Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Isolation and identification of native microalgae for biodiesel production

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Fermentation of Prawn Shell Waste and Its Application of its Product as Dietary Ingredient for Penaeus Indicus (H. Milne Edwards)

This work envisages the fermentation of prawn shell waste into a more nutritious product with simpler components for application as a feed ingredient in aquaculture. This product would be a rich source of protein along with chitin, minerals, vitamins and N-acetyl glucosamine. A brief description of the various processing (chemical and bioprocess) methods employed for chitin, chitosan and single sell protein preparations from shell waste. It deals with the isolation of micro flora associated with prawn shell degradation. It describes the methods adopted for fermentation of prawn shell degradation and fermentation of prawn shell waste with the selected highly chitinoclastic strains. The comparison of SSF and SmF for each selected strain in terms of enrichment of protein, lipid and carbohydrate in the fermented product was done. Detailed analysis of product quality is discussed. The feed for mulation and feeding experiment explained in detail. Statistical analysis of various biogrowth parameters was done with Duncan’s multiple range test. Very briefly explains 28 days of feeding experiment. A method for the complete utilization of shell waste explains with the help of experiments.

Production and Characterization of Endocylanase from Bacillus Pumilus Using Solidstate Fermentation and its Application in 'Paper Pulp Processing

In the present studies it is clear that Bacillus pumilus xylanase is having the characteristic suited for an industrial enzyme (xylanases that are active and stable at elevated temperatures and alkaline pH are needed). SSF production of xylanases and its application appears to be an innovative technology where the fermented substrate is the enzyme source that is used directly in the bleaching process without a prior downstream processing. The direct use of SSF enzymes in bleaching is a relatively new biobleaching approach. This can certainly benefit the bleaching process to lower the xylanase production costs and improve the economics and viability of the biobleaching technology. The application of enzymes to the bleaching process has been considered as an environmentally friendly approach that can reduce the negative impact on the environment exerted by the use of chlorine-based bleaching agents. It has been demonstrated that pretreatment of kraft pulp with xylanase prior to bleaching (biobleaching) can facilitate subsequent removal of lignin by bleaching chemicals, thereby, reducing the demand for elemental chlorine or improving final paper brightness. Using this xylanase pre-treatment, has resulted in an increased of brightness (8.5 Unit) when compared to non-enzymatic treated bleached pulp prepared using identical conditions. Reduction of the consumption of active chlorine can be achieved which results in a decrease in the toxicity, colour, chloride and absorbable organic halogen (AOX) levels of bleaching effluents. The xylanase treatment improves drainage, strength properties and the fragility of pulps, and also increases the brightness of pulps. This positive result shows that enzyme pre-treatment facilitates the removal of chromophore fragments of pulp there by making the process more environment friendly

Application of Fermentation Techniques in the Utilization of Prawn Shell Waste

The present study aimed at the utlisation of microbial organisms for the production of good quality chitin and chitosan. The three strains used for the study were Lactobacillus plantarum, Lactobacililus brevis and Bacillus subtilis. These strains were selected on the basis of their acid producing ability to reduce the pH of the fermenting substrates to prevent spoilage and thus caused demineralisation of the shell. Besides, the proteolytic enzymes in these strains acted on proteinaceous covering of shrimp and thus caused deprotenisation of shrimp shell waste. Thus the two processes involved in chitin production can be affected to certain extent using bacterial fermentation of shrimp shell.Optimization parameters like fermentation period, quantity of inoculum, type of sugar, concentration of sugar etc. for fermentation with three different strains were studied. For these, parameters like pH, Total titrable acidity (TTA), changes in sugar concentration, changes in microbial count, sensory changes etc. were studied.Fermentation study with Lactobacillus plantarum was continued with 20% w/v jaggery broth for 15 days. The inoculum prepared yislded a cell concentration of approximately 108 CFU/ml. In the present study, lactic acid and dilute hydrochloric acid were used for initial pH adjustment because; without adjusting the initial pH, it took more than 5 hours for the lactic acid bacteria to convert glucose to lactic acid and during this delay spoilage occurred due to putrefying enzymes active at neutral or higher pH. During the fermentation study, pH first decreased in correspondence with increase in TTA values. This showed a clear indication of acid production by the strain. This trend continued till their proteolytic activity showed an increasing trend. When the available sugar source started depleting, proteolytic activity also decreased and pH increased. This was clearly reflected in the sensory evaluation results. Lactic acid treated samples showed greater extent of demineralization and deprotenisation at the end of fermentation study than hydrochloric acid treated samples. It can be due to the effect of strong hydrochloric acid on the initial microbial count, which directly affects the fermentation process. At the end of fermentation, about 76.5% of ash was removed in lactic acid treated samples and 71.8% in hydrochloric acid treated samples; 72.8% of proteins in lactic acid treated samples and 70.6% in hydrochloric acid treated samples.The residual protein and ash in the fermented residue were reduced to permissible limit by treatment with 0.8N HCI and 1M NaOH. Characteristics of chitin like chitin content, ash content, protein content, % of N- acetylation etc. were studied. Quality characteristics like viscosity, degree of deacetylation and molecular weight of chitosan prepared were also compared. The chitosan samples prepared from lactic acid treated showed high viscosity than HCI treated samples. But degree of deacetylation is more in HCI treated samples than lactic acid treated ones. Characteristics of protein liquor obtained like its biogenic composition, amino acid composition, total volatile base nitrogen, alpha amino nitrogen etc. also were studied to find out its suitability as animal feed supplement.Optimization of fermentation parameters for Lactobacillus brevis fermentation study was also conducted and parameters were standardized. Then detailed fermentation study was done in 20%wlv jaggery broth for 17 days. Also the effect of two different acid treatments (mild HCI and lactic acid) used for initial pH adjustment on chitin production were also studied. In this study also trend of changes in pH. changes in sugar concentration ,microbial count changes were similar to Lactobacillus plantarum studies. At the end of fermentation, residual protein in the samples were only 32.48% in HCI treated samples and 31.85% in lactic acid treated samples. The residual ash content was about 33.68% in HCI treated ones and 32.52% in lactic acid treated ones. The fermented residue was converted to chitin with good characteristics by treatment with 1.2MNaOH and 1NHCI.Characteristics of chitin samples prepared were studied and extent of Nacetylation was about 84% in HCI treated chitin and 85%in lactic acid treated ones assessed from FTIR spectrum. Chitosan was prepared from these samples by usual chemical method and its extent of solubility, degree of deacetylation, viscosity and molecular weight etc were studied. The values of viscosity and molecular weight of the samples prepared were comparatively less than the chitosan prepared by Lactobacillus plantarum fermentation. Characteristics of protein liquor obtained were analyzed to determine its quality and is suitability as animal feed supplement.Another strain used for the study was Bacillus subtilis and fermentation was carried out in 20%w/v jaggery broth for 15 days. It was found that Bacillus subtilis was more efficient than other Lactobacillus species for deprotenisation and demineralization. This was mainly due to the difference in the proteolytic nature of the strains. About 84% of protein and 72% of ash were removed at the end of fermentation. Considering the statistical significance (P

Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change

Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.

Bud development, flowering and fruit set of Moringa oleifera Lam. (Horseradish Tree) as affected by various irrigation levels

Moringa oleifera is becoming increasingly popular as an industrial crop due to its multitude of useful attributes as water purifier, nutritional supplement and biofuel feedstock. Given its tolerance to sub-optimal growing conditions, most of the current and anticipated cultivation areas are in medium to low rainfall areas. This study aimed to assess the effect of various irrigation levels on floral initiation, flowering and fruit set. Three treatments namely, a 900 mm (900IT), 600 mm (600IT) and 300 mm (300IT) per annum irrigation treatment were administered through drip irrigation, simulating three total annual rainfall amounts. Individual inflorescences from each treatment were tagged during floral initiation and monitored throughout until fruit set. Flower bud initiation was highest at the 300IT and lowest at the 900IT for two consecutive growing seasons. Fruit set on the other hand, decreased with the decrease in irrigation treatment. Floral abortion, reduced pollen viability as well as moisture stress in the style were contributing factors to the reduction in fruiting/yield observed at the 300IT. Moderate water stress prior to floral initiation could stimulate flower initiation, however, this should be followed by sufficient irrigation to ensure good pollination, fruit set and yield.

Climate change and hunger as the challenges in the global food system

In the last decades, there has been a growing tendency towards international trade and globalisation, particularly leading to a significant increase in flows of agricultural commodities worldwide. From a macroeconomic perspective, the commodity projections are more optimistic than the previous years and the long run tendency shows an increasing demand for feedstock. However, the strong shifts of shocks and fluctuations (in terms of prices and volumes) are a concern to global food security, with the number of hungry people rising to nearly one billion. Agriculture is a main user of natural resources, and it has a strong link with rural societies and the environment. Forecasted impacts from climate change, limited productive endorsements and emerging rivals on crop production, such bio-energy, aggravate the panorama on food scarcity. In this context, it is a great challenge on farming and food systems to reduce global hunger and produce in sustainable ways adequate supplies for food, feed, and non-food uses. The main objective of this work is to question the sustainability of food and agriculture systems. It is particularly interesting to know its role and if it will be able to respond to a growing population with increasing food demand in a world where pressure on land, water and other natural resources are already evident, and, moreover, climate change will also condition and impact the outcome. Furthermore, a deeper focus will be set on developing countries, which are expected to emerge and take a leading role in the international arena. This short paper is structured as follows: Section I, “Introduction”, describes the social situation regarding hunger, Section II, “Global Context”, attempts to summarise the current scenario in the international trading scheme and present the emerging rivals for primary resources, and in Section III, “Climate Change”, presents an overview of possible changes in the sector and future perspectives in the field. Finally, in Section IV, “Conclusion”, the main conclusions are presented.

Alley cropping of willows and grassland for bioenergy provision: productivity, tree-crop interactions and energy balance

The demand for biomass for bioenergy has increased rapidly in industrialized countries in the recent years. Biogenic energy carriers are known to reduce CO2 emissions. However, the resource-inefficient production of biomass often caused negative impacts on the environment, e.g. biodiversity losses, nitrate leaching, and erosion. The detrimental effects evolved mainly from annual crops. Therefore, the aim of modern bioenergy cropping systems is to combine yield stability and environmental benefits by the establishment of mixed-cropping systems. A particular emphasis is on perennial crops which are perceived as environmentally superior to annual crops. Agroforestry systems represent such mixed perennial cropping systems and consist of a mix of trees and arable crops or grassland within the same area of land. Agroforestry practices vary across the globe and alley cropping is a type of agroforestry system which is well adapted to the temperate zone, with a high degree of mechanization. Trees are planted in rows and crops are planted in the alleyways, which facilitates their management by machinery. This study was conducted to examine a young alley cropping system of willows and two grassland mixtures for bioenergy provision under temperate climate conditions. The first part of the thesis identified possible competition effects between willows and the two grassland mixtures. Since light seemed to be the factor most affecting the yield performance of the understory in temperate agroforestry systems, a biennial in situ artificial shade experiment was established over a separate clover-grass stand to quantify the effects of shade. Data to possible below- and aboveground interactions among willows and the two grassland mixtures and their effects on productivity, sward composition, and quality were monitored along a tree-grassland interface within the alleys. In the second part, productivity of the alley cropping system was examined on a triennial time frame and compared to separate grassland and willow stands as controls. Three different conversion technologies (combustion of hay, integrated generation of solid fuel and biogas from biomass, whole crop digestion) were applied to grassland biomass as feedstock and analyzed for its energetic potential. The energetic potential of willow wood chips was calculated by applying combustion as conversion technique. Net energy balances of separate grassland stands, agroforestry and pure willow stands evaluated their energy efficiency. Results of the biennial artificial shade experiment showed that severe shade (80 % light reduction) halved grassland productivity on average compared to a non-shaded control. White clover as heliophilous plant responded sensitively to limited radiation and its dry matter contribution in the sward decreased with increasing shade, whereas non-leguminous forbs (mainly segetal species) benefited. Changes in nutritive quality could not be confirmed by this experiment. Through the study on interactions within the alleys of the young agroforestry system it was possible to outline changes of incident light, soil temperature and sward composition of clover-grass along the tree-grassland interface. Nearly no effects of trees on precipitation, soil moisture and understory productivity occurred along the interface during the biennial experiment. Considering the results of the productivity and the net energy yield alley cropping system had lower than pure grassland stands, irrespective of the grassland seed mixture or fertilization, but was higher than that for pure willow stands. The comparison of three different energetic conversion techniques for the grassland biomass showed highest net energy yields for hay combustion, whereas the integrated generation of solid fuel and biogas from biomass (IFBB) and whole crop digestion performed similarly. However, due to the low fuel quality of hay, its direct combustion cannot be recommended as a viable conversion technique, whereas IFBB fuels were of a similar quality to wood chip from willow.

KNOWLEDGE MANAGEMENT PROCESS AS DEVELOPMENT POLICY IN PUBLIC SECTOR.

The competitive approach to the theory of knowledge management has allowed the first decade of the twenty-first century government institutions will focus on human resources as feedstock to generate knowledge in the organization that benefits users of various government, Solving the most common conflicts and supporting the continuity of the common processes without falling into routines that lead to low utilization of resources.This work aims to show how it has improved the performance of some public agencies in the city of Guadalajara through a knowledge management model

Alternativa productiva para el aprovechamiento del residuo cachaza

Este trabajo de investigación, busca ofrecer al sector panelero de Colombia nuevas estrategias eco-eficientes y amigables con el medio ambiente, en pro de fortalecer las buenas prácticas agrícolas, que contribuyan con la gestión óptima de los residuos que se crean alrededor de la cadena de producción de la panela. Teniendo en cuenta que la obtención de desechos tanto orgánicos como inorgánicos, genera un impacto medioambiental negativo, se pudo identificar una de estas fuentes de contaminación, a través de un proceso de observación. Ésta es conocida como la Cachaza, la cual se genera dentro de un procedimiento denominado Limpieza del Dulce de Caña. Inicialmente, la caña se muele a través de una trituradora que exprime dulce sin tratamiento, el cual pasa por un ducto hasta regarse sobre una primera paila, donde se le aplica balso. Por medio del calor que produce una hornilla sobre la que se coloca dicha paila, se realiza un proceso de separación, el residuo consolidado en una espuma espesa, comienza a flotar por encima del dulce, siendo extraída a medida que va saliendo y depositada en otros recipientes. Considerando constantes prácticas como el vertimiento de la Cachaza sobre algunas fuentes hídricas (ríos, lagunas, etc.) y cultivos de caña ya fermentados (que elaboran nutrientes negativos sobre los mismos); se profundizará sobre los diferentes impactos ambientales que se originan en éste proceso agroindustrial. El objetivo principal del presente trabajo de investigación, consiste en la implementación de un proyecto de logística inversa, formulando estrategias para el procesamiento de la Cachaza a implementar en un trapiche de la zona de Rio negro a fin de reutilizar este residuo generando subproductos que aporten a la mitigación del impacto ambiental, dando así un valor agregado a toda la cadena. Mediante un análisis costo beneficio se evaluará qué tan fácil o difícil resulta la implementación de dicho proyecto, el cual al incluir un proceso adicional a la cadena de producción de la panela generara un suplemento alimenticio para los equinos y aprovechara el 100% de sus residuos a muy bajo costo.

Estudio de las comunidades microbianas de embutidos fermentados ligeramente acidificados mediante técnicas moleculares. Estandarización, seguridad y mejora tecnológica.

Los embutidos fermentados ligeramente acidificados son un grupo de productos tradicionales mediterráneos, caracterizados por un pH superior a 5,3. Para un control eficiente de la seguridad microbiológica de los embutidos se necesitan técnicas rápidas para la identificación y recuento de los microorganismos patógenos a estudiar. En el presente trabajo, se desarrolló una técnica para la enumeración de L. monocytogenes que combinó el método del número más probable y la identificación mediante PCR específica. Para la detección de Salmonella spp. y L. monocytogenes se desarrolló un sistema de PCR-multiplex que permitió la identificación de ambos patógenos de forma simultánea en una sola reacción. El estudio de la calidad microbiológica de los embutidos fermentados ligeramente acidificados se completó con la caracterización de las comunidades microbianas más importantes en estos productos. Se identificaron a nivel de especie los aislados de bacterias del ácido láctico (BAL), de enterococos y de cocos gram-positivos catalasa-positivos (CGC+). Posteriormente se realizó una tipificación molecular de los mismos mediante RAPD y análisis del perfil plasmídico y se estudiaron las principales características de interés higiénico-sanitario y tecnológico de las cepas. Mediante PCR se identificó Lactobacillus sakei como la especie predominante (74%), seguida por Lactobacillus curvatus (21,2%). La actividad aminoácido-descarboxilasa se asoció a la especie L. curvatus (el 66% de los aislados presentaron esta actividad). La identificación de los enterococos se realizó mediante PCR-multiplex y por secuenciación del gen sodA. Enterococcus faecium fue la especie de enterococos predominante (51,9%) seguida por Enterococcus faecalis (14,2%). Todas las cepas de E. faecalis presentaron genes asociados a factores de virulencia. E. faecalis presentó mayor resistencia a antibióticos que el resto de las especies de enterococos estudiadas. Tan sólo una cepa de E. faecium presentó el genotipo vanA (que confiere resistencia de alto nivel a la vancomicina). La identificación de los aislados de CGC+ (mediante PCR específica y amplificación de la región intergénica 16S-23S ARNr) demostró que Staphylococcus xylosus es la especie predominante en los embutidos fermentados ligeramente acidificados (80,8%). La amina biógena más común en los CGC+ fue la feniletilamina, producida por un 10,8% de aislados. Un pequeño porcentaje de aislados fueron mecA+ (4,6%), presentando además resistencia a múltiples antibióticos. El potencial enterotoxigénico de las cepas de CGC+ fue muy reducido (3,3% de los aislados), detectándose únicamente el gen entC. El estudio pormenorizado de las comunidades bacterianas de interés permitió la selección de 2 cepas de L. sakei y 2 cepas de S. xylosus con características tecnológicas e higiénico-sanitarias óptimas. Para evaluar su efectividad como cultivos iniciadores se elaboraron dos tipos de embutidos ligeramente ácidos, chorizo y fuet, inoculados con microorganismos patógenos (Salmonella spp., L. monocytogenes y S. aureus). El uso de cultivos iniciadores permitió el control de L. monocytogenes, Enterobacteriaceae y Enterococcus así como del contenido en aminas biógenas. Los recuentos de Salmonella spp. disminuyeron de forma significante durante la maduración de los embutidos, independientemente del uso de cultivos iniciadores. El uso del tratamiento de alta presión (400 MPa) en los embutidos madurados consiguió la ausencia de Salmonella spp. en los lotes tratados.

Mejora de la seguridad alimentaria en productos cárnicos listos para el consumo mediante la aplicación combinada de tecnologías de conservación emergentes

La demanda creixent de productes mínimament processats i llestos per al consum planteja un important repte per a la seguretat alimentaria i ha conduit al desenvolupament de tractaments suaus que permetin inhibir el creixement microbià conservant la qualitat dels aliments. Els treballs recollits a la present tesi van plantejar diverses estratègies consistents en la combinació d'obstacles al creixement microbià per a millorar la seguretat de productes carnis llestos per al consum. Amb l'objectiu de millorar la seguretat dels embotits poc àcids, es va valorar l'aplicació del tractament per alta pressió hidrostàtica (APH) i l'addició de cultius iniciadors en embotits poc àcids. Per altra banda, per a reduir el risc de L. monocytogenes durant la conservació del pernil cuit llescat, es va avaluar l'efecte combinat de l'addició d'antimicrobians naturals (lactatat-diacetat i enterocines), afegits directament o a través de l'envasament antimicrobià, i el tractament per alta pressió hidrostàtica.

Naturally occurring radioactive material (NORM) from a former phosphoric acid processing plant

In recent years there has been an increasing awareness of the radiological impact of non-nuclear industries that extract and/or process ores and minerals containing naturally occurring radioactive material (NORM). These industrial activities may result in significant radioactive contamination of (by-) products, wastes and plant installations. In this study, scale samples were collected from a decommissioned phosphoric acid processing plant. To determine the nature and concentration of NORM retained in pipe-work and associated process plant, four main areas of the site were investigated: (1) the 'Green Acid Plant', where crude acid was concentrated; (2) the green acid storage tanks; (3) the Purified White Acid (PWA) plant, where inorganic impurities were removed; and (4) the solid waste, disposed of on-site as landfill. The scale samples predominantly comprise the following: fluorides (e.g. ralstonite); calcium sulphate (e.g. gypsum); and an assemblage of mixed fluorides and phosphates (e.g. iron fluoride hydrate, calcium phosphate), respectively. The radioactive inventory is dominated by U-238 and its decay chain products, and significant fractionation along the series occurs. Compared to the feedstock ore, elevated concentrations (<= 8.8 Bq/g) of U-238 Were found to be retained in installations where the process stream was rich in fluorides and phosphates. In addition, enriched levels (<= 11 Bq/g) of Ra-226 were found in association with precipitates of calcium sulphate. Water extraction tests indicate that many of the scales and waste contain significantly soluble materials and readily release radioactivity into solution. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.