidant potential. This thesis presents a detailed account of the distribution of cyanobacteria in Cochin estuary, an assessment of physico-chemical parameters and the nutrients of the study site, an evaluation of the effect of physico-chemical parameters on cyanobacterial distribution and abundance, isolation, identification and culturing of cyanobacteria, the biochemical composition an productivity of cyanobacteria, and an evaluation of the potential of the selected cyanobacteria as antioxidants against ethanol induced lipid peroxidation. The pH, salinity and nutritional requirements were optimized for low-cost production of the selected cyanobacterial strains. The present study provides an insight into the distribution, abundance, diversity and ecology of cyanobacteria of Cochin estuary. From the results, it is evident that the ecological conditions of Cochin estuary support a rich cyanobacterial growth.

Synechocystis MCCB 114 and 115 as putative probionts for Penaeus monodon post-larvae

Synechocystis MCCB 114 and 115 were segregated as putative probionts for shrimp larvae from a collection of 54 cyanobacterial cultures enriched from seawater. On feeding Penaeus monodon post-larvae with the cyanobacteria, the generic diversity of the intestinal bacterial flora could be enhanced with substantial reduction or total absence of Vibrio spp. A significant difference (p < 0.001) in the percent survival of batches of post-larvae fed on the cyanobacterial cultures was observed and, on repeated challenge with V. harveyi, the relative percent survival of those batches of larvae fed on Synechocystis MCCB 114 and 115 was significantly higher. The Synechocystis MCCB 114 and 115 cultures were found to contain high levels of protein (34 to 43%), in addition to carotenoids