Determination of the uptake and translocation of nitrogen applied at different growth stages of a melon crop (Cucumis melo L.) using 15N isotope.

In order to establish a rational nitrogen (N) fertilisation and reduce groundwater contamination, a clearer understanding of the N distribution through the growing season and its dynamics inside the plant is crucial. In two successive years, a melon crop (Cucumis melo L. cv. Sancho) was grown under field conditions to determine the uptake of N fertiliser, applied by means of fertigation at different stages of plant growth, and to follow the translocation of N in the plant using 15N-labelled N. In 2006, two experiments were carried out. In the first experiment, labelled 15N fertiliser was supplied at the female-bloom stage and in the second, at the end of fruit ripening. Labelled 15N fertiliser was made from 15NH415NO3 (10 at.% 15N) and 9.6 kg N ha−1 were applied in each experiment over 6 days (1.6 kg N ha−1 d−1). In 2007, the 15N treatment consisted of applying 20.4 kg N ha−1 as 15NH415NO3 (10 at.% 15N) in the middle of fruit growth, over 6 days (3.4 kg N ha−1 d−1). In addition, 93 and 95 kg N ha−1 were supplied daily by fertigation as ammonium nitrate in 2006 and 2007, respectively. The results obtained in 2006 suggest that the uptake of N derived from labelled fertiliser by the above-ground parts of the plants was not affected by the time of fertiliser application. At the female-flowering and fruit-ripening stages, the N content derived from 15N-labelled fertiliser was close to 0.435 g m−2 (about 45% of the N applied), while in the middle of fruit growth it was 1.45 g m−2 (71% of the N applied). The N application time affected the amount of N derived from labelled fertiliser that was translocated to the fruits. When the N was supplied later, the N translocation was lower, ranging between 54% at female flowering and 32% at the end of fruit ripening. Approximately 85% of the N translocated came from the leaf when the N was applied at female flowering or in the middle of fruit growth. This value decreased to 72% when the 15N application was at the end of fruit ripening. The ammonium nitrate became available to the plant between 2 and 2.5 weeks after its application. Although the leaf N uptake varied during the crop cycle, the N absorption rate in the whole plant was linear, suggesting that the melon crop could be fertilised with constant daily N amounts until 2–3 weeks before the last harvest.

Uso de marcadores moleculares para la racionalización y evaluación de la calidad en las colecciones de Recursos Fitogenéticos de trigo

Esta tesis tiene dos objetivos generales: el primero, analizar el uso de proteínas del endospermo y SSRs para la racionalización de las colecciones de trigo, y el segundo, estudiar la influencia de las proteínas del endospermo, del año de cultivo y del abonado nitrogenado en la calidad en un grupo de variedades locales españolas. Dentro del primer objetivo, se estudió la diversidad genética de la colección de Triticum monococcum L. (escaña menor), y de una muestra de la colección de Triticum turgidum L. (trigo duro) del CRF-INIA, con 2 y 6 loci de gliadinas, y 6 y 24 SSRs, para la escaña menor y el trigo duro, respectivamente. Ambas colecciones presentaron una gran diversidad genética, con una gran diferenciación entre las variedades y pequeña dentro de ellas. Los loci de gliadinas mostraron una gran variabilidad, siendo los loci Gli-2 los más útiles para distinguir variedades. En la escaña menor, las gliadinas presentaron mayor poder de discriminación que los SSRs; aunque en trigo duro los SSRs identificaron más genotipos. El número de alelos encontrado fue alto; 24 y 38 en gliadinas, y 29 y 203 en SSRs, en escaña menor y trigo duro, respectivamente. En trigo duro, se identificaron 17 alelos nuevos de gliadinas lo que demuestra que el germoplasma español es muy singular. En ambas especies, se detectaron asociaciones entre la variación alélica en prolaminas y el origen geográfico y filogenético de las variedades. La utilidad de las proteínas (6 loci de gliadinas, 2 loci de gluteninas y proteína total) y de los SSRs (24 loci) para verificar duplicados, y analizar la variabilidad intraaccesión, se estudió en 23 casos de duplicados potenciales de trigo duro. Los resultados indicaron que tanto los biotipos como las accesiones duplicadas mostraban el mismo genotipo en gliadinas, pocas diferencias o ninguna en las subunidades de gluteninas HMW y proteína total, y diferencias en menos de tres loci de SSRs. El mismo resultado se obtuvo para los biotipos de la colección de T. monococcum. Sin embargo, las discrepancias observadas en algunos casos entre proteínas y SSRs demostraron la utilidad del uso conjunto de ambos tipos de marcadores. Tanto las proteínas como los SSRs mostraron gran concordancia con los caracteres agro-morfológicos, especialmente cuando las diferencias entre los genotipos eran grandes. Sin embargo, los caracteres agro-morfológicos fueron menos discriminantes que los marcadores moleculares. Para el segundo objetivo de la tesis, se analizó la variación alélica en siete loci de prolaminas relacionados con la calidad en trigo duro: Glu-A1 y Glu-B1 de gluteninas HMW, Glu-A3, Glu-B3 y Glu-B2 de gluteninas B-LMW, y Gli-A1 y Gli-B1 de gliadinas. La submuestra analizada incluía variedades locales de todas las provincias españolas donde se ha cultivado tradicionalmente el trigo duro. Todos los loci, excepto el Glu-B2, mostraron gran variabilidad genética, siendo los Glu-3 los más polimórficos. En total, se identificaron 65 alelos, de los que 29 eran nuevos, que representan una fuente importante de variabilidad genética para la mejora de la calidad. Se detectaron diferencias en la composición en prolaminas entre la convar. turgidum y la zona norte, y la convar. durum y la zona sur; el genotipo Glu-B3new-1 - Gli-B1new-1 fue muy común en la convar. turgidum, mientras que el Glu-B3a - Gli-B1c, asociado con mejor calidad, fue más frecuente en la convar. durum. En la convar. turgidum, se observó mayor variabilidad que en la convar. durum, principalmente en los loci Glu-B1 y Glu-B3, lo que indica que esta convariedad puede ser una fuente valiosa de nuevos alelos de gluteninas. Esta submuestra fue evaluada para calidad (contenido en proteína, P, y test de sedimentación, SDSS) con dos dosis de abonado nitrogenado (N), y en dos años diferentes. No se detectaron interacciones Variedad × Año, ni Variedad × N en la calidad. Para la P, los efectos ambientales (año y N) fueron mayores que el efecto de la variedad, siendo, en general, mayor la P con dosis altas de N. La variedad influyó más en el test SDSS, que no se vio afectado por el año ni el N. El aumento del contenido en proteína no influyó significativamente sobre la fuerza del gluten estimada con el SDSS. Respecto a la influencia de las prolaminas en la fuerza del gluten, se confirmó la superioridad del Glu-B3a; aunque también se detectó una influencia alta y positiva de los alelos nuevos Glu-A3new-1, y Glu-B3new-6 y new-9. La no correlación entre el rendimiento (evaluado en un trabajo anterior) y la P, en las variedades adaptadas a bajo N, permitió seleccionar cuatro variedades locales con alto rendimiento y buena fuerza del gluten para producción con bajo N. SUMMARY There are two main objectives in this thesis: The first, to analyse the use of endosperm proteins and SSRs to rationalize the wheat collections, and the second, to study the influence on quality of endosperm proteins, year and nitrogen fertilization in a group of Spanish landraces. For the first objective, we studied the genetic diversity of the collection of Triticum monococcum L. (cultivated einkorn), and of a sample of the collection of Triticum turgidum L. (durum wheat) maintained at the CRF-INIA. Two and 6 gliadin loci, and 6 and 24 SSRs, were used for einkorn and durum wheat, respectively. Both collections possessed a high genetic diversity, being the differentiation large between varieties and small within them. Gliadin loci showed great variability, being the loci Gli-2 the most useful for distinguish among varieties. In einkorn, the gliadins showed higher discrimination power than SSRs; although SSRs identified more genotypes in durum wheat. Large number of alleles were found; 24 and 38 in gliadins, and 29 and 203 in SSRs, for einkorn and durum wheat, respectively. In durum wheat, 17 new alleles of gliadins were identified, which indicate that Spanish durum wheat germplasm is rather unique. Some associations between prolamin alleles and geographical and phylogenetic origin of varieties were found in both species. The value of endosperm proteins (6 gliadin loci, 2 glutenin loci and total protein) and SSRs (24 loci) for validation of duplicates, and monitoring the intra-accession variability, was studied in 23 potential duplicates of durum wheat. The results indicated that biotypes and duplicated accessions showed identical gliadin genotype, few or none differences in HMW glutenin subunits and total protein, and less than three different SSR loci. A similar result was obtained for biotypes of T. monococcum. However, the discrepancies in some cases support the convenience to use together both marker systems. A good concordance among endosperm proteins, agro-morphological traits and SSRs were also found, mainly when differences between genotypes were high. However, agro-morphological traits discriminated less between accessions than molecular markers. For the second objective of the thesis, we analysed the allelic variation at seven prolamin loci, involved in durum wheat quality: Glu-A1 and Glu-B1 of HMW glutenin, Glu-A3, Glu-B3 and Glu-B2 of B-LMW glutenin, and Gli-A1 and Gli-B1 of gliadin. The subsample analysed included landraces from all the Spanish provinces where the crop was traditionally cultivated. All the loci, except for Glu-B2, showed high genetic variability, being Glu-3 the most polymorphic. A total of 65 alleles were studied, 29 of them being new, which represent an important source of variability for quality improvement. Differences in prolamin composition were detected between convar. turgidum and the North zone, and the convar. durum and the South zone; the genotype Glu-B3new-1 - Gli-B1new-1 was very common in the convar. turgidum, while the Glu- B3a - Gli-B1c, associated with better quality, was more frequent in the convar. durum. Higher variability was detected in the convar. turgidum than in the convar. durum, mainly at the Glu-B1 and Glu-B3, showing that this convariety could be a valuable source of new glutenin alleles. The subsample was evaluated for quality (protein content, P, and sedimentation test, SDSS) with two doses of nitrogen fertiliser (N), and in two different years. No significant Variety x Year or Variety x Nitrogen interactions were detected. For P, environmental (year and N) effects were higher than variety effect, being P values , in general, larger with high dose of N. The variety exhibited a strong influence on SDSS test, which was not affected by year and N. Increasing values of P did not significantly influence on gluten strength, estimated with the SDSS. Respect to the prolamin effects on gluten strength, the superiority of Glu-B3a was confirmed; although a high positive effect of the new alleles Glu-A3new-1, and Glu-B3new-6 and new-9 was also detected. The no correlation between yield (evaluated in a previous research) and P, in the landraces adapted to low N, allowed to select four landraces with high yield and high gluten strength for low N production.

Estimation of nitrogen budgets for contrasting catchments at the landscape scale.

A comprehensive assessment of nitrogen (N) flows at the landscape scale is fundamental to understand spatial interactions in the N cascade and to inform the development of locally optimised N management strategies. To explore these interactions, complete N budgets were estimated for two contrasting hydrological catchments (dominated by agricultural grassland vs. semi-natural peat-dominated moorland), forming part of an intensively studied landscape in southern Scotland. Local scale atmospheric dispersion modelling and detailed farm and field inventories provided high resolution estimations of input fluxes. Direct agricultural inputs (i.e. grazing excreta, N2 fixation, organic and synthetic fertiliser) accounted for most of the catchment N inputs, representing 82% in the grassland and 62% in the moorland catchment, while atmospheric deposition made a significant contribution, particularly in the moorland catchment, contributing 38% of the N inputs. The estimated catchment N budgets highlighted areas of key uncertainty, particularly N2 exchange and stream N export. The resulting N balances suggest that the study catchments have a limited capacity to store N within soils, vegetation and groundwater. The "catchment N retention", i.e. the amount of N which is either stored within the catchment or lost through atmospheric emissions, was estimated to be 13% of the net anthropogenic input in the moorland and 61% in the grassland catchment. These values contrast with regional scale estimates: Catchment retentions of net anthropogenic input estimated within Europe at the regional scale range from 50% to 90%, with an average of 82% (Billen et al., 2011). This study emphasises the need for detailed budget analyses to identify the N status of European landscapes.

Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental

La presente tesis doctoral, “Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental”, desarrolla la valorización energética de los residuos del carbón, estériles de carbón, producidos durante las etapas de extracción y lavado del carbón. El sistema energético se encuentra en una encrucijada, estamos asistiendo a un cambio en el paradigma energético y, en concreto, en el sector de la generación eléctrica. Se precipita un cambio en la generación y el consumo eléctricos. Una mayor concienciación por la salud está forzando la contención y eliminación de agentes contaminantes que se generan por la utilización de combustibles fósiles de la forma en la que se viene haciendo. Aumenta la preocupación por el cambio climático y por contener en 2°C el aumento de la temperatura de la Tierra para final de este siglo, circunstancia que está impulsando el desarrollo e implantación definitiva de tecnología de control y reducción de emisiones CO2. Generar electricidad de una manera sostenible se está convirtiendo en una obligación. Esto se materializa en generar electricidad respetando el medioambiente, de una forma eficiente en la utilización de los recursos naturales y a un coste competitivo, pensando en el desarrollo de la sociedad y en el beneficio de las personas. En la actualidad, el carbón es la principal fuente de energía utilizada para generar electricidad, y su empleo presenta la forma de energía más barata para mejorar el nivel de vida de cualquier grupo y sociedad. Además, se espera que el carbón siga presente en el mix de generación eléctrica, manteniendo una significativa presencia y extrayéndose en elevadas cantidades. Pero la producción de carbón lleva asociada la generación de un residuo, estéril, que se produce durante la extracción y el lavado del mineral de carbón. Durante décadas se ha estudiado la posibilidad de utilizar el estéril y actualmente se utiliza, en un limitado porcentaje, en la construcción de carreteras, terraplenes y rellenos, y en la producción de algunos materiales de construcción. Esta tesis doctoral aborda la valorización energética del estéril, y analiza el potencial aprovechamiento del residuo para generar electricidad, en una instalación que integre tecnología disponible para minimizar el impacto medioambiental. Además, persigue aprovechar el significativo contenido en azufre que presenta el estéril para producir ácido sulfúrico (H2SO4) como subproducto de la instalación, un compuesto químico muy demandado por la industria de los fertilizantes y con multitud de aplicaciones en otros mercados. Se ha realizado el análisis de caracterización del estéril, los parámetros significativos y los valores de referencia para su empleo como combustible, encontrándose que su empleo como combustible para generar electricidad es posible. Aunque en España se lleva extrayendo carbón desde principios del siglo XVIII, se ha evaluado para un período más reciente la disponibilidad del recurso en España y la normativa existente que condiciona su aplicación en el territorio nacional. Para el período evaluado, se ha calculado que podrían estar disponibles más de 68 millones de toneladas de estéril susceptibles de ser valorizados energéticamente. Una vez realizado el análisis de la tecnología disponible y que podría considerarse para emplear el estéril como combustible, se proponen cuatro configuraciones posibles de planta, tres de ellas basadas en un proceso de combustión y una de ellas en un proceso de gasificación. Tras evaluar las cuatro configuraciones por su interés tecnológico, innovador y económico, se desarrolla el análisis conceptual de una de ellas, basada en un proceso de combustión. La instalación propuesta tiene una capacidad de 65 MW y emplea como combustible una mezcla de carbón y estéril en relación 20/80 en peso. La instalación integra tecnología para eliminar en un 99,8% el SO2 presente en el gas de combustión y en más de un 99% las partículas generadas. La instalación incorpora una unidad de producción de H2SO4, capaz de producir 18,5 t/h de producto, y otra unidad de captura para retirar un 60% del CO2 presente en la corriente de gases de combustión, produciendo 48 tCO2/h. La potencia neta de la planta es 49,7 MW. Se ha calculado el coste de inversión de la instalación, y su cálculo resulta en un coste de inversión unitario de 3.685 €/kW. ABSTRACT The present doctoral thesis, “Thermal utilisation of waste coal for electricity generation by deployment of efficient combustion and gasification technologies with minimum environmental impact”, develops an innovative waste-to-energy concept of waste coals produced during coal mining and washing. The energy system is at a dilemma, we are witnessing a shift in the energy paradigm and specifically in the field of electricity generation. A change in the generation and electrical consumption is foreseen. An increased health consciousness is forcing the containment and elimination of pollutants that are generated by the use of fossil fuels in the way that is being done. Increasing concern about climate change and to contain the rise of global temperature by 2°C by the end of this century, is promoting the development and final implementation of technology to control and reduce the CO2 emission. Electricity generation in a sustainable manner is becoming an obligation. This concept materialised in generating electricity while protecting the environment and deployment of natural resources at a competitive cost, considering the development of society and people´s benefit. Currently, coal is the main source of energy employ to generate electricity, and its use represents the most cost competitive form of energy to increase the standard of living of any group or society. Moreover, coal will keep playing a key role in the global electricity generation mix, maintaining a significant presence and being extracting in large amounts. However, coal production implies the production of waste, termed waste coal or culm in Pennsylvania anthracite extraction, produced during coal mining and coal washing activities. During the last decades, the potential use of waste coal has been studied, and currently, in a limited amount, waste coal is used in roads construction, embankments and fillings, and to produce some construction materials. This doctoral thesis evaluates the waste to energy of waste coals and assesses its potential use to generate electricity, implementing available technology to minimise the environment impact. Additionally, it pursues the significant advantage that presents sulphur content in waste coal to produce sulphuric acid (H2SO4) as a byproduct of the waste-to-energy process, a chemical compound highly demanded by the fertiliser industry and many applications in other markets. It analyses the characteristics of waste coal, and assesses the significant parameters and reference values for its use as fuel, being its fuel use for electricity generation very possible. While mining coal is taking place in Spain since the 1700s, it has been evaluated for a more recent period the waste coal available in Spain and the existing legislation that affects its application and deploy to generate electricity in the country. For the evaluation period has been calculated that may be available more than 68 million tons of waste coal that can be waste-toenergy. The potential available technology to deploy waste coal as fuel has been evaluated and assessed. After considering this, the doctoral thesis proposes four innovative alternatives of facility configuration, three of them based on a combustion process and one in a gasification process. After evaluating the four configurations for its technological, innovative and economic interest, the conceptual analysis of one of alternatives, based on a combustion process, takes place. The proposed alternative facility developed has a capacity of 65 MW, using as fuel a mixture of coal and waste coal 80/20 by weight. The facility comprises technology to remove 99.8% SO2 present in the flue gas and more than 99% of the particles. The facility includes a unit capable of producing 18.5 t/h of H2SO4, and another capture facility, removing 60% of CO2 present in the flue gas stream, producing 48 tCO2/h. The net capacity of the power station is 49.7 MW. The facility unitary cost of investment is 3,685 €/kW.