identifier: Jabir, Ahlame Dalila  (2018). Étude d’un procédé hydrométallurgique de récupération du manganèse et du zinc présents dans les déchets de piles alcalines.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 118 p.

subject:
recyclage
valorisation
piles alcalines
séparation physique
hydrométallurgie
lixiviation
précipitation sélective
zinc
manganèse
recycling
valorization
alkaline batteries
physical separation
hydrometallurgy
leaching
selective precipitation
zinc
manganese

abstract:
Depuis plusieurs années, les ventes de piles grand public ne cessent d’augmenter sur le marché mondial. Les piles, qu’elles soient rechargeables ou non, ont une durée de vie limitée. Par conséquent, au cours de ces dernières années, les quantités de déchets de piles rejoignant le flux de matières résiduelles acheminées vers les lieux d’élimination et/ou vers l’incinérateur deviennent de plus en plus importantes.
Différentes filières de traitement/valorisation des déchets de piles ont été développées au cours de ces dernières années en fonction de la catégorie de piles usagées considérée. Pour les piles alcalines, qui représentent plus de 80% des piles commercialisées à travers le monde, une nouvelle technologie simple, efficace, rentable et respectueuse de l’environnement a été développée au sein de l’INRS-ETE en vue de son application au secteur industriel. Ce projet de recherche vise le développement et l’optimisation, à l’échelle pilote, d’un procédé de recyclage et de valorisation des métaux d’intérêt, tels que le zinc (Zn) et le manganèse (Mn), présents dans les déchets de piles alcalines. Une filière technologique de traitement a donc été mise au point afin de récupérer les métaux présents dans les déchets de piles alcalines.
Avant tout, les piles doivent être collectées et triées afin d’être prêtes pour le déchiquetage et le concassage mécanique. Ensuite, les poudres de piles alcalines ont été extraites par un traitement physique et les métaux contenus dans ces poudres ont été lixiviés à l’aide d’une solution de H₂SO₄ et de Na₂S₂O₅. Chaque étape du procédé de solubilisation des métaux et de récupération sélective du Zn et du Mn a été optimisée par l’étude de l’ensemble des paramètres agissant sur les performances de récupération de ces métaux d’intérêt.
Dans un premier temps, les métaux (Zn et Mn) ont été solubilisés de manière sélective, le Zn étant solubilisé en présence d’ H₂SO₄  et le Mn en présence d’ H₂SO₄  et de Na₂S₂O₅. Les meilleures conditions opératoires pour la lixiviation du Zn sont : un ratio S/L de 40% (p/v), [H₂SO₄] = 2 M, T = 20°C et temps de lixiviation = 45 min. Pour le Mn, les meilleures conditions opératoires sont : un ratio S/L de 15%, 0.45 g Na₂S₂O₅/g poudre de piles alcalines, [H₂SO₄] = 2 M, t = 45 min et T = 20°C. Avec ces conditions, 82% du Zn et 21% du Mn ont été extraits durant la première étape de lixiviation ensuite 90% du Mn et 87% du Zn restants dans le résidu ont été extraits en deuxième lixiviation.
Par la suite, les recherches ont été concentrées sur la récupération du Mn présent dans l’effluent issu de la seconde étape de lixiviation.
Le Zn résiduel présent dans le lixiviat issu de la seconde étape de lixiviation a été récupéré par précipitation sous forme de ZnS afin de purifier l’effluent avant la récupération du Mn. Ces boues de précipitation pourront être réintroduites dans le procédé de lixiviation pour récupérer le Zn et le Mn ayant co-précipité afin de réduire la quantité de déchets à gérer et de maximiser la valeur commerciale du Zn et du Mn présents dans les déchets de piles alcalines. Le Mn présent en solution a été récupéré par précipitation sous forme de carbonates purs à 95%.
Dans son aspect final, le procédé développé et optimisé au cours de ce projet est considéré comme une solution économiquement viable et écologiquement durable permettant de résoudre la problématique actuelle de gestion des déchets de piles.

 Large public sales of batteries are increasing on the international market. Rechargeable and non-rechargeable batteries have a limited life span. Consequently, the amounts of spent batteries reaching the flow of domestic wastes through the landfill sites or incinerator are becoming more and more important during the last few years.
Different recycling processes have been developed over the last few years to recover valuable metals depending on the type of spent batteries. For alkaline batteries, which represent more than 80% of batteries on the market throughout the world, a new simple, efficient, profitable, and environmentally friendly technology has been developed at the INRS-ETE. This research project aims at developing and optimising a recycling process and recovering metals such as zinc (Zn) and manganese (Mn) mainly found in alkaline spent batteries.
First of all, spent batteries have to be collected and sorted out, so that they can be torn to pieces and crushed mechanically. Then, the powder has been extracted using a physical process and metals were solubilized using H₂SO₄  and Na₂S₂O₅. Each step of this process including the solubilisation of metals and the selective recovery of Zn and Mn has been optimised by studying all the factors which have an effect on the recovery of these metals of interest.
First, the metals (Zn and Mn) have been solubilized in a selective way. Zinc has been solubilized with H₂SO₄, and Mn with a combination of H₂SO₄ and Na₂S₂O₅.The optimal parameters for Zn leaching are: S/L ratio of 40% (w/v), [H₂SO₄] = 2 M, T = 20°C and leaching time = 45 min. For Mn, the optimal parameters are: S/L ratio of 15%, 0.45 g Na₂S₂O₅/g alkaline battery powder, [H₂SO₄] = 2 M, t = 45 min and T = 20°C. In these conditions, 82% of the Zn and 21% of the Mn were removed during the first leaching step, after which 90% of the Mn and 87% of Zn the remaining in the residue were removed during the second leaching.
Then, we focused our attention on the selective recovery of Mn from the effluent emerging from the second leaching step. The residual Zn found in the leaching solution emerging from the second leaching step was recovered by precipitation in the form of ZnS. The sludge, which contained both ZnS and MnS, can be reintroduced in the leaching process to recover Zn and Mn which have co-precipitated, to reduce the amounts of wastes to be managed and to maximize the commercial value of Zn and Mn found in the alkaline spent batteries. The residual present in the supernatant was then recovered by precipitation in the form of 95% pure carbonate.
In its final aspect, the developed and optimized process is as an efficient and environmentally friendly process, which makes it easy to resolve the current issue of managing spent batteries.


identifier: Foulon, Étienne  (2018). Prédiction de l’état futur de l’approvisionnement en eau potable de surface: Mise au point d’une méthode d’évaluation des débits d’étiage à partir de données climatiques.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 251 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
bassin versa
équifinalit
étiage
étiage 7-jours
étiage 30-jours
incertitude
indicateurs
modèle climatique
modèle hydrologique
watershed
equifinality
low flows
7-day low flow
30-day low flow
uncertainty
indices
climate model
hydrological model

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF. Arithmétiquement parlant, les réserves mondiales d’eau douce devraient suffire à pourvoir aux besoins des 7,6 milliards d’êtres humains sur Terre. Cependant, à cause de la répartition inégale des ressources et des populations, de l’augmentation de la pression démographique, mais aussi d’une gestion parfois discutable, l’UNESCO estime que dès 2025 deux tiers de la population souffrira de stress hydrique modéré. Dans un contexte de climat en évolution, il est tout à fait vraisemblable d’anticiper une amplitude accrue de ce stress, car des modélisations hydroclimatiques indiquent une baisse très probable des débits d’étiage. La question de la pérennité de l’approvisionnement en eau potable devient donc primordiale. La méthode conventionnelle utilisée pour répondre à cette question repose essentiellement sur la modélisation hydroclimatique, c’est-à-dire l’utilisation de données de modèles climatiques comme entrées de modèles hydrologiques. Cette approche classique reste difficile à mettre en place, car elle nécessite une expertise particulière qui la rend inaccessible pour beaucoup de producteurs/gestionnaires de l’eau. De plus, la chaîne de modélisation en cascade est sujette aux incertitudes combinées des modèles du climat, des modèles hydrologiques (calage et structure) et des méthodes de post-traitement des données. Afin de diminuer la longueur de cette chaîne, cette thèse propose de mettre en place une méthode d’évaluation de la sensibilité future des systèmes d’approvisionnement en eau de surface à partir de données climatiques uniquement.
En premier lieu, il s’agit d’établir des relations directes entre des indicateurs météorologiques (IM, dérivés des données de précipitation et de température) et des indicateurs hydrologiques d’étiage (IH, 7jQmin, 30jQmin – hivernaux et estivaux soit les minima des débits saisonniers moyens sur 7 et 30 jours) qui soient valables tant en climat actuel que futur. Par la suite, la méthode proposée vient quantifier l’incertitude régissant la méthode conventionnelle, qui n’a intentionnellement pas considéré l’incertitude due à l’existence du phénomène d’équifinalité en modélisation hydrologique jusqu’alors. Enfin, l’approche mise en place permet d’évaluer la sensibilité future de l’approvisionnement en eau à partir des données climatiques uniquement tout en démontrant ses atouts par rapport à la méthode conventionnelle. La méthode proposée est mise en place dans le contexte de l’évaluation de la sensibilité future de l’approvisionnement en eau de la Ville de Québec.
Les résultats obtenus démontrent la viabilité de cette méthode alternative par rapport à la méthode conventionnelle appliquée avec le modèle hydrologique semi-distribué HYDROTEL. À partir de 22 IM et 42 simulations climatiques basés sur le scénario SRES-A2 (Special Report on Emissions Scenarios) d’émissions de gaz à effet de serre (GES), les résultats démontrent que les relations statistiques liant IM et IH sont valables tant en climat actuel qu’en climat futur pour les bassins versants de la Bécancour et de la Yamaska. Le cumul de la demande climatique (P-ETP) sur cinq (5) mois et l’indice de sécheresse Effective Drought Index (EDI) appliqué à ces mêmes données sur huit (8) mois expliquent respectivement 55/53% et 59/55% de la variabilité médiane des 7jQmin et 30jQmin estivaux pour les climats passés (1971-2000)/ futurs (2041-2070). Ces résultats montrent également que les tendances détectées dans les IH sont reproduites dans les IM pour 70% des simulations climatiques au moins, démontrant la possibilité de court-circuiter la modélisation hydrologique dans l’étude de tendances futures.
L’impact de l’équifinalité en modélisation hydrologique est mesuré pour HYDROTEL pour dix (10) bassins versants du Québec méridional. Les résultats illustrent la nécessité de la prise en compte de ce phénomène dans la réalisation d’études d’impacts, puisque l’incertitude qui y est reliée est comparable, ou plus importante, que celle due au choix de la fonction objectif pour les processus hydrologiques modélisés (épaisseur du manteau neigeux, évapotranspiration réelle et contenu en eau du sol superficiel).
Pour l’approvisionnement de la Ville de Québec, les résultats montrent la viabilité des deux méthodes (i.e., à partir de la modélisation hydrologique et d’IM) à évaluer les Q2-7 et Q10-7 (minima des débits saisonniers moyens sur 7 jours de période de retour 2 et 10 ans) dans l’établissement de la pression future sur la ressource en eau potable à partir de simulations de changements climatiques construits sur deux scénarios RCP (Representative Concentration Pathways) et 16 modèles du climat. L’avantage de la méthode alternative est qu’en court-circuitant la modélisation hydrologique, elle permet une évaluation rapide de la sensibilité d’un système d’approvisionnement municipal de surface tout en limitant les sources d’incertitude de la chaîne de modélisation. Son approche « simplifiée » permettra certainement de répondre au besoin du monde municipal de tenir compte des changements climatiques dans l’analyse de vulnérabilité de leurs sources en eau de surface, assurant ainsi une gestion plus durable, tout en contribuant à l’avancement des connaissances sur les phénomènes de génération de l’étiage. La méthode proposée dans cette thèse a été construite pour être adaptable aux évolutions des modélisations et des données. Elle a été appliquée aux scénarios SRES comme RCP, mais pourrait par la suite inclure l’incertitude sur la structure des modèles hydrologiques en considérant l’utilisation d’un modèle autre qu’HYDROTEL. Enfin, dans cette thèse, l’application était limitée aux étiages, mais pourrait tout à fait être adaptée à l’évaluation des crues et de leurs tendances hydrologiques par exemple.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. Worldwide freshwater resources should be enough for 7.6 billion people. However, uneven distributions of populations and resources, increasing demographic pressure, and sometimes questionable management strategies have led the UNESCO to estimate that by 2025 two third of the population will suffer from moderate water stress. Given changing climate conditions and current hydroclimatic modeling results pointing towards highly probable decreases in low flows, this water stress will in all likelihood heighten. In this context, it becomes paramount to ascertain the sustainability of drinking water supplies using the conventionnal hydroclimatic modeling framework. This approach combines the use of a hydrological model with bias-corrected outputs of climate simulations, but the framework remains challenging and cannot be readily applied by most water organization given the required expertise and underlying uncertainties. The latter uncertainties are associated with: (i) the existence of many local optima (equifinality) arising during the calibration of a hydrological model, (ii) the numerous climate simulations, (iii) bias correction methods, (iv) the structure of hydrological model, and (v) the challenges associated with modeling low flows. Considering these challenges and anticipated water shortages likely to occur worldwide, there is a need to develop robust tools that do not require hydrological modeling and could be readily used by any water utility organization. To limit the length of the modeling chain, this thesis proposes a statistical framework to assess the future sensitivity of surface water supplies to low flows solely from climate data.
The proposed methodological framework requires identification of past statistical relationships between climate data indices (CDIs, computed from precipitation and temperature data) and hydrological data indices (HDIs, winter and summer 7dQmin and 30dQmin – minimum average seasonal flows over 7 and 30 days) and validation of these relationships under future climate conditions. In this thesis, the uncertainties associated with the conventionnal hydroclimatological modeling framework are then assessed, including those arising from equifinality which has yet to be considered. The proposed framework and statistical relationships are then used to assess future sensitivity of surface water supplies to low flows using climate data, while comparing the results with the aforementioned conventionnal modeling approach. The whole framework is applied to the surface water supply of Québec City.
Results demonstrated the viability of the proposed statistical framework compared to the conventionnal hydroclimatological modeling approach using the semi-distributed hydrological model HYDROTEL. Using 22 CDIs and 42 climate simulations under the greenhouse gas emissions scenario SRES-A2 (Special Report on Emissions Scenarios), results showed that the statistical relationships between CDIs and HDIs were valid under past and future climate conditions for the Bécancour and Yamaska watersheds. For a so-called hydrological summer, the 7dQmin and 30dQmin were paired with the cumulative difference between rainfall and PET over the past five months and the Effective Drought Index (EDI) computed from the latter difference over eight months, respectively. These CDIs explained 55/53% and 59/55% of the median 7dQmin and 30dQmin variabilities over past (1971-2000)/ future (2041-2070) climate conditions, respectively. Furthermore, observed trends in HDIs were attributed to trends in the aforementioned CDIs for at least 70% of the climate scenarios, demonstrating the ability of the proposed framework to indicate whether or not a HDI will increase or decrease without requiring the use of a hydrological model.
The impact of equifinality arising in the calibration of hydrological models, namely HYDROTEL in this study, was assessed for ten southern Québec watersheds of the St. Lawrence River. Although model performance are primarily governed by the objective function used for model calibration, seasonal results suggested parameter uncertainty could be greater than objective function uncertainty for specific seasons or years for three hydrological variables; that is snow water equivalent, actual evapotranspiration, and shallow ground water variations. Thus, parameter uncertainty should be accounted for, particularly in impact assessment studies where the variables of interest are not daily flows, but rather hydrological indices or variables.
For the drinking water supply of Québec City, results demonstrated the viability of both frameworks (i.e. from hydrological modeling and CDIs) for assessing summer Q2-7 and Q10-7 (annual minimum of 7-day low flow with return periods of two and ten years) and ensuing pressure on drinking water resources using climate simulations built for two RCP scenarios (Representative Concentration Pathways) and 16 climate models. The main advantage of the statistical framework resides in the by-passing of the hydrological modeling step. Indeed, this allows for a quick assessment of the sensitivity of a drinking water supply system while limiting the sources of uncertainty associated with hydroclimatological modeling. Furthermore, application of the “simplified” framework would contribute to the early implementation of sustainable management practices and to the advancement of knowledge about low flow generating processes. This could certainly be useful to small municipalities which do not have the capacity to conduct the conventionnal hydroclimatological modeling approach. The proposed statistical framework can be adapted easily. Indeed, it was designed with the intent of accounting for recent advances in climate research as it was corroborated using both SRES and RCP emissions scenarios. Future work will include the use of hydrological models other than HYDROTEL in order to account for their structural uncertainty. Last, in this thesis, applications were limited to low flows, but the statistical framework could potentially be adapted for assessing future trends in high flows.


identifier: Sterckx, Sarane  (2018). Géochimie des roches volcaniques archéennes du Groupe de Blake River, ceinture de roches vertes de l’Abitibi, Québec.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 227 p.

subject:
Abitibi
Groupe de Blake River
formation de Noranda
Archéen
sulfures massifs volcanogènes
géochimie
stratigraphie
analyse statistique
analyse de données compositionnelles
Blake River Group
Noranda formation
Archean
volcanogenic massive sulfide
geochemistry
stratigraphy
statistical analysis
compositional data analysis

abstract:
La ceinture de roches vertes de l’Abitibi est un des meilleurs endroits au monde pour l’exploration des sulfures massifs volcanogènes (SMV). Le Groupe de Blake River (GBR) dans le secteur de Rouyn-Noranda abrite deux importants camps miniers : le camp de Noranda et le camp de Doyon-Bousquet-LaRonde, représentant pratiquement la moitié du tonnage total pour les SMV de l’Abitibi (374 Mt sur 810 Mt).
La mise en place des SMV est partiellement contrôlée par la stratigraphie et, pour le GBR, seuls quelques niveaux marqueurs sont connus. Dès lors, une connaissance approfondie de la stratigraphie volcanique faciliterait l’exploration. Récemment, des milliers de nouvelles analyses géochimiques du GBR sont devenues disponibles, dont des analyses d’éléments en trace permettant de renseigner sur la persistance régionale et temporelle de certaines signatures géochimiques et de leurs caractéristiques. De plus, de récentes campagnes de datation U-Pb ont été menées, fournissant un cadre temporel pour les évènements volcaniques liés à la mise en place de la minéralisation. Cependant, l’ensemble de ces analyses géochimiques n’a pas encore été utilisé à son plein potentiel.
Ce projet de recherche est basé sur la compilation et la classification de plus de 2500 analyses géochimiques complètes (éléments majeurs et en traces) dans le but de mieux contraindre la stratigraphie et comprendre les liens entre la géochimie, la stratigraphie, les datations et les minéralisations dans le GBR.
Une telle base de données nécessite l’utilisation d’analyses statistiques multivariées pour classer les échantillons en groupes cohérents et selon des critères spécifiques. L’examen des diagrammes multi-élémentaires étendus et différents tests ont mené à sélectionner les rapports Zr/Ti, Th/Nb et La/Yb comme variables pour les classifications ascendantes hiérarchiques et pour les analyses en composantes principales. Ces éléments chimiques sont, pour la plupart, reconnus immobiles durant l’altération hydrothermale et le métamorphisme et enregistrent la variance compositionnelle maximale de l’ensemble de la base de données.
La formation de Noranda, où la stratigraphie est fortement contrainte grâce aux nombreux travaux antérieurs, a d’abord fait l’objet d’une étude détaillée. Cinq groupes mafiques à intermédiaires et trois groupes felsiques y ont été identifiés. La même méthodologie a été appliquée à l’ensemble du GBR, où quatre groupes mafiques à intermédiaires et quatre groupes felsiques ont été définis.
La distribution spatio-temporelle des groupes géochimiques à travers la formation de Noranda et le GBR ainsi que l’existence ou non de liens avec la minéralisation est discutée dans ce travail. Il apparait que la composition géochimique des membres de la formation de Noranda est complexe et souvent représentée par plus d’un groupe géochimique. Certaines tendances générales peuvent malgré tout être mises en évidence : (i) la formation de Noranda se compose en majorité de roches felsiques (dacites, rhyodacites et rhyolites), essentiellement dans le Bloc de Powell alors que le Bloc de Flavrian est principalement de composition mafique (andésites basaltiques); (ii) l’affinité magmatique transitionnelle est dominante; (iii) cinq périodes d’alternance de l’affinité magmatique avec l’évolution stratigraphique sont mises en évidence. Dans son ensemble le BGR est de composition bimodale mafique et d’affinité transitionnelle. Les formations du GBR, telles que définies aujourd’hui, ne correspondent ni forcément à une période donnée ni à une ou des composition(s) géochimique(s) spécifique(s), à l’exception de la Formation de Bousquet. À l’échelle du GBR, des roches de signature géochimique comparable ont pu se mettre en place environ au même moment dans des secteurs différents. Certaines signatures géochimiques sont récurrentes dans des périodes de temps rapprochées. Malgré ce diachronisme spatio-temporel, une tendance générale à des affinités magmatiques plus calco-alcalines avec le temps est observée et est interprétée comme un approfondissement progressif de la source des magmas.
Les nombreux gisements de SMV ne démontrent pas une association spécifique avec une composition géochimique distincte, bien que les gisements de SMV riches en or du GBR (Horne, Quémont et LaRonde-Penna) se mettent en place à des périodes charnières qui enregistrent un changement abrupt de l’affinité magmatique des roches encaissantes.

 The Archean Abitibi greenstone belt is one of the best places in the world to explore for volcanogenic massive sulphide deposits (VMS). The Blake River Group (BRG) includes two important mining camps: the Noranda camp and the Doyon-Bousquet-LaRonde camp, representing almost half of the total VMS tonnage in the Abitibi (374 Mt out of 810 Mt).
VMS deposits are partly controlled by stratigraphy and, for the BRG, few marker horizons are known. Therefore, an improved knowledge of the volcanic stratigraphy would help exploration. Recently, thousands of new geochemical analyses were made available, including trace element analyses. This allows the study of the regional and temporal persistence of some geochemical signatures and their characteristics. Also, a large U-Pb dating effort was made, which provides a time frame for the volcanic events related with mineralization. However, volcanic geochemistry has not been utilized to its full potential.
This MSc project is based on the compilation and classification of more than 2500 complete geochemical analyses (major and trace elements) in order to better constrain the BRG stratigraphy and understand the links between geochemistry, stratigraphy, age dates and mineralization.
With such a large database, multivariate statistical analysis is necessary to classify samples into coherent groups using specific criteria. Examination of spidergrams and extensive tests lead to the selection of the ratios Th/Nb, La/Yb and Zr/Ti for hierarchical clustering analysis and principal component analysis. Most of these chemical elements are known to be largely immobile during hydrothermal alteration and metamorphism, and record the maximum compositional variance for the entire database.
The Noranda formation, where the stratigraphy is well constrained due to extensive historical work, was first processed separately. Five mafic to intermediate and three felsic geochemical groups were identified. The same method was then applied to the entire BRG where four mafic to intermediate and four felsic geochemical groups were defined.
The space-time distribution of these geochemical groups through the Noranda formation and the BRG are discussed here, together with the links between the geochemical groups and VMS mineralization. It appears that the geochemical composition of the members of the Noranda formation is complex and often represented by more than one geochemical group. However, some trends are observed: (i) the Noranda formation is mainly composed of felsic rocks (dacites, rhyodacites ans rhyolites) in the Powell bloc while the Flaviran bloc is mainly mafic in composition (basaltic andesites); (ii) the transitional magmatic affinity is dominant; (iii) five alternating magmatic affinity periods are highlighted during stratigraphic evolution.
The BRG formations, as defined today, do not necessarily correspond to a given period of time nor to one or more specific geochemical composition(s), with a few exceptions. At the BRG scale, rocks with similar geochemical compositions seem to have been erupted at the same time in various areas. Also, different periods of time seem to have recorded similar geochemical signatures. Despite this space-time diachronism, a general trend towards more calc-alkaline affinities over time is observed and interpreted as a progressive deepening of the source of magmas. The many VMS deposits do not demonstrate a specific association with a distinct geochemical composition, although the Au-rich VMS deposits of the BRG (Horne, Quémont and LaRonde-Penna) occur at pivotal periods that record an abrupt change in magmatic affinity of the host rocks.


identifier: Perra, Enrica  (2018). A comparative assessment of hydrologic models of varying complexity applied to a semi-arid region (Sardinia, Italy). for climate change studies  Thèse.  Italie - Québec, Università degli Studi di Cagliari - Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 182 p.

subject:
événements hydrologiques extrêmes
changements climatiques
Italie
Sardaigne
modèle hydrologique

abstract:
L'évaluation de l'impact hydrologique du changement climatique présente une importance
particulière pour les bassins de la Méditerranée, qui sont très sensibles aux événements
hydrologiques extrêmes. La modélisation des systèmes aussi complexes pour la gestion des
ressources hydriques est un défi difficile. L'objectif global de ce travail est de contribuer au
développement d'une approche de modélisation qui permette l'évaluation de l'impact
hydrologique du changement climatique sur deux bassins de la Méditerranée, localisés en
Sardaigne. Cette contribution se concentre sur deux sujets principaux: comprendre comment la
représentation physique des modèles hydrologiques grave sur l'évaluation de l'impact
hydrologique dû au changement climatique sur un bassin avec un climat semi-aride, le Rio
Mannu di San Sperate, et montrer comme le modélisation avancé puisse aider à définir de
mesures de modération et adaptation dans un système complexe enclin aux événements hydrique
extrêmes, le Flumendosa, en conditions de changement climatique.
Pour atteindre cet objectif le travail s'articule en trois phases. Les effets du changement
climatique sur le bassin du Rio Mannu sont évalués à travers la comparaison des résultats de cinq
modèles hydrologiques, CATchment HYdrology (CATHY), Soil and Water Assessment Tool
(SWAT), TIN-based Real time Integrated Basin Simulator (tRIBS), TOPographic Kinematic
APproximation and Integration-eXtended (TOPKAPI-X), and Water flow and balance
Simulation Model (WASIM), en utilisant comme forçage atmosphérique les données de quatre
combinaisons de modèles climatiques globaux (GCM) et régionaux (RCM). Pour évaluer les
incertitudes une métrique récemment proposée est utilisée: les résultats des modèles sont
comparés pendant une période de référence et future, en utilisant l'index de corrélation de
Pearson et le bias de Duveiller. Même si certaines différences existent, en tout les modèles hydrologiques montrent une bonne concordance, et ils répondent de manière semblable à la
réduction de la précipitation et à l'accroissement de la température prévu par les modèles
climatiques. Il s'attend donc que le bassin dans l'avenir sera sujet à une réduction de la
disponibilité de ressource hydrique, avec des conséquences négatives en particulier pour le
secteur agricole. Une comparaison détaillée des réponses obtenue sur le même bassin avec trois
modèles hydrologique à base physique avec différent degré pour ce qui concerne la
représentation des procès physiques et des caractéristiques du terrain, CATHY, TOPKAPI-X,
tRIBS, est effectué dans le but de tester la transférabilité des paramètres entre les trois modèles
hydrologiques, avec une attention particulière sur les difficultés relevées dans les périodes de
calibrage et validation. Tandis que les trois modèles ont répondu de manière semblable pendant
la période de calibrage, significatives différences ont été relevées pendant la période de
validation, caractérisé par un climat très sec, avec le modèle CATHY, qu'il a produit un très bas
décharge. En conséquence, pour obtenir résultats satisfaisants avec le modèle CATHY,
l’hypothèse de croûtage de sol a été assumée, sur la base dont la couche premier de sol a été
modelée avec une conductibilité hydraulique saturée réduite. Finalement le modèle TOPKAPI-X
est implémenté sur un des principaux bassins de la Sardaigne, d'importance stratégique pour le
système hydrique de la région, le Flumendosa, afin d’évaluer les effets du changement
climatique à plus grande échelle. Le modèle répond avec une diminution des valeurs de
décharge, contenu hydrique et évapotranspiration réelle à la réduction de la précipitation et
accroissement des températures prévus par les modèles climatiques en donnant aussi support à
une scène future de carence de la ressource hydrique dans ce bassin de la zone Méditerranéenne.

Assessing the hydrologic impacts of climate change is of great importance in the Mediterranean
basins, which are heavily sensitive to climate variability, with significant impacts on water
resources and hydrologic extremes. Modeling such complex systems to manage water resources
and predict hydrologic extremes is a difficult task. The overall aim of the work described in this
thesis is to bring a contribution in developing a modeling approach that allows evaluation of
local hydrologic impacts of climate changes in two Mediterranean catchments located in
Sardinia. This contribution revolves around two main themes: understanding how physical
representation of hydrologic models can affect hydrologic impact assessment under climate
change on a semi-arid basin of the Mediterranean region, the Rio Mannu catchment, and
demonstrating how advanced hydrologic modeling can help in defining adaptation measures in a
complex water system, the Flumendosa basin, under climate change.
The work to achieve the general objective is elaborated into three stages. The effects of climate
change are evaluated on the Rio Mannu catchment through comparison of the results from five
hydrologic models, CATchment HYdrology (CATHY), Soil and Water Assessment Tool
(SWAT), TIN-based Real time Integrated Basin Simulator (tRIBS), TOPographic Kinematic
APproximation and Integration-eXtended (TOPKAPI-X), and Water flow and balance
Simulation Model (WASIM), and using as atmospheric input outputs of four climate global
(GCM) and regional (RCM) model combinations. In order to evaluate uncertainties, a recently
proposed metric is used: climate and hydrologic models results are compared in terms of
agreement with each other in reference and future periods using Pearson correlation values and
Duveiller bias. Notwithstanding some differences, overall the five hydrologic models show good
agreement, and they respond similarly to the reduced precipitation and increased temperatures predicted by the climate models, lending strong support to a future scenario of increased water
shortages for this region of the Mediterranean, with negative consequences especially for the
agricultural sector. Detailed comparison of the responses obtained with three physically based
hydrologic models, but to varying degrees as regards physical processes and terrain features
representation – CATHY, tRIBS, and TOPKAPI-X – on the same catchment is carried out, with
the aim to test the transferability of parameters between the three hydrologic models, focusing in
particular on the calibration and validation difficulties. While the three hydrologic models
responded similarly during the calibration year, significant differences were found for the drier
validation period for the CATHY model, which produced very low streamflow. To obtain
satisfactory results for the CATHY model, an hypothesis of soil crusting was assumed and the
first soil layer was modeled with a lower saturated hydraulic conductivity. Finally, the
TOPKAPI-X model is applied on a large Sardinian basin prone to extreme flood events, the
Flumendosa basin, to assess the hydrologic impact of climate change at much larger scale. The
model responds with decreasing value of discharge, soil water content, and actual
evapotranspiration to the reduced precipitation and increased temperature predicted by the
climate models, lending strong support to a future scenario of increased water shortages also in
this basin of the Mediterranean region.

La valutazione dell’impatto idrologico del cambiamento climatico riveste particolare importanza
per i bacini del Mediterraneo, sensibili ad eventi idrologici estremi. Modellizzare dei sistemi così
complessi per la gestione della risorse idriche è una sfida difficile. L’obiettivo globale di questo
lavoro è contribuire allo sviluppo di un approccio modellistico che consenta la valutazione
dell’impatto idrologico del cambiamento climatico su due bacini del Mediterraneo localizzati in
Sardegna. Questo contributo si focalizza su due temi principali: capire come la rappresentazione
fisica dei modelli idrologici incida sulla valutazione dell’impatto idrologico dovuto al
cambiamento climatico su un bacino con un clima semi-arido, il Rio Mannu di San Sperate, e
dimostrare come la modellizzazione avanzata possa aiutare nel definire misure di adattamento in
un sistema idrico complesso incline ad eventi estremi, il Flumendosa, in condizioni di
cambiamento climatico.
Per raggiungere tale obiettivo il lavoro si articola in tre fasi. Gli effetti del cambiamento
climatico sul bacino del Rio Mannu sono stati valutati attraverso il confronto dei risultati di
cinque modelli idrologici, CATchment HYdrology (CATHY), Soil and Water Assessment Tool
(SWAT), TIN-based Real time Integrated Basin Simulator (tRIBS), TOPographic Kinematic
APproximation and Integration-eXtended (TOPKAPI-X), and Water flow and balance
Simulation Model (WASIM), utilizzando come forzante atmosferica gli output di quattro
combinazioni di modelli climatici globali (GCM) e regionali (RCM). Per valutare le incertezze è
stata utilizzata una metrica recentemente proposta: i risultati dei modelli sono stati comparati
durante un periodo di riferimento e futuro, utilizzando l’indice di correlazione di Pearson e il bias
di Duveiller. Pur con qualche differenza, complessivamente i modelli idrologici mostrano una
buona concordanza tra loro, e rispondono in maniera simile alla riduzione della precipitazione e all’incremento della temperatura previsti dai modelli climatici. Ci si aspetta pertanto che il
bacino nel futuro sarà soggetto ad una riduzione della disponibilità di risorsa idrica, con
conseguenze negative in particolare per il settore agricolo. È stato effettuato un confronto
dettagliato delle risposte ottenute sullo stesso bacino con tre modelli idrologici fisicamente basati
di diverso grado per quanto riguarda la rappresentazione dei processi fisici e delle caratteristiche
del terreno, CATHY, TOPKAPI-X, tRIBS, con lo scopo di testare la trasferibilità dei parametri
tra i tre modelli idrologici, concentrandosi sulle difficoltà riscontrate nei periodi di calibrazione e
validazione. Mentre i tre modelli hanno risposto in maniera simile durante il periodo di
calibrazione, sono state riscontrate significative differenze durante il periodo di validazione,
caratterizzato da un clima molto secco, con il modello CATHY, che ha prodotto una portata
molto bassa. Pertanto, per ottenere risultati soddisfacenti con il modello CATHY, è stata assunta
l’ipotesi di soil crusting, sulla base della quale il primo strato di suolo è stato modellato con una
ridotta conducibilità idraulica satura. Infine il modello TOPKAPI-X è stato implementato su uno
dei principali bacini sardi di importanza strategica per il sistema idrico della regione, il
Flumendosa, per valutare gli effetti del cambiamento climatico a scala maggiore. Il modello
risponde con una diminuzione dei valori di portata, contenuto idrico ed evapotraspirazione reale
alla riduzione della precipitazione ed incremento della temperature previsto dai modelli climatici,
dando supporto ad uno scenario futuro di carenza della risorsa idrica anche in questo bacino
dell’area Mediterranea.


identifier: Oswald, William  (2018). Geology of the banded iron formation-hosted Musselwhite gold deposit, Superior Province, Ontario, Canada / Géologie du gisement aurifère encaissé dans des formations de fer Musselwhite, Province du Supérieur, Ontario, Canada.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 511 p.

format: application/pdf application/rar

subject: Archéen

subject: Province du Supérieur

subject: North Caribou

subject: or encaissé dans formations de fer rubanées

subject: or épigénétique

subject: gradient de déformation

subject: métamorphisme amphibolite

subject: Ontario

subject: Archean

subject: Superior Province

subject: North Caribou

subject: BIF-hosted gold

subject: epigenetic gold

subject: deformation gradient

subject: amphibolite metamorphism

abstract:
La mine Musselwhite se situe près du lac Opapimiskan dans le nord-ouest de l’Ontario, à 475 km au nord de la ville de Thunder Bay. En exploitation depuis 1997, plus de 4 Moz d’or y ont été produites. Le gisement d’or de classe mondiale Musselwhite est encaissé dans les formations de fer rubanées (FFR) polydéformées au faciès métamorphique des amphibolites de la ceinture de roches vertes mésoarchéenne (3.0-2.7 Ga) de North Caribou (CNC), dans le nord-ouest de la Province du Supérieur. Ce type de gisement est relativement rare et peu d’études se sont penchées sur la genèse et les contrôles régissant les mineralisations aurifères dans les FFR. Elles peuvent cependant former des gisements colossaux, comme l’illustre celui de Homestake de 40 Moz d’or, aux USA. Le présent projet constitue une étude multidisciplinaire de la géologie et de la métallogénie du gisement d’or Musselwhite, caractérisé à l’aide de données géologiques, structurales, pétrographiques et géochimiques.
La NCG est majoritairement composée de basalte et komatiite tholéiitiques datés entre 3,05 et 2,91 Ga, recouvert de greywackes syn-orogéniques (<2,85 Ga). De larges batholithes de type TTG datés entre ca. 2,85 et ca. 2,73 Ga entourent la CNC. Trois phases principales de déformation ont affecté les roches de la CNC qui sont métamorphisées au faciès des amphibolites, daté à ca. 2660 Ma.
Les étroites enveloppes sub-verticales de minerai sont encaissées dans la FFR à grunérite-grenat affectée par des zones de forte déformation D2 associées à des plis fermés à isoclinaux. La minéralisation aurifère épigénétique s’est formée sous des conditions métamorphiques de la zone à grenat, via un remplacement à pyrrhotite et une silicification de la FFR par des fluides issus de la dévolatilisation métamorphique des roches sous-jacentes. Elle est accompagnée d’une altération distale potassique (biotite) et proximale calcique (hornblende) remplaçant la grunérite dans la FFR. La teneur en or a une corrélation positive avec celles de l’Ag, du Cu, Se et Te. La minéralisation aurifère à Musselwhite est synchrone à la déformation D₂ et au métamorphisme M₂, et s’est mise en place entre 2720 et 2660 Ma.
Le gisement Musselwhite comporte des éléments communs à d’autres gisements tels que Lupin (TNO, Canada), Homestake (USA), Nevoria (Australia), notamment le contrôle lithologique de la FFR silicatée sur l’or. Un tel horizon clé, un contexte structural complexe et de forts gradients de déformation sont des vecteurs d’explorations importants au sein de la CNC, du nord-ouest de la Province du Supérieur, et dans d’autres terrains métamorphisés précambriens.

The Musselwhite mine is located near Opapimiskan Lake in northwestern Ontario, 475 km north of Thunder Bay. Over 4 Moz of gold have been produced since the start of operation in 1997. The world-class Musselwhite gold deposit is hosted by polydeformed, amphibolite-grade banded iron formations (BIF) in the Mesoarchean (3.0-2.7 Ga) North Caribou greenstone belt (NCG), in northwestern Superior Province. This deposit type is quite rare and few studies focused on their genesis and gold ore-forming processes. However, they can form large deposits, such as the Homestake mine (40 Moz of gold, USA). This project constitutes a multidisciplinary study of the geology and metallogeny of the Musselwhite gold deposit, using geological, structural, petrographic, and geochemical data.
The NCG is mainly composed of tholeiitic basalts and komattites dated between 3.05 and 2.91 Ga, overlain by syn-orogenic greywackes (<2.85 Ga). Large TTG-type batholiths dated between 2.85 and 2.73 Ga surround the NCG. Three major phases of deformation affected rocks of the NCG, which were metamorphosed to amphibolite facies around 2660 Ma.
Narrow sub-vertical ore zones are hosted by garnet-grunerite BIF in D2 high-strain zones associated with close to isoclinal folds. Epigenetic gold mineralization formed under garnet zone metamorphic conditions through pyrrhotite-replacement and silicification of the BIF by fluids stemming from metamorphic devolatilization of underlying rocks. It is accompanied by potassic (biotite) alteration and proximal calcic (hornblende) alteration of grunerite in the BIF. Gold grade is positively correlated with Ag, Cu, Se and Te. Gold mineralization at Musselwhite is synchronous to D₂ deformation and M₂ metamorphism, and was emplaced between 2720 and 2660 Ma.
The Musselwhite deposit shows features common with other deposits such as Lupin (NWT, Canada), Homestake (USA), and Nevoria (Asutralia), notably the lithological control of silicate BIF on gold. Marker horizons, complex structural context, and strong deformation gradient are key exploration vectors in the NCG, the northwestern Superior Province, and other Precambrian terranes.


identifier: Bendourou, Fatima Ezzahra  (2018). Évaluation de la faisabilité de l’utilisation de différents types de fibres cellulosiques traités enzymatiquement pour la valorisation de l’acide poly-lactique (PLA).  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 129 p.

subject:
nouveau biocomposite
acide polylactique recyclé
microfibres cellulosiques
prétraitement physico-chimique
traitement enzymatique
tests mécaniques
tests de biodégradabilité

abstract:
L’objectif de cette recherche est de produire de nouveaux matériaux composites à partir des déchets en plastique (post-consommation) des centres de tri au Québec et des fibres naturelles d’origine végétale.
En particulier, l'étude a porté sur la combinaison de l’acide polylactique recyclé (PLAr) qui est l'un des alternatives les plus prometteuses aux polymères à base de pétrole et les microfibres de cellulose (MFC) à partir des boues de l’industrie papetière (boues mixtes (BM) et boues de désencrage (BD)) et des fibres de chanvre (FC) considérées comme la nouvelle génération de renforts renouvelables afin de produire des composites biodégradables et de haute performance mécanique (la résistance à la traction et la rigidité).
Afin d’améliorer la compatibilité et l’adhésion interfaciale entre la matrice PLAr et les différents renforts utilisés, les MFC ont été extraites et traitées en utilisant, en premier lieu, un prétraitement physico-chimique à la soude et, en second lieu, un traitement enzymatique (laccases et cellulases). Ensuite, l’effet de la concentration des microfibres cellulosiques traitées (1.5, 3 et 6% en poids sec) a été étudié afin de caractériser les échantillons de biocomposites développés en termes de taille, morphologie, propriétés mécaniques (impact et traction) et biodégradabilité.
Les résultats obtenus démontrent que les deux traitements utilisés ont conduit à une diminution considérable de taille des fibres cellulosiques atteignant plus de 90% pour les MFC extraits de BD ainsi qu’une bonne adhésion interfaciale entre la matrice de l’acide poly lactique recyclé et les différents renforts étudiés. L'analyse de la variance suivie par le test de Tukey ont montré que les meilleurs biocomposites, en termes de propriétés mécaniques, sont issus de l’association du PLAr avec les fibres de chanvre (Module d’Young de 324,53 ± 3,10 MPa; résistance à l’impact de 27,61 ± 2,94 kJ/m²) suivis des boues mixtes (Module d’Young de 316,59 ± 2,80 MPa; résistance à l’impact de 20,47 ± 4,24 kJ/m²) et ensuite les boues de désencrage (Module d’Young de 315,58 ± 4,31 MPa; résistance à l’impact de 14,59 ± 2,24 kJ/m²) ce qui a été confirmé par diverses techniques telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la diffraction des rayons X (DRX) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). Le test de biodégradation à l'échelle du laboratoire a montré un taux de biodégradation de 1,97% pour les FC, de 1,57% pour les BD puis de 1,35% pour les BM.


identifier: Lapointe, François  (2018). Les modes de variabilité climatique en Arctique à la lumière des sédiments annuellement laminés.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 227 p.

subject: changements climatiques

subject: Arctique

subject: sédiments annuellement laminés

subject: varves

subject: Cape Bounty East Lake

subject: Sawtooth Lake

abstract:
Les connaissances sur les variations naturelles du climat en Arctique sont toujours très limitées,
d’une part parce qu’il n’existe pas de registre de données météorologiques au-delà des années
~1950, et d’autre part en raison du nombre restreint de stations météorologiques sur ce vaste
territoire. Ces deux réalités empêchent une compréhension adéquate du système climatique
arctique. Toutefois, la tendance au réchauffement depuis les 30 dernières années est flagrante
selon les données satellitaires de haute-résolution : il y a une nette réduction de la glace de mer
et des surfaces enneigées. Ce déclin des surfaces à fort albédo influence grandement le bilan
radiatif dans le Nord et par conséquent, le climat mondial. À ce titre, comprendre la variabilité
naturelle qui influence ces paramètres environnementaux, c.-à-d. la glace de mer et les
précipitations nivales, est crucial.
Les sédiments annuellement laminés (varves) offrent l’opportunité de reconstituer les
événements hydroclimatiques des régions de l’Arctique canadien. Lorsque la chronologie des
varves remonte à des périodes lointaines (> 2000 ans), les analyses spectrales sur ces
archives permettent de détecter des signaux, ou des cyclicités, qui peuvent être connus dans
les données instrumentales. Dans cette optique, il est possible de retracer des oscillations
climatiques à travers le temps et avoir un bon aperçu de leur évolution dans le passé. Les
données du lac varvé de Cape Bounty East Lake mettent en évidence un lien jusqu’ici
insoupçonné entre un des plus importants cycles climatiques connus, l’Oscillation Décennale du
Pacifique (PDO), et les précipitations dans cette région de l’Ouest de l’Arctique canadien. Lors
de la phase négative de la PDO, une diminution du couvert de glace de mer et une
augmentation des précipitations dans la région sont observées. Ceci est lié à l’affaiblissement
du régime de dépression des Aléoutiennes durant la phase négative de la PDO, alors que des
vents soutenus soufflent du nord du Pacifique et balaient l’ouest du Haut-Arctique canadien, où
l’étendue de la glace de mer est diminuée créant plus d’évaporation et de précipitations.
L’enregistrement climatique de Cape Bounty suggère que ce lien a persisté depuis au moins
700 ans, et devrait donc continuer dans le futur, ce qui devrait avoir d’importantes
répercussions lorsque la PDO reviendra en phase négative.
Au même titre que les varves de Cape Bounty, celles provenant du lac South Sawtooth recèlent
également des cyclicités connues et qui ont persisté durant les derniers 2900 ans. Nos données
suggèrent que l’Oscillation Multidécennale de l’Atlantique (AMO), lors de sa phase négative,
favorise les précipitations nivales sur notre site. La comparaison entre nos données et la
variabilité solaire suggère aussi qu’il existe un lien entre une diminution de l’activité solaire et le climat régional. Puisque les sites de Cape Bounty et de Sawtooth sont influencés par les
oscillations externes et internes, il est probable que le forçage solaire joue un rôle important
dans la genèse des cycles naturels du climat, comme suggéré dans la littérature. Au lac South
Sawtooth, les données montrent un déclin constant des valeurs entre 900 BCE à 1850 CE, une
observation cohérente avec la progressive diminution de l’insolation solaire dans les hautes
latitudes.

 Knowledge of the natural variations of climate in the Arctic is still very limited, partly because
there is no record of meteorological data beyond the 1950s, and partly because of the limited
number of meteorological stations on this vast territory. These two realities impede an adequate
understanding of the Arctic climate system. However, the warming trend over the last 30 years
is evident in high-resolution satellite data: there is a clear reduction in sea ice and snow
surfaces. This decline in high albedo areas greatly affects the radiative balance in the North and
consequently the global climate. As such, understanding the natural variability that influences
these environmental parameters, i.e. sea ice and snowfall, is crucial.
Annually laminated sediments (varves) provide an opportunity to reconstruct hydroclimatic
events in the Canadian Arctic. When the chronology of varves goes back to distant periods (>
2000 years), the spectral analyses on these archives make it possible to detect signals, or
cyclicities, which can be known in the instrumental data. From this perspective, it is possible to
trace climatic oscillations over time and have a good overview of their evolution in the past. Data
from the Cape Bounty East Lake reveal a previously unsuspected link between one of the
largest known climatic cycles, the Pacific Decadal Oscillation (PDO), and precipitation in this
western region of the Canadian Arctic. In the negative phase of the PDO, a decrease in sea ice
cover and an increase in precipitation in the region are observed. This is related to the
weakening of the Aleutian Low during the negative phase of the PDO, while sustained winds
blow from the northern Pacific and sweep west the Western Canadian High Arctic creating more
evaporation and precipitation in response to reduced sea ice extent. The Cape Bounty climate
record suggests that this link has persisted for at least 700 years, and is therefore expected to
continue into the future, which should have significant repercussions when the PDO returns to
the negative phase.
As well as the Cape Bounty varves, those from South Sawtooth Lake also contain known
cycliclities that have persisted in the past 2900 years. Our data suggest that the Atlantic Multidecadal
Oscillation (AMO), during its negative phase, favors northern precipitation on our site.
The comparison of our data with solar variability also suggests that there is a link between a
decrease in solar activity and the regional climate. Since the Cape Bounty and Sawtooth sites
are influenced by external and internal oscillations, solar forcing is likely to play an important
role in the genesis of these natural climate cycles, as suggested in the literature. At South
Sawtooth Lake, data show a steady decline in values between 900 BCE and 1850 CE,
consistent with the gradual decline in insolation at high latitudes.


identifier: Salmanabadi, Homa Arab  (2018). Capteurs radars haute précision en ondes millimétrique.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 122 p.

subject:
Capteurs radars
ondes millimétriques

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.Les mesures qu’utilisent les radars sont une technologie essentielle, avec beaucoup d’applications.
Les applications militaires, les observations météorologiques, le contrôle du trafic aérien, les radars
anticollision, les applications de navigation, d’entretien des routes, les applications industrielles et
biomédicales ne sont que quelques domaines. Cette thèse se propose d’introduire une technique de
mesure innovatrice basée sur la technologie six-port pour diverses opérations de mesure, telles que
la distance, la vitesse relative et la fréquence de vibration mécanique d’une cible.
Il y a 4 bandes de fréquence principales allouées pour les applications radar, une à environ
24,125 GHz avec une largeur de bande d’environ 200MHz et, une autre à environ 24 GHz, avec une
largeur de bande de 5 GHz, 76-77 GHz pour les radars bande-étroite, à longue portée et 77-81 GHz
pour les radars large-bande, à courte portée. Cette contribution décrit un système radar à onde
continue modulée en fréquence 77 GHz (FMCW) qui est entièrement basé sur une technologie intégrée
MHMIC. A cette haute fréquence, la longueur d’onde et la taille du système diminuent; par
conséquent, on obtient une sensibilité de détection et une résolution meilleures. L’excellente résolution
de phase obtenue par le circuit six-port offre des capacités de mesure angulaire et de distance
de haute précision. En outre, la faible consommation d’énergie, le bruit de phase extrêmement bas,
la taille réduite, la conception simple et le faible coût de fabrication permettent son application
dans différents types de systèmes de communication.
Deux corrélateurs six-port différents, en utilisant des coupleurs hybride 90°, avec ou sans un
diviseur de Wilkinson, ont été conçus, fabriqués et mesurés à la fréquence centrale de 77 GHz sur une
largeur de bande de 12 GHz, pour couvrir les deux standards à environ 77 GHz. Les deux circuits pris
en compte ont des signaux de sortie relativement bons et peuvent être utilisés comme modulateur
et démodulateur dans le circuit du récepteur et de l’émetteur. Le corrélateur de phase six-port, avec
quatre coupleurs hybride 90°, est choisi pour le prototype final, grâce à sa largeur de bande plus
grande, à son erreur de phase plus petite et aux pertes d’insertion plus réduites, en comparaison avec
le corrélateur de phase six-port avec un diviseur de Wilkinson. Un modulateur QPSK (modulation
par déplacement de phase en quadrature) et un modulateur 16-QAM (modulation d’amplitude en
quadrature 16) ont été conçus sur la base des mesures des paramètres S du six-port. Ils se composent
d’un réseau en micro-ondes six-port passif pour mettre en application le schéma de modulation avec
la charge variable appropriée, comme impédance finale.
Le circuit modulateur est utilisé pour avoir une phase différente dans la section émettrice, afin
d’établir la communication entre voitures. Il peut être aussi utilisé comme une alternative pour VCO,
pour changer la fréquence, en utilisant les changements rapides dans la phase. Un démodulateur
QPSK à base du circuit six-port, en combinaison avec les diodes Schottky sans polarisation a été
conçu en logiciel ADS Momentum et fabriqué en substrat céramique. On obtient des positions des
symboles très précises. Le circuit démodulateur est utilisé comme récepteur, pour convertir à la baisse le signal RF du prototype final. Dans chaque port de sortie du circuit six-port, deux diodes
Schottky (HSCH 9161) et un coupleur hybride sont utilisés dans notre capteur afin d’extraire les
informations sur la magnitude et sur la phase du signal réfléchi sur la cible.
Le prototype complet du capteur est conçu, fabriqué et mesuré à 77 GHz, pour des applications
professionnelles et industrielles à courte portée. Ce capteur est utilisé pour mesurer la distance et la
fréquence Doppler à un coût raisonnable et à des performances exceptionnelles. L’entier prototype
du circuit, y compris l’antenne de l’émetteur et du récepteur, l’interféromètre six-port et les quatre
détecteurs de puissance ont été intégrés sur une monture. Des diapasons sont utilisés pour démontrer
la performance du capteur six-port, qui offre des mesures de la fréquence précises, à différentes
fréquences. Le prototype du capteur peut être aussi utilisé en FMCW ou dans les configurations
multi-tonales, pour mesurer de manière précise la distance et la vitesse de la cible. A cause de la
puissance très faible des ondes millimétriques, utilisée dans l’essai, les résultats concernent la courte
portée. L’utilisation d’un amplificateur à faible bruit dans le front-end du récepteur augmentera
considérablement la plage de fonctionnement. Grâce à ce processus de fabrication robuste et à
faible coût, ces capteurs peuvent être utilisés dans diverses applications.
Cette thèse comprend aussi les conclusions et les suggestions pour des travaux futurs, dans le
but d’améliorer les capteurs radar à ondes millimétriques.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.Direction finding and ranging techniques are a key technology with a large number of applications.
Military, weather observation, air traffic control, collision avoidance radar, navigation, road
maintenance, industrial and biomedical applications are just some fields of its application. The purpose
of this dissertation is to introduce an innovative measurement technique based on the six-port
technology for various measurement tasks, such as distance, relative speed, and mechanical vibration
frequency of a target.
There are 4 major frequency bands allocated for radar applications, one around 24.125 GHz
with a bandwidth of around 200MHz, and the other around 24 GHz with a bandwidth of 5 GHz,
76-77 GHz for narrow-band long-range radars and 77-81° for short-range wideband radars. This
contribution describes a 77 GHz frequency modulated continuous wave (FMCW) radar system that
is completely based on a MHMIC integrated technology. At this high frequency, the wavelength
and size of the system decrease, therefore a better detection sensitivity and resolution are obtained.
The excellent phase resolution offered by the six-port circuit leads to high accuracy distance
and angular measurement capabilities. Furthermore, low-power consumption, extremely low phase
noise, small size, simple design, and low manufacturing price allow its application in many kinds of
communication systems.
Two different six-port correlators by using 90° hybrid couplers, with or without a Wilkinson
power divider, were designed, fabricated, and measured at the center frequency of 77 GHz for a
12 GHz bandwidth, to cover both standards around 77 GHz. Both circuits taken into consideration
have relatively good output voltage signals and can be used as a modulator and demodulator in
receiver and transmitter circuit. The six-port phase correlator with four 90° hybrid couplers is chosen
for the final prototype due to its wider bandwidth, smaller phase error, and lower insertion losses
in comparison to the six-port phase correlator with a Wilkinson power divider. A quadrature phase
shift keying (QPSK) modulator and 16 Quadrature amplitude modulation (16-QAM) modulator
are designed based on the S-parameter measurements of the six-port. It is composed of a six-port
passive microwave network to implement the modulation scheme with suitable variable load as
impedance terminations.
The modulator circuit is used to have a different phase at the transmitter section to enable
car-to-car communication. It can also be used as an alternative for VCO, to change the frequency
by using the rapid changes in the phase. A QPSK demodulator based on the designed six-port
circuit in combination with zero bias Schottky diodes was designed in ADS Momentum software
and fabricated in a ceramic substrate. It leads to very accurate symbol positions. The demodulator
circuit is used as a receiver to down-convert the RF signal at the final prototype. In each output
port of the six-port circuit, two Schottky diodes (HSCH 9161) and a hybrid coupler are used in our
sensor to extract both magnitude and phase information of the reflected signal to the target. The complete sensor prototype is designed, fabricated, and measured at 77 GHz for short-range
professional industrial applications. This sensor is deployed to measure distance and Doppler frequency
for reasonable cost combined with exquisite performance. The whole circuit prototype,
including the transmitter and the receiver antenna, the six-port interferometer, and four power detectors
have been integrated on a die. Tuning forks are used to demonstrate the performance of the
six-port sensor, which offers an accurate frequency measurement for different frequencies. The sensor
prototype can also be used in FMCW or multi-tone configurations to precisely measure range and
speed of a target. Because of the very low millimeter-wave power used in the experiment, the results
are obtained in short range. The use of a low-noise amplifier in the receiver front-end will considerably
increase the operating range. Due to this robust and low-cost schematic and manufacturing
process, such sensors can be used in various applications.
This thesis also contains conclusions and suggestions for future work in order to improve the
future millimeter-wave radar sensors.


identifier: Braescu, Liliana  (2017). First-principles investigation of multiferroic Bi₂FeCrO₆ epitaxial thin-films.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 174 p.

subject:
théorie fonctionnelle de la densité
calculs magnétiques colinéaires
calculs non
colinéaires
couplage spin-orbite
magnétisme
distorsion
charges de Born
polarisation spontanée
ferroélectricité
multiferroïque
density functional theory
collinear magnetic calculations
noncollinear calculations
spin-orbit couplin
magnetization
distortions
Born charges
spontaneous polarization
ferroelectricity
multiferroics

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.Le Bi2FeCrO6 (BFCO) est un double-perovskite identifié comme un candidat ayant un potentiel
unique de manifester des comportements multiferroïques, en raison de ses bonnes propriétés
ferroélectriques et magnétiques qui ont été prédites théoriquement par des calculs ab-initio il y a
plusieurs années, puis démontrées expérimentalement sur des couches minces épitaxiées pour
la première fois par la technique PLD (Pulse Laser Deposition) à l'INRS-EMT. Les mesures
expérimentales ses sont avérées plus favorables que les prédictions théoriques et ont démontré
un comportement multiferroïques à la température ambiante.
Dans ce travail, des études théoriques ont été réalisées pour obtenir de nouvelles informations
sur l'interaction entre les corrélations électroniques, les distorsions du réseau cristallin, les
rotations/inclinaisons des octaèdres d’oxygène et le couplage spin-orbite (SOC), ainsi que leurs
effets sur les propriétés multiferroïques du BFCO. Au moyen de la théorie de la fonctionnelle de
densité (DFT), qui découle des premiers principes, mise en oeuvre au moyen du logiciel Vienna
ab initio Simulation Package (VASP) intégré dans l'environnement de calcul MedeA®, les
quatre configurations possibles du BFCO ont été étudiées: les phases ferrimagnétiques avec
Fe3+ -haut spin (FiMHS) et -bas spin (FiMLS), et les phases ferromagnétiques pour Fe3+ -haut
spin (FMHS) et -bas spin (FMLS). Pour un schéma de calcul approprié, des calculs en spins
polarisés colinéairement et non colinéairement, incluant le SOC, ont été effectués en utilisant
l'approximation de densité locale de spin avec une correction U de Hubbard (LSDA + U) et les
approximations modernes de gradient généralisé de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) dans deux
implémentations: PBEsol+U qui améliore les propriétés d'équilibre des solides denses, et
RevPBE+U qui améliore l'énergétique de chimisorption des atomes et des molécules sur les
surfaces de métaux de transition.
Dans le cas des calculs colinéaires (sans SOC), l'existence des quatre états stables a été
confirmée, avec un ordre sur l'échelle d'énergie, pour toutes les fonctionnelles considérées,
allant comme suit: FiMHS (I), FMHS (II), FiMLS (III), et FMLS (IV). FiMHS représente l'état
fondamental avec un ordre magnétique net de 2 μB/f.u, suivi de FMHS avec un moment
magnétique net de 8 μB/f.u. La faible différence d'énergie entre les phases FiMHS et FMHS
(entre 68.7 et 164 meV, selon la fonctionnelle choisie) permet d'envisager la possibilité d'utiliser
des perturbations appropriées (telles que des déformations, des défauts, etc.) pour obtenir la
phase FMHS du BFCO comme matériau pour des applications industrielles nécessitant une
magnétisation plus élevée. L’état Fe3+ -bas spin, FiMLS, avec un moment magnétique net de 2
μB/f.u, présente également un intérêt car il correspond à la valeur expérimentale, et il pourrait
être obtenu dans des films contraints. En outre, pour la première fois, sont rapportés deux
canaux de spin pour la phase magnétique FMLS, où les propriétés métalliques et semiconductrices
sont combinées dans un seul système au niveau microscopique au sein de la
cellule unitaire (semi-métallique). Concernant les propriétés ferroélectriques du BFCO, les
polarisations spontanées calculées sont entre 64.0 et 86.5 μC/cm2 considérant toutes les
fonctionnelles considérées (c'est-à-dire dans la plage des valeurs mesurées pour BFCO), et
elles sont dans la direction [111] pour toutes les phases. Un résultat significatif de ce travail est
que la contribution principale à la polarisation provient des atomes d'oxygène et non des
atomes de Bi avec une paire d'électrons libres comme dans le cas de BiFeO3, e à l’asymétrie
des longueurs de liaisons Fe-O et Cr-O, conduisant à de plus grands déplacements des atomes
d'oxygène dans le cas du BFCO . Lorsque les effets du SOC sont inclus, les vecteurs magnétiques non colinéaires sont d’abord
alignés selon différents axes de quantification du spin, puis ils tournent pendant la procédure
d'optimisation jusqu'à converger vers un minimum d’énergie, sans contrainte de symétrie (par
exemple, le maillage des points k n'est plus limité à un ensemble de symétries irréductibles de
la cellule unitaire). Les calculs ont montré que les moments magnétiques orbitaux pour Cr3+ et
Fe3+ -haut spin (HS) sont fortement atténués (les moments orbitaux sont très petits, et donc le
moment magnétique total est dû au spin) pour les états FiMHS et FMHS. Les moments orbitaux
de Fe –haut spin et Cr participent à un petit pourcentage (environ 1%-4%) au moment
magnétique total, tandis que les moments de spin de Fe –haut spin et Cr contribuent pour
environ 74%-86%. L'effet est opposé dans le cas de Fe3+ -bas spin où des moments orbitaux
magnétiques largement non-atténués ont été observés. En outre, l'énergie d'anisotropie
magnétocristalline (MAE) montre qu’une saturation de l'aimantation, avec un moment
magnétique d'environ 2 μB/f.u. pour FiMHS, est réalisée le long de l'axe magnétique facile, qui
est perpendiculaire à la direction de polarisation [111]. L’étude du MAE montre que la physique
devient plus complexe pour les autres états FiMLS, FMHS et FMLS. Par exemple, l'axe
magnétique facile pour les cas LS est parallèle à la direction de la polarisation [111] pour les
fonctionnelles LSDA+U et RevPBE+U, alors que pour la fonctionnelle PBEsol+U, l’axe
magnétique facile est perpendiculaire à [111]. Enfin, les effets du SOC sur la polarisation
consistent en une augmentation de 0.3 à 4.6 μC/cm2 de la polarisation (d’environ 80 μC/cm2)
obtenue par le calcul colinéaire.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.Bi2FeCrO6 (BFCO) is a double-perovskite identified as a candidate with a unique potential to
exhibit multiferroic behaviors, due to its good ferroelectric and magnetic properties that were
predicted theoretically by ab-initio calculations several years ago, and then experimentally
demonstrated on epitaxial thin films for the first time grown by Pulsed Laser Deposition (PLD) at
INRS-EMT, and exceeding the theoretical prediction showing a multiferroic behaviour at room
temperature.
In the present work, theoretical studies were performed for collinear and noncollinear spin
structures to provide new insights into the subtle interplay among electron correlations, lattice
distortions, oxygen-octahedron rotations/tiltings and spin-orbit coupling (SOC), as well as their
effects on the multiferroic properties of BFCO. Using first-principles density functional theory
(DFT), calculations within the Vienna ab initio Simulation Package (VASP) as integrated in the
MedeA® computational environment, investigations were performed on the four possible
configurations of BFCO: the ferrimagnetic phases with Fe3+- high spin (FiMHS) < low spin
(FiMLS), and the ferromagnetic phases for Fe3+ high spin (FMHS) < low spin (FMLS). For an
appropriate computational scheme, fully optimized spin-polarized collinear and noncollinear
calculations including SOC, were performed using the local-spin-density approximation with a
Hubbard-U correction (LSDA+U), and the modern Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) generalized
gradient approximations in two implementations: PBEsol+U which improves equilibrium
properties of densely packed solids, and RevPBE+U which improves the chemisorption
energetics of atoms and molecules on transition-metal surfaces.
In the case of collinear spin calculations (without SOC), the existence of the four stable states
has been confirmed, with the order on the energy scale for all considered functionals, going as
follows with increasing energy: FiMHS (I), FMHS (II), FiMLS (III), and FMLS (IV). FiMHS
represents the ground state with a net magnetic ordering of 2 μB/f.u., followed by FMHS with a
net magnetic moment of 8 μB/f.u. The small energy difference between FiMHS and FMHS
phases (in the range 68.7 to 164 meV/f.u., depending on the chosen functional) allows to
envision the possibility of using appropriate perturbations (such as strains, defects, etc.) in order
to obtain the FMHS phase of BFCO as a material for industrial applications requiring higher
magnetization. The Fe3+ low-spin states FiMLS, with a net magnetic moment of 2 μB/f.u., also
presents some interest because it corresponds to the experimental value, and it could possibly
be obtained in strained films. In addition, for the first time, two spin channels for FMLS magnetic
phase are reported, where metallic and semiconducting properties are combined in a single
system at the microscopic level within the unit cell (half-metallic). Regarding ferroelectric
properties of BFCO, calculated spontaneous polarizations are about 64.0 to 86.5 C/cm2 for all
considered functionals (i.e., in the range of the measured values for BFCO), and they appear to
be along the [111] direction for all phases. A significant result of the present work is that it
shows that the main contribution to polarization comes from the oxygen atoms and not from the
Bi atoms with the lone electron pair as in the case of (BiFeO3)2, which is due to the asymmetry
of the Fe-O and Cr-O bonds lengths, leading to larger displacements of the oxygen atoms in
BFCO.
When SOC effects are included, the noncollinear magnetic vectors were initially aligned with the
different spin quantization axes, and then they rotated during the optimization procedure until
convergence to a minimum of energy, without any constraint on the symmetry (e.g., the kpoints
mesh is not restricted anymore to a symmetry-irreducible set of the primitive cell).
Calculations showed that the orbital magnetic moments for Cr3+ and Fe3+-high spin (HS) are
strongly quenched (i.e., orbital moments are very small, and hence the total magnetic moment is due to the spin) for both FiMHS and FMHS states. The orbital moments of Fe-high spin and
Cr participate to a small extent (about 1%-4%) to the total magnetic moment, while the spin
moments of Fe-high spin and Cr contribute for about 74%-86%. This effect is opposite in the
case of Fe3+-low spin, where largely unquenched magnetic orbital moments were observed.
Furthermore, magnetocrystalline anisotropy energy (MAE) shows that a saturation of the
magnetization, with a magnetic moment of about 2 μB/f.u. for FiMHS, is achieved along the easy
axis, which is perpendicular to the polarization direction [111]. Our studies on MAE show that
the physics becomes more complex for the states FiMLS, FMHS and FMLS, e.g., the easy axis
for the LS cases is parallel to the polarization direction [111] within LSDA+U and RevPBE+U
functionals, while the PBEsol+U functional gives an easy axis perpendicular to [111]. Finally, the
effect of SOC on polarization consists in an additional contribution of about 0.3 to 4.6 C/cm2 to
the polarization (of about 80 C/cm2) obtained within collinear calculations.


identifier: Khedhaouiria, Dikra  (2018). Post-traitement stochastique des précipitations journalières issues de réanalyses: application à la réanalyse CFSR au Canada.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 212 p.

subject:
réanalyses
descente d’échelle statistique
modèle spatio-temporel
modèle régional
simulation aléatoire des précipitations
reanalyses
statistical downscaling
spatio-temporal model
regional model
random simulation of precipitation

abstract:
Il est communément admis que la disponibilité de séries journalières de précipitations observées est
indispensable pour plusieurs applications. Au Canada, comme pour beaucoup d’autres pays, la densité des
stations de mesure est faible et les historiques sont courts. Le développement des modèles numériques
de temps performants au cours de ces dernières décennies offre la possibilité de se tourner vers de
nouveaux jeux de données. Les réanalyses, en particulier, présentent l’avantage d’assimiler tout au long
d’une période donnée divers types d’observations, offrant ainsi un contrôle continu de la dynamique de
l’atmosphère et donc une bonne représentation de la météorologie. Ces dernières, disponibles sur des
grilles couvrant l’ensemble du globe avec une résolution spatio-temporelle donnée, peuvent présenter
des erreurs de diverses natures (p.ex., biais, erreur de représentativité). Il est alors difficile d’utiliser
directement ces données comme proxy pour des applications nécessitant des données locales. Dans ce
contexte, le présent projet s’intéresse à post-traiter les données de précipitations journalières issues d’une
réanalyse nommée Climate Forecast System Reanalysis (CFSR), afin de proposer des séries non biaisées,
ayant des caractéristiques locales (par opposition au point de grille) et ce notamment aux endroits
dépourvus d’observations.
Le projet s’articule autour de trois axes principaux: i) analyser un modèle probabiliste basé sur
des approches de régression afin de post-traiter les précipitations journalières de la réanalyse CFSR
en se basant sur des stations d’observation; ii) intégrer la structure spatio-temporelle du processus de
précipitations dans ces mêmes modèles pour améliorer l’estimation des séries post-traitées; iii) et proposer
des champs journaliers de précipitations en combinant les modèles du second axe à des modèles spatiaux.
Le post-traitement développé donne des résultats très encourageants quant à la correction systématique
du biais des sorties de réanalyses, mais aussi concernant la représentation de plusieurs caractéristiques
locales des précipitations. Cette étude ouvre, par ailleurs, des perspectives très intéressantes
à la fois méthodologique (p.ex: implémentation pour les précipitations extrêmes), mais aussi en termes
de champs d’utilisation avec l’application de ces approches aux scénarios de modèles climatiques pour
l’analyse de l’évolution des précipitations locales sous un climat changeant.

It is widely recognized that the availability of observed daily precipitation series is essential for several
applications. The most important challenge that many countries face, including Canada, is to characterize
historical precipitation considering the low station density in many of their regions and the short sample
size. Reanalysis, generated by Numerical Weather Prediction methods assimilating past observations, is
an attractive alternative as they provide coherent, spatially and temporally continuous meteorological
fields for a specific period and domain. However, reanalysis, available on grids covering the whole globe,
present errors of various natures (e.g., bias, representativeness error) that prevent from their direct use
as a proxy for applications that require local data. In this context, the present project is interested in
post-processing the daily precipitation data from one reanalysis, Climate Forecast System Reanalysis
(CFSR), in order to propose unbiased series, with local characteristics (as opposed to grid points), even
at places without observations.
The project conducted here was organized around three major axes: i) to analyze a probabilistic
model based on regression approaches in order to post-treat the daily CFSR precipitation at sites with
observations; ii) to consider the spatio-temporal structure of the precipitation process into these same
models to improve the estimation of post-processed series at the daily scale; and (iii) to propose daily
precipitation fields by combining the second-axis models with spatial models so that to propose posttreated
daily series at each grid point of the domain.
The developed stochastically based post-treatment bring very encouraging results by systematically
correcting CFSR biases but also by providing good representation of several local characteristics of the
precipitation process. This study also opens very interesting perspectives, as regards the improvement
of the methodology (e.g., explicit implementation of the extreme precipitation) but also concerning the
enlargement of the application fields. For example, the current approach could be applied to climate
model scenarios to provide analysis of the evolution of local precipitation in a changing climate.


identifier: Durand, Audrey-Anne  (2018). Caractérisation du microbiome (bactéries et champignons) associé au dendroctone du mélèze, Dendroctonus simplex Leconte  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 170 p.

subject:
microbiome
microbiote
Dendroctonus simplex
symbiose
communautés microbiennes
diversité
séquençage à haut débit
stades de développement

abstract: Au Canada et dans le nord des États-Unis, le dendroctone du mélèze (Dendroctonus simplex LeConte) est un insecte causant d’importants dommages aux peuplements de mélèzes. Lorsque les populations sont endémiques, celui-ci s’attaque uniquement aux arbres affaiblis ou encore récemment morts. Cependant, lorsque les populations atteignent des seuils épidémiques, les adultes pionniers peuvent également s’attaquer aux arbres sains, entraînant la mort de plusieurs milliers de mélèzes. Plusieurs espèces d’insectes sont reconnues comme vecteurs d’une flore bactérienne et fongique, que l’on nomme microbiote. Ces microorganismes peuvent former un complexe symbiotique qui facilite l’établissement des insectes dans l’environnement subcortical de leur hôte, notamment par la dégradation des terpènes et l’affaiblissement du système de défense des arbres. Ce complexe serait également impliqué dans divers processus physiologiques chez les insectes, notamment au niveau de la nutrition ou encore de la protection contre certains microorganismes antagonistes. Afin de mieux comprendre l’établissement de l’insecte sous l’écorce et de trouver de nouvelles avenues de recherche en lutte biologique contre les populations de D. simplex, la caractérisation complète du microbiome associé à cet insecte a été entreprise.  Puisqu’il est connu que ces microorganismes peuvent se retrouver à la surface ou encore à l’intérieur de l’insecte, une approche expérimentale a été développée au laboratoire afin de différencier ces deux microbiotes (ecto- et endomicrobiote). Une grande diversité bactérienne et fongique a été identifiée lors de ce projet durant le cycle de développement de l’insecte. Dans un premier temps, il a été possible de constater que les microbiomes bactériens représentaient deux populations distinctes (ecto- vs endo-) chez les adultes pionniers, laissant croire à une certaine spécificité des fonctions. De plus, ces communautés se distinguent de celles des galeries, représentant le milieu immédiat de l’insecte. Par la suite, nous avons démontré que chez les adultes et les larves, les communautés fongiques sont fortement associées aux levures, alors que les pupes renferment une communauté fongique enrichie en champignons filamenteux. Les résultats suggèrent que les levures joueraient un rôle nutritionnel chez les stades actifs de l’insecte. Finalement, une succession au niveau des bactéries retrouvées en abondance au cours du développement de l’insecte a été observée.  L’ensemble des résultats obtenus nous permet de dresser un portrait global du microbiome associé au dendroctone du mélèze en fonction de son développement. Sur cette base, plusieurs fonctions ont été proposées pour ces microorganismes associés. Grâce aux isolats obtenus, il sera possible de tester ces différentes hypothèses au laboratoire lors de travaux futurs. L’identification des microorganismes associés à D. simplex ainsi que l’élucidation de leurs fonctions au sein d’un éventuel complexe symbiotique permettra, à plus long terme, de trouver de nouvelles cibles pour lutter contre ce ravageur forestier.


identifier: Dridi, Slimane  (2018). Identification d’ul24.5, une nouvelle protéine du virus de l’herpès simplex de type-1 impliquée dans la neuropathogénèse  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, doctorat en immunologie et virologie, 165 p.

subject:
VHS-1
UL24.5
UL24
pathogénèse virale
neuropathogénèse virale
cellules épithéliales polarisées
viral pathogenesis
viral neuropathogenesis
polarized epithelial cells

abstract:
Le virus de l'herpès simplex (VHS-1) infecte les cellules épithéliales de la muqueuse où celui-ci se réplique. Le virus va ensuite infecter les terminaisons nerveuses et établir sa latence dans les ganglions nerveux sensitifs.
Le gène ul24 est conservé dans toute la famille des Herpesviridae et la protéine pUL24 est importante pour une réplication virale efficace et pour la pathogenèse in vivo. Il y a plusieurs transcrits exprimés à partir du gène ul24. La présence d'un site d’initiation interne à l’ORF UL24 dans le cadre de lecture ouvert d’ul24 et d'un codon d’initiation à la traduction ATG plus en aval dans le même cadre de lecture ouvert nous a fait suspecter qu'une autre protéine pourrait être exprimée à partir du locus ul24. Pour tester notre hypothèse, nous avons construit un virus recombinant qui exprime une étiquette d'hémagglutine (HA) à l'extrémité C-terminale de pUL24. L'analyse de l’expression protéique par immunobuvardage de type western a révélé l'expression d'une protéine de 17 kDa qui n'est pas un produit de dégradation de pUL24 pleine longueur. Afin de caractériser le rôle de la protéine nouvellement découverte nommée pUL24.5, nous avons construit un virus mutant codant pour une substitution de la méthionine d'initiation prédite par une valine (M122V). Cette substitution a éliminé l'expression du polypeptide de 17 kDa. Le mutant négatif UL24.5 présentait le même phénotype de réplication in vitro que la souche sauvage parentale. En revanche, l'absence de pUL24.5 au cours de l'infection in vivo a induit la persistance de maladie périoculaire et une augmentation de l'incidence de sévères troubles neurologiques. L'alignement des séquences d'acides aminés des protéines orthologues de pUL24 à travers les herpèsvirus a révélé que le codon d'initiation de la traduction de pUL24.5 est conservée parmi la souche VHS-1 (répertoriées sur NCBI) et, est présente dans de nombreux herpesvirus.  Enfin, nous avons utilisé un modèle de cellules épithéliales polarisées (CEP) pour étudier l'infection apicale (IA) ou basolatérale (IB) suite à l’infection par le VHS-1. Pour ces expériences nous avons utilisé les cellules Caco-2. Les mesures de résistance transépithéliale (TEER) et l'analyse par microscopie électronique ont confirmé la différenciation et la polarisation de la monocouche cellulaire. Pour évaluer le rôle de pUL24 et de pUL24.5 dans la réplication du VHS-1 dans les CEP, nous avons réalisé des IA ou des IB à forte MOI avec différents virus: le virus KOS de type sauvage, ou le virus déficient en UL24 nommé UL24X, ou le virus "Rescue" (vUL24X-Rescue) ou le virus déficient UL24.5 nommé vBAC_UL24.5negHA, ou le virus "Rescue" vBAC_UL24.5negHA-Rescue. Nous avons mesuré les titres viraux dans les différentes chambres suite aux différentes infections (IA ou IB). Les résultats ont montré qu'il n'y a pas de différence significative entre les titres viraux pour les virus KOS, vUL24X, vUL24Xrescue, vBAC_UL24.5negHA et vBAC_UL24.5negHA-Rescue lors de l’IA des CEP. En comparaison, en l'absence de pUL24, nous avons observé jusqu'à 10 fois la réduction des titres viraux par rapport à KOS, ce qui est similaire à la réduction observée pendant l'infection des cellules non polarisées. Fait intéressant, la réduction de 10 fois au cours de l’IB par vUL24X a été observée principalement dans la chambre apicale. En conclusion, nous avons découvert un rôle pour le site d'initiation à la transcription interne à l'ORF UL24, impliqué dans l'expression de la nouvelle protéine découverte, pUL24.5. Des expériences in vivo avec vBAC_UL24.5negHA ont montré qu'en l'absence de pUL24.5, il existe une persistance prolongée des signes inflammatoires ainsi qu'une augmentation de l'incidence de troubles neurologiques sévères. Ainsi, pUL24.5 est un nouveau déterminant pour la pathogénèse du VHS-1. Les expériences d'infection dans les CEP ont montré que, comme dans les cellules épithéliales non-polarisées, pUL24.5 n'était pas important pendant la réplication du VHS-1. En revanche, l'absence de pUL24 semble affecter spécifiquement l’IB par le VHS-1 et en particulier la sortie apicale des virions néo-synthétisés. Cependant, l'impact de la perte de pUL24 était de la même ampleur que celui observé dans les cellules non-polarisées.

Herpes simplex virus (HSV-1) infects the host via epithelia and spreads to sensory neurons where latency is established. The ul24 gene is conserved throughout the Herpesviridae family, and the UL24 protein is important for efficient viral replication and in pathogenesis. There are multiple transcripts expressed from the ul24 gene. The presence of a transcription start site within the open reading frame of ul24 (ORF UL24) and of a potential start codon ATG further downstream in the same open reading frame led us to suspect that another protein was expressed from the ul24 locus. To test our hypothesis, we constructed a recombinant virus that expresses a hemagglutin-tag at the C-terminus of pUL24. Western blot analysis revealed the expression of a 17 kDa protein that is not a degradation product of full-length pUL24. In order to characterize the role of the newly discovered protein referred to as pUL24.5, we constructed a mutant virus encoding a substitution of the predicted initiation methionine to a valine. This substitution eliminated expression of the 17 kDa polypeptide. The UL24.5 negative mutant exhibited the same replication phenotype in vitro as the parental strain. In contrast, the absence of UL24.5 during infection in vivo led to a prolonged period of periocular disease and an increase in the incidence of severe neurological impairment. Alignment of amino acid sequences for various herpesviruses revealed that the initiation methionine of UL24.5 is conserved among HSV-1 strains and is present in many alphaherpesviruses.  Finally, we used a model of polarized epithelial cells (Caco-2) to study basolateral infection and apical infection by HSV-1. Measurements of transepithelial resistance (TEER) and electron microscopy analysis have confirmed the differentiation and polarization of the cell monolayer. To evaluate the role of pUL24 and pUL24.5 in the replication of HSV-1 in polarized epithelial cells, we carried out apical or basolateral infections at a high MOI with different viruses: the wild-type KOS virus, or the UL24-deficient virus named UL24X, or the "Rescue" virus (vUL24X-Rescue) or the UL24.5 deficient virus named vBAC_UL24.5negHA, or the virus "Rescue" vBAC_UL24.5negHA-Rescue. We measured the viral titers in the different chambers following apical or basolateral infection. The results showed that there was no significant difference between virus titers for KOS, vUL24X, vUL24Xrescue, vBAC_UL24.5negHA and vBAC_UL24.5negHA-Rescue viruses upon apical infection of the polarized cells. In comparison, upon basolateral infection in the absence of pUL24, we observed up to a 10-fold reduction of viral titers as compared to KOS, which is similar to the reduction observed during infection of non-polarized cells. Interestingly, the 10-fold reduction during basolateral vUL24X infection was observed mainly in the apical chamber.
In conclusion, we have discovered a role for the transcription initiation site within the ul24 ORF namely the expression of the pUL24.5 protein, which we have recently discovered. In vivo experiments with vBAC_UL24.5negHA have shown that in the absence of pUL24.5, there is a prolonged persistence of inflammatory signs as well as an increase in the incidence of severe neurological disorders. Thus, pUL24.5 is a new HSV-1 determinant of pathogenesis. The infection experiments in polarized cells showed that, just like in non-polarized epithelial cells, pUL24.5 was not important during HSV-1 replication. In contrast, the absence of pUL24 seemed to specifically affect basolateral infection with HSV-1, particularly with regard to apical egress of neo-synthesized virions. However, the impact of the loss of pUL24 was of the same magnitude as that observed in non-polarized cells.