This research is part of an overall program to develop and use a suite of acute and sublethal toxicity biomarkers, and testing protocols for use in assaying potential effects of complex mixtures of xenobiotics such as found in soils containing agricultural biocides and petrochemical wastes dredged sediments, and hazardous waste sites (HWS). The purpose of this study was to evaluate four biomarkers of sublethal pathology that could be used in an integrative model of multiple toxicity endpoints with the earthworm Lumbricus terrestris.

This research defines the morphological characteristics of the immune cells, coelomocytes, of the earthworm, Lumbricus terrestris. Such a definition of coelomocyte morphology can be correlated with immune function which will be of value in the development of a nonmammalian surrogate system to assess the immunotoxic potential of a terrestrial xenobiotics. Earthworms exposed to artificial soil dilutions of two complex xenobiotic mixtures, refuse derived fuel fly ash and a Superfund sire soil demonstrated an enhanced ability to produce hemolytic factors.

Urban forests perform essential ecological functions, and their performance is dependent on soil quality, which is often degraded by human activity. Because earthworms play a key role in soil health, augmenting earthworm populations in urban soils may improve tree performance. However, we know very little about earthworm ecology in highly urbanized soils. The objectives of our study were: (1) to assess earthworm demographics across a range of urban land uses and (2) to evaluate earthworm augmentation techniques for rehabilitating disturbed soils and improving tree growth. 1. We conducted an observational study across three landuse types to assess earthworm abundance and diversity as well as associated soil properties. Earthworm abundance and biomass in were affected by land use type, disturbance time frame, and seasonality. Earthworm abundance and biomass were affected by a suite of complex soil and temporal variables, and soil temperature and moisture seemed to be the most influential properties. 2. We conducted an earthworm inoculation experiment on a compacted cut-fill field soil with a very low existing earthworm population. In 2008, three soil treatments (control, compost, and compost + earthworm) were applied to 2 m2 plots into which two common urban tree species with contrasting soil tolerances were planted (Acer rubrum and Cornus florida). We measured soil physical and chemical properties along with earthworm survival and soil respiration. Earthworm inoculation did not succeed in improving bulk density or increasing soil organic matter, yet it was successful in increasing soil CEC, Fe, and Mn relative to compost only effects. / Master of Science

Les Technosols ont des propriétés et une pédogenèse influencées par des matériaux technogéniques qui les constituent. Le modèle expérimental de Technosol construit a été choisi et résulte de l’utilisation délibérée de matériaux technogéniques au sein d’un profil. L’objectif scientifique est d’évaluer la contribution de la faune du sol aux processus impliqués dans le fonctionnement et l’évolution des Technosols. Des expérimentations en laboratoire (cosmes) et en conditions climatiques réelles (lysimètres, parcelles) ont été menées de l’échelle ultrastructurale à celle du pédon. Les résultats indiquent que (i) le Technosol construit est un support de vie de la faune, (ii) le modèle d’ingénieur de l’écosystème : Lumbricus terrestris, par la création de macroporosité et par ses structures biogéniques contribue à sa structuration, son agrégation et à la décomposition de sa matière organique, (iii) lorsque plusieurs groupes d’organismes assurant des fonctions différentes sont associés, des effets sont mesurés majoritairement sur la décomposition de la matière organique. La forte disponibilité des ressources du Technosol autorise la présence de la faune mais masquent en partie ses effets et inhibent les interactions faunistiques qui auront un effet sur les fonctions des sols. Un modèle d’évaluation de l’effet de Lumbricus terrestris sur la macroporosité est proposé. En termes de génie pédologique, un projet de modèle d’aide à la décision résulte des acquis scientifiques. L’inoculation de la faune contribuerait ainsi à initier des mécanismes d’évolution des sols et à les accélérer / Technosols are soils whose properties and pedogenesis are influenced by technical materials which take part in their constitution. The experimental model used here is a constructed Technosol which is deliberately composed of technical materials in a soil profile. The scientific objective is to evaluate the contribution of soil fauna to processes implied in soil functioning and evolution. Experiments in laboratory (cosms) and in climatic conditions (lysimeters, field) are conducted from ultrastructural scale to soil profile scale. Results indicate that (i) constructed Technosol can support soil fauna, (ii) the model of ecosystem engineer: Lumbricus terrestris, by macroporosity and by stables biogenic structures, contribute to the structuration, the aggregation and the decomposition of organic matter of the Technosol, (iii) when several groups of organisms implied in differents soil functions are used, effects are observed on organic matter decomposition. The huge availability of resources in the Technosol allow the presence of soil fauna but its effects and reduce soil fauna interactions which can have effects on soil functioning. A model whose objective is to evaluate effect of Lumbricus terrestris on macroporosity is proposed. In terms of soil engineering, a project of decision support model results of scientific experiences. Soil fauna inoculation in soil engineering could contribute to initiate and accelerate mechanisms of Technosol evolution

Les applications thérapeutiques de la neurostimulation ultrasonore représentent un terrain de recherche très prometteur, auquel il fait défaut un modèle valide décrivant les biomécanismes sous-jacents. Le premier objectif de ce travail de thèse était de proposer un modèle nerveux propice à une étude mécanistique du phénomène de neurostimulation ultrasonore. L’objectif suivant était de prouver l’intérêt d’exploiter ce modèle pour recueillir des informations concernant les interactions biophysiques ayant lieu entre les ultrasons (US) focalisés et le système nerveux. La majorité des études réalisées a porté sur le système nerveux du ver de terre commun, Lumbricus terrestris. Elles ont consisté d’une part à comparer entre elles les caractéristiques temporelles des réponses nerveuses associées à différentes modalités de stimulation, et d’autre part à évaluer l’influence de chacun des paramètres acoustiques du stimulus ultrasonore sur le taux de succès de neurostimulation (NSR). Dans les deux cas, la méthodologie suivie reposait sur l’administration de différents stimuli aléatoirement alternés. Complémentairement, le rôle joué par la cavitation acoustique a été étudié. La faisabilité de la stimulation du système nerveux du ver de terre, au moyen d’US et dans des conditions in vivo, a été prouvée. Les aires sensorielles et la dynamique de réponses associées aux trois modalités de stimulation ont été caractérisées. Il a été conclu que, dans ce modèle nerveux invertébré, pendant le phénomène de neurostimulation ultrasonore, les structures nerveuses interagissant fonctionnellement avec les US sont les nerfs afférents segmentaux. Les résultats des études paramétriques ont indiqué que le NSR augmente avec l’intensité acoustique, la durée de pulse et la fréquence de répétition des pulses. Il a été proposé que la structure nerveuse visée est sensible à la « force de radiation moyenne » transportée par le stimulus US, indépendamment des paramètres menant à cette valeur / Ultrasound neurostimulation applied to therapy is a promising field of research but still lacks of a validated model explaining the biomechanisms underlying the phenomenon. The first objective of this PhD thesis was to propose a nervous model suited for a mechanistic study of the phenomenon of ultrasound neurostimulation. In a second time, it was intended to practically prove the interest of this model by using it to gain knowledge regarding the biophysical interactions between focused ultrasound and the nervous system. Studies were performed on the nervous system of the anesthetized earthworm, Lumbricus terrestris. They consisted in either comparing the timings of the nervous responses associated with different modalities of stimulation, or evaluating the influence of each acoustic parameter on the neurostimulation success rate (NSR). In both cases, the methodology followed was to administer randomly mixed sequences of different stimuli. The feasibility of the in vivo activation of the anesthetized earthworm’s nervous system was proven. The sensory fields and response dynamics associated with the three modalities of stimulation were characterized. The parametric studies indicated that the NSR increases with pulse amplitude, pulse duration, pulse repetition frequency, but is more weakly influenced by the harmonic content and number of pulses. By applying a causal approach to interpret the results, we concluded that, in this nervous model, during the phenomenon of ultrasound neurostimulation, the structures functionally responding to the ultrasound stimulus are the segmental afferent nerves. We hypothesize that the main interaction with the axonal regions is mediated by ultrasound radiation force, without excluding the involvement of other biomechanisms

A bacterial challenge assay was developed utilizing the earthworm, Lumbricus terrestris, in order to assess potential immunotoxic effects from exposure to specific polychlorinated biphenyl congeners. Earthworms were inoculated with Aeromonous hydrophila, establishing a 10-day LD50. In vitro assays for effects of PCBs on phagocytosis agreed with mammalian studies, demonstrating potent suppression of phagocytosis by the non-coplanar PCB congener 138 and no suppression by the coplanar congener 126. However, when the effects of the two PCB congeners were evaluated for suppression of resistance to a whole animal infection challenge assay, coplanar PCB 126 decreased the ability of L. terrestris to withstand infection while non-coplanar PCB 138 did not.

Les lombriciens représentent une composante majeure de la macrofaune du sol et sont souvent présentés comme bioindicateurs de la biodiversité et de la qualité du sol. Par ailleurs, ils sont des ingénieurs de l'écosystème car ils modifient directement ou indirectement la disponibilité des ressources pour d'autres organismes tels que les plantes et les microorganismes. Ils ont un rôle important dans les agrosystèmes car ils participent aux processus qui influencent les composantes physique, chimique et biologique du sol.<br />L'enjeu majeur de ce travail est de comprendre et de modéliser l'évolution des populations de lombriciens dans un champ cultivé et d'étudier l'impact de certains systèmes de culture sur les communautés lombriciennes. L'outil que nous avons mis en place, WORMDYN est un modèle stochastique de dynamique des populations basé sur un modèle matriciel et structuré en classes de stades de développement (cocons, juvéniles, sub-adultes et adultes). Il prédit l'évolution des populations du ver L. terrestris dans des parcelles labourées et dans des parcelles travaillées superficiellement. Les paramètres de ce modèle, estimés en partie grâce à des données issues de la littérature, dépendent de la température et de l'humidité du sol qui sont les facteurs clés influençant la dynamique à court terme de cette espèce de vers de terre.<br /> Ce travail de thèse comporte une première partie méthodologique. L'étude de la dynamique des populations lombriciennes a nécessité un nombre important de prélèvements en champ cultivé. Or, diverses méthodes sont classiquement utilisées pour l'échantillonnage des lombriciens. Nous avons donc cherché à déterminer la méthode de prélèvement la plus adéquate, c'est-à-dire alliant efficacité et sécurité du manipulateur. Une première partie est donc consacrée à l'étude et à la comparaison de trois produits chimiques utilisés pour le prélèvement des lombriciens.<br />Dans un deuxième temps, la thèse présente la structure du modèle WORMDYN. La capacité du modèle à représenter la réalité est testée en confrontant les sorties aux mesures faites en parcelles expérimentales. Une analyse de sensibilité désigne les paramètres influençant fortement les sorties du modèle et met ainsi en évidence des pistes d'amélioration possibles.<br />Enfin, dans le but de discuter des impacts de systèmes de culture sur les communautés lombriciennes, nous avons récolté des données sur un essai de longue durée comprenant trois systèmes : biologique, conventionnel et un système sous couvert végétal permanent. Par ailleurs, les résultats nous permettent d'étudier le comportement de WORMDYN dans d'autres situations et de dégager des pistes d'amélioration du modèle.

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Proteomic techniques were used to evaluate the protein profile of the earthworm, (Lumbricus terrestris), following a bacterial challenge. One control group received no injection; a second control group received injections of phosphate buffer solution (PBS). The experimental group received injections of PBS containing (Aeromonas hydrophila). After incubation for 12 hours at 20°C, coelomic fluid was collected from each group for analysis by 2-D electrophoresis. There were significant differences in spot appearance and density between control and experimental groups. Sixteen spots showed a two-fold increase in density and 63 showed at least a two-fold decrease in density between samples from control and bacteria-challenged earthworms, respectively, suggesting up- and down-modulation of proteins potentially involved in the earthworm's response to bacterial challenge.