Structured Light System for Underwater Inspection Operations

In this work we propose the development of a stereo SLS system for underwater inspection operations. We demonstrate how to perform a SLS calibration both in dry and underwater environments using two different methods. The proposed methodology is able to achieve quite accurate results, lower than 1 mm in dry environments. We also display a 3D underwater scan of a known object size, a sea scallop, where the system is able to perform a scan with a global error lower than 2% of the object size.

Printed electronics for ubiquitous computing applications

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química

Effects of light and temperature on isoprene emission at different leaf developmental stages of eschweilera coriacea in central Amazon

Isoprene emission from plants accounts for about one third of annual global volatile organic compound emissions. The largest source of isoprene for the global atmosphere is the Amazon Basin. This study aimed to identify and quantify the isoprene emission and photosynthesis at different levels of light intensity and leaf temperature, in three phenological phases (young mature leaf, old mature leaf and senescent leaf) of Eschweilera coriacea (Matamatá verdadeira), the species with the widest distribution in the central Amazon. In situ photosynthesis and isoprene emission measurements showed that young mature leaf had the highest rates at all light intensities and leaf temperatures. Additionally, it was observed that isoprene emission capacity (Es) changed considerably over different leaf ages. This suggests that aging leads to a reduction of both leaf photosynthetic activity and isoprene production and emission. The algorithm of Guenther et al. (1999) provided good fits to the data when incident light was varied, however differences among E S of all leaf ages influenced on quantic yield predicted by model. When leaf temperature was varied, algorithm prediction was not satisfactory for temperature higher than ~40 °C; this could be because our data did not show isoprene temperature optimum up to 45 °C. Our results are consistent with the hypothesis of the isoprene functional role in protecting plants from high temperatures and highlight the need to include leaf phenology effects in isoprene emission models.

Polymer electrolytes for electrochromic devices

Polymer electrolytes are currently the focus of much attention as potential electrolytes in electrochemical devices such as batteries, display devices and sensors. Generically, solid polymer electrolytes (SPEs) are mixtures of salts with soft polar polymers. SPEs have many advantages including high energy density, no risk of leakage, no issues related to the presence of solvent, wide electrochemical stability windows, simplified processability and light weight. With the goal of developing a new family of environmentally friendly multifunctional biohybrid materials displaying high ionic conductivity we have produced in the present work, flexible films based on different polymers or hybrids incorporating different salts. The polymer electrolytes studied here have been characterized by means of Differential Scanning Calorimetry, Thermogravimetric Analysis, X-ray diffraction, Polarized Optical Microscopy, complex impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. An evaluation of the performance of the sample with the highest conductivity as electrolyte in all solid-state ECDs was performed.

Phytochrome interacting factors 4 and 5 control seedling growth in changing light conditions by directly controlling auxin signaling.

Plant growth is strongly influenced by the presence of neighbors that compete for light resources. In response to vegetational shading shade-intolerant plants such as Arabidopsis display a suite of developmental responses known as the shade-avoidance syndrome (SAS). The phytochrome B (phyB) photoreceptor is the major light sensor to mediate this adaptive response. Control of the SAS occurs in part with phyB, which controls protein abundance of phytochrome-interacting factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) directly. The shade-avoidance response also requires rapid biosynthesis of auxin and its transport to promote elongation growth. The identification of genome-wide PIF5-binding sites during shade avoidance revealed that this bHLH transcription factor regulates the expression of a subset of previously identified SAS genes. Moreover our study suggests that PIF4 and PIF5 regulate elongation growth by controlling directly the expression of genes that code for auxin biosynthesis and auxin signaling components.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Diagnostic of Biomphalaria snails and Schistosoma mansoni: DNA obtained from traces of shell organic materials

Freshwater snails belonging to the genus Biomphalaria act as intermediate hosts for the parasite trematode Schistosoma mansoni in Africa and in the neotropical region. Identification of such molluscs is carried out based on morphological characters and the presence of cercariae is verified through squeezing snails between two glass slides or by exposing them to artificial light. However, sometimes, the material collected includes molluscs with decomposed bodies or, yet, only empty shells, which precludes their identification and S. mansoni detection. Due to these difficulties, we have developed a methodology in which DNA may be extracted from traces of organic material from inside shells in order to identify molluscs through polymerase chain reaction and restriction fragment length polymorphism and to detect S. mansoni into these snails, by using low stringency polymerase chain reaction. Species-specific profiles obtained from B. glabrata, B. straminea, and B. tenagophila snails and their shells, maintained in laboratory for ten years, showed the same profiles. S. mansoni profiles showed to be present in shell specimens as far as the eighth week after being removed from aquarium.

Calibration of a Structured Light-Based Stereo Catadioptric Sensor

Catadioptric sensors are combinations of mirrors and lenses made in order to obtain a wide field of view. In this paper we propose a new sensor that has omnidirectional viewing ability and it also provides depth information about the nearby surrounding. The sensor is based on a conventional camera coupled with a laser emitter and two hyperbolic mirrors. Mathematical formulation and precise specifications of the intrinsic and extrinsic parameters of the sensor are discussed. Our approach overcomes limitations of the existing omni-directional sensors and eventually leads to reduced costs of production

Overview of coded light projection techniques for automatic 3D profiling

Obtaining automatic 3D profile of objects is one of the most important issues in computer vision. With this information, a large number of applications become feasible: from visual inspection of industrial parts to 3D reconstruction of the environment for mobile robots. In order to achieve 3D data, range finders can be used. Coded structured light approach is one of the most widely used techniques to retrieve 3D information of an unknown surface. An overview of the existing techniques as well as a new classification of patterns for structured light sensors is presented. This kind of systems belong to the group of active triangulation method, which are based on projecting a light pattern and imaging the illuminated scene from one or more points of view. Since the patterns are coded, correspondences between points of the image(s) and points of the projected pattern can be easily found. Once correspondences are found, a classical triangulation strategy between camera(s) and projector device leads to the reconstruction of the surface. Advantages and constraints of the different patterns are discussed

Implementation of a robust coded structured light technique for dynamic 3D measurements

This paper presents the implementation details of a coded structured light system for rapid shape acquisition of unknown surfaces. Such techniques are based on the projection of patterns onto a measuring surface and grabbing images of every projection with a camera. Analyzing the pattern deformations that appear in the images, 3D information of the surface can be calculated. The implemented technique projects a unique pattern so that it can be used to measure moving surfaces. The structure of the pattern is a grid where the color of the slits are selected using a De Bruijn sequence. Moreover, since both axis of the pattern are coded, the cross points of the grid have two codewords (which permits to reconstruct them very precisely), while pixels belonging to horizontal and vertical slits have also a codeword. Different sets of colors are used for horizontal and vertical slits, so the resulting pattern is invariant to rotation. Therefore, the alignment constraint between camera and projector considered by a lot of authors is not necessary

Soil fertility, organic carbon and fractions of the organic matter at different distances from eucalyptus stumps

Knowledge on variations in vertical, horizontal and temporal characteristics of the soil chemical properties under eucalyptus stumps left in the soil is of fundamental importance for the management of subsequent crops. The objective of this work was to evaluate the effect of eucalyptus stumps (ES) left after cutting on the spatial variability of chemical characteristics in a dystrophic Yellow Argisol in the eastern coastal plain region of Brazil. For this purpose, ES left for 31 and 54 months were selected in two experimental areas with similar characteristics, to assess the decomposition effects of the stumps on soil chemical attributes. Soil samples were collected directly around these ES, and at distances of 30, 60, 90, 120 and 150 cm away from them, in the layers 0-10, 10-20 and 20-40 cm along the row of ES, which is in-between the rows of eucalyptus trees of a new plantation, grown at a spacing of 3 x 3 m. The soil was sampled in five replications in plots of 900 m² each and the samples analyzed for pH, available P and K (Mehlich-1), exchangeable Al, Ca and Mg, total organic carbon (TOC) and C content in humic substances (HS) and in the free light fraction. The pH values and P, K, Ca2+, Mg2+ and Al3+ contents varied between the soil layers with increasing distance from the 31 and 54-monthold stumps. The highest pH, P, K, Ca2+ and Mg2+ values and the lowest Al3+ content were found in the surface soil layer. The TOC of the various fractions of soil organic matter decreased with increasing distance from the 31 and 54-month-old ES in the 0-10 and 10-20 cm layers, indicating that the root (and stump) cycling and rhizodeposition contribute to maintain soil organic matter. The C contents of the free light fraction, of the HS and TOC fractions were higher in the topsoil layer under the ES left for 31 months due to the higher clay levels of this layer, than in those found under the 54-month-old stumps. However, highest C levels of the different fractions of soil organic matter in the topsoil layer reflect the deposition and maintenance of forest residues on the soil surface, mainly after forest harvest.

DISTRIBUTION OF ORGANIC CARBON IN DIFFERENT SOIL FRACTIONS IN ECOSYSTEMS OF CENTRAL AMAZONIA

Organic matter plays an important role in many soil properties, and for that reason it is necessary to identify management systems which maintain or increase its concentrations. The aim of the present study was to determine the quality and quantity of organic C in different compartments of the soil fraction in different Amazonian ecosystems. The soil organic matter (FSOM) was fractionated and soil C stocks were estimated in primary forest (PF), pasture (P), secondary succession (SS) and an agroforestry system (AFS). Samples were collected at the depths 0-5, 5-10, 10-20, 20-40, 40-60, 60-80, 80-100, 100-160, and 160-200 cm. Densimetric and particle size analysis methods were used for FSOM, obtaining the following fractions: FLF (free light fraction), IALF (intra-aggregate light fraction), F-sand (sand fraction), F-clay (clay fraction) and F-silt (silt fraction). The 0-5 cm layer contains 60 % of soil C, which is associated with the FLF. The F-clay was responsible for 70 % of C retained in the 0-200 cm depth. There was a 12.7 g kg-1 C gain in the FLF from PF to SS, and a 4.4 g kg-1 C gain from PF to AFS, showing that SS and AFS areas recover soil organic C, constituting feasible C-recovery alternatives for degraded and intensively farmed soils in Amazonia. The greatest total stocks of carbon in soil fractions were, in decreasing order: (101.3 Mg ha-1 of C - AFS) > (98.4 Mg ha-1 of C - FP) > (92.9 Mg ha-1 of C - SS) > (64.0 Mg ha-1 of C - P). The forms of land use in the Amazon influence C distribution in soil fractions, resulting in short- or long-term changes.

Organic Matter Fractions and Quality of the Surface Layer of a Constructed and Vegetated Soil After Coal Mining. II - Physical Compartments and Carbon Management Index

Soils constructed after mining often have low carbon (C) stocks and low quality of organic matter (OM). Cover crops are decisive for the recovery process of these stocks, improving the quality of constructed soils. Therefore, the goal of this study was to evaluate the effect of cover crops on total organic C (TOC) stocks, C distribution in physical fractions of OM and the C management index (CMI) of a soil constructed after coal mining. The experiment was initiated in 2003 with six treatments: Hemarthria altissima (T1), Paspalum notatum (T2), Cynodon dactylon (T3), Urochloa brizantha (T4), bare constructed soil (T5), and natural soil (T6). Soil samples were collected in 2009 from the 0.00-0.03 m layer, and the TOC and C stocks in the physical particle size fractions (carbon in the coarse fraction - CCF, and mineral-associated carbon - MAC) and density fractions (free light fraction - FLF; occluded light fraction - OLF, and heavy fraction - HF) of OM were determined. The CMI components: carbon pool index (CPI), lability (L) and lability index (LI) were estimated by both fractionation methods. No differences were observed between TOC, CCF and MAC stocks. The lowest C stocks in FLF and OLF fractions were presented by T2, 0.86 and 0.61 Mg ha-1, respectively. The values of TOC stock, C stock in physical fractions and CMI were intermediate, greater than T5 and lower than T6 in all treatments, indicating the partial recovery of soil quality. As a result of the better adaptation of the species Hemarthria and Brizantha, resulting in greater accumulation of labile organic material, the CPI, L, LI and CMI values were higher in these treatments, suggesting a greater potential of these species for recovery of constructed soils.

ORGANIC MATTER FRACTIONS IN A QUARTZIPSAMMENT UNDER CULTIVATION OF IRRIGATED MANGO IN THE LOWER SÃO FRANCISCO VALLEY REGION, BRAZIL

Improper land use has lead to deterioration and depletion of natural resources, as well as a significant decline in agricultural production, due to decreased soil quality. Removal of native vegetation to make way for agricultural crops, often managed inadequately, results in soil disruption, decreased nutrient availability, and decomposition of soil organic matter, making sustainable agricultural production unviable. Thus, the aim of the present study was to evaluate the impact of growing irrigated mango (over a 20 year period) on the organic carbon (OC) stocks and on the fractions of soil organic matter (SOM) in relation to the native caatinga (xeric shrubland) vegetation in the Lower São Francisco Valley region, Brazil. The study was carried out on the Boa Esperança Farm located in Petrolina, Pernambuco, Brazil. In areas under irrigated mango and native caatinga, soil samples were collected at the 0-10 and 10-20 cm depths. After preparing the soil samples, we determined the OC stocks, carbon of humic substances (fulvic acid fractions, humic acid fractions, and humin fractions), and the light and heavy SOM fractions. Growing irrigated mango resulted in higher OC stocks; higher C stocks in the fulvic acid, humic acid, and humin fractions; and higher C stocks in the heavy and light SOM fraction in comparison to nativecaatinga, especially in the uppermost soil layer.

Changes in Soil Organic Carbon Fractions in Response to Cover Crops in an Orange Orchard

ABSTRACT The cultivation of cover crops intercropped with fruit trees is an alternative to maintain mulch cover between plant rows and increase soil organic carbon (C) stocks. The objective of this study was to evaluate changes in soil total organic C content and labile organic matter fractions in response to cover crop cultivation in an orange orchard. The experiment was performed in the state of Bahia, in a citrus orchard with cultivar ‘Pera’ orange (Citrus sinensis) at a spacing of 6 × 4 m. A randomized complete block design with three replications was used. The following species were used as cover crops: Brachiaria (Brachiaria decumbes) – BRAQ, pearl millet (Pennisetum glaucum) – MIL, jack bean (Canavalia ensiformis) – JB, blend (50 % each) of jack bean + millet (JB/MIL), and spontaneous vegetation (SPV). The cover crops were broadcast-seeded between the rows of orange trees and mechanically mowed after flowering. Soil sampling at depths of 0.00-0.10, 0.10-0.20, and 0.20-0.40 m was performed in small soil trenches. The total soil organic C (SOC) content, light fraction (LF), and the particulate organic C (POC), and oxidizable organic C fractions were estimated. Total soil organic C content was not significantly changed by the cover crops, indicating low sensitivity in reacting to recent changes in soil organic matter due to management practices. Grasses enabled a greater accumulation of SOC stocks in 0.00-0.40 m compared to all other treatments. Jack bean cultivation increased LF and the most labile oxidizable organic C fraction (F1) in the soil surface and the deepest layer tested. Cover crop cultivation increased labile C in the 0.00-0.10 m layer, which can enhance soil microbial activity and nutrient absorption by the citrus trees. The fractions LF and F1 may be suitable indicators for monitoring changes in soil organic matter content due to changes in soil management practices.