This thesis represented the first attempt to investigate the effect of different tillage and crop residue management regimes on the genetic and functional diversity of soil Bacteria and Archaea in a corn agroecosystems in southern Québec. Soils were collected from a long-term (>15 year old) agricultural experiment with three tillage treatments- no-till, reduced tillage, and conventional tillage (mouldboard plowing) and two levels of residue input- with residues (corn roots, stems, and leaves) versus without residues (corn roots and little above ground residues). PCR-DGGE analysis of soil DNA extracts indicated that there was no significant difference of Bacterial and Archaeal communities in the different soil treatments. The potential for atrazine degradation was determine using a soil microcosm mineralization assay. The results of this experiment indicated that all the treatments had almost the same effect on atrazine mineralization. Functional gene microarray analysis of soil microorganisms affected by different treatments showed no clear difference among the different treatments. Microscopic analysis (CARD-FISH and DTAF) indicated that biomass and numbers of Bacterial and Archaeal were not significantly changed as a consequence of different treatments on agricultural soils in southern Québec. In conclusion, this study indicated that the different tillage practices (no-tillage, reduced tillage and conventional tillage) and crop residue managements (with residue and without residue) did not change soil microbial genetic/functional diversity, atrazine degradation, and microbial biomass. / La présente thèse constituait la première opportunité d'étudier l'effet de différentes techniques de labour et de gestion de résidus de plantes sur la diversité génétique et fonctionnelle bactérienne et archaenne des terres agricoles du sud du Québec consacrées à la culture du maïs. Des analyses PCR-DGGE d'extraits d'ADN du sol ont indiqué qu'il n'y avait aucune différence majeure entre les communautés microbiennes de bactéries et d'archaea, peu importe les différents traitements des sols. Des analyses de microréseaux de gènes fonctionnels des communautés de microorganismes de ces sols n'ont aussi montré aucune différence significative entre les différentes techniques d'entretien des sols utilisées. La capacité de dégradation de l'atrazine a été déterminée par analyse de minéralisation via un microcosme de sol. Les résultats de ce test ont indiqué que toutes les techniques de gestion des sols ont à peu près le même effet sur la minéralisation d'atrazine. Des analyses microscopiques (CARD-FISH et DTAF) ont indiqué que la biomasse du sol, ainsi que le nombre de bactéries et d'archaeas, ne changeaient pas de façon significative malgré les différentes techniques d'entretien des sols agricoles dans le sud du Québec. Pour conclure, cette étude a démontré que les différentes pratiques de labour (sans labour, pratique aératoire antiérosive et travail du sol classique) et de gestion de résidus de plantes (avec ou sans résidus) n'ont pas changé la diversité génétique/fonctionnelle microbienne, la dégradation de l'atrazine ainsi que la biomasse du sol.

For psychrophilic anaerobic digestion systems, natural biota may provide sources of already adapted inoculum to reduce reactor start up time. The objective of the research was to test the inoculum potential of the microbial populations found in eight river sediments from the Montreal region, Canada, for the psychrophilic anaerobic digestion of swine manure. Also, to develop a simple theoretical method for quantification of acetoclastic methanogens in natural biota and validate using QRT-PCR technique. The anaerobic methanogenic populations of the sediments was quantified and characterized at 22 °C with specific methanogenic activity tests (SMA) using acetate and H2/CO2 as substrates. Then, biochemical methane potential (BMP) tests were conducted for 190 days at 10 °C using as substrate sterile swine manure, and as inoculums, the sediment with the highest methanogenic activity, fresh swine manure and sludge from an agro-food anaerobic mesophilic digester (AD sludge). / All eight sediments demonstrated pseudo-lag phases during the acetate SMA because of the low initial microbial populations. A visually significant correlation was observed between mgd.wt.cells/g sediment obtained from the predicted model and cell number/g sediment from the QRT-PCR results. During the H2/CO2 SMA, most sediments exhibited homoacetogenic activity out-competing that of the hydrogenotrophic methanogens. As compared to the most active sediment and swine manure and AD sludge inoculum presented approximately seven times more methanogenic activity at psychrophilic conditions. It also yielded 334 ml CH4/g CODin, which is almost twice as that of the active sediment. Further tests are required to optimize the process conditions, (i.e. loading rates, pH, etc.) in order keep the activity on its maximum. / Certaines biotes naturelles seraient en mesure de fournir aux systèmes de digestion anaérobie avec organismes psychrophiles des sources d'inoculum pré adaptés, réduisant ainsi le temps de démarrage du réacteur. L'objectif de cette étude fut d'évaluer le potentiel comme inoculum de populations microbiennes provenant de huit dépôts sédimentaires fluviaux de la région Montréalaise, pour la digestion anaérobie avec psychrophiles du lisier de porc. Il s'agirait aussi de développer une méthode théorique de base pour quantifier les méthanogènes acétoclastiques dans les biotes naturelles, et de la valider en utilisant une technique de transcription inverse suivie d'une PCR quantitatif en temps réel (QRT-PCR). Les populations anaérobies méthaniques des sédiments furent quantifiés et caractérisés à 22 °C grâce à des tests spécifiques d'activité méthanigène (SAM), utilisant l'acétate ou le H2/CO2 comme substrats. Des tests pour évaluer la production potentielle de méthane par voie biochimique (PPMB) se sont déroulés à 10 °C sur une durée de 190 jours, utilisant du lisier de porc stérile comme substrat, et comme inoculum soit (i) les sédiments ayant l'activité methanigène la plus élevée, (ii) du lisier de porc frais, ou (iii) de la boue de digesteur anaérobie (boue DA) de matières agroalimentaires. / Étant donné leur basses population microbiennes initiales, tous les sédiments présentèrent une pseudo phase de latence durant le test SAM avec l'acétate. Une corrélation visuelle significative fut notée entre le poids sec de cellules par grammes de sédiment (mg/g) prédite par la méthode théorique et celle obtenue par QRT-PCR. Lors du test SAM avec H2/CO2, la plupart des sédiments présentèrent une activité homoacétogène dépassant celle des méthanogènes hydrogènotrophes. Comparé au lisier de porc et à la boue DA, sous des conditions psychrophyliques le sédiment le plus actif a produit sept fois plus de CH4 par masse d'ATP. Aussi produisit-elle 334 ml CH4/g CODin, près de deux fois le rendement du sédiment actif. D'autres tests seront nécessaires pour optimiser les conditions opératoires (i.e., taux de charge, pH, etc.) afin de maintenir l'activité à un maximum.

On-site treatment (home and community composting) of organic waste (OW) reduces cost and environmental issues as opposed to centralized facilities and landfilling. By 2025, such on-site practices could reduce costs and greenhouse gas emissions (GGE) by 50 and 40 %, respectively, and save land as compared to maintaining landfilling practices. However, the shift of municipal solid waste (MSW) management systems from landfill disposal to resource recovery requires technological input, population participation and compost quality assurance. The composting process and quality of composted product depends on the initial compost mixture formulation, design type and management practices of home composting systems (HC). A project was therefore conducted both in the laboratory and in the field, to establish a home composter design and compost formula, which favours the best organic waste decomposition. The results indicated that home composter design is important: perforations must be concentrated at the top and bottom to provide an aeration level equivalent to that of a ground pile. Such home composters can reach thermophilic temperatures when fed at least 10 kg (week)-1 of organic waste with a dry matter content over 15 % (half yard trimmings and half food waste). The compost produced generally offers acceptable levels of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and heavy metals, but residents must be careful in applying the right amount of garden herbicides. The total GGE from home composters were found to be equivalent to that of centralized composting facilities but eliminate the need to spend energy equivalent to 50 kg CO2-eq (tonne wet waste)-1 for handling and processing. / Le traitement des matières résiduelles organiques (MRO) sur place (centres communautaires de compostage et composteurs maison) est une approche qui réduit les coûts de manipulation et de procédé associés aux centres régionaux de compostage et à l'enfouissement. D'ici 2025 et comparativement à l'enfouissement, cette approche pourrait diminuer les coûts de traitement et les émissions de gaz à effet de serre (GES) de 50 et 40 %, respectivement. D'autre part, la diversion et le recyclage des MRO exigent des connaissances techniques et la participation des gens pour assurer la qualité sanitaire du produit, qui dépend du mélange initial, et de la conception du composteur maison ainsi que de sa gestion. Un projet fut donc réalisé en laboratoire et sur le terrain, dans le but de déterminer les critères de conception des composteurs maison et la formulation du mélange initial qui favorisent la décomposition et la stabilisation des MRO traitées. Les résultats ont démontré que la conception du composteur maison est importante, surtout en ce qui concerne l'emplacement des ouvertures qui, quand concentrées dans le haut et le bas, favorisent l'aération par convection. Cette configuration d'ouvertures fait en sorte que le composteur peut atteindre des température thermophiles, semblables aux amas au sol, s'il est chargé de plus de 10 kg (semaine)-1 de MRO possédant une matière sèche de plus de 15 % (moitié résidus de jardin et résidus de table). Le compost produit par résident est généralement propre, avec de faibles teneurs en hydrocarbures aromatique polycyclique (HAP) et en métaux lourds, à la condition d'appliquer des herbicides jardins en quantités raisonnables. Comparativement aux centres régionaux de compostage, les composteurs maison générent la même quantité de gaz à effet de serre (GES) mais font économiser 50 kg de CO2-équ. (tonne de matières résiduelles humides compostées)-1 en tant qu'énergie de manipulation et de procédé.

Cerium is one of the most abundant rare earth elements (REE) with an estimated average concentration in the Earth's crust of 66 μg g-1, which is equal to or greater than Ni and Pb. Hydroponic experiments were performed to examine the rhizotoxicity of Ce to cucumber (Cucumis sativa) seedlings and the effects of H+ and Ca2+ were also studied. Ce concentration that causes 50 % reduction in root elongation (IC50) was calculated and the values ranged from 0.29 μM at pH 6.0 with 0.20 mM Ca to > 2.0 μM at pH 4.5 with 2.00 mM Ca. Column leaching experiments were conducted and the partitioning coefficients (Kd) were calculated. Total metal concentrations in soils were measured before and after spiking and metal concentrations in soil solution (leachates) were also measured during 9 days of spiking and leaching. The results suggest that leaching is an important step after spiking soils in order to remove excess dissolved metals. Large Kd values indicate that Ce is strongly bound to soil particles and that the bioavailable Ce could be much lower than the total Ce. Phytotoxicity of Ce was examined by performing pot experiments. Cucumbers were grown in Ce-spiked soils for 14 days and a dose-response relationship was established. The results from the pot experiments suggest that Ce toxicity is similar to Zn and Ni with the IC50 ranging from 100 μg g-1 Ce for root growth to 2630 μg g-1 Ce for biomass. Bioaccumulation of Ce was also observed in Cucumis sativa, however, most Ce was found in the root and much less Ce was transferred to the leaf. / Le cerium est un des éléments des terres-rares les plus abondants dans la croûte terrestre, sa concentration moyenne estimée est de 66 μg g-1, ce qui le rend comparable aux concentrations de Ni et ou de Pb. Des expériences en hydroponique ont été poursuivies pour étudier, sur les pousses de concombres (Cucumis sativa), les effets du pH et de la concentration du Ca sur la rhizotoxicité du Ce. La concentration de Ce qui occasionne 50% de réduction de la longueur des racines (IC50) a été établie comme passant de 0,29 uM Ce à pH 6 avec 0,20 mM Ca pour aller jusqu'à > 2 uM Ce à pH 4,5 avec 2,0 mM Ca. Des études de lessivage de colonnes ont été entreprises et les coefficients de partition (Kd) ont été calculés. Les concentrations de totales de métaux ont été mesurées avant et après l'addition de Ce et les concentrations dans les solutions de sol (lessivats) ont été enregistrées pour une durée de 9 jours. Les résultats montrent que le lessivage est une étape importante après avoir ajouté l'élément au sol de manière à enlever l'excès de métal qui est resté en solution après l'ajout initial. La valeur élevée des coefficients de partition (Kd) indique que beaucoup de Ce est fortement adsorbé sur la phase solide en comparaison avec ce qui se trouve en solution; ce qui expliquerait que le Ce biodisponible est bien moindre que le Ce total. La phytotoxicité du Ce a été étudiée lors d'une expérience en pots de culture. Les concombres ont été cultivés durant 14 jours dans des sols enrichis en Ce et leur réponse en fonction de la concentration présente a été établie. Les résultats de cette expérience en pots suggèrent que la toxicité du Ce est semblable à celle du Zn et Ni passant de 100 μg g-1 pour la croissance des racines à 2630 μg g-1 pour la biomasse. La bioaccumulation dans le plant de concombre a été observée mais la plupart du Ce mesuré l'a été dans les racines et beaucoup moins a été

Agricultural land use is a key driver of water quality through its impact on nutrient flows across landscapes. Phosphorus (P) is commonly applied to croplands in fertilizers and manure to improve soil fertility, but excess P can accumulate in soils and may accelerate eutrophication of waterbodies. Balancing agricultural P inputs with crop requirements is therefore crucial for water quality. A historical study of agricultural land use and water quality in the Saint Lawrence River sub-basin (574,000 km2) is presented here, focusing on agricultural P budgets. These budgets, calculated each decade from 1901 to 2001 for the sub-basin and its tributary watersheds, reveal that while P management has improved in recent decades, large cumulative P surpluses have accumulated in many watersheds. These long-term P surpluses are good predictors of average soil P content across the sub-basin watersheds (R-square = 0.725; p<0.01), supporting the view that historical land management can have important ecological legacies. / La façon dont on utilise les terres agricoles est un facteur principal de la qualité de l'eau à cause de son impact sur les écoulements de nutriments sur les paysages. Le phosphore (P) est généralement appliqué aux terres agricoles par moyen d'engrais et de fumiers pour améliorer la fertilité du sol, mais des excès de P peuvent s'accumuler dans les sols et peuvent ainsi accélérer l'eutrophisation. Assurer un équilibre entre le P utilisé en agriculture pour les conditions nécessaires aux récoltes est donc crucial pour maintenir la qualité de l'eau. Une étude historique d'utilisation des terres agricoles et de la qualité d'eau dans le sous-bassin du fleuve Saint Laurent (574 000 km2) est présentée ici et se concentre sur les budgets agricoles de P. Ces budgets, calculés chaque décennie entre 1901 et 2001 pour le sous-bassin et ses bassins-versants tributaires, indiquent que tandis que la gestion de P s'est améliorée dans des décennies récentes, les grands excédents cumulatifs de P se sont accumulés dans beaucoup de bassins-versants. Ces excédents à long terme de P sont de bons facteurs prédictifs de concentrations moyennes du P du sol à travers les de bassins-versants de la sous-bassin (R-square = 0.725; p<0.01), soutenant le point de vue qui suggère que la gestion historique de terre peut engendrer des héritages écologiques importants.

Phosphorus (P) is an essential nutrient for plant growth, however, in excess, it can pose a threat to water quality, most notably in freshwater systems. While researchers have focused on understanding the factors that influence stream P in non-urban areas, research on P dynamics in urban streams is lacking. Currently, urban development is the second-largest cause of stream impairment in the North America due, in part, to the impacts of nutrient pollution. For this reason, it is important to identify which commonly studied predictors of P in non-urban streams remain useful predictors in an urban setting and to determine whether characteristics unique to urban areas (i.e., socio-economic factors) can be used to predict P in urban streams. Seven streams on the island of Montreal were sampled daily to determine the P concentration in each. Stream flow was also measured in order to calculate the P flux in each stream. Stream P concentration and flux were compared to several physical and biological watershed characteristics that are commonly understood to be drivers of nutrient pollution, including percent impervious cover, land use, and amount of riparian buffer. Stream P concentration was also compared to several socio-economic watershed characteristics that I hypothesized would be good predictors in urban systems, including (average home value, median household income, fertilizer expenditures). Overall, two physical watershed characteristics (impervious surface cover and measures of land use) were most effective at explaining the variation in P concentration and P flux in the streams, while the biological and socio-economic variables were less effective. There is some evidence, however, to suggest that socio-economic variables (e.g. dollars spent on fertilizer per hectare of residential land) should continue to be examined with respect to urban stream P. After removing impervious surface cover as a predicto / Le phosphore (P) est un élément essential pour la croissance des plantes. En excès il est cependant une menace pour la qualité des eaux, particulièrement dans le cas des écosystèmes d'eaux douces. Alors que les recherches se concentrent sur la compréhension des facteurs qui influencent la dynamique fluviale du P dans des zones non-urbaines, cette dynamique en zone urbaine demeure méconnue. Or, le développement urbain est une des principales causes de la détérioration des eaux fluviales en Amérique du Nord, en partie à cause des impacts de la pollution par les nutriments. Pour cette raison, il est important d'identifier quels prédicteurs du P communément étudiés dans les rivières et ruisseaux non-urbains restent d'utiles prédicteurs dans un cadre urbain. Il convient également de déterminer si les caractéristiques uniques aux zones urbaines (i.e., des facteurs socio-économiques) peuvent être utilisées pour prédire le P du réseau fluvial urbain. Sept ruisseaux sur l'île de Montréal ont été échantillonnés à chaque jour pour déterminer leur concentration en P. Le courant a aussi été mesuré afin de calculer le flux de P. La concentration et le flux de P ont été comparés à plusieurs caractéristiques physiques et biologiques de leur bassin versant qui sont des facteurs connues qui gouvernent la pollution par les nutriments (pourcentage de surface imperméable, occupation du territoire et surface de zone riveraine tampon). La concentration fluviale de P a aussi été comparée à plusieurs caractéristiques socio-économiques des bassins versants que j'ai supposée être de bons prédicteurs du P dans les ruisseaux urbains, incluant la valeur moyenne de l'habitation, le revenu moyen et les dépenses en fertilisant. Deux caractéristiques des bassins versants (le pourcentage de surface imperméable et l'occupation du territoire) ont été plus efficaces pour expliquer la

Temperatures in cold climates are dynamic due to diurnal, periodic or seasonal temperature variations and variability in incoming solar radiation, and these temperature changes may influence on-site soil microbial activity. To date there has been very little research focused how variations in site temperatures and various seasonal temperature regimes influence biodegradation performance. / The overall objective of this research was to investigate the rate and extent of total petroleum hydrocarbon (TPH) biodegradation in contaminated soils from a sub-Arctic site under site-relevant temperature regimes in cold climates and to assess the effect of different temperature regimes on TPH biodegradation activity. A series of pilot-scale biodegradation experiments was conducted using field-aged petroleum-contaminated soils shipped from a former military Distant Early Warning (DEW) line site in Resolution Island, Nunavut, Canada (61°30'N 65°00'W). / Pilot-scale landfarming experiments were performed in a laboratory in soil tanks under site temperature profiles representative of the 3-year site air temperatures in July and August where temperature varied uniformly between 1 °C to 10 °C over 10 days. The rates and extent of biodegradation of the non-volatile, higher molecular weight hydrocarbons (F3) was significant and comparable to the rates and extent of biodegradation observed for semi-volatile, lower molecular weight fraction (F2). The first-order biodegradation rate constants for the F2 and F3 hydrocarbon fractions were similar to each other in both low initial TPH and high initial TPH landfarms and estimated to be 0.011 to 0.024 day-1 and 0.016 to 0.019 day-11, respectively. Changes in ratios of residual concentrations of C14, C16 and C18 alkanes with progressive biodegradation was tracked, and showed that as TPH levels declined, the relative abundance of the higher-molecular weight alkanes declined. Soil aggregates with diameters ranging from 0.6 mm to 2 mm contained residual TPH that was not bioavailable and thus controlled the effective endpoint of biodegradation. / Variable temperatures representative of site temperature changes between 1 and 10 °C over two months dramatically influenced the rates and extent of biodegradation of petroleum hydrocarbons compared to the rates and extent obtained under a constant average incubation temperature of 6 °C. Under the variable site temperature condition, more rapid biodegradation of both semi- and non-volatile hydrocarbons occurred by over a factor of two due to accelerated bioactivity and growth of indigenous hydrocarbon-degrading microbial populations. Preferential biodegradation of semi-volatile hydrocarbons over non-volatile hydrocarbons was significant in the constant average temperature mode, but not under the variable temperature regime. / A study was undertaken to quantitatively assess biodegradation of petroleum hydrocarbons and microbial respiration and response during the seasonal transition periods preceding and following summer where freezing and thawing of the surface soil layers occurs at the sub-Arctic site. During the freezing phase, a statistically significant extent of biodegradation of 13% of semi-volatile hydrocarbons occurred, which was correlated with the emergence of Corynebacterineae-related hydrocarbon-degrading bacteria and growth of heterotrophic microbial populations. Petroleum hydrocarbon biodegradation, microbial respiration and changes in the size and composition of microbial community occurred under sub-zero temperatures but only when there was substantial liquid, unfrozen pore waters coexisting with pore ice. A rapid rate of temperature increase caused a burst of microbial respiration activity as previously observed in several studies, and it was found that this microbial activity also resulted in significant reductions of semi- and non-volatile hydrocarbon concentrations of up to 25% and 11%, respectively. / L'objectif global de cette recherche était d'étudier le taux et l'étendue de la biodégradation des hydrocarbures pétroliers totaux (HPT) dans les sols contaminés à partir d'un site subarctique, sous des régimes de température de sites pertinents touchés par des climats froids, et d'évaluer l'effet de différents régimes de température sur la biodégradation des HPTs. Une série d'expériences de biodégradation à échelle pilote a été réalisées en utilisant du sol âgé contaminé au pétrole expédié à partir d'un ancien site militaire de réseaux de radars, le Distant Early Warning (DEW), dans l'île Resolution, au Nunavut, Canada (61° 30' 1"N 65° 0' 1"O). / Les taux et l'étendue de la biodégradation des hydrocarbures non volatils de masse moléculaire plus élevés (F3) a été significative et comparable aux taux et à l'importance de la biodégradation observés pour les semi-volatils, de masse moléculaire moins élevés (F2). Les constantes de vitesse de biodégradation du premier ordre pour les fractions d'hydrocarbures F2 et F3 étaient semblables les unes des autres. Cela était vrai dans l'épandage contrôlé avec des nivaux de HPTs initiaux bas, ainsi qu'avec les nivaux de HTPs initiaux élevés, et cela est estimée de 0,011 à 0,024 jour-1 et de 0,016 à 0,019 jour-1, respectivement. Les modifications de ratios des concentrations résiduelles des alcanes C14, C16 et C18 avec une biodégradation progressive a été suivie à la trace, et cela a démontré qu'une réduction des niveaux de HTPs entraîne une diminution de l'abondance relative des alcanes à haut poids moléculaire. Les agrégats de sols avec des diamètres allant de 0,6 mm à 2 millimètres contenaient des HPTs résiduels qui ne sont pas donc biodisponibles, ont contrôlé le point d'aboutissement efficace de la biodégradation. / Les variables de températures représentatives des changements de température du site entre 1° et 10 °C entre une période de deux mois ont considérablement influencé la vitesse et l'étendue de la biodégradation des hydrocarbures pétroliers par rapport aux taux et l'étendue obtenus sous une température d'incubation moyenne constante de 6 °C. Sous la température variable du site, une biodégradation plus rapide d'à la fois les hydrocarbures semi-volatils et non volatils s'est produite à un facteur de deux, près en raison d'une bioactivité accélérée, et d'une croissance des populations microbiennes indigènes qui prospèrent en décomposant les hydrocarbures. / Une étude a été entreprise afin d'évaluer quantitativement la biodégradation des hydrocarbures pétroliers, ainsi que la respiration et réponse microbienne au cours des périodes de transition saisonnière précédant et suivant la saison d'été, où le gel et le dégel des couches superficielles du sol se produisent au site subarctique. Pendant la phase de congélation, une étendue statistiquement significative de la biodégradation de l'ordre de 13% des hydrocarbures semi-volatils s'est produite, ce qui a été corrélé avec l'émergence des bactéries d'hydrocarbures biodégradables Corynebacterineae connexes et la croissance des populations microbiennes hétérotrophes. La biodégradation des hydrocarbures pétroliers, la respiration microbienne et les changements dans la taille et la composition des communautés microbiennes sont apparus sous des températures au-dessous de zéro, mais seulement ou il y avait du liquide non gelées substantiel dans les pores du sol, coexistant avec de la glace interstitielle. Un taux rapide d'augmentation de température a provoqué une poussée d'activités de respiration microbienne comme précédemment observée dans plusieurs études. Il a été constaté que cette activité microbienne a également entraîné de manière significative des réductions de concentrations d'hydrocarbures semi-volatils et non volatils allant jusqu'à 25% et 11%, respectivement.

This dissertation assesses the levels of mercury in fish and human populations and PAHs in local communities along three rivers in the Ecuadorian and Peruvian Amazon. Land use changes in the Amazon are begetting numerous negative impacts on both ecosystems and local populations. One negative consequence of deforestation is the contamination of local ecosystems by mercury (Hg), a potent neurotoxic agent, which is leached from soils when river-side plots are cleared. In the Andean Amazon, the incursion of petroleum companies has led to road construction, colonization and areas of intense deforestation. The techniques used in the extraction of oil in this remote and overlooked region have left a legacy of contamination, specifically heavy metals such as Hg and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Limited research has evaluated the degree of Hg contamination in the Andean Amazon and less research still has determined the state of contamination as a result of oil extraction. The purpose of this research is to uncover the extent of contamination in fisheries and human populations reliant on the fish and water resources of the area. Eight communities along three white water rivers – the Napo River (Ecuador), the Corrientes River (Peru) and the Pastaza River (Peru) – with differing degrees of deforestation and oil extraction were studied. Questionnaires were administered to 192 people who accepted to provide hair samples. Samples of commonly eaten fish were collected. A subsample of the study population (n=76) also provided a urine sample. Biological samples of fish (n=486), human hair and urine were analysed for Hg and samples of urine were analysed for 1-hydroxypyrene (1-OHP), a metabolite of one of the most common PAHs. Regression analysis was used to draw links between contamination levels and socio-demographic, dietary and occupational characteristics of the population. One health outcome – miscarriages – was evaluated in the questionnaires and examined in / Cette thèse examine et compare les niveaux de mercure et de HAP dans les communautés riveraines de trois bassins de l'Amazonie péruvienne et équatorienne. Les impacts des changements de vocation des terres en Amazonie sont multiples, tant sur les écosystèmes que sur les populations qui en dépendent. Une des conséquences du déboisement est la contamination des écosystèmes aquatiques par le mercure (Hg), un puissant neurotoxique, dû à l'érosion des berges et la migration de ce métal lourd contenu dans les sols. En Amazonie andine, l'incursion des compagnies pétrolières a mené à la construction de route, la colonisation et la déforestation de vastes pans de forêt. Les méthodes d'extraction pétrolière utilisées dans ces régions isolées et souvent ignorées ont entraîné un legs de pollution en métaux lourds (dont le Hg) et en hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Peu d'étude ont évalué l'amplitude de la contamination au Hg en Amazonie andine et encore moins ont évalué celle liée à l'extraction pétrolière. Le but de cette recherche est de déterminer le spectre de ces contaminations dans les poissons et les communautés riveraines amazoniennes dont la diète en dépend. Cette étude porte sur 8 communautés basées dans 3 bassins de rivière à eaux blanches (Napo (Équateur), Corrientes (Pérou) et Pastaza (Pérou)) au niveau de déboisement et d'extraction pétrolière distincts. 192 personnes ont participé à l'étude et à la collecte d'échantillon de cheveux. Un sous-groupe (n = 76) de cette population à l'étude a participé à la collecte d'échantillon d'urine. Des échantillons des poissons les plus fréquemment consommés furent prélevés (n=486). Les niveaux de Hg et de 1-hydroxypyrene (1-OHP), un métabolite d'un des HAP les plus communs, furent mesurés dans les échantillons de cheveux, d'urine et de poisson. Des régressions linéaires furent utilisées pour identifier les corrélations entre les nivea

II Brominated flame retardants (BFRs) are persistent organic pollutants that have reached a global distribution in the environment. Many of the BFRs are lipophilic and bioaccumulative, and consequently several of them have been found in wildlife tissue with some of the highest levels recorded in several raptor species. The overall aim of this study was to determine the effects of exposure to environmentally relevant levels of the two most prominent BFRs, polybrominated diphenyl ethers (PBDEs: DE-71 mixture) or hexabromocyclododecane (HBCD) on the reproductive success, behaviour and physiology of captive American kestrels. In 2007, males exposed in ovo to DE-71 at three mean egg exposure concentrations of 289 ng/g ww for the low-exposure males, 1131 ng/g ww for the high-exposure males, or background levels of 3 ng/g ww for controls, were paired with unexposed females, and euthanized in the following year for testes extraction. In 2008, kestrel pairs were exposed via diet to technical HBCD (0.32 µg/µl wet weight (ww) daily) or the vehicle only for controls; testis mass and histology was examined in an additional group of males exposed to the same concentrations for three weeks. Pairs with males exposed in ovo to DE-71 demonstrated decreased clutch size, and egg mass, reduced fertility, and delayed timing of egg-laying when compared to controls. Both members of these pairs displayed reduced courtship behavior, including copulation frequency, and males demonstrated reduced parental behavior compared to controls. The testes of males exposed in ovo to DE-71 were enlarged and contained more seminiferous tubules with lumen, though the number of tubules containing final spermatids decreased with increasing in ovo exposure to some PBDE congeners. Additionally, testosterone levels were reduced during breeding in these males. Pairs exposed to HBCD via diet laid their clutches earlier and their average clutch size of eggs was larger, however no associated increase in reproductive success was noted. Though eggshell thickness was unaffected, HBCD-exposed females produced lighter and smaller eggs. Both members of HBCD-exposed pairs showed reduced courtship behavior and males additionally demonstrated reduced parental care. Males exposed to HBCD had elevated testosterone levels, reduced circulating thyroxin (T4) and increased body mass at certain time-points throughout the breeding season. Unpaired males had larger testes than controls with more seminiferous tubules containing final spermatids. The results presented herein demonstrate that both of these BFRs affect reproduction in American kestrels. Since exposure levels in the present study were environmentally relevant, wild birds receiving similar exposure may experience comparable effects. / IV Les ignifugeants bromés sont des polluants organiques tenaces, répandus globalement dans l'environnement. Lipophiles et bioaccumulatifs, on les retrouve dans les tissus animaux, dont ceux des rapaces qui possèdent parmi les concentrations les plus élevées. Cette étude avait comme objectif global de déterminer les effets sur la reproduction, le comportement et la physiologie de crécerelles d'Amérique (Falco sparverius) captives exposées à deux ignifugeants brominés d'importance, soit les polybromodiphényléther (PBDE : mélange DE-71) et l'hexabromocyclodécane (HBCD), à des concentrations représentatives des niveaux environnementaux. En 2007, trois groupes de mâles exposés in ovo à des concentrations moyennes (± l'erreur-type) de DE- 71 respectives de 288,60 ± 33,35 ng/g mh (faible exposition), de 1130,59 ± 95,34 ng/g mh (forte exposition) et de 3,01 ± 0,46 ng/g mh (contrôle), ont été accouplés avec des femelles non-exposées, et euthanasiés l'année suivante pour en extraire les testicules. En 2008, des couples furent exposés au HBCD dans leur alimentation quotidienne, soit à une concentration de 0.544 µg/µl mh ou à un niveau-contrôle. De plus, la masse et l'histologie testiculaires de mâles non-accouplés exposés pendant trois semaines à ces mêmes concentrations respectives furent analysées. Comparés aux couples-contrôle, les couples avec mâles exposés au DE-71 ont subi une réduction dans la grandeur de leurs couvées et dans la masse et la fertilité de leurs œufs, ainsi qu'un délai dans leur ponte. Chacun des membres de ces couples démontra une diminution des comportements nuptiaux, dont la fréquence de copulation, et les mâles ont fait preuve de soins parentaux réduits. Ces derniers avaient également des testicules hypertrophiés contenant un plus grand nombre de tubules séminifères pourvus de lumen, cependant le nombre de tubules contenant des spermatides finales décrut en fonction de la croissance du niveau d'exposition à certains congénères PBDE. De leur part, les couples exposés au HBCD ont connu des pontes précoces comportant un plus grand nombre moyen d'œufs que les couples-contrôle, par contre leur succès reproductif global demeura inchangé. Bien que l'épaisseur des coquilles ne fut pas affectée, leurs œufs étaient anormalement petits et légers. Encore une fois, chacun des membres de ces couples démontra une baisse dans les comportements nuptiaux et l'apport de soins parentaux fut réduit chez les mâles. Ces derniers présentèrent également à certains moments des niveaux de testostérone et des masses corporelles supérieurs ainsi que des niveaux de thyroxine (T4) inférieurs aux mâles-contrôle, et les mâles non-accouplés développèrent de plus gros testicules avec plus grand nombre de tubules séminifères contenant des spermatides finales. L'ensemble de ces résultats démontre que les deux ignifugeants bromés en question, à leurs niveaux environnementaux, agissent effectivement sur la reproduction chez les crécerelles d'Amérique. Il est donc admissible de supposer que les crécerelles à l'état sauvage, voire même autres oiseaux, éprouvent des impacts comparables.

Discrepancies in ecotoxicity effects data derived from soils amended with dissolved metals in the laboratory and soils from historically aged metal-contaminated sites pose a challenge in deriving environmentally relevant soil quality criteria. In this thesis, the chemical artefacts produced by dissolved metal additions and the subsequent effects on metal bioavailability, toxicity and bioaccumulation are examined. The overall goal of this research is to advance the understanding of soil trace metal bioavailability mechanisms and improve current methods for ecotoxicity testing and bioavailability modeling. The first objective was to develop a leaching method which would minimize the "salt-effect" commonly observed in freshly-spiked soil samples. This was achieved by adapting a column leaching procedure in order to spike and leach larger volumes of test soil as a preparatory step prior to ecotoxicity assays. An experiment was set up to observe changes to leachate chemistry resulting from the dissolved Cu additions and subsequent leaching with two weak electrolyte solutions. Results showed that leaching removed the excess dissolved Cu as well as the excess acidity and base cations that were solubilized during the Cu additions. Differences between control and spiked samples of some key soil solution parameters (e.g. pH, DOC and total dissolved Ca, Mg, Al, Fe) were reduced thereby resulting in a set of spiked samples more conducive to deriving causal dose-response relationships. A second experiment compared soil and soil solution properties of samples which underwent the spike/leach procedure to those of freshly spiked samples. Lower soil pH (up to 0.81 pH units) and DOC concentrations were observed in non-leached samples as well as up to 35-fold and 55-fold increases of dissolved Ca and Mg concentrations, typical of the salt-effect. It was estimated that the non-leached samples contained up to 100-fold greater Cu2+ and 50-fold greater Al3+ activities which, I hypothesized, could result in greater phytotoxicity of non-leached samples. Bioassays were conducted wherein Hordeum vulgare (barley) seedlings were exposed to the leached and non-leached Cu-spiked soil samples for 14 days. The leached samples were less toxic to barley and showed significant increases (up to 1.7-fold) in median inhibitory concentrations (i.e. IC50) for root elongation in two of the three test soils. The Cu2+ fraction was able to explain much of the variability in toxicity between leached and non-leached samples, as well as among the different test soils. One exception was the most acidic test soil for which plants in the leached samples showed up to 10-fold greater toxicity than plants in the non-leached samples, when exposed to similar Cu2+ activities. Soil speciation and bioaccumulation data for Cu, Al and Ca were used to deduce that Ca deficiency and possibly Al toxicity contributed to the toxicity observed in this sample set. In a modeling exercise, the concepts of the terrestrial biotic ligand model (TBLM), which take into account ion competition at the soil solution/root interface, to describe toxic response in our samples. Results showed that the additive effects of Cu and Al toxicity estimated from the Cu-root ligand complex (Cu-BL+) and Al-root ligand complex (Al-BL2+) accounted for more of the variability in toxic response data than did the Cu2+ fraction or the Cu-BL+ fraction alone. The model however, could not account for the effects of the Cu-induced Ca deficiency in the most acidic test soil, thus highlighting one of the limitations of the TBLM. This thesis has contributed to the understanding of metal bioavailability mechanisms affected by soil spiking procedures and highlights the benefits of soil leaching in preparing soil samples for ecotoxicity assays which should improve trace metal risk assessment in the future. / La nature hétérogène et multiphasique du sol présente de nombreux défis lors de l'évaluation des risques que posent les sols contaminés par des métaux à la santé humaine et environnementale. Il existe plus particulièrement 1) une très grande variation dans les données sur les effets écotoxicologiques basés sur la concentration totale des métaux dans le sol et 2), de grands écarts entre les données sur les effets écotoxicologiques de sols amendés (de métaux) en laboratoire et celles de sols contaminés provenant de sites naturels existants (ex. : sols provenant de champs contaminés). Cette thèse examine les composés chimiques obtenus par l'amendement (de métaux) de sols en laboratoire ainsi que leurs effets sur la biodisponibilité des métaux, leur toxicité et leur bioaccumulation. Le but de cette recherche est d'augmenter les connaissances et la compréhension des mécanismes régissant la biodisponibilité des métaux dans les sols ainsi que d'améliorer les méthodes d'évaluation écotoxicologiques et de production de modèles de biodisponibilité. L'un des premiers objectifs fut de développer une technique de filtration des sols minimisant le "salt effect" régulièrement observé chez les échantillons fraîchement amendés. Une technique de filtration par colonne fut alors adaptée afin d'amender de plus grands volumes d'échantillons de sols en préparation aux tests écotoxicologiques. La première expérimentation consistait à observer les changements survenus aux résidus de filtration dont l'échantillon avait été additionné de Cu et ensuite filtré par deux solutions électolytes faibles. Les résultats ont démontré que la filtration avait, en effet, retiré le Cu en excès, l'acidité excessive ainsi que des cations basiques solubilisés lors de l'addition de Cu. Les différences observées entre les échantillons contrôles et ceux amendés pour quelques paramètres clés des résidus de filtration (pH, COD, quantité totale dissoute de Ca, Mg, Al et Fe) se sont trouvées minimisées, justifiant ainsi l'utilisation des échantillons amendés pour la dérivation d'une relation de cause à effet dosage-réponse. La deuxième expérimentation consistait à comparer les propriétés des sols et des solutions de sols des échantillons ayant été amendés et filtrés avec ceux amendés mais non-filtrés. Des données de pH (jusqu'à 0,81 unités de pH) et de concentrations de COD très basses furent observés pour les échantillons non-filtrés et des concentrations de Ca et de Mg de 35 à 55 fois plus élévées pour les échantillons non-filtrés que pour les échatillons filtrés (typiques du "salt-effect"). Nous avons d'ailleurs pu estimer que les concentrations de Cu2+ étaient jusqu'à 100 fois supérieures et celles de Al3+ jusqu'à 50 fois supérieures dans les solutions de sols non-filtrés ce qui nous permet de croire que leur phytotoxicité en est grandement augmentée. Nous comparons les résultats de tests biologiques exercés sur des pousses de Hordeum vulgare (orge) soumises aux sols amendés de Cu, filtrés et non-filtrés, pendant 14 jours. Les échantillons de sols filtrés se sont avérés moins toxiques pour l'orge et ont fourni des résultats médiens de concentration d'inhibiteurs (IC50) jusqu'à 1,7 fois supérieurs pour la longueur des racines dans deux des trois tests de sol. La quantité de Cu2+ suffisait à elle seule à expliquer la majorité des variations de toxicité entre les échantillons filtrés et non-filtrés de même qu'entre les différents tests de sol. La seule exception fût observée pour le plus acide des sols pour lequel les plantes des échantillons filtrés se sont avérées 10 fois plus toxiques que celles des échantillons non-filtrés lorsqu'exposées à des niveaux de Cu2+ similaires. Les données de caractérisation du sol et de bioaccumulation de Cu, Al et Ca ont été utilisées afin de déterminer qu'une carence en Ca, et possiblement des niveaux toxiques de Al, ont contribué à la toxicité observée dans les échantillons de sol.