identifier: Morier, Thomas  (2015). Suivi intrasaisonnier du statut azoté et estimation des rendements de la culture de la pomme de terre à l’aide de la télédétection proximale hyperspectrale.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 135 p.

subject:
télédétection proximale hyperspectrale
suivi intrasaisonnier
azote
fertilisation
pomme de terre
cultivar Russet Burbank
indices de végétation hyperspectraux

abstract:
La pomme de terre représente une culture d’une importance économique considérable au Québec avec des recettes monétaires à la ferme ayant atteint près de 120 millions de dollars en 2012. L’azote (N) étant considéré comme le pivot de la fertilisation de la pomme de terre, une gestion adéquate des engrais azotés s’avère essentielle afin d’optimiser le rendement en tubercules, la qualité de la production et l’efficacité des engrais azotés. La pratique courante en matière de fertilisation azotée consiste à appliquer une dose uniforme de N même si la disponibilité de N est reconnue comme étant variable et dynamique à l’intérieur d’un même champ agricole. L’absence d’une méthode rapide et économique permettant la caractérisation de la variabilité spatiotemporelle de l’azote est à l’origine de cette pratique.
L’avènement de la télédétection en agriculture de précision a permis d’utiliser la plante comme un indicateur biologique des conditions environnementales prévalant durant la saison de croissance. Les mesures de télédétection permettraient de résoudre une partie de la problématique liée à la caractérisation du statut azoté de la culture de la pomme de terre. Toutefois, les longueurs d’onde optimales pour le suivi intrasaisonnier du stress azoté et des rendements sont inconnues pour le cultivar Russet Burbank dans le contexte pédoclimatique québécois. Ce projet présente la télédétection proximale hyperspectrale comme une méthode adaptée pour l’identification des longueurs d’onde et des indices de végétation les plus appropriés à la détection du stress azoté de la pomme de terre.
Pour ce faire, une étude a été réalisée en 2011 et 2012 dans des parcelles expérimentales d’un champ de pommes de terre irriguées à Sainte-Catherine-de-la-Jacques-Cartier (46,84°N, 71,64°W). Cinq doses de N, i.e. 0, 60, 120, 200 et 280 kg N ha-1, ont permis d’induire différentes concentrations en N dans la plante. Des mesures de réflectance hyperspectrale ont été acquises au cours des deux saisons de croissance. L’analyse de la variance des indices de végétation hyperspectraux (IVH) a permis d’identifier ceux discriminant le mieux les différents statuts azotés de la culture de la pomme de terre, et ce sur une base temporelle à différents stades de croissance.
Les IVH utilisant la réflectance dans la région spectrale du red edge se sont avérés les plus performants dans l’évaluation du statut azoté de la culture et du rendement en tubercules. Cette étude a démontré qu’à partir d’environ 50 jours après la plantation, il serait possible de recourir à la télédétection proximale hyperspectrale pour un suivi rigoureux du statut azoté de la culture de la pomme de terre.
Les IVH utilisant la réflectance dans la région spectrale du red edge se sont avérés les plus performants dans l’évaluation du statut azoté de la culture et du rendement en tubercules. Cette étude a démontré qu’à partir d’environ 50 jours après la plantation, il serait possible de recourir à la télédétection proximale hyperspectrale pour un suivi rigoureux du statut azoté de la culture de la pomme de terre.


identifier: Naulier, Maud  (2014). Développement de séries isotopiques et reconstitution de la température estivale du dernier millénaire à partir de tiges subfossiles du nord québécois.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 237 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
cernes de croissance
épinettes noires
paramètre climatique
rapports isotopiques
climat
millénaire
géochimie des isotopes
tiges vivantes
tiges subfossiles
forêt boréale
nord québécois

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 données climatiques disponibles pour le Nord-est du Canada sont limitées aux données
instrumentales dont la période couverte n’excède pas soixante ans. Pour combler ce manque
de données et comprendre la dynamique du climat de cette région, nous avons utilisé les
séries isotopiques du carbone et de l’oxygène (δ13C et δ18O) contenues dans les cernes de
croissance d’épinettes noires de la forêt boréale comme indicateurs du climat dans le but de
le reconstituer sur le dernier millénaire.
La première partie de ce projet repose sur la détermination de la variabilité intra- et inter-arbre
des séries isotopiques contenues dans quatre épinettes noires riveraines d’un lac
boréal (lac L20), et sur la caractérisation de la relation entre ces séries isotopiques et divers
paramètres climatiques (articles 1 et 2). L’étude menée sur les séries δ13C et δ18O provenant
de deux hauteurs d’échantillonnage (1 et 4 m) a mis en évidence le fait que ces séries
montraient des variabilités statistiquement similaires et que la combinaison des deux
hauteurs permettait de mieux rendre compte du registre isotopique représentatif du site
d’étude. Ces observations indiquent que combiner les séries isotopiques provenant d’arbres
vivants et de tiges subfossiles (dont la hauteur d’échantillonnage est inconnue et variable
entre les arbres) n’introduira pas de fausses tendances à l’échelle du millénaire (article 1).
Le calcul des corrélations statistiques (R Pearson) entre les séries isotopiques et divers
paramètres climatiques (température, précipitations, humidité, etc.) a permis de déterminer
les principaux paramètres climatiques qui contrôlent l’assimilation des isotopes par l’arbre
dans le nord-est du Canada. Les résultats ont démontré que les valeurs δ13C étaient plus
sensibles que les séries δ18O aux variations de la température estivale et de l’indice du déficit
de pression de vapeur estivale ainsi que des précipitations printanières. Les séries δ18O
quant à elles, répondent mieux aux températures maximale et moyenne, à l’indice climatique
(somme précipitations - moyenne des températures maximales) et aux précipitations d’été
(article 1). Les plus fortes corrélations ont été obtenues tout au long de la période
instrumentale (corrélations de Pearson en fenêtre de 9 ans) et des problèmes de divergence
ont été mis en évidence. En effet, les séries δ13C ne corrèlent plus après 1975 à la
température estivale qui a fortement augmenté sur les dernières décennies. Après les
années 1990, les séries δ13C ne corrèlent plus avec les précipitations printanières qui ont
oscillé entre stabilité et décroissance depuis lors. Les séries δ18O montrent une baisse alors que la température augmente fortement après les années 2000, ce qui témoigne d’une
divergence tardive. Ainsi, cette première partie de la recherche a permis de démontrer que la
série δ18O était un meilleur indicateur que la série δ13C pour reconstituer la température
maximale sur le dernier millénaire pour le nord-est canadien (article 2).
La deuxième partie de la thèse est centrée sur la production de la série δ18O millénaire et
la reconstitution de la température maximale estivale (article 3). Grâce à une sélection
visuelle et la détermination du coefficient lignine-cellulose des tiges subfossiles, il a été possible
de déterminer qu’elles étaient bien conservées et que leur intégrité isotopique était
préservée. Afin d’obtenir une résolution annuelle avec un nombre de réplicas suffisants sur le
millénaire la méthode existante de découpe de cernes par cohortes a été adaptée et
optimisée. Ainsi, 230 tiges subfossiles et 5 troncs d’arbres vivants ont été découpés afin de
produire une série isotopique millénaire (997-2006).
Les températures ont été reconstituées en couplant les résultats obtenus par les modèles
de régression linéaire simple et de linear scaling. La série climatique résultante a conservé
64% de la variance observée et elle a une variabilité totale de 2.6°C. La qualité de notre
reconstitution ont été mises en évidence par de nombreuses ressemblances avec des
reconstitutions basées sur des séries de cernes (nord-est du Canada, Fennoscandie, ouest
du Canada) et d’autres se basant sur des indicateurs indépendants (varves, glaciers,
pollens). Trois périodes climatiques contrastées ont été identifiées : une chaude (997-1250)
attribuée à la période médiévale, une froide (1450-1880) correspondant au Petit Âge glaciaire
et enfin, la période moderne (1950-2000) relativement froide avec un fort réchauffement sur
les trois dernières décennies. Un des résultats majeurs de cette étude est d’avoir confirmé
que la période médiévale a été la période la plus chaude de ce dernier millénaire (+0.2°C que
le dernier siècle). De plus, nous suggérons que les passages des périodes froides aux
périodes chaudes du dernier millénaire ont été causés par le forçage solaire, et que la
période froide du Petit Âge glaciaire correspondait à la période de chevauchement entre
plusieurs épisodes volcaniques (éruptions inconnue de 1809, du Tambora en 1815 et du
Cosigüina en 1835) et le minimum solaire de Dalton.

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. Climatic data available for northeastern Canada are limited to instrumental records which do
not cover more than sixty years. In order to fill this gap and understand climate dynamics in
this area, carbon and oxygen isotopic series (δ13C and δ18O) from annual growth rings of
boreal black spruce trees have been used as proxies of climate in order to reconstruct
summer temperatures over the last millennium.
The first objective of this research was to determine the inter- and intra-tree variability of
isotopic series contained in five riparian black spruce trees along a boreal lakeshore (L20
lake), and to characterize the relationships between isotopic series and several climatic
parameters (1st and 2nd articles). The δ13C and δ18O series obtained from two different
sampling heights (1 and 4 m) vary similarly, and their combination has produced a reliable
isotopic series representative of the study site. These observations indicate that combining
isotopic series from living trees and subfossil stems (unknown and variable sampling heights)
would not introduce false trends when used for the millennium reconstruction.
The statistical correlations (R Pearson) between isotopic series and several climatic
parameters (temperature, precipitation, humidity, etc.) have permitted determining the main
parameters controlling the isotopic assimilation in northeastern Canada trees. Results have
demonstrated that δ13C values significantly correlate with summer temperature and vapor
pressure (vapor pressure deficit index), and spring precipitation. The δ18O series strongly
correlates with summer maximal and mean temperatures, climatic index and precipitation (1st
article). We have also analyzed the highest correlations over the instrumental period (9-years
moving window) and have highlighted divergence problems. The δ13C series diverged from
summer temperature, which strongly increased after 1975, and with spring precipitation
which decreased since 1990. The δ18O series has decreased whereas the temperatures
have strongly increased since 2000, indicating a late divergence. As a consequence, this first
part of the research has permitted to demonstrate that the δ18O series constitutes the best
proxy for the maximal temperature reconstruction over the last millennium for northeastern
Canada.
The second part of the research is centered on the production of a millennial δ18O series
and the reconstruction of the maximal temperature (3rd article). With a visual screening of
subfossil stem segments and the estimation of the lignin-cellulose isotopic difference (lignin cellulose), it has been possible to determined that the isotopic integrity of the subfossil tree rings
was well preserved. In order to obtained the maximal replication and annual resolution, the
previously proposed cohort sampling method has been adapted and optimized. In total, 230
subfossil stems and five living trees have been sampled in order to produce the millennial
isotopic series (997-2006).
Maximum summer temperature has been reconstructed using the average result from the
linear regression and linear scaling models. The final climatic series reproduces 64% of the
observed variance, with 2.7°C variability over the millennium. The robustness and validity of
the reconstruction have been highlighted by its similarities with reconstructions based on
tree-ring (northeastern Canada, Fennoscandia, and western Canada) and other ones using
independent proxies (varve, ice core and pollens). Three contrasted climatic periods have
been identified: a warm one (~997-1250) attributed to the medieval warm period, a cold one
(~1450-1880) corresponding to the little ice age, and the modern period (1900-2000)
generally cold, but warming during the last three decades. One of the main findings is that
the medieval period has been the warmest over the last millennium (+0.2°C than the last one)
in the studied region. Moreover, our reconstruction suggests that the alternation of cold and
warm periods could have been mainly controlled by changing solar radiations, and that the
coldest period of the little ice age seems to be linked to the combined effects of the Dalton
solar minima and successive volcanic eruptions (unknown 1809, Tambora 1815 and
Cosigüina 1835).


identifier: Peel, Morgan  (2014). Investigation géologique et géochimique des relations entre un réservoir pétrolier et un aquifère superficiel dans le secteur Haldimand, Gaspé.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 286 p.

subject:
caractérisation hydrogéologique
géologie
géochimie
eaux souterraines
aquifère superficiel
réservoir pétrolier
Haldimand
Gaspé
Québec
hydrocarbures

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.
Une caractérisation des conditions hydrogéologiques à Haldimand, Gaspé, a été initiée
par le Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les
Changements climatiques (MDDELCC) en 2013. Cette caractérisation avait pour but de
définir le contexte hydrogéologique du secteur Haldimand et d’évaluer qualitativement
le risque envers la qualité des eaux souterraines des activités pétrolières à Haldimand,
particulièrement par rapport au futur forage exploratoire Pétrolia Haldimand no 4.
La majorité des travaux présentés dans ce mémoire a été effectuée dans le cadre de
cette étude, et visait deux objectifs principaux : 1) dresser un portrait géochimique
représentatif des eaux souterraines autour du site Haldimand no 4, ainsi que de
comprendre les mécanismes contrôlant la chimie des eaux et; 2) définir les interactions
entre les systèmes hydrogéologiques superficiel et profond à partir de données
géologiques (structure, pressions de réservoir) et géochimiques.
La réalisation de ce mémoire est basée sur 1) des analyses chimiques sur des
échantillons d’eau prélevés par le MDDELCC au courant de l’été et de l’automne 2013;
2) des puits d’observation et des données provenant d’une étude hydrogéologique
antérieure réalisée par TechnoRem entre 2011 et 2012; 3) des analyses chimiques
spécialisées des composés organiques dans les eaux souterraines et dans trois
suintements d’hydrocarbures, effectuées par la Commission géologique du Canada
(CGC) en 2012 et 2013; 4) des diagraphies réalisées par la CGC dans des puits
d’observation en 2012; 5) des données structurales, tant en surface qu’en profondeur,
ainsi que des données de pression de réservoir obtenues de la compagnie Pétrolia.
Les données structurales montrent que le roc superficiel est caractérisé par une
fracturation naturelle bien développée, avec des fractures montrant une variété
d’orientations différentes. L’écoulement de l’eau souterraine est contrôlé par les
fractures, et l’essentiel de la fracturation se concentre dans les premières dizaines de
mètres sous la surface du roc (∼ 30 m), alors que la majorité des fractures
hydrauliquement actives se concentre dans les premiers 15 m à 20 m du roc. En plus
grande profondeur, les données de diagraphies mettent en évidence un patron de fracturation distinct de celui retrouvé en surface. La discontinuité de la géométrie de la
fracturation et la disparition des fractures subhorizontales en profondeur suggèrent que
le réseau de fractures ne constitue vraisemblablement pas une voie continue entre le
réservoir pétrolier et la surface. De plus, les surpressions de fluide enregistrées dans le
réservoir pétrolier ainsi que l’accumulation d’hydrocarbures indiquent que le réservoir
pétrolier est isolé hydrauliquement par rapport à l’aquifère superficiel.
Le traitement statistique multivarié des données géochimiques a permis de séparer les
différentes eaux échantillonnées en deux grands ensembles, contenant chacun quatre
groupes d’eaux distincts. Le premier ensemble regroupe les eaux plutôt peu évoluées
et peu chargées chimiquement, généralement de type Ca-HCO3 ou Na-HCO3, alors que
le second regroupe des eaux plus évoluées et généralement plus chargées, de type
Na-HCO3 et Na-Cl. Il existe une très grande variabilité dans la géochimie de l’eau
souterraine, surtout considérant la taille restreinte de la péninsule. L’interprétation des
paramètres géochimiques ainsi que l’analyse en composantes principales (ACP) ont
permis de définir trois pôles géochimiques à partir desquels il a été possible de
caractériser les principaux processus géochimiques contrôlant la chimie des eaux
souterraines. En plus de la dissolution des carbonates, les principales voies d’évolution
géochimique semblent être l’échange ionique Na-Ca et le mélange avec des eaux
marines diluées de type Na-Cl. Les données géochimiques montrent également que la
qualité des eaux est généralement très bonne à Haldimand, et très peu de
dépassements de critères de santé ou esthétiques sont observés dans les échantillons.
Une caractérisation exhaustive de la composition chimique et isotopique des gaz
dissous montre que la majorité du méthane retrouvé dans les eaux souterraines est
biogénique, bien qu’une composante thermogénique soit retrouvée au niveau de
certains puits d’observation. Les plus fortes concentrations de méthane sont associées
aux eaux les plus évoluées, et reflètent les conditions méthanogènes réductrices
présentes dans ces eaux. Même si des suintements d’hydrocarbures sont localement
présents en surface, l’analyse d’autres composés organiques indique que la qualité des
eaux n’est pas significativement altérée, puisque seules de très faibles concentrations
de composés organiques ont été retrouvées dans les eaux souterraines.
Les concentrations des différents indicateurs de temps de résidence de l’eau
souterraine (CFC, SF6, 3H, 14C) sont très variables dans le secteur d’étude. Les eaux
les plus évoluées de type Na-HCO3 et Na-Cl sont généralement caractérisées par de
plus faibles concentrations ou activités de traceurs d’eau jeune (CFC, SF6, 3H) que les
eaux de recharge de type Ca-HCO3. Cependant, des concentrations non négligeables
de traceurs modernes sont retrouvées même dans les eaux les plus évoluées, indiquant
qu’un certain mélange d’eaux plus anciennes avec des eaux juvéniles se produit même
en dehors des zones de recharge préférentielle. Les composantes d’eaux les plus
anciennes sont néanmoins peu chargées chimiquement; leur présence n’est donc pas
indicative d’un apport d’eaux très profondes et salines dans l’aquifère superficiel.
Cette étude a montré qu’il existe peu d’interactions évidentes entre les systèmes
hydrogéologiques superficiel et profond dans la zone d’étude. Les signatures
géochimiques observées sont compatibles avec une évolution superficielle des eaux
souterraines, avec localement des apports d’eaux plus salines et anciennes, mais
vraisemblablement d’origine relativement peu profonde. Si l’isolement hydraulique du
réservoir par rapport à la surface est maintenu pendant les opérations pétrolières, la
remontée d’éventuels contaminants pétroliers par des voies de cheminement
préférentiel naturelles semble très peu probable. Le risque environnemental envers les
eaux souterraines serait ainsi relié aux activités en surface, aux fuites à travers la
cimentation et le coffrage du puits, et éventuellement aux fuites à travers des puits
abandonnées pénétrant le réservoir pétrolier.
Il existe cependant encore des lacunes dans la compréhension de l’impact d’émissions
de contaminants en profondeur sur les eaux souterraines dans l’aquifère superficiel. Il
est encore nécessaire de mettre en place des moyens de suivi adéquats des opérations
pétrolières, notamment dans l’éventualité de fracturation hydraulique, ainsi que de
vérifier l’état des puits abandonnés dans les environs. Néanmoins, un suivi serré des
opérations pétrolières futures permettrait de mitiger le niveau de risque
environnemental envers les eaux souterraines dans le secteur Haldimand.

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.A hydrogeological assessment of the Haldimand sector, Gaspé, was initiated by the
Quebec Environment Ministry (Ministère du Développement durable, de
l’Environnement et de la Lutte contre les Changements climatiques, MDDELCC) in
2013. The objective of this assessment was to define the hydrogeological context of the
Haldimand sector and to qualitatively evaluate the risk to groundwater quality related to
petroleum industry activities in Haldimand, notably the planned Pétrolia Haldimand No.
4 horizontal borehole.
Most of the work presented in this thesis was carried out in the context of this study, and
two main objectives were set: 1) to provide a representative portrait of groundwater
geochemistry around the Haldimand No. 4 drill site and to understand the main controls
on groundwater chemistry, and; 2) to define possible interactions between shallow and
deep groundwater flow systems based on geological and geochemical data.
The work presented in this thesis was accomplished using 1) chemical analyses on
water samples collected by the MDDELCC during summer and autumn 2013; 2)
observation wells and data from an earlier hydrogeological study realized by
TechnoRem between 2012 and 2013; 3) specialized analyses of organic compounds in
groundwater and in three hydrocarbon seeps, carried out by the Geological Survey of
Canada (GSC) in 2012 and 2013; 4) well log data from observation wells, collected by
the GSC in 2012; 5) surface and subsurface structural data, as well as reservoir
pressure data obtained from Pétrolia.
Structural data show that the superficial bedrock is characterized by a well-developed
fracture system, with fractures showing a variety of different orientations. Groundwater
flow is controlled by theses fractures, the majority of which are found within the first few
tens of meters below the surface of the bedrock (∼ 30 m), whereas the majority of
hydraulically active fractures are found between the first 15 m to 20 m of the bedrock.
Well-log data show that a distinct fracture pattern from the one at the surface is found at
greater depths. Discontinuous fracture geometry as well as the disappearance of subhorizontal
fractures at depth both suggest that the fracture network does not likely
constitute a continuous path between the oil reservoir and the surface. Furthermore, an
overpressured reservoir and the accumulation of hydrocarbons show that the oil
reservoir is hydraulically isolated from the near-surface aquifer.
Multivariate statistical analysis of geochemical data allowed the classification of
groundwater samples in two main categories, each containing four distinct water
groups. The first category groups together rather non-evolved and fresh Ca-HCO3 or
Na-HCO3 waters, whereas the second category contains more evolved and saline
waters, with Na-HCO3 and Na-Cl signatures. Quite wide variations in groundwater
geochemistry were observed, especially considering the relatively small size of the
study area. Three geochemical end-members were defined based on the interpretation
of major ion data and through principal components analysis (PCA); from these end-members,
it was possible to evaluate major geochemical processes controlling
groundwater chemistry. In addition to carbonate dissolution, groundwater evolution
seems to be controlled mainly by Na-Ca cation exchange and mixing of recharge waters
with diluted Na-Cl waters. Geochemical data also show that groundwater quality is
usually very good in the study area, and exceedances of groundwater quality standards
were rarely observed in water samples.
A comprehensive characterization of the chemical and isotopic composition of dissolved
gases shows that methane found in groundwater is mainly biogenic, although a small
thermogenic component is found at certain observation wells. Highest methane
concentrations are associated with more evolved waters, and reflect reducing
methanogenic conditions in these waters. Although hydrocarbon seeps are found locally
at the surface, analysis of other organic compounds shows that groundwater quality is
not significantly altered, since only small concentrations of organics were detected in
water samples.
Concentrations of groundwater residence time indicators (CFCs, SF6, 3H, 14C) are highly
variable in the study area. More evolved Na-HCO3 and Na-Cl waters usually exhibit
lower concentrations of ‘young’ age tracers (CFCs, SF6, 3H) than Ca-HCO3 recharge
waters. Nevertheless, appreciable concentrations of modern tracers are found even in
more evolved waters, suggesting that a certain degree of mixing of pre-modern and of juvenile waters occurs, even outside preferential recharge areas. The oldest
groundwater components are nevertheless relatively dilute waters; their presence in
sampled waters is therefore not indicative of the migration of deep and saline waters to
the near-surface aquifer.
This study has shown that there are little obvious interactions between shallow and
deep groundwater flow systems in the study area. Geochemical signatures are
compatible with a near-surface evolution of groundwater, with local inflow of older and
more brackish water of relatively shallow origin. If the reservoir remains hydraulically
isolated from the surface throughout future petroleum operations, the migration of
contaminants to the surface through natural preferential pathways seems very unlikely.
Environmental risk to groundwater rather seems related to surface activities, leakage
through the casing and the cement of the oil well, and leakage through abandoned wells
that penetrate the oil reservoir.
However, the impact of potential contaminant emissions from the subsurface is not fully
understood. Adequate monitoring approaches need to be put in place, notably if
hydraulic fracturing activities are to be undertaken. Moreover, the quality of the
decommissioning of abandoned wells penetrating the reservoir should be verified.
Nevertheless, a tight monitoring of future oil operations would mitigate the level of
environmental risk towards groundwater in the Haldimand sector.


identifier: Yadav, Jay Shankar Singh  (2014). La production de protéines unicellulaires, caractérisation et récupération des protéines de lactosérum du lactosérum fermenté.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 421 p.

subject:
protéine unicellulaire
lactosérum
production
fermentation
récupération
protéines de lactosérum résiduelles
protéines de lactosérum solubles
K. marxianus
Candida krusei
β-galactosidase
biomasse

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 lactosérum est un coproduit de la fabrication du fromage qui contient environ 55% des nutriments résiduels du lait. La présence de ces nutriments mène à une demande chimique en oxygène élevée (DCO), allant de 60 à 80 g/L, ce qui restreint le rejet direct du lactosérum dans les cours d’eau. D’un autre côté, la présence des nutriments comme le lactose, les protéines, les lipides et minéraux font du lactosérum une ressource pour la transformation et la production d’une grande variété de produits à valeurs ajoutées. Ces produits sont la poudre de lactosérum, les protéines de lactosérum, le bioéthanol, les biopolymères, les enzymes, le méthane, les protéines unicellulaires (PU) et les probiotiques. Parmi ces produits à valeurs ajoutées, la transformation du lactosérum et de son perméat en produits protéinés comme les PU est attrayante et de grande valeur puisqu’elle demande un simple procédé de biotransformation en réduisant simultanément la charge polluante. Cependant, la tendance pour la production de PU est d’utiliser uniquement le perméat. La séparation des protéines du lactosérum s’effectue par précipitation ou par filtration membranaire. La présence du lactose dans le lactosérum est un obstacle dans les deux procédés de séparation. Par ailleurs, le coût de récupération élevé et les faibles volumes disponibles font en sorte qu’il est difficile pour certaines industries d’appliquer les deux procédés séparément (c.a.d. la séparation des protéines de lactosérum et le traitement du perméat). Pour ces raisons, la biotransformation du lactosérum non-traité en biomasse pourrait être un meilleur choix pour l’utilisation du lactosérum que la biotransformation du perméat. Par la suite, les protéines résiduelles du lactosérum fermenté pourraient être récupérées facilement par précipitation ou par filtration membranaire. Les protéines récupérées pourraient être mélangées avec de la biomasse ou utilisées séparément. Donc, le but de cette étude était la production de PU de grade alimentaire, la caractérisation des protéines résiduelles et leur récupération en maintenant un équilibre entre le rendement et l’efficacité de l’enlèvement de la DCO.
La fermentation du lactosérum par Kluyveromyces marxianus s’est déroulée à 40 °C et pH 3,5 afin d’examiner simultanément la production de PU et l’enlèvement de la DCO, ainsi que pour déterminer les caractéristiques et le sort de la fraction des protéines solubles du lactosérum de même que caractériser les métabolites intermédiaires. Lors de la fermentation de type « batch », le rendement de biomasse obtenu (Yx/s) était de 0,12 g de biomasse/g de lactose avec une réduction de la DCO de 55% (protéines incluses), tandis que la concentration de protéines
solubles du lactosérum a diminué de 5,6 à 4,1 g/L. L’électrophorèse a révélé que les protéines fermentées étaient différentes des protéines présentes au départ. Une analyse chromatographique a démontré un changement dans la composition des composés organiques après fermentation. Une fermentation continue avec un système de recyclage de cellules a résulté en un rendement de 0,19 g de biomasse/g lactose et une productivité de 0,26 g/L/h. L’efficacité de l’enlèvement de la DCO était de 78-79% avec une concentration de protéines résiduelles de 3,8-4,2 g/L.
Les levures ont été séparées du bouillon fermenté de la fermentation continue par centrifugation. Les protéines solubles résiduelles du surnageant de lactosérum fermenté (SLF) ont été précipitées par traitement à la chaleur (100 °C, pH 3,5 et 10 minutes de temps d’incubation) sous agitation. Le résultat de ce traitement a donné une récupération de 68% des protéines solubles résiduelles et un enlèvement simultané de la DCO résiduelle de 62%. Plus tard, le procédé en deux étapes de précipitation/coagulation des protéines solubles en combinaison avec le carbométhylcellulose (CMC) (traitement thermique suivi de la précipitation par CMC) a permis d’augmenter à 81% la récupération des protéines du total des protéines solubles du SLF.
La fermentation discontinue d’une monoculture (K. marxianus) et d’une culture mixte (K. marxianus et C. krusei) à des conditions extrêmes (40 °C et pH 3,5) a démontré de meilleurs résultats pour la culture mixte. En effet, une efficacité d’enlèvement de la DCO de 9% supérieure a été obtenue avec un rendement de biomasse supérieur de 19% et une productivité augmentée de 33%. L’enlèvement maximal de la DCO, 80%, (incluant les protéines résiduelles) a été obtenu à 24 heures de temps de rétention hydraulique (TRH) avec une productivité en biomasse de 0,17 g/L/h. Cependant, la productivité maximale de biomasse, soit 0,38 g/L/h et un enlèvement de 34% de la DCO ont été obtenus pour un TRH de 6 heures. Lors de la comparaison des cultures, le contenu en lysine de la biomasse de la culture mixte était plus élevé que celui de la biomasse de la monoculture.
Les cellules de levure K. marxianus ont été perméabilisées avec un détergent anionique, non toxique et biodégradable, le N-lauroyl sarcosine (N-LS), pour déterminer l’activité enzymatique intracellulaire de la β-galactosidase. Les paramètres du procédé de perméabilisation (la concentration de N-LS, le volume de solvant, la température et le temps d’incubation) ont été optimisés. L’activité enzymatique maximale de la β-galactosidase, 1220 IU/g de biomasse sèche, a été obtenue sous des conditions optimales. Les cellules perméabilisées ont par la suite
été évaluées pour leur capacité à hydrolyser le lactose du lactosérum. Le meilleur résultat pour l’hydrolyse du lactose, 91%, a été observe à 600 mg (poids sec de cellules/100 mL) dans une solution de poudre de lactosérum (5% p/v) à pH 6,5 et 30 °C pendant un temps d’incubation de 180 minutes. L’hydrolyse simultanée du lactose du lactosérum pour l’amélioration de la croissance de la levure Saccharomyces cerevisiae, une levure qui ne consume pas le lactose, a été évaluée avec les cellules perméabilisées de K. marxianus. La levure S. cerevisiae peut croître dans le lactosérum hydrolysé par K. marxianus en culture mixte.
La biomasse de levure a été traitée en deux étapes avec une combinaison de produits chimiques (N-LS et NH4OH) pour réduire la teneur en acide nucléique afin d’obtenir des PU de qualité alimentaire. La combinaison de produits chimiques a réduit efficacement le contenu en acide nucléique sous 2% avec un relâchement externe simultané de nucléotides. Finalement, les caractéristiques et la récupération des protéines solubles résiduelles de lactosérum dans leur état natif ont été évaluées. La fraction des protéines de lactosérum fermenté est différente des protéines natives du lactosérum et sont partiellement hydrolysées lors de la fermentation. Les paramètres opérationnels d’ultrafiltration (flux de perméat et pression transmembranaire-PTM) ont été optimisés pour des membranes de 1 et 10 kDa. Un flux de perméat de 413 L/h/m2 et une PTM de 80 kPa donne le meilleur résultat pour la membrane de 10 kDa, alors que pour la membrane de 1 kDa, le meilleur résultat a été obtenu avec un flux de perméat de 2760 L/h/m2 et une PTM de 230 kPa. Les conditions optimisées combinées ont permis, respectivement, un recouvrement de 84% et 92% des protéines résiduelles solubles totales du surnagent de lactosérum fermenté d’une monoculture (K. marxianus) et d’une culture mixte (K. marxianus et S. cerevisiae).
Les PU ont été produites sous des conditions opératoires extrêmes à partir de lactosérum non traité suivi d’un recouvrement des protéines résiduelles par précipitation. La biomasse et les protéines solides récupérées pourraient être mélangées et pulvérisées à sec, ce qui pourra augmenter le contenu global en protéine et balancer le profil des acides aminés essentiels des PU. Les PU de la culture mixte (K. marxianus et C. krusei) ont été produites sous conditions non-aseptiques avec une efficacité d’enlèvement de la DCO supérieure, un rendement amélioré et une qualité du produit augmentée. Les deux microorganismes ont démontré une interaction physiologique. Le détergent a été efficace pour perméabiliser les cellules afin de permettre au lactose de pénétrer et de subir l’action des enzymes intracellulaires. Les cellules perméabilisées ont efficacement hydrolysé le lactose du lactosérum. Les PU de qualité alimentaire ont été
obtenues par prétraitement de la biomasse avec une combinaison de produits chimiques. Les protéines résiduelles après la fermentation ont été récupérées par ultrafiltration dans leur état natif. Donc, en se basant sur la présente étude, trois différentes approches pourraient potentiellement être appliquées pour la biotransformation du lactosérum non traité en produits protéinés.

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.
Cheese whey, a byproduct, is produced during manufacturing of cheese and contains around 55% of the milk residual nutrients. The presence of milk nutrients leads to a high chemical oxygen demand (COD) of 60-80 g/L, it restricts direct whey disposal into natural environmental streams. On the other hand, the presence of nutrients such as lactose, protein, lipids and minerals makes cheese whey a potential resource for the processing and production of a wide range of value-added products, such as whey powder, whey protein, bioethanol, biopolymers, enzymes, methane, single-cell protein (SCP) and probiotics. Among these, the transformation of whey and whey permeate into proteinaceus products such as SCP is attractive and demands since it involves a simple biotransformation process and simultaneous pollution load removal. However, the general trend for production of SCP is using whey permeate. The recovery of whey proteins is carried out by precipitation or membrane filtration. The presence of lactose in whey is an hindrance in both separation processes. Moreover, high recovery cost and low volume availability of whey make it hard for some companies to apply two processes separately (i.e. whey protein separation and whey permeate treatment). Therefore, biotransformation of raw cheese whey to biomass could be a better choice for whey utilization. Thereafter, the residual fermented whey proteins could be recovered via precipitation or membrane filtration with ease. The recovered proteins could be either mixed with biomass or used separately. Thus, the aim of the study was the production of feed- and food-grade SCP, the characterization of the residual proteins and their recovery by maintaining a balance between product yield and COD removal efficiency.
Cheese whey fermentation with Kluyveromyces marxianus was carried out at 40 oC and pH 3.5 to examine simultaneous SCP production and COD removal, to determine the fate and characteristics of the soluble whey protein and to characterize the intermediate metabolites. During batch fermentation, the biomass yield (Yx/s) obtained was 0.12 g biomass/g lactose with 55% COD reduction (including proteins), whereas soluble whey protein concentration decreased from 5.6 to 4.1 g/L. Electrophoresis revealed that the fermented whey protein characteristic was different from the native whey protein. Chromatographic analysis showed a change in the composition of organic compounds post-fermentation. Continuous fermentation with a cell recycle system resulted in a biomass yield of 0.19 g biomass/g lactose and a productivity of 0.26

g/L/h. The COD removal efficiency was 78-79% with a residual protein concentration of 3.8-4.2 g/L.
The yeast biomass was separated from the fermented broth from continuous fermentation by centrifugation. The residual soluble proteins from fermented whey supernatant (FWS) were precipitated by heat treatment (at 100 oC, pH 3.5 and 10 min incubation) under agitation, which resulted in 68% of protein recovery and a simultaneous residual COD removal of 62%. Further, precipitation/coagulation of the soluble proteins in presence of carboxymethylcellulose (CMC) in two-step process (thermal treatment followed by CMC precipitation) enhanced protein recovery from FWS up to 81%.
Batch fermentation of mono (K. marxianus) and mixed (K. marxianus and C. krusei) cultures at extreme conditions (temperature 40 oC and pH 3.5) showed that the mixed culture resulted in 9% higher COD removal efficacy, 19% higher biomass yield and 33% increased productivity. Maximal COD removal of 80% (including residual proteins) was obtained at 24 h HRT with a biomass productivity of 0.17 g/L/h; however, maximal biomass productivity of 0.38 g/L/h and 34% COD removal were obtained at 6 h HRT. The mixed culture biomass showed a higher content of lysine compared to monoculture biomass.
Yeast K. marxianus cells were permeabilized with the non-toxic, biodegradable, anionic detergent N-lauroyl sarcosine (N-LS) for accessing the intracellular β-galactosidase activity. The permeabilization process parameters (N-LS concentration, solvent volume, temperature and incubation time) were optimized. The maximal β-galactosidase activity of 1220 IU/g dry weight was obtained under the optimized conditions. Further, the permeabilized cells were evaluated for whey lactose hydrolysis. The maximal lactose hydrolysis of 91% was observed with 600 mg (dry cell weight/100 mL) in whey powder (5% w/v) solution with a 180-min incubation, pH 6.5 and 30 °C. Simultaneous whey lactose hydrolysis for increasing the growth of the non-lactose-consuming yeast Saccharomyces cerevisiae was evaluated with permeabilized K. marxianus cells. S. cerevisiae was able to grow in hydrolyzed whey with K. marxianus in a mixed culture mode.
The yeast biomass was treated in two steps with a combination of chemicals (N-LS and NH4OH) to reduce the nucleic acid content in order to obtain food-grade SCP. The combination of chemical was effective to reduce the nucleic acid content below 2% with simultaneous release of

nucleotides. Finally, the characteristics and the recovery of the residual soluble whey proteins in native state was evaluated. The fermented whey protein fraction was different from the native whey protein fraction and it was partially hydrolyzed during fermentation. The ultrafiltration operational parameters (permeate flux and transmembrane pressure-TMP) were optimized for 1 and 10 kDa membranes. The permeate flux of 413 L/h/m2 and TMP of 80 kPa resulted in highest recovery with the 10 kDa membrane followed by a permeate flux of 2760 L/h/m2 and TMP of 230 kPa for the 1 kDa membrane. The optimized conditions in combination recovered 84% and 92% of the total residual soluble proteins from mono- (K. marxianus) and mixed cultures (K. marxianus and S. cerevisiae) fermented whey supernatants, respectively.
SCP was produced under extreme operating conditions from raw cheese whey followed by residual protein recovery through precipitation. The biomass and the recovered proteinaceous solids could be mixed and spray-dried, which will increase the overall protein content and balance the essential amino acids profile of SCP. The mixed culture (K. marxianus and C. krusei) SCP was produced under non-aseptic conditions with higher COD removal efficiency, enhanced yield and improved product quality. The two microorganisms have demonstrated physiological interactions. Permeabilization of yeast cells with a detergent was effective for accessing intracellular enzyme activity. Permeabilized cells were effective in hydrolyzing whey lactose. Food-grade SCP was obtained by pre-treatment of biomass with a combination of chemicals. The residual proteins after fermentation were recovered by ultrafiltration in their native state. Thus, based on the present study, three different approaches could be potentially applied to biotransform raw cheese whey into proteinaceous products.


identifier: More, Tanaji  (2014). La production de substances polymériques dé extracellulaires par culture pure et mixte utilisant les boues d'épuration comme matières premières et applications dans le traitement.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 292 p.

subject: boues d'épuration

subject: activité de floculation

subject: déshydratation du kaolin

subject: production

subject: culture

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 substances polymériques extracellulaires (SPE) sont des biopolymères produits par les micro-organismes, ils sont considérés comme des alternatives durables, non toxiques et moins chères, peuvent remplacer les floculants chimiques grâce à leurs applications dans les différents processus de traitement des eaux usées et de traitement des boues. La production des SPE peur être très efficace en utilisant les boues municipales comme source de carbone et une voie prometteuse pour la gestion durable des déchets. Dans ce contexte, la caractérisation biochimique de 13 SPE produites par des souches bactériennes a été réalisée par le test BIOLOG. Les souches bactériennes ont été cultivées dans des boues stérilisées pour la production des SPE. La floculation et la capacité de déshydratation des SPE produites (bouillon, les SPE solubles et capsulaires brutes) ont été testées en utilisant la solution de kaolin combinée avec du calcium (150 mg de Ca2+/L de suspension de kaolin). Le test BIOLOG a révélé qu’il y avait 9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia. En effet, les concentrations des SPE produites par différentes souches de Bacillus étaiest plus élevées que celles de Serratia et Yersinia. Le Bouillon des EPS a montré une activité de floculation plus de 75% pour Bacillus sp.7, Bacillus sp.4 et Bacillus sp.6, respectivement. Des activités de floculation supérieure à 75% ont été atteintes en utilisant de très faibles concentrations de bouillon des SPE de 1,12 à 2,70 mg SPE /g SS.
La cinétique de fermentation discontinue de treize souches bactériennes (9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia) a été étudiée utilisant des boues stérilisées comme une matière première. De ce fait, la plupart des souches comme Bacillus (μmax/h: de 0,11 à 0,27), Serratia (μmax/h: 0,23 à 0,27) et Yersinia (μmax/h: 0,18 à 0,19) ont la capacité de croître et produire des SPE (1.4 à 2.1 g/L) dans les boues stérilisées. En général, la production des SPE est liée à la croissance bactérienne. En outre, les souches Bacillus sp. 7, Serratia sp. 2 et Yersinia sp. 2 produisent des concentrations des SPE plus élevées (1,9-2,1 g/L) que celles des autres souches bactériennes. Les teneurs en protéines et glucides contenues en SPE demeurent constantes au cours de la fermentation. En effet, le Bouillon SPE présente une forte activité de floculation de kaolin (≥ 75%) dans la plupart des cas, à l'exception de Bacillus sp. 1, Bacillus sp. 5 et Bacillus sp. 9, respectivement. En général, les plus importantes activités de floculation (≥ 75%), ont été atteintes en utilisant 1,31 à 1,70 mg B-SPE/g de kaolin, de 0,45 à 0,97 mg protéine/g de kaolin et de 0,11 à 0,21 mg des glucides/g de kaolin. Afin d'optimiser les concentrations de solides en suspension de boues et le prétraitement requis pour une meilleure production des SPE, une stérilisation, un traitement alcalin thermique et un traitement thermique et acide ont été appliqués à différents concentrations de solides en suspension de boues (17,0; 22,4; 29,8; 37,3; 44,8 g/L, respectivement). Des boues prétraitées ont été utilisées comme matière première pour la production des SPE par Serratia SP.1. Après 72 h de fermentation, La concentration de SPE produite est de 2,3 et 3,4 g/L en cas de traitement thermique et alcalin. Par contre, elle était 1,5 g/L dans les boues traitées thermiquement à pH acide. Des concentrations inférieures des SPE ont été produites à des concentrations relativement élevées de solides en suspension (37,3; 44,8 g/L). Le Bouillon, les SPE capsulaires brutes et slime SPE ont été extraits et utilisés comme agents de conditionnement en combinant 150 mg de Ca2+/L de suspensions de kaolin. L’activité de floculation maximale est de 79,1% et une capacité déshydratation de 52,2% ont été obtenues utilisant le bouillon et les SPE EPS capsulaires brutes, respectivement.
Treize souches bactériennes produisant des EPS (9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia) ont été cultivées (comme culture mixte) dans la boue stérilisée (matières en suspension: 25 g/L). Une Optimisation de la vitesse d'agitation et la cinétique de production de SPE en fermentation discontinue par la culture mixte a été effectuée. La culture mixte produit des concentrations plus élevées de SPE (4,9 g/L) par rapport à celle de la culture pure (2.7-3.7 g/L). La vitesse d'agitation optimale était de 150 tours par minute avec la production de SPE de 4,9 g/L à 72 h. La production de SPE a été liée à la croissance bactérienne. Le Bouillon (B-SPE) a révélé une haute activité de floculation en kaolin (91,2%) à des concentrations très faibles (0,8 mg B-SPE/g kaolin) et elle était comparable à celle du polymère chimique, Magnafloc-155 (90,4% à 0,2 mg/g de kaolin). Le B-SPE a montré une AF de kaolin supérieure lorsqu'il est combiné avec des cations divalents (Ca2+ et Mg2+) en comparaison avec les cations trivalents (Fe3+ et Al3+). Avec l'ajout de cations trivalents (Fe3+ et Al3+), les performances de floculation (turbidité et DCO) de B-SPE dans la rivière (90%), les eaux usées municipales (80,7%) et la brasserie des eaux usées (80-84%) était meilleures que le Ca2+ et Mg2+.
La présente étude a montré que les treize souches bactériennes (9 Bacillus, 2 Serratia et 2 Yersinia) ont la capacité de produire des SPE utilisant les boues stérilisées comme matière première. Les souches de Bacillus produisent une concentration de SPE plus forte que celle produite par Serratia et Yersinia. Ainsi, La production de SPE n’a pas été totalement liée à la croissance bactérienne pour toutes les souches étudiées lorsqu’ elles sont incubées indépendamment dans la boue stérilisée alors que, elle a été associée à la croissance dans le
cas de la culture mixte. La culture mixte a produit des concentrations de SPE plus élevées en comparaison aux cultures pures. En fait, le consortium de culture mixte peut être utilisé pour la production de flocculants avec un haut rendement. L’activité de floculation était comparable à Magnafloc-155 (polymère chimique) et, par conséquent, il pourrait être utilisé comme floculant dans les applications de contrôle de la pollution environnementale. Les résultats sont très encourageants et justifient la poursuite de la recherche sur l'optimisation de processus dans des fermenteurs de laboratoire avec un contrôle du pH, de la température et la concentration en oxygène dissous, etc.

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. Extracellular polymeric substances (EPS) are biopolymers produced by the microorganisms, they are considered as an eco-friendly, cost effective and sustainable alternatives to substitute the existing chemical flocculants for their applications in various water, wastewater and sludge treatment processes. Highly efficient EPS production using municipal wastewater sludge could be a promising avenue for the sustainable waste management. In this context, the biochemical characterization of 13 extracellular polymeric substances (EPS) producing bacterial strains was carried out by BIOLOG. The bacterial strains were cultured in sterilized sludge for EPS production. Flocculation and dewatering capabilities of produced EPS (broth, crude slime and capsular) were examined using kaolin suspension combined with calcium (150 mg of Ca2+/L of kaolin suspension). BIOLOG revealed that there were 9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia species. Concentration of EPS produced by different Bacillus strains was higher than that of Serratia and Yersinia. Broth EPS revealed flocculation activity more than 75% for Bacillus sp.7, Bacillus sp.4 and Bacillus sp.6, respectively. Flocculation activity higher than 75% was attained using very low concentrations of broth EPS (1.12-2.70 mg EPS/g SS). The kinetics of batch fermentation of thirteen bacterial strains (9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia) was carried out using sterilized sludge as raw material. The most of Bacillus (μmax/h: 0.11-0.27), Serratia (μmax/h: 0.23-0.27) and Yersinia (μmax/h: 0.18-0.19) strains had capability to grow and produce EPS (1.4-2.1 g/L) in sterilized sludge. In general, EPS production was mixed growth associated. Bacillus sp. 7, Serratia sp. 2 and Yersinia sp. 2 produced higher concentration (1.9-2.1 g/L) of EPS than the rest bacterial strains. Protein and carbohydrate contents of EPS remained constant during fermentation. Broth EPS exhibited high kaolin flocculation activity (≥ 75%) in most of the cases except Bacillus sp. 1, Bacillus sp. 5 and Bacillus sp. 9, respectively. In general, high flocculation activities (≥ 75%), were attained using 1.31-1.70 mg B-EPS/g kaolin, 0.45-0.97 mg protein/g kaolin and 0.11-0.21 mg carbohydrates/g kaolin.
To optimize the suspended sludge solids concentration and pre-treatment required for maximum EPS production, the sterilization, alkaline-thermal and acid-thermal treatments were applied to different sludge solids concentrations (17.0; 22.4; 29.8; 37.3; 44.8 g/L, respectively). The pre-treated sludge was used as raw material for Serratia sp.1 to produce EPS. After 72 h of fermentation, total EPS of 2.3 and 3.4 g/L were produced in sterilized and alkaline-thermal treated sludge as compared to that of 1.5 g/L in acid-thermal treated sludge. Lower EPS were produced at relatively higher solids concentrations (37.3; 44.8 g/L). Broth, crude forms of
capsular and slime EPS were extracted from fermented broths and used as conditioning agents by combining with 150 mg of Ca2+/L of kaolin suspensions. Maximum flocculation activity of 79.1% and increased dewatering by 52.2% was achieved using broth and crude capsular EPS, respectively.
Thirteen EPS producing bacterial strains (9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia sp.) were cultivated (as mixed culture) in sterilized sludge (suspended solids: 25 g/L). Optimization of the agitation speed and EPS production kinetics in batch fermentation for the mixed culture was carried out. The mixed culture produced higher concentrations of EPS (4.9 g/L) as compared to that of the pure culture (2.7-3.7 g/L). The optimum agitation speed was 150 rpm with the production of 4.9 g/L EPS at 72 h. The EPS production was growth associated. Broth (B-EPS) revealed high kaolin flocculating activity (91.2%) at very low concentrations (0.8 mg B-EPS/g kaolin) and it was comparable to the chemical polymer, Magnafloc-155 (90.4% at 0.2 mg/g kaolin). Broth EPS revealed higher kaolin FA when combined with divalent cations (Ca2+ and Mg2+) as compared to the trivalent cations (Fe3+ and Al3+). With the addition of trivalent cations (Fe3+ and Al3+), flocculation performance (turbidity and COD removal) of B-EPS in river water (90%), municipal wastewater (80.7%) and brewery wastewater (80-84%) was better than the Ca2+ and Mg2+.
The study revealed that all the thirteen bacterial strains (9 Bacillus, 2 Serratia and 2 Yersinia species) have capability to produce EPS using sterilized sludge as sole raw material. Bacillus strains produced higher concentration of EPS than Serratia and Yersinia. EPS production was mixed growth associated for all the bacterial strains when incubated independently in the sterilized sludge whereas, it was growth associated in case of the mixed culture. The mixed culture had produced higher concentrations EPS as compared to the pure cultures using sterilized sludge as a raw material. The mixed culture consortium could be used for the production of highly efficient flocculants. The flocculation performance of EPS was comparable to Magnafloc-155 (chemical polymer) and hence, it could be used as a flocculant in environmental pollutions control applications. The results are very encouraging and warrant further research on process optimization in laboratory fermenters under controlled conditions of pH, temperature and dissolved oxygen concentration etc.


identifier: Matte, Pascal  (2014). Modélisation hydrodynamique de l’estuaire fluvial du Saint-Laurent.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 334 p.

subject:
hydrodynamique
modélisation numérique
mesures de terrain
niveaux d’eau
vitesses
processus fluvio-tidaux
estuaire fluvial
Saint-Laurent

abstract:
Le système Saint-Laurent – Grands Lacs forme la plus grande voie navigable intérieure au monde. Il abrite un écosystème unique et représente une source d’eau potable pour près de la moitié des Québécois. Toutefois, l’aménagement et l’utilisation du chenal de navigation, la disparition de grandes superficies de milieux humides sous les remblais et l’empiètement, la contamination des sédiments près des aménagements portuaires et les industries du secteur sont autant de facteurs qui modifient l’hydrodynamique, détériorent la qualité des eaux, restreignent les activités récréatives et affectent les ressources halieutiques de la région.
La modélisation numérique s’avère l’outil technologique idéal pour comprendre et analyser les liens entre la physique et le milieu naturel. Complémentée par des mesures de terrain, elle fait le pont entre les différents processus, à diverses échelles spatiales et temporelles. Alors que la portion fluviale du Saint-Laurent (de Cornwall à Trois-Rivières) est bien documentée, tant par des études numériques que par des mesures de terrain, très peu d’études ont été réalisées dans sa portion fluvio-estuarienne (de Trois-Rivières à Québec). Composé d’eau douce, l’estuaire fluvial est soumis à l’influence grandissante d’une marée semi-diurne, responsable de fortes inversions de courant, du mélange des masses d’eau et de la présence de larges estrans. Il se caractérise par une topographie complexe et par une forte hétérogénéité des substrats, auxquels s’ajoutent des débits fluviaux et des conditions météorologiques variables.
La présente recherche vise à fournir une description détaillée de l’hydrodynamique de l’estuaire fluvial du Saint-Laurent au moyen de la modélisation numérique et de mesures de terrain, afin d’en améliorer la compréhension physique, d’identifier l’importance respective des facteurs qui en contrôlent la dynamique et d’en prédire l’évolution. Cet objectif est poursuivi suivant trois axes, soit : 1) acquérir des données détaillées permettant de quantifier la variabilité spatiale et temporelle des niveaux d’eau et des vitesses; 2) développer un modèle 1D de propagation de la marée afin d’exprimer les variations spatiales et temporelles du contenu fréquentiel de la marée en fonction des conditions non-stationnaires de forçages fluvial et océanique; et 3) fournir une description intégrée du système via une modélisation hydrodynamique 2D à haute résolution.
Une campagne de terrain a été réalisée, divisée en deux volets visant, d’une part, à densifier le réseau de marégraphes en place par l’installation de sondes de pression et, d’autre part, à mesurer
les variations intratidales des niveaux d’eau et des vitesses sur des sections contrastées, en combinant les technologies du RTK GPS (« Real-Time Kinematic Global Positioning System ») et de l’ADCP (« Acoustic Doppler Current Profiler »). Une procédure pour la reconstruction de champs latéraux continus et synoptiques a été développée, validée par l’entremise de mesures indépendantes, permettant ainsi d’établir un niveau de confiance élevé dans les données et leurs sous-produits. Ces dernières constituent le jeu le plus complet et détaillé à ce jour, qui documente l’hydrodynamique du système. Elles ont rendu possible une validation serrée des modèles développés et une évaluation précise de l’erreur associée à cette modélisation.
Un modèle 1D de propagation de la marée a été développé, s’appuyant sur une spatialisation des coefficients de régression issus d’analyses harmoniques non-stationnaires de la marée. Il permet de prédire les niveaux d’eau moyens et les propriétés de la marée en fonction des conditions de débit fluvial et de marée océanique. Le modèle a été validé aux stations marégraphiques et par comparaison avec le modèle ONE-D, opérationnel sur le fleuve. Une précision inférieure à 30 cm en niveaux d’eau, comparable à ONE-D, a été obtenue sur l’ensemble du système. Les résultats font ressortir les effets de la friction et du débit fluvial sur l’asymétrie du signal et sur l’amplitude et la phase des composantes harmoniques de la marée. Une extension du modèle a également permis d’estimer les débits tidaux, par intégration de l’équation de continuité.
Un modèle hydrodynamique 2D a été développé, reposant sur une discrétisation par éléments finis des équations de Saint-Venant. Il a été élaboré à partir de données de terrain à haute densité, issues de sondages bathymétriques multifaisceaux et LIDAR pour la topographie des berges et des estrans. L’étalonnage du modèle a permis d’atteindre des standards de qualité élevés avec, notamment, des erreurs quadratiques moyennes inférieures à 5% du marnage local aux stations aval et inférieures à 6 cm aux stations amont. Le modèle reproduit adéquatement les propriétés de la marée et la variabilité spatiale et temporelle des niveaux d’eau et des vitesses. La répartition des débits autour de l’île d’Orléans est également reproduite conformément aux mesures.
Les données mesurées et les modèles développés fournissent des moyens pour décrire l’hydrodynamique de ce tronçon où les connaissances sont extrêmement limitées. Ils permettront, notamment via un couplage de modèles, de prédire les impacts potentiels de divers scénarios de changements anthropiques ou climatiques sur l’écologie, sur la qualité de l’eau et sur les activités socio-économiques qui dépendent du Saint-Laurent.

The Great Lakes/St. Lawrence Seaway System is the world’s largest inland waterway. It has a unique ecosystem and is a source of drinking water for nearly half of the Quebecers. However, the development and use of the navigation channel, the loss of large areas of wetlands under the embankment and encroachment, sediment contamination near the port facilities, and industries are all factors that alter the hydrodynamics, deteriorate water quality, limit recreational activities and affect fishery resources in the region.
Numerical modeling is the perfect technological tool to understand and analyze the links between the physical and natural environment. Complemented by field measurements, it bridges the various processes at different spatial and temporal scales. While the fluvial section of the St. Lawrence (from Cornwall to Trois-Rivières) is well documented, both by numerical studies and field campaigns, very few studies have been conducted in the fluvial estuary (from Trois-Rivières to Québec). Composed of freshwater, the fluvial estuary is subject to the growing influence of a semidiurnal tide, responsible for strong current reversals, the mixing of water masses and the presence of large tidal flats. It is characterized by complex topography and highly heterogeneous substrates, adding to the variable river flows and weather conditions.
This research aims to provide a detailed description of the hydrodynamics of the St. Lawrence fluvial estuary by means of numerical modeling and field measurements, in order to improve physical understanding of the system, identify the relative importance of factors controlling its dynamics and predict its evolution. This objective is pursued along three axes: 1) acquire detailed data to quantify the spatial and temporal variability of water levels and velocities; 2) develop a 1D tidal propagation model that expresses the spatial and temporal variations in the frequency content of the tides as a function of nonstationary river and oceanic forcing variables; and 3) provide an integrated and synoptic description of the system via the development of a 2D high-resolution hydrodynamic model.
A field campaign was conducted, divided into two parts aiming, firstly, at densifying the network of tide gauges currently in place by installing pressure sensors and, secondly, at measuring the intratidal changes in water levels and velocities along contrasting river sections, by combining the RTK GPS (“Real-Time Kinematic Global Positioning System”) and ADCP (“Acoustic
Doppler Current Profiler”) technologies. A procedure for the reconstruction of continuous and synoptic lateral fields was developed, validated using independent measurements, thereby establishing a high level of confidence in the data and their by-products. They constitute the most complete and detailed dataset to date, which documents the hydrodynamics of the system. They allowed a tight validation of the models developed and an accurate assessment of their error.
A 1D tidal propagation model was developed, based on a spatialization of the regression coefficients obtained from nonstationary tidal harmonic analyses. The model allows the prediction of mean water levels and tidal properties as a function of river flow and ocean tide conditions. It was validated using a densified network of tide stations and by comparison with the ONE-D operational model. Errors less than 30 cm in water levels were obtained for the entire system, which is comparable to ONE-D. The results bring out the effects of friction and river flow on tidal asymmetry as well as on the amplitude and phase of the tidal constituents. An extension of the model was developed for the estimation of tidal discharg-es, by integrating the continuity equation.
A 2D hydrodynamic model, based on a finite-element discretization of the Saint-Venant equations, was developed using high-density field data arising from multibeam bathymetry and LIDAR topography of the banks and foreshores. Calibration of the model allowed meeting high quality standards, with root-mean-square errors less than 5% of the local tidal range at downstream stations and less than 6 cm at upstream stations. The model adequately reproduces tidal properties and the spatial and temporal variability of water levels and velocities in the system. The flow distribution around the Orleans Island is also reproduced in accordance with the observations.
The measured data and developed models provide a means to describe the hydrodynamics of this region of the St. Lawrence where knowledge is extremely limited. They will allow, in particular through model coupling, to predict the potential impacts of various scenarios of anthropogenic or climate changes on the ecology, water quality and socio-economic activities that rely on the St. Lawrence.


identifier: Nahavandian Esfahani, Somayeh  (2014). Temporal and spatial evolution of the mixed layer in the southern Beaufort sea and the Amundsen Gulf.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 223 p.

subject:
Mixed Layer Depth
MLD
Profondeur de la couche mixte
glace
méthodes d'estimation
distribution spatiale
évolution temporelle
flux atmosphériques
flux océaniques
mer de Beaufort
golfe d'Amundsen

abstract:
La couche mélangée, la couche de surface océanique dotée de propriétés physiques constantes
en raison du mélange, joue un rôle important dans les études biologiques et de
contaminants. La présente thèse se veut une tentative d'améliorer notre connaissance
de l'océan Arctique à travers une étude des caractéristiques des couches mélangées dans
le sud de la mer de Beaufort et dans le golfe d'Amundsen. La profondeur de la couche
mélangée a été estimée à l'aide de cinq méthodes différentes et nous avons constaté que
la plus appropriée pour notre région d'étude est une version modifiée de l'algorithme
de Holte et Talley (2009). Notre étude est basée sur de nombreuses séries de données
récentes et uniques recueillies dans le sud de la mer de Beaufort au cours des hivers
2003-2004 et 2007-2008, ainsi que pendant les étés et les automnes de 2002, 2003, 2004,
2005, 2006, 2007, 2008 et 2009. Sa grande particularité est que nous présentons pour la
première fois une analyse de deux années complètes de données obtenues en 2003-2004
et 2007-2008: ce sont les premières données hivernales recueillies dans la région.
L'évolution temporelle et la répartition spatiale des profondeurs de la couche mélangée
ont été étudiées dans quatre sous-régions, subdivisées à nouveau en eaux côtières (inshore,
profondeur < 200 m) et hauturières (offshore, profondeur > 200 m). Il a été
démontré que la couche mélangée est généralement plus profonde dans les zones offshore
au cours de l'automne, en hiver et au printemps tandis qu'en été, elle est comparable
dans les deux zones inshore et offshore. La profondeur de la couche mélangée était
significativement plus profonde en 2007-2008 par rapport à toutes les autres années
en raison d'un upwelling intense observé à l'automne 2007. Les différences entre les
hivers de 2004 et 2008 sont également dues aux différentes couvertures de glace dans
les régions à l'étude: la banquise côtière (landfast ice) en 2003-2004 versus la banquise
de mer (drift ice) en 2007-2008. En outre, la profondeur de la couche mélangée est
moindre au cours de l'été et, par la suite, elle s'approfondit progressivement jusqu'à ce
qu'elle atteigne son épaisseur maximale en avril. L'étude de fonctions de distribution
de probabilité ont montré que la distribution est la plupart du temps de type "bosse"
(hump), ce qui signifie qu'il n'y avait qu'une seule gamme de profondeur préférée de la
couche mélangée pour chaque région et saison.
L'originalité de cette thèse réside dans l'approche que nous avons utilisée pour
étudier l'évolution de la couche mélangée à partir d'une station fixe dans la baie de
Franklin, dans le golfe d'Amundsen. Nous avons analysé le bilan de masse de la couche
mélangée entre décembre 2003 et juin 2004 sur la base de l'approche de budget de
chaleur d'Emery (1976), adaptée par Prieur et al. (2010). La seule hypothèse nécessaire
est qu'il n'y a pas advection latérale non divergente. La beauté de cette approche est
qu'elle ne nécessite que des profils verticaux de densité, obtenus à partir de plate-forme
fixe ou de profileurs dérivants. Cette méthode nous permet également de comprendre,
pour la première fois, l'effet important de l'advection verticale à la base de la couche
mélangée. Cette méthode nous permet aussi de produire une estimation des taux de
croissance de la glace de surface. L'analyse de quatre mois de concentrations de Chl a
au-dessous de la glace a montré que la floraison printanière commence juste après que
la couche mélangée ait atteint sa plus grande épaisseur au printemps et produit ses
concentrations maximales environ un mois plus tard.

The mixed layer, which is the oceanic surface layer with constant physical properties
due to mixing, plays an important role in contaminant and biological studies. This
thesis is an attempt to further enhance our knowledge of the Arctic Ocean through a
study of the characteristics of the mixed layer in southern Beaufort Sea and Amundsen
Gulf.
The Mixed Layer Depth was estimated using five different methods and it was found
that the most appropriate one for our study region was a modified version of the Holte
and Talley (2009) algorithm. Our study is based on numerous recent, unique data sets
gathered in southern Beaufort Sea during the winters of 2003-2004 and 2007-2008, as
well as during the summers and falls of 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 and
2009. Its unique feature is the two complete years of data obtained during 2003-2004
and 2007-2008.
The temporal evolution and the spatial distribution of the Mixed Layer Depths
was studied in four subregions, further subdivided into inshore (depths < 200 m) and
offshore (depths > 200 m) subregions. It was shown that the Mixed Layer Depth was
generally deeper offshore during the fall, winter and spring, while in summer they are
comparable in both regions. The Mixed Layer Depth was significantly deeper during
2007-2008 compared to all the other years due to a strong upwelling event in the fall of
2007. Differences between the winters of 2004 and 2008 are also due to the different ice
covers in the study regions: landfast ice in 2003-2004 versus drifting ice floes in 2007-
2008. Furthermore, the Mixed Layer Depths were the shallowest during the summer
and afterwards they gradually deepened until they reached their maximum thickness
in April. Probability distribution functions showed that the distribution are mostly of
the one "hump" variety, meaning that there was a single, preferred Mixed Layer Depth
range for each region and season.
The originality of this thesis lies in the approach we used to study the mixed layer
evolution at a fixed station in Franklin Bay, Amundsen Gulf. We analyzed the mass
budget of the mixed layer between December 2003 and June 2004, based on the heat
budget approach of Emery (1976) and modified by Prieur et al. (2010). The only
assumption needed was that there was no non-divergent lateral advection. The beauty
of the approach is that it needs only vertical density profiles, from moored or drifting
instruments. This method also enables us to include the important effect of the vertical
advection at the base of the mixed layer and produces an estimate of the surface ice
growth rates. The analysis of four months of under ice Chl a concentrations has shown
that blooming starts just after the mixed layer has attained its largest thickness in the
spring, and reaches its maximum concentrations about one month later.


identifier: Dinis, Lauriane  (2014). Dendrogéochimie isotopique du plomb et du zinc dans le secteur est de la région pétrolifère du nord-est de l’Alberta.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 272 p.

subject: dendrogéochimie

subject: isotopes du plomb

subject: isotopes du zinc

subject: protocole de préparation d’échantillons

subject: processus biogéochimiques

subject: influence des conditions environnementales

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. Des études dans la région nord de la rivière Athabasca (nord-est albertain)
révèlent que les processus industriels lourds associés à l’extraction et à la valorisation
des sables bitumineux produisent, par les voies aériennes et hydriques, des
concentrations faibles de métaux pouvant potentiellement influencer les cycles des
métaux de l’environnement boréal avoisinant. Dès lors, il est nécessaire d’effectuer des
recherches permettant de différencier des apports atmosphériques potentiels, de la
variabilité naturelle des concentrations de métaux (ex. influence des conditions
climatiques). L’objectif principal de cette thèse est de comprendre quelle est l’influence
des conditions climatiques et des émissions anthropiques sur le cycle de métaux, telle
que décelée par le système d’archive naturelle que sont les arbres.
Pour ce faire, les cernes de croissance d’épinettes blanches et les horizons de
sols associés ont été échantillonnés sur deux sites, à 33 et 44 km par rapport au coeur
des opérations d’extractions des sables bitumineux. Un protocole de préparation
d’échantillons précis a été développé pour mesurer pour la première fois les valeurs des
rapports isotopiques du zinc (δ66Zn) ainsi que celles du plomb (206Pb/207Pb et
208Pb/206Pb) à de très faibles concentrations (de l’ordre de la partie par milliard) dans
ces cernes de croissance d’arbres. Les concentrations d’éléments essentiels tel que le
zinc (Zn), le cuivre (Cu), le fer (Fe), le calcium (Ca), le magnésium (Mg), le manganèse
(Mn), le potassium (K) et le phospore (P), ont également été analysées dans les cernes
et les horizons de sols afin de vérifier leur utilité en dendrogéochimie, spécifiquement
dans les épinettes blanches.
Les résultats de ce travail de recherche permettent de mettre en évidence des
contributions d’apports atmosphériques anthropiques ainsi qu’une influence des
conditions climatiques sur le continuum sol-arbre. En particulier, les caractéristiques du
Pb, analysées à très faibles concentrations dans les cernes, enregistrent à la fois les
conditions climatiques (hivernales, printanières et estivales) et différents apports
atmosphériques anthropiques et naturels entre 1878 et 2009 (Article I). Entre 1878 et
1922, le Pb observé dans les cernes de croissance a des valeurs isotopiques indiquant
un Pb originaire des horizons minéraux. À partir de 1922, il provient du Pb anthropique
des aérosols du nord-ouest de l’Amérique du nord, qui est ensuite progressivement
remplacé par les émissions issues de l’extraction des sables bitumineux à faibles
doses. Les résultats permettent également d’identifier certains processus responsables
de la spéciation, de l’assimilation et du transport radial de métaux dans le continuum
sol-arbre. Dans le cas du Zn nous proposons une hypothèse pouvant rendre compte
des tendances observées dans les séries temporelles. Cette hypothèse suppose qu’une
fois déposé dans le cerne, le Zn est affecté par la translocation entre l’aubier et le
duramen (Article II). Les concentrations d’autres éléments (Cu, Fe, Ca, Mg, Mn, K et P)
dans les cernes de croissance montrent également des profils marqués à long terme
par l’effet de la translocation radiale. Cette dernière constitue un processus rédhibitoire
en dendrogéochimie puisqu’elle masque d’éventuelles variations potentiellement reliées
à des changements environnementaux.
Ce projet de recherche aura produit plusieurs retombées scientifiques. Il présente
les premiers rapports isotopiques du Pb analysés à très faibles concentrations et les
premiers rapports isotopiques du Zn obtenus sur des cernes d’arbres. Le protocole de
préparation d’échantillons découlant de ce travail est disponible pour toute équipe de
recherche désirant effectuer ces analyses dans les cernes de toutes espèces d’arbres.
Ce travail de recherche présente aussi la première perspective historique utilisant les
rapports isotopiques du Pb dans la région des sables bitumineux. Et enfin, il montre que
les rapports isotopiques du Pb analysés dans les cernes des épinettes blanches
peuvent être utilisés en tant qu’indicateurs environnementaux pour le suivi de la
pollution.

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. Studies in the Northern Athabasca region (northeastern Alberta) reveal that the
heavy industrial processes associated with oil sands extraction and upgrading are
emitting, via both aerial and waterborne pathways, low concentrations of metals that
can potentially influence metal cycles of the surrounding boreal environment. As a
consequence, there is a need for research that enables to distinguish potential
anthropogenic inputs from natural variability in metal concentrations (e.g. climatic
influences). The main objective of this research is to understand the influence of climatic
conditions and anthropogenic emissions on metal cycles, as inferred from a natural
archival system that are trees.
To do so, white spruce tree rings and associated soil horizons have been sampled
from two sites, at 33 and 44 km from the heart of the oil-sands extraction operations.
Precise analytical methods have been developed to analyze, for the first time, zinc
isotopic values (δ66Zn), and lead isotopic values (206Pb/207Pb and 208Pb/206Pb) that occur
at very low concentration (in the order of parts per billion) in these tree rings.
Concentrations of essential elements such as zinc, (Zn), copper (Cu), iron (Fe), calcium
(Ca), magnesium (Mg), manganese (Mn), potassium (K) and phosphor (P) have also
been analyzed in tree rings and soil horizons to verify their usefulness in
dendrogeochemistry, specifically in white spruce trees.
Results of this research allow interpreting an input from anthropogenic
atmospheric emissions as well as a climatic influence on the soil-tree continuum.
Specifically, Pb characteristics, analyzed at very low concentrations in tree rings, are
recording both climatic conditions (winter, spring and summer) and various
anthropogenic and natural atmospheric inputs between 1878 and 2009 (Article I).
Between 1878 and 1922, the Pb observed in tree rings has isotopic values indicating a
mineral horizon Pb source. From 1922, Pb comes from western North American
aerosols, which are subsequently progressively substituted by oil sands extraction
emissions in small amounts. Results also allow identifying several processes
responsible for metal speciation, uptake and radial transport within the soil-tree
continuum. In the case of Zn, we propose one hypothesis that could explain observed
trends in temporal series. This hypothesis proposes that once in tree ring, Zn is affected
by translocation between sapwood and heartwood (Article II). Other element
concentrations (Cu, Fe, Ca, Mg, Mn, K et P) in tree rings also show long-term profiles
marked by effect of radial translocation. The latter is a prohibitive process in
dendrogeochemistry as it masks possible variations potentially related to environmental
changes.
This research project has produced several scientific benefits. It presents the first
Pb isotopic ratio analyzed at very low concentrations and the first Zn isotopic ratio ever
measured in tree rings. The sample treatment protocol resulting from this work is now
available for any research team wanting to perform such analyses in tree rings of any
tree species. This research work also presents the first temporal perspective using Pb
isotopic ratios in the oil sands region. Finally, it shows that Pb isotopic ratios analyzed in
white spruce tree rings can be used as environmental indicators for pollution survey.


identifier: Raynauld, Mélanie  (2014). Caractérisation et modélisation des conditions d’écoulement à densité variable au-dessus du réservoir pétrolier, secteur Haldimand à Gaspé.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 188 p.

subject:
hydrogéologie
vulnérabilité
densité variable
modélisation
hydrocarbures
temps de résidence
Haldimand
Gaspé
Québec

abstract:
Le Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les
changements climatiques (MDDELCC) a mandaté l’INRS pour réaliser une étude
hydrogéologique du secteur Haldimand, à Gaspé. Cette étude avait pour but d’évaluer le risque
pour la qualité de l’eau souterraine des opérations d’exploration pétrolière dans le secteur
Haldimand, particulièrement par rapport à l’éventuel forage exploratoire Haldimand No.4. Ce
mémoire s’inscrit dans cette étude dont la contribution a permis de définir les conditions
hydrogéologiques, d’établir le modèle conceptuel hydrogéologique et de développer un modèle
numérique de l’écoulement à densité variable le long d’une ligne d’écoulement. La simulation
tient compte de la migration de sels et d’hydrocarbures dissous dans l’eau souterraine sans
considérer de phase immissible (pétrole ou gaz). De plus, la voie potentielle de migration du
méthane le long du forage pétrolier n’a pas été considérée.
Le secteur Haldimand est constitué d’un roc poreux et fracturé qui joue le rôle d’aquifère
régional. Le roc est recouvert d’épaisseurs variables de till peu perméable, agissant comme un
aquitard. La fracturation naturelle du roc et sa perméabilité sont contrôlées par la profondeur
sous la surface du roc; le roc étant plus fracturé dans les 20 premiers mètres de sa partie
supérieure. L’écoulement de l’eau souterraine se fait des hauts topographiques, qui sont des
zones de recharge préférentielle, vers les cours d’eau et la périphérie de la péninsule.
La définition du contexte hydrogéologique a permis d’établir que les limites de partage des eaux
souterraines sont définies par la topographie, d’évaluer la vulnérabilité de l’aquifère à la
contamination en surface qui va de moyenne à très élevée, d’identifier les cours d’eau sensibles à
une éventuelle contamination aux sites pétroliers, de montrer que les puits résidentiels et
municipaux ne sont pas des récepteurs d’une éventuelle contamination, d’évaluer que la distance
séparatrice (500 m) prévue par le Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection
(RPEP) du MDDELCC entre les forages pétroliers et les puits d’approvisionnement en eau est
sécuritaire et que la localisation des puits d’observation leur permettrait de détecter une
contamination avant qu’elle n’atteigne les récepteurs.
Avec les hypothèses utilisées, la modélisation numérique montre que la zone d’écoulement actif
dans le secteur Haldimand est assez peu profonde (maximum d’environ 120 m sous NMM).
L’eau douce se trouve jusqu’à environ 200 m (maximum) sous le niveau moyen de la mer
(NMM) dans le secteur Haldimand. Ainsi, la profondeur des eaux souterraines exploitables
prévue par le RPEP (200 m) est pertinente. La modélisation montre aussi qu’il y a peu de liens
entre la surface et la profondeur mais que des eaux évoluées et anciennes sont apportées sous
Haldimand par l’écoulement régional. Les patrons d’écoulement peuvent donc apporter des eaux
évoluées ayant de long temps de résidence (excédant 1 million d’années) de la profondeur vers
les exutoires du système d’écoulement, particulièrement la rivière St-Jean. Selon le modèle, sous
la péninsule Haldimand on retrouverait des eaux à long temps de résidence (1 000 à 10 000 ans)
à de relativement faibles profondeurs, ce qui expliquerait l’observation des eaux plus évoluées
dont la répartition pourrait être influencée par un patron complexe de fracturation près de la
surface du roc. L’émission éventuelle de fluides en profondeur par les puits pétroliers prendrait
plusieurs milliers d’années à atteindre la surface sans des voies de migration préférentielle.

INRS was mandated by the Quebec Environment Ministry (Ministère du Développement
durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques, MDDELCC) to
carry out a hydrogeological study of the Haldimand sector of Gaspé. This study aimed to assess
the risk for groundwater quality related to petroleum exploration activities in the Haldimand
sector, especially the planned Haldimand No.4 exploration borehole. This master thesis was
carried out as part of the INRS study and its specific contributions are related to the definition of
hydrogeological conditions, the production of a conceptual hydrogeological model and the
development of a variable-density numerical model along a flow line. The model represents the
migration of solutes and dissolved hydrocarbons in groundwater but does not consider
immiscible phases (petroleum or gas). Furthermore, the potential methane migration path along
petroleum wellbores was not considered.
In the Haldimand sector, porous and fractured rock is found in the subsurface and it represents a
continuous regional aquifer. A variable thickness of low-permeability till covers the rock and
acts as an aquitard. Natural fracturing of the rock and its permeability are controlled by their
depth below the rock surface; the rock being more fractured in its top 20 m. Groundwater flows
from topographic highs, which are preferential recharge zones, towards streams and the
periphery of the Haldimand peninsula. The hydrogeological context involves groundwater divide
lines controlled by topography and aquifer vulnerability going from intermediate to very high.
Based on flow paths, streams would be receptors of an eventual contamination at petroleum drill
sites, but residential and municipal wells would not be receptors of such an eventual
contamination. The 500 m separation distance between petroleum boreholes and supply wells
imposed by the MDDELCC’s regulation on water and their withdrawal (Règlement sur le
prélèvement des eaux et leur protection, RPEP) appears safe, and the locations of monitoring
wells would allow them to detect groundwater contamination before it reaches receptors.
With the hypotheses used for its development, the numerical model shows that the active flow
zone in the Haldimand sector is relatively shallow (maximum of about 120 m under sea level).
Fresh water would reach down to 200 m (maximum) under sea level in the Haldimand sector.
Thus the depth of exploitable groundwater inferred to be 200 m by the RPEP is representative. The model also shows that there are limited links between surface and the depth of the petroleum
reservoir, but that ancient and evolved groundwater is brought up under the Haldimand sector by
the regional flow patterns. These flow patterns can thus bring evolved groundwater with long
residence times (exceeding 1 million years) from depth to the discharge areas of the flow system,
especially the St-Jean River. According to the model, under the Haldimand peninsula there
would be groundwater having long residence times (1 000 to 10 000 years) at relatively shallow
depths, which would explain the observation of evolved groundwater whose spatial distribution
could be influenced by complex fracture patterns near the rock surface. Without preferential
migration paths, the eventual emission of fluids at depth by petroleum wells would take many
thousands of years to reach surface.


identifier: Sakaki, Soumia  (2014). Étude de la production des acides gras volatils à partir de la fermentation acidogène des boues d’épuration des effluents issus d’une usine de pâtes et papiers.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 100 p.

subject:
acide acétique
acide gras
acide gras volatile
acide iso-valérique
acide
propionique
boues d’épuration
fermentation acidogène
prétraitement thermo-alcalin
polyhydroxyalkanoates

abstract:
Les acides gras volatiles (AGV) sont des acides gras à chaîne courte, produits à partir de la
fermentation acidogène. Ces acides peuvent être une source efficace de carbone pour la
production de polyhydroxyalcanoates (PHA). Par contre, l’emploi de ces AGV est actuellement
limité par les coûts élevés de leur production. Pour résoudre ce problème et afin d’abaisser ces
coûts de production, plusieurs recherches ont été effectuées afin de trouver des substrats de
production moins dispendieux et capables de supporter la production des AGV. À ce propos, les
boues d’épuration sont un substrat prometteur. L’intérêt d’employer des boues d’épuration est
double puisque qu’il s’agit, dans un premier temps, de produire des AGV à des moindres coûts
en utilisant un substrat économique. En un second lieu, il favorise la valorisation d’un sous-produit
issu du traitement des eaux usées et dont l’élimination présente une problématique.
L’objectif de ce travail est de produire des AGVs à partir de la fermentation acidogène des
boues secondaires provenant du traitement des effluents issus de l’usine de pâtes et papiers,
sous des conditions contrôlées de pH et de température.
De nombreuses stratégies ont été suivies dans ce travail et ont permis d’améliorer les
performances du procédé de production des AGVs. Tout d’abord, trois expériences ont été
faites en ajoutant le glucose, le sucre de table et les eaux usées de l’industrie de l’amidon pour
améliorer l’activité des bactéries acidogènes. Ces expériences ont montré que le saccharose est
le meilleur. Ensuite, une autre étude a été réalisée afin de développer l’inoculum. Ces travaux
ont permis de déterminer qu’un inoculum préparé à partir de boues de traitement des effluents
issues de l’usine de pâtes et papiers, avec l’utilisation du saccharose comme additif, et
acclimaté dans des conditions acidogènes favorables, améliore la production des AGV et aboutit
à une réduction importante des matières volatiles en suspension (MVES). Un prétraitement
thermo-alcalin appliqué aux boues avant la fermentation a permis d’atteindre une concentration
importante des acides gras volatils totaux (AGVt) et de favoriser une réduction importante dans
les matières en suspension (MES) et les MVES des boues hydrolysées utilisées (57% et 49%,
respectivement).
Finalement, d’autres séries d’expériences ont été effectuées pour optimiser les paramètres
suivants : la concentration en MES, le pH et la température. Les résultats obtenus ont montré
que ces trois paramètres affectent significativement la production des AGVs. En effet, la
production maximum (12 820,8 mg/L) observée a été obtenue avec les boues concentrées à 35
g/L de MES. Au pH optimum de 10,0, les principaux AGV obtenus étaient : l’acide acétique,
l’acide propionique et l’acide iso-valérique.
Concernant la température, la production était très importante et a augmenté rapidement sous
les trois températures étudiées (25, 35 et 45°C) (6 601 mg/L, 7 356,56 mg/L et 7 796 mg/L,
respectivement), alors qu’à 15°C, la production était faible (2 412 mg/L). De plus, aucune
variation significative de production des AGV n’a été remarquée entre les températures de 45°C
et 35°C.

 The volatile fatty acids (VFA) are short-chain fatty acids produced from the acidogenic
fermentation. These acids may be carbon sources for polyhydroxyalkanoates (PHA) production.
However, the use of these VFA is currently limited by their high production costs. To solve this
problem, several studies have been conducted to find less expensive substrates capable of
producing the VFA. In this regard, the sewage sludge is a promising substrate. There are two
advantages of using sewage sludge : first, it reduces the cost of VFA production by using an
economic substrate; second, it converts the sludge as a by-product of wastewater treatment into
a value-added product and minimizes the problem of sludge disposal. Therefore, the objective of
this work is to produce VFAs from the acidogenic fermentation of secondary sludge from pulp
and paper industry, under controlled pH and temperature conditions.
Several strategies have been employed to improve the VFAs production process performance.
First, three experiments were conducted to enhance the activity of the acidogenic bacteria by
adding glucose, sucrose and starch industry wastewater, respectively. The best results were
obtained with sucrose. Then, studies were performed using different inocula. The results showed
that an inoculum prepared from sludge of the pulp and paper industry, with the use of sucrose
as an additive and acclimated in favorable acidogenic conditions improved the VFA production
and resulted in a significant reduction in volatile suspended solids (VSS). A thermo-alkaline pretreatment
applied to the sludge before fermentation has resulted in a high VFA concentration
and in a significant reduction (57% and 49%) for sludge SS and VS, respectively.
Finally, different sets of experiments were performed to optimize the following parameters : the
concentration of SS, pH and temperature. The results showed that these three parameters
significantly affected the production of VFA. The maximum VFA concentration (12 820,8 mg/L)
was obtained with the sludge (TSS) concentrated of 35 g/L. The optimum pH was 10,0 for VFA
production and acetic acid, propionic acid and iso-valeric acid were the major VFA obtained.
Temperature also plays an important role in VFA production. The concentration (2 412 mg/L) of
produced VFA was lower at lower temperature (15°C), it increased as temperature increased,
the VFA concentrations were 6 601 mg/L, 7 356 mg/L and 7 796 mg/L at temperatures of 25, 35
and 45°C, respectively, while there was no significant difference in VFA concentration between
45 and 35°C.


identifier: Touati, Chaima  (2014). Évaluation de l’apport des images MODIS désagrégées à 250m de résolution spatiale pour la cartographie de l’étendue du couvert nival dans l’Est du Canada à l’aide de l’algorithme SNOWMAP.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 116 p.

subject:
couvert nival
neige
algorithme de cartographie
MODIS
SNOWMAP
Est du
Canada
désagrégation spatiale

abstract:
Penadant l’hiver, le couvert nival couvre plus que 40% de la surface de l’hémisphère nord. Il
présente un élément clé pour le cycle hydrologique du Québec et influence chimiquement,
biologiquement et géologiquement le sol. Par conséquent, une bonne connaissance du couvert
nival sera utile pour plusieurs besoins scientifiques. Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer (MODIS) fournit des produits journaliers du couvert nival à 500 m de
résolution spatiale. Il s’agit du produit MOD10A1. SNOWMAP l’algorithme original qui le génère
a été amélioré de façon continue depuis son développement en 1989 jusqu’à maintenant. En
2006, le Centre Canadien de Télédétection (CCT) a développé un nouvel algorithme permettant
de désagréger les images MODIS de 500 m de résolution à 250 m. En s’inspirant de cet
algorithme, ce présent projet tend à cartographier la neige sur l’Est du Canada (Québec et les
provinces maritimes). L’objectif principal est d’appliquer l’algorithme SNOWMAP sur des images
MODIS désagrégées à 250 m (SNOWMAP-250 m). Par la suite, des matrices d’erreur
comparant les cartes du couvert nival issues de produit MODIS du couvert nival: MOD10A1 et
celles de la nouvelle application de l’algorithme SNOWMAP-250 m sont développées. Ces
matrices ont démontré une meilleure performance pour la nouvelle application de l’algorithme
avec une précision plus élevée en milieu ouvert qu’en milieu fermé et en hiver qu’au printemps.
En fait, en milieu ouvert ou de transition, l’algorithme a détecté la neige avec succès à partir
d’une saturation en neige au niveau de pixel inférieur à 60% alors qu’en milieu fermé la bonne
décision est prise à partir d’un degré de saturation supérieur à 65% et atteint même 95% pour
une végétation très dense.