The occurrence of microbial pathogens in drinking water sources is recognized as a significant threat to public health. A better understanding of the key processes governing the fate of microbial pathogens in groundwater aquifers can help mitigate the risk of drinking water contamination. The attachment of pathogens to aquifer surfaces and the inactivation of attached and suspended pathogens are key processes that attenuate the concentration of viable pathogens in potable water supplies. Although substantial research effort has been aimed at elucidating the role of various physical, chemical and biological factors on the inactivation rate of microbes suspended in the aqueous phase, our understanding of microbe inactivation when attached to grain surfaces is limited. Thus, the first objective of this work was to develop a fluorescence-based experimental technique for evaluating the inactivation kinetics of bacteria adhered onto a surface in an aqueous environment. The technique was sensitive enough to distinguish between the inactivation kinetics of different representative bacteria attached to either a negatively or a positively charged surface. The new method was then used to characterize bacterial inactivation kinetics when attached to environmentally relevant surface chemistries such as metal oxides over a broad range of groundwater chemistries. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization of bacterial-surface bonding was used to interpret inactivation behavior. It was observed that attachment of cells to metal-oxide surfaces can lead to formation of covalent bonds, specifically O- and C-metal bonds, between the cell and the surface, resulting in reduced bacterial viability (i.e., cell membrane integrity). Surface and near-surface soils in cold climate regions experience low temperature and freeze-thaw (FT) conditions in the winter. Microorganisms that are of concern to groundwater quality may have the potential to survive low temperature and FT in the soil and aqueous environments. Although there is a large body of literature on the survival of pathogenic bacteria at different environmental conditions, little is known about their transport in groundwater environments in low temperatures and after FT. Thus, in the second part of the project, the effect of cold temperature and repeated FT on survival, survival strategies such as motility and biofilm formation, and virulence of selected Gram-negative and Gram-positive bacteria was investigated. The adhesion properties and transport of bacteria exposed to FT were studied using quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) and water saturated sand-packed columns. The expression levels of different genes encoding synthesis of flagellin, extracellular matrix production, and virulence factors were measured using quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (qRT-PCR). Our findings demonstrate that bacteria exhibited greater retention onto sand grains after exposure to FT. Moreover, bacteria tend to survive for longer periods of time and may become more virulent at low temperature in higher ionic strength waters thereby posing a potential threat to drinking water supplies. / L'apparition d'agents pathogènes microbiens dans les sources d'eau potable est reconnu comme une menace importante pour la santé publique. Une meilleure compréhension des processus fondamentaux qui régissent le sort des pathogènes microbiens dans les aquifères d'eau souterraine peut contribuer à atténuer le risque de contamination de l'eau potable. L'attachement des agents pathogènes aux surfaces des nappes phréatiques et leur inactivation lorsqu'ils sont attachés et suspendus, sont les processus clés qui atténuent la concentration des pathogènes viables dans l'approvisionnement en eau potable. Bien qu'un effort substantiel de recherche ait été réalisé, visant à élucider le rôle de divers facteurs physiques, chimiques et biologiques sur le taux d'inactivation des microbes en suspension dans la phase aqueuse, notre compréhension de l'inactivation du microbe lorsqu'il est attaché à la surface des grains est limitée. Ainsi, le premier objectif de ce travail était de développer une technique expérimentale basée sur la fluorescence pour évaluer la cinétique d'inactivation de bactéries collées sur une surface dans un environnement aqueux. La technique est suffisamment sensible pour faire la distinction entre la cinétique d'inactivation de différentes bactéries représentatives, montées soit sur une surface chargée négativement ou positivement. La nouvelle méthode a ensuite été utilisée pour caractériser la cinétique d'inactivation bactérienne lorsqu'elle est reliée à la chimie de surface environnementale telle que les oxydes métalliques et ceci sur une large gamme de produits chimiques des eaux souterraines. La caractérisation de la liaison bactérienne de surface par spectroscopie photoélectronique X (XPS) a été utilisée pour interpréter le comportement de l'inactivation. Il a été observé que l'attachement des cellules aux surfaces métal-oxyde peut conduire à la formation de liaisons covalentes, plus précisément des liaisons O- et C-métal, entre la cellule et la surface, ce qui entraîne une réduction de la viabilité bactérienne (i.e. une perte de l'intégrité de la membrane cellulaire).Dans les régions à climat froid, les sols de surface ou proches de la surface subissent de basses températures et des périodes de gel-dégel (GD). Les micro-organismes qui sont des sources de préoccupation pour la qualité des eaux souterraines peuvent avoir le potentiel de survivre à basses températures et aux périodes de GD, dans le sol et les milieux aqueux. Bien qu'il existe une littérature abondante sur la survie des bactéries pathogènes à différentes conditions environnementales, on possède peu d'informations au sujet de leur transport dans les environnements d'eau souterraine à des températures basses et après GD. Ainsi, dans la deuxième partie du projet, l'effet de la température froide et l'effet des périodes GD répétés ont été étudiés sur les stratégies de survie telles que la mobilité et la formation de biofilms ainsi que la virulence des bactéries sélectionnées à Gram négatif et Gram positif . Les propriétés d'adhérence et le transport des bactéries exposées à des périodes de GD ont été étudiés à l'aide d'une microbalance à cristal de quartz avec mesure de la dissipation (QCM-D) et de l'eau contenue dans des colonnes saturées de sable. Les niveaux d'expression des différents gènes codant pour la synthèse de la flagelline, la production de la matrice extracellulaire et des facteurs de virulence ont été mesurés en utilisant la transcription par réaction en chaîne par polymérase inverse quantitative (qRT-PCR). Nos résultats démontrent que les bactéries présentent une plus grande rétention sur les grains de sable après l'exposition aux périodes de GD. En outre, les bactéries ont tendance à survivre pendant de longues périodes de temps et peuvent devenir plus virulent à basse température dans des eaux à plus grande force ionique posant ainsi une menace potentielle pour l'eau potable.

Poultry and liquid swine manure are major sources of bioactive levels of natural steroidal sex hormones, including 17β-estradiol, estrone, testosterone and progesterone. Although several detailed studies have investigated the environmental pathways and ecotoxicology of high-toxicity-at-low-concentrations of sex hormones in soil and water media, there is a lack of knowledge with respect to the fate and transport of steroid hormones in the soil matrix and aquatic media. Three separate studies were performed with the objective of developing effective on-field remediation techniques in order to reduce the environmental and biological hormonal pollution from agricultural sources. In the first study, the sorption retention and desorption resistance of two types of biochars (fast and slow pyrolysis) for three female sex hormones (17β-estradiol, estrone, progesterone) was evaluated in batch equilibrium experiments. Slow-pyrolysis biochar demonstrated a stronger remediation capability than the fast-pyrolysis biochar in this study. In the second study, the retention potency of slow pyrolysis biochar was assessed as a topsoil amendment on the fate and transport of the three sex hormones in a sandy soil over a 45-day period where poultry and liquid swine manure were applied as fertilizer to outdoor lysimeters, irrigated with different levels of simulated rainfall. A significant difference (p<0.05) was observed between the spatial-temporal stratification of three hormones in lysimeteres with soil and soil-biochar treatments. The significant lower mass of hormones quantified at different depths of the soil profile and the measured concentration of all three hormones in collected leachate samples over time in the lysimeters amended with 1% slow pyrolysis biochar, potentially confirmed the hypothesis of this study, confirmed the highly effective retention capability of biochar as a soil-amendment for reducing manure-borne hormonal pollution in soil and water. / Les lisiers de volaille et de porc sont les principales sources, à des niveaux bioactifs, d'hormones sexuelles stéroïdiennes naturelles tel le 17β-estradiol, l'estrone, la testostérone et la progestérone. Quoique plusieurs études détaillées aient enquêté sur les chaînes de pénétration dans l'environnement et l'écotoxicologie de haute-toxicité-à-faible-concentration des hormones sexuelles dans la matrice du sol et dans les milieux aquatiques, il demeure des lacunes en ce qui concerne le devenir et le transport des hormones stéroïdes dans ces milieux. Trois études distinctes furent réalisées ayant pour objectif de développer des techniques d'assainissement sur le terrain qui permettraient de réduire la pollution hormonale liée aux sources agricoles et ses effets néfastes sur l'environnement et les biotes. Dans la première expérience, la rétention par sorption et la résistance à la désorption de trois hormones sexuelles féminines (17β-estradiol, estrone, progestérone) en présence de deux types de biochars (pyrolyse lente ou rapide) fut évalué par lots d'échantillons sous conditions d'équilibre. Le biochar produit par pyrolyse lente démontra une plus grande capacité d'assainissement que celui produit par pyrolyse rapide. Dans une seconde étude, entreprise à l'extérieur en lysimètres, le potentiel de rétention d'un biochar produit par pyrolyse lente et servant comme amendement à la couche arable d'un sol sablonneux, fut évalué, sur une période de 45 jours, quant à son effet sur le sort et le transport des trois hormones sexuelles féminines. Chacun des lysimètres reçurent du lisier de volaille ou de porc comme engrais, et fut irrigué avec un niveaux particulier de précipitation simulée. Entre le sols ayant ou n'ayant pas reçu d'addition de biochar, une différence significative (p < 0.05) dans la stratification spatio-temporelle des trois hormones dans le sol fut évidente. Pour la duré de l'expérience, les teneurs des trois hormones à différentes profondeurs du profil du sol et dans le lixiviat furent sensiblement moins élevés dans les lysimètres dont le sol avait reçu un amendement de biochar à pyrolyse lente (à 1%), que ceux n'ayant pas reçu d'amendement. Ces résultats confirmèrent l'hypothèse de l'étude qui voudrait que le biochar utilisé comme amendement au sol confère une excellente capacité de rétention, dans le sol et dans l'eau, des polluants hormonaux provenant de lisiers.

Molecular tools were used to monitor the dynamics of Microcystis populations and the potential microcystin producers in Missisquoi Bay (the Canadian part of Lake Champlain). This study showed the GF/C filters, which are typically used to prepare samples for microcystin analysis, were not ideal for the characterization of total bacterial communities, but were sufficient for the chemical analyses of cyanobacterial microcystins. The mcyD gene copy number determined by Q-PCR correlated well with the microcystin concentration determined by ELISA and HPLC in 2006; therefore mcyD Q-PCR could be used as a rapid and sensitive method and as an effective monitoring system for toxic cyanobacterial blooms in Lake Champlain. Escherichia coli was also monitored as an indicator of manure contamination of lake water. Manure application and rain events positively related to the high nitrogen concentration in the lake in 2006, suggested that good manure management is necessary for the reduction of agricultural nutrient loads into Missisquoi Bay, believed to be a major cause of cyanobacterial blooms. / Un suivi de la dynamique des populations de Microcystis qui ont la capacité de produire des toxines a été effectué à la baie Missisquoi (partie canadienne du lac Champlain) à l'aide d'outils moléculaires. Deux types de membranes ont été utilisés : un filtre standard (GF/C) pour quantifier les microcystines, et un filtre pour capturer les bactéries. Cette étude a démontré que le filtre standard (GF/C) est approprié pour déterminer les concentrations de microcystines, mais qu'il n'est pas adéquat pour caractériser avec des techniques moléculaires, les populations de bactéries et de cyanobactéries. Une bonne corrélation a été obtenue en 2006, entre les concentrations de microcystines déterminées par les méthodes ELISA et HPLC et le nombre de copies du gène mcyD (impliqué dans la biosynthèse des microcystines). Les résultats ont donc démontré le potentiel de cette méthode de PCR en temps réel, ciblant le gène mcyD, pour la détection et le suivi des proliférations de cyanobactéries qui produisent des toxines. La présence du pathogène fécal Escherichia coli a été évaluée afin de déterminer la relation entre l'application de lisier et de fumier et l'augmentation dans l'eau du lac, des nutriments qui causent les proliférations. Une bonne corrélation a été obtenue entre l'application du lisier et du fumier et les précipitations ainsi qu'entre les concentrations élevées d'azote dans le lac, suggérant qu'une meilleure gestion des matières fertilisantes est nécessaire pour réduire les apports de nutriments dans la baie Missisquoi.

Produced water is the largest volume of waste produced during the recovery of oil from offshore oil and gas production platforms, and is discharged directly into the surrounding marine environment. Emerging evidence suggests that offshore produced water discharges impact biota at significant distances from the point of discharge. The objectives of this study were to characterize the marine bacterial and/or archaeal populations in and around the Hibernia, Terra Nova and Thebaud production platforms, to determine if changes in the bacterial community structure might be related to the influence of the produced water, and to develop molecular methods to monitor the bacterial community structure in seawater and to track the dispersion of produced water. The marine bacterial community structure remained relatively constant (with SAB &gt; 70%) across large distances (up to 50 km away from the platforms) and throughout several years of sampling, suggesting that the produced water discharge did not have a detectable effect on the surrounding seawater. Bacteroidetes, Alpha-proteobacteria, and Gamma-proteobacteria were the most common and abundant phyla detected in the northwestern Atlantic Ocean. The only effect potentially related to the input of produced water was found on the sediment close to the Thebaud platform, suggesting that any impact might be restricted to a small area at the sediment level adjacent to the discharge. Firmicutes was the most common and dominant phylum detected in all three produced waters, represented principally by species of Thermoanaerobacter. Both species-specific detection methods (Q-PCR and nested-PCR) detected Thermoanaerobacter in surrounding seawater within 1000 m of the production platforms, but most of the Thermoanaerobacter were found at 100 m from Hibernia near the bottom of the water column, with only a small amount traveling into the upper water column. The properties of the produced water and existing modeling studies also support this dispersion pattern for produced water.This study provided the first characterization of the microbial diversity in and around the three major offshore oil and gas production platforms in Eastern Canada and developed new molecular methods to monitor and track the discharge of produced water. / L'eau de production représente le plus grand volume de déchets produits lors de la récupération du pétrole des plateformes pétrolières côtières, et cette eau est libérée directement dans le milieu marin avoisinant. Certaines évidences suggèrent que ces décharges d'eau de production auraient un impact sur la vie marine même à une distance considérable du point de décharge. Cette étude avait pour objectifs de caractériser les populations bactériennes et/ou archéennes marines aux abords des plateformes d'Hibernia, Terra Nova et de Thebaud, de déterminer si des changements dans la structure de la communauté procaryotique peuvent être reliés à l'influence de l'eau de production, de développer des outils moléculaires pour le suivi des communautés procaryotique dans l'eau de mer, et finalement, de retracer la dispersion de l'eau de production. La structure de la communauté bactérienne marine est demeurée relativement constante (SAB &gt; 70%) sur de longues distances (jusqu'à 50 km des plateformes) et sur plusieurs années d'échantillonnage. L'eau de production n'aurait donc pas d'effet détectable sur la structure de la communauté bactérienne environnante. Les Bacteroidetes, Alpha-proteobacteria et Gamma-proteobacteria représentaient les phyla les plus communs et abondants dans le Nord-Ouest de l'océan Atlantique. Le seul effet possiblement relié à l'introduction de l'eau de production fut observé dans les sédiments près de la plateforme Thebaud, ce qui suggère que l'impact pourrait se limiter à l'étroite région au niveau des sédiments adjacents à la décharge. Les Firmicutes constituaient le phylum dominant détecté dans les trois eaux de production et étaient représentés principalement par des espèces de Thermoanaerobacter. Deux méthodes moléculaires spécifiques à l'espèce (Q-PCR et PCR-niché) ont pu détecter Thermoanaerobacter dans l'eau de mer dans un rayon de 1000 m des plateformes de production, mais la majorité des Thermoanaerobacter trouvés à 100 m d'Hibernia se situait au bas de la colonne d'eau, avec seulement une petite quantité migrant plus haut dans la colonne. Les propriétés de l'eau de production et les modèles existants supportent également le profil de dispersion pour l'eau de production. Cette étude rapporte la première caractérisation de la diversité microbienne aux abords de trois plateformes côtières de production de pétrole et gaz de l'est du Canada et le développement de nouveaux outils moléculaires pour retracer et suivre la libération de l'eau de production.

Food-borne diseases collectively affect significant portions of the world's population. In Canada recent food-borne outbreaks and diseases resulted in significant expenses and resource allocations. Consequently, finding methods that can detect and identify microorganisms in faster, reliable and cost effective ways is a pressing need. Microbial identification methods based on the infrared spectral analysis of microorganisms have been shown to be potentially viable. The recent development of focal plane array Fourier transform infrared (FPA-FTIR) spectroscopy provided the means of acquiring thousands of infrared spectra in the time it takes to record a single spectrum. The increased number of infrared spectra of each organism provides infrared-based microbial differentiation and identification methods with added reliability. Accordingly, we generated a comprehensive standardized and internally validated the FPA-FTIR based bacteria identification method. All infrared spectra were collected from bacterial colonies, lifted from agar and deposited on zinc selenide (ZnSe) slides, on a Agilent Excalibur FTIR spectrometer equipped with a UMA-600 infrared microscope and a 32 x 32 (1024 pixels) mercury-cadmium-telluride focal-plane-array detector and operated under Resolutions Pro 4.0 software (Agilent Technologies, Melbourne, Australia). The effect of growth media formulations, growth time and inactivation techniques on the spectral reproducibility of microorganism was tested. Most of these variables showed some degree of influence on spectral variability, therefore a single combination of these was recommended in the form of a laboratory protocol for consistent microbial preparations. This enabled the construction of a comprehensive spectral database including spectra from 180 different microbial strains. The FPA-FTIR based method was assessed for the discrimination of Campylobacter jejuni and C. coli isolated from poultry. The method was also evaluated as a tool for the identification of Escherichia coli and Listeria monocytogenes strains isolated from deliberately inoculated food matrices. In all cases identification of bacteria based on their FPA-FTIR spectra was highly reliable and comparable to standard methods of bacteria identification; provided that the unknown bacteria samples and reference strains were prepared in a consistent manner, and that appropriate spectral databases were employed. / Les maladies d'origine alimentaire affectent une proportion significative de la population mondiale. Au Canada, les cas récents d'éclosions d'intoxications alimentaires et de maladies d'origine alimentaire ont eu des conséquences significatives en termes de dépenses et d'utilisation de ressources. Pour cette raison, développer des méthodes permettant la détection et l'identification de micro-organismes de manière fiable, rentable et plus rapide, s'avère une nécessité urgente. Les méthodes d'identification microbienne basées sur l'analyse spectrale infrarouge des micro-organismes apparaissent potentiellement viables. Le développement récent de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier couplée à un détecteur de type « matrice à plan focal » (FPA-FTIR) à balayage rapide, a permis d'acquérir, dans le temps préalablement requis pour un seul spectre, des milliers de spectres infrarouges à être enregistrés. L'augmentation du nombre de spectres infrarouge pour chaque organisme accroît la fiabilité des méthodes de différentiation et d'identification microbiennes basées sur l'infrarouge. En conséquence, nous avons élaboré une méthode standardisée et validée à l'interne d'identification des bactéries basée sur la méthode FPA-FTIR. Tous les spectres infrarouges ont été collectés à partir de colonies bactériennes, prises sur l'agar et déposées sur des glissières de séléniure de zinc (ZnSe), grâce à un spectromètre d'Agilent Excalibur FTIR équipé d'un microscope UMA-600 infrarouge et d'un détecteur type « matrice à plan focal » de mercure-cadmium-tellurure 32 x 32 (1024 pixels) et opéré par le logiciel Resolutions Pro 4.0 (Agilent Technologies, Melbourne, Australie). L'effet des formulations de milieu de croissance, des temps de croissance et des techniques d'inactivation sur la reproductibilité spectrale des micro-organismes a été examiné. La plupart de ces variables ont montré un certain degré d'influence sur la variabilité spectrale, de sorte qu'une combinaison spécifique de ces dernières a été recommandée dans un protocole de laboratoire afin d'obtenir des préparations microbiennes constantes. Ceci a permis la construction d'une base de données spectrales complète comprenant des spectres de 180 souches microbiennes différentes. La méthode FPA-FTIR a été évaluée pour la discrimination de Campylobacter jejuni et C. coli, isolés à partir de volailles. La méthode a été également évaluée comme un outil d'identification de souches d'Escherichia coli et de Listeria monocytogenes isolés à partir d'aliments ou de matrices alimentaires inoculées délibérément. Dans tous les cas, l'identification des bactéries à partir de leurs spectres FPA-FTIR s'est avérée d'une grande fiabilité et comparable aux méthodes standards d'identification de bactéries, à condition que les échantillons de bactéries inconnues et les souches de référence aient été préparés d'une façon systématique et que des bases de données spectrales appropriées aient été utilisées.

Economic downturns are known to affect the management of natural resources and the environment. Although statistics and industry figures have revealed some impacts of the 2007-08 Global Financial Crisis (GFC), its dynamics and long term consequences for forest management, particularly in the context of South America, are unknown. Using qualitative research methods, combining grounded theory and case study analysis, this research aimed to better understand how the GFC impacted sustainable forest management (SFM) in Brazil through the experiences and perceptions of highly knowledgeable stakeholders. This was done with a view to providing a more holistic and integrated perspective on the GFC and to inform future policy and management processes. Findings from this study indicate that the GFC interacted with other political, social and environmental phenomena to produce both negative and positive impacts on SFM in Brazil. Negative impacts included: 1) restrained production of forest-based products; 2) declines in exports; and 3) reduced investments in non-market driven socio-environmental projects. Conversely, opportunities associated with the GFC included: 1) realizing competitive advantages in the plantation sector; 2) restrained deforestation in the Amazon Basin resulting from increased risk aversion and a decline in timber demand; and 3) support for third-party forest certification to maintain access to risk-averse markets. Traditional forest-based communities that often operate within informal economies were not seen as being heavily impacted by the GFC. This study represents a first step towards improving our knowledge on the relationships between economic downturns and sustainable forest management in Brazil. / Les ralentissements de l'activité économique sont connus pour affecter la gestion des resources naturelles. Bien que les statistiques et les données du domaine industriel ont revélé certains impacts de la Crise Globale Économique (CGE), ca dynamique et conséquences à long terme pour la gestion des forêts, en particulier en Amérique du Sud, sont inconnus. En utilisant des méthodes de recherche qualitatives, tout en combinant la théorie enracinée et l'étude de cas, cette recherche a pour objectif de comprendre comment la CGE a affecté la gestion soutenable des forêts au Brésil, au travers des expériences et perceptions de dépositaire bien informés. Ces méthodes ont été choisi pour donner une approche plus holistique et pour intégrer les perceptions sur la CGE dans le but d'informer les politiques futures et les procédures de gestions. Cette recherche montre que la CGE a interagit avec d'autre phenomene politique, sociales et environementales pour produire des effets positifs et negatifs sur la gestion soutenable des forêts au Brésil. Les impacts négatifs incluent: 1) une production resserrée de produits dérivés des forêts; 2) déclins des exports; et 3) investissements reduits dans les projets socio-économiques non visé au marche. Réciproquement, les avantages associés avec la CGE incluent: 1) réaliser des avantages compétitifs dans le secteur de forêts plantées; 2) déforestation retenu dans le bassin de l'Amazone resultant de l'aversion au risque et de la baisse de demande de bois et 3) support de tiers pour la certification forestière pour mantenir l'accès au marche. Les communautés forestières traditionnelles qui opèrent des économies informalles n'ont pas été autant touché par la CGE. Cette étude représente une première étape afin d'améliorer notre connaissance sur les relations entre récession économiques et la gestion soutenable des forêts au Brésil.

The anaerobic digestion (AD) of the organic fraction (OFMSW) of municipal solid waste (MSW) is a sustainable and environmentally interesting solution as compared to landfilling. Anaerobic digestion operated under mesophilic temperatures degrades only a fraction of the complex compounds found in OFMSW, whereas under higher temperatures, such as thermophilic and hyperthermophilic, the degradation could be more extensive. The objective of this study was therefore to evaluate the effect of a thermal transition from 35°C (mesophilic) to 70°C (hyperthermophilic), on an anaerobic inoculum fed OFMSW. The research methodology was divided into the following stages: 1) a mesophilic, industrial wastewater treating granular sludge was upgraded to thermophilic conditions and adapted for the treatment of OFMSW (Chapter Three); 2) during the thermal transition from mesophilic to thermophilic conditions, a microbial phylogenetic characterization (16sDNA PCR followed by DGGE) of the sludge was carried out (Chapter Four); 3) to evaluate substrate (protein and vegetable oil) limiting degradation rates for the production of methane, a serum bottle batch test (MP) was developed (Chapter Five); and 4) the thermophilically adapted and OFMSW treating sludge was upgraded to hyperthermophilic conditions and both reactor performance and sludge methane and substrate activities were evaluated (Chapter Six). The one-step temperature upgrading from 35 to 55 ?C and the feeding of OFMSW resulted in a fully adapted inoculum without an initial time-consuming temperature acclimatization stage. The substrate loading rate program was a key factor in increase the population of thermophilic methanogens. Genomic deoxyribonucleic acid (16S rDNA) tools were used to cha / Le procédé de digestion anaérobie, visant à traiter la fraction organique des déchets solides, a l'avantage d'être plus intéressant que le procédé d'enfouissement des déchets en termes d'impact sur l'environnement. Le procédé de digestion anaérobie opère à des températures mésophiles et permet la dégradation partielle des composés complexes. A des températures plus élevées, telles thermophiles et hyper thermophiles, la dégradation de ces composés est plus efficace. Par conséquent, l'objectif fut d'évaluer l'effet d'une transition de température de 35°C (mésophile) à 70°C (hyper-thermophile) sur les microorganismes anaérobiques et leur dégradation des déchets alimentaire. La méthodologie a été divisée en plusieurs étapes, soit: 1) une boue de traitement d'effluents industriels du type granulaire mésophile a été soumise à des température thermophiles et à un traitement visant à l'adapter au traitement des déchets alimentaires (Chapitre 3); 2) les populations microbiennes présentes pendant la phase de transition de température mésophile à thermophile ont été caractérisées par un outil moléculaire (PCR et DGGE-ADNr16S) (Chapitre 4); 3) un test en batch a été développé afin d'étudier les vitesses limitantes de dégradation des substrats (protéines et huile végétale) (Chapitre 5); 4) la boue préalablement adaptée aux températures thermophiles et au traitement des déchets a été soumise à des températures hyper-thermophiles. La performance du réacteur et les activités de production de méthane et de dégradation du substrat ont alors été évaluées (Chapitre 6). L'étape d'adaptation a consisté à augmenter la température d'un seul coup, de 35 à 55°C, afin d'adapter le

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.