Coupling anchovy eggs and hydrodynamic model as an assessement tool for estuarine ecohydrological management

Nitrate and urban waste water directives have raised the need for a better understanding of coastal systems in European Union. The incorrect application of these directives can lead to important ecological or social penalties. In the paper this problem is addressed to Ria Formosa Coastal Lagoon. Ria Formosa hosts a Natural Park, important ports of the southern Portuguese coast and significant bivalve aquaculture activity. Four major urban waste water treatment plants discharging in the lagoon are considered in this study. Its treatment level must be selected, based on detailed information from a monitoring program and on a good knowledge of the processes determining the fate of the material discharged in the lagoon. In this paper the results of a monitoring program and simulations using a coupled hydrodynamic and water quality / ecological model, MOHID, are used to characterise the system and to understand the processes in Ria Formosa. It is shown that the water residence time in most of the lagoon is quite low, of the order of days, but it can be larger in the upper parts of the channels where land generated water is discharged. The main supply of nutrients to the lagoon comes from the open sea rather than from the urban discharges. For this reason the characteristics and behaviour of the general lagoon contrasts with the behaviour of the upper reaches of the channels where the influence of the waste water treatment plants are high. In this system the bottom mineralization was found to be an important mechanism, and the inclusion of that process in the model was essential to obtain good results.

EU water framework directive: will the nitrate load reduction from diffuse sources produce the same results in all estuaries?

The impact of urban waste-water and non-point nitrate discharges in estuarine and near-shore coastal waters are analyzed. The study is focused on the effects of applying the European directives 91/271/EEC and 91/676/EEC to these systems. 4 Portuguese estuaries and two coastal lagoons with different characteristics are studied. A modelling system is applied and calibrated in each system. Three nitrate load scenarios are examined. It is shown that the morphologic and hydrodynamic characteristics of the domain largely control the ecological processes in these systems. The primary production limitation factors are split into “biologic” and “hydrodynamic” components. The physical limitation due to hydrodynamic and residence time is the most important factor. The combined limitation of “biologic” factors (temperature, light and nutrients availability) control productivity only in the systems where physical limitation is not important.

Evolução hidrogeoquímica das águas sulfúreas de Entre-os-Rios: avaliação preliminar

O principal objectivo desta dissertação foi avaliar a evolução hidrogeoquímica das águas minerais de Entre‐os‐Rios, para uma melhor compreensão do modelo hidrogeológico conceptual deste sistema hidromineral. Desta forma, foram coligidos diversos dados hidroquímicos, quer das nascentes clássicas (Torre, Curveira, Ardias, Arcos Esquerda e Arcos Direita), quer do furo Barbeitos. Foram compiladas e analisadas oitenta análises hidroquímicas no período 1938‐2012, incluindo características organolépticas (cheiro, cor e turbidez), diversas propriedades físico-químicas (temperatura, pH, condutividade eléctrica, sulfuração, etc), os principais catiões e aniões (bicarbonato, fluoreto, sódio, lítio, etc) e os elementos vestigiários (chumbo, tungsténio, boro, etc). Além disso, foram integrados os dados históricos disponíveis de finais do século XIX e inícios do século XX. Foram igualmente reunidos e discutidos alguns dados isotópicos (oxigénio‐18, deutério e trítio). O recurso hidromineral de Entre‐os‐Rios está condicionado pela litologia e pelas condições tectónicas. As análises químicas revelaram que as águas minerais de Entre‐os‐Rios apresentam uma estabilidade química nos últimos 100 anos. Estas águas são orto‐ a hipertermais, fracamente mineralizadas, de reacção alcalina, sulfídricas, bicarbonatadas sódicas, carbonatadas e muito fluoretadas. Estas características são claramente distintas das águas normais da região. As águas de Entre‐os‐Rios são muito semelhantes às águas minerais de S. Vicente e, em diversos parâmetros, bastante diferentes das águas minerais das Caldas da Saúde. Os dados isotópicos permitiram concluir que as águas de Entre‐os‐Rios têm uma origem meteórica, com um tempo de residência longo no sistema aquífero, e que são, muito provavelmente, submodernas, com uma recarga anterior a 1952. Na região de Entre‐os‐Rios coexistem três sistemas aquíferos, um sistema granítico superficial, livre e um sistema livre a semi‐confinado, ambos com circulação de águas normais, e um sistema aquífero granítico, profundo, confinado, com circulação de água mineral.

Establishing an association between a peri-operative perfusion score system (PerfSCORE) and post-operative patient morbidity/mortality during CPB cardiac surgery.

BACKGROUND: To date, there is no quality assurance program that correlates patient outcome to perfusion service provided during cardiopulmonary bypass (CPB). A score was devised, incorporating objective parameters that would reflect the likelihood to influence patient outcome. The purpose was to create a new method for evaluating the quality of care the perfusionist provides during CPB procedures and to deduce whether it predicts patient morbidity and mortality. METHODS: We analysed 295 consecutive elective patients. We chose 10 parameters: fluid balance, blood transfused, Hct, ACT, PaO2, PaCO2, pH, BE, potassium and CPB time. Distribution analysis was performed using the Shapiro-Wilcoxon test. This made up the PerfSCORE and we tried to find a correlation to mortality rate, patient stay in the ICU and length of mechanical ventilation. Univariate analysis (UA) using linear regression was established for each parameter. Statistical significance was established when p < 0.05. Multivariate analysis (MA) was performed with the same parameters. RESULTS: The mean age was 63.8 +/- 12.6 years with 70% males. There were 180 CABG, 88 valves, and 27 combined CABG/valve procedures. The PerfSCORE of 6.6 +/- 2.4 (0-20), mortality of 2.7% (8/295), CPB time 100 +/- 41 min (19-313), ICU stay 52 +/- 62 hrs (7-564) and mechanical ventilation of 10.5 +/- 14.8 hrs (0-564) was calculated. CPB time, fluid balance, PaO2, PerfSCORE and blood transfused were significantly correlated to mortality (UA, p < 0.05). Also, CPB time, blood transfused and PaO2 were parameters predicting mortality (MA, p < 0.01). Only pH was significantly correlated for predicting ICU stay (UA). Ultrafiltration (UF) and CPB time were significantly correlated (UA, p < 0.01) while UF (p < 0.05) was the only parameter predicting mechanical ventilation duration (MA). CONCLUSIONS: CPB time, blood transfused and PaO2 are independent risk factors of mortality. Fluid balance, blood transfusion, PaO2, PerfSCORE and CPB time are independent parameters for predicting morbidity. PerfSCORE is a quality of perfusion measure that objectively quantifies perfusion performance.

Potentiel des liposomes pour l'injection intravitréenne de molécules thérapeutiques [Potential of liposomes for the intravitreal injection of therapeutic molecules].

Intravitreal administration has been widely used since 20 years and has been shown to improve the treatment of diseases of the posterior segment of the eye with infectious origin or in edematous maculopathies. This route of administration allows to achieve high concentration of drug in the vitreous and avoids the problems resulting from systemic administration. However, two basic problems limit the use of intravitreal therapy. Many drugs are rapidly cleared from the vitreous humor; therefore, to reach and to maintain effective therapy repeated injections are necessary. Repeated intravitreal injections increase the risk of endophthalmitis, damage to lens, retinal detachment. Moreover, some drugs provoke a local toxicity at their effective dose inducing side-effects and possible retinal lesions. In this context, the development and the use of new drug delivery systems for intravitreal administration are necessary to treat chronic ocular diseases. Among them, particulate systems such as liposomes have been widely studied. Liposomes are easily injectable and permit to reduce the toxicity and to increase the residence time of several drugs in the eye. They are also able to protect in vivo poorly-stable molecules from degradation such as peptides and nucleic acids. Some promising results have been obtained for the treatment of retinitis induced by cytomegalovirus in human and more recently for the treatment of uveitis in animal. Finally, the fate of liposomes in ocular tissues and fluids after their injection into the vitreous and their elimination routes begin to be more known.

Redundancy gain : manifestations, causes and predictions

Les temps de réponse dans une tache de reconnaissance d’objets visuels diminuent de façon significative lorsque les cibles peuvent être distinguées à partir de deux attributs redondants. Le gain de redondance pour deux attributs est un résultat commun dans la littérature, mais un gain causé par trois attributs redondants n’a été observé que lorsque ces trois attributs venaient de trois modalités différentes (tactile, auditive et visuelle). La présente étude démontre que le gain de redondance pour trois attributs de la même modalité est effectivement possible. Elle inclut aussi une investigation plus détaillée des caractéristiques du gain de redondance. Celles-ci incluent, outre la diminution des temps de réponse, une diminution des temps de réponses minimaux particulièrement et une augmentation de la symétrie de la distribution des temps de réponse. Cette étude présente des indices que ni les modèles de course, ni les modèles de coactivation ne sont en mesure d’expliquer l’ensemble des caractéristiques du gain de redondance. Dans ce contexte, nous introduisons une nouvelle méthode pour évaluer le triple gain de redondance basée sur la performance des cibles doublement redondantes. Le modèle de cascade est présenté afin d’expliquer les résultats de cette étude. Ce modèle comporte plusieurs voies de traitement qui sont déclenchées par une cascade d’activations avant de satisfaire un seul critère de décision. Il offre une approche homogène aux recherches antérieures sur le gain de redondance. L’analyse des caractéristiques des distributions de temps de réponse, soit leur moyenne, leur symétrie, leur décalage ou leur étendue, est un outil essentiel pour cette étude. Il était important de trouver un test statistique capable de refléter les différences au niveau de toutes ces caractéristiques. Nous abordons la problématique d’analyser les temps de réponse sans perte d’information, ainsi que l’insuffisance des méthodes d’analyse communes dans ce contexte, comme grouper les temps de réponses de plusieurs participants (e. g. Vincentizing). Les tests de distributions, le plus connu étant le test de Kolmogorov- Smirnoff, constituent une meilleure alternative pour comparer des distributions, celles des temps de réponse en particulier. Un test encore inconnu en psychologie est introduit : le test d’Anderson-Darling à deux échantillons. Les deux tests sont comparés, et puis nous présentons des indices concluants démontrant la puissance du test d’Anderson-Darling : en comparant des distributions qui varient seulement au niveau de (1) leur décalage, (2) leur étendue, (3) leur symétrie, ou (4) leurs extrémités, nous pouvons affirmer que le test d’Anderson-Darling reconnait mieux les différences. De plus, le test d’Anderson-Darling a un taux d’erreur de type I qui correspond exactement à l’alpha tandis que le test de Kolmogorov-Smirnoff est trop conservateur. En conséquence, le test d’Anderson-Darling nécessite moins de données pour atteindre une puissance statistique suffisante.

Accès social à l'eau : étude de cas dans un village mossi du Yatenga

L’objectif de ce mémoire est d’examiner l’accès à l’eau d’un point de vue non pas technologique mais social. Toute société humaine a eu à régler la question de l’accès à l’eau. C’est particulièrement le cas des populations vivant sous un climat aride comme au Sahel, où cette ressource est rare. Le village d’étude est situé au nord du Burkina Faso, dans la région du Yatenga. J’examinerai d’abord la répartition temporelle et spatiale des groupes et des puits sur le territoire, puis la question de la régulation de l’accès à l’eau en tant qu’enjeu politique au sein des structures traditionnelles. Je montrerai qu’il permet tantôt de renforcer les hiérarchies sociales existantes, et tantôt de les dépasser. J’examinerai enfin l’accès à l’eau de différents groupes d’usagers : femmes, hommes, jeunes, vieux, agriculteurs, éleveurs. Je montrerai que leur condition d’accès est implicitement régulée, et limite les possibilités d’expansion économique de certains d’entre eux. Dans cette société en mutation, les usagers désavantagés peuvent développer des tactiques leur permettant de contourner ces contraintes. L’accès à l’eau est alors pris dans un jeu de stratégies antagonistes, celle de la reproduction sociale et celle du changement.

Un protocole de diffusion des messages dans les réseaux véhiculaires

De nos jours, la voiture est devenue le mode de transport le plus utilisé, mais malheureusement, il est accompagné d’un certain nombre de problèmes (accidents, pollution, embouteillages, etc.), qui vont aller en s’aggravant avec l’augmentation prévue du nombre de voitures particulières, malgré les efforts très importants mis en œuvre pour tenter de les réduire ; le nombre de morts sur les routes demeure très important. Les réseaux sans fil de véhicules, appelés VANET, qui consistent de plusieurs véhicules mobiles sans infrastructure préexistante pour communiquer, font actuellement l’objet d'une attention accrue de la part des constructeurs et des chercheurs, afin d’améliorer la sécurité sur les routes ou encore les aides proposées aux conducteurs. Par exemple, ils peuvent avertir d’autres automobilistes que les routes sont glissantes ou qu’un accident vient de se produire. Dans VANET, les protocoles de diffusion (broadcast) jouent un rôle très important par rapport aux messages unicast, car ils sont conçus pour transmettre des messages de sécurité importants à tous les nœuds. Ces protocoles de diffusion ne sont pas fiables et ils souffrent de plusieurs problèmes, à savoir : (1) Tempête de diffusion (broadcast storm) ; (2) Nœud caché (hidden node) ; (3) Échec de la transmission. Ces problèmes doivent être résolus afin de fournir une diffusion fiable et rapide. L’objectif de notre recherche est de résoudre certains de ces problèmes, tout en assurant le meilleur compromis entre fiabilité, délai garanti, et débit garanti (Qualité de Service : QdS). Le travail de recherche de ce mémoire a porté sur le développement d’une nouvelle technique qui peut être utilisée pour gérer le droit d’accès aux médias (protocole de gestion des émissions), la gestion de grappe (cluster) et la communication. Ce protocole intègre l'approche de gestion centralisée des grappes stables et la transmission des données. Dans cette technique, le temps est divisé en cycles, chaque cycle est partagé entre les canaux de service et de contrôle, et divisé en deux parties. La première partie s’appuie sur TDMA (Time Division Multiple Access). La deuxième partie s’appuie sur CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) pour gérer l’accès au medium. En outre, notre protocole ajuste d’une manière adaptative le temps consommé dans la diffusion des messages de sécurité, ce qui permettra une amélioration de la capacité des canaux. Il est implanté dans la couche MAC (Medium Access Control), centralisé dans les têtes de grappes (CH, cluster-head) qui s’adaptent continuellement à la dynamique des véhicules. Ainsi, l’utilisation de ce protocole centralisé nous assure une consommation efficace d’intervalles de temps pour le nombre exact de véhicules actifs, y compris les nœuds/véhicules cachés; notre protocole assure également un délai limité pour les applications de sécurité, afin d’accéder au canal de communication, et il permet aussi de réduire le surplus (overhead) à l’aide d’une propagation dirigée de diffusion.

High-amylose carboxymethyl starch matrices for oral sustained drug-release : in vitro and in vivo evaluation

Les amidons non modifiées et modifiés représentent un groupe d’excipients biodégradables et abondants particulièrement intéressant. Ils ont été largement utilisés en tant qu’excipients à des fins diverses dans des formulations de comprimés, tels que liants et/ou agents de délitement. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose atomisé (SD HASCA) a été récemment proposé comme un excipient hydrophile à libération prolongée innovant dans les formes posologiques orales solides. Le carboxyméthylamidon sodique à haute teneur en amylose amorphe (HASCA) a d'abord été produit par l'éthérification de l'amidon de maïs à haute teneur en amylose avec le chloroacétate. HASCA a été par la suite séché par atomisation pour obtenir le SD HASCA. Ce nouvel excipient a montré des propriétés présentant certains avantages dans la production de formes galéniques à libération prolongée. Les comprimés matriciels produits à partir de SD HASCA sont peu coûteux, simples à formuler et faciles à produire par compression directe. Le principal objectif de cette recherche était de poursuivre le développement et l'optimisation des comprimés matriciels utilisant SD HASCA comme excipient pour des formulations orales à libération prolongée. A cet effet, des tests de dissolution simulant les conditions physiologiques du tractus gastro-intestinal les plus pertinentes, en tenant compte de la nature du polymère à l’étude, ont été utilisés pour évaluer les caractéristiques à libération prolongée et démontrer la performance des formulations SD HASCA. Une étude clinique exploratoire a également été réalisée pour évaluer les propriétés de libération prolongée de cette nouvelle forme galénique dans le tractus gastro-intestinal. Le premier article présenté dans cette thèse a évalué les propriétés de libération prolongée et l'intégrité physique de formulations contenant un mélange comprimé de principe actif, de chlorure de sodium et de SD HASCA, dans des milieux de dissolution biologiquement pertinentes. L'influence de différentes valeurs de pH acide et de temps de séjour dans le milieu acide a été étudiée. Le profil de libération prolongée du principe actif à partir d'une formulation de SD HASCA optimisée n'a pas été significativement affecté ni par la valeur de pH acide ni par le temps de séjour dans le milieu acide. Ces résultats suggèrent une influence limitée de la variabilité intra et interindividuelle du pH gastrique sur la cinétique de libération à partir de matrices de SD HASCA. De plus, la formulation optimisée a gardé son intégrité pendant toute la durée des tests de dissolution. L’étude in vivo exploratoire a démontré une absorption prolongée du principe actif après administration orale des comprimés matriciels de SD HASCA et a montré que les comprimés ne se sont pas désintégrés en passant par l'estomac et qu’ils ont résisté à l’hydrolyse par les α-amylases dans l'intestin. Le deuxième article présente le développement de comprimés SD HASCA pour une administration orale une fois par jour et deux fois par jour contenant du chlorhydrate de tramadol (100 mg et 200 mg). Ces formulations à libération prolongée ont présenté des valeurs de dureté élevées sans nécessiter l'ajout de liants, ce qui facilite la production et la manipulation des comprimés au niveau industriel. La force de compression appliquée pour produire les comprimés n'a pas d'incidence significative sur les profils de libération du principe actif. Le temps de libération totale à partir de comprimés SD HASCA a augmenté de manière significative avec le poids du comprimé et peut, de ce fait, être utilisé pour moduler le temps de libération à partir de ces formulations. Lorsque les comprimés ont été exposés à un gradient de pH et à un milieu à 40% d'éthanol, un gel très rigide s’est formé progressivement sur leur surface amenant à la libération prolongée du principe actif. Ces propriétés ont indiqué que SD HASCA est un excipient robuste pour la production de formes galéniques orales à libération prolongée, pouvant réduire la probabilité d’une libération massive de principe actif et, en conséquence, des effets secondaires, même dans le cas de co-administration avec une forte dose d'alcool. Le troisième article a étudié l'effet de α-amylase sur la libération de principe actif à partir de comprimés SD HASCA contenant de l’acétaminophène et du chlorhydrate de tramadol qui ont été développés dans les premières étapes de cette recherche (Acetaminophen SR et Tramadol SR). La modélisation mathématique a montré qu'une augmentation de la concentration d’α-amylase a entraîné une augmentation de l'érosion de polymère par rapport à la diffusion de principe actif comme étant le principal mécanisme contrôlant la libération de principe actif, pour les deux formulations et les deux temps de résidence en milieu acide. Cependant, même si le mécanisme de libération peut être affecté, des concentrations d’α-amylase allant de 0 UI/L à 20000 UI/L n'ont pas eu d'incidence significative sur les profils de libération prolongée à partir de comprimés SD HASCA, indépendamment de la durée de séjour en milieu acide, le principe actif utilisé, la teneur en polymère et la différente composition de chaque formulation. Le travail présenté dans cette thèse démontre clairement l'utilité de SD HASCA en tant qu'un excipient à libération prolongée efficace.

Dégradation chimique et biologique de neuf contaminants émergents dans les eaux de surfaces et les effluents primaires d’eaux usées municipales

Un protocole inspiré du test de simulation 309 de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) nous a permis de mesurer la dégradation chimique (excluant la photolyse) dans des eaux de surface de même que la dégradation chimique et biologique de neuf contaminants émergents dans l’effluent d’un décanteur primaire d’eau usée municipale. Les données étaient compatibles avec le modèle de cinétique de pseudo ordre un. Les résultats démontrant une persistance de plus d’un an dans les eaux de surface et de 71 jours dans l’effluent du décanteur primaire suggèrent que les dégradations chimique et biologique ne contribuent pas significativement à la diminution de: atrazine, déséthylatrazine, carbamazépine et diclofénac dans la phase aqueuse des systèmes testés. Les autres composés se sont dégradés à différents niveaux. Le 17ß-estradiol ainsi que l’éthinylestradiol, la noréthindrone, la caféine et le sulfaméthoxazole ont tous été sujet à la dégradation biologique dans les effluents du décanteur primaire d’eau usée avec des constantes de dégradation k et des demi-vies t1/2 mesurées allant respectivement de 0.0082 à 0.59 j-1 et de 1.2 à 85 jours. Les paramètres de cinétique mesurés peuvent être combinés aux concentrations typiques des composés à l’étude dans un décanteur primaire d’eau usée pour y calculer leur vitesse de dégradation. Cependant, puisque les décanteurs primaires dans les usines de traitement d’eaux usées ont généralement des temps de résidence de quelques heures seulement, il est improbable que les neufs contaminants émergents à l’étude diminuent significativement par ces processus durant leur passage dans le compartiment.

La compétition et l’exploitation optimale des ressources chez les parasitoïdes

Les femelles parasitoïdes exploitant un agrégat d’hôtes doivent ajuster leurs comportements en fonction des facteurs environnementaux auxquels elles sont soumises, dont la présence de compétiteurs dans l’environnement. L’objectif de cette étude est de mesurer les impacts de la compétition sur les stratégies d’exploitation d’agrégats chez deux espèces de parasitoïdes non agressives. Les espèces Trichogramma pintoi et T. minutum (Hymenoptera : Trichogrammatidae), des parasitoïdes d’œufs de lépidoptères, furent utilisées et leurs temps de résidence dans l’agrégat, leurs mécanismes de prise de décision et le sexe des descendants alloués furent mesurés en l'absence de compétition et en situation de compétition directe et indirecte, intra- et interspécifique. Trichogramma pintoi privilégie une stratégie générale basée uniquement sur la qualité perçue de l’agrégat. À l’inverse, T. minutum privilégie une stratégie adaptée au type de la compétition (directe ou indirecte) et à la nature des compétiteurs (intra ou interspécifiques), sans égards à la qualité de l’agrégat. La distinction de ces deux stratégies amène des perspectives de recherche intéressantes sur les impacts de la compétition à l’échelle du paysage, et est d’un intérêt certain pour ceux voulant améliorer l’efficacité des programmes et des élevages de masse utilisés en lutte biologique.

ON (s,S) inventory policy with/without retrial and interruption of services/production

In this thesis we have developed a few inventory models in which items are served to the customers after a processing time. This leads to a queue of demand even when items are available. In chapter two we have discussed a problem involving search of orbital customers for providing inventory. Retrial of orbital customers was also considered in that chapter; in chapter 5 also we discussed retrial inventory model which is sans orbital search of customers. In the remaining chapters (3, 4 and 6) we did not consider retrial of customers, rather we assumed the waiting room capacity of the system to be arbitrarily large. Though the models in chapters 3 and 4 differ only in that in the former we consider positive lead time for replenishment of inventory and in the latter the same is assumed to be negligible, we arrived at sharper results in chapter 4. In chapter 6 we considered a production inventory model with production time distribution for a single item and that of service time of a customer following distinct Erlang distributions. We also introduced protection of production and service stages and investigated the optimal values of the number of stages to be protected.

Analysis of some Stochastic models in inventories and Queues

The thesis entitled Analysis of Some Stochastic Models in Inventories and Queues. This thesis is devoted to the study of some stochastic models in Inventories and Queues which are physically realizable, though complex. It contains a detailed analysis of the basic stochastic processes underlying these models. In this thesis, (s,S) inventory systems with nonidentically distributed interarrival demand times and random lead times, state dependent demands, varying ordering levels and perishable commodities with exponential life times have been studied. The queueing system of the type Ek/Ga,b/l with server vacations, service systems with single and batch services, queueing system with phase type arrival and service processes and finite capacity M/G/l queue when server going for vacation after serving a random number of customers are also analysed. The analogy between the queueing systems and inventory systems could be exploited in solving certain models. In vacation models, one important result is the stochastic decomposition property of the system size or waiting time. One can think of extending this to the transient case. In inventory theory, one can extend the present study to the case of multi-item, multi-echelon problems. The study of perishable inventory problem when the commodities have a general life time distribution would be a quite interesting problem. The analogy between the queueing systems and inventory systems could be exploited in solving certain models.

Assessment of trophic change and its probable impact on tropical estuarine environment (the Kodungallur-Azhikode estuary, India)

The cumulative effects of global change, including climate change, increased population density and domestic waste disposal, effluent discharges from industrial processes, agriculture and aquaculture will likely continue and increases the process of eutrophication in estuarine environments. Eutrophication is one of the leading causes of degraded water quality, water column hypoxia/anoxia, harmful algal bloom (HAB) and loss of habitat and species diversity in the estuarine environment. The present study attempts to characterize the trophic condition of coastal estuary using a simple tool; trophic index (TRIX) based on a linear combination of the log of four state variables with supplementary index Efficiency Coefficient (Eff. Coeff.) as a discriminating tool. Numerically, the index TRIX is scaled from 0 to10, covering a wide range of trophic conditions from oligotrophic to eutrophic. Study area Kodungallur-Azhikode Estuary (KAE) was comparatively shallow in nature with average depth of 3.6±0.2 m. Dissolve oxygen regime in the water column was ranged from 4.7±1.3 mgL−1 in Station I to 5.9±1.4 mgL−1 in Station IV. The average nitrate-nitrogen (NO3-N) of KAE water was 470 mg m−3; values ranged from Av. 364.4 mg m−3 at Station II to Av. 626.6 mg m−3at Station VII. The mean ammonium-nitrogen (NH4 +-N) varied from 54.1 mg m−3 at Station VII to 101 mg m−3 at Station III. The average Chl-a for the seven stations of KAE was 6.42±3.91 mg m−3. Comparisons over different spatial and temporal scales in the KAE and study observed that, estuary experiencing high productivity by the influence of high degree of eutrophication; an annual average of 6.91 TRIX was noticed in the KAE and seasonal highest was observed during pre monsoon period (7.15) and lowest during post monsoon period (6.51). In the spatial scale station V showed high value 7.37 and comparatively low values in the station VI (6.93) and station VII (6.96) and which indicates eutrophication was predominant in land cover area with comparatively high water residence time. Eff. Coeff. values in the KAE ranges from −2.74 during monsoon period to the lowest of −1.98 in pre monsoon period. Present study revealed that trophic state of the estuary under severe stress and the restriction of autochthonous and allochthonous nutrient loading should be keystone in mitigate from eutrophication process

Composition and stability of organic matter fractions in soils under different land use regimes

Soil organic matter (SOM) vitally impacts all soil functions and plays a key role in the global carbon (C) cycle. More than 70% of the terrestric C stocks that participate in the active C cycle are stored in the soil. Therefore, quantitative knowledge of the rates of C incorporation into SOM fractions of different residence time is crucial to understand and predict the sequestration and stabilization of soil organic carbon (SOC). Consequently, there is a need of fractionation procedures that are capable of isolating functionally SOM fractions, i.e. fractions that are defined by their stability. The literature generally refers to three main mechanisms of SOM stabilization: protection of SOM from decomposition by (i) its structural composition, i.e. recalcitrance, (ii) spatial inaccessibility and/or (iii) interaction with soil minerals and metal ions. One of the difficulties in developing fractionation procedures for the isolation of functional SOM fractions is the marked heterogeneity of the soil environment with its various stabilization mechanisms – often several mechanisms operating simultaneously – in soils and soil horizons of different texture and mineralogy. The overall objective of the present thesis was to evaluate present fractionation techniques and to get a better understanding of the factors of SOM sequestration and stabilization. The first part of this study is attended to the structural composition of SOM. Using 13C cross-polarization magic-angle spinning (CPMAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, (i) the effect of land use on SOM composition was investigated and (ii) examined whether SOM composition contributes to the different stability of SOM in density and aggregate fractions. The second part of the present work deals with the mineral-associated SOM fraction. The aim was (iii) to evaluate the suitability of chemical fractionation procedures used in the literature for the isolation of stable SOM pools (stepwise hydrolysis, treatments using oxidizing agents like Na2S2O8, H2O2, and NaOCl as well as demineralization of the residue obtained by the NaOCl treatment using HF (NaOCl+HF)) by pool sizes, 13C and 14C data. Further, (iv) the isolated SOM fractions were compared to the inert organic matter (IOM) pool obtained for the investigated soils using the Rothamsted Carbon Model and isotope data in order to see whether the tested chemical fractionation methods produce SOM fractions capable to represent this pool. Besides chemical fractionation, (v) the suitability of thermal oxidation at different temperatures for obtaining stable SOC pools was evaluated. Finally, (vi) the short-term aggregate dynamics and the factors that impact macroaggregate formation and C stabilization were investigated by means of an incubation study using treatments with and without application of 15N labeled maize straw of different degradability (leaves and coarse roots). All treatments were conducted with and without the addition of fungicide. Two study sites with different soil properties and land managements were chosen for these investigations. The first one, located at Rotthalmünster, is a Stagnic Luvisol (silty loam) under different land use regimes. The Ah horizons of a spruce forest and continuous grassland and the Ap and E horizons of two plots with arable crops (continuous maize and wheat cropping) were examined. The soil of the second study site, located at Halle, is a Haplic Phaeozem (loamy sand) where the Ap horizons of two plots with arable crops (continuous maize and rye cropping) were investigated. Both study sites had a C3-/C4-vegetational change on the maize plot for the purpose of tracing the incorporation of the younger, maize-derived C into different SOM fractions and the calculation of apparent C turnover times of these. The Halle site is located near a train station and industrial areas, which caused a contamination with high amounts of fossil C. The investigation of aggregate and density fractions by 13C CPMAS NMR spectroscopy revealed that density fractionation isolated SOM fractions of different composition. The consumption of a considerable part (10–20%) of the easily available O-alkyl-C and the selective preservation of the more recalcitrant alkyl-C when passing from litter to the different particulate organic matter (POM) fractions suggest that density fractionation was able to isolate SOM fractions with different degrees of decomposition. The spectra of the aggregate fractions resembled those of the mineral-associated SOM fraction obtained by density fractionation and no considerable differences were observed between aggregate size classes. Comparison of plant litter, density and aggregate size fractions from soil under different land use showed that the type of land use markedly influenced the composition of SOM. While SOM of the acid forest soil was characterized by a large content (> 50%) of POM, which contained high amounts of spruce-litter derived alkyl-C, the organic matter in the biologically more active grassland and arable soils was dominated by mineral-associated SOM (> 95%). This SOM fraction comprised greater proportions of aryl- and carbonyl-C and is considered to contain a higher amount of microbially-derived organic substances. Land use can alter both, structure and stability of SOM fractions. All applied chemical treatments induced considerable SOC losses (> 70–95% of mineral-associated SOM) in the investigated soils. The proportion of residual C after chemical fractionation was largest in the arable Ap and E horizons and increased with decreasing C content in the initial SOC after stepwise hydrolysis as well as after the oxidative treatments with H2O2 and Na2S2O8. This can be expected for a functional stable pool of SOM, because it is assumed that the more easily available part of SOC is consumed first if C inputs decrease. All chemical treatments led to a preferential loss of the younger, maize-derived SOC, but this was most pronounced after the treatments with Na2S2O8 and H2O2. After all chemical fractionations, the mean 14C ages of SOC were higher than in the mineral-associated SOM fraction for both study sites and increased in the order: NaOCl < NaOCl+HF ≤ stepwise hydrolysis << H2O2 ≈ Na2S2O8. The results suggest that all treatments were capable of isolating a more stable SOM fraction, but the treatments with H2O2 and Na2S2O8 were the most efficient ones. However, none of the chemical fractionation methods was able to fit the IOM pool calculated using the Rothamsted Carbon Model and isotope data. In the evaluation of thermal oxidation for obtaining stable C fractions, SOC losses increased with temperature from 24–48% (200°C) to 100% (500°C). In the Halle maize Ap horizon, losses of the young, maize-derived C were considerably higher than losses of the older C3-derived C, leading to an increase in the apparent C turnover time from 220 years in mineral-associated SOC to 1158 years after thermal oxidation at 300°C. Most likely, the preferential loss of maize-derived C in the Halle soil was caused by the presence of the high amounts of fossil C mentioned above, which make up a relatively large thermally stable C3-C pool in this soil. This agrees with lower overall SOC losses for the Halle Ap horizon compared to the Rotthalmünster Ap horizon. In the Rotthalmünster soil only slightly more maize-derived than C3-derived SOC was removed by thermal oxidation. Apparent C turnover times increased slightly from 58 years in mineral-associated SOC to 77 years after thermal oxidation at 300°C in the Rotthalmünster Ap and from 151 to 247 years in the Rotthalmünster E horizon. This led to the conclusion that thermal oxidation of SOM was not capable of isolating SOM fractions of considerably higher stability. The incubation experiment showed that macroaggregates develop rapidly after the addition of easily available plant residues. Within the first four weeks of incubation, the maximum aggregation was reached in all treatments without addition of fungicide. The formation of water-stable macroaggregates was related to the size of the microbial biomass pool and its activity. Furthermore, fungi were found to be crucial for the development of soil macroaggregates as the formation of water-stable macroaggregates was significantly delayed in the fungicide treated soils. The C concentration in the obtained aggregate fractions decreased with decreasing aggregate size class, which is in line with the aggregate hierarchy postulated by several authors for soils with SOM as the major binding agent. Macroaggregation involved incorporation of large amounts maize-derived organic matter, but macroaggregates did not play the most important role in the stabilization of maize-derived SOM, because of their relatively low amount (less than 10% of the soil mass). Furthermore, the maize-derived organic matter was quickly incorporated into all aggregate size classes. The microaggregate fraction stored the largest quantities of maize-derived C and N – up to 70% of the residual maize-C and -N were stored in this fraction.