Responsable : 
Vanrolleghem, Peter

Établissement : 
Université Laval

Année de concours : 
2021-2022

Le 10 mars 2020, un groupe de plus de 80 experts ont présenté le Plan d’action 2020-2030 pour l’avenir du Saint-Laurent priorisant 4 enjeux majeurs : les changements climatiques, les nutriments, la contamination bactériologique des plages, et les substances toxiques et contaminants d’intérêt émergent. Ce projet de recherche vise à développer une meilleure méthode de conception et d’exploitation des étangs aérés (ÉA) qui sont utilisées dans plus de 67 % des stations d’épuration des eaux usées municipales au Québec.

La méthode de conception actuelle préconisée par le ministère de l’environnement pour les ÉA est basée sur l’équation d’Eckenfelder qui ne considère que la demande biochimique en oxygène sur 5 jours carbonée (DBO5C) totale (non filtrée) alors que d’autres paramètres influent sur le traitement. L’âge moyen des ÉA au Québec est de 21 années et près de 40 % de ceux-ci ont dépassé leur débit et charges de conception, nécessitant une mise à niveau. Un dépassement des normes de rejet en matières en suspension (MES) et en toxicité aiguë est attribuable à des accumulations de boues qui se décomposent en produisant du méthane, en relarguant des MES et de l’ammoniaque, favorisant aussi la production d’algues en fin de période estivale. Ces accumulations de boues plus rapides qu’auparavant, nécessitent ainsi de coûteuses vidanges plus fréquentes. La réduction de ces problèmes contribuera à répondre aux enjeux du Plan d’action 2020-2030 pour l’avenir du Saint-Laurent.

Ce projet de recherche en collaboration de deux universités du Québec (Université Laval et Polytechnique Montréal) vise 4 objectifs principaux :
(1) Évaluer le potentiel de certains capteurs à fournir de données pertinentes sans entretien régulier qui permettent de suivre et d’optimiser les procédés d’ÉA hybrides à biofilm,
(2) Quantifier et modéliser pour prédire l’accumulation des boues dans l’ÉA et leur hydrolyse,
(3) Quantifier et modéliser les algues dans les ÉA, et
(4) Développer un modèle mécaniste des ÉA dans le but d’améliorer le modèle de conception des ÉA basé sur l’équation d’Eckenfelder.

Trois étudiants gradués (1 doctorant, 2 étudiants à la maîtrise) et quatre étudiants non-gradués seront formés par ce projet d’une durée de trois ans. Les 3 chercheurs de l’équipe travailleront activement pour atteindre l’équité, la diversité et l’inclusion dans leurs groupes de recherche.

Le projet contribuera à faire progresser les connaissances sur les ÉA qui est une technologie relativement simple à exploiter, mais complexe à modéliser en raison de la grande diversité des processus impliqués. Les avantages pour le Québec comprennent l’amélioration de la conception des ÉA, une meilleure compréhension des phénomènes impliqués, la gestion optimale des boues produites et une contribution à la santé du Saint-Laurent.
Les modèles in vitro de culture cellulaire en 3D sont très étudiés, car ils permettent de reproduire plus fidèlement les conditions physiologiques que les modèles de culture standard 2D. Ces modèles peuvent avoir une multitude d’applications dans le domaine du génie tissulaire, pour étudier la migration cellulaire ou pour le développement de plateformes de criblage de principes actifs. Néanmoins, le développement de matériaux (ou « scaffolds ») 3D permettant le recrutement, la survie et la colonisation cellulaire reste complexe. Il existe à l’heure actuelle peu de stratégies de synthèse polyvalente permettant de recréer un environnement physiologique adéquat en termes de propriétés physico-chimiques, microstructurales et mécaniques. Une technologie de culture cellulaire 3D demande ainsi un contrôle précis des propriétés du matériau en termes de porosité (diamètre et continuité) et de chimie de surface. De plus, le matériau utilisé ne doit pas être toxique pour les cellules et doit limiter les réactions inflammatoires. Ce système 3D doit aussi posséder des propriétés dynamiques en libérant graduellement un principe actif, ou avoir des propriétés variables dans le temps avec une résorption graduelle du matériau. Finalement, pouvoir s’adapter aux plates-formes technologiques 2D existantes serait un atout non-négligeable. Ainsi, le plus grand défi demeure la mise au point d’un procédé éprouvé permettant de synthétiser une famille de matériaux 3D qui satisfait à l’ensemble des critères recherchés. L’objectif principal de ce projet vise à élaborer un procédé de mise en forme d’hydrogels macroporeux. Le procédé devra être polyvalent, compatible avec plusieurs chimies de gels, et permettre l’ajustement des propriétés physico-chimiques, microstructurales et mécaniques sur une gamme de valeurs compatibles avec les applications visées. Cette technologie pourra ensuite servir à développer une variété de modèles cellulaires 3D. Le procédé de fabrication de ces hydrogels sera basé sur une méthode développée par trois des chercheurs participant à ce projet. Pour tester l’influence des propriétés physico-chimiques, microstructurales et mécaniques de ces nouveaux matériaux, nous proposons d’étudier dans un premier temps le comportement (adhésion, survie, prolifération) de cellules souches neurales et de cellules cancéreuses du glioblastome (GBM). Les trois objectifs spécifiques sont donc : (1) de caractériser les effets des propriétés physico-chimiques, microstructurales et mécaniques des hydrogels macroporeux fonctionnalisés développés, sur le comportement de cellules souches neurales, et glioblastomes de rat Fisher et humain; (2) d’analyser la migration des cellules en 3D sous l’effet d’un chimioattractant contenu dans les hydrogels et (3) de mesurer l’effet de radiations sur l’intégrité des propriétés physico-chimiques et structurales des hydrogels avec ou sans cellules. Au niveau fondamental, ces travaux permettront de mieux comprendre les interactions biomatériaux/cellules dans un environnement 3D. Ultimement, cette plate-forme permettra par exemple un criblage plus efficace de principes actifs, de développer des thérapies plus efficaces pour le traitement de maladie, et de régénérer des tissus endommagés. Le projet mènera à la formation de deux PhDs, qui seront co-supervisés par une équipe multidisciplinaire de chercheurs complémentaires en science et génie des matériaux, en génie chimique et biochimie cellulaire, et en radiobiologie.
Les évidences démontrent que plusieurs espèces d’oiseaux arctiques spécialistes des milieux froids ont une faible tolérance à la chaleur, ce qui pourrait causer des mortalités catastrophiques en raison du réchauffement rapide de l’Arctique. Plusieurs approches de modélisation ont été utilisées pour prédire la réponse des populations aux réchauffements. Cependant ces prédictions sont basées sur des suppositions simplifiées de la thermorégulation animale qui ont fortement été critiquées. Des modèles prédictifs, basés sur des données physiologiques empiriques reliant la thermorégulation à la performance reproductive et à la valeur sélective, sont nécessaires pour comprendre les contraintes thermiques auxquelles font face ces animaux. En ce sens, notre équipe propose d’appliquer un cadre récemment développé, appelé le polygone de thermorégulation, pour étudier comment les températures ambiantes à travers l’Arctique affectent la capacité d’exercice et les activités de reproduction de deux espèces sensibles et en déclin, le plectrophane des neiges (Plectrophenax nivalis) et le guillemot de Brünnich (Uria lomvia).
Ce projet implique des études expérimentales à l’UQAR et des études de terrain sur quatre sites couvrant l’aire de reproduction des deux espèces et ainsi l’ensemble des variations thermiques auquel sont exposés ces oiseaux (plectrophanes: East-Bay et Alert, guillemot: Coats Island et Cape Graham Moore). En combinant les ressources logistiques et l’expertise de jeunes professeurs déterminés avec l’aide de 1 MSc, 3 PhD et plusieurs étudiants BSc, notre équipe prévoit (1) démontrer expérimentalement le déclin de performance à certaines températures critiques prédites par le polygone de thermorégulation. Elle prévoit ensuite (2) examiner comment l’effort reproducteur sur le terrain est modulé en relation avec la température pour éviter la surchauffe corporelle. Ces traits seront ensuite (3) liés à des paramètres de valeur sélective pour générer des prédictions pour tout l’Arctique à partir de scénarios de changements climatiques. Ce projet permettra de cartographier la progression du déclin potentiel de ces deux espèces et d’identifier les endroits où ces animaux pourraient être les plus vulnérables dans les années à venir.
Ce projet sera significatif pour les communautés du nord du Québec puisqu’une des espèces est récoltée pour la consommation. Il formera plusieurs jeunes scientifiques dans un environnement interdisciplinaire et collaboratif pour leur permettre d’obtenir des postes dans les milieux académiques, gouvernementaux, ou comme professionnels dans des ONG ou des institutions privées. Ce projet lancera de nouvelles collaborations susceptibles de générer des recherches parallèles dont certaines sont déjà en phase préparatoire. À plus long terme, le projet livrera un nouveau cadre innovant basé sur une compréhension mécanistique de la réponse des animaux aux contraintes thermiques. Ce cadre sera utilisable comme outil prédictif pour résoudre des problèmes de conservation associés aux changements climatiques et à la tolérance à la chaleur. Notre projet devrait être instrumental pour aider les gestionnaires à prédire les changements de populations dans le nord du Québec et à travers l’Arctique de même que pour déterminer les endroits prioritaires pour la conservation. Ce projet est une opportunité exceptionnelle pour le Québec de devenir leader en recherche sur la résilience de la faune aux changements climatiques.
Au 1er septembre 2020, le Québec comptait plus de 62600 cas confirmés et 5700 décès dus au SRAS-CoV-2 (c.-à-d. COVID-19). Le SRAS-CoV-2 a été observé à l’intérieur dans des particules en aérosol dont la taille varie de 0,25 à 0,5 µm, ce qui les rend en suspension dans l’air. On pense que les contacts étroits et les bâtiments mal ventilés entraînent des risques élevés d’infections. Les bâtiments de grande hauteur sont plus densément peuplés et présentent donc des risques plus élevés d’infections. L’augmentation de la ventilation extérieure et la réduction de la recirculation sont essentielles pour diluer et éliminer les particules virales en suspension dans l’air comme recommandé par l’INSPQ et l’ASHRAE. Cette recommandation est cependant un défi pour les climats québécois, en particulier lors des journées d’hiver extrêmement froides et des chaudes journées d’été: des apports d’air frais excessifs pourraient surcharger les systèmes de ventilation existants, augmenter la demande d’énergie et la charge de pointe, et par conséquent aggraver le confort thermique intérieur et ainsi peut abaisser les systèmes d’immunité des occupants. Ce projet propose deux stratégies de ventilation pour les bâtiments de grande hauteur adaptées aux conditions météorologiques du Québec: la première approche consiste à utiliser des systèmes de ventilation à pressurisation existantspour réduire les transmissions de virus aéroportés à travers les étages, et la deuxième approche utilise des techniques de refroidissement ventilatoire en été et construire des systèmes photovoltaïques/thermiques intégrés (BIPV/T) en hiver pour réduire la demande d’énergie et la charge de pointe tout en répondant aux besoins en air frais. Trois tâches sont proposées: Tâche 1 – modélisation informatique et analyse des probabilités de risques de transmission de virus aéroportés dans trois bâtiments sélectionnés au Québec; Tâche 2 – Mesures sur le terrain en pleine grandeur d’un bâtiment de sélectionné au Québec; et Tâche 3 – Simulations informatiques de 2e tour pour les validations et les généralisations pour d’autres types des bâtiments de grande hauteur. L’équipe est dirigée par le Dr Wang pour l’expertise de la ventilation des bâtiments et de la transmission des polluants atmosphériques intérieurs, le Dr Athienitis pour l’énergie solaire et les applications BIPV/T, le Dr Stathopoulos pour l’ingénierie éolienne et l’aérodynamique et le Dr Qi pour contrôler des fumées d’incendie dans les bâtiments de grande hauteur . Deux spécialistes de la santé publique et de la médecine préventive COVID-19, le Dr Kaiser de Santé publique de Montréal et le Dr Poulin, de l’INSPQ, sont les collaborateurs. Avec un plan bien élaboré pour embaucher des minorités et des étudiantes pour créer un environnement de formation égalitaire, diversifié et inclusif, le projet formera 2 étudiants en doctorat et 2 étudiants en maîtrise ainsi que 6 étudiants de premier cycle. Le projet rassemble un groupe de chercheurs de renommée mondiale sur les bâtiments de grande hauteur, la ventilation, l’efficacité énergétique et l’énergie solaire des bâtiments, ainsi que la santé et la sécurité des occupants pour relever les défis actuels du COVID-19 et des pandémies futures pour les bâtiments de grande hauteur au Québec.
Le fonctionnement sécuritaire des réseaux électriques est d’une importance capitale pour la prospérité économique, le bon fonctionnement de la société et la sécurité nationale. Les oscillations soutenues, qu’elles soient naturelles ou forcées, constituent d’importantes menaces pour les réseaux électriques, car elles peuvent causer des vibrations mécaniques indésirables dans l’équipement, voire des pannes d’électricité catastrophiques à l’échelle d’un système. Le réseau d’Hydro-Québec a historiquement présenté des problèmes d’oscillation en raison du fait qu’il fonctionne en îlot et comporte de longues lignes de transport d’énergie présentant un niveau élevé de compensation en série et shunt. L’intégration de l’énergie éolienne risque aussi d’exacerber ce problème en introduisant des oscillations forcées attribuables à la variabilité de l’énergie éolienne et aux interactions entre les convertisseurs électroniques de puissance et le réseau.

Pour relever ces défis, le présent projet de recherche vise à tirer parti de la technologie de système de mesure à zone étendue (Wide-Area Measurement System; WAMS) pour : 1) élaborer un nouvel algorithme fondé sur la mesure pour distinguer les oscillations forcées des oscillations naturelles au sein des systèmes électriques intégrant l’énergie éolienne; et 2) élaborer un algorithme de localisation en ligne permettant de localiser les sources d’oscillation forcées. Les deux objectifs du projet de recherche qui est ici proposé correspondent aux deux étapes essentielles de l’atténuation des oscillations soutenues au sein des réseaux d’électricité modernes. Les algorithmes développés combleront les lacunes des méthodes existantes, notamment en ne nécessitant aucune connaissance préalable du réseau électrique et en demeurant efficaces même en cas d’oscillation légèrement amortie et sous résonance. Les algorithmes à élaborer seront mis à l’essai à l’échelle de divers réseaux électriques intégrant l’énergie éolienne, y compris un système d’essai relié à Hydro-Québec, en utilisant un simulateur en temps réel et tenant compte des imperfections qui sont propres à des conditions réelles sur le terrain.

On envisage que les algorithmes proposés, en tirant parti des mesures abondantes du système WAMS relatives au réseau d’Hydro-Québec, puissent éventuellement être intégrés au module en ligne d’évaluation dynamique de la sécurité afin de cerner les mécanismes d’oscillation de façon précise et efficace, et pour localiser les sources d’oscillation forcée connectées au réseau, atténuer les impacts négatifs des oscillations soutenues et améliorer la stabilité du réseau. Sachant que toute instabilité du réseau électrique peut entraîner d’énormes pertes économiques, le projet proposé devrait contribuer à économiser des ressources sociales et à réduire les pertes économiques grâce au maintien et à l’amélioration de la stabilité du réseau d’Hydro-Québec.
La musique est une forme de communication humaine présente dans toutes les sociétés. Bien qu’il existe une grande diversité des systèmes musicaux, les musiques du monde partagent des caractéristiques dites universelles. Ces caractéristiques communes suggèrent un ancrage biologique relié, par exemple, à la capacité perceptuelle de l’audition et aux contraintes motrices. Des processus fondamentaux similaires sont également présents chez les animaux non-humains. Ces similarités en communication humaine et animale pourraient se rejoindre dans les universaux musicaux et les préférences esthétiques. Pour évaluer la pertinence de telles analogies, nous avons réuni des experts en communication animale, en traitement de la musique et du langage, en perception auditive, en collecte et analyse de données scientifiques à grande échelle et citoyennes, et en modélisation informatique. Nous avons défini trois objectifs : découvrir les universaux acoustiques dans la communication animale et musicale (objectif 1) et aborder les liens évolutifs entre les universaux et l’esthétique (objectifs 2 et 3). Pour l’objectif 1, nous tirerons parti de la diversité des espèces d’oiseaux chanteurs et générerons, annoterons et analyserons une large base de chants d’oiseaux (de plus de 900 espèces). Pour l’objectif 2, nous identifierons les modèles acoustiques qui différencient de manière fiable les signaux que les animaux juge attrayants ou non attrayants dans cinq grands groupes de vertébrés et nous évaluerons dans quelle mesure les stimuli attrayants contiennent des universaux musicaux différents. Pour l’objectif 3, nous utiliserons des jeux en ligne pour évaluer massivement (sur des dizaines de milliers de participants) le degré d’adéquation entre les préférences des animaux en matière de signaux acoustiques et la classification humaine. Grâce à l’utilisation d’approches comparatives et intégratives à grande échelle des « big data », notre recherche apportera de nouvelles perspectives sur l’évolution de la musicalité.
Les maladie cérébrovasculaires sont l’une des principales causes de décès au Québec et au Canada. La survie d’un patient nécessite souvent une intervention chirurgicale au cerveau qui permet de traiter les vaisseaux sanguins présentant des anomalies. Ces interventions sont cependant compliquées par la complexité de l’architecture vasculaire, la déformation des tissus par rapport aux plan préopératoires et la difficulté d’établir une correspondance entre les information hémodynamiques comme la vitesse et la direction du flux sanguin, et l’anatomie du patient, ce qui résulte en un taux de complication de 31%.  L’utilisation relativement récente de l’injection de colorant fluorescent permet de visualiser le flux sanguin avec l’aide du microscope chirurgical couramment utilisé pour ce type d’intervention. Cependant, cette technique comporte une fenêtre d’observation transitoire, perturbe le déroulement normal du travail chirurgical et induit des réactions indésirables chez certains patients, ce qui justifie le besoin urgent pour un nouveau système de visualisation pour un guidage peropératoire intuitif. Le projet de recherche proposé rassemble une équipe interdisciplinaire aux expertises très complémentaires. En tirant parti des installations de recherche uniques des institutions québécoises participantes, il combinera pour la première fois de nouvelles techniques de photopléthysmographie basées sur des images de caméras hyperspectrales et des paradigmes d’interaction humain-machine et de visualisation innovants pour fournir au clinicien les information nécessaires. Les données fournies par l’imagerie hyperspectrale, combinés à des algorithmes d’apprentissage automatique et d’analyse vidéo vont permettre au système développé d’offrir en temps réel des information hémodynamiques complètes comprenant la direction du flux sanguin ainsi que la vitesse et la force des pulsation, le tout, sans contact physique avec le patient. Des stratégies intuitives de visualisation et d’interaction avec les données chirurgicales simplifieront le flux de travail, tout en améliorant la sécurité et la précision des interventions. Le système de visualisation chirurgicale développé sera le premier du genre, offrant une occasion unique de former du personnel de haute qualité aux approches de pointe en chirurgie guidée par l’image, ce qui représente un besoin en croissance rapide dans le domaine de la santé. La recherche aidera le Québec et le Canada à acquérir un avantage concurrentiel dans les technologies émergentes de la photopléthysmographie et de l’interaction humain-machine dans les soins neurochirurgicaux à l’échelle mondiale. Enfin, les travaux qui en découleront ont le potentiel d’améliorer la qualité de vie et le taux de survie des patients atteints de malformations cérébrovasculaires, et de réduire le fardeau associé au système de santé et le coût socio-économique pour les patients et leur famille.
La pollution des océans par les plastiques, de plus en plus répandue à l’échelle du globe, est à l’origine d’effets néfastes pour les écosystèmes marins et pour l’homme. Les plastiques représentent un « cocktail » de contaminants, en raison de leur composition comprenant divers additifs et de leur capacité à adsorber les métaux lourds et les polluants organiques persistants (POP). En 2010, entre 4,8 et 12,7 millions de tonnes métriques (MT) de plastiques ont été dispersés dans l’océan, dont 268 940 MT flottant à la surface de l’océan. Malgré un apport croissant de plastiques dans l’océan, aucune tendance à la hausse n’a été observée dans la concentration de plastiques mesurées dans les gyres subtropicales, lieu privilégié d’accumulation des plastiques en haute mer. L’absence de puits de plastique a été en partie attribuée à une perte sélective de plastiques de taille millimétrique, principalement des microplastiques (<5 mm de diamètre). Ces microplastiques suscitent des préoccupations environnementales et sociétales importantes car leur petite taille leur permet d’être transférés dans toute la chaîne alimentaire et d’être transportés sur de plus grandes échelles de temps et d’espace. Les mécanismes responsables de la perte sélective de ces microplastiques restent méconnus.
Les plastiques sont généralement difficiles à dégrader par les microorganismes indigènes des milieux marins (i.e. biodégradation). La photodégradation des plastiques est plus efficace, mais elle n’a lieu que pendant la journée et se limite à la mince zone photique. La photodégradation peut modifier les surfaces plastiques physiquement (e.g. fissuration) et chimiquement (e.g. formation de groupes fonctionnels hydrophiles), réduire la taille et le poids moléculaire des plastiques, et générer de la matière organique dissoute. L’ensemble de ces processus peut faciliter la biodégradation des plastiques par les microorganismes indigènes des milieux marins. D’un point de vue écotoxicologique, la photodégradation et la biodégradation séquentielles des plastiques sont susceptibles de modifier la taille (et donc la surface spécifique), le poids moléculaire et l’hydrophobie des microplastiques, ce qui pourrait en retour modifier considérablement l’affinités d’adsorption des microplastiques pour les POP.
Nous proposons ici que 1) la photodégradation et la biodégradation séquentielles sont des mécanismes majeurs conduisant à la perte sélective des microplastiques dans l’océan, et 2) la photodégradation et la photodégradation séquentielle sont jouent un rôle clé dans l’adsorption des POP par les microplastiques.
Cette proposition de recherche vise à évaluer le rôle de la photodégradation et de la biodégradation séquentielles dans l’élimination des microplastiques océaniques et à élucider comment la photodégradation et la biodégradation séquentielles modifient l’adsorption des POP sur les microplastiques. Les résultats de cette recherche permettront de mieux comprendre le transport, la transformation et le devenir des microplastiques et des POP dans les environnements marins et contribueront à la mise au point de produits plastiques écologiques et de techniques de traitement des déchets plastiques.