Modeling soil organic carbon dynamics in Oxisols of Ibiruba (Brazil) with the Century Model

introduction of conservation practices in degraded agricultural land will generally recuperate soil quality, especially by increasing soil organic matter. This aspect of soil organic C (SOC) dynamics under distinct cropping and management systems can be conveniently analyzed with ecosystem models such as the Century Model. In this study, Century was used to simulate SOC stocks in farm fields of the Ibiruba region of north central Rio Grande do Sul state in Southern Brazil. The region, where soils are predominantly Oxisols, was originally covered with subtropical woodlands and grasslands. SOC dynamics was simulated with a general scenario developed with historical data on soil management and cropping systems beginning with the onset of agriculture in 1900. From 1993 to 2050, two contrasting scenarios based on no-tillage soil management were established: the status quo scenario, with crops and agricultural inputs as currently practiced in the region and the high biomass scenario with increased frequency of corn in the cropping system, resulting in about 80% higher biomass addition to soils. Century simulations were in close agreement with SOC stocks measured in 2005 in the Oxisols with finer texture surface horizon originally under woodlands. However, simulations in the Oxisols with loamy surface horizon under woodlands and in the grassland soils were not as accurate. SOC stock decreased from 44% to 50% in fields originally under woodland and from 20% to 27% in fields under grasslands with the introduction of intensive annual grain crops with intensive tillage and harrowing operations. The adoption of conservation practices in the 1980s led to a stabilization of SOC stocks followed by a partial recovery of native stocks. Simulations to 2050 indicate that maintaining status quo would allow SOC stocks to recover from 81% to 86% of the native stocks under woodland and from 80% to 91 % of the native stocks under grasslands. Adoption of a high biomass scenario would result in stocks from 75% to 95% of the original stocks under woodlands and from 89% to 102% in the grasslands by 2050. These simulations outcomes underline the importance of cropping system yielding higher biomass to further increase SOC content in these Oxisols. This application of the Century Model could reproduce general trends of SOC loss and recovery in the Oxisols of the Ibiruba region. Additional calibration and validation should be conducted before extensive usage of Century as a support tool for soil carbon sequestration projects in this and other regions can be recommended. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Soil mineralogy of mangrove forests from the state of Sao Paulo, Southeastern Brazil

The minerals of the clay fraction in estuarine plains are mainly detrital being a mixture of marine and continental sediments, but can also be authigenic. Because of the importance of mangrove ecosystems in tropical estuarine areas and the relatively few existing studies of the mineralogical composition of soils in these environments, the aim of this study was to determine the mineralogical assemblage and identify potential contrasts along the coast of the State of Sao Paulo. Soils from I I mangroves distributed along the coastal plain of the State of Sao Paulo were sampled at depths of 0 to 20 and 60 to 80 cm, and samples of suspended sediments from the Ribeira do Iguape River were collected for analysis. Mineralogical analyses were performed on the clay and silt fractions by x-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy, and fresh soil samples were analyzed by scanning electron microscopy-energy dispersive spectrometry and suspended sediments by XRD. The silt fraction contained quartz, feldspars, gibbsite, kaolinite, illite, and vermiculite, and the clay fraction contained smectite, kaolinite, illite, gibbsite, quartz, and feldspars. Locally, vermiculite, biotite, anatase, halloysite, and goethite may occur because of recent transport of sediments to the system. Pyrite was identified in fresh samples. The allochthonous minerals found either were terrestrial and transported by rivers or had originated from the continental platform by past transgressive events. We suggest that the neoformation of smectite and kaolinite occurs in mangrove soils. Different geomorphological settings along the Sao Paulo coast appear to regulate mineral distribution in mangrove soils.

The application of electron microscopy and microanalysis in conjunction with organic petrology to further the understanding of organic-mineral association: examples from Mount Isa and McArthur Basins, Australia

Organic petrology supported by electron microscopical and micro-analytical techniques was applied to organic matter in Proterozoic sediments to better understand hydrothermal processes responsible for ore-grade mineralisation. It was shown that organic maturation was not only closely linked to the geological history of the sediments, but also highlighted heat transfer by convection as differentiated from conduction solely through sediment burial and step-wise subsidence. Water-rock ratios effect organic maturation in hydrothermal systems, and erratic reflectance profiles are indicators of convective heat transfer. Identification and characterisation of organic materials in terms of source rock and migrated hydrocarbons was shown to be a powerful tool in reconstructing the thermal history of sediments, identifying hydrothermal episodes, fluid pathways and heat source in the northern Australian Proterozoic basins. Higher reflectance of organic matter towards the central parts of the Mount Isa Basin and some of the most northerly parts point to proximity to higher heat flow at times, in contrast to relatively low temperatures prevailing in the western parts of the basin, next to the Murphy Inlier. A close correlation shown between peak organic reflectance values and super-sequence boundaries farther highlighted the valuable information to be gained from organic petrology, by allowing the separation of processes responsible for metal dissolution and transportation from those inducing precipitation. (C) 2001 Elsevier Science B.V All rights reserved.

Nitrogen fertilization of coffee: organic compost and Crotalaria juncea L.

Information concerning the response of coffee to organic fertilizers is scarce. This study evaluates the effect of different doses of compost and Crotalaria juncea L. on growth, production and nitrogen nutrition of coffee trees. The treatments consisted of compost at rates of 25, 50, 75 and 100% of the recommended fertilization, with or without the aerial part of C. juncea. C. juncea was grown with NH4-N (2% 15N) and applied to coffee. The use of C. juncea increased growth in height and diameter of the coffee canopy. In the first year, the percentage of N derived from C. juncea reached 8.5% at seven months and 4.1% at fifteen months after fertilization. In the second year, the percentage of N derived from C. juncea reached 17.9% N at the early harvest, five months after fertilization. Increased rates of compost increased pH , P , K , Ca , Mg , sum of bases , effective CEC, base saturation and organic matter and reduced potential acidity. 15N allowed the identification of the N contribution from C. juncea with percentage of leaf N derived from Crotalaria juncea from 9.2 to 17.9%.

Comparison of different methods for the determination of total organic carbon and humic substances in Brazilian soils

ABSTRACTAiming to compare three different methods for the determination of organic carbon (OC) in the soil and fractions of humic substances, seventeen Brazilian soil samples of different classes and textures were evaluated. Amounts of OC in the soil samples and the humic fractions were measured by the dichromate-oxidation method, with and without external heating in a digestion block at 130 °C for 30 min; by the loss-on-ignition method at 450 °C during 5 h and at 600 °C during 6 h; and by the dry combustion method. Dry combustion was used as reference in order to measure the efficiency of the other methods. Soil OC measured by the dichromate-oxidation method with external heating had the highest efficiency and the best results comparing to the reference method. When external heating was not used, the mean recovery efficiency dropped to 71%. The amount of OC was overestimated by the loss-on-ignition methods. Regression equations obtained between total OC contents of the reference method and those of the other methods showed relatively good adjustment, but all intercepts were different from zero (p < 0.01), which suggests that more accuracy can be obtained using not one single correction factor, but considering also the intercept. The Walkley-Black method underestimated the OC contents of the humic fractions, which was associated with the partial oxidation of the humin fraction. Better results were obtained when external heating was used. For the organic matter fractions, the OC in the humic and fulvic acid fractions can be determined without external heating if the reference method is not available, but the humin fraction requires the external heating.

Coupling organic substrate removal to methane production in a fully biological microbial electrolysis cell

Microbial electrolysis cells (MECs) are an innovative and emerging technique based on the use of solid-state electrodes to stimulate microbial metabolism for wastewater treatment and simultaneous production of value-added compounds (such as methane). This research studied the performance of a two-chamber MEC in terms of organic matter oxidation (at the anode) and methane production (at the cathode). MEC‟s anode had been previously inoculated with an activated sludge, whereas the cathode chamber inoculum was an anaerobic sludge (containing methanogenic microorganisms). During the experimentation, the bioanode was continuously fed with synthetic solutions in anaerobic basal medium, at an organic load rate (OLR) of around 1 g L-1 d-1, referred to the chemical oxygen demand (COD). At the beginning (Run I), the feeding solution contained acetate and subsequently (Run II) it was replaced with a more complex solution containing soluble organic compounds other than acetate. For both conditions, the anode potential was controlled at -0.1 V vs. standard hydrogen electrode, by means of a potentiostat. During Run I, over 80% of the influent acetate was anaerobically oxidized at the anode, and the resulting electric current was recovered as methane at the cathode (with a cathode capture efficiency, CCE, accounting around 115 %). The average energy efficiency of the system (i.e., the energy captured into methane relative to the electrical energy input) under these conditions was over 170%. However, reactor‟s performance decreased over time during this run. Throughout Run II, a substrate oxidation over 60% (on COD basis) was observed. The electric current produced (57% of coulombic efficiency) was also recovered as methane, with a CCE of 90%. For this run the MEC‟s average energy efficiency accounted for almost 170 %. During all the experimentation, a very low biomass growth was observed at the anode whereas ammonium was transferred through the cationic membrane and concentrated at the cathode. Tracer experiments and scanning electron microscopy analyses were also carried out to gain a deeper insight into the reactor performance and also to investigate the possible reasons for partial loss of performance. In conclusion, this research suggests the great potential of MEC to successfully treat low-strength wastewaters, with high energy efficiency and very low sludge production.

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.

Trace-element and phosphorus contents in sediment associated with Cretaceous oceanic anoxic events

ABSTRACT : During my SNSF-funded Ph.D. thesis project, I studied the evolution of redox conditions and organic-carbon preservation in the western Tethyan realm during three major positive excursions in the Cretaceous δ13C record, corresponding to the Valanginian, Early Aptian and Late Cenomanian. These periods were characterized by important global environmental and climate change, which was associated with perturbations in the carbon cycle. For the period of the Valanginian δ13C excursion, total organic carbon (TOC) contents and the quality of preserved organic matter are typical of oxic pelagic settings in the western Tethys. This is confirmed by the absence of major excursions in the stratigraphic distribution of RSTE during the δ13C shift. Published TOC data from other parts of the Valanginian oceans indicate that dys- to anaerobic zones were restricted to marginal seas within the Atlantic and Southern Ocean, and to the Pacific. Phosphorus (P) and mineralogical contents suggest a stepwise climatic evolution during the Valanginian, with a humid and warm climate prior to the δ13C shift leading to an increase in continental runoff. During the δ13C shift, a decrease in detrital input and P contents suggests a change in the climate towards more and conditions. During the early Aptian oceanic anoxic event (OAE 1a), a general increase followed by a rapid decrease in P contents suggests enhanced nutrient input at the beginning of OAE 1a. The return to lower values during OAE 1 a, associated with an increase in RSTE contents, may have been related to the weakened capacity to retain P in the sedimentary reservoir due to bottom-water oxygen depletion. In basinal settings, the RSTE distribution indicates well-developed anoxic conditions during OAE la, whereas in the shallower-water environments, conditions were oxic to suboxic, rather than anoxic. Furthermore, in the deeper part of the Tethys, two distinct enrichments have been observed, indicating fluctuations in the intensity of water column anoxia during the δ73C excursion. We also studied the effect of the end-Cenomanian oceanic anoxic event (OAE 2) on an expanded section in the Chrummflueschlucht (E of Euthal, Ct Switzerland). The goal here was to identify paleoceanographic and paleoenvironmental conditions during OAE 2 in this part of the northern Tethyan margin. The results show that this section is one of the most complete sections for the Cenomanian-Turonian boundary interval known from the Helvetic realm, despite a small hiatus between sediments corresponding to peaks 1 and 2 in the δ13C record. The evolution of P contents points to an increase in the input of this nutrient at the onset of OAE 2. The trends in RSTE contents show, however, that this part of the Helvetic realm was not affected by a strong depletion in oxygen conditions during OAE 2, despite its hemipelagic position. A further goal of this project was to submit the samples to a total extraction method (a combined HF/HNO3/HCI acid digestion) and compare the results obtained by the partial HNO3 acid extraction in order to standardize the analytical prócedures in the extraction of RSTE. The obtained results for samples of OAE 1 a suggest that RSTE trends using the partial HNO3 digestion are very comparable to those obtained by the total digestion method and subsequently normalized with regards to AI contents. RÉSUMÉ : Durant ce projet de thèse, financé par le Swiss National Science Funding (SNSF), j'ai étudié l'évolution des conditions redox et de la préservation de carbone organique dans le domnaine ouesttéthysien pendant trois excursions majeures du δ13C au Crétacé correspondant au Valanginien, à l'Aptien inférieur et à la limite Cénomanien-Turonien. Ces périodes sont caractérisées par des changements climatiques et environnementaux globaux associés à des perturbations dans le cylce du carbone. Pour L'excursion positive en δ13C du Valanginien, les analyses du carbone organique total (COT) et les observations palynologiques du domaine téthysien ont présenté des indications d'environnement pélagique relativementbienoxygéné. L'absence d'enrichissements en éléments traces sensibles aux conditions redox (TE) pendant l'excursion positive en δ13C confirme ces interprétations. Les données publiées de COT dans d'autres partie du globe indiquent cependant l'existence de conditions dys- à anaérobiques dans certains bassins restreints de l'Atlantique, l'Océan Austral et du Pacifique. L'évolution du phosphore (P) et la composition minéralogique des sédiments semblent indiquer un climat relativement chaud et humide avant l'excursion en δ13C entraînant une augmentation de l'altération continentale. Pendant le shift isotopique, une diminution des apports détritiques et du P suggèrent une transition vers des conditions plus arides. À l'Aptien Inférieur, le début de l'événement anoxique (OAE 1a) est marqué par une augmentation générale du P dans les sédiments indiquant une augmentation du niveau trophique à la base de l'excursion isotopique. Durant l'événement anoxique, les sédiments sont relativement appauvris en P. Cette diminution rapide associée à des enrichissements en TE est probablement liée à une remobilisation plus importante du P lors de la mise en place de conditions anoxiques dans les eaux de fond. Dans les environnements de bassin, le comportement des TE (enrichissements bien marqués) attestent de conditions réductrices bien marquées alors que dans les environnements moins profonds, les conditions semblent plutôt oxiques à dysoxiques. De plus, deux niveaux d'enrichissement en TE ont été observés dans la partie plus profonde de la Téthys, indiquant des fluctuations assez rapides dans l'intensité de l'anoxie de la colonne d'eau. Nous avons ensuite étudié les effets de l'événement anoxique de la fin du Cenomanien (OAE 2) dans un basin marginal de la marge nord de la Téthys avec la coupe de Chrummflueschlucht (à l'est de Euthal, Ct Schwyz). Les résultats ont montré que cette coupe présente un des enregistrements sédimentaires des plus complets de l'OAE 2 dans le domaine helvétique malgré un hiatus entre le pic 1 et 2 de l'excursion en δ13C. L'évolution du P montre une augmentation au début de l'OAE 2. Cependant, la distribution des TE indique que cette région n'a pas été affectée par des conditions réductrices trop importantes. Un second aspect de ce travail a été l'étude des différentes méthodes sur l'analyse de la distribution des TE. Des échantillons de l'OAE 1a ont été soumis à deux types d'extractions, l'une dite «totale » (attaque combinée d'acides HF/HNO3/HCI) et l'autre dite partielle » (HNO3). Les résultats obtenus suggèrent que les courbes de tendances des TE acquises par extraction partielle sont semblables à celle obtenues par extraction totale et normalisées par l'AI.

Hydrocarbon biomarkers in the Topla-Mezica zinc-lead deposits, northern Karavanke/Drau Range, Slovenia: Paleoenvironment at the site of ore formation

The Mississippi Valley-type zinc and lead deposits at Topla (250,150 metric tons (t) of ore grading 1.0 wt % Zn and 3.3 wt % Pb) and Mezica (19 million metric tons (Mt) of ore grading 5.3 wt % Pb and 2.7 wt % Zn) occur within the Middle to Upper Triassic platform carbonate rocks of the northern Karavanke/Drau Range geotectonic units of the Eastern Alps, Slovenia. The ore and host rocks of these deposits have been investigated by a combination of inorganic and organic geochemical methods to determine major, trace, and rare earth element (REE) concentrations, hydrocarbon distribution, and stable isotope ratios of carbonates, kerogen, extractable organic matter, and individual hydrocarbons. These data combined with sedimentological evidence provide insight into the paleoenvironmental conditions at the site of ore formation. The carbonate isotope composition, the REE patterns, and the distribution of hydrocarbon biomarkers (normal alkanes and steranes) suggest a marine depositional environment. At Topla, a relatively high concentration of redox sensitive trace elements (V, Mo, U) in the host dolostones and REE patterns parallel to that of the North American shale composite suggest that sediments were deposited in a reducing environment. Anoxic conditions enhanced the preservation of organic matter and resulted in relatively higher total organic carbon contents (up to 0.4 wt %). The isotopic composition of the kerogen (delta C-13(kerogon) = -29.4 to -25.0 parts per thousand, delta N-15(kerogen) = -.13.6 to 6.8 parts per thousand) suggests that marine algae and/or bacteria were the main source of organic carbon with a very minor contribution from detrital continental plants and a varying degree of alteration. Extractable organic matter from Topla ore is generally depleted in C-13 compared to the associated kerogen, which is consistent with an indigenous source of the bitumens. The mineralization correlates with delta N-15(kerogen) values around 0 per mil, C-13 depleted kerogen, C-13 enriched n-heptadecane, and relatively high concentrations of bacteria] hydrocarbon biomarkers, indicating a high cyanobacterial biomass at the site of ore formation. Abundant dissimilatory sulfate-reducing bacteria, feeding on the cyanobacterial remains, led to accumulation of biogenic H2S in the pore water of the sediments. This biogenic H2S was mainly incorporated into sedimentary organic matter and diagenetic pyrite. Higher bacterial activity at the ore site also is indicated by specific concentration ratios of hydrocarbons, which are roughly correlated with total Pb plus Zn contents. This correlation is consistent with mixing of hydrothermal metal-rich, fluids and local bacteriogenic sulfide sulfur. The new geochemical data provide supporting evidence that Topla is a low-temperature Mississippi Valley-type deposit formed in an anoxic supratidal saline to hypersaline environment. A laminated cyanobacterial mat, with abundant sulfate-reducing bacteria was the main site of sulfate reduction.

Binding of ²³⁹Pu and ⁹⁰Sr to organic colloids in soil solutions: evidence from a field experiment.

Colloidal transport has been shown to enhance the migration of plutonium in groundwater downstream from contaminated sites, but little is known about the adsorption of ⁹⁰Sr and plutonium onto colloids in the soil solution of natural soils. We sampled soil solutions using suction cups, and separated colloids using ultrafiltration to determine the distribution of ²³⁹Pu and ⁹⁰Sr between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the solutions of three Alpine soils contaminated only by global fallout from the nuclear weapon tests. Plutonium was essentially found in the colloidal fraction (>80%) and probably associated with organic matter. A significant amount of colloidal ⁹⁰Sr was detected in organic-rich soil solutions. Our results suggest that binding to organic colloids in the soil solutions plays a key role with respect to the mobility of plutonium in natural alpine soils and, to a lesser extent, to the mobility of ⁹⁰Sr.

Paleoenvironmental evolution of the Helvetic shallow-water carbonate platform near the Barremian-Aptian boundary, and its relationship with paleoceanographic and paleoclimatic change in the Tethys

Abstract:During my doctoral research, I focused on deciphering the interactions between sea-level and climate change during the Late Barremian-Early Aptian, their expression in the Tethys basin and in the Helvetic carbonate platform. The research highlights are summarized here in three points: In the Helvetic Alps, the transition between the Lower Schrattenkalk (Upper Barremian) and the Rawil Member (Lowermost Aptian) is characterized by a change from a predominantly photozoan to a heterozoan carbonate-producing system, which coincides in time with a general increase in detrital and nutrient input. The clay mineral record shows the appearance of kaolinite within the Rawil Member, whereas this mineral is absent from the uppermost Lower and lowermost Upper Schrattenkalk Members. This indicates the installation of a warmer and more humid climate during this time period. A negative peak in 513C is recorded at the top of the Lower Schrattenkalk Member, and correlates with the well-known negative excursion of -l%o occurring in other basins and dated as latest Barremian, thus confirming a latest Barremian and earliest Aptian age for the Lower Schrattenkalk and Rawil Members, respectively. Furthermore, a sequence stratigraphie framework has been defined for the Rawil Member, based on both the ecology of faunal and floral assemblages, and their palaeoenvironmental interpretation, as well as on the stacking pattern of limestone beds observed during field prospection. The presence of a sequence boundary is postulated near the top of the Lower Schrattenkalk Member, which is correlated with the earliest Aptian SbAl defined in Vercors (France). The SbAl is characterized by a maximum of proximal assemblages and by the disappearance of several benthic foraminiferal species. Within the Rawil Member itself, the stacking pattern and microfacies trends are interpreted to represent the TST of the first Aptian sequence. With regards to the pelagic setting in the Tethyan realm, I investigated the Gorgo a Cerbara section (central Italy). There, thin organic-rich layers occur episodically in pelagic carbonates of the upper Barremian portion of the Maiolica Formation. They are associated with high Corg:Ptot ratios, which indicate the presence of intermittent dysoxic to anoxic conditions. Coarse correlations are also observed between TOC, Ρ and biogenic silica contents, indicating links between Ρ availability, productivity, and organic matter preservation. The corresponding 813Ccarb and δ180 records remain, however, quite stable, indicating that these brief periods of enhanced TOC preservation did not have sufficient impact on the marine carbon household to deviate 6,3C records, and are probably not the consequence of major climate change. On the other hand, organic-rich layers become more frequent around the Barremian-Aptian boundary in both pelagic and hemi-pelagic environments (Gorgo a Cerbara and La Bédoule, France), which are correlated with negative excursions in 6l3Ccarb and 613Corg records. During the earliest Aptian, at Gorgo a Cerbara, the frequency of organic-rich intervals progressively increases and redox-sensitive trace-element enrichments become more frequent, until the highest TOC-enriched level just below the "Livello Selli", indicator of Oceanic Anoxic Event la (OAEla). The latter is associated with the well-known negative spike in 613Ccarb and S,3Corg records, a diminution in the δ,80 record interpreted as the consequence of a wanning interval, an important peak in Ρ accumulation and high Cor::Ptot ratios indicating the prevalence of anoxic conditions. The Selli Level (OAEla) documents a general cooling phase and coincides with maximum RSTE enrichments as well as high Corg:Ptot ratios, which confirm the importance of anoxic conditions during OAE1 a at this site.During the Early Aptian, environmental change on the platform is expressed by orbitolinids proliferation that may be induced by both climate change and sea-level rise. In the basin, the successive black shales horizons from the Late Barremian until the OAE la are interpreted as the progressive impact of palaeoenvironmental change probably linked to the formation of the Ontong- Java plate-basalt plateau.RésuméCe travail de thèse a permis d'investiguer les interactions entre les variations du niveau marin et les changements climatiques sur la plate-forme helvétique ainsi qu'en domaine pélagique à la limite Barrémien-Aptien (Crétacé).Dans les Alpes helvétiques, la limite Barrémien-Aptien est marquée par la transition du Schrattenkalk inférieur, caractérisé par des carbonates photozaires, au Membre de Rawil caractérisé par des carbonates héterozoaires. Cette transition est marquée par une arrivée massive d'éléments détritiques et un apport de nutriments ayant entraîné la prolifération de foraminifères agglutinés tels que les orbitolines. L'analyse des minéraux argileux indique l'apparition de la kaolinite durant le Membre de Rawil, interprétée comme l'installation d'un climat plus chaud et humide. Un pic négatif en 513C est enregistré au sommet du Schrattenkalk inférieur correspond à l'excursion négative de -1%0 bien connue en domaine pélagique et datée comme Barrémien terminal. Cette corrélation apporte un contrôle chronostratigraphique supplémentaire permettant de dater le Schrattenkalk inférieur du Barrémien sup. et le Membre de Rawil de l'Aptien inf. D'autre part, une étude stratigraphique, basée sur des observations de terrain et sur l'interprétation d'assemblages floristiques et faunistiques en terme de paléoenvironnement a permis de mettre en évidence une limite de séquence au sommet du Schrattenkalk inf., corrélable avec la SbAl définie dans le Vercors. Durant la mise en place du Membre de Rawil, l'évolution des microfaciès est interprétée comme le « Transgressive System Tract » de la première séquence aptienne.En domaine pélagique, de minces couches riches en matière organique (MO) apparaissent dès le Barrémien sup. dans la coupe de Gorgo a Cerbara (Italie). Elles sont associées à un ratio C:P élevé indiquant des conditions épisodiquement dysoxiques à anoxiques. De plus, une corrélation nette entre Carbone Organique Total (TOC), phosphore (P) et silice biogénique est observée correspondant à un lien entre Ρ disponible, productivité et préservation de la MO. Pourtant, dans le même temps, le ÔI3C et le δ1βΟ restent constants indiquant des conditions environnementales stables et un cycle du carbone non perturbé par la préservation de MO qui ne serait pas la conséquence d'un changement climatique global mais juste d'un effet local.Ala limite Barrémien-Aptien, en domaine hémi-pélagique (La Bédoule, France) et pélagique (Gorgo a Cerbara), les couches riches en MO sont plus fréquentes et plus épaisses, elles se sont déposées en même temps qu'un pic négatif en 513CCARB et ô13Coib probablement dû à un épisode volcanique. A l'Aptien inf. le TOC des niveaux riches en MO augmente progressivement en même temps que la teneur en éléments traces jusqu'au dernier enrichissement avant l'événement anoxique océanique la (OAE la) correspondant au « niveau critique inf. », indiquant des conditions anoxiques moins restreintes. Celui-ci est également caractérisé par le fameux pic négatif en Ô13C (C3), une diminution du δ180 interprétée comme un réchauffement, par un pic en Ρ et un ratio C:P élevé. L'OAE 1 a, quant à lui, enregistre un refroidissement et coïncide avec le maximum en éléments traces ainsi qu'un fort ratio C:P mettant en valeur l'importance des conditions anoxiques pendant 1ΌΑΕ la dans cette coupe alors qu'aucune perturbation n'est enregistrés à La Bédoule probablement à cause de conditions paléogéographiques locales.Durant l'Aptien inf., les changements environnementaux sur la plate-forme se marquent par la prolifération d'orbitolines due à un changement climatique et une hausse du niveau marin. En domaine profond, la succession de niveaux riches en MO du Barrémien sup. jusqu'à l'OAE la documente l'impact progressif de changements paléoenvironnementaux, probablement liés à la formation du plateau d'Ontong Java à l'ouest de l'océan Pacifique.

Mineralogical, K-Ar, stable and Sr isotope systematics of K-white micas during very low-grade metamorphism of limestones (Helvetic nappes, Western Switzerland)

Mineralogical, K-Ar, Rb-Sr and stable isotope analyses have been carried out on K-white micas from Helvetic Malm limestones in order to examine their evolution during very low- to low-grade Alpine metamorphism, associated with intense ductile deformation. Metamorphic temperatures were estimated al approximately 300-degrees-C from stable isotopes (quartz-calcite thermometry), occurrence of chloritoid, and `'epizonal'' illite crystallinity index. K-white micas consist of variable mixtures of 2M, phengite and muscovite, as revealed by detailed X-ray diffraction analyses using peak decomposition of the (060, 331) spectra. K-Ar apparent ages display a strong grain-size dependence in which mainly fine-grained size fractions (< 2 mum) record Alpine ages (37-15 Ma). However, these ages provide a relative rather than an absolute chronology of the diachronous Alpine metamorphic evolution of the Helvetic nappes. The resetting of the K-Ar isotopic system of K-white micas to Alpine metamorphic conditions reflects an apparent combination of crystallization/recrystallization and radiogenic Ar-40 diffusion loss. The oxygen isotope compositions of micas (+ 15 to + 22 parts per thousand) are intermediate between detrital and O-18-enriched values expected for micas neoformed within an abundant marine carbonate matrix. No isotopic equilibrium has been reached between calcite and micas. The variable depletion of hydrogen isotope compositions (- 126 to - 82 parts per thousand) is influenced by the interaction with organic matter under closed-system conditions. Organic matter, if not removed, may also represent a serious source of error in K-Ar age determination, by introducing radiogenic Ar-40 contamination. Sr-87/Sr-86 isotope ratios of micas range from 0.70879 to 0.70902 with one outlier at 0.71794. The low values reflect Sr exchange with calcite occurring during crystallization/recrystallization of micas under closed-system conditions.

Comparison of H/Al stoichiometry of mineral and organic soils in Brazil

Exchangeable Al has been used as a criterion for the calculation of lime requirement in several Brazilian States. However, the laboratory method with extraction by a 1 mol L-1 KCl solution followed by indirect alkaline titration is not accurate for some Brazilian soils, mainly in the case of soils with high organic matter content. The objective of this study was therefore to evaluate the stoichiometry of H+/Al3+ in KCl soil extracts. The results suggested that organically complexed Al is the main contributor to exchangeable acidity in soils enriched with organic matter. Liming recommendations for organic soils based exclusively on exchangeable Al determined by the NaOH titration method should therefore be revised.

Modeling changes in organic carbon stocks for distinct soils in southeastern brazil after four eucalyptus rotations using the century model

Soil organic matter (SOM) plays an important role in carbon (C) cycle and soil quality. Considering the complexity of factors that control SOM cycling and the long time it usually takes to observe changes in SOM stocks, modeling constitutes a very important tool to understand SOM cycling in forest soils. The following hypotheses were tested: (i) soil organic carbon (SOC) stocks would be higher after several rotations of eucalyptus than in low-productivity pastures; (ii) SOC values simulated by the Century model would describe the data better than the mean of observations. So, the aims of the current study were: (i) to evaluate the SOM dynamics using the Century model to simulate the changes of C stocks for two eucalyptus chronosequences in the Rio Doce Valley, Minas Gerais State, Brazil; and (ii) to compare the C stocks simulated by Century with the C stocks measured in soils of different Orders and regions of the Rio Doce Valley growing eucalyptus. In Belo Oriente (BO), short-rotation eucalyptus plantations had been cultivated for 4.0; 13.0, 22.0, 32.0 and 34.0 years, at a lower elevation and in a warmer climate, while in Virginópolis (VG), these time periods were 8.0, 19.0 and 33.0 years, at a higher elevation and in a milder climate. Soil samples were collected from the 0-20 cm layer to estimate C stocks. Results indicate that the C stocks simulated by the Century model decreased after 37 years of poorly managed pastures in areas previously covered by native forest in the regions of BO and VG. The substitution of poorly managed pastures by eucalyptus in the early 1970´s led to an average increase of C of 0.28 and 0.42 t ha-1 year-1 in BO and VG, respectively. The measured C stocks under eucalyptus in distinct soil Orders and independent regions with variable edapho-climate conditions were not far from the values estimated by the Century model (root mean square error - RMSE = 20.9; model efficiency - EF = 0.29) despite the opposite result obtained with the statistical procedure to test the identity of analytical methods. Only for lower soil C stocks, the model over-estimated the C stock in the 0-20 cm layer. Thus, the Century model is highly promising to detect changes in C stocks in distinct soil orders under eucalyptus, as well as to indicate the impact of harvest residue management on SOM in future rotations.

Influence of organic-mineral fertilization of an oxisol on soil chemical properties and Bracharia brizantha production

The use of organic-mineral fertilizer produced by the manufacturing industry of lysine and threonine amino acids can improve the fertility of tropical soils. The objective of this study was to evaluate the influence of different doses of the organic-mineral fertilizer named Ajifer L-14 on chemical properties and on the response with increased production of a forage on a Red Latosol in the northwestern region of São Paulo State, Brazil. A randomized block design was used with seven treatments and four replications. The treatments consisted of: T1- control (without application of Ajifer L-14); T2- control (natural vegetation); T3- mineral fertilization according to crop requirements and soil analysis (application of 1.35 kg plot-1 of urea, 2.20 single superphosphate, and 0.51 KCl, corresponding to 60 of N, 40 P2O5 and 30 kg ha-1 of K2O); T4- fertilization with Ajifer L-14 according to the recommendation resulting from the soil chemical analysis (40 L plot-1, corresponding to 60 kg ha-1 N); T5- fertilization with Ajifer L-14, at a rate of 150 % of the recommended values (60 L plot-1, corresponding to 90 kg ha-1 N); T6- fertilization with Ajifer L-14 at a rate of 50 % of the recommended values (20 L plot-1, corresponding to 30 kg ha-1 N); T7- fertilization with Ajifer L-14 at a rate of 125 % of the recommended values (50 L plot-1, corresponding to 75 kg ha-1 N); T8- fertilization with Ajifer L-14 at a rate of 75 % of the recommended values (30 L plot-1, corresponding to 45 kg ha-1 N). The following soil chemical properties were evaluated (layers 0.0-0.1 and 0.1-0.2 m): P, organic matter, pH, K+, Ca2+, Mg2+, cation exchange capacity, potential acidity, and base saturation. The application of this organic-mineral fertilizer does not influence the soil chemical properties. Regression analysis indicated a polynomial relationship between the application rates of organic-mineral fertilizer and the production of dry matter and crude protein of Bracharia Brizantha.