Indoor air quality in a public building following smoking bans

Introduction: Exposure to environmental tobacco smoke (ETS) is a major environmental risk factor. Indoor contaminants come from a variety of sources, which can include inadequate ventilation, volatile organic compounds (VOCs), biological agents, combustion products, and ETS. Because ETS is one of the most frequent causes of IAQ complaints as well as the high mortality of passive smoking, in June 2004 the University of Geneva made the decision to ban smoking inside the so called "Uni-Mail" building, the biggest Swiss University human science building of recent construction, and the ordinance was applied beginning in October 2004. This report presents the finding related to the IAQ of the "Uni-Mail" building before and after smoking bans using nicotine, suspended dust, condensate and PAHs level in air as tracers to perform an assessment of passive tobacco exposure for non-smokers inside the building. Methods: Respirable particles (RSP) A real time aerosol monitor (model DataRAM)was place at sampling post 1, level ground floor. Condensate It consists in extracting any organic matter taken on the glass fibre filters by MeOH, and then measuring the total absorbent of the MeOH extract to the UV wavelength of 447 nm. Nicotine Nicotine was taken by means of cartridges containing of XAD-4 to the fixed flow of 0.5 L/min. The analytical method used for the determination of nicotine is based on gas chromatography with Nitrogen selective detector GC-NPD. Results: Figure 1 shows the box plot density display of 3 parameters before and after smoking bans for all 7 sampling posts: dust, condensate and nicotine in air in μg/m3. Conclusion: Before the smoking ban, the level of the concentrations of respirable particles (RSP) is raised more, average of the day 320 μg/m3, with peaks of more than 1000 μg/m3, compared with the values of the surrounding air between 22 and 30 μg/m3. The nicotine level is definitely more important (average 5.53 μg/m3, field 1.5 to 17.9 μg/m3). Once the smoking bans inside the building were applied, one notes a clear improvement in terms of concentrations of pollutants. For dust, the concentration fell by 3 times (average: 130 μg/m3, range: 40 to 160 μg/m3) and that of nicotine by 10 times (average: 0.53 μg/m3, range: 0 to 1.69 μg/m3) compared to that found before smoking bans. The outdoor air RSP concentration was 22 μg/m3 or 10 times lower. Nicotine seems to be the best tracer for ETS free of interference, independent of location or season.

Avaluació econòmica i ambiental de tractament de compostos orgànics volàtils

L'estudi tracta sobre una empresa fabricant de tints i pintures que tot i està conscienciada amb el medi ambient i utilitzar tècniques de prevenció en origen per disminuir l’emissió de COV a l’atmosfera (les seves emissions es troben dins dels rangs permesos per la legislació en aquest sector), els seus directius pretenen conèixer les alternatives possibles per valorar la possibilitat d'aplicar algun sistema de tractament dels Compostos Orgànics Volàtils a la sortida de la xemeneia, amb la finalitat de recuperar o reduir l’emissió d’aquests contaminants a l’atmosfera. Es presenta una avaluació econòmica i ambiental de diferents sistemes de tractament dels COV aplicables a l’empresa

Building energy saving techniques and indoor air quality : a dilemma

In European countries and North America, people spend 80 to 90% of time inside buildings and thus breathe indoor air. In Switzerland, special attention has been devoted to the 16 stations of the national network of observation of atmospheric pollutants (NABEL). The results indicate a reduction in outdoor pollution over the last ten years. With such a decrease in pollution over these ten years the question becomes: how can we explain an increase of diseases? Indoor pollution can be the cause. Indoor contaminants that may create indoor air quality (IAQ) problems come from a variety of sources. These can include inadequate ventilation, temperature and humidity dysfunction, and volatile organic compounds (VOCs). The health effects from these contaminants are varied and can range from discomfort, irritation and respiratory diseases to cancer. Among such contaminants, environmental tobacco smoke (ETS) could be considered the most important in terms of both health effects and engineering controls of ventilation. To perform indoor pollution monitoring, several selected ETS tracers can be used including carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), respirable particles (RSP), condensate, nicotine, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nitrosamines, etc. In this paper, some examples are presented of IAQ problems that have occurred following the renewal of buildings and energy saving concerns. Using industrial hygiene sampling techniques and focussing on selected priority pollutants used as tracers, various problems have been identified and solutions proposed. [Author]

Negative Fukui functions: new insights based on electronegativity equalization

The occurrence of negative values for Fukui functions was studied through the electronegativity equalization method. Using algebraic relations between Fukui functions and different other conceptual DFT quantities on the one hand and the hardness matrix on the other hand, expressions were obtained for Fukui functions for several archetypical small molecules. Based on EEM calculations for large molecular sets, no negative Fukui functions were found

The mapping of the local contributions of Fermi and Coulomb correlation into intracule and extracule density distributions

The contributions of the correlated and uncorrelated components of the electron-pair density to atomic and molecular intracule I(r) and extracule E(R) densities and its Laplacian functions ∇2I(r) and ∇2E(R) are analyzed at the Hartree-Fock (HF) and configuration interaction (CI) levels of theory. The topologies of the uncorrelated components of these functions can be rationalized in terms of the corresponding one-electron densities. In contrast, by analyzing the correlated components of I(r) and E(R), namely, IC(r) and EC(R), the effect of electron Fermi and Coulomb correlation can be assessed at the HF and CI levels of theory. Moreover, the contribution of Coulomb correlation can be isolated by means of difference maps between IC(r) and EC(R) distributions calculated at the two levels of theory. As application examples, the He, Ne, and Ar atomic series, the C2-2, N2, O2+2 molecular series, and the C2H4 molecule have been investigated. For these atoms and molecules, it is found that Fermi correlation accounts for the main characteristics of IC(r) and EC(R), with Coulomb correlation increasing slightly the locality of these functions at the CI level of theory. Furthermore, IC(r), EC(R), and the associated Laplacian functions, reveal the short-ranged nature and high isotropy of Fermi and Coulomb correlation in atoms and molecules

Direct and indirect root defences of milkweed (Asclepias syriaca): trophic cascades, trade-offs and novel methods for studying subterranean herbivory

P>1. Entomopathogenic nematodes can function as indirect defence for plants that are attacked by root herbivores. By releasing volatile organic compounds (VOCs), plants signal the presence of host insects and thereby attract nematodes.2. Nonetheless, how roots deploy indirect defences, how indirect defences relate to direct defences, and the ecological consequences of root defence allocation for herbivores and plant biomass are essentially unknown.3. We investigate a natural below-ground tritrophic system, involving common milkweed, a specialist root-boring beetle and entomopathogenic nematodes, and asked whether there is a negative genetic correlation between direct defences (root cardenolides) and indirect defences (emission of volatiles in the roots and nematode attraction), and between constitutive and inducible defences.4. Volatiles of roots were analysed using two distinct sampling methods. First, we collected emissions from living Asclepias syriaca roots by dynamic headspace sampling. This method showed that attacked A. syriaca plants emit five times higher levels of volatiles than control plants. Secondly, we used a solid phase micro-extraction (SPME) method to sample the full pool of volatiles in roots for genetic correlations of volatile biosynthesis.5. Field experiments showed that entomopathogenic nematodes prevent the loss of biomass to root herbivory. Additionally, suppression of root herbivores was mediated directly by cardenolides and indirectly by the attraction of nematodes. Genetic families of plants with high cardenolides benefited less from nematodes compared to low-cardenolide families, suggesting that direct and indirect defences may be redundant. Although constitutive and induced root defences traded off within each strategy (for both direct and indirect defence, cardenolides and VOCs, respectively), we found no trade-off between the two strategies.6. Synthesis. Constitutive expression and inducibility of defences may trade off because of resource limitation or because they are redundant. Direct and indirect defences do not trade off, likely because they may not share a limiting resource and because independently they may promote defence across the patchiness of herbivore attack and nematode presence in the field. Indeed, some redundancy in strategies may be necessary to increase effective defence, but for each strategy, an economy of deployment reduces overall costs.

Composition of the electrocautery smoke: integrative literature review

Abstract OBJECTIVE To identify the composition of the smoke produced by electrocautery use during surgery. METHOD Integrative review with search for primary studies conducted in the databases of the US National Library of Medicine National Institutes of Health, Cumulative Index to Nursing and Allied Health Literature, and Latin American and Caribbean Health Sciences, covering the studies published between 2004 and 2014. RESULTS The final sample consisted of 14 studies grouped into three categories, namely; polycyclic aromatic hydrocarbons, volatile compounds and volatile organic compounds. CONCLUSION There is scientific evidence that electrocautery smoke has volatile toxic, carcinogenic and mutagenic compounds, and its inhalation constitutes a potential chemical risk to the health of workers involved in surgeries.

Nature, evolution and characterisation of rhizospheric chemical exudates affecting root herbivores

Similar to aboveground herbivores, root-feeding insects must locate and identify suitable resources. In the darkness of soil, they mainly rely on root chemical exudations and, therefore, have evolved specific behaviours. Because of their impact on crop yield, most of our knowledge in belowground chemical ecology is biased towards soil-dwelling insect pests. Yet the increasing literature on volatile-mediated interactions in the ground underpins the great importance of chemical signalling in this ecosystem and its potential in pest control. Here, we explore the ecology and physiology of these chemically based interactions. An evolutionary approach reveals interesting patterns in the response of insects to particular classes of volatile or water-soluble organic compounds commonly emitted by roots. Food web analyses reasonably support that volatiles are used as long-range cues whereas water-soluble molecules serve in host acceptance/rejection by the insect; however, data are still scarce. As a case study, the chemical ecology of Diabrotica virgifera virgifera is discussed and applications of belowground signalling in pest management are examined. Soil chemical ecology is an expanding field of research and will certainly be a hub of our understanding of soil communities and subsequently of the management of belowground ecosystem services.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Producción primaria en el ambiente marino en el Pacífico sudeste, Perú, 1960-2000

Los resultados de investigación sobre producción primaria dentro del alcance interdisciplinario del ambiente marino frente a la costa peruana incluyen estudios nacionales, extranjeros y de investigación conjunta a través de proyectos internacionales (1960-2000). La circulación en la costa peruana es dominada por una corriente hacia el ecuador en una capa de 20 a 50 m. La estructura de plumas del afloramiento se presenta en cada área y podría ser la clave para el desarrollo de cadenas cortas y productivas: fitoplancton peces clupeidos. La distribución de nutrientes sigue la pluma de temperatura, con altos valores en la costa y bajos lejos de la costa; la clorofila muestra mínimos valores cerca de la costa (10 mn) que se incrementa al alejarse. El crecimiento del fitoplancton en aguas peruanas, varía de 0,5 a 0,8 d/d. En aguas recién afloradas el crecimiento es limitado por falta de “condicionamiento biológico” y de compuestos orgánicos (15°S). Estos tipos de agua pueden estar relacionados con las “aguas azules” de altos nutrientes y pobre fitoplancton con células de pequeño tamaño (clorofila <2 μg/L) y con “aguas marrones” con denso fitoplancton, (clorofila >5 μg/L), mayor diversidad y con células de diámetro >5μ. La media de producción primaria fue 3 gC/m2/d (1960-1985), comparable a la mayoría de estudios en los cuales varía entre 3 y 4 gC/m2/d en la franja costera, el último valor es altamente variable en espacio, siendo más frecuente dentro de 10 km. Valores mayores de 12 gC/m2/d se encontraron en el afloramiento de Chimbote. El Niño, La Niña y fases del ENSO, afectan la producción primaria. Las temperaturas bajas originan cambios en la composición química del fitoplancton y reducen el índice de productividad mgC/mgclor-a/d que también es atribuido a limitaciones de luz.

Aluminum hydroxy-interlayered minerals and chemical properties of a subtropical Brazilian Oxisol under no-tillage and conventional tillage

No tillage systems significantly influence the soil system, but knowledge about the effects on the mineralogy of tropical and subtropical soils is limited. This study evaluated the long-term effects (26 years) of no-tillage (NT) on aluminum hydroxy-interlayered minerals of a subtropical Oxisol in Southern Brazil (Guarapuava, PR), compared to the same soil under conventional tillage (CT). The clay fraction (< 2 µm) in soil samples of the surface horizons of a field experiment under both management systems was analyzed by X-ray diffraction (XRD) to identify and characterize Al hydroxy-interlayered minerals before and after treatment with sodium citrate to remove intra-layer material. Soil liquid (solution) and solid phases were also characterized. The contents of total organic C, exchangeable cations, P, and the values of extractable acidity and cation exchange capacity as well as electrical conductivity and levels of dissolved organic C, basic cations, aluminum, Si, and sulfur in the soil solution were higher in the NT soil. Under both soil management systems, more than 90 % of the total soluble Al was complexed with organic compounds, with similar Al activity. No significant changes were detected by 2:1 clay mineral XRD analyses in terms of extension or intercalation of Al-hydroxy-polymers in the no-tilled in comparison to the conventionally tilled soil. In both soil management systems, Al and Si activities in the soil solution indicated thermodynamic stability of 2:1 clay minerals with partially occupied by hydroxy-Al, suggesting deceleration in the intercalation process and a tendency of transforming clay minerals from extensive into partial intercalation.

Nitrogen washing from C3 and C4 cover grasses residues by rain

Crop species with the C4 photosynthetic pathway are more efficient in assimilating N than C3 plants, which results in different N amounts prone to be washed from its straw by rain water. Such differences may affect N recycling in agricultural systems where these species are grown as cover crops. In this experiment, phytomass production and N leaching from the straw of grasses with different photosynthetic pathways were studied in response to N application. Pearl millet (Pennisetum glaucum) and congo grass (Brachiaria ruziziensis) with the C4 photosynthetic pathway, and black oat (Avena Strigosa) and triticale (X Triticosecale), with the C3 photosynthetic pathway, were grown for 47 days. After determining dry matter yields and N and C contents, a 30 mm rainfall was simulated over 8 t ha-1 of dry matter of each plant residue and the leached amounts of ammonium and nitrate were determined. C4 grasses responded to higher fertilizer rates, whereas N contents in plant tissue were lower. The amount of N leached from C4 grass residues was lower, probably because the C/N ratio is higher and N is more tightly bound to organic compounds. When planning a crop rotation system it is important to take into account the difference in N release of different plant residues which may affect N nutrition of the subsequent crop.

Cyst-based ecotoxicological tests using Anostracans: comparison of two species of Streptocephalus

Cyst-based ecotoxicological tests are simple and low-cost methods for assessing acute toxicity. Nevertheless, only a few comparative studies on their sensitivity are known. In the present study, the suitability of the use of two freshwater Anostracan species, Streptocephalus rubricaudatus and S. texanus, was assessed. The impact of 16 priority pollutants (4 heavy metals, 11 organic, and 1 organometallic compounds) on these two species, as well as on Artemia salina (Artoxkit M), Daphnia magna (International Organization for Standardization 6341), and S. proboscideus (Streptoxkit F) was assessed. For indicative comparison, bioassays using Brachionus calyciflorus (Rotoxkit F) and Photobacterium phosphoreum (Microtox) were also performed. For heavy metals (K2Cr2O7, Cd2+, Zn2+, Cu2+), the sensitivity of the two studied Streptocephalus species was slightly higher than that of D. magna. It was significantly more elevated than for the marine A. salina. For organic and organometallic micropollutants [phenol, 3,5-dichlorophenol, pentachlorophenol (PCP), hydroquinone, linear alkylbenzene sulfonate, sodium dodecyl sulfate, tributylphosphate, dimethylphthalate, atrazine, lindane, malathion, tributyltin chloride (TBT-Cl)], the sensitivity of the 4 anostracan species was of the same order of magnitude as that of D. magna. Artemia salina was slightly less sensitive to some organic compounds (PCP, hydroquinone, TBT-Cl). The sensitivity of S. rubricaudatus to organic solvents was low. On the other hand, this anostracan was quite sensitive to NaCl. Thus, its use is restricted to freshwater samples. The evaluation of global practicability of these two tests confirms that cyst-based freshwater anostracans may be used to perform low-cost tests at a sensitivity comparable to that of D. magna (24 h immobilization test).

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Liming in Agricultural Production Models with and Without the Adoption of Crop-Livestock Integration

ABSTRACT Perennial forage crops used in crop-livestock integration (CLI) are able to accumulate large amounts of straw on the soil surface in no-tillage system (NTS). In addition, they can potentially produce large amounts of soluble organic compounds that help improving the efficiency of liming in the subsurface, which favors root growth, thus reducing the risks of loss in yield during dry spells and the harmful effects of “overliming”. The aim of this study was to test the effects of liming on two models of agricultural production, with and without crop-livestock integration, for 2 years. Thus, an experiment was conducted in a Latossolo Vermelho (Oxisol) with a very clayey texture located in an agricultural area under the NTS in Bandeirantes, PR, Brazil. Liming was performed to increase base saturation (V) to 65, 75, and 90 % while one plot per block was maintained without the application of lime (control). A randomized block experimental design was adopted arranged in split-plots and four plots/block, with four replications. The soil properties evaluated were: pH in CaCl2, soil organic matter (SOM), Ca, Mg, K, Al, and P. The effects of liming were observed to a greater depth and for a long period through mobilization of ions in the soil, leading to a reduction in SOM and Al concentration and an increase in pH and the levels of Ca and Mg. In the first crop year, adoption of CLI led to an increase in the levels of K and Mg and a reduction in the levels of SOM; however, in the second crop year, the rate of decline of SOM decreased compared to the decline observed in the first crop year, and the level of K increased, whereas that of P decreased. The extent of the effects of liming in terms of depth and improvement in the root environment from the treatments were observed only partially from the changes observed in the chemical properties studied.