Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.

Effects of diverse plant species on the bioavailability of contaminants in soil

La phytoremédiation constitue une technologie alternative pour le traitement de sols contaminés en métaux. Toutefois, la biodisponibilité des métaux dans le sol peut limiter l’efficacité de cette approche. Nous émettons l’hypothèse que diverses espèces de plante, caractérisées par systèmes racinaires différents, peuvent affecter différemment la biodisponibilité des éléments traces (ET) dans le sol. Une étude utilisant un dispositif expérimental en bloc aléatoire complet avec cinq réplicats a été conduite entre le 6 juin et le 3 septembre 2014, sur le site du Jardin botanique de Montréal. Dans ce contexte, l’impact de la présence de huit espèces de plantes, herbacées ou ligneuses, sur le pool labile de six métaux (Ag, Cu, Pd, Zn, Ni et Se) dans la rhizosphère de celles-ci a été étudié. Après trois mois de culture, la biomasse aérienne et souterraine de chaque espèce a été mesurée et la concentration en ET dans les tissus des plantes a été analysée. La fraction labile de ces ET dans la rhizosphère (potentiellement celle qui serait biodisponible) de même que d’autres paramètres édaphiques (le pH, la conductivité, le pourcentage de matière organique et le carbone organique dissous (COD)) ont aussi été mesurés et comparés en fonction de la présence d’une ou l’autre des espèces utilisées. Les résultats montrent que pour la plupart des plantes testées, les plus fortes concentrations en ET ont été trouvées dans les racines alors que les plus faibles niveaux s’observaient dans les parties aériennes, sauf pour le Ni dans le Salix nigra. Ceci suggère que le Ni peut être extrait du sol par des récoltes régulières des tiges et des feuilles de cette espèce de saule. Les pools labiles de l’Ag, Ni et du Cu dans la rhizosphère étaient significativement et différemment affectés par la présence des plantes. Toutefois, la présence des plantes testées n’a pas affecté certains paramètres clés de la rhizosphère (ex. le pH, conductivité, et le pourcentage de matière organique). À l’opposé, les niveaux de COD dans la rhizosphère de toutes les plantes testées se sont révélés supérieurs en comparaison des témoins (sols non plantés). De plus, une corrélation positive a pu être établie entre la concentration disponible du Ni et la concentration en COD. Une relation similaire a été déterminée pour le Cu. Ceci suggère que certains systèmes racinaires pourraient modifier les niveaux de COD et avoir un impact indirect sur les pools labiles des ET dans le sol.

Supramolecular Organization of Metal Nanoparticles in Solution and of Phenyleneethynylenes on Surfaces

Most of the procedures reported for the synthesis of metal nanoparticles involve the use of strong reducing agents or elevated temperatures. This limits the possibility of developing metal nanoparticle based sensors for the in situ detection of analytes. One of the objectives of the present investigations is to (i) develop newer methodologies for the synthesis of metal nanoparticles in aqueous medium at ambient conditions and (ii) their use in the detection of metal cations by taking advantage of the unique coordination ability. Ideally, biocompatible molecules which possess both the reducing and stabilizing groups are desirable for such applications. Formation of stable supramolecular assembly, by bringing metal nanoparticles close to each other, results in plasmon coupling and this strategy can be effectively utilized for the development of metal nanoparticle based sensors.Another objective of the present study is to understand the supramolecular organization of molecules on surfaces. Various noncovalent interactions between the molecules and with surface play a decisive role in their organizations. An in-depth understanding of these interactions is essential for device fabrications. Recent photophysical studies have revealed that phenyleneethynylene based molecular systems are ideal for device application. The second objective of the thesis focuses on understanding the (i) organization of phenyleneethynylenes on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) surface with atomic level precision and (ii) weak intermolecular interactions which drive their organization.

Effectiveness of coir geotextiles in soil moisture conservation

Among the diversified use of coir geotextiles, its use as a protective covering to improve crop productivity and to reduce weed problem assumes to be much significant. An experiment has been conducted at Kumbazha, in Pathanamthitta district, Kerala, India to evaluate the different types of coir geotextiles and polythene as soil mulch. The treatments include different mulching materials like natural needled felt, black needled felt, rubberized coir, black polythene and transparent polythene along with a control plot (no mulch). The experiment was laid out in Completely Randomized Design with six replications. The test crops used were bhindi (var. Salkeerthi) and pineapple (var. Mauritius). The study reveals that with bhindi crop growth parameters like plant height, leaf number and lateral spread were increased by mulching with rubberized coir and transparent polythene. These two mulches caused early flowering and increased fruit yield. Coir materials as mulch recorded a yield increase ranging from 67 to 196%. Observations also reveal that weeds were not grown in plots mulched with black polythene, transparent polythene and rubberized coir. Rubberized coir as mulch enhanced the fruit yield in the case of pineapple, which is followed by natural needled felt and transparent polythene. Black polythene resisted weed growth up to 7MAP, whereas rubberized coir and transparent polythene suppressed weeds up to 8MAP. Though the weeds were grown in other treatments the weeds count was significantly lower than that of control plot. Mulching with transparent polythene enhanced the soil temperature whereas rubberized coir lowered soil temperature. More over all mulched treatments had a favourable influence in increasing soil moisture. Observing the biodegradability and eco-friendly nature of coir it could be inferred that rubberized coir can serve as good mulch for bhindi and pineapple with minimum weed problem

Optically transparent magnetic nanocomposites based on encapsulated Fe3O4 nanoparticles in a sol–gel silica network

Composite Fe3O4–SiO2 materials were prepared by the sol–gel method with tetraethoxysilane and aqueous-based Fe3O4 ferrofluids as precursors. The monoliths obtained were crack free and showed both optical and magnetic properties. The structural properties were determined by infrared spectroscopy, x-ray diffractometry and transmission electron microscopy. Fe3O4 particles of 20 nm size lie within the pores of the matrix without any strong Si–O–Fe bonding. The well established silica network provides effective confinement to these nanoparticles. The composites were transparent in the 600–800 nm regime and the field dependent magnetization curves suggest that the composite exhibits superparamagnetic characteristics

Root effects on the turnover of grain legume residues in soil

Das Ziel dieser Arbeit war, die Einflüsse von Wurzeln und Rhizodeposition auf den Umsatz von Körnerleguminosenresiduen und damit verknüpfte mikrobielle Prozesse zu untersuchen. In einem integrierten Versuch wurden Ackerbohne (Vicia faba L.), Erbse (Pisum sativum L.) und Weiße Lupine (Lupinus albus L.) untersucht. Der Versuch bestand aus drei Teilen, zwei Gefäß-Experimenten und einem Inkubationsexperiment, in denen ausgehend von einem Gefäß-Experiment derselbe Boden und dasselbe Pflanzenmaterial verwendet wurden. In Experiment I wurde die Stickstoff-Rhizodeposition der Körnerleguminosenarten, definiert als wurzelbürtiger N nach dem Entfernen aller sichtbaren Wurzeln im Boden, gemessen und der Verbleib des Rhizodepositions-N in verschiednenen Bodenpools untersucht. Dazu wurden die Leguminosen in einem Gefäßversuch unter Verwendung einer in situ 15N-Docht-Methode mit einer 15N Harnstofflösung pulsmarkiert. In Experiment II wurde der Umsatz der N-Rhizodeposition der Körnerleguminosen und der Einfluss der Rhizodeposition auf den anschließenden C- und N-Umsatz der Körnerleguminosenresiduen in einem Inkubationsexperiment untersucht. In Experiment III wurde der N-Transfer aus den Körnerleguminosenresiduen einschließlich N-Rhizodeposition in die mikrobielle Biomasse und die Folgefrüchte Weizen (Triticum aestivum L.) und Raps (Brassica napus L.) in einem Gewächshaus-Gefäßversuch ermittelt. Die in situ 15N Docht-Markierungs-Methode wies hohe 15N Wiederfindungsraten von ungefähr 84 Prozent für alle drei Leguminosenarten auf und zeigte eine vergleichsweise homogene 15N Verteilung zwischen verschiedenen Pflanzenteilen zur Reife. Die Wurzeln zeigten deutliche Effekte auf die N-Dynamik nach dem Anbau von Körnerleguminosen. Die Effekte konnten auf die N-Rhizodeposition und deren anschließenden Umsatz, Einflüsse der Rhizodeposition von Körnerleguminosen auf den anschließenden Umsatz ihrer Residuen (Stängel, Blätter, erfassbare Wurzeln) und die Wirkungen nachfolgender Nichtleguminosen auf den Umsatzprozess der Residuen zurückgeführt werden: Die N-Rhizodeposition betrug zur Reife der Pflanzen bezogen auf die Gesamt-N- Aufnahme 13 Prozent bei Ackerbohne und Erbse und 16 Prozent bei Weißer Lupine. Bezogen auf den Residual N nach Ernte der Körner erhöhte sich der relative Anteil auf 35 - 44 Prozent. Die N-Rhizodeposition ist daher ein wesentlicher Pool für die N-Bilanz von Körnerleguminosen und trägt wesentlich zur Erklärung positiver Fruchtfolgeeffekte nach Körnerleguminosen bei. 7 - 21 Prozent des Rhizodepositions-N wurden als Feinwurzeln nach Nasssiebung (200 µm) wiedergefunden. Nur 14 - 18 Prozent des Rhizodepositions-N wurde in der mikrobiellen Biomasse und ein sehr kleiner Anteil von 3 - 7 Prozent in der mineralischen N Fraktion gefunden. 48 bis 72 Prozent der N-Rhizodeposition konnte in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden. Dieser Teil dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein. Nach 168 Tagen Inkubation wurden 21 bis 27 Prozent des Rhizodepositions-N in den mineralisiert. Der mineralisierte N stammte im wesentlichen aus zwei Pools: Zwischen 30 Prozent und 55 Prozent wurde aus der mikrobiellen Residualmasse mineralisiert und eine kleinere Menge stammte aus der mikrobielle Biomasse. Der Einfluss der Rhizodeposition auf den Umsatz der Residuen war indifferent. Durch Rhizodeposition wurde die C Mineralisierung der Leguminosenresiduen nur in der Lupinenvariante erhöht, wobei der mikrobielle N und die Bildung von mikrobieller Residualmasse aus den Leguminosenresiduen in allen Varianten durch Rhizodepositionseinflüsse erhöht waren. Das Potential des residualen Körnerleguminosen-N für die N Ernährung von Folgefrüchten war gering. Nur 8 - 12 Prozent des residualen N wurden in den Folgenfrüchten Weizen und Raps wiedergefunden. Durch die Berücksichtigung des Rhizodepositions-N war der relative Anteil des Residual-N bezogen auf die Gesamt-N-Aufnahme der Folgefrucht hoch und betrug zwischen 18 und 46 Prozent. Dies lässt auf einen höheren N-Beitrag der Körnerleguminosen schließen als bisher angenommen wurde. Die residuale N-Aufnahme von Weizen von der Blüte bis zur Reife wurde durch den Residual-N gespeist, der zur Blüte in der mikrobiellen Biomasse immobilisiert worden war. Die gesamte Poolgröße, Residual-N in der mikrobiellen Biomasse und in Weizen, veränderte sich von der Blüte bis zur Reife nicht. Jedoch konnte ein Rest von 80 Prozent des Residual-N in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden und dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein oder ist noch nicht abgebaut worden. Die zwei unterschiedlichen Folgefrüchte - Weizen und Raps - zeigten sehr ähnliche Muster bei der N-Aufnahme, der Residual-N Wiederfindung und bei mikrobiellen Parametern für die Residuen der drei Körnerleguminosenarten. Ein differenzierender Effekt auf den Umsatz der Residuen bzw. auf das Residual-N-Aneignungsvermögen der Folgefrüchte konnte nicht beobachtet werden.

Root-induced increases in soil pH and nutrient availability to field-grown cereals and legumes on acid sandy soils of Sudano-Sahelian West Africa

A field experiment with millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench], cowpea (Vigna unguiculata L.) and groundnut (Arachnis hypogeae L.) was conducted on severely P-deficient acid sandy soils of Niger, Mali and Burkina Faso to measure changes in pH and nutrient availability as affected by distance from the root surface and by mineral fertiliser application. Treatments included three rates of phosphorus (P) and four levels of nitrogen (N) application. Bulk, rhizosphere and rhizoplane soils were sampled at 35, 45 and 75 DAS in 1997 and at 55 and 65 DAS in 1998. Regardless of the cropping system and level of mineral fertiliser applied, soil pH consistently increased between 0.7 and two units from the bulk soil to the rhizoplane of millet. Similar pH gradients were observed in cowpea, but pH changes were much smaller in sorghum with a difference of only 0.3 units. Shifts in pH led to large increases in nutrient availability close to the roots. Compared with the bulk soil, available P in the rhizoplane was between 190 and 270% higher for P-Bray and between 360 and 600% higher for P-water. Exchangeable calcium (Ca) and magnesium (Mg) levels were also higher in the millet rhizoplane than in the bulk soil, whereas exchangeable aluminium (Al) levels decreased with increasing pH close to the root surface. The results suggest an important role of root-induced pH increases for crops to cope with acidity-induced nutrient deficiency and Al stress of soils in the Sudano-Sahelian zone of West Africa.

Effect of environmental conditions on the N uptake route of soil microorganisms and adaption of a method to determine amino acid oxidase in soil

Soil microorganisms have evolved two possible mechanisms for their uptake of organic N: the direct route and the mobilization-immobilization-turnover (MIT) route. In the direct route, simple organic molecules are taken up via various mechanisms directly into the cell. In the MIT route, the deamination occurs outside the cell and all N is mineralized to NH4+ before assimilation. A better understanding of the mechanisms controlling the different uptake routes of soil microorganisms under different environmental conditions is crucial for understanding mineralization processes of organic material in soil. For the first experiment we incubated soil samples from the long term trial in Bad Lauchstädt with corn residues with different C to N ratios and inorganic N for 21 days at 20 °C. Under the assumption that all added amino acids were taken up or mineralized, the direct uptake route was more important in soil amended with corn residues with a wide C to N ratio. After 21 days of incubation the direct uptake of added amino acids increased in the order addition of corn residue with a: “C to N ratio of 40 & (NH4)2SO4 and no addition (control)” (69% and 68%, respectively) < “C to N ratio of 20” (73%) < “C to N ratio of 40” (95%). In all treatments the proportion of the added amino acids that were mineralized increased with time, indicating that the MIT route became more important over time. To investigate the effects of soil depth on the N uptake route of soil microorganisms (experiment II), soil samples in two soil depths (0-5 cm; 30-40 cm) were incubated with corn residues with different C to N ratios and inorganic N for 21 days at 20 °C and 60% (WHC). The addition of corn residue resulted in a marked increase of protease activity in both depths due to the induction from the added substrate. Addition of corn residue with a wide C to N ratio resulted in a significantly greater part of the direct uptake (97% and 94%) than without the addition of residues (85% and 80%) or addition of residue with a small C to N ratio (90% and 84%) or inorganic N (91% and 79% in the surface soil and subsoil, respectively), suggesting that under conditions of sufficient mineralizable N (C to N ratio of 20) or increased concentrations of NH4+, the enzyme system involved in the direct uptake is slightly repressed. Substrate additions resulted in an initially significantly higher increase of the direct uptake in the surface soil than in the subsoil. As a large proportion of the organic N input into soil is in form of proteinaceous material, the deamination of amino acids is a key reaction of the MIT route. Therefore the enzyme amino acid oxidase contribute to the extracellular N mineralization in soil. The objective of experiment III was to adapt a method to determine amino acid oxidase in soil. The detection via synthetic fluorescent Lucifer Yellow derivatives of the amino acid lysine is possible in soil. However, it was not possible to find the substrate concentration at which the reaction rate is independent of substrate concentration and therefore we were not able to develop a valid soil enzyme assay.

Decomposition in soil and chemical characteristics of pollen

The input to soils made by pollen and its subsequent mineralization has rarely been investigated from a soil microbiological point of view even though the small but significant quantities of C and N in pollen may make an important contribution to nutrient cycling. The relative resistance to decomposition of pollen exines (outer layers) has led to much of the focus of pollen in soil being on its preservation for archaeological and palaeo-ecological purposes. We have examined aspects of the chemical composition and decomposition of pollen from birch (Betula alba) and maize (Zea mays) in soil. The relatively large N contents, small C-to-N ratios and large water-soluble contents of pollen from both species indicated that they would be readily mineralized in soil. When added to soil and incubated at 16 degrees C an amount of C equivalent to 22-26% of the added pollen C was lost as CO2 within 22 days, with the Z. mays pollen decomposing faster. For B. alba pollen, the water-soluble fraction decomposed faster than the whole pollen and the insoluble fraction decomposed more slowly over 22 days. By contrast, there were no significant differences in the decomposition rates of the different fractions from Z. mays pollen. Solid-state C-13 nuclear magnetic resonance (NMR) revealed no gross chemical differences between the pollen of these two species, with strong resonances in the alkyl- and methyl-C region (0-45 p.p.m.) indicative of aliphatic compounds, the O-alkyl-C (60-90 p.p.m.) and the acetal- and ketal-C region (90-110 p.p.m.) indicative of polysaccharides, and the carbonyl-C region indicative of peptides and carboxylic acids. In addition, both pollens gave a small but distinct resonance at 55 p.p.m. attributed to N-alkyl-C. The resonances attributed to polysaccharides were lost completely or substantially reduced after decomposition.

Fate of prions in soil: Detergent extraction of PrP from soils

The transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) are caused by infectious agents whose structures have not been fully characterized but include abnormal forms of the host protein PrP, designated PrPSc, which are deposited in infected tissues. The transmission routes of scrapie and chronic wasting disease (CWD) seem to include environmental spread in their epidemiology, yet the fate of TSE agents in the environment is poorly understood. There are concerns that, for example, buried carcasses may remain a potential reservoir of infectivity for many years. Experimental determination of the environmental fate requires methods for assessing binding/elution of TSE infectivity, or its surrogate marker PrPSc, to and from materials with which it might interact. We report a method using Sarkosyl for the extraction of murine PrPSc, and its application to soils containing recombinant ovine PrP (recPrP). Elution properties suggest that PrP binds strongly to one or more soil components. Elution from a clay soil also required proteinase K digestion, suggesting that in the clay soil binding occurs via the N-terminal of PrP to a component that is absent from the sandy soils tested.

Fate of prions in soil: Longevity and migration of recPrP in soil columns

Research into transmissible spongiform encephalopathy (TSE) diseases has become a high priority worldwide in recent years yet remarkably little is known about the behaviour of TSE infectivity in the environment. The resilience and stability of prion proteins could lead to soils becoming a potential reservoir of TSE infectivity as a result of contamination from activities such as infected carcass burial or the dispersion of effluents from slaughter houses, or by contamination of pastures by infected animals, (e.g. scrapie in sheep). Knowledge of the fate of prion proteins in soils, and associated physico-chemical conditions which favour migration, can be used to help prevent re-infection of animals through grazing, to protect watercourses and develop good management practices. In two consecutive experiments of 9 and 6 months, the migration of recombinant ovine PrP (recPrP) in soil columns was followed under contrasting levels of microbial activity (normal versus reduced), under varying regimes of soil water content and redox potential, and in two different soil types (loamy sand and clay loam). At each analysis time (1, 3, 6 or 9 months), in both soil types, full-length recPrP was detected in the original contaminated layer, indicating the resilience and stability of recPrP under varied soil conditions, even in the presence of active soil microbial populations. Evidence of protein migration was found in every soil column at the earliest analysis time (1 or 3 months), but was restricted to a maximum distance of 1 cm, indicative of limited initial mobility in soils followed by strong adsorption over the following days to weeks. The survival of recPrP in the soil over a period of at least 9 months was demonstrated. In this study, recPrP was used as an indicator for potential TSE infectivity, although infectivity tests should be carried out before conclusions can be drawn regarding the infection risk posed by prions in soil. However, it has been demonstrated that soil is likely to act as a significant barrier to the dispersion of contaminated material at storage or burial sites. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.