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Érudit est un consortium interuniversitaire sans but lucratif composé de l'Université de Montréal, l'Université Laval et l'Université du Québec à Montréal. Il a pour mission la promotion et la valorisation de la recherche. Érudit offre des services d'édition numérique de documents scientifiques depuis 1998. Pour communiquer avec les responsables d'Érudit : [email protected] Article « Étude de la biodégradation de l'acide déhydroabiétique par Bacillus psychrophilus » R. Côté et C. Otis Revue des sciences de l'eau / Journal of Water Science, vol. 2, n° 3, 1989, p. 313-324. Pour citer cet article, utiliser l'information suivante : URI: http://id.erudit.org/iderudit/705033ar DOI: 10.7202/705033ar Note : les règles d'écriture des références bibliographiques peuvent varier selon les différents domaines du savoir. Ce document est protégé par la loi sur le droit d'auteur. L'utilisation des services d'Érudit (y compris la reproduction) est assujettie à sa politique d'utilisation que vous pouvez consulter à l'URI https://apropos.erudit.org/fr/usagers/politique-dutilisation/ Document téléchargé le 13 février 2017 02:59

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Érudit est un consortium interuniversitaire sans but lucratif composé de l'Université de Montréal, l'Université Laval et l'Université du Québec à

Montréal. Il a pour mission la promotion et la valorisation de la recherche. Érudit offre des services d'édition numérique de documents

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« Étude de la biodégradation de l'acide déhydroabiétique par Bacillus psychrophilus » R. Côté et C. OtisRevue des sciences de l'eau / Journal of Water Science, vol. 2, n° 3, 1989, p. 313-324.

Pour citer cet article, utiliser l'information suivante :

URI: http://id.erudit.org/iderudit/705033ar

DOI: 10.7202/705033ar

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REVUE DES SCIENCES DE L'EAU, 2 (1989) 313-324

Étude de la biodégradation de l'acide déhydroabiétique par Bacillus psychrophilus

Biodégradation of dehydroabietic acid by Bacillus psychrophilus

R. CÔTE, C. OTIS

RÉSUMÉ

La r i v i è r e du Saguenay (Québec, Canada) t r ave rse une rég ion for tement i n d u s t r i a l i s é e ( v . g . aLuminer ies , pape te r ies ) et r e ç o i t d ' impor tan tes q u a n t i t é s d'eaux usées. Les teneurs en mat ière organique d issou te et en f i b r e de ceLLuLose en sus­pension provenant de A pape te r ies Locales sont reLat ivement élevées dans les eaux de La R i v i è r e et e l l e s sont évaluées à 29 000 tonnes par année. En p lus des eaux usées i n d u s t r i e L L e s , Le Saguenay r e ç o i t de grandes quan t i t és d'eaux d 'égouts domes­t i q u e s , ce qui ma in t i en t une f l o r e bac té r ienne r e l a t i vement abondante et d i v e r s i f i é e dans ses eaux de s u r f a c e . Parmi La mat ière organique provenant des p a p e t e r i e s . Les acides r é s i n i - . ques a b i é t i q u e e t déhydroab ié t ique sont t r è s tox iques pour les organismes aqua t i ques . Cependant, nous avons montré qu 'en u t i ­l i s a n t une p o p u l a t i o n endogène de BaciZÙJ.6 p6yckK.ophilu.i>, i l é t a i t poss i b l e de b iodégrader l ' a c i d e déhydroab ié t ique (ADA), un ac ide rés in ique non c h l o r é . Nous avons constaté qu 'après 72 heures de c u L t u r e , La popu la t i on bac té r ienne oxyde p lus de 92 % de l'ADA et après 96 heures , La b iodégrada t ion est complè­t e . La c i n é t i q u e de la b iodég rada t i on de l'ADA par S. pif/c/i-tû-phiZu.6 a été é tud iée en mesurant les f l u c t u a t i o n s des teneurs en ATP et par chromatographie en phase gazeuse. Nous pensons que c e t t e souche bac té r ienne peut jouer un r ô l e important dans La d é p o l l u t i o n des eaux usées des papeter ies du Saguenay.

Mots c lés : Bac i l lu s psychrophi lus , acide. dthydAoabie.-tA.qun, bi.ode.Qhn.daXA.OYi, hJboizh.<L Sa.gue.nay.

Département des sciences fondarnsntales, U n i v e r s i t é eu Québec à Chica;.'-t i m i , 555 Boulevard de l ' U n i v e r s i t é , Chicnut imî (Québec] £7-'i 2R1

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314 Revue des sciences de l'eau 2, n° 3

SUMMARY

The Saguenay River (Québec, Canada) is situated in an indus-trialized area (aluminium smeLters, papers mi Us) and receives a great amount of industrial wastewaters. Concentrations of dissoLved organic natter and suspended ceUuLose fibers from the 4 Local paper mills are reLativeLy high in the waters of the Saguenay River and are evaLuated at 29 000 tons per year. Moreover, the Saguenay River receives urban wastewaters and the bacteriat populations in the surface waters are abundant and diversified. Among the organic matter from the paper mills, the abieti c and dehydroabieti c resin acids are very toxi c for aquatic organisms. Yet, we found that, with endogenous popula­tions of BaciZZui pâycliioph-itui in the décantât i on-basi n, i t was possible to oxidize the dehydroabietic acid (DHA), a non chlorinated resinic acid. It was found that after 72 hours, more than 92 % of this pollutant was oxidized. After a period of 96 hours, biodégradation was complète. The kinetics of this reaction were studied by measuring the fluctuations of the rates of ATP and by gaz chromatography. We think that this bacterial species is thus probably an important mi croorgani sm controlling the toxicity of the wastewaters from the paper mills of the Saguenay.

Key-words : Bacillus psychrophilus, de_hydfioabieXÂ-C aci.d, b-iodegiadation, Sa.gue.naij Hi ve.fi.

INTRODUCTION

Le Saguenay est un milieu estuarien situé au coeur d'une région for­tement industrialisée (v.g. alumineries, papeteries) et reçoit d'impor­tantes quantités d'eaux usées. Les concentrations en ions métalliques et en matériel ligneux (de nature dissoute et particulaire) y sont re­lativement élevées dans les eaux superficielles (LORING, 1975, 1976 ; POCKLINGTON, 1976 ; SMITH et LORING, 1981 ; COTE, 1981 ; THOMPSON et CÔTE, 1985). De plus, le Saguenay draine les eaux des lacs saint-Jean et Kénogami, deux importants centres de villégiature, et il constitue le milieu récepteur d'eaux usées domestiques provenant d'un bassin de population de plus de 160 000 habitants. Les eaux usées de plusieurs exploitations agricoles (v.g. porcheries, cultures intensives de pomme de terre) contribuent également à modifier plus ou moins directement la qualité biologique de cet écosystème aquatique considéré comme étant le principal affluent de l'estuaire du Saint-Laurent (D'ANGLEJAN, 1970).

La pollution provenant des quatre papeteries du Saguenay est estimée à 29 000 tonnes de matière organique par an selon ENVIRONNEMENT CANADA (1982). Parmi cette matière organique que reçoit le Saguenay, certains composés comme les acides resiniques abiétique et déhydroabietique sont considérés comme étant très toxiques pour les organismes aquatiques (HAGMAN, 1936 ; KAISER, 1976 ; COUILLARD et TRUDEL, 1981). Ces deux acides sont rejetés dans le milieu aquatique en quantités importantes

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Biodégradation de l'acide déhydroabiétique 31b

puisqu'ils sont évalués respectivement à 482 et 313 g par tonne de pul­pe de bois produite. Pour chacun de ces acides, la toxicité s'avère relativement forte ; les études de LEACH et al. (1976) et de WHITE et FLOOD (1977) ont démontré que les LC50 chez la truite arc-en-ciel, pour une période de 96 hpures, sont respectivement de 0,7 et 1,1 mg.L- .

Cependant, il a été démontré par HEMINGWAY et GRAVES (1973) que cer­taines souches bactériennes comme Pi>ZudomonaA ïcAinovofianA et ftavo-bactdXÂum KCiinovolujn, de même que plusieurs espèces du genre Bac-itUii telles que B. Icntuà, 8. pantùtheut-ica-i, B. pulvÂ.&aclziu, B. pum-llu*, B. pcZtftn<-X(X, 8. iubt-t£x.4, peuvent oxyder certains composés toxiques tels que les acides résiniques. D'autres études (BIELLMAN et al., 1973 ; KUTNEY et al.j 1981, 1982, 1983) ont révélé que les bactéries du genre AlcaZîgmm et le mycète Moi-ttdeX£a -Uabuttlna peuvent être utilisés dans des expériences de biodégradation, et il semble que les produits de dégradation ne soient plus ou peu toxiques pour les organismes aquatiques. La présente étude veut vérifier si certaines populations bactériennes retrouvées dans le clarificateur, et celles endogènes du Saguenay, sont capables de biodégrader l'acide déhydroabiétique (ADA), un des acides résiniques retrouvés dans le milieu.

MATÉRIEL ET MÉTHODES

A) Isolement des bactéries

Les données de la présente étude proviennent de deux stations (SAG 1 et SAG 2) situées dans la partie amont du Saguenay (fig. 1) à proximité du tuyau de rejet des papeteries. Ces stations furent échan­tillonnées à trois reprises en surface et à 2 m de profondeur durant la période de mai à août 1983. Tous les échantillons d'eau furent prélevés au moyen de bouteilles de verre de 1 L préalablement stérilisées. Paral­lèlement à ces prélèvements, nous avons analysé la flore microbienne dans les clarificateurs des papeteries.

A partir d'aliquotes de 1 ml (prélevées dans chaque échantillon d'eau de même que pour les échantillons prélevés dans les clarificateurs), nous avons effectué des dilutions 10-3 dans une solution saline de 0,85 % et inoculé trois surfaces de gélose nutritive pour chacun de ces échantillons (DIFCO LABORATOIRIES, 1977). Afin de permettre le dévelop­pement d'une plus grande diversité bactérienne, chacune de ces surfaces gélosées était incubée aux températures respectives de 25°, 35° et 45° C. Après une période d'incubation de 48 heures, chaque colonie distincte était isolée et cultivée dans des bouillons nutritifs. Après 24 heures à l'étuve, ces bouillons étaient inoculés sur différentes géloses sélec­tives et incubées pendant 48 heures a des températures de 25°, 35° et 45° C (APHA et al., 1965). De plus, la détermination du biotype bacté­rien a été réalisée grâce à l'observation microscopique et au système d'identification API-20E. Les bactéries identifiées comme faisant partie du genre Bac-(X£u\4 furent isolées sur une gélose à l'amidon et incubées a diverses températures. La composition des géloses était la suivante : peptone : 0,5 % - extrait de levure : 0,5 % - amidon soluble : 0,3 % -gélose 1,5 %.

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71*00'

•48*40-

48*20 •

RIVIERE SAGUENAY

•Sag 1 Iste-Maiigne

Sag 2 FJORD DU SAG

__S|- Futgence

Chicouliml ^ 7\ste.HoS« du nord

L» Baie *V

STATION

10 20 kilomètres

30 ' 7 1 * 0 0 ' 30 "

Figure 1.- Système hydrographique du Saguenay.

La cartouche représente l'ensemble de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent.

Figure l.~ M stations l

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Biodégradation de l'acide déhydroabiêtique Ô17

B) Milieu de culture

L'étude de la biodégradation de l'ADA a été poursuivie dans des erlenmeyers de 1 L contenant 600 mL d'une solution synthétique de milieu Dubos (DUBOS, 1928) dont la composition chimique est :

. 0,5 g.L"1 de NaNOs

. 1,0 g.L-1 de K2HPÛ!,

. 0,2 g.L-1 de MgSOu

. 0,01 g.L-1 de FeSO^H^O

. 0,06 g.L- de glucose

. 0,06 g.L- de xylose

. 0,006 g.L- d'acide acétique

Dans chaque récipient, nous avons également ajouté une solution de 1 mg.L- d'ADA préparée à partir d'une solution-mère de 1,0 g.L- (four­nies par le Laboratoire B.C. Research de Vancouver). Pour maintenir l'ADA en solution, nous avons ajouté quelques gouttes de Tween 60.

Nous avons testé l'efficacité de biodégradation sur chaque type isolé à partir de l'eau du Saguenay et du clarificateur, en omettant les sou­ches identiques à celles isolées et utilisées par HEMINGWAY et GRAVES (1973). Chaque expérience comportait 4 erlenmeyers : 2 erlenmeyers conte­naient l'ADA et 0,2 mL d'une culture bactérienne tandis que les 2 autres servaient de témoins (dont l'un ne contenait que le polluant et l'autre, que la culture bactérienne). Le pH de chacun des erlemeyers était main­tenu à 7,8 ± 0,01 et la température expérimentale était de 22° ± 0,5° C {température moyenne des eaux du clarificateur). La biodégradation de l'ADA s'est poursuivie pendant 96 heures,

C) Extraction et analyse de l'ADA

Le mode d'extraction et d'analyse de l'ADA est conforme aux techni­ques décrites par LEACH et THAKORE (1974 a,b) où le mélange diethyléther méthanol (10:1) était utilisé comme éluant. Dans chacun des 4 erlen­meyers, des aliquotes de 10 mL étaient prélevées, traitées avec une solution de NaCl saturée (1,4 mL) et filtrées sur une colonne de verre de résine Amberlite XAD-2 (10 mL). L'extrait diéthylétherméthanol-ADA était par la suite asséché avec MgSOi, . Au moyen d'un fin jet d'azote de grande pureté, l'ADA était séparé de 1'éther et du méthanol et en­suite méthylé par la méthode au diazométhane (FALES et al. , 1973) et analysé par chromatographie en phase gazeuse. Les conditions d'analyse en chromatographie sont énumérées au tableau 1.

D) La croissance bactérienne

La croissance bactérienne de chaque erlenmeyer était évaluée à par­tir de la concentration de l'ATP mesurée au moyen d'un luminomètre LKB Wallac 1250, selon la méthodologie décrite par JAKUBCZAK et LECLERC (1980), qui proposaient l'utilisation du diméthylsulfoxide (DKcO) dans la méthodologie d'extraction.

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31; Revue des sciences de l'eau 2, n° S

Tableau l.~ C a r a c t é r i s t i q u e s techniques pour l ' a n a l y s e des é c h a n t i l l o n s en chromatograpie en phase gazeuse.

Table 1.- Technical charactêTistics for analysis of samples by gas-chromatography.

Chromatographe

Détecteur

Colonne

Température i n j ec t eu r

Température dé t ec t eu r

Prog. température

Volume d ' i n j e c t i o n

Standard i n t e r n e u t i l i s é

% d ' e r r e u r c a l c u l é

Gaz por teur

Débit

Atténuat ion

Hewlett-Packard 5700A

FID

Colonne en a c i e r inoxydable (1,8 m x 0,32 cm), contenant 10 % de s i l a r 10C, mai l le 60-80 Chromosorb W IIP

300° C

300° C

Départ à 150° C pendant 4 min en augmentant ensuite de 2°C.min~

jusqu'à 240° C

2 uL

Acide heptadécanoique (0,25-1 mg)

2,2 %

Hélium

38 mL.min-

4

RÉSULTATS ET DISCUSSION

A) Diversité bactérienne

L'analyse du tableau 2 révèle que la diversité bactérienne est re­lativement forte dans les eaux du Saguenay et dans les eaux du clari-ficateur de la papeterie. Un nombre total de 21 souches bactériennes ont été isolées, appartenant à 12 genres différents. Les deux familles bactériennes les mieux représentées sont les Entereobacteriaceae et les Bacilliaceae avec respectivement 5 et 9 souches. Les Enterobacteriaceae se retrouvent surtout dans les eaux du Saguenay - en raison des impor­tants rejets d'égouts domestiques - tandis que les Bacilliaceae sont surtout présentes dans les eaux du clarificateur. Dans les eaux du Sa-quenay, la dominance est assurée par Ktebi-le-tta pneumonixi et Ae OfflOnai hydAopivLta pn.ot2.oZAXA.ca, tandis que dans les eaux du clarif icateur, plus de la moitié (soit 53 %) des bactéries appartiennent au genre BacÂJLZuî, et l'espèce 8. p6ychAophÂ.Zui y est dominante tout au long de la saison de 1'échantillonage.

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Biodégradation de l'acide dêhydroàbiêtique 319

E X E X

E X E X E X

Tableau 2.- L i s t e s des espèces bac tér iennes re t rouvées dans l e s eaux s u p e r f i c i e l l e s du Saguenay e t dans l e s eaux du c l a r i f i c a t e u r des pape t e r i e s e n t r e mai e t août 1983.

Table 2.- List of species in the surface waters of the Saguenay River and in the decantation-basin of the paper mille from May to August 1983.

, . v, ., , Eaux du Eaux du Espèce bac té r ienne Famille _ .,_. Saguenay C l a r i f i c a t e u r

KZzb&lztZa pneumonie EntQ.hoba.ctzh. cloaczciz E&ckzhtckia coït E X X Ctthobactzh ^Kzundtt E X X Ehuiinta hzhbicota

AzhomonaA hydhophtta. photzotytica v x x

Bactlùis patumyco. B x x Bac-ULliL-s mcic&hani, B x Bac-c££ui &phazh.icuA B X Bacitùn Ztchcnt&ohmii B x Bac-Ltlu!> paitzahtl B X BactLZuA pi,ychhophtltu> B X Bacttltu. cthcuZani, B x BactlliHi t&olttué B x BaciZZuA acldocaldayvUa B X

AclnztobactQA catcoaczttcuA

ChhomobatZhMun violaezam

Pizudomonat, putida. P6zudomoncu> fituohz&cznà

PcLbtzu.he.tta. muttoctda

FZavobactzhÀum adûhatum

E = En te robac te r i a

V = V ibr ionaceae

B = B a c i l l i a c e a e

N = Neisser iaceae

P = Paeudamonadaceae

B B B

N X

X

P X P X

X

X

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320 Revue des sciences de l'eau 2, n° 3

A l'instar de CAPLFNAS et al. (1981), nous avons remarqué qu'en dépit de conditions physico-chimiques drastiques dans les eaux de clarifica-teur, la densité des coliformes était relativement élevée. L'eau du clarificateur est un substrat riche en matières organiques (acides ré-siniques, divers polysaccharides, certains alcools comme le méthanol) et nous avons constaté qu'elle maintient une flore bactérienne plus dense et plus variée que celle des eaux du Saguenay. Isolée à partir d'échantillons du clarif icateur, la souche BacLtàxA piljclbXopkilub s'est avérée, après expérimentation, capable d'utiliser l'ADA comme substrat dégradable.

Dans une étude préliminaire effectuée durant l'été 1978 (R- COTE, données non publiées), nous avions constaté que la densité bactérienne totale était importante dans les eaux du Saguenay. Le nombre d'unité formatrice de colonie (UFC) variait entre 264 et 670 par mL avec des valeurs maximales en août. Nous avons observé une grande polyvalence de métabolisme bactérien ; les 19 souches étudiées se caractérisaient par 8 biotypes bactériens. Les coliformes totaux représentaient 14 % de cette population bactérienne en juin, tandis qu'en juillet et août, les pourcentages étaient Ktcbii.c&la pneumonLaç. (43 % ) , AeAonwna,f> (ujdïcpluZa (10 % ) , AcAnc.tobacte.-t calccacctÂcut, (80 %) et Eute.twbacteï cloaceae (8 % ) . Les coliformes participaient donc faiblement à la flore micro­bienne du Saguenay.

B) Biodégradation de l 'ac ide déhydroabiétique (ADA)

Parmi toutes les souches bactériennes que nous avons isolées, il y avait seulement 8ac-c££u4 pàlJchAcphllu* qui démontra un pouvoir de bio­dégradation de l'ADA. L'analyse de la figure 2 nous révèle que la bio­dégradation de l'ADA par cette bactérie est relativement rapide durant les 72 premières heures, puisque la concentration du polluant diminue de plus de 92 % ; après 96 heures, la biodégradation semble complète. L'utilisation de cet acide résinique par la bactérie semble donc être efficace. D'ailleurs, nos résultats sont comparables à ceux de certains chercheurs, notamment BRANNON et al. (1968) et KUTNEY et al. (1981), qui constatèrent que la biodégradation complète de l'ADA pouvait s'effectuer dans un laps de temps variant entre 24 et 96 heures, dépendamment de la bactérie utilisée. Dans le ballon témoin, la concentration de l'ADA demeure assez stable.

En comparant les fluctuations temporelles de la concentration de l'ATP dans des milieux de culture avec et sans ADA (fig. 3), nous re­marquons que la bactérie B. p&ychsioptvL£u.6 semble être plutôt polyva­lente car les deux courbes de croissance présentent une très grande analogie. Dans les deux cas, la phase de latence dure environ 24 heures et la phase exponentielle s'étale entre 24 et 96 heures. Toutefois, à partir de la 36è heure, la présence de l'ADA dans le milieu de culture favorise un peu la croissance de la souche bactérienne puisque les concentrations de l'ATP sont toujours légèrement plus élevées que celles du milieu sans ADA. Puisque l'ADA est complètement dégradé comme nous l'avons observé précédemment (fig. 2), cet acide résinique ne représen­te probablement pas l'unique source de carbone utilisée par la bactérie. Cet acide constituerait plutôt une source secondaire pouvant à la ri­gueur être co-métabolisé en même temps que certains saccharides comme le xylose et le glucose qui sont généralement présents dans les eaux du clarificateur.

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Biodégradation de l'acide déhydroabiétique

96 120 (heures)

Figure 2.- Biodégradation de l ' a c i d e déhydroabiét ique (ADA) par Bacltùiii p&yciiAophilu&.

Figure 2.- Biodégradation of déhydroabiétic acid (DHA) by Baci l lus psychrophi lus .

120 (h)

Figure 3.- Courbe de c ro i s sance de BacÂZÙiA p&yctlAOpklZai, dans un mil ieu avec e t sans acide déhydroabiét ique (ADA).

Figure 3.- Growth of Bac i l lus psychrophi lus with and without DHA (déhydroabiétic acid).

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322 Revue des sciences de l'eau 2, n°3

L'obtention d'une si grande concordance entre les deux courbes de croissance (avec et sans ADA dans le milieu de culture) pourrait nous amener à nous interroger sur l'efficacité d'une telle bactérie à bio-dégrader l'ADA. Cependant l'analyse des divers chromatogrammes illustrés à la figure 4 nous révèle toutefois de façon très évidente la diminu­tion progressive de l'ADA dans le milieu. La disparition du pic de l'ADA est complète après 72 heures et elle est suivie par l'apparition de nouveaux pics qui deviennent de plus en plus accentués à partir de 96 heures.

Figure 4.— Chromatogrammes illustrant la dégradation bactérien­ne de l'acide déhydroabiétique par BacÂZluA p&ych>ioptviZu&.

Figure 4.- Chromatogroxns showing the biodégradation of the dehydroàbietic acid (DMA) by Bacillus psychrophilus.

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Biodégradation de l 'acide déhiidroabiâtique

CONCLUSION

Nous pouvons affirmer qu'une population monospécifique de Bac-c££oi p£,ychAOph'L£LiA est capable de dégrader l'ADA, polluant rejeté par les papeteries et qui est néfaste pour les organismes aquatiques. Cependant en examinant les courbes de croissance obtenue, il semble que l'ADA ne peut être utilisé comme unique source de carbone par 6. p-M/c/iAopfi-t-£ui. Dans un milieu comme le clarificateur, l'ADA se retrouve en contac de toute une série de composés à forte teneur en carbone organique et facilement métabolisables comme saccharides et la croissance bactérien­ne semble être favorisée et la biodégradation de l'ADA, effectuée avec une plus grande efficacité. Nous espérons, grâce aux travaux en cours menés par des collègues, être bientôt en mesure de préciser si la di­minution de l'ADA est totalement due à la biodégradation bactérienne ou si une adsorption de cet acide par certains composés organiques ne serait pas possible. De tels résultats s'avéreront d'une grande impor­tance pour la qualité des eaux du fjord du Saguenay puisque cet estuai­re reçoit d'énormes quantités d'eaux, usées provenant des papeteries locales.

REMERCIEMENTS

Ce travail de recherche fut réalisé grâce à l'appui financier du Programme d'Aide Institutionnelle a la Recherche (PAIR) et de la Fondation de l'Université du Québec à Chicoutimi. Les auteurs remercien également Monsieur Pierre Boivin pour l'aide technique apportée lors de 1'échantillonnage.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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