This thesis describes a series of experiments, firstly into mammalian arsenic urinary metabolites and secondly into the use of phospholipase enzymes as a tool to assist in the characterisation of lipids extracted from the seaweed, <i>Laminaria digitata</i>. HPLC-ICP-MS has been used as the principal analytical instrument, often coupled with ES-MS. The ICP-MS. Provides a ‘hard’ ionisation process and yields data specific to arsenic. ES-MS (electrospray mass spectrometry) is a ‘soft’ ionisation technique that allows analysis of the intact molecules. Analysis of the urine from Scottish Blackface sheep that had been the subjects of a feeding trial in which the sheep routinely ate <i>Laminaria</i> <i>digitata</i> as part of their normal diet revealed the presence of the short chain fatty acids, dimethylarsenopropionic acid and dimethylarsenobutanoic acid. These had previously only been seen in the urine of human volunteers following ingestion of cod liver oil. Further controlled feeding trial experiments were performed in which cod liver oil, <i>Laminaria digitata</i> and aqueous extract of <i>Laminaria digitata</i> was ingested by human volunteers. Similarities and differences in the arsenic urinary metabolites resulting from the different feeding trial regimes were investigated. The continual presence of arsenobetaine in the urine produced by the volunteers, including the control samples, raised questions concerning the accepted retention time of arsenobetaine in the body that were answered by performing another feeding trial, the results of which have been published. Phospholipase D, C, and A2 were used to cleave arsenic containing phospholipids extracted from freeze dried <i>Laminaria digitata</i>. Some valuable information was gained and the technique shows great promise for future study.

The machair of the Outer Hebrides, Scotland, is a cultural landscape, designated as a Site of Special Scientific Interest. Crofting on the machair is a sustainable low-input, low-output system, producing crops for livestock fodder, which has been practiced for hundreds of years. Recent demographic changes have affected the agricultural practices, with unknown, but potentially negative effects on these marginal soils. The present work investigated the effects of some of these changes in agricultural practices, in particular the effect of amendment with kelp (Laminaria digitata), a brown seaweed, ploughing and land use on soil stability, water repellency and soil microbiology. Furthermore, the effect of kelp on plant seed germination and root development was assessed. The results showed that machair soil is resilient towards amendment with kelp and synthetic NPK fertilizer in a single growing season, and that this resilience was not caused by rapid degradation of kelp. There was evidence that kelp inhibits soil fungi, but increases total microbial biomass and activity. The soil was slightly to severely water repellent. The causes of this repellency could be attributed to a number of factors including plant organic matter, manure, land use and organic matter within aggregates. Kelp increased seed germination in a number of key native machair plants and crops, suggesting that kelp may affect native plant community composition and crop yield. Also, a promoting effect on root development of kelp was seen in some plant species, with a threshold concentration above which it became inhibiting. Furthermore, these results confirmed the presence of plant growth regulators in kelp. The above findings are relevant not only to the machair, but also to other marginal sandy soils, and to the use of seaweed species as organic alternatives to conventional synthetic fertilizers.

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Alors que la base des interactions hôte-pathogène chez les plantes terrestres sont désormais très bien décrites, que ce soit au niveau physiologique, métabolique ou moléculaire, chez les macroalgues marines les investigations n'en sont qu'à leur début. Chez l'algue brune L. digitata, les études sur les réponses de défense suite à l'élicitation par les oligoguluronates, ont permis d'appréhender la transduction du signal conduisant à la production d'un burst oxydant, ainsi que la mise en place tardive de la résistance. Le métabolisme halogéné est particulièrement actif chez cette algue. Il semble être impliqué dans les réponses de défense comme en témoigne l'émission d'iode moléculaire et de composés organiques halogénés volatils, suite à l'élicitation par les oligoguluronates. Dans ce contexte, j'ai étudié la régulation du transcriptome de L. digitata en réponse à l'élicitation par les oligoguluronates, par hybridation soustractive suppressive, macroarray et PCR Quantitative. J'ai ainsi identifié dix gènes codant notamment des haloperoxydases, des thiorédoxines et des enzymes de la voie des pentoses phosphates. L'induction de ces gènes suite à l'élicitation suggère une gestion originale du stress oxydant chez L. digitata. L'implication du métabolisme halogéné dans les réponses de défense a été mise en avant par l'expression différentielle de certains gènes codant des haloperoxydases. La régulation spécifique de certains de ces gènes apporte la première preuve expérimentale que les différents membres d'haloperoxydases ont évolué vers des fonctions biologiques spécifiques. L'identification de ces gènes comme marqueurs moléculaires des réponses de défense a permis d'établir la première modélisation de la signalisation intracellulaire conduisant à l'activation de gènes de défense de L. digitata et de souligner le rôle du peroxyde d'hydrogène dans plusieurs voies distinctes. Les outils développés et les marqueurs moléculaires identifiés permettront d'approfondir la compréhension des réponses de défense des macroalgues dans le contexte des interactions biotiques et de la signalisation à distance.

In this thesis the methane gas potential of three different substrates, two algaes Saccharina latissima and Laminaria digitata and biosludge mixed with paper fiber was studied. This was done by batch experiments in a laboratory environment to examine the gas production and composition of the produced gas. Biogas production is a complex anaerobic digestion process in which various microorganisms decompose the substrate in steps and at the end produce biogas and a residue. Many factors affect the production of gas, for example the substrate content, temperature and pH in the digester. The analysis of methane potential were divided into two experiments. In experiment 1 substrates were digested along with inoculum from Växjö waste water treatment plant in a temperature of about 37 ˚C. In experiment 2 substrates were digested along with inoculum from Kalmar Biogas AB at about 52 ˚C. Both experiments contained 15 bottles each with three replicates for each substrate: only inoculum, inoculum + Algae 1 (Saccharina latissima), inoculum + Algae 2 (Laminaria digitata), inoculum + Paper (biosolids mixed with paper fiber), inoculum + Reference (Cellulose). The inoculum and the reference were running to assess the quality of the inoculum. Mixtures between the inoculum and the substrate was first set to 5:1 and then 4:1, based on the material's VS-concentration. All experiments went on until gas production was minimal. For experiment 1 ,with the ratio of 5:1, the end results of the accumulated methane for Algae 1, Algae 2, Paper and Reference were 315, 313, 88 and 381 Nml CH4/g VS substrate respetively. The batch with inoculum + Paper was ended after seven days because the difference between inoculum + Paper and only inoculum was small. In experiment 1, with a ratio of 4:1, inoculum + Reference and inoculum batches were not prepared mainly because of lack of space.The batch with only inoculum was assumed to give the same results as in experiment 1, with the ratio of 5:1. The end results of the accumulated methane for Algae 1, Algae 2 and Paper were: 199, 214 and 41 Nml/g VS substrate repectively For experiment 2, with the ratio of 5:1, the end results of accumulated methane for Algae 1, Algae 2, Paper and Reference were: 191, 183, 33, 243 Nml/g VS substrate respectively In experiment 2, with the ratio 4:1, the end result of accumulated methane for Algae 1, Algea 2, Paper and Reference were: 288, 179, 18, 337 Nml/g VS substrate respectively. / I detta examensarbete studerades metanpotentialen för algerna Saccharina latissima, Laminaria digitata samt bioslam blandat med pappersfiber. Detta gjordes i satsvisa försök i laboratoriemiljö där gasproduktionen och sammansättning av den producerade gasen undersöktes. Biogasproduktion sker i en anaerob rötningsprocess och är ett komplext förlopp där olika mikroorganismer sönderdelar substratet i flera steg för att slutligen bilda biogas samt en rötrest. Många faktorer så som substratets kemiska innehåll, temperatur och pH i rötkammaren påverkar produktionen av biogas. Analysen av metanpotential delades in i två försök. I försök 1 rötades substraten tillsammans med ymp från Växjö avloppsreningsverk vid en temperatur på cirka 37 ˚C. I försök 2 rötades substraten tillsammans med ymp från Kalmar Biogas AB vid cirka 52˚C. Båda försöken bestod av 15 stycken flaskor vardera med tre replikat för varje exmperiment: endast ymp, ymp + Alg 1 (Saccharina latissima), ymp + Alg 2 (Laminaria digitata), ymp + Papper (bioslam blandad med papperfiber) samt ymp + Referens (Cellulosa). Ymp och referenssubstratet kördes för att bedöma ympens kvalitet. Blandningar mellan ymp och substrat valdes först till 5:1 och därefter till 4:1, baserat på materialens VS-halter. Alla försök pågick tills gasproduktionen var minimal. För försök 1 med kvot 5:1 var slutresultatet av den ackumulerande metanmängden för Alg 1, Alg 2, Papper respektive Referens 315, 313, 88 respektivt 381 Nml/g VS substrat. Försöket med papper avslutades redan efter sju dagar eftersom skillnaden i metanmängd mellan flaskorna med ymp + Papper samt flaskor endast ymp var mycket liten. I försök 1 med kvot 4:1 rötades inte referenssubstratet och endast ymp främst på grund av platsbrist. Här antogs istället att endast ymp skulle ge samma resultat som i föregående försök med mesofil temperatur. Slutresultatet för försök 1 med kvot 4:1 blev 199, 214 samt 41 Nml CH4/g VS substrat för Alg 1, Alg 2 samt Papper. För försök 2 med kvoten 5:1 blev slutresultaten (den ackumulerade metanmängden) för Alg 1, Alg 2, Papper respektive Referens 191, 183, 33 respektive 243 Nml/g VS substrat. I försök 2 med kvoten 4:1 blev slutresultaten för Alg 1, Alg 2, Papper respektive Referens 288, 179, 18 respektive 337 Nml CH4/g VS substrat.

Detta arbete är en delstudie i projektet Seafarm. Syftet med denna studie är att utreda om algen Laminaria Digitata och vassen Phragmites Australis är lämpliga substrat i en samrötningsprocess för biogasproduktion. Metoden som användes är experimentell och utfördes under 35 dagar med en tvåstegsreaktor bestående av en lakbädd och en UASB-reaktor. Under försökets gång upptäcktes vissa fel och brister hos apparatuppställningen vilka orsakade läckage och andra brister. Detta resulterade i ett systemförslag med skiss till en ny lakbädd samt optimering av driftparametrar om försöket ska återupprepas. Efter 35 dagar avslutades försöket och utifrån den data som sammanställts uppvisar processen en bra metanpotential på 589 liter CH 4/kg COD. Processen uppvisade en låg alkalinitet med ett sjunkande pH som till följd av inmatning. Detta var grunden för den låga belastningen som processen klarade av. För framtida försök för just dessa substrat så rekommenderas en tillförsel av buffert så att alkaliniteten ökar och även möjligheterna för en högre belastning.

In the Arctic, brown algae (kelps) and seaweeds are ecologically important: providing habitat, protection, and nutrients for invertebrate and vertebrate species living in nearshore environments. Migrations of biota between the North Pacific and North Atlantic Oceans have occurred periodically during Earth’s history leading to colonization of the Arctic Ocean. Around 3.5 Mya the “Great Trans-Arctic Biotic Interchange” occurred and the Laminariales order of kelp, thought to be of North Pacific origin, underwent a massive radiation and speciation event around the Arctic Ocean. Phylogenetic analysis performed on “Laminaria-like” specimens collected from six sampling locations around the Svalbard Archipelago identified both the presence of Saccharina groenlandica and Laminaria digitata. This research represents new records for the presence of S. groenlandica around the Svalbard Archipelago. S. groenlandica and L. digitata exhibit phenotypic similarities such that these two species can be difficult to tell apart in the field. In this study we have shown that the COI gene region can be used for DNA barcoding and can provide species level resolution between these two cryptic species. Prior to this study and Lund (2014), a number of biodiversity studies conducted around the Svalbard Archipelago identified the presence of L. digitata in a number of locations around the archipelago, however S. groenlandica was not identified in any of these prior studies. Phylogenetic analysis conducted here showed that all Svalbard specimens of S. groenlandica had identical COI sequences and up to 0.30% sequence diversity with S. groenlandica specimens from other parts of the Arctic Ocean. Further analysis is needed to understand the abundance of this newly recorded species around the archipelago and to investigate both the timing of arrival and mechanisms of colonization.

Les halopéroxydases à vanadate (vHPO) seraient des enzymes clés du métabolisme iodé des algues brunes en assurant la captation de l'iode et en participant à la biosynthèse de composés volatils iodés. Pour vérifier ces hypothèses, nous avons mis en place une stratégie de génétique chimique inverse dans le but d'étudier in vivo les effets de l'invalidation des vHPOs. A cette fin, nous avons réalisé un test de criblage à haut-débit sur la bromopéroxydase à vanadate d'Ascophyllum nodosum pour identifier des inhibiteurs de cette enzyme. Les tests secondaires ont montré que les molécules sélectionnées ne sont pas des inhibiteurs mais qu'elles sont très réactives envers les espèces oxydées de l'iode générées par l'enzyme. Un test in vivo a permis de montrer que ces molécules inhibent l'influx des iodures par Laminaria digitata, ce qui corrobore l'implication d'une vHPO dans ce mécanisme. Nous avons étudié la distribution tissulaire et subcellulaire de l'iode chez L. digitata par microsonde nucléaire et par microsonde SIMS. Cette étude a mis en évidence que l'iode est principalement stocké au niveau du tissu périphérique dans le compartiment apoplastique et non au sein de structures intra-cellulaires. Cette découverte remet en cause le modèle de captation des iodures proposé dans la littérature et ouvre de nouvelles perspectives de recherche. Parallèlement à ces études, nous avons poursuivi les travaux concernant les inhibiteurs de la captation des iodures chez des modèles cellulaires exprimant le symporteur Na+/I- en mettant au point leur synthèse, en validant leur activité et en initiant la recherche de leur protéines cibles par photomarquage d'affinité.

Cette thèse a pour objet l'étude des patrons de biodiversité et des processus qui la soustendent au sein d'un écosystème marin remarquable : les forêts de laminaires. L'originalité de ce travail a été de caractériser les variations spatio-temporelles de la biodiversité conjointement à deux niveaux de diversité intra et inter-spécifique. La diversité génétique des populations des deux espèces soeurs Laminaria digitata et Laminaria hyperborea, et la diversité spécifique des macroalgues vivant sous leur canopée ont été étudiées à l'échelle de la Bretagne, dans l'espace, à différents niveaux hiérarchiques (sur 500 km de côte), et dans le temps, à l'échelle des saisons et des deux dernières décennies. Les résultats obtenus révèlent que les populations de L. digitata, occupant la marge inférieure de l'intertidal, sont moins diverses et plus structurées que celles de l'espèce subtidale : L. hyperborea. De la même manière, les communautés algales en sous strate de L. digitata sont moins diverses et plus structurées que celles associées à L. hyperborea. Ces deux observations s'expliqueraient en partie par une dispersion plus importante en zone subtidale qu'en zone intertidale. Nos résultats démontrent qu'à l'échelle du littoral breton, il existe une mosaïque de conditions abiotiques avec des caractéristiques spatio-temporelles contrastées, et que cette variabilité permet d'expliquer certaines différences dans les patrons de diversité. Ainsi, les deux régions de la baie de Morlaix et de la mer d'Iroise forment " une poche d'eau froide " caractérisée par une faible amplitude des températures à la fois saisonnières et annuelles et apparaissent comme relativement peu impactées par le changement global par rapport aux autres régions étudiées. Les niveaux de diversité et de connectivité y sont forts aussi bien pour les mesures de diversités intra et inter-spécifiques et pour les deux espèces cibles. Inversement, la baie de St Malo, montre les niveaux de diversités et de connectivités génétique et spécifique les plus faibles aussi bien pour L. digitata que pour L. hyperborea alors que c'est la région étudiée qui révèle les plus fortes amplitudes saisonnières de températures des eaux de surface, cette variabilité s'accentuant nettement au cours des deux dernières décennies. Les patrons de diversités en Bretagne Sud, où les eaux sont les plus chaudes, diffèrent selon l'espèce cible (L. digitata s'y trouve en limite d'aire) et/ou le niveau de diversité considéré. En conclusion, nos résultats montrent qu'il existe une mosaïque d'environnements différents à une échelle spatiale (10 à 250 km) qui n'est souvent pas prise en compte dans les modèles de niches écologiques prédisant les changements de biodiversité. De plus, les corrélations entre les patrons spatiaux de diversité génétique et spécifique (SGDC) sont généralement positives, bien que leur force et leur significativité varient dans l'espace et/ou selon l'espèce cible considérée.