Effect of organic matter amendment, arsenic amendment and water management regime on rice grain arsenic species

Arsenic accumulation in rice grain has been identified as a major problem in some regions of Asia. A study was conducted to investigate the effect of increased organic matter in the soil on the release of arsenic into soil pore water and accumulation of arsenic species within rice grain. It was observed that high concentrations of soil arsenic and organic matter caused a reduction in plant growth and delayed flowering time. Total grain arsenic accumulation was higher in the plants grown in high soil arsenic in combination with high organic matter, with an increase in the percentage of organic arsenic species observed. The results indicate that the application of organic matter should be done with caution in paddy soils which have high soil arsenic, as this may lead to an increase in accumulation of arsenic within rice grains. Results also confirm that flooding conditions substantially increase grain arsenic. (c) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Deactivation mechanism of a Au/CeZrO4 catalyst during a low-temperature water gas shift reaction

On-stream deactivation during a water gas shift (WGS) reaction over gold supported on a ceria-zirconia catalyst was examined. Although the fresh catalyst has very high low temperature (<200 degrees C) for WGS activity, a significant loss of CO conversion is found under steady-state operations over hours. This has been shown to be directly related to the concentration of water in the gas phase. The same catalyst also undergoes thermal deactivation above 250 degrees C, and using a combined experimental and theoretical approach, a common deactivation mechanism is proposed. In both cases, the gold nanoparticles, which are found under reaction conditions, are thought to detach from the oxide support either through hydrolysis, <200 degrees C, or thermally, > 200 degrees C. This process reduces the metal-support interaction, which is considered to be critical in determining the high activity of the catalyst.

The hydrodynamics of small seabed mounted bottom hinged wave energy converters in shallow water:PhD thesis

This thesis investigates the hydrodynamics of a small, seabed mounted, bottom hinged, wave energy converter in shallow water. The Oscillating Wave Surge Converter is a pitching flap-type device which is located in 10-15m of water to take advantage of the amplification of horizontal water particle motion in shallow water. A conceptual model of the hydrodynamics of the device has been formulated and shows that, as the motion of the flap is highly constrained, the magnitude of the force applied to the flap by the wave is strongly linked to the power absorption.

An extensive set of experiments has been carried out in the wave tank at Queen’s University at both 40th and 20th scales. The experiments have included testing in realistic sea states to estimate device performance as well as fundamental tests using small amplitude monochromatic waves to determine the force applied to the flap by the waves. The results from the physical modelling programme have been used in conjunction with numerical data from WAMIT to validate the conceptual model.

The work finds that tuning the OWSC to the incident wave periods is problematic and only results in a marginal increase in power capture. It is also found that the addition of larger diameter rounds to the edges of the flap reduces viscous losses and has a greater effect on the performance of the device than tuning. As wave force is the primary driver of device performance it is shown that the flap should fill the water column and should pierce the water surface to reduce losses due to wave overtopping.

With the water depth fixed at approximately 10m it is shown that the width of the flap has the greatest impact on the magnitude of wave force, and thus device performance. An 18m wide flap is shown to have twice the absorption efficiency of a 6m wide flap and captures 6 times the power. However, the increase in power capture with device width is not limitless and a 24m wide flap is found to be affected by two-dimensional hydrodynamics which reduces its performance per unit width, especially in sea states with short periods. It is also shown that as the width increases the performance gains associated with the addition of the end effectors reduces. Furthermore, it is shown that as the flap width increases the natural pitching period of the flap increases, thus detuning the flap further from the wave periods of interest for wave energy conversion.

The effect of waves approaching the flap from an oblique angle is also investigated and the power capture is found to decrease with the cosine squared of the encounter angle. The characteristic of the damping applied by the power take off system is found to have a significant effect on the power capture of the device, with constant damping producing between 20% and 30% less power than quadratic damping. Furthermore, it is found that applying a higher level of damping, or a damping bias, to the flap as it pitches towards the beach increases the power capture by 10%.

A further set of experiments has been undertaken in a case study used to predict the power capture of a prototype of the OWSC concept. The device, called the Oyster Demonstrator, has been developed by Aquamarine Power Ltd. and is to be installed at the European Marine Energy Centre, Scotland, in 2009.

The work concludes that OWSC is a viable wave energy converter and absorption efficiencies of up 75% have been measured. It is found that to maximise power absorption the flap should be approximately 20m wide with large diameter rounded edges, having its pivot close to the seabed and its top edge piercing the water surface.

Contribution of water and cooked rice to an estimation of the dietary intake of inorganic arsenic in a rural village of West Bengal, India

Arsenic contamination of rice plants by arsenic-polluted irrigation groundwater could result in high arsenic concentrations in cooked rice. The main objective of the study was to estimate the total and inorganic arsenic intakes in a rural population of West Bengal, India, through both drinking water and cooked rice. Simulated cooking of rice with different levels of arsenic species in the cooking water was carried out. The presence of arsenic in the cooking water was provided by four arsenic species (arsenite, arsenate, methylarsonate or dimethylarsinate) and at three total arsenic concentrations (50, 250 or 500 mu g l(-1)). The results show that the arsenic concentration in cooked rice is always higher than that in raw rice and range from 227 to 1642 mu g kg(-1). The cooking process did not change the arsenic speciation in rice. Cooked rice contributed a mean of 41% to the daily intake of inorganic arsenic. The daily inorganic arsenic intakes for water plus rice were 229, 1024 and 2000 mu g day(-1) for initial arsenic concentrations in the cooking water of 50, 250 and 500 g arsenic l(-1), respectively, compared with the tolerable daily intake which is 150 mu g day(-1).

Is there a common water-activity limit for the three domains of life?

Archaea and Bacteria constitute a majority of life systems on Earth but have long been considered inferior to Eukarya in terms of solute tolerance. Whereas the most halophilic prokaryotes are known for an ability to multiply at saturated NaCl (water activity (a_w) 0.755) some xerophilic fungi can germinate, usually at high-sugar concentrations, at values as low as 0.650–0.605 a_w. Here, we present evidence that halophilic prokayotes can grow down to water activities of <0.755 for Halanaerobium lacusrosei (0.748), Halobacterium strain 004.1 (0.728), Halobacterium sp. NRC-1 and Halococcus morrhuae (0.717), Haloquadratum walsbyi (0.709), Halococcus salifodinae (0.693), Halobacterium noricense (0.687), Natrinema pallidum (0.681) and haloarchaeal strains GN-2 and GN-5 (0.635 a_w). Furthermore, extrapolation of growth curves (prone to giving conservative estimates) indicated theoretical minima down to 0.611 a_w for extreme, obligately halophilic Archaea and Bacteria. These were compared with minima for the most solute-tolerant Bacteria in high-sugar (or other non-saline) media (Mycobacterium spp., Tetragenococcus halophilus, Saccharibacter floricola, Staphylococcus aureus and so on) and eukaryotic microbes in saline (Wallemia spp., Basipetospora halophila, Dunaliella spp. and so on) and high-sugar substrates (for example, Xeromyces bisporus, Zygosaccharomyces rouxii, Aspergillus and Eurotium spp.). We also manipulated the balance of chaotropic and kosmotropic stressors for the extreme, xerophilic fungi Aspergillus penicilloides and X. bisporus and, via this approach, their established water-activity limits for mycelial growth (~0.65) were reduced to 0.640. Furthermore, extrapolations indicated theoretical limits of 0.632 and 0.636 a_w for A. penicilloides and X. bisporus, respectively. Collectively, these findings suggest that there is a common water-activity limit that is determined by physicochemical constraints for the three domains of life.

Automated image analysis for experimental investigations of salt water intrusion in coastal aquifers

A novel methodology has been developed to quantify important saltwater intrusion parameters in a sandbox style experiment using image analysis. Existing methods found in the literature are based mainly on visual observations, which are subjective, labour intensive and limits the temporal and spatial resolutions that can be analysed. A robust error analysis was undertaken to determine the optimum methodology to convert image light intensity to concentration. Results showed that defining a relationship on a pixel-wise basis provided the most accurate image to concentration conversion and allowed quantification of the width of mixing zone between the saltwater and freshwater. A large image sample rate was used to investigate the transient dynamics of saltwater intrusion, which rendered analysis by visual observation unsuitable. This paper presents the methodologies developed to minimise human input and promote autonomy, provide high resolution image to concentration conversion and allow the quantification of intrusion parameters under transient conditions.

CO2 capture and electrochemical conversion using superbasic [P66614][124Triz]

The ionic liquid trihexyltetradecylphosphonium 1,2,4-triazolide, [P66614][124Triz], has been shown to chemisorb CO2 through equimolar binding of the carbon dioxide with the 1,2,4-triazolide anion. This leads to a possible new, low energy pathway for the electrochemical reduction of carbon dioxide to formate and syngas at low overpotentials, utilizing this reactive ionic liquid media. Herein, an electrochemical investigation of water and carbon dioxide addition to the [P66614][124Triz] on gold and platinum working electrodes is reported. Electrolysis measurements have been performed using CO2 saturated [P66614][124Triz] based solutions at −0.9 V and −1.9 V on gold and platinum electrodes. The effects of the electrode material on the formation of formate and syngas using these solutions are presented and discussed.

Orange Zinc Germanate with Metallic Ge-Ge Bonds as a Chromophore-Like Center for Visible-Light-Driven Water Splitting

The efficiency of solar-energy-conversion devices depends on the absorption region and intensity of the photon collectors. Organic chromophores, which have been widely stabilized on inorganic semiconductors for light trapping, are limited by the interface between the chromophore and semiconductor. Herein we report a novel orange zinc germanate (Zn-Ge-O) with a chromophore-like structure, by which the absorption region can be dramatically expanded. Structural characterizations and theoretical calculations together reveal that the origin of visible-light response can be attributed to the unusual metallic Ge-Ge bonds which act in a similar way to organic chromophores. Benefiting from the enhanced light harvest, the orange Zn-Ge-O demonstrates superior capacity for solar-driven hydrogen production.

Simultaneous cellulose conversion and hydrogen production assisted by cellulose decomposition under UV-light photocatalysis

Photocatalytic conversion of cellulose to sugars and carbon dioxide with simultaneous production of hydrogen assisted by cellulose decomposition under UV or solar light irradiation was achieved upon immobilization of cellulose onto a TiO2 photocatalyst. This approach enables production of hydrogen from water without using valuable sacrificial agents, and provides the possibility for recovering sugars as liquid fuels.

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Combined effects of chemical and natural stressors to soil organisms and plants

Nas últimas décadas, a Terra tem experimentado um aquecimento global e mudanças nos padrões de precipitação. Muitos estudos sobre a avaliação de risco de agrotóxicos em organismos não-alvo foram realizados com base em protocolos padronizados, com condições abióticas controladas. Mas, em campo, os organismos são expostos a flutuações de vários fatores ambientais, bem como a poluentes, que podem alterar os limites de tolerância dos organismos aos stressores naturais, bem como alterar a toxicidade ou biodisponibilidade do químico em causa. Considerando isso, o principal objetivo deste trabalho foi o de avaliar de que modo e em que medida os fatores ambientais (temperatura, humidade do solo e radiação UV) podem interagir uns com os outros ou afetar a toxicidade do carbaril para invertebrados do solo e plantas. Para isso, foram utilizadas quatro espécies padrão: Folsomia candida, Eisenia andrei, Triticum aestivum e Brassica rapa, e simulados diferentes cenários climáticos, com vários parâmetros letais e subletais analisados. A exposição combinada foi analisada utilizando, quando possível, a ferramenta MIXTOX, com base no modelo de referência de acção independente (IA) e possíveis desvios, assim como rácios sinergísticos/antagonísticos (a partir de valores de EC50/LC50), quando a dose-resposta de um dos stressores não foi obtida. Todos os fatores de stress aplicados isoladamente causaram efeitos significativos sobre as espécies testadas e sua exposição combinada com carbaril, apresentaram respostas diferenciadas: para as minhocas, a seca e temperaturas elevadas aumentaram os efeitos deletérios do carbaril (sinergismo), enquanto o alagamento e temperaturas baixas diminuíram sua toxicidade (antagonismo). Para os colêmbolos, o modelo IA mostrou ser uma boa ferramenta para prever a toxicidade do carbaril tanto para temperaturas altas como para as baixas. Para as duas espécies de plantas foram encontradas diferenças significativas entre elas: em termos gerais, as interações entre carbaril e os stressores naturais foram observadas, com sinergismo aparecendo como o padrão principal relacionado com a radiação UV, solos secos e temperaturas elevadas, enquanto o padrão principal relacionado com temperaturas baixas e stress de alagamento foi o antagonismo. Quando os efeitos de dois stressores naturais (radiação UV e humidade do solo) em plantas foram avaliados, uma interação significativa foi encontrada: a seca aliviou o efeito deletério da radiação UV em T. aestivum e o alagamento aumentou os seus efeitos, mas para B. rapa a adição de ambos os stresses de água causou um aumento (sinergismo) dos efeitos deletérios da radiação UV para todos os parâmetros avaliados. Portanto é necessário que as diferenças sazonais e latitudinais, bem como as mudanças climáticas globais, sejam integradas na avaliação de risco de contaminantes do solo.

Physiology and metabolic profile of Moringa olifera and Eucalyptus globulus plants subjected to climate changes

As alterações climáticas emergentes têm um grande impacto no crescimento e desenvolvimento de espécies florestais, nomeadamente em espécies de valor industrial e medicinal, como é o caso do eucalipto (Eucalyptus globulus) e da moringa (Moringa oleifera). Assim, é urgente conhecer as respostas fisiológicas e entender as variações que ocorrem nos perfis metabólicos de espécies vegetais. Neste trabalho, plantas jovens de Eucalyptus globulus foram expostas a radiação UVB (12kJ/m2) e foram avaliadas as respostas fisiológicas e o perfil metabólico, um e onze dias após a aplicação da radiação. A dose de UVB usada não afetou as reações fotoquímicas nem as trocas gasosas, contudo ao nível do metabolismo do carbono (AST e amido) e do conteúdo de pigmentos verificaram-se pequenas alterações (AST e pigmentos). Através da análise do perfil metabólico de E. globulus foram encontrados compostos voláteis e semi-voláteis pertencentes às famílias dos terpenos, sesquiterpenos e aldeídos. Em geral, os sesquiterpenos e os álcoois monoterpénicos apresentaram uma tendência para manter e, em alguns casos, diminuir com o stress, enquanto que o grupos dos aldeídos aumentou e os monoterpenos apresentaram um comportamento mais heterogéneo. O E. globulus mostrou ser uma espécie tolerante à aplicação da dose de UVB usada neste trabalho. Por outro lado, plantas jovens de M. oleifera foram expostas a défice hídrico (DH). Um grupo de plantas foi recolhido um dia após o final da exposição e o outro grupo após onze dias do final da exposição. Foi avaliado o perfil metabólico desta espécie através de GC/MS. Os dados cromatográficos indicaram que em condições de stress (DH(1) e DH(11)), as quantidades de compostos associados a vias primárias e secundárias de defesa (como os alcanos, álcoois, ácidos carboxílicos, esteróis, aminoácidos e açucares) sofreram algumas alterações. As plantas analisadas 11 dias após a remoção do stress mostraram maiores variações do perfil de metabolitos. No entanto, tanto um como onze dias após a remoção do stress, as plantas apresentaram a formação de novos rebentos. Apesar do perfil de metabolitos ter sofrido algumas alterações, por não se registarem casos de morte, conclui-se que as plantas de moringa mostraram ser tolerantes aos tratamentos aplicados.

Induction of anti-herbivore defences by direct amphipod consumption and water borne grazer cues in macroalgae

Dissertação mest., Estudos Marinhos e Costeiros, Universidade do Algarve, 2007

Salt removing species

Dissertação de Mestrado, Gestão da Água e da Costa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2007