Structure et dynamique du réseau microbien dans des écosystèmes côtiers arctiques sous l'influence d'apports riverains

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009Le plateau côtier de la rivière Mackenzie dans la mer de Beaufort. un écosystème majeur du bassin arctique, reçoit une quantité considérable de sédiments et de matière organique terrigènes. Cette région de V Arctique canadien ouest est de plus en plus affectée par le réchauffement climatique qui augmentera vraisemblablement les apports riverains de carbone organique via l'avancée de la ligne des arbres, le dégel du pergélisol et l'augmentation des précipitations. Le réseau microbien occupe une place centrale dans le cycle du carbone et les transferts d'énergie dans les écosystèmes, mais à ce jour aucune étude n'aborde les variations spatiales et temporelles de la production bactérienne (PB) et des assemblages bactériens dans l'Arctique. La présente thèse avait pour objectif d'évaluer la structure et la dynamique des communautés microbiennes sur le plateau côtier arctique, avec une emphase sur le rôle des particules et des bactéries attachées à celles-ci. L'étude spatiale dans le panache de la rivière Mackenzie a montré que le gradient de salinité structure les communautés bactériennes qui sont dominées par le groupe Beîaproteobacteria en eau douce, et par les Alphaproteobacîeria dans la mer de Beaufort. Les secteurs influencés par la rivière présentaient des taux maximaux de PB, dont entre 75% et 96% pouvaient être attribués aux bactéries associées aux particules (AP). Cette première étude annuelle de la PB en milieu côtier arctique a montré que les communautés bactériennes de la baie de Franklin demeurent actives toute l'année puisqu'elles utilisent les substrats disponibles, soit les apports allochtones de carbone organique, pour survivre durant la noirceur hivernale. Même si en période estivale les bactéries utilisent les substrats organiques labiles de la production primaire in situ, la baie de Franklin semble être un écosystème hétérotrophe sur une base annuelle. Les bactéries AP étaient particulièrement actives au printemps et à l'été, très probablement en raison des apports allochtones saisonniers de matière organique particulaire (MOP). L'analyse de l'ADN par DGGE {denaturing gradient gel electrophoresis) a montré des différences phylogénétiques entre les assemblages de bactéries libres et les assemblages de bactéries AP lorsque les concentrations en MOP sont plus élevées. A plusieurs autres sites, les assemblages libres et PA étaient similaires. La thèse souligne l'importance des particules allochtones pour les réseaux microbiens des milieux arctiques côtiers, et qu'il faut les considérer dans l'étude de la réponse des cycles biogéochimiques au réchauffement climatique dans l'océan Arctiqu

Variations horizontales des taux de prise de l'azote par le phytoplancton de la région des eaux du Nord, Mer de Baffin, en août-septembre 1999

L’étude se concentre sur la physiologie du phytoplancton marin des milieux polaires. Dans ces régions aux conditions environnementales difficiles, le phytoplancton est non seulement influencé par les apports en sels nutritifs, mais également par les fortes variations saisonnières de l’intensité lumineuse, de la stratification de la colonne d’eau et de la circulation océanique. En certains endroits, appelés polynies, le couvert de glace est plus faible. Comparativement aux régions adjacentes couvertes de glace, la floraison printanière du phytoplancton dans les polynies est précoce et la production primaire totale annuelle y est plus élevée. La région arctique des Eaux du Nord (entre l’île d’Ellesmere, Canada, et le Groenland, Danemark) renferme la polynie la plus importante de l’Arctique en termes de dimensions et de biodiversité. Deux principales masses d’eau en surface circulent dans la région des Eaux du Nord. Au nord, une intrusion d’eau froide provenant de l’océan Arctique descend le long de la côte canadienne. Au sud, le long de la rive du Groenland, une branche du courant groenlandais de l’ouest entraîne les eaux plus chaudes et plus salées de l’océan Atlantique vers le nord. Ces deux masses d’eau sont susceptibles d’influencer la répartition horizontale de la production et de la biomasse du phytoplancton dans les Eaux du Nord. Ce mémoire a pour principal objectif de décrire les variations horizontales des taux de prise de l’azote dissous, soit du nitrate, de l’ammonium et de l’urée, par le phytoplancton de la région des Eaux du Nord en relation avec les caractéristiques physiques, chimiques et biologiques des eaux éclairées de surface à la fin de l’été (leg 1:27 août-10 septembre) et au début de l’automne (leg 2:11 septembre-1 octobre) 1999. L’azote est généralement reconnu comme étant le sel nutritif qui limite la production phytoplanctonique estivale dans près de la moitié des océans mondiaux. Ainsi, la mesure de la prise totale des différentes formes de l’azote dissous ensuite convertie en équivalent de carbone (i.e. g C m-² j-1) permet de déterminer le taux de production primaire totale. Il est également possible de déterminer le rapport-f, défini comme étant la prise de nitrate par le phytoplancton sur la prise totale d’azote, et ainsi de calculer la fraction de la production primaire issue du nitrate seulement. Cette fraction, provenant de l’utilisation de sels nutritifs azotés provenant de l’extérieur de la zone euphotique, est appelée « production nouvelle ». Dans un système à l’équilibre, la production nouvelle est considérée comme étant quantitativement équivalente à l’exportation de matière organique de la zone euphotique vers les chaînons trophiques supérieurs et vers les fonds marins. L’exportation de la matière organique vers les profondeurs de l’océan est un élément important du cycle biogéochimique du carbone. L’objectif secondaire du mémoire est de calculer, pour la première fois, cette production nouvelle dans les Eaux du Nord à la fin de la saison productive. Dans l’ensemble, les taux de prise du nitrate, de l’ammonium et de l’urée ont significativement diminué d’environ 70% entre la fin de l’été et le début de l’automne 1999, et ce, principalement en raison de la diminution de l’éclairement moyen dans la zone euphotique. Tout au cours de la période d’échantillonnage, le phytoplancton a utilisé préférentiellement l’ammonium et l’urée comme substrats azotés, au détriment du nitrate. À la fin de l’été, aucune différence dans les taux de prise des trois sels azotés ne fut observée entre les côtés canadien et groenlandais des Eaux du Nord. Cependant, au début de l’automne, deux groupes distincts de stations ont pu être formés à l’aide de la contribution relative du nitrate à la prise totale de l’azote dissous et de la contribution relative du phytoplancton de grande taille (>5 μm) à la biomasse chlorophyllienne totale. Le premier groupe de stations est situé du côté canadien des Eaux du Nord où les eaux de la zone euphotique sont plus froides (-1.38ºC) et plus douces (S=30.57). Le deuxième groupe de stations est situé dans une région plus chaude (0.53ºC) et plus salée (S=32.45) le long de la côte groenlandaise et au sud des Eaux du Nord. Comparées aux stations du groupe 1, les stations du groupe 2 étaient caractérisées par des concentrations en nitrate plus élevées (153 vs. 51 mmol m-²) et par des taux relatifs de la prise phytoplanctonique du nitrate également plus élevés (0.47 vs. 0.23). La présente étude a également permis de distinguer deux types de production nouvelle : la production nouvelle particulaire et la production nouvelle totale, i.e. la somme de la production nouvelle particulaire et de la production nouvelle dissoute. La production nouvelle particulaire, basée sur la production phytoplanctonique particulaire et le rapport-f, était de 270 mg C m-² j-1 à la fin de l’été et de 85 mg C m-² j-1 au début de l’automne. À la fin de l’été et au début de l’automne 1999, la production nouvelle totale variait entre 317-340 mg C m-² j-1 selon la méthode de calcul utilisée. En 1998-1999, la production nouvelle totale annuelle de la région des Eaux du Nord était de 147 g C m-², soit 59% de la production primaire totale annuelle. Les résultats indiquent que la production nouvelle dans le nord de la mer de Baffin est substantielle, même à la fin de la période de croissance du phytoplancton, et que les taux de prise des différents sels azotés sont d’une part sous l’influence des variations de la température de l’eau et de la salinité et d’autre part, sous l’influence des changements de l’intensité lumineuse

Seasonal patterns of microcystin-producing and non-producing Planktothrix rubescens genotypes in a deep pre-alpine lake

The filamentous cyanobacterium Planktothrix rubescens produces secondary metabolites called microcystins (MC) that are potent toxins for most eukaryotes, including zooplankton grazers, cattle and humans. P. rubescens occurs in many deep and thermally stratified lakes throughout Europe. In Lake Zurich (Switzerland), it re-appeared in the 1970s concomitant with decreasing eutrophication. Since then, P. rubescens has become the dominant species in this major drinking water reservoir, where it forms massive metalimnetic blooms during late summer. These cyanobacteria harbor subpopulations of non-MC producers, but little is known about the environmental factors affecting the success of such genotypes. The non-MC-producing subpopulation of P. rubescens was studied using a quantitative real-time PCR (qPCR) assay on the MC synthetase (mcy) gene cluster that targets a deletion on the mcyH and mcyA genes, which inactivates MC biosynthesis. Two complementary qPCR assays were used to assess the total population abundance (based on the 16S rDNA gene) and the mcy gene copy number (based on a conserved region in the adenylation domain of the mcyB gene). The objective was to evaluate the seasonal patterns of the share of non-MC-producing filaments in the total P. rubescens population. The mcyHA mutants were present in low proportions (up to 14%) throughout the year. Their highest relative abundances occurred during the winter mixis, when total concentrations of P. rubescens were minimal. The MC deficient mutants seemed to better survive in sparse populations, possibly because of lower grazing pressure and a consequently reduced need for MC-mediated protection. Alternatively, the mutants might cope better with the sub-optimal, stressful pressure and light conditions during the winter mixis. Altogether, our results suggest that subtle trade-offs might seasonally determine the proportions of non-MC producers within P. rubescens populations

Prokaryotic community structure and heterotrophic production in a river-influenced coastal arctic ecosystem

14 pages, 3 figures, 5 tablesSpatial patterns in prokaryotic biodiversity and production were assessed in the Mackenzie shelf region of the Beaufort Sea during open-water conditions. The sampling transect extended 350 km northwards, from upstream freshwater sites in the Mackenzie River to coastal and offshore sites, towards the edge of the perennial arctic ice pack. The analyses revealed strong gradients in community structure and prokaryotic cell concentrations, both of which correlated with salinity. Picocyanobacterial abundance was low (102 to 103 cells ml–1), particularly at the offshore stations that were least influenced by the river plume. Analysis by catalyzed reporter deposition for fluorescence in situ hybridization (CARD-FISH) showed that the dominant heterotrophic cell types were β-Proteobacteria at river sites, shifting to dominance by α-Proteobacteria offshore. Cells in the Cytophaga–Flavobacter–Bacteroides and γ-Proteobacteria groups each contributed 10% of counts in the marine samples. Archaea were detected among the surface-water microbiota, contributing on average 1.3% of the total DAPI counts in marine samples, but 6.0% in turbid coastal and riverine waters. 3H-leucine uptake rates were significantly higher at 2 stations influenced by the river (1.5 pmol l–1 h–1) than at other marine stations or in the river itself (≤0.5 pmol–1 h–1). Size-fractionation experiments at 2 coastal sites showed that >65% of heterotrophic production was associated with particles >3 µm. These results indicate the importance of particle-attached prokaryotes, and imply a broad functional diversity of heterotrophic microbes that likely facilitates breakdown of the heterogeneous dissolved and particulate terrestrial materials discharged into arctic seasThis study was made possible with financial support from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), the Canada Research Chair program, Fonds québécois de recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) and Indian and Northern Affairs CanadaPeer reviewe

Short-term displacement of Planktothrix rubescens (cyanobacteria) in a pre-alpine lake observed using an autonomous sampling platform

Short-term changes in temporal and spatial distributions of the toxic cyanobacterium Planktothrix rubescens in Lake Zurich were investigated using high-resolution data sets acquired with an autonomous surface vessel (ASV). Data profiles were recorded with a multi-parameter probe while the ASV navigated along 1.5 km toward a waypoint located on the other side of the lake by using a global positioning system. We deployed the ASV seven times on five consecutive days during the stratification period (July 2011) to generate cross-sectional views of temperature, light, oxygen, and phycoerythrin and chlorophyll fluorescence from surface to 18 m. The data were also used to compute daily photosynthetic rates. Data showed a daily reshaping of the P. rubescens distribution in the metalimnion on both horizontal and vertical axes, from patches to a shore-to-shore spreading. A thermocline depression observed after 16 h of sustained winds forced the accumulation of P. rubescens on the downwind shore. The compression of the metalimnion and its downward shift by 6 m within 24 h suggested the modulation of a longitudinal seiche following the wind event. This passive transport of the metalimnetic P. rubescens population resulted in a 90% light reduction, and a decrease of the averaged daily photosynthetic rate from +21 mmol O2 m−2 d−1 to −10 mmol O2 m−2 d−1. Negative photosynthetic rates were computed on 2 d out of 5 d, meaning that the transport of P. rubescens by seiches significantly affected the balance between oxygen production and utilization in Lake Zurich, especially because it is the dominant primary producer

Adaptive continuous-space informative path planning for online environmental monitoring

ISSN:1556-4959ISSN:1556-496

Design and Application of a Surface Vessel for Autonomous Inland Water Monitoring

ISSN:1070-9932ISSN:1558-223

Fully autonomous focused exploration for robotic environmental monitoring

Robotic sensors are promising instruments for monitoring spatial phenomena. Oftentimes, rather than aiming to achieve low prediction error everywhere, one is interested in determining whether the phenomenon exhibits certain critical behavior. In this paper, we consider the problem of focusing autonomous sampling to determine whether and where the sensed spatial field exceeds a given threshold value. We introduce a receding horizon path planner, LSE-DP, which plans efficient paths for sensing in order to reduce our uncertainty specifically around the threshold value. We report fully autonomous field experiments with an Autonomous Surface Vessel (ASV) in an aquatic monitoring setting, which demonstrate the effectiveness of the proposed method. LSE-DP is able to reduce the uncertainty around the threshold value of interest to 68% when compared to non-adaptive methods

Increased Immunogenicity of Full-Length Protein Antigens through Sortase-Mediated Coupling on the PapMV Vaccine Platform

Background: Flexuous rod-shape nanoparticles—made of the coat protein of papaya mosaic virus (PapMV)—provide a promising vaccine platform for the presentation of viral antigens to immune cells. The PapMV nanoparticles can be combined with viral antigens or covalently linked to them. The coupling to PapMV was shown to improve the immune response triggered against peptide antigens (<39 amino acids) but it remains to be tested if large proteins can be coupled to this platform and if the coupling will lead to an immune response improvement. Methods: Two full-length recombinant viral proteins, the influenza nucleoprotein (NP) and the simian immunodeficiency virus group-specific protein antigen (GAG) were coupled to PapMV nanoparticles using sortase A. Mice were immunized with the nanoparticles coupled to the antigens and the immune response directed to the antigens were analyzed by ELISA and ELISPOT. Results: We showed the feasibility of coupling two different full-length proteins (GAG and NP) to the nanoparticle. We also showed that the coupling to PapMV nanoparticles improved significantly the humoral and the cytotoxic T lymphocyte (CTL) immune response to the antigens. Conclusion: This proof of concept demonstrates the versatility and the efficacy of the PapMV vaccine platform in the design of vaccines against viral diseases