Solar radiation–enhanced dissolution of particulate organic matter from coastal marine sediments

We investigated the influence of solar radiation on the transfer of organic matter from the particulate to dissolved phase during resuspension of coastal sediments collected from seven sites across Florida Bay (organic carbon values ranged from 2% to 9% by weight). Sediments were resuspended in oligotrophic seawater for 48 h in 1-liter quartz flasks in the dark and under simulated solar radiation (SunTest XLS+) at wet weight concentrations of 100 mg L21 and 1 g L21 (dry weights ranged from 27 to 630 mg L21). There were little to no dissolved organic carbon (DOC) increases in dark resuspensions, but substantial DOC increases occurred in irradiated resuspensions. DOC levels increased 4 mg C L21 in an irradiated 1 g L21 suspension (dry weight 400 mg L21) of an organic-rich (7% organic carbon) sediment. At a particle load commonly found in coastal waters (dry weight 40 mg L21), an irradiated suspension of the same organic-rich sediment produced 1 mg C L21. DOC increases in irradiated resuspensions were well-correlated with particulate organic carbon (POC) added. Photodissolution of POC ranged from 6% to 15% at high sediment levels and 10% to 33% at low sediment levels. Parallel factor analysis modeling of excitation-emission matrix fluorescence data (EEM PARAFAC) suggested the dissolved organic matter (DOM) produced during photodissolution included primarily humic-like components and a less important input of protein-like components. Principal component analysis (PCA) of EEM data revealed a marked similarity in the humic character of photodissolved DOM from organic-rich sediments and the humic character of Florida Bay waters.

Biogeochemical Effects of Simulated Sea Level Rise on Carbon Loss in an Everglades Mangrove Peat Soil

Saltwater intrusion and inundation can affect soil microbial activity, which regulates the carbon (C) balance in mangroves and helps to determine if these coastal forests can keep pace with sea level rise (SLR). This study evaluated the effects of increased salinity (+15 ppt), increased inundation (−8 cm), and their combination, on soil organic C loss from a mangrove peat soil (Everglades, Florida, USA) under simulated tides. Soil respiration (CO2 flux), methane (CH4) flux, dissolved organic carbon (DOC) production, and porewater nutrient concentrations were quantified. Soil respiration was the major pathway of soil organic C loss (94–98%) and was approximately 90% higher in the control water level than the inundated treatment under elevated salinity. Respiration rate increased with water temperature, but depended upon salinity and tidal range. CH4 flux was minimal, while porewater DOC increased with a concomitant, significant decline in soil bulk density under increased inundation. Porewater ammonium increased (73%) with inundation and soluble reactive phosphorus increased (32%) with salinity. Overall, the decline in soil organic C mineralization from combined saltwater intrusion and prolonged inundation was not significant, but results suggest SLR could increase this soil’s susceptibility to peat collapse and accelerate nutrient and DOC export to adjacent Florida Bay.

Photo-Reactivity of Natural Dissolved Organic Matter from Fresh to Marine Waters in the Florida Everglades, USA

Natural dissolved organic matter (DOM) is the major absorber of sunlight in most natural waters and a critical component of carbon cycling in aquatic systems. The combined effect of light absorbance properties and related photo-production of reactive species are essential in determining the reactivity of DOM. Optical properties and in particular excitation–emission matrix fluorescence spectroscopy combined with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC) have been used increasingly to track sources and fate of DOM. Here we describe studies conducted in water from two estuarine systems in the Florida Everglades, with a salinity gradient of 2 to 37 and dissolved organic carbon concentrations from 19.3 to 5.74 mg C L−1, aimed at assessing how the quantity and quality of DOM is coupled to the formation rates and steady-state concentrations of reactive species including singlet oxygen, hydroxyl radical, and the triplet excited state of DOM. These species were related to optical properties and PARAFAC components of the DOM. The formation rate and steady-state concentration of the carbonate radical was calculated in all samples. The data suggests that formation rates, particularly for singlet oxygen and hydroxyl radicals, are strongly coupled to the abundance of terrestrial humic-like substances. A decrease in singlet oxygen, hydroxyl radical, and carbonate radical formation rates and steady-state concentration along the estuarine salinity gradient was observed as the relative concentration of terrestrial humic-like DOM decreased due to mixing with microbial humic-like and protein-like DOM components, while the formation rate of triplet excited-state DOM did not change. Fluorescent DOM was also found to be more tightly coupled to reactive species generation than chromophoric DOM.

Water temperature, salinity, DOC content and THNS concentration in samples taken during POLARSTERN cruise to the Fram Strait and Greenland Sea

Dissolved organic matter (DOM) was isolated with XAD-2 and 4 resins from different water masses of the Greenland Sea and Fram Strait. The contribution of XAD-extractable dissolved organic carbon (DOC), operationally defined as 'recalcitrant' or humic substances, to total DOC was in the range of 45 ± 9% in surface waters and 60 ± 6% in deep waters. The carbohydrate concentration and composition were determined using the l-tryptophan/sulfuric acid method (for the bulk carbohydrate concentration, TCHO) and high performance anion-exchange chromatography after sulfuric acid hydrolysis (for the distribution of total hydrolysable neutral sugars, THNS). Carbohydrates contributed up to 6.8% to both total and recalcitrant DOC. TCHO contribution to total DOC decreased with depth from on average 4.1 ± 1.2% in surface waters to 2.2 ± 1.0% in deep waters, whereas the THNS contribution was similar in both layers, accounting for 2.5 ± 1.6% (surface) and 2.4 ± 0.2% (at depth). TCHO contribution to XAD-extractable DOC also decreased with depth from 4.5 ± 1.7% to 2.1 ± 1.0%, whereas THNS contribution was almost constant, with yields of 0.5 ± 0.3% for surface samples and 0.6 ± 0.1% at depth. The molecular size distribution of the recalcitrant DOM showed for all fractions a clear trend towards small molecules in the deep sea. More than half of the XAD-extractable carbohydrates of surface samples and more than 70% of deep sea samples were found in the nonpolar fraction from XAD, which was eluted with methanol. Glucose was the dominant carbohydrate in the surface water samples, whereas in the deep sea the composition was more uniform. In the XAD extracts, the compositions were less variable than in the original samples. The neutral sugar composition, in particular glucose and the deoxysugars, is indicative of the diagenetic state of the extracted DOM. The molar ratio (fucose + rhamnose)/(arabinose + xylose) was lowest for deep sea extractable DOM, indicating a high contribution of material modified by microorganisms. The THNS composition and distribution reveal that "recalcitrant" carbohydrates are heteropolysaccharides, carbohydrate units incorporated into a framework of a highly nonpolar structure with a lack of functional groups.

INTERACTIVE EFFECTS OF CLIMATE CHANGE AND FUNGAL COMMUNITIES ON THE DECOMPOSITION OF WOOD-DERIVED CARBON IN FOREST SOILS

Soils are the largest sinks of carbon in terrestrial ecosystems. Soil organic carbon is important for ecosystem balance as it supplies plants with nutrients, maintains soil structure, and helps control the exchange of CO2 with the atmosphere. The processes in which wood carbon is stabilized and destabilized in forest soils is still not understood completely. This study attempts to measure early wood decomposition by different fungal communities (inoculation with pure colonies of brown or white rot, or the original microbial community) under various interacting treatments: wood quality (wood from +CO2, +CO2+O3, or ambient atmosphere Aspen-FACE treatments from Rhinelander, WI), temperature (ambient or warmed), soil texture (loamy or sandy textured soil), and wood location (plot surface or buried 15cm below surface). Control plots with no wood chips added were also monitored throughout the study. By using isotopically-labelled wood chips from the Aspen-FACE experiment, we are able to track wood-derived carbon losses as soil CO2 efflux and as leached dissolved organic carbon (DOC). We analyzed soil water for chemical characteristics such as, total phenolics, SUVA254, humification, and molecular size. Wood chip samples were also analyzed for their proportion of lignin:carbohydrates using FTIR analysis at three time intervals throughout 12 months of decomposition. After two years of measurements, the average total soil CO2 efflux rates were significantly different depending on wood location, temperature, and wood quality. The wood-derived portion soil CO2 efflux also varied significantly by wood location, temperature, and wood quality. The average total DOC and the wood-derived portion of DOC differed between inoculation treatments, wood location, and temperature. Soil water chemical characteristics varied significantly by inoculation treatments, temperature, and wood quality. After 12 months of decomposition the proportion of lignin:carbohydrates varied significantly by inoculation treatment, with white rot having the only average proportional decrease in lignin:carbohydrates. Both soil CO2 efflux and DOC losses indicate that wood location is important. Carbon losses were greater from surface wood chips compared with buried wood chips, implying the importance of buried wood for total ecosystem carbon stabilization. Treatments associated with climate change also had an effect on the level of decomposition. DOC losses, soil water characteristics, and FTIR data demonstrate the importance of fungal community on the degree of decomposition and the resulting byproducts found throughout the soil.

Biodegradability and toxicity assessment of bleach plant effluents treated anaerobically

As part of an experimental project on the treatment of bleach plant effluents the results of biodegradability and toxicity assessment of effluents from a bench-scale horizontal anaerobic immobilized bioreactor (HAIB) are discussed in this paper. The biodegradability of the bleach plant effluents from a Kraft pulp mill treated in the HAIB was evaluated using the modified Zahn-Wellens test. The inoculum came from a pulp mill wastewater treatment plant and the dissolved organic carbon (DOC) was used as the indicator of organic matter removal. The acute and chronic toxicity removal during the anaerobic treatment was estimated using Daphnia similis and Ceriodaphnia silvestrii respectively. Moreover, the evaluation of chromosome aberrations (CA), micronucleus frequencies (MN) and mitotic index (IM) in Allium cepa cells were used as genotoxicity indicators. The results indicate that the effluents from the anaerobic reactor are amenable to aerobic polishing. Acute and chronic toxicity were reduced by 90 and 81%, respectively. The largest CA and MN incidence in the meristematic cells of A. cepa were observed after exposure to the raw bleach plant effluent. The HAIB was able to reduce the acute and chronic toxicity as well as chromosome aberrations and the occurrence of micronucleus.

USE OF SOLAR ENERGY IN THE TREATMENT OF WATER CONTAMINATED WITH PHENOL BY PHOTOCHEMICAL PROCESSES

The solar driven photo-Fenton process for treating water containing phenol as a contaminant has been evaluated by means of pilot-scale experiments with a parabolic trough solar reactor (PTR). The effects of Fe(II) (0.04-1.0 mmol L(-1)), H(2)O(2) (7-270 mmol L(-1)), initial phenol concentration (100 and 500 mg C L(-1)), solar radiation, and operation mode (batch and fed-batch) on the process efficiency were investigated. More than 90% of the dissolved organic carbon (DOC) was removed within 3 hours of irradiation or less, a performance equivalent to that of artificially-irradiated reactors, indicating that solar light can be used either as an effective complementary or as an alternative source of photons for the photo-Fenton degradation process. A non-linear multivariable model based on a neural network was fit to the experimental results of batch-mode experiments in order to evaluate the relative importance of the process variables considered on the DOC removal over the reaction time. This included solar radiation, which is not a controlled variable. The observed behavior of the system in batch-mode was compared with fed-batch experiments carried out under similar conditions. The main contribution of the study consists of the results from experiments under different conditions and the discussion of the system behavior. Both constitute important information for the design and scale-up of solar radiation-based photodegradation processes.

Caracterização da matéria orgânica natural em águas para consumo humano

O tratamento de água para consumo humano tem por objectivos não só a sua qualidade em termos de parâmetros químicos e físicos, como também microbiológicos. Considerando que a MON pode afectar os sistemas de tratamento, a sua redução minimiza a formação de subprodutos de desinfecção, como por exemplo os trihalometanos e diminui o crescimento de microrganismos ao longo do sistema de distribuição. Nesse sentido tem havido recentemente uma grande evolução na investigação relativamente à remoção de matéria orgânica natural. O principal objectivo deste trabalho foi o de caracterizar a matéria orgânica presente na água bruta e ao longo do processo de tratamento, assim como a sua evolução sazonal. Os dados obtidos a partir desta caracterização poderão contribuir para uma futura optimização no processo de tratamento de águas de consumo. O processo utilizado baseou-se na sorção da matéria orgânica dissolvida em diferentes tipos de resinas de permuta iónica, DAX-8, DAX-4 e IRA-958, permitindo a sua separação em várias fracções: ácidos muito hidrofóbicos (VHA), ácidos ligeiramente hidrofóbicos (SHA), compostos hidrofílicos carregados (CHA) e hidrofílicos neutros (NEU). De acordo com os resultados obtidos apenas a fracção NEU demonstrou ter uma tendência sazonal, apresentando valores máximos no Verão, nos pontos de amostragem referentes à água bruta superficial (PA802) e água bruta superficial após pré-tratamento por filtração (PA800). Os valores de COD não mostraram uma variação sazonal para as amostras de água bruta superficial que rondaram os 2 mg C/L ao longo do período de amostragem (Julho a Outubro), durante o qual se verificou uma baixa pluviosidade e temperaturas médias muito semelhantes. Os compostos NEU predominam em todos os pontos de amostragem não apresentando uma tendência definida ao longo do tratamento. Observou-se uma diminuição das fracções SHA e CHA ao longo do tratamento. Não se pode indicar uma tendência definida relativamente à fracção VHA. Verifica-se globalmente uma diminuição do teor de MON ao longo do tratamento. Este trabalho demonstrou que na água bruta superficial existe uma predominância dos compostos NEU, seguidos dos SHA, dos VHA e finalmente dos compostos CHA. Na água bruta captada no sub-leito do rio, verifica-se apenas a existência dos compostos NEU, sendo as restantes fracções praticamente nulas. Os valores mais elevados de TSUVA254nm foram obtidos para as amostras que não sofreram qualquer tratamento, água bruta do sub-leito (PA903) e superficial (PA802), e água bruta após pré-filtração (PA800). Nos restantes pontos de amostragem, apesar de se verificarem valores inferiores, não se observa uma diminuição deste parâmetro ao longo do tratamento, nem uma variação sazonal. Os valores de TSUVA254nm obtidos são geralmente inferiores a 3 L.mgC-1.m-1, correspondendo a materiais não húmicos, que são considerados biodegradáveis. Para as amostras de água tratada os valores oscilam entre os 1,23 e 1,58 L.mgC-1.m-1, valores inferiores a 2 L.mgC-1.m-1, o que é considerado um valor de referência ao nível do tratamento, segundo a USEPA.

Multifunctionality and Diversity in Bacterial Biofilms

Bacteria are highly diverse and drive a bulk of ecosystem processes. Analysis of relationships between diversity and single specific ecosystem processes neglects the possibility that different species perform multiple functions at the same time. The degradation of dissolved organic carbon (DOC) followed by respiration is a key bacterial function that is modulated by the availability of DOC and the capability to produce extracellular enzymes. In freshwater ecosystems, biofilms are metabolic hotspots and major sites of DOC degradation. We manipulated the diversity of biofilm forming communities which were fed with DOC differing in availability. We characterized community composition using molecular fingerprinting (T-RFLP) and measured functioning as oxygen consumption rates, the conversion of DOC in the medium, bacterial abundance and the activities of five specific enzymes. Based on assays of the extracellular enzyme activity, we calculated how the likelihood of sustaining multiple functions was affected by reduced diversity. Carbon source and biofilm age were strong drivers of community functioning, and we demonstrate how the likelihood of sustaining multifunctionality decreases with decreasing diversity

Effects of Pig Slurry Application and Crops on Phosphorus Content in Soil and the Chemical Species in Solution

The application of pig slurry rates and plant cultivation can modify the soil phosphorus (P) content and distribution of chemical species in solution. The purpose of this study was to evaluate the total P, available P and P in solution, and the distribution of chemical P species in solution, in a soil under longstanding pig slurry applications and crop cultivation. The study was carried out in soil columns with undisturbed structure, collected in an experiment conducted for eight years in the experimental unit of the Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria (RS). The soil was an Argissolo Vermelho distrófico arênico (Typic Hapludalf), subjected to applications of 0, 20, 40, and 80 m3 ha-1 pig slurry. Soil samples were collected from the layers 0-5, 5-10, 10-20, 20-30, 30-40, and 40-60 cm, before and after black oat and maize grown in a greenhouse, for the determination of available P, total P and P in the soil solution. In the solution, the concentration of the major cations, anions, dissolved organic carbon (DOC), and pH were determined. The distribution of chemical P species was determined by software Visual Minteq. The 21 pig slurry applications increased the total P content in the soil to a depth of 40 cm, and the P extracted by Mehlich-1 and from the solution to a depth of 30 cm. Successive applications of pig slurry changed the balance between the solid and liquid phases in the surface soil layers, increasing the proportion of the total amount of P present in the soil solution, aside from changing the chemical species in the solution, reducing the percentage complexed with Al and increasing the one complexed with Ca and Mg in the layers 0-5 and 5-10 cm. Black oat and maize cultivation increased pH in the solution, thereby increasing the proportion of HPO42- and reducing H2PO4- species.

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

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

Modeling storm events to investigate the influence of the stream¿catchment interface zone on stream biogeochemistry

We formulate a new mixing model to explore hydrological and chemical conditions under which the interface between the stream and catchment interface (SCI) influences the release of reactive solutes into stream water during storms. Physically, the SCI corresponds to the hyporheic/riparian sediments. In the new model this interface is coupled through a bidirectional water exchange to the conventional two components mixing model. Simulations show that the influence of the SCI on stream solute dynamics during storms is detectable when the runoff event is dominated by the infiltrated groundwater component that flows through the SCI before entering the stream and when the flux of solutes released from SCI sediments is similar to, or higher than, the solute flux carried by the groundwater. Dissolved organic carbon (DOC) and nitrate data from two small Mediterranean streams obtained during storms are compared to results from simulations using the new model to discern the circumstances under which the SCI is likely to control the dynamics of reactive solutes in streams. The simulations and the comparisons with empirical data suggest that the new mixing model may be especially appropriate for streams in which the periodic, or persistent, abrupt changes in the level of riparian groundwater exert hydrologic control on flux of biologically reactive fluxes between the riparian/hyporheic compartment and the stream water.

Distribuição de metais e caracterização das constantes de troca entre espécies metálicas e frações húmicas aquáticas de diferentes tamanhos moleculares

In this work the metal distribution and exchange constants between metal species and aquatic humic fractions with different molecular sizes were studied. The aquatic humic substances (AHS) were extracted by XAD-8 resin from water sample collected from Itapitanguí river, São Paulo State, Brazil. The AHS were fractionated in six fractions with different molecular sizes (>100 - <5 kDa) and characterized by several techniques. Molar ratios H/C suggested higher aromaticity for fractions F1 and F6 whereas molar ratios C/N didn´t show any differences regarding the humification degree between the fractions. The UV-Vis absorbance a254/a436 ratio showed higher results for F4 and F5, probably by less condensed features. FTIR studies showed high similarity in the functional groups in the fractions. The highest percentage of traces of Co, Al, Fe, Mn, Cu, Zn and Ni (determined by ICP-AES) was preferably complexed by fractions F3 and F4 with a greater amount of dissolved organic carbon (DOC). In addition, the exchange constants, determined by ultrafiltration method, showed complexes AHS-Fe and AHS-Al with higher stability than complexes AHS-Co in all fractions.

Écologie et implications trophiques de la cyanobactérie Lyngbya wollei dans le fleuve Saint-Laurent

Les proliférations nuisibles de la cyanobactérie filamenteuse benthique Lyngbya wollei qui forme des tapis déposés sur les sédiments ont augmenté en fréquence au cours des 30 dernières années dans les rivières, lacs et sources de l'Amérique du Nord. Lyngbya wollei produit des neurotoxines et des composés organiques volatils (géosmin, 2-méthylisobornéol) qui ont des répercussions sur la santé publique de même que des impacts d'ordre socioéconomiques. Cette cyanobactérie est considérée comme un habitat et une source de nourriture de piètre qualité pour les invertébrés en raison de sa gaine robuste et de sa production de toxines. Les proliférations de L. wollei ont été observées pour la première fois en 2005 dans le fleuve Saint-Laurent (SLR; Québec, Canada). Nous avons jugé important de déterminer sa distribution sur un tronçon de 250 km afin d'élaborer des modèles prédictifs de sa présence et biomasse en se basant sur les caractéristiques chimiques et physiques de l'eau. Lyngbya wollei était généralement observé en aval de la confluence de petits tributaires qui irriguent des terres agricoles. L’écoulement d’eaux enrichies à travers la végétation submergée se traduisait par une diminution de la concentration d’azote inorganique dissous (DIN), alors que les concentrations de carbone organique dissous (DOC) et de phosphore total dissous (TDP) demeuraient élevées, produisant un faible rapport DIN :TDP. Selon nos modèles, DOC (effet positif), TP (effet négatif) et DIN :TDP (effet négatif) sont les variables les plus importantes pour expliquer la répartition de cette cyanobactérie. La probabilité que L. wollei soit présent dans le SLR a été prédite avec exactitude dans 72 % à 92 % des cas pour un ensemble de données indépendantes. Nous avons ensuite examiné si les conditions hydrodynamiques, c'est-à-dire le courant généré par les vagues et l'écoulement du fleuve, contrôlent les variations spatiales et temporelles de biomasse de L. wollei dans un grand système fluvial. Nous avons mesuré la biomasse de L. wollei ainsi que les variables chimiques, physiques et météorologiques durant trois ans à 10 sites le long d'un gradient d'exposition au courant et au vent dans un grand (148 km2) lac fluvial du SLR. L'exposition aux vagues et la vitesse du courant contrôlaient les variations de biomasses spatiales et temporelles. La biomasse augmentait de mai à novembre et persistait durant l'hiver. Les variations interannuelles étaient contrôlées par l'écoulement de la rivière (niveau d'eau) avec la crue printanière qui délogeait les tapis de l'année précédente. Les baisses du niveau d'eau et l'augmentation de l'intensité des tempêtes anticipées par les scénarios de changements climatiques pourraient accroître la superficie colonisée par L. wollei de même que son accumulation sur les berges. Par la suite, nous avons évalué l'importance relative de L. wollei par rapport aux macrophytes et aux épiphytes. Nous avons examiné l'influence structurante de l'échelle spatiale sur les variables environnementales et la biomasse de ces producteurs primaires (PP) benthiques. Nous avons testé si leur biomasse reflétait la nature des agrégats d'habitat basées sur l'écogéomorphologie ou plutôt le continuum fluvial. Pour répondre à ces deux questions, nous avons utilisé un design à 3 échelles spatiales dans le SLR: 1) le long d'un tronçon de 250 km, 2) entre les lacs fluviaux localisés dans ce tronçon, 3) à l'intérieur de chaque lac fluvial. Les facteurs environnementaux (conductivité et TP) et la structure spatiale expliquent 59% de la variation de biomasse des trois PP benthiques. Spécifiquement, les variations de biomasses étaient le mieux expliquées par la conductivité (+) pour les macrophytes, par le ratio DIN:TDP (+) et le coefficient d'extinction lumineuse (+) pour les épiphytes et par le DOC (+) et le NH4+ (-) pour L. wollei. La structure spatiale à l'intérieur des lacs fluviaux était la plus importante composante spatiale pour tous les PP benthiques, suggérant que les effets locaux tels que l'enrichissement par les tributaire plutôt que les gradients amont-aval déterminent la biomasse de PP benthiques. Donc, la dynamique des agrégats d'habitat représente un cadre général adéquat pour expliquer les variations spatiales et la grande variété de conditions environnementales supportant des organismes aquatiques dans les grands fleuves. Enfin, nous avons étudié le rôle écologique des tapis de L. wollei dans les écosystèmes aquatiques, en particulier comme source de nourriture et refuge pour l'amphipode Gammarus fasciatus. Nous avons offert aux amphipodes un choix entre des tapis de L. wollei et soit des chlorophytes filamenteuses ou un tapis artificiel de laine acrylique lors d'expériences en laboratoire. Nous avons aussi reconstitué la diète in situ des amphipodes à l'aide du mixing model (d13C et δ15N). Gammarus fasciatus choisissait le substrat offrant le meilleur refuge face à la lumière (Acrylique>Lyngbya=Rhizoclonium>Spirogyra). La présence de saxitoxines, la composition élémentaire des tissus et l'abondance des épiphytes n'ont eu aucun effet sur le choix de substrat. Lyngbya wollei et ses épiphytes constituaient 36 et 24 % de l'alimentation in situ de G. fasciatus alors que les chlorophytes, les macrophytes et les épiphytes associées représentaient une fraction moins importante de son alimentation. Les tapis de cyanobactéries benthiques devraient être considérés comme un bon refuge et une source de nourriture pour les petits invertébrés omnivores tels que les amphipodes.

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.