Dissolved organic nitrogen behaviour during denitrification with suspended and attached biomass

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitária

DINAMICA MICROBIANA Y CALIDAD DE LA MATERIA ORGANICA DEL SUELO COMO INDICADORES DE SUSTENTABILIDAD EN EL CHACO ARIDO DE LA PROVINCIA DE CORDOBA Microbial dynamic and organic matter quality as indicators of soil sustainability in Dry Chaco of Córdoba Province

Se propone analizar el efecto del uso productivo en el Chaco Árido de la provincia de Córdoba, mediante la aplicación de indicadores de sustentabilidad relacionados con la calidad de la materia orgánica y la liberación de nutrientes en el suelo, con la finalidad de aportar a un tema de suma interes para la provincia de Córdoba como es la formulación de criterios y pautas de manejo para la implementación de la Ley de Bosques (N° 26331). Se trabajará en la localidad de San Miguel en el departamento Pocho, en un sitio de bosque no disturbado y en tres sistemas productivos: desmonte selectivo con implantación de pasturas; desmonte total con agricultura bajo riego y desmonte total sobrepastoreado. En cada sitio se medirá “in situ” la emisión de CO2 y se tomaran muestras de suelo a las que se les determinará: a) contenido de materia orgánica total (MO), b) contenido de sustancias húmicas (SH), diferenciando ácidos húmicos (AH) y fúlvicos (AF), c) abundancia y actividad de microorganismos nitrificadores y d) propiedades químicas de los AH y AF. Se calcularán los siguientes índices de sustentabilidad a) materia orgánica biodisponible (MOB=MO–SH); b) índice de humificación (IH=SH/MO); c) tipo de humus (TH=AF/AH; d) índice de mineralización de C (IMC=CO2/MO); e) índice de nitrificación (IN=actividad/abundancia); y f) índice de estabilidad de las fracciones humificadas: compuestos aromáticos/ alifáticos. Los datos serán analizados estadísticamente mediante ANOVA y comparación de medias por LSD (P<0.05) y tests multivariados. We proposed analyze the effect of land use in Arid Chaco of Cordoba province, using sustainability indicators related to organic matter quality and nutrient release in soil, with the aim to formulate management criteria for the implementation of the Ley de Bosques (N° 26331) in Córdoba province. The study will be conducted in San Miguel village in Pocho department, in one undisturbed forest site and three productive systems: selective clearing with grass sowing; total clearing with irrigation agriculture and total clearing with overgrazed. In each site "in situ" CO2 emission will be measured and soil samples will be taken, in which the following parameters will be determined: a) total organic matter content (MO), b) humic substances content (SH), in humic acids (AH) and fulvic acids (AF), c) abundance and activity of nitrifier microorganisms and d) chemical properties of AH and AF. The sustainability indexes will be calculated: biodisponible organic matter (MOB=MO–SH); b) humification index (IH=SH/MO); c) humus type (TH=AF/AH; d) C mineralization index (IMC=CO2/MO); e) nitrifying index (IN=activity/abundance); and f) humic fractions stability index: aromatic/aliphatic compounds. The data will be statistically analyzed by ANOVA and the means will be compared by LSD (P<0.05) and multivariate tests.

Bioremediation of diesel contaminated soils : an investigation into the effects of biosurfactant and organic matter amendments

The aim of this study was to investigate the effects of biosurfactants and organic matter amendments on the bioremediation of diesel contaminated soil. Two strains of Pseudomonas aeruginosa with the ability to produce biosurfactant were isolated from a water and soil sample in Co. Sligo. The first strain, Isolate A, produced a biosurfactant which contained four rhamnose containing compounds, when grown in proteose peptone glucose ammonium salts medium with glucose as the carbon source. Two of the components were identified as rhamnolipid 1 and 2 whilst the other two components were unidentified. The second strain, Isolate GO, when grown in similar conditions produced a biosurfactant which contained only rhamnolipid 2. The type of aeration system used had a significant effect on the abiotic removal of diesel from soil. Forced aeration at a rate of 120L 02/kg soil/ hour resulted in the greatest removal. Over a 112 day incubation period this type o f aeration resulted in the removal o f 48% o f total hexane extractable material. In relation to bioremediation of the diesel contaminated sandy soil, amending the soil with two inorganic nutrients, KH2PO4 and NÜ4N03, significantly enhanced the removal of diesel, especially the «- alkanes, when compared to an unamended control. The biosurfactant from Isolate A and a biosurfactant produced by Pseudomonas aeruginosa NCIMB 8628 (a known biosurfactant producer), when applied at a concentration of three times their critical micelle concentration, had a neutral effect on the biodégradation o f diesel contaminated sandy soil, even in the presence o f inorganic nutrients. It was deduced that the main reason for this neutral effect was because they were both readily biodegraded by the indigenous microorganisms. The most significant removal of diesel occurred when the soils were amended with two organic materials plus the inorganic nutrients. Amendment of the diesel contaminated soil with spent brewery grain (SBG) removed significantly more diesel than amendment with dried molassed sugar beet pulp (DMSBP). After a 108 day incubation period, amendment of the diesel contaminated soil with DMSBP plus inorganic nutrients and SBG plus inorganic nutrients resulted in 72 and 89% removal of diesel range organics (DRO), in comparison to 41% removal of DRO in an inorganic nutrient amended control. The first order kinetic model described the degradation of the different diesel components with high correlation and was used to calculate Vi lives. The V2 life, of the total «-alkanes in the diesel was reduced from 40 days in the control to 8.5 and 5.1 days in the presence of DMSBP and SBG, respectively. The V2 life o f the unresolved complex mixture (UCM) in the diesel contaminated soil was also significantly reduced in the presence o f the two organics. DMSBP and SBG addition reduced UCM V2 life to 86 and 43 days, respectively, compared to 153 days in the control. The component of diesel whose removal was enhanced the greatest through the organic material amendments was the isoprenoid, pristane, a compound which until recently was thought to be nonbiodegradable and was used as an inert biomarker in oil degradation studies. The V2 life of pristane was reduced from 533 days in the nutrient amended control to 49.5 and 19.5 days in DMSBP and SBG amended soils. These results indicate that the addition o f the DMSBP and SBG to diesel contaminated soil stimulated diesel biodégradation, probably by enhancing the indigenous diesel degrading microbial population to degrade diesel hydrocarbons, whilst the addition o f biosurfactants had no enhanced effect on the bioremediation process.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Tillage Management and Soil Organic Matter, 2005

Tillage systems play a significant role in agricultural production throughout Iowa and the Midwest. It has been well documented that increased tillage intensities can reduce soil organic matter in the topsoil due to increased microbial activity and carbon (C ) oxidation. The potential loss of soil organic matter due to tillage operations is much higher for high organic matter soils than low organic matter soils. Tillage effects on soil organic matter can be magnified through soil erosion and loss of soil productivity. Soil organic matter is a natural reservoir for nutrients, buffers against soil erosion, and improves the soil environment to sustain soil productivity. Maintaining soil productivity requires an agriculture management system that maintains or improves soil organic matter content. Combining cropping systems and conservation tillage practices, such as no-tillage, strip-tillage, or ridge-tillage, are proven to be very effective in improving soil organic matter and soil quality.

Organic matter in upwelling off northern Peru, november 1977

Analiza la cantidad de carbon organico y nitrogeno en las costas del norte del Perú en noviembre de 1977

Chemical characterization and infrared spectroscopy of soil organic matter from two southern brazilian soils

Soil organic matter from the surface horizon of two Brazilian soils (a Latosol and a Chernosol), in bulk samples (in situ SOM) and in HF-treated samples (SOM), was characterized by elemental analyses, diffuse reflectance (DRIFT) and transmission Fourier transform infrared spectroscopy (T-FTIR). Humic acids (HA), fulvic acids (FA) and humin (HU) isolated from the SOM were characterized additionally by ultraviolet-visible spectroscopy (UV-VIS). After sample oxidation and alkaline treatment, the DRIFT technique proved to be more informative for the detection of "in situ SOM" and of residual organic matter than T-FTIR. The higher hydrophobicity index (HI) and H/C ratio obtained in the Chernosol samples indicate a stronger aliphatic character of the organic matter in this soil than the Latosol. In the latter, a pronounced HI decrease was observed after the removal of humic substances (HS). The weaker aliphatic character, the higher O/C ratio, and the T-FTIR spectrum obtained for the HU fraction in the Latosol suggest the occurrence of surface coordination of carboxylate ions. The Chernosol HU fraction was also oxygenated to a relatively high extent, but presented a stronger hydrophobic character in comparison with the Latosol HU. These differences in the chemical and functional group composition suggest a higher organic matter protection in the Latosol. After the HF treatment, decreases in the FA proportion and the A350/A550 ratio were observed. A possible loss of FA and condensation of organic molecules due to the highly acid medium should not be neglected.

Assessment of soil properties by organic matter and EM-microorganism incorporation

Properties of a claim loam soil, collected in Aranjuez (Madrid) and enriched with organic matter and microorganisms, were evaluated under controlled temperature and moisture conditions, over a period of three months. The following treatments were carried out: soil (control); soil + 50 t ha-1 of animal manure (E50); soil + 50 t ha-1 of animal manure + 30 L ha-1 of effective microorganisms (E50EM); soil + 30 t ha-1 of the combination of various green crop residues and weeds (RC30) and soil + 30 t ha-1 of the combination of various green crop residues and weeds + 30 L ha-1 of effective microorganisms (RC30EM). Soil samples were taken before and after incubation and their physical, chemical, and microbiological parameters analyzed. Significant increase was observed in the production of exopolysaccharides and basic phosphatase and esterase enzyme activities in the treatments E50EM and RC30EM, in correlation with the humification of organic matter, water retention at field capacity, and the cationic exchange capacity (CEC) of the same treatments. The conclusion was drawn that the incorporation of a mixture of effective microorganisms (EM) intensified the biological soil activity and improved physical and chemical soil properties, contributing to a quick humification of fresh organic matter. These findings were illustrated by the microbiological activities of exopolysaccharides and by alkaline phosphatase and esterase enzymes, which can be used as early and integrated soil health indicators.

Transformations in occluded light fraction organic matter in a clayey oxisol: evidence from 13C-CPMAS-NMR and delta13C Signature

We hypothesised that, during occlusion inside granular aggregates of oxide-rich soils, the light fraction organic matter would undergo a strong process of decomposition, either due to the slow process of aggregate formation and stabilisation or due to digestion in the macro- and meso-fauna guts. This process would favour the accumulation of recalcitrant materials inside aggregates. The aim of this study was to compare the dynamics and the chemical composition of free and occluded light fraction organic matter in a natural cerrado vegetation (woodland savannah) and a nearby pasture (Brachiaria spp.) to elucidate the transformations during occlusion of light fraction in aggregates of a clayey Oxisol. Nuclear Magnetic Resonance of the 13C, with Cross Polarisation and Magic Angle Spinning (13C-CPMAS-NMR), and 13C/12C isotopic ratio were combined to study organic matter composition and changes in carbon dynamics, respectively. The occluded light fraction had a slower turnover than the free light fraction and the heavy fraction. Organic matter in the occluded fraction also showed a higher degree of decomposition. The results confirm that processes of soil organic matter occlusion in the typical "very fine strong granular" structure of the studied oxide-rich soil led to an intense transformation, selectively preserving stable organic matter. The small amount of organic material stored as occluded light faction, as well as its stability, suggests that this is not an important or manageable sink for sequestration of atmospheric CO2.

Maize response to nitrogen fertilization timing in two tillage systems in a soil with high organic matter content

No-tillage systems, associated to black oat as preceding cover crop, have been increasingly adopted. This has motivated anticipated maize nitrogen fertilization, transferring it from the side-dress system at the stage when plants have five to six expanded leaves to when the preceding cover crop is eliminated or to maize sowing. This study was conducted to evaluate the effects of soil tillage system and timing of N fertilization on maize grain yield and agronomic efficiency of N applied to a soil with high organic matter content. A three-year field experiment was conducted in Lages, state of Santa Catarina, from 1999 onwards. Treatments were set up in a split plot arrangement. Two soil tillage systems were tested in the main plots: conventional tillage (CT) and no-tillage (NT). Six N management systems were assessed in the split-plots: S1 - control, without N application; S2 - all N (100 kg ha-1) applied at oat desiccation; S3 - all N applied at maize sowing; S4 - all N side-dressed when maize had five expanded leaves (V5 growth stage); S5 - 1/3 of N rate applied at maize sowing and 2/3 at V5; S6 - 2/3 of nitrogen rate applied at maize sowing and 1/3 at V5. Maize response to the time and form of splitting N was not affected by the soil tillage system. Grain yield ranged from 6.0 to 11.8 t ha-1. The anticipation of N application (S2 and S3) decreased grain yield in two of three years. In the rainiest early spring season (2000/2001) of the experiment, S4 promoted an yield advantage of 2.2 t ha-1 over S2 and S3. Application of total N rate before or at sowing decreased the number of kernels produced per ear in 2000/2001 and 2001/2002 and the number of ears produced per area in 2001/2002, resulting in reduced grain yield. The agronomic efficiency of applied N (kg grain increase/kg of N applied) ranged from 13.9 to 38.8 and was always higher in the S4 than in the S2 and S3 N systems. Short-term N immobilization did not reduce grain yield when no N was applied before or at maize sowing in a soil with high organic matter content, regardless of the soil tillage system.

Soil organic matter and fertility of anthropogenic dark earths (Terra Preta de Índio) in the Brazilian Amazon basin

Fertility properties, total C (Ctot), and chemical soil organic matter fractions (fulvic acid fraction - FA, humic acid fraction - HA, humin fraction - H) of anthropogenic dark earths (Terra Preta de Índio) of the Amazon basin were compared with those of Ferralsols with no anthropogenic A horizon. Terra Preta soils had a higher fertility (pH: 5.1-5.4; Sum of bases, SB: 8.93-10.33 cmol c kg-1 , CEC: 17.2-17.5 cmol c kg-1 , V: 51-59 %, P: 116-291 mg kg-1) and Ctot (44.6-44.7 g kg-1) than adjacent Ferralsols (pH: 4.4; SB: 2.04 cmol c kg-1, CEC: 9.5 cmol c kg-1, V: 21 %, P 5 mg kg-1, C: 37.9 g kg-1). The C distribution among humic substance fractions (FA, HA, H) in Terra Preta soils was also different, as shown by the ratios HA:FA and EA/H (EA=HA+FA) (2.1-3.0 and 1.06-1.08 for Terra Preta and 1.2 and 0.72 for Ferralsols, respectively). While the cation exchange capacity (CEC), of Ferralsols correlated with FA (r = 0.97), the CEC of Terra Preta correlated with H (r = 0.82). The correlation of the fertility of Terra Preta with the highly stable soil organic matter fraction (H) is highly significant for the development of sustainable soil fertility management models in tropical ecosystems.

Soil fertility, organic carbon and fractions of the organic matter at different distances from eucalyptus stumps

Knowledge on variations in vertical, horizontal and temporal characteristics of the soil chemical properties under eucalyptus stumps left in the soil is of fundamental importance for the management of subsequent crops. The objective of this work was to evaluate the effect of eucalyptus stumps (ES) left after cutting on the spatial variability of chemical characteristics in a dystrophic Yellow Argisol in the eastern coastal plain region of Brazil. For this purpose, ES left for 31 and 54 months were selected in two experimental areas with similar characteristics, to assess the decomposition effects of the stumps on soil chemical attributes. Soil samples were collected directly around these ES, and at distances of 30, 60, 90, 120 and 150 cm away from them, in the layers 0-10, 10-20 and 20-40 cm along the row of ES, which is in-between the rows of eucalyptus trees of a new plantation, grown at a spacing of 3 x 3 m. The soil was sampled in five replications in plots of 900 m² each and the samples analyzed for pH, available P and K (Mehlich-1), exchangeable Al, Ca and Mg, total organic carbon (TOC) and C content in humic substances (HS) and in the free light fraction. The pH values and P, K, Ca2+, Mg2+ and Al3+ contents varied between the soil layers with increasing distance from the 31 and 54-monthold stumps. The highest pH, P, K, Ca2+ and Mg2+ values and the lowest Al3+ content were found in the surface soil layer. The TOC of the various fractions of soil organic matter decreased with increasing distance from the 31 and 54-month-old ES in the 0-10 and 10-20 cm layers, indicating that the root (and stump) cycling and rhizodeposition contribute to maintain soil organic matter. The C contents of the free light fraction, of the HS and TOC fractions were higher in the topsoil layer under the ES left for 31 months due to the higher clay levels of this layer, than in those found under the 54-month-old stumps. However, highest C levels of the different fractions of soil organic matter in the topsoil layer reflect the deposition and maintenance of forest residues on the soil surface, mainly after forest harvest.

The effect of plantation silviculture on soil organic matter and particle-size fractions in Amazonia

Eucalyptus grandis and other clonal plantations cover about 3.5 million ha in Brazil. The impacts of intensively-managed short-rotation forestry on soil aggregate structure and Carbon (C) dynamics are largely undocumented in tropical ecosystems. Long-term sustainability of these systems is probably in part linked to maintenance of soil organic matter and good soil structure and aggregation, especially in areas with low-fertility soils. This study investigated soil aggregate dynamics on a clay soil and a sandy soil, each with a Eucalyptus plantation and an adjacent primary forest. Silvicultural management did not reduce total C stocks, and did not change soil bulk density. Aggregates of the managed soils did not decrease in mass as hypothesized, which indicates that soil cultivation in 6 year cycles did not cause large decreases in soil aggregation in either soil texture. Silt, clay, and C of the sandy plantation soil shifted to greater aggregate protection, which may represent a decrease in C availability. The organic matter in the clay plantation soil increased in the fractions considered less protected while this shift from C to structural forms considered more protected was not observed.