identifier: Comida, Pier Paolo  (2021). Magma fragmentation and juvenile pyroclast shapes, with a focus on lava fountains / Fragmentation magmatique et forme des pyroclastes juvéniles, avec un focus sur les fontaines de lave.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 288 p.

subject:
primary magma fragmentation
juvenile pyroclasts
fluidal
lava fountains
experiments
morphology
internal texture
standardized methodology

abstract: Explosive fragmentation of ultramafic and mafic magmas can be magmatic or phreatomagmatic, and each mode can result in different eruption styles and form different juvenile pyroclasts. Strombolian pulses and lava fountains are a common example of magmatic fragmentation in basalts, driven by magma decompression and vesiculation. When magma meets external water, rapid magma cooling and the violent conversion of water into steam leads to phreatomagmatic eruptions, such as those forming maar-diatremes. Beyond the eruption style, fragmentation mechanisms can be either hydrodynamic or brittle. The former consists in the ductile breakup of magma into smaller liquid drops and filaments, like the achneliths observed from lava fountain deposits. Brittle fragmentation is caused by very high stresses, resulting in juvenile pyroclasts with specific external shapes, internal textures and surface features. Linking juvenile pyroclast characteristics and primary magma fragmentation requires a standardized methodology of analysis. In this thesis, magmatic and phreatomagmatic pyroclasts from the 1977 eruption of Ukinrek volcano (Alaska) were used to select the best size fraction (coarse ash from 0.71 to 0.5 mm) for the analysis of juvenile pyroclasts in comparative studies of magma fragmentation. Moreover, it was found that SEM image acquisition for this fraction should be performed for at least 50 juvenile grains, each with a pixel density of at least 20 000 pixels per particle. The software PASTA was developed to facilitate image processing and measurement of morphometric and textural parameters. The chosen coarse ash size fraction allows representative quantification of 2D vesicularity and crystallinity in cross-sections without significant post fragmentation changes. A very fine ash fraction (88–63 µm), on the other hand, is ideal for morphometric measurements and crucial for the study of surface characteristics, but special care must be taken during sample preparation and juvenile grains have to be confirmed using a dual mounting technique. Hydrodynamic magma fragmentation was investigated through laboratory experiments involving remelted volcanic rocks, at the Physikalisch Vulkanologisches Labor (PVL) in Germany. About 200–250 g of magma at 1200°C was generated within 1 hour, using an induction furnace. Magma fragmentation was triggered through the injection of compressed argon at 3 MPa or 10 MPa, and recorded by high-speed cameras between 2000 and 5000 frames per second. The three volcanic materials used in the experiments are an olivine-melilite (Hohenstoffeln, ~ 38% SiO₂), an alkali basalt (Billstein, ~ 45% SiO₂), and a basaltic-trachyandesite (Sommata, ~ 54% SiO₂). All magmas produced glassy, bubble- and crystal-poor, fluidal juvenile pyroclasts. The experimental pyroclasts were compared to natural juvenile pyroclasts from the 1959 eruption of Kīlauea Iki (~ 49% SiO₂) in Hawaii, which consist of glassy fluid particles, scoria and golden pumice. Juvenile pyroclasts from experiments and lava fountains were analyzed using the steps in the standardized methodology. Hydrodynamic fragmentation of magmas in the experiments is similar to the breakup of industrial liquid jets. Different breakup regimes are controlled by the balance of magma viscosity and surface tension, the ejection velocity and external aerodynamic effects. On one hand, ultramafic magmas of low viscosity ejected at high velocity (Hohenstoffeln 10 MPa) form a spray (regime IV), dominated by surface tension and aerodynamic forces. In contrast, intermediate magmas expelled at lower velocities (Sommata 3 MPa) are barely fragmented at the crucible exit (regime II), as higher viscosity causes stretching into multiple filaments before fragmentation. Similar regimes are observed in natural lava fountains. A modified Ohnesorge diagram (Reynolds number versus Weber number) has the potential to distinguish different breakup regimes, and future work is advised to improve this diagram. Hydrodynamic magma fragmentation in the experiments generated a panoply of fluidal juvenile pyroclasts. For coarse ash-sized particles, ultramafic magma ejected at the lowest velocity (Hohenstoffeln 3 MPa) mainly formed spheres (~ 50%), with high values of axial ratio and solidity (> 0.7 and > 0.9 respectively). Efficient hydrodynamic fragmentation was dominated by surface tension and rapid contraction (< 1 ms). In contrast, the intermediate magma ejected at high velocity (Sommata 10 MPa) primarily formed Pele’s hairs, with lower values of axial ratio and solidity (0.4 and 0.7, respectively). Final fluidal morphologies result from the competition between viscosity and surface tension, ultimately preserved by the fast cooling process. In ultramafic magmas, stretching is minor and relaxation times are short, resulting in compact morphologies. For intermediate magmas, the higher viscosity and stretching prevents contraction, allowing elongated shapes to be maintained. These fluidal particles are morphologically similar to achneliths generated during the 1959 eruption of Kīlauea Iki.


identifier: Laderriere, Vincent  (2021). Du milieu naturel aux mésocosmes : utilisation du biofilm comme bioindicateur de la contamination métallique des cours d’eau en région minière.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 217 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
biofilm périphytique
métaux
spéciation
biosuivi
bioaccumulation
BLM
PICT
facteurs environnementaux
température
photopériode
periphytic biofilm
metals
speciation
biomonitoring
bioaccumulation
BLM
PICT
environmental factors
temperature
photoperiod

abstract:
Bien que les métaux soient naturellement présents dans les écosystèmes d’eau douce, les activités anthropiques telles que les opérations minières peuvent entrainer une augmentation de leurs concentrations et des conséquences environnementales sur le long terme. Rejetés dans les milieux aquatiques, les contaminants métalliques sont susceptibles d’avoir des répercussions sur les communautés microbiennes comme le biofilm périphytique, qui joue un rôle clé dans la production primaire des écosystèmes des cours d’eau. Le biofilm est un modèle intéressant, car il est ubiquiste, sédentaire, à la base de la chaine trophique et se compose d’un consortium de microorganismes de différents règnes vivant dans une matrice d’exopolysaccharides. Ces travaux de thèse portent sur les liens existants entre la bioaccumulation des métaux, la composition physico-chimique de l’eau, les variables environnementales (température et photopériode) et la structure de la communauté du biofilm (c.à.d autototrophe et hétérotrophe). Sur le terrain, la teneur en métaux du biofilm s’est montrée fortement corrélée à la concentration ambiante en ions métalliques libres (Cu, Ni et Cd), et ce, malgré des différences dans les caractéristiques physico-chimiques de l’eau, le climat ou le type d’écosystème. Néanmoins, un effet protecteur apparent du pH a été mis en évidence et les effets de compétition entre les métaux dissous pour les sites de fixation à la surface des organismes du biofilm étaient en accord avec les principes du modèle du ligand biotique. En parallèle, une première série d’expériences en laboratoire visait à vérifier l’influence de facteurs environnementaux (température et photopériode) sur l’accumulation du Ni par un biofilm cultivé en laboratoire. Les résultats indiquent qu’une température plus élevée favorise la bioaccumulation et augmente la sensibilité des biofilms exposés à différentes concentrations en Ni. Une deuxième série d’expériences a permis d’examiner les relations existantes entre toxicité, bioaccumulation et acquisition de tolérance de deux biofilms naturels récoltés durant deux saisons distinctes (été et hiver). Les communautés estivales divergeaient structurellement des communautés d’hiver, et présentaient un contenu bioaccumulé en Ni significativement supérieur pour une même concentration d'exposition. Dans un contexte où les biofilms d’eau douce peuvent être utilisés comme indicateurs d’exposition aux métaux, ces résultats impliquent que des variations saisonnières dans la bioaccumulation des métaux sont susceptibles de se produire. De plus, ces variations ont été montrées comme principalement conditionnées par la structure et les fonctions initiales de la communauté du biofilm. Ces travaux démontrent le potentiel universel des biofilms périphytiques d’eau douce comme outil de biosurveillance et d’évaluation du risque écotoxicologique des contaminants métalliques.

While metals occur naturally in freshwater ecosystems, anthropogenic activities such as mining operations represent a long‐standing concern of discharge. When released into aquatic environments, metal contaminants are likely to impact microbial communities such as periphytic biofilms, which play a key role in the primary production in stream ecosystems. The biofilm is an interesting model because it is ubiquitous, sedentary, at the base of the trophic chain and represents a consortium of microorganisms from different kingdoms living in an exopolysaccharide matrix. This work presented in this thesis focuses on the links between metal bioaccumulation, water physico-chemical characteristics, environmental variables (temperature and photoperiod) and biofilm community structure (i.e. autototrophic and heterotrophic). In the field, biofilm metal contents were highly correlated to the ambient free metal ion concentrations despite different physico-chemical characteristics of the ambient water, climate or ecosystem types. Nevertheless, the apparent protective effect of pH was demonstrated and the observed competition effects among dissolved cations for surface binding sites of biofilm organisms were in agreement with the principles of the biotic ligand model. In parallel, a first series of laboratory experiments were carried out to verify the influence of environmental factors (temperature and photoperiod) on Ni accumulation by a biofilm grown in the laboratory. These experiments showed that increasing temperature enhanced the accumulation capacity and sensitivity of biofilms exposed to different Ni concentrations. A second series of experiments examined the relationships between toxicity, bioaccumulation and tolerance acquisition of two natural biofilms collected in two distinct seasons (summer and winter). The two communities were structurally divergent and showed higher bioaccumulated Ni content in summer biofilms compared to winter ones, for a given exposure concentration. In a context where freshwater biofilms can be used as indicators of metal exposure, these laboratory results imply that seasonal variations in metal bioaccumulation response are likely to occur and that this response is primarily conditioned by the initial structure and functions of the biofilm community. Nevertheless, this project demonstrates the universal potential of periphytic freshwater biofilms as a tool for biomonitoring and ecological risk assessment of metallic contaminants.


identifier: Mirah, Rajaobelison Miora  (2021). Évaluation des ressources géothermiques associées au contexte extensif du nord de Madagascar.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 177 p.

subject:
énergie
géothermie
rift
faille
conductivité thermique
perméabilité
transfert de chaleur
convection forcée

abstract:
Les ressources géothermiques des grandes zones de failles à contexte tectonique extensif sont maintenant convoitées bien qu’elles ne représentent que 10 % de la ressource géothermique actuellement exploitée dans le monde. Pour arriver à développer ce type de ressources, il faut améliorer les méthodes d’exploration des systèmes géothermiques des zones de failles. La région Nord de Madagascar comprend de grandes zones de failles extensives avec des sources thermales qui indiquent la présence d’une source géothermique. L’exploitation de l’énergie géothermique dans cette région contribuerait à assurer une sécurité et un approvisionnement énergétique durable tout en garantissant une faible empreinte environnementale. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de transfert thermique associés aux ressources géothermiques dans les grandes zones de failles à contexte tectonique extensif dans le Nord de Madagascar. L’idée est de bien délimiter les contextes favorables au développement géothermique de cette région, et par le fait même, améliorer les méthodes d’exploration. Un catalogue des systèmes géothermiques à Madagascar a été établi à partir d’informations sur les contextes géologiques combinées à la température des réservoirs déduite des géothermomètres chimiques, permettant de caractériser les systèmes géothermiques pour l’ensemble de Madagascar. L’évaluation des propriétés pétrophysiques des roches de la région Nord a ensuite été réalisée sur le terrain et en laboratoire à partir des échantillons d’affleurements rocheux utilisés comme analogues des formations géologiques profondes. Les unités thermostratigraphiques définies selon le concept de thermofaciès montrent que les systèmes géothermiques sont qualifiés de pétrothermaux à transitoires dans lesquels le transfert de chaleur par conduction domine les roches à faible perméabilité alors que les failles et les roches fracturées impliquent une convection forcée donnant lieu aux sources chaudes. Les propriétés des failles favorisant la remontée de fluides géothermiques ont été déterminées à partir de simulations numériques avec des modèles bidimensionnels d'écoulement de fluide couplé au transfert de chaleur en régime permanent. Les failles avec un pendage en direction de l'écoulement des eaux souterraines ou situées dans une zone de décharge hydraulique, soit près d'une rivière, étaient les plus favorables à l'ascension des fluides. Ces travaux contribuent à l’avancement des connaissances scientifiques concernant l’influence des failles sur la remontée des fluides par convection forcée. Les résultats ont permis de justifier et de définir les prochaines phases d'exploration, en ciblant les failles et les zones de failles pour la région Nord de Madagascar afin d’envisager l’exploitation future de ses ressources géothermiques.

The geothermal resources of large tectonically extensive fault zones are now coveted even though they represent only 10 % of the world's currently exploited geothermal resource. In order to develop this type of resource, it is necessary to improve exploration methods for geothermal systems in fault zones. The northern region of Madagascar has large extensive fault zones with thermal springs that indicate the presence of a geothermal source. The exploitation of geothermal energy in this region would help to ensure a secure and sustainable energy supply while guaranteeing a small environmental footprint. The objective of this thesis is to better understand the heat transfer mechanisms associated with geothermal resources in large fault zones with extensive tectonic context in northern Madagascar. The idea is to appropriately delineate the contexts favourable to geothermal development in this region, and thereby improve exploration methods. A catalogue of geothermal systems in Madagascar has been established based on information on geological contexts combined with reservoir temperatures deduced from chemical geothermometers, allowing the characterisation of geothermal systems for the whole Madagascar. The evaluation of the petrophysical properties of the rocks of the northern region was then carried out in the field and in the laboratory using rock outcrop samples as analogues of the deep geological formations. The thermostratigraphic units defined according to the thermofacies concept show that the geothermal systems are qualified as transient petrothermal in which conductive heat transfer dominates the low permeability rocks while faults and fractured rocks involve forced convection giving rise to the hot springs. The properties of faults favouring upwelling of geothermal fluids were determined from numerical simulations with two-dimensional fluid flow models coupled with steady-state heat transfer. Faults dipping towards groundwater flow or located in a hydraulic discharge zone, near a river, were the most favourable for fluid ascent. This work contributes to the advancement of scientific knowledge concerning the influence of faults on the ascent of fluids by forced convection. The results have made it possible to justify and define the next phases of exploration, targeting faults and fault zones for the northern region of Madagascar in order to consider the future exploitation of its geothermal resources. Keywords: energy, geothermal, rift, fault, thermal conductivity, permeability, thermofacies, heat transfer, forced convection, numerical modelling.


identifier: Bourdon, Charlotte  (2021). Caractérisation de l’accumulation et de la toxicité du pyrithione de cuivre, un compose antisalissure, sur les larves et juvéniles de truite arc-en-ciel.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 97 p.

subject:
pyrithione de cuivre
sulfate de cuivre
truite arc-en-ciel
juvénile
larve
toxicité
expression génique
stress oxydant
bioaccumulation
copper pyrithione
copper sulfate
rainbow trout
juvenile
larvae
toxicity
genomics
oxidative stress

abstract:
Depuis l’interdiction mondiale du tributylétain dans les peintures antisalissure, de nouveaux produits biocides ont été développés et mis sur le marché, dont le pyrithione de cuivre (CuPT), mais sa toxicité demeure mal-connue. Ce projet vise à quantifier l’accumulation et à comparer les impacts d’une contamination par voie directe au CuPT et au CuSO₄, en concentrations de Cu²⁺ équivalentes sur les juvéniles (1 à 100 µg•L ⁻¹ ) pendant 16 jours et sur les larves de truite arc-en-ciel (0,1 à 10 µg•L ⁻¹ ) pendant 8 jours. L’étude comparée de la toxico-cinétique a montré une accumulation supérieure du cuivre chez les larves et dans les tissus des juvéniles exposées au CuPT. Contrairement au CuSO4, une mortalité élevée aux deux stades de vie a été observée pour l’exposition au CuPT. Le développement larvaire a été impacté majoritairement par le CuPT. Ces deux contaminants n’ont pas induit de stress oxydant. Les niveaux d’expression génique (détoxication, stress oxydant, transport du cuivre) ont été modifié à des niveaux variables selon le stade de vie, le composé étudié, sa concentration et la durée d’exposition. Ces résultats apportent de nouvelles informations sur le composé CuPT et montrent qu’il est plus biodisponible et toxique que le CuSO₄ aux mêmes concentrations.

Since the global ban on tributyltin in antifouling paints, new biocidal products have been developed and marketed, including copper pyrithione (CuPT), but its toxicity remains poorly understood. This project aims to quantify the accumulation and compare the impacts of direct contamination with CuPT and CuSO4, in equivalent Cu²⁺ concentrations on juveniles (1 to 100 µg•L⁻¹ ) for 16 days and on rainbow trout larvae (0.1 to 10 µg•L⁻¹ ) for 8 days. The comparative toxicokinetics study showed a greater accumulation of copper in larvae and in the tissues of juveniles exposed to CuPT. Unlike CuSO₄, high mortality at both life stages was observed for CuPT exposure. Larval development was mainly impacted by CuPT. These two contaminants did not induce oxidative stress. Levels of gene expression (detoxification, oxidative stress, copper transport) were altered at varying levels depending on life stage, a compound studied, concentration and duration of exposure. These results provide new information on the CuPT compound and show that it is more bioavailable and toxic than CuSO₄ at the same concentrations.


identifier: Laazibi, Khaoula  (2021). Modélisation de la variabilité inter annuelle et de l’évolution de la vitesse du vent en Ontario.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 73 p.

subject:
variabilité
vitesse du vent
téléconnections
tendance
détection des points de changement
analyse de corrélation
analyse en ondelettes
indice climatique
Ontario

abstract: Les extrêmes du vent doivent être adéquatement estimés afin d’assurer la sécurité des structures et des vies humaines. Une estimation qui ne tient pas compte de la variabilité de la vitesse du vent et des tendances à long terme ou qui est basée sur une courte période d’enregistrement, peut conduire à des conséquences écologiques et socio-économiques néfastes. Il faudra alors analyser les non-stationnarités qui peuvent exister dans les séries temporelles des variables induites par des phénomènes naturels. L’objectif de ce présent mémoire est de dévoiler les modes principaux de la variabilité de la vitesse du vent en Ontario ; et d’étudier les liens de dépendance à l’échelle de corrélation entre les vitesses annuelles et les indices climatiques de basse fréquence. Parmi les variables considérées figurent les vitesses maximales et moyennes annuelles du vent, non seulement pour évaluer le potentiel éolien mais aussi pour assurer la stabilité des structures. Les approches linéaires ne permettent pas d’aboutir à une représentation adéquate des relations de dépendance complexes entre les variables. L’analyse spectrale en ondelettes, ou « Wavelet Analysis » en anglais, permet d’étudier les processus non stationnaires et d’établir les liens complexes entre les vitesses du vent et les oscillations climatiques dans la zone d’étude. L’investigation des liens de corrélation a permis de retenir trois indices climatiques dominants dans la zone d'étude ; L’indice de l’Atlantique de l’Est « East Atlantic (EA) », l’Oscillation de l’Atlantique du Nord « North Atlantic Oscillation (NAO) » et l’Oscillation Décennale du Pacifique « Pacific Decadal Oscillation (PDO) ». La transformée continue en ondelettes révèle des non stationnarités et des ruptures dans la majorité des séries de vitesse du vent confirmant les résultats de l’analyse de tendance et des changements au cours du temps. Des zones de cohérences à différentes échelles (interannuelle, décennale et multi-décennale) et persistantes à grande échelle confirment l'impact potentiel des indices climatiques retenus sur la variabilité interannuelle de la vitesse du vent en Ontario.


identifier: Rjeb, Wiem  (2021). Évolution du régime des précipitations au sud de Québec.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 84 p.

subject:
téleconnections
indices climatiques
variabiltés des précipitations
Québec
analyse en ondelttes
méthodes de détections baysiennes
analyse de tendances

abstract:
L’analyse de la variabilité des précipitations fait l’objet de nombreux travaux de recherche. La
bonne caractérisation de cette variable hydrologique est nécessaire pour mieux estimer le risque
associé à la conception et au dimensionnement des ouvrages hydrauliques, pour réduire les
pertes financières et humaines dans les cas des inondations et celles associées à la faune et la
flore dans le cas de la sécheresse.
Le Québec, la seconde région qui reçoit la plus grande quantité de neige (entre 200 et 300 cm)
en Amérique du nord, présente des risques d’inondations à cause de la fonte de neige hivernale
qui génère des crues printanières. Cette province produit la grande majorité de son électricité à
partir du potentiel hydroélectrique. En effet, L’hydroélectricité représente près de 97% de toute
l’énergie électrique produite dans cette région.
Aujourd’hui, plusieurs études ont signalé les interactions qui pourraient exister entre les indices
d’oscillation climatique de basse fréquence et les variables hydro-climatologiques associées. Ces
oscillations climatiques portent les signaux de la variabilité dans la circulation atmosphérique et
océanique et permettent de quantifier l’évolution temporelle d’un processus climatique pour une
région particulière.
L’objectif de ce projet de recherche est d’étudier la variabilité interannuelle des précipitations
totales annuelles et maximales dans le sud du Québec et d’examiner les liens entre ces dernières
et les indices climatiques à basse fréquence à travers une analyse de corrélation et une analyse
spectrale en ondelettes.
Les résultats montrent que les précipitations annuelles, totales est maximales, sont dominées par
trois modes climatiques ; l’Oscillation Arctique « Arctic Oscillation (AO) », l’Oscillation de
l’Atlantique du Nord (version de Jones, 1997) « North Atlantic Oscillation Jones version (NAOj) »
et l’oscillation Tropicale de l’Atlantique Nord « Tropical Northern Atlantic index (TNA) ». La
considération ces derniers dans les modèles de prévision à long terme des précipitations dans le
sud du Québec devra améliorer l’estimation des précipitations.


identifier: Jeljli, Amal  (2021). Influence des facteurs chimiques et climatiques sur la variation du carbone organique dissous dans un sol organique.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 54 p.

subject:
carbone organique dissous
sulfate
sol organique
impact climatique
forêt tempérée
modélisation
dissolved organic carbon
sulfate
organic soil
climatic impact
temperate forest
modeling

abstract:
Au cours des deux dernières décennies, une augmentation répandue des concentrations de carbone organique dissous (COD) dans les eaux de surface, suivie d’un brunissement des eaux, a été observée. Une attention considérable a été accordée aux facteurs derrière cette hausse dans l'eau douce mais certains facteurs tels que la variation climatique restent débattus. Bien que le COD soit transporté à partir du sol, sa variation à long terme dans son milieu de production est peu étudiée. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur le COD dans l’eau percolant la couche organique d’une forêt boréale. Nos objectifs étaient d'analyser sa variation à long terme et d'évaluer sa réponse aux dépôts acides et aux variations climatiques. Nous nous sommes basés sur des données chimiques et climatiques hebdomadaires durant la période 1994-2018 au bassin versant du lac Clair (région de Québec) et deux modèles ont été estimés : un modèle de régression linéaire multiple et un modèle de régression avec erreurs ARIMA (Reg-ARIMA) qui expliquent respectivement 26 et 41 % de la variance. L’analyse de tendance a montré que le COD a augmenté d’une manière significative dans la percolation de l’humus (32 %). Selon les modèles, cette hausse est reliée à la diminution des niveaux de sulfate qui a dépassé les 80% dans les précipitations, les pluviolessivats et l’humus. Nous avons démontré avec les deux modèles que le COD est également significativement sensible à la température, à la précipitation, à l’apport en COD des pluviolessivats et au pH de la solution d’humus.

Over the past two decades, a widespread increase in dissolved organic carbon (DOC) concentrations in surface waters, followed by browning of the waters, have been observed. Considerable attention has been paid to the factors behind this increase in freshwater but some factors such as climate variation remain debated. Although DOC is transported from soil, its long-term variation in its production environment has been rarely studied. In this study, we focused on DOC in the leachate of the humus layer. Our objectives were to analyze its long term variation and assess its response to acid deposition and climatic variations. Based on chemical and climatic weekly data during the period 1994-2018 in the Lake Clair watershed, two models were estimated: a multiple linear regression model and an ARIMA error regression model (Reg-ARIMA) which explained respectively 26 and 41% of the variance. Trend analysis showed that DOC increased significantly in the humus leachate (32%). According to the models, this increase is related to the decrease in sulfate levels which exceeded 80% in precipitation, rainfall and humus. We have shown with both models that DOC is also significantly sensitive to temperature, precipitation, DOC input from rainfall and the pH of humus solution.


identifier: Fauteux, Denis  (1986). Diagramme de phase, propriétés de transport et stabilité électrochimique d'électrolytes polymères.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 230 p.

subject: énergie

abstract: Depuis quelques années les progrès technologiques ont suscité une demande croissante pour des sources d'énergie électrique légères, compactes et portatives. Les accumulateurs électrochimiques existant ne pouvant pas satisfaire pleinement ces nouveaux besoins, plusieurs programmes de recherche et de développement de nouveaux accumulateurs ont été mi s en place, dont le projet ACEP; conjoint IREQ-SNEA. C'est à l'intérieur de ce projet d'envergure que notre travail s'inscrit. Deux propriétés y sont étudiées: la conductivité ionique des électrolytes polymères et la stabilité chimique/électrochimique des interfaces lithium-électrolytes polymères. Nos conclusions vont à l'encontre des préceptes faisant des électrolytes polymères une classe distincte d'électrolytes solides. Nous établissons que les électrolytes polymères à base de poly(oxyde d'éthylène) sont des matériaux analogues aux électrolytes liquides aprotiques. Ils sont régis par les mêmes lois thermodynamiques, cinétiques et mécanistiques.


identifier: Frenkel, Sébastien  (2021). Synthèse et caractérisation optique de nano-objets plasmoniques d'or ou d'aluminium couplés avec un matériau thermochrome.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 116 p.

subject: plasmonique

subject: oxyde de vanadium (V0₂)

subject: nanoparticules

subject: ablation laser

subject: photoconversion

subject: plasmonic

subject: vanadium oxide (V0₂)

subject: nanoparticules

subject: laser ablation

subject: photoconversion

abstract:
Les nano-objets (NOs) métalliques d'or ou d'aluminium sous irradiation lumineuse ont la capacité de se comporter comme des sources nanométriques de chaleur efficaces grâce au phénomène de résonance de plasmon de surface localisé (LSPR). Par ailleurs, les matériaux thermochromes tels que l'oxyde de vanadium (V0₂) présentent une transition de phase isolant-métal lorsque leur température augmente ou lorsqu'ils sont éclairés par des impulsions lumineuses ultra-courtes. En combinant les propriétés de NOs plasmoniques et celles de couches minces de V0₂, il est possible de développer des dispositifs hybrides avec de nouvelles fonctionnalités optoélectroniques pouvant être contrôlées soit optiquement, soit thermiquement. Dans cette étude préliminaire, nous avons fait varier le matériau constituant les NOs (or ou aluminium), la forme (nanodisques ou nanobâtonnets) et les dimensions des NOs. Trois différentes configurations sont étudiées, grâce à différentes techniques de nanofabrication, notamment la lithographie par faisceau d'électrons, la synthèse par ablation laser et la gravure par plasma. La première consiste en des NOs synthétisés sur la surface de la couche mince de V0₂. Dans la seconde, il s'agit de NOs insérés dans des trous gravés dans le V0₂. Enfin, pour la troisième, nous avons d'abord fabriqué les NOs sur un substrat de quartz qui sont recouverts par la suite par une couche mince de V0₂. Les premières caractérisations optiques montrent une forte modulation de la LSPR selon ces caractéristiques morphologiques ainsi qu'un plus fort échauffement photo-induit pour les configurations deux et trois, grâce à une interaction plus forte entre le V0₂ et les NOs. De plus, en faisant varier la longueur d'onde incidente, nous démontrons le lien entre le spectre de LSPR et l'efficacité de la photoconversion. Enfin, la transition de phase du V0₂ est observée sous éclairement d'intensité suffisante.

 Gold or aluminum nanoparticles (NPs) under light irradiation tuned to their localized surface plasmon resonance (LSPR) have the ability to behave as efficient nanoscale heat sources through a series of energy exchange phenomena. Furthermore, thermochromic materials such as vanadium oxide (V0₂) exhibit an insulator-metal phase transition when their temperature increases or when illuminated by ultrashort light pulses. By combining the properties of plasmonic NPs and V0₂ thin films, it is possible to develop hybrid devices with novel photonic or optoelectronic functionalities that can be controlled optically. Our objective is to generate the ultrafast phase transition of V0₂ over a very short range around plasmonic nanoparticles by using ultrashort laser pulses tuned to their LSPR. In the preliminary study presented here, we have varied the material constituting the NPs (gold or aluminum), the shape (nanodisks or nanorods) and the dimensions of the NPs. Thin films of plasmonic NPs surrounded by V0₂ have been elaborated with millimeter side dimension. Three different configurations are investigated, using different nanofabrication techniques, including electron beam lithography, laser ablation synthesis and plasma etching. The first consists of NPs synthesized on the surface of the V0₂ thin film (1). The second consists of NPs inserted in holes etched in the V0₂ (2). Finally, for the third, we first fabricated the NPs on a quartz substrate and then covered them with a thin layer of V0₂ (3). The first optical measurements show a strong modulation of the LSPR according to these morphological characteristics as well as a stronger photoinduced heating for the configurations (2) and (3), thanks to a stronger interaction between the V0₂ and the NPs. Moreover, by varying the incident wavelength, we demonstrate the link between the LSPR spectrum and the photoconversion efficiency. Finally, the phase transition of V0₂ is observed under ultrashort laser pulse illumination of sufficient intensity.


identifier: Tong, Xin  (2019). Synthesis and characterization of near-infrared colloidal core/shell quantum dots for solar technologies.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 147 p.

subject: énergie matériaux

abstract: Colloidal quantum dots (QDs) have attracted considerable attention owing to their outstanding optical properties including broad light absorption, size/composition-tunable optical emission, high photoluminescence quantum yield (PLQY) and multiple exciton generation. In this regard, QDs have been extensively used as building blocks in various solar technologies including luminescent solar concentrators (LSCs), solar cells and solar-driven photoelectrochemical (PEC) hydrogen generation. Specifically, QDs with near-infrared (NIR) optical properties exhibit great potential for various applications because their broadband NIR light absorption is favorable to improve the efficiency of photovoltaic devices and their tunable NIR photoluminescence (PL) emission matches well with the wavelength region of biomedical window (~750-1350 nm) and optical communication (~1350-1600 nm). As a result, NIR QDs have been employed to fabricate high performance optoelectronic devices such as solar cells, light-emitting diodes (LEDs) and photodetectors, and are used for biological imaging/detection and optical fibers as well. However, to date, a majority of NIR QDs contain highly toxic chemical elements (e.g. Pb and Hg), which are harmful to human health and the natural environment and are not favorable for their future commercialization towards real-life applications. NIR, environmentally friendly QDs (e.g. CuInS/Se QDs) have been developed in recent years, while their multicomponent nature leads to the easily formation of surface trap states and defects. These surface traps/ defects can deteriorate the PLQY and photo/chemical-stability of QDs, which leads to the non radiative recombination of QDs, thus hindering the development of high-efficiency and long term stable QDs-based optoelectronic devices. To address these problems, one approach is to develop heavy metal-free and NIR core/shell structured QDs with optimized optical properties and enhanced photo/chemical-stability, focusing on the comprehensively investigation of their growth mechanism, band structure engineering, photoexcited electron-hole dynamic to realize high performance solar energy conversion applications (e.g. solar-drive PEC cells). In the first part, we synthesized NIR, environmentally friendly CuInSexS2-x (CISeS, C represents Copper instead of Carbon)/ZnS core/shell QDs by employing cation exchange method. Morphological investigation of these QDssuggeststhatsuch cation exchange approach leads to the formation of a thin ZnS shell on the surface of CISeS core QDs. Optical characterizations show the NIR optical absorption (up to 1000 nm) and PL spectrum (emission center at~960 nm). By comparing the PL intensity and PL lifetime of bare CISeS QDs and CISeS/ZnS core/shell QDs, it is demonstrated that the ZnS shell enables the effective passivation of the surface defects/traps on the CISeS QDs. These NIR, heavy metal-free QDs were then used as photosensitizers to fabricate QDs-sensitized photoanode by using electrophoretic deposition (EPD) technique. As-fabricated CISeS/ZnS core/shell QDs-sensitized photoanode was applied as a working electrode in a PEC cell for solar-driven hydrogen generation. Under standard one sun illumination (AM 1.5G, 100 mW/cm²), the QDs-based PEC cell exhibits a saturated photocurrent density of ~5.3 mA/cm² , which is higher than the saturated photocurrent density (~2.57 mA/cm² ) of bare CISeS QDs-based PEC cell, indicating the effective surface passivation of CISeS QDs by the ZnS thin shell for suppressed non-radiative recombination, thus enhancing the device performance. Moreover, CISeS/ZnS core-shell QDs-based PEC cell exhibited improved device stability as compared to bare CISeS QDs-based devices. In the second part, we synthesized NIR, heavy metal-free CuInSe₂/CuInS₂ (CISe/CIS) “giant” core/shell QDs (g-QDs) via sequential cation exchange technique. Morphological investigation demonstrates the formation of a CuInS2 thick shell with wurtzite (WZ) phase. Optical characterization of these NIR, heavy metal-free g-QDs exhibit tunable NIR absorption and PL spectra (up to 1100 nm). These NIR, environment-friendly g-QDs show a red-shift of PL peaks and prolonged lifetime with increasing shell thickness, demonstrating their “quasi-type II” band structure, wherein the electrons can delocalize into the shell region while the holes are well confined in the core region. By choosing appropriate physical parameters and solving the Schrödinger equation of these g-QDs, the electron-hole wavefunction distribution as a function of shell thickness is presented. The simulation results further verify the “quasi-type II” band structure of as-synthesized g-QDs, which is in accordance with their optical characterization. As a proof of concept, a PEC cell based on such NIR and “green” g-QDs was fabricated, showing a saturated photocurrent density of ~3 mA/cm2 under standard one sun illumination (AM 1.5G, 100 mW/cm²). By comparing the stability of PEC device based on g-QDs with various shell thickness, it is demonstrated that g-QDs with thicker shell exhibit higher photo/chemical stability in solar-driven PEC hydrogen production. Apart from the heavy metal-free NIR core/shell QDs, heterostructured semiconductor nanocrystals with non-spherical shapes such as dot-in-rod, tetrapod and pyramid have emerged as potential candidates in solar technologies, which exhibit particularly small spatial electron hole wavefunction overlap for ultralong PL lifetime that are beneficial to the photogenerated charge carrier separation/transfer in boosting the efficiency of QDs-based photovoltaic applications. In the third part, we developed a new type of NIR-emitting, pyramid-shaped CISeS/CdSeS/CdS g-QDs, which were synthesized by using a facile two-step method. Assynthesized g-QDs exhibit a pyramidal shape and the CdSeS/CdS shell was demonstrated to possess a zinc blende (ZB) phase. Optical properties of g-QDs exhibit NIR PL emission (~830 nm) with considerable PLQY of 17%. This type of pyramidal-shaped g-QDs show unprecedentedly prolonged PL lifetime up to ~2 s with increasing shell thickness, indicating that the pyramidal shape of these g-QDs can induce efficient electron-hole separation and form a “quasi-type II” band structure. Theoretical simulation was used to calculate the spatial electron-hole wave function distribution of as-synthesized g-QDs with various shell thickness, demonstrating the direction-dependent electron-hole wave function distribution and "quasi type-II" band structure of such pyramidal g-QDs. We subsequently used these g-QDs to fabricate PEC cells, showing a high saturated photocurrent of ~5.5 mA/cm² and outstanding device stability under one sun illumination (AM 1.5 G, 100 mW/cm²). These results indicate that this type of pyramid-shaped g-QDs show efficient electron-hole separation and are promising to achieve high performance photovoltaic devices.


identifier: Berthot, Laureline  (2021). Comparaison des méthodes d’estimation des débits environnementaux dans des contextes hydrologiques et climatiques actuels et futurs – cas du Québec méridional.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 194 p.

subject:
débits environnementaux
Québec méridional
échelle temporelle
échelle spatiale
régions hydrologiques
débits d’étiage
périmètre mouillé
protection des écosystèmes lotiques
politique de partage de l’eau
changements climatiques
analyse fréquentielle
environmental flows
southern Quebec
temporal scale
spatial scale
low flows
hydrological regions
wetted perimeter
river ecosystem protection
water sharing policy
climate change
frequency analysis

abstract:
Le ministère de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques du Québec s’intéresse à la question des débits environnementaux pour adapter sa gestion actuelle de l’eau en période d’étiage, et tenir compte des effets des changements climatiques. Les études sur les débits environnementaux et la protection des écosystèmes lotiques sont scientifiquement et politiquement plus avancées dans les autres provinces du Canada, et à l’international, par rapport au Québec. La question ici est fondamentale : comment limiter les prélèvements d’eau dans les rivières du Québec méridional pour protéger les écosystèmes lotiques tout en répondant aux demandes en eau ? Il y a quatre catégories de méthodes permettant de calculer les débits environnementaux : hydrologique, hydraulique, modèle d’habitat et exhaustive. La première catégorie, regroupant des métriques hydrologiques, s’appuie sur deux types d’analyses statistiques : descriptive et fréquentielle univariée. L’analyse fréquentielle est privilégiée dans les rivières du Québec méridional, pour limiter les prélèvements d’eau au cas par cas à un maximum de 15% du 7Q2 (débit minimum d’une moyenne mobile de sept jours et une période de retour de deux ans) durant les périodes d’étiage. Cette méthode est appliquée en considérant l’effet cumulatif des prélèvements d’eau en amont du cours d’eau pour ne pas prélever plus que la valeur de débit associée au 7Q2, qui n’est donc pas un débit plancher. Les débits environnementaux étant des débits plancher à maintenir dans une rivière, cette thèse a les objectifs suivants : (1) Comparer différentes métriques hydrologiques pouvant être actuellement appliquée à un territoire de 730 000 km² pour protéger et maintenir les écosystèmes lotiques ; (2) Étudier la possibilité de combiner une méthode hydrologique avec une méthode hydraulique, le périmètre mouillé ; (3) Analyser les effets des changements climatiques en comparant les résultats des méthodes hydrologiques et hydraulique pour des contextes hydrologiques actuels et futurs, à l’aide de scénarios de changement climatique. Les résultats montrent que les métriques hydrologiques choisies pour calculer les débits environnementaux doivent être sélectionnées pour une échelle régionale et une temporalité saisonnière ciblant la période d’étiage souhaitée. Le périmètre mouillé s’est révélé être une méthode hydraulique appropriée comme indicateur de la disponibilité physique des habitats dans les rivières aux plus faibles modules, associées aux plus petits bassins versants étudiés. Enfin, tenir compte des effets du changement climatique implique d’avoir une gestion des débits d'étiage s'adaptant aux contextes hydrologiques variés.

The Quebec Department of Environment and Fight Against Climate Change is addressing the issue of environmental flows to adapt its current water management during low-flow periods, and to take into account the effects of climate change. Studies on environmental flows and the protection of river ecosystem are more scientifically and policy advanced in other Canadian provinces, and internationally, than in Quebec. The question here is basic: how can water withdrawals from rivers in southern Quebec be limited to protect river ecosystem while meeting water demands? Four categories of methods exist for calculating environmental flows: hydrological, hydraulic, habitat simulation and holistic. The first category is based on hydrological metrics, which can be separated into two types of statistical analysis: descriptive and univariate frequency. Frequency analysis is currently favoured in the rivers of southern Quebec, in order to limit water withdrawals on a case-by-case basis to a maximum of 15% of the 7Q2 flow metric (minimum flow of a seven-day moving average and two-year return period) during low water periods. This hydrological method is applied by considering the cumulative effect of water withdrawals in the upstream part of the river, so as not to withdraw more than the flow value associated with 7Q2, which is therefore not a minimum flow to maintain in the river. Based on the fact that environmental flows are about flow thresholds to maintain in a river, this thesis has the following objectives, to: (1) compare different flow metrics that can be used currently as a hydrological method applied to a territory of 730,000 km² to protect and maintain river ecosystem; (2) study the possibility of combining a hydrological method with a hydraulic method, the wetted perimeter; and (3) analyse the effects of climate change by comparing the results of hydrological and hydraulic methods in a current and future hydrological contexts using climate change scenarios. Results showed that the hydrological metrics used to define environmental flows should be selected at a regional scale and a seasonnal time scale focused on the low flow period of interest. The wetted perimeter was found to be a good indicater of physical availability of habitats in the rivers with the lowest average flows, and associated with the smallest catchments studied. Finally, taking into account the effects of climate change implies that the management of low flows water must be able to be adjusted to the hydrological contexts as and when required.


identifier: Costis, Sophie  (2021). Évaluation du comportement des résidus de flottation issus de l’extraction de minéraux de terres rares dans un contexte nordique.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 2019 p.

subject:
éléments de terres rares
résidus de flottation
évaluation environnementale
mini-cellules d’altération
colonne de lixiviation
contexte nordique
gel-dégel
salinité
rare earth elements
flotation tailings
environmental assessment
weathering cells
leach column
northern context
freeze-thaw
salinity

abstract:
Les éléments de terres rares (ETR) sont composés de 17 éléments, les lanthanides (Ln : La-Lu), le Sc et l’Y. Ils se retrouvent dans de nombreuses technologies comme les haut-parleurs de téléphone portables, les voitures électriques, les éoliennes ou encore les panneaux solaires. Ainsi, leur demande au cours de ces dernières années ne cesse d’augmenter. Le premier producteur d’ETR est la Chine avec 57,1% des ETR produits dans le monde. Au vu de la demande grandissante et du désir d’accroître leur autonomie vis-à-vis de la Chine, de nombreux pays, dont le Canada, veulent commencer à exploiter leurs propres gisements. Le dépôt Ashram, situé sur la propriété Eldor au nord du Québec (Canada), fait partie de ces nouveaux projets miniers. Ce dépôt contient 1,9% d’oxydes de terres rares (OTR) et la roche mère est une roche de type carbonatite. Afin d’extraire les ETR de ce gisement, des essais pilotes ont été entrepris dans le but de préconcentrer les minéraux porteurs d’ETR par flottation et des résidus de flottation ont été générés. Une gestion responsable de ce type de rejet minier est primordiale afin de limiter leurs effets néfastes potentiels sur l’environnement. Le dépôt Ashram est situé dans un climat subarctique, dominé par des précipitations de neige (173 cm/an), de faibles températures (-25°C en février et +11°C en juillet) et des périodes importantes de gel (octobre à juin). L’objectif de cette étude a donc été d’évaluer le comportement des résidus de flottation dans un contexte nordique afin de déterminer leurs impacts potentiels sur l’environnement. Une caractérisation physico chimique et minéralogique des résidus initiaux a d’abord été entreprise. Ensuite, les résidus ont été soumis à des essais statiques à savoir, un test à l’eau régale, un test TCLP (Toxicity characteristic leaching procedure) et un test statique (détermination du potentiel de génération d’acidité des résidus) afin de cibler les contaminants potentiels et d’évaluer leurs mobilités. De plus, des essais cinétiques en mini-cellules d’altération (MCA) ont été réalisés à 3 et 19°C pour déterminer l’impact de la température sur le comportement des résidus. Par la suite, des essais cinétiques en colonne de lixiviation ont été mis en place et réalisés sur une durée de 1 an. Le premier essai en colonne a eu pour but d’évaluer l’impact temporel du gel-dégel sur la mobilité des éléments présents dans les résidus. Dans le deuxième essai, trois colonnes ont été soumises à trois solutions de lixiviation différentes, à savoir : H₂O, NaCl (25 g/L) et CaCl₂ (25 g/L). Lors de la période hivernale et afin que le site minier soit accessible, des sels de voieries peuvent être utilisés et donc se retrouver en contact avec les résidus situés aux alentours des zones de stockage. Dans ce dernier essai, le but a donc été d’évaluer l’impact de la salinité sur la mobilité des éléments présents dans les résidus. Les résultats de caractérisation physico-chimique et minéralogique ont montré que : (i) les résidus étaient composés de particules fines (D₉₀ = 32,6 µm); (ii) les cations majeurs prédominants étaient le Ca, le Mg, le Fe et le Mn; (iii) les ETR légers (4 406 mg/kg; La au Gd) étaient plus présents que les ETR lourds (303 mg/kg; Tb au Lu et Y); (iv) les minéraux principaux constitutifs du matériel étaient des carbonates (97,3%). Les résultats des essais statiques ont été comparés aux normes environnementales afin d’évaluer les risques reliés à ce type de résidus. Ces résultats ont donc montré que : (i) les résidus ne sont pas générateurs d’acide; (ii) l’U et le Th ne présentaient pas de risques, soit les résidus ne sont pas considérés comme radioactifs; (iii) le Ba, le Cd, le Mn, le Pb et le Zn peuvent être considérés comme des éléments potentiellement lixiviables. Les essais cinétiques ont révélé que : (i) les éléments étaient plus mobiles à 19°C qu’à 3°C; (ii) le gel diminuait la mobilité des éléments présents dans les résidus; (iii) la salinité avait tendance à favoriser la libération de cations divalents (Ba, Cd, Mg, Mn, Sr et Zn) en présence de CaCl2; (iv) certains éléments (Sc et U) étaient seulement sensibles à la salinité et ce quel que soit le sel appliqué; (v) dans le cas du S, la salinité n’avait pas d’influence sur sa mobilité. Les concentrations des différents éléments contenus dans les lixiviats ont été comparées aux normes environnementales. Ainsi, les concentrations du Ba étaient supérieures aux critères de qualité des eaux de surface (CQES), quelles que soient les conditions de l’expérience. Le Mn dépassait les CQES lorsque la solution appliquée était du CaCl₂ (25 g/L). De plus, les concentrations de Cd et de Zn étaient supérieures aux CQES lorsque la solution en contact avec les résidus était soit NaCl (25 g/L), soit CaCl2 (25 g/L). Enfin, les résultats de caractérisation minéralogique des résidus post-démantèlement (colonnes de lixiviation) et de modélisation géochimique (PHREEQC) ont montré : (i) une dissolution totale de la fluorite, de la galène, de la richterite et du silicate de Ba; (ii) une précipitation d’oxydes/hydroxydes de Fe et de minéraux silicatés. Basé sur ces résultats, cette étude a permis de comprendre l’impact environnemental potentiel des résidus de flottation d’un gisement d’ETR dans un contexte nordique. Le Ba, le Cd, le Mn et le Zn sont donc des éléments à surveiller dans le futur. A l’inverse, les ETR ne présentent pas de risques car peu lixiviables et les radionucléides ne sont pas considérés comme dangereux. Ces résultats permettront donc à la compagnie minière de développer un mode de gestion adapté à ces résidus et au contexte climatique du futur site minier. Enfin, une revue de littérature a été entreprise sur la récupération des ETR à partir de sources secondaires (déchets miniers et industriels) et sera aussi présentée.

Rare earth elements (REE) are composed of 17 elements, the lanthanides (Ln: La-Lu), Sc and Y. They are found in many technologies such as cell phone speakers, electric cars, wind turbines and solar panels. Thus, their demand in recent years has been increasing steadily. The largest producer of REE is China with 57.1% of the world's REE produced. In view of the increasing demand and the wish to become more independent from China, many countries, including Canada, want to start exploiting their own deposits. The Ashram deposit, located on the Eldor property in northern Quebec, Canada, is one of these new mining projects. This deposit contains 1.9% rare earth oxides (REO) and the source rock is a carbonatite type rock. In order to extract REE from this deposit, pilot tests were undertaken to preconcentrate the REE-bearing minerals by flotation and flotation tailings were generated. Responsible management of this type of mine waste is essential to limit its potential negative impact on the environment. The Ashram deposit is located in a subarctic climate, dominated by heavy snowfall (173 cm/year), low temperatures (-25°C in February and +11°C in July) and significant periods of frost (October to June). The objective of this study was therefore to evaluate the behaviour of flotation tailings in a northern context to determine their potential impacts on the environment. A physico-chemical and mineralogical characterization of the initial tailings was first undertaken. Then, the tailings were subjected to static tests, namely, an aqua regia test, a TCLP (Toxicity characteristic leaching procedure) test and a static test (determination of the acid generating potential of the tailings) to target potential contaminants and evaluate their mobilities. In addition, kinetic tests were performed in weathering cells at 3 and 19 °C to determine the impact of temperature on tailings behaviour. Subsequently, kinetic tests were set up in leaching columns and carried out over a period of 1 year. The first column test was designed to evaluate the temporal impact of freeze-thaw on the mobility of elements present in the tailings. In the second test, three columns were subjected to three leaching solutions, H2O, NaCl (25 g/L) and CaCl₂ (25 g/L). During the winter period and to have access to the mine site, road salts can be used and thus be in contact with the tailings located in the surrounding storage areas. In this last test, the aim was to evaluate the impact of salinity on the mobility of elements present in the tailings. The results of physicochemical and mineralogical characterization showed that: (i) the tailings were composed of fine particles (D₉₀ = 32.6 µm); (ii) the predominant major cations were Ca, Mg, Fe, and Mn; (iii) light REE (4 406 mg/kg; La to Gd) were more present than heavy REE (303 mg/kg; Tb to Lu and Y); (iv) the main constituent minerals of the material were carbonates (97.3%). The results of the static tests were compared to the environmental standards to evaluate the risks related to these tailings. These results showed that: (i) the tailings are not acid generating; (ii) U and Th were not hazardous, i.e. the tailings are not considered radioactive; (iii) Ba, Cd, Mn, Pb and Zn can be considered as potentially leachable elements. The kinetic tests revealed that: (i) the elements were more mobile at 19°C than at 3°C; (ii) freezing decreased the mobility of the elements present in the tailings; (iii) salinity tended to favor the release of divalent cations (Ba, Cd, Mg, Mn, Sr, and Zn) in the presence of CaCl₂; (iv) some elements (Sc and U) were only sensitive to salinity regardless of the salt used; (v) in the case of S, salinity did not affect its mobility. The concentrations of the different elements in the leachates were compared to environmental standards. Thus, Ba concentrations were above the surface water quality criteria (SWQC) under all experimental conditions. Mn exceeded the SWQC when the solution used was CaCl₂ (25 g/L). In addition, Cd and Zn concentrations were above the SWQC when the solution in contact with the tailings was either NaCl (25 g/L) or CaCl₂ (25 g/L). Finally, the results of mineralogical characterization of post-dismantling tailings (leach columns) and geochemical modeling (PHREEQC) showed: (i) total dissolution of fluorite, galena, richterite and Ba silicate; (ii) precipitation of Fe oxides/hydroxides and silicate minerals. Based on these results, this study provided an understanding of the potential environmental impact of flotation tailings from a REE deposit in a northern context. Ba, Cd, Mn and Zn are therefore elements to be monitored in the future. On the other hand, the REE did not present any risks because they are not very leachable and the radionuclides are not considered dangerous. These results will allow the mining company to develop a management method adapted to these tailings and to the climatic context of the future mine site. Finally, a literature review was undertaken on the recovery of REE from secondary sources (mining and industrial waste) and will also be presented.


identifier: El Oufir, Mohamed Karim  (2021). Développement d’une approche d’estimation de la densité du couvert nival à l’aide des données de télédétection hyperspectrale proximale dans l’infrarouge proche.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 184 p.

subject:
couvert nival
neige
densité
télédétection

abstract:
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ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.
La neige joue un rôle primordial dans le bilan hydrique, le climat et l'économie de nombreuses régions géographiques. Le manteau neigeux est l'ensemble des couches de neige qui s'accumulent sur le sol tout au long de l'hiver. Chacune de ces couches a une densité donnée. La quantification de la variabilité de la densité dans le temps et l'espace est essentielle pour l'estimation de l'équivalent en eau de la neige, la production d'énergie hydroélectrique et l'évaluation des risques naturels (avalanches, inondations, etc.). La densité de la neige est mesurée à l'aide de diverses méthodes et technologies. Parmi celles-ci, on trouve des mesures manuelles en prélevant des carottes dans le manteau neigeux, ou l'installation de dispositifs qui reposent à plat sur le sol et pèsent la neige au fur et à mesure qu'elle s'accumule sur le dessus. Il existe également d'autres méthodes pour mesurer la densité de la neige, comme la télédétection proximale, aérienne et spatiale. Cependant, ces méthodes présentent plusieurs inconvénients; par exemple, elles ne mesurent pas la densité de chaque couche de neige qui compose la stratigraphie verticale du manteau neigeux, mais seulement la densité moyenne de ce dernier. Par conséquent, l'objectif de cette étude est de développer une approche de télédétection proximale pour estimer la densité de la neige dans une optique de suivi de la dynamique et l'évolution spatiale de ce paramètre. Pour relever ce défi, nous proposons dans cette thèse de : 1) développer une méthode innovante de classification du manteau neigeux saisonnier à partir des données hyperspectrales proche infrarouge afin de discriminer des classes de neige homogènes présentant différents degrés de métamorphose; 2) développer un modèle hybride d'estimation de la densité de la neige à partir des données proche infrarouge. Le principe de ce modèle est de classifier la densité de la neige avant son estimation au moyen d'un estimateur spécifique correspondant à chaque classe prédéterminée d’état métamorphique de la neige; 3) l'utilisation d'un modèle basé sur les méthodes d'ensemble pour améliorer la qualité et la robustesse de l'estimation de la densité, quel que soit l'état d'évolution ou de métamorphose de la neige tout en fournissant un niveau d'incertitude sur l'estimation. La réalisation de ces objectifs a nécessité des campagnes de terrain hebdomadaire dans un site situé à Québec, étalées sur trois hivers, dans le but de collecter des données in situ des propriétés physiques (densité, taille des grains et type des grains) et optiques (réflectance spectrale dans le proche l’infrarouge) du profil vertical du manteau neigeux. Cent quatorze échantillons de neige ont été collectés et ensuite utilisés à des fins de calibration et de validation des modèles développés. Nos travaux ont ainsi démontré dans un premier temps qu’il est possible de classifier la neige en trois classes de neige (faiblement métamorphosée, modérément métamorphosée, et fortement métamorphosée) à l’aide des données hyperspectrales proche infrarouge avec un taux de succès global de 83% et un indice kappa de 0.75. En ce qui concerne la performance globale du modèle d’estimation de la densité de neige en deux étapes (classification suivie d’une régression), il a été démontré que l'utilisation de l'imagerie hyperspectrale proche infrarouge proximale permet d’estimer la densité de la neige avec une bonne exactitude (R2 = 0,88 et RMSE = 46,79 kg m-3 ). De même, le modèle basé sur les méthodes d'ensemble quant à lui, a permis d’obtenir d’aussi bons résultats (R2 = 0,90 et RMSE = 44,45 kg m-3 ), avec plus de robustesse (écart-typeNASH = 0,18 et écart-typeRQM = 15,04 kg m-3 versus écart typeNASH = 0,02 et écart-typeRQM = 4,27 kg m-3 pour le modèle hybride et modèle basé sur les méthodes d'ensemble, respectivement) puisque le modèle intègre explicitement les erreurs inévitables de classification de la neige préalable à l’estimation de la densité de la neige. L'automatisation de cette approche à des fins opérationnelles permettra aux intervenants de surveiller la dynamique spatiale des accumulations de neige saisonnières à des coûts abordables et dans un temps plus court.


identifier: Boutet, Vincent  (2021). Quantification de la contamination dans le foie, les muscles et la graisse d’ours polaires de l’Arctique canadien.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 88 p.

subject:
ours polaires
espèces sentinelles
bioamplification
contaminants
métaux
pesticides
retardateurs de flamme
composés aromatiques polycycliques
biphényles polychlorés
Arctique
polar bears
sentinel species
bioamplification
contaminants
metals
pesticides
flame retardants
polycyclic aromatic compounds
polychlorinated biphenyls
Arctic

abstract:
Depuis l'ère industrielle, les produits chimiques sont omniprésents dans les écosystèmes du monde entier. Cependant, malgré l'arrêt du rejet de plusieurs polluants organiques persistants (POP) hautement toxiques dans l'environnement, certains polluants sont toujours mesurés dans l'Arctique canadien. Ces contaminants sont très préoccupants en raison de leur persistance, de leur toxicité et de leur niveaux de bioaccumulation dans les chaînes alimentaires. Les animaux vivant dans l'Arctique, en particulier les ours polaires qui occupent une position trophique supérieure, sont exposés à ces contaminants principalement par leur alimentation. Notre étude a examiné les niveaux de biphényles polychlorés (BPC), de composés aromatiques polycycliques (CAP), de chlordanes (CHL) et de métaux (y compris le mercure total et le méthylmercure) chez 49 ours polaires de l'Arctique canadien. La charge de contaminants a été mesurée dans le foie, les muscles et la graisse chez des ours polaires de sexe, d'âge et de localisation différents. L'analyse en composantes principales n'était pas assez puissante pour distinguer les différences entre les profils d'âge et de sexe différents. Cependant, les concentrations mesurées et leur répartition dans les tissus confirment les résultats observés dans les études antérieures. Cette étude met en évidence l'importance d'un suivi continu de la santé des ours polaires (par exemple, de nouveaux CAP ont été mesuré par cette étude) et d'une évaluation des impacts de ceux-ci pour les prochaines générations.

Since the industrial era, chemicals are ubiquitous in worldwide ecosystems. However, despite the discontinued release of highly toxic Persistent Organic Pollutants (POPs) in the environment, the levels of some persistent pollutants are still being measured in the Canadian Arctic. These contaminants are of great concern due to their persistence, toxicity, and levels of bioaccumulation in food chains. Animals living in the Arctic, in particular the polar bears, which occupy a top trophic position, are exposed to these contaminants mainly through their diet. Our study investigated the levels of (PCBs), polycyclic aromatic compounds (PACs), chlordanes (CHLs), and metals (including total and methyl mercury) in 49 polar bears from the Canadian Arctic. Contaminant burden was measured in liver, muscle and fat in bears of different sex, age and locations.A principal component analysis was not powerful enough to distinguish differences between profiles of different age and sex. However, the concentrations measured and their distribution in the tissues confirm findings observed in past studies. This study highlights the importance of a continual monitoring of polar bears health (e.g., newly PAC were measured within this study) and evaluation of the impacts of those for the next generations.


identifier: Taillard, Vincent  (2021). Traitement de matériaux contaminés : Développement de traitements sur site par des méthodes physico-chimiques et de réactions d’oxydation chimique.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 233 p.

format: application/pdf application/zip

subject:
construction
rénovation
démolition (CRD)
résidus
procédés de tri
gypse
persulfate de sodium
oxydation
peroxyde de calcium
diesel
Arctique
construction and demolition (C&D)
fines
sorting process
gypsum
sodium persulfate
oxidation
calcium peroxide
diesel
Arctic

abstract:
Le modèle économique des sociétés modernes a longtemps privilégié la croissance à tout prix et au détriment du respect de la qualité de l’environnement. Dans les années 80, le concept de développement durable a conduit à l’émergence de nombreuses technologies environnementales permettant le tri et le recyclage des matières résiduelles ou encore le traitement des sols contaminés. Dans certains contextes particuliers, il n’existe encore aucune technologie adaptée disponible et la seule option envisageable est celle de l’enfouissement, solution temporaire consistant à déplacer la problématique dans l’espace et le temps. C’est le cas notamment des fines particules produites par les centres de tri de déchets de Construction, Rénovation et Démolition (CRD). Une grande hétérogénéité et des concentrations élevées en gypse et en matière organique ne permettent pas aux technologies actuelles d’en séparer efficacement les différents matériaux valorisables. Par conséquent, des centaines de milliers de tonnes sont enfouies annuellement entrainant la genèse de gaz toxiques. Dans les régions froides éloignées de l’Arctique Canadien, l’augmentation démographique et le manque de ressource entrainent de nombreux déversements de diesel, principale source énergétique locale. Les contraintes logistiques et les limitations climatiques rendent les technologies disponibles inefficaces. Les sols sont donc excavés puis transportés par bateau sur des milliers de kms pour être enfouis dans des régions tempérées. Ceci au détriment de l’impact sur le pergélisol, et moyennant la production de volumes importants de gaz à effet de serre. L’objectif général de ce projet de thèse consiste à mettre au point deux modèles de traitement adaptés aux problématiques mentionnées dans le but de proposer des alternatives compétitives et écoresponsables au mode de gestion par enfouissement. Le développement d’un procédé basé sur l’utilisation de techniques de séparation physiques, sous forme de train technologique et utilisant de l’eau de procédé, a permis de séparer efficacement les matériaux présents dans les fines de CRD en vue de leur valorisation dans des filières existantes. En parallèle, la mise au point d’une technologie d’oxydation in situ (ISCO) utilisant une solution de persulfate de sodium activé au peroxyde de calcium et distribuée par percolation de surface, a permis de dégrader efficacement le diesel, tout en limitant l’élévation de température, dans le sol de radier situé sous les unités d’habitation surélevées des Villages Nordiques du Nunavik.

The economic model of modern societies has long only favored growth without considering the respect of the environment. Since the 1980s, the concept of sustainable development has led to the emergence of numerous environmental technologies that allow the sorting and recycling of residual materials and the treatment of contaminated soils. In some specific contexts, there is still no adapted technology available and the only available option is landfill, a temporary solution that consists of moving the problem in space and time. Such is the case for fine particles generated by the sorting facilities which manage Construction and Demolition (C&D) wastes. The significant heterogeneity and the high concentrations of gypsum and organic matter in these wastes do not allow current technologies to separate the different recyclable materials. As a result, hundreds of thousands of tons are landfilled annually, leading to the production of toxic gases. In the remote and cold regions of the Canadian Arctic, population growth and the lack of resources result in numerous spills of diesel fuel, the main local energy source. Logistical constraints and climatic limitations make available technologies ineffective. Soils are therefore excavated and transported by boat over thousands of kilometers to be landfilled in temperate regions. This is achieved without considering the impact on the residual permafrost, and produces large volumes of greenhouse gases. The general objective of this thesis project is to develop treatment models adapted to each of the above-mentioned problems, in order to propose competitive and environmentally responsible alternatives to the landfill management option. In the context of C&D wastes, the development of a process train based on the use of physical separation techniques, and using process water, effectively separated the different materials found in the C&D fines in order to reuse them in existing recovery channels. In parallel, the development of an in situ Chemical Oxidation technology (ISCO) using a solution of sodium persulfate activated with calcium peroxide and distributed by surface percolation, led to the effective degradation of diesel, while limiting temperature increase, in the raft foundation soil located under the stilted housing units located in northern villages.


identifier: Konatham, Saikrishna Reddy  (2021). Photonics-based real-time spectrogram analysis and processing of broadband waveforms  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 157 p.

subject: analyse spectrale en temps réel

subject: echantillonnage

subject: dispersion

subject: traitement du signal analogique

subject: short-time Fourier transform (STFT)

subject: real-time spectral analysis

subject: sampling

subject: analog signal processing

abstract:
La transformée de Fourier décompose un signal temporel en ses composantes spectrales de fréquence. En tant que telle, c’est une idée simple et pourtant élégante, et la pierre angulaire de l’analyse des signaux. Les spectres de fréquence de Fourier fournissent des informations indispensables à la caractérisation des signaux rencontrés dans une grande variété de domaines. Le calcul de la trans formée de Fourier numérique est tellement omniprésent que son algorithme de calcul numérique, la transformée de Fourier rapide (TFR), est souvent considéré comme l’algorithme numérique le plus important pour la résolution de nombreux problèmes scientifiques et techniques. L’acquisition en temps réel du contenu spectral dynamique du monde physique est une exigence encore plus fonda mentale et difficile. La transformée de Fourier à court terme (TFCT), en tant qu’outil d’analyse du signal, est le cheval de bataille de la représentation spectrale dynamique de Fourier. La représenta tion spectrale dynamique en temps réel ou l’analyse spectrale en temps réel (AS-TR) est un outil indispensable pour capturer les phénomènes transitoires rapides ou les événements fréquentiels rares ou de courte durée. Dans un tel scénario, les techniques d’analyse spectrale en temps réel doivent être capables de fonctionner de manière continue et sans interruption, sur toute la largeur de bande d’observation, afin de pouvoir capturer les spectres changeant dynamiquement. Les formes d’onde de largeur GHz avec un contenu spectral dynamique se retrouvent dans tout le spectre électromagnétique, allant des micro-ondes au domaine optique, en passant par les ondes millimétriques et THz. Le AS-TR de ces formes d’onde à large bande et à grande vitesse, d’une durée de l’ordre de la nanoseconde ou de la sub-nanoseconde, sans interruption, est fondamental pour de nombreuses applications importantes, notamment les communications à large bande, les radars, la caractérisation ultra-rapide, la détection, la spectroscopie et la recherche en radioastronomie. Le AS-TR avec ces spécifications est un défi et dépasse les performances des instruments AS-TR basés sur la TFR numérique. Dans cette Thèse, j’ai développé une architecture universelle de traitement du signal analogique qui est particulièrement adaptée à la AS-TR de formes d’onde temporelles à large bande et à grande vitesse, sans interruption. Le TFCT ou spectrogramme mappé dans le temps (SP-MT) proposé saisit le TFCT des signaux large bande entrants (par exemple, micro-ondes à optique) directement dans le domaine d’onde analogique temporel natif, fournissant un accès en temps réel au contenu spectral dynamique du signal large bande d’entrée, évitant complètement le besoin de convertisseurs analogique-numérique et d’algorithmes TFR intensifs en calcul. Le SP-MT comprend deux unités de traitement du signal de base, à savoir l’échantillonnage temporel et les unités de retard dispersif. Une mise en œuvre photonique du concept SP-MT a permis d’obtenir des performances AS-TR sans précédent pour des signaux micro-ondes d’une largeur de bande de GHz, répondant ainsi aux exigences critiques des applications mentionnées ci-dessus. L’architecture SP-MT proposée est universelle et peut être mise en œuvre dans d’autres domaines d’ondes. Plus important encore, l’approche SP-MT ouvre la voie à la mise en œuvre efficace en temps réel dans le domaine des ondes analogiques de fonctionnalités de traitement du signal telles que l’analyse/synthèse temps fréquence, le filtrage à fréquence variable dans le temps, la convolution/corrélation, le filtrage adapté, les banques de filtres, etc.

Fourier transform decomposes a temporal signal into its constituent frequency spectral components. As such it is a simple and yet elegant idea, and the cornerstone in signal analysis. The Fourier frequency spectra provide indispensable information in characterizing signals encountered in a wide variety of areas. The digital Fourier transform computation is so ubiquitous that, it’s numerical computation algorithm, the fast Fourier transform (FFT) is often referred to as the most important numerical algorithm in solving many scientific and engineering problems. Real-time acquisition of dynamic spectral content from the physical world is even more fundamental and challenging requirement. The short-time Fourier transform (STFT), as a signal analysis tool, is the workhorse of dynamic Fourier spectral representation. Real-time dynamic spectral representation or the real time spectral analysis (RT-SA) is an indispensable tool for capturing rapid transient phenomenon, or rare/short-lived frequency events. In such a scenario, the RT-SA techniques must be able to operate in a real-time continuous and gap-free fashion, over the entire bandwidth of observation, to be able capture the dynamically changing spectra. GHz-bandwidth waveforms with dynamic spectral content are found across the electromag netic spectrum, ranging from microwave to optical domain, including millimeter and THz waves. The continuous gap-free RT-SA of these high-speed broadband waveforms, with durations in the nanosecond/sub-nanosecond range, is fundamental to many important applications, including broad band communications, radar, ultra-fast characterization, sensing, spectroscopy, radio astronomy research. The RT-SA with these specifications is challenging, and beyond the performance of the state-of-the-art digital FFT based RT-SA instrumentation. In this Thesis, I have developed a universal analog signal processing architecture that is partic ularly suitable for continuous gap-free RT-SA of high-speed broadband temporal waveforms. The proposed time-mapped STFT or time-mapped spectrogram (TM-SP), captures the STFT of the incoming broadband signals (e.g., microwave to optical) directly in native temporal analog wave domain, providing real-time access to the dynamic spectral content of the input broadband sig nal, completely avoiding the need for analog-to-digital converters and computationally intensive FFT algorithms. The TM-SP involves two basic signal processing units, namely temporal sam pling and dispersive delay units. A photonic implementation of the TM-SP concept has enabled unprecedented RT-SA performance for GHz-bandwidth microwave signals, fulfilling critical require ments in the above mentioned applications. The proposed TM-SP architecture is universal, and can be implemented in other wave domains. Most importantly, the TM-SP approach paves the way for efficient real-time analog wave domain implementation of signal processing functionalities such as time-frequency analysis/synthesis, time-varying frequency filtering, convolution/correlation, matched filtering, filter-banks, etc.


identifier: Nahar, Sharifun  (2021). Nanoscale phenomena influencing phage-displayed enzymes and emerging technologies to analyze activity towards complex substrates.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 174 p.

subject:
affichage de phages
Enzyme
lipase A de Bacillus subtilis (BSLA)
micelles de substrat
cascade d'enzymes
réticulation
microenvironnement
glucose oxydase
peroxydase de raifort
lipase B de Candida antarctica (CALB)
émission térahertz
lait
phage display
enzyme
Bacillus subtilis lipase A (BSLA)
substrate micelles
enzyme cascade
crosslinking
microenvironment
glucose oxidase
horseradish peroxidase
Candida antarctica lipase B (CALB)
terahertz emission
milk

abstract:
Dans certains cas, l'utilisation d'enzymes est confrontée à des défis tels que l'instabilité dans des conditions extrêmes, la purification des produits intermédiaires de chaque étape d'une réaction à plusieurs étapes, ou même la recherche de la technologie appropriée pour suivre la réaction de manière prédominante lorsque l'échantillon ou la matière première sont complexes. Pour répondre à ce besoin, en plus de l'ingénierie des enzymes, l’immobilisation sur un support solide est devenue un standard, bien que les tendances récentes soient plus axées sur l'ingénierie du microenvironnement. Dans cette thèse, nous avons exploré l'effet modélisé du phage sur l'activité enzymatique. Nous avons évalué l'effet des paramètres de la solution sur l'activité catalytique de la lipase A de Bacillus subtilis (BSLA) affichée par le phage. Alors que les profils d'activité en fonction du pH et de température de la BSLA n'étaient pas affectés par l'affichage du phage, la distribution à l'échelle nanométrique de la BSLA dans le tampon d'essai micellaire l'était. Cela a causé une augmentation prononcée de l'activité du phage-BSLA par rapport à l'enzyme libre, en raison de l'accumulation du phage-BSLA dans les micelles riches en substrat. Compte tenu de ce résultat, il convient de faire attention lors de la sélection d'autres enzymes/protéines par affichage phagique, car l'activité de la protéine affichée peut différer de celle de la protéine libre. Ensuite, la glucose oxydase et la peroxydase de raifort ont été immobilisées sur la protéine d'enveloppe majeure P8 du phage-BSLA, ces trois enzymes effectuant ensemble une réaction en cascade. Puis, les phages ont été réticulés par des interactions biotine-streptavidine, ce qui semble créer un microenvironnement différent autour des enzymes. Nos résultats indiquent que la cascade de trois enzymes, BSLA→GOx→HRP, peut en effet être améliorée par rapport aux enzymes libres en solution par la fixation d'un modèle sur un phage. En fin de compte, cette étude de preuve de concept suggère que les systèmes de cascade d'enzymes modélisés par des phages peuvent être des plateformes prometteuses pour la fabrication écologique, bien que la prédiction de l'effet du microenvironnement sur toutes les enzymes reste un défi. Enfin, nous avons étudié la technologie d'émission terahertz (THz) pour le suivi sans étiquette des changements chimiques. Les réactions enzymatiques sont généralement surveillées à l'aide de substrats de substitution qui produisent des signaux optiques quantifiables. Dans cette étude, la technologie d'émission THz est utilisée comme une technique non invasive et sans marqueur pour surveiller la cinétique de l'hydrolyse induite par la lipase de plusieurs molécules de substrat (y compris le substrat complexe qu'est le lait de vache entier) et l'oxydation catalysée par la peroxydase de raifort de l'o-phénylènediamine en présence de peroxyde d'hydrogène. Cette technique s'est avérée quantitative, et les paramètres cinétiques sont comparés à ceux obtenus par spectroscopie RMN des protons ou par spectroscopie UV/Vis. Cette étude ouvre la voie à l'étude de la technologie d'émission THz en tant qu'outil de recherche et de développement impliquant des enzymes.

The use of enzymes, in some cases, face challenges due to less stability towards extreme condition, purification of intermediate products from each step of a multistep reaction or even finding the appropriate technology to follow the reaction predominantly when the sample is complex or raw material. To overcome this need, in addition of doing enzyme engineering, enzyme immobilization on solid support has become standard though the recent trends are more focused towards enzyme’s microenvironment engineering. In the second chapter of this thesis, we explored the templated effect of phage on enzyme activity. We evaluated the effect of solution parameters on the catalytic activity of phage displayed Bacillus subtilis Lipase A (BSLA). While the pH and temperature-activity profiles of BSLA were not intrinsically affected by phage display, the nanoscale distribution of BSLA within the micellar assay buffer was. This causes a pronounced increase of activity of phage–BSLA relative to the free enzyme, due to the accumulation of phage–BSLA at the substrate-rich micelles. Considering this result, attention should be taken and similar effects should be considered when selecting other enzymes/proteins by phage display, as the activity of the displayed protein may differ from that of the free protein. Then, we explored the potential of nanoscale distribution of multi-enzyme templated phage. We immobilized glucose oxidase and horseradish peroxidase onto the p8 major coat protein on the M13 phage that already displayed BSLA on its p3 coat protein. These three enzymes together perform a cascade reaction. We explored whether this model three-enzyme cascade system, yields an advantageous acceleration of the overall reaction relative to the free enzymes in solution. Phages were crosslinked by biotin–streptavidin interactions, which appeared to create a more favorable microenvironment. Our result indicated that the three-enzyme cascade, BSLA GOx HRP, can indeed be enhanced compared to the free enzymes in solution by templating on a phage. Ultimately, this proof-of-concept study suggests that phage-templated enzyme cascade systems may be promising platforms for green manufacturing, though predicting the effect of microenvironmental effects on all the enzymes remains a challenge. Later, we investigated terahertz (THz) emission technology for label-free monitoring of chemical changes. Enzymatic reactions are typically monitored using surrogate substrates that produce quantifiable optical signals. In this study, THz emission technology is used as a non-invasive and label-free technique to monitor the kinetics of lipase-induced hydrolysis of several substrate molecules (including the complex substrate whole cow’s milk) and horseradish peroxidase catalyzed oxidation of o-phenylenediamine in the presence of hydrogen peroxide. This technique was found to be quantitative, and kinetic parameters are compared to those obtained by proton NMR spectroscopy or UV/Vis spectroscopy. This study sets the stage for investigating THz emission technology as a tool for research and development involving enzymes, and for monitoring industrial processes in the food, cosmetic, detergent, pharmaceutical, and biodiesel sectors.


identifier: Salvadori, Martina  (2021). Advanced time-of-flight diagnostics for real-time characterization of ions accelerated by high energy lasers.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique / Universita di Roma, Sapienza,, 176 p.

subject: énergy matériaux

abstract:
Les méthodes de temps de vol (TOF) sont très efficaces pour détecter les ions accélérés dans les interactions laser-plasma, mais elles présentent des limites importantes lorsqu’elles sont utilisées dans des expériences avec des lasers à haute énergie et à haute intensité, où sont générés à la fois des ions à haute énergie et des niveaux remarquables d’impulsions électromagnétiques (EMP) dans la gamme radiofréquence-micro-ondes. Dans cette thèse de doctorat en cotutelle, réalisée à l’Université La Sapienza de Rome, à l’institut national de la recherche scientifique (INRS) de Montréal et à l’ENEA Centro Ricerche Frascati, une technique de diagnostic avancée pour la caractérisation des protons accélérés par des interactions laser-matière intenses avec des lasers de haute énergie et de haute intensité a été mise en œuvre. La méthode proposée exploite et améliore les avantages donnés par la technique TOF couplée à des détecteurs diamantés à dépôt chimique en phase vapeur et se caractérise par une grande sensibilité, une résolution énergétique élevée et une grande dureté de rayonnement. Grâce à l’optimisation du système d’acquisition et à la mise en place minutieuse de la ligne TOF, des rapports signal/bruit élevés ont été obtenus dans des environnements fortement affectés par des champs EMP remarquables. Dans la première partie du travail, un bref aperçu de l’interaction laser-matière est donné, avec un accent particulier sur les processus conduisant à l’accélération des particules. Ensuite, les principales techniques de diagnostic disponibles pour la caractérisation des sources secondaires produites par l’interaction laser-matière sont présentées. Ici, la technique TOF est introduite et analysée lorsqu’elle est couplée à différents types de détecteurs, y compris les diamants. Le choix de ces derniers est justifié par leurs propriétés physiques. Différents types de structures de diamant et d’agencements d’électrodes ont été testés et leurs performances ont été caractérisées en vue d’une application en tant que détecteurs à utiliser dans les lignes TOF. La deuxième partie du travail est consacrée à une description détaillée de la technique avancée proposée et à des exemples de son efficacité pour réduire le bruit EMP et améliorer la gamme dynamique, lorsqu’elle est utilisée dans des scénarios expérimentaux réels. Une nouvelle procédure permettant de récupérer un spectre de protons calibré à partir des mesures effectuées est également proposée et discutée ici. Enfin, la technique développée est appliquée pour détecter les particules accélérées par laser-plasma produites dans différents scénarios d’application et dans les conditions d’interaction laser-matière les plus variables, et le concept d’un nouveau détecteur multicouche est également décrit.

Time-Of-Flight (TOF) methods are very effective to detect ions accelerated in laser plasma interactions, but they show significant limitations when used in experiments with high energy and intensity lasers, where both high-energy ions and remarkable levels of ElectroMagnetic Pulses (EMPs) in the radiofrequency-microwave range are generated. In this joined-doctoral thesis, performed at the La Sapienza University in Rome, at the institut national de la recherche scientifique (INRS) in Montréal and at ENEA Centro Ricerche Frascati, an advanced diagnostic technique for the characterization of protons accelerated by intense laser-matter interactions with high-energy and high-intensity lasers has been implemented. The proposed method exploits and improves the advantages given by TOF technique coupled to Chemical Vapor Deposition diamond detectors and features high sensitivity, high energy resolution and high radiation hardness. Thanks to the optimization of the acquisition system and to the careful setup of the TOF line, high signal-to-noise ratios in environments heavily affected by remarkable EMP fields have been achieved. In the first part of the work a brief overview of laser-matter interaction is given, with particular emphasis to processes leading to particle acceleration. Then, the main diagnostic techniques available for the characterization of secondary sources produced by laser-matter interaction are presented. Here the TOF technique is introduced and analyzed when coupled with different kinds of detectors, including diamonds. The choice of the latter is justified by their physical properties. Various types of diamond structures and electrode layouts have been tested and their performances characterized for application as detectors to be employed in TOF lines. The second part of the work is dedicated to a detailed description of the proposed advanced technique and to examples of its effectiveness in reducing the EMP noise and in enhancing the dynamic range, when employed in real experimental scenarios. A novel procedure to retrieve a calibrated proton spectrum from the performed measurements is here also proposed and discussed. Eventually, the developed technique is applied for detecting laser-plasma accelerated particles produced in different application scenarios and in the most variable laser-matter interaction conditions and the concept of a new multi-layer detector is also described.