Sulfur and strontium isotope composition of the Llobregat River (NE Spain): Tracers of natural and anthropogenic chemicals in stream waters

The use of sulfur and strontium isotopes as tracers for the source/s of water contaminants have been applied to the water of the Llobregat River system (NE Spain). Surface water samples from June 1997 were collected from the Llobregat River and its main tributaries and creeks. The chemistry of most stream waters are controlled mainly by the weathering of Tertiary chemical sediments within the drainage basin. The largest variation in delta(34)S values were found in the small creeks with values ranging from -9.9 to 15parts per thousand, whilst in the main river channels values ranged from 6.3 to 12.4parts per thousand. The Sr-87/Sr-86 ratio for dissolved strontium ranged from 0.70795 for a non-polluted site to 0.70882 for a polluted one. Most of the waters with high NO3 and low Ca/Na ratio converge to the same Sr-87/Sr-86 value, pointing to dominant pollutant end member contribution or a mixing of pollutants with an isotopic composition around 0.7083-0.7085. Although the concentration of the natural inputs in the river for sulfate and strontium are high, as a result of the sulfate outcrops within the geology of the basin, their isotopic characteristics suggest that they can be used as a discriminating device in water pollution problems. However to establish the detailed characteristics of the isotopes as geochemical tools, specific high-resolution case studies are necessary in small areas, where the inputs are well known.

PH01 gene family in Arabidopsis thaliana and Physcomitrella patens

Summary Inorganic phosphate (Pi) is a main limiting nutrient to the growth and production yield of plants in many agro-ecosystems. Plants have evolved a series of metabolic and developmental adaptations to cope with low Pi availability. PH01 has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the xylem of roots in Arabidopsis. In this study, the PHO1 gene family in both higher plant Arabidopsis and lower plant Physcomitrella was characterized. Additional ten PHO1 homologues in Arabidopsis and three homologues in Physcomitrella were identified. All proteins harbor a SPX tripartite domain in the N-terminal hydrophilic portion and an EXS domain in the highly conserved C-terminal hydrophobic portion. RT-PCR analysis of the Arabidopsis PHO1 genes revealed a broad pattern of expression in leaves, roots, stems, and flowers for most genes, although two genes are expressed exclusively in flowers, indicating their potential roles not only in Pi transport but also in Pi homeostasis within the Arabidopsis plant. The regulation of gene expression by different nutrient-starvations showed that some genes are strongly up-regulated by elements other than Pi, e.g. by NO3, Mg, and Zn starvation. Northern blot and RT-PCR analysis showed distinct expression patterns of the three Physcomitrella PHO1 genes. The investigation of Pi starvation effects on some Pi-deprivation responsive genes demonstrates that Physcomitrella has evolved a similar mechanism as higher plants to respond to Pi deficiency. Promoter activity analysis for the Physcomitrella PHO1 family genes using promoter-GUS fusions revealed their expression in protonemata and gametophores but at different levels and with different patterns, suggesting these genes may play distinct roles in Pi transport and/or Pi homeostasis in the moss plant. Single knockout mutants of the three genes were generated by gene targeting and one of them displayed a reduced Pi content in the protonemata under Pi starvation. The evolution of the PHO1 family in land plants was also discussed. Together, these findings indicate that the PHO1 family genes, present in a broad range of plant species from lower plants to flowering plants, play important roles in Pi transport and homeostasis. Résumé Le phosphate inorganique (Pi) est un nutriment essentiel à la croissance des plantes et au rendement de la production végétale. Dans beaucoup d'agro-écosystèmes, ce nutriment est limitant. Les plantes ont développé des adaptations métaboliques et développementales pour palier à la faible disponibilité du Pi. Il a été démontré que la protéine PHOI est indispensable au transfert du Pi dans le xylème des racines d' Arabidopsis. Cette étude porte sur la famille de gènes définie par PHO1 ; ceci, dans deux organismes modèles : la plante Arabidopsis pour les végétaux supérieurs, et la mousse Physcomitrella pour les végétaux inférieurs. Dix homologues à PHOI dans Arabidopsis et trois homologues dans Physcomitrella ont été identifiés. Toutes les protéines encodées présentent un domaine tripartite SPX dans leur partie N terminale hydrophile et un domaine EXS dans la partie C terminale hydrophobe hautement conservée d'entre eux. L'analyse par RT-PCR de l'expression des gènes PHO1 dans Arabidopsis révèle une expression ectopique pour la plupart, à l'exception de deux gènes dont l'expression est uniquement florale ; ceci suggère l'implication de cette famille non seulement dans le transport mais aussi dans l'homéostasie du Pi dans Arabidopsis. L'observation de l'expression de ces gènes en fonction de l'absence de différents nutriments montre que certains gènes sont fortement régulés lors de carences en NO3, Mg et Zn. L'analyse par northern blot et RT-PCR met en évidence des profils d'expression distincts pour les trois gènes de Physcomitrella. Les effets de la carence en Pi sur Physcomitrella ont été étudiés par le biais de gènes dépendants connus pour Arabidopsis, les résultats suggèrent un mode de réponse à cette carence conservé entre les végétaux inférieurs et supérieurs. La localisation tissulaire de l'expression de la famille PHO1 dans la mousse a été étudiée au moyen du gène rapporteur GUS fusionné aux différents promoteurs. Ceci a révélé leur expression dans les protonemata et les gametophores, mais à des intensités et avec des profils différents, ce qui suggère des implications distinctes dans le transport et/ou l'homéostasie du Pi dans la mousse. Des simples mutants knockout ont été générés pour chaque gène de mousse ; l'un d'eux présente une diminution du contenu protonemal en Pi lorsque soumis à une carence en Pi. L'évolution de la famille PHO1 dans les plantes terrestres est également discutée. Ensemble, ces résultats indiquent que les gènes de la famille PHO1 sont présents dans une large gamme de plantes allant des végétaux inférieurs aux supérieurs, et cette étude démontre que leur conservation se justifie potentiellement par le fait qu'ils sont probablement impliqués dans des mécanismes conservés de transport et d'homéostasie du Pi.

Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Characterization of surface functional groups present on laboratory-generated and ambient aerosol particles by means of heterogeneous titration reactions

A Knudsen flow reactor has been used to quantify surface functional groups on aerosols collected in the field. This technique is based on a heterogeneous titration reaction between a probe gas and a specific functional group on the particle surface. In the first part of this work, the reactivity of different probe gases on laboratory-generated aerosols (limonene SOA, Pb(NO3)2, Cd(NO3)2) and diesel reference soot (SRM 2975) has been studied. Five probe gases have been selected for the quantitative determination of important functional groups: N(CH3)3 (for the titration of acidic sites), NH2OH (for carbonyl functions), CF3COOH and HCl (for basic sites of different strength), and O3 (for oxidizable groups). The second part describes a field campaign that has been undertaken in several bus depots in Switzerland, where ambient fine and ultrafine particles were collected on suitable filters and quantitatively investigated using the Knudsen flow reactor. Results point to important differences in the surface reactivity of ambient particles, depending on the sampling site and season. The particle surface appears to be multi-functional, with the simultaneous presence of antagonistic functional groups which do not undergo internal chemical reactions, such as acid-base neutralization. Results also indicate that the surface of ambient particles was characterized by a high density of carbonyl functions (reactivity towards NH2OH probe in the range 0.26-6 formal molecular monolayers) and a low density of acidic sites (reactivity towards N(CH3)3 probe in the range 0.01-0.20 formal molecular monolayer). Kinetic parameters point to fast redox reactions (uptake coefficient ?0>10-3 for O3 probe) and slow acid-base reactions (?0<10-4 for N(CH3)3 probe) on the particle surface. [Authors]