Impacts of vinasse and methods of sugarcane harvesting on the availability of K and carbon stock of an Argisol

ABSTRACT Soils of tropical regions are more weathered and in need of conservation managements to maintain and improve the quality of its components. The objective of this study was to evaluate the availability of K, the organic matter content and the stock of total carbon of an Argisol after vinasse application and manual and mechanized harvesting of burnt and raw sugarcane, in western São Paulo.The data collection was done in the 2012/2013 harvest, in a bioenergy company in Presidente Prudente/SP. The research was arranged out following a split-plot scheme in a 5x5 factorial design, characterized by four management systems: without vinasse application and harvest without burning; with vinasse application and harvest without burning; with vinasse application and harvest after burning; without vinasse application and harvest after burning; plus native forest, and five soil sampling depths (0-10 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 cm), with four replications. In each treatment, the K content in the soil and accumulated in the remaining dry biomass in the area, the levels of organic matter, organic carbon and soil carbon stock were determined. The mean values were compared by Tukey test. The vinasse application associated with the harvest without burning increased the K content in soil layers up to 40 cm deep. The managements without vinasse application and manual harvest after burning, and without vinasse application with mechanical harvesting without burning did not increase the levels of organic matter, organic carbon and stock of total soil organic carbon, while the vinasse application and harvest after burning and without burning increased the levels of these attributes in the depth of 0-10 cm.

Cork industry wastewater partition by ultra/nanofiltration: A biodegradation and valorisation study

Wastewater from cork processing industry present high levels of organic and phenolic compounds, such as tannins, with a low biodegradability and a significant toxicity. These compounds are not readily removed by conventional municipal wastewater treatment, which is largely based on primary sedimentation followed by biological treatment. The purpose of this work is to study the biodegradability of different cork wastewater fractions, obtained through membrane separation, in order to assess its potential for biological treatment and having in view its valorisation through tannins recovery, which could be applied in other industries. Various ultrafiltration and nanofiltration membranes where used, with molecular weight cut-offs (MWCO) ranging from 0.125 to 91 kDa. The wastewater and the different permeated fractions were analyzed in terms of Total Organic Carbon (TOC), Chemical Oxygen Demand (COD), Biochemical Oxygen Demand (BOD), Total Phenols (TP), Tannins, Color, pH and Conductivity. Results for the wastewater shown that it is characterized by a high organic content (670.5-1056.8 mg TOC/L, 2285-2604 mg COD/L, 1000-1225 mg BOD/L), a relatively low biodegradability (0.35-0.38 for BODs/COD and 0.44-0.47 for BOD20/COD) and a high content of phenols (360-410 mg tannic acid/L) and tannins (250-270 mg tannic acid/L). The results for the wastewater fractions shown a general decrease on the pollutant content of permeates, and an increase of its biodegradability, with the decrease of the membrane MWCO applied. Particularly, the permeated fraction from the membrane MWCO of 3.8 kDa, presented a favourable index of biodegradability (0.8) and a minimized phenols toxicity that enables it to undergo a biological treatment and so, to be treated in a municipal wastewater treatment plant. Also, within the perspective of valorisation, the rejected fraction obtained through this membrane MWCO may have a significant potential for tannins recovery. Permeated fractions from membranes with MWCO lower than 3.8 kDa, presented a particularly significant decline of organic matter and phenols, enabling this permeates to be reused in the cork processing and so, representing an interesting perspective of zero discharge for the cork industry, with evident environmental and economic advantages. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Determination of total petroleum hydrocarbons in soil from different locations using infrared spectrophotometry and gas chromatography

Total petroleum hydrocarbons (TPH) are important environmental contaminants which are toxic to human and environmental receptors. Several analytical methods have been used to quantify TPH levels in contaminated soils, specifically through infrared spectrometry (IR) and gas chromatography (GC). Despite being two of the most used techniques, some issues remain that have been inadequately studied: a) applicability of both techniques to soils contaminated with two distinct types of fuel (petrol and diesel), b) influence of the soil natural organic matter content on the results achieved by various analytical methods, and c) evaluation of the performance of both techniques in analyses of soils with different levels of contamination (presumably non-contaminated and potentially contaminated). The main objectives of this work were to answer these questions and to provide more complete information about the potentials and limitations of GC and IR techniques. The results led us to the following conclusions: a) IR analysis of soils contaminated with petrol is not suitable due to volatilisation losses, b) there is a significant influence of organic matter in IR analysis, and c) both techniques demonstrated the capacity to accurately quantify TPH in soils, irrespective of their contamination levels.

Biorremediação de solos contaminados com produtos petrolíferos

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Integration of sediment contamination with multi–biomarker responses in a novel bioindicator candidate (Sepia officinalis) for risk assessment in impacted estuaries

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente

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.

The design and development of heat extraction technologies for the utilisation of compost thermal energy

A composting Heat Extraction Unit (HEU) was designed to utilise waste heat from decaying organic matter for a variety of heating application The aim was to construct an insulated small scale, sealed, organic matter filled container. In this vessel a process fluid within embedded pipes would absorb thermal energy from the hot compost and transport it to an external heat exchanger. Experiments were conducted on the constituent parts and the final design comprised of a 2046 litre container insulated with polyurethane foam and kingspan with two arrays of qualpex piping embedded in the compost to extract heat. The thermal energy was used in horticultural trials by heating polytunnels using a radiator system during a winter/spring period. The compost derived energy was compared with conventional and renewable energy in the form of an electric fan heater and solar panel. The compost derived energy was able to raise polytunnel temperatures to 2-3°C above the control, with the solar panel contributing no thermal energy during the winter trial and the electric heater the most efficient maintaining temperature at its preset temperature of 10°C. Plants that were cultivated as performance indicators showed no significant difference in growth rates between the heat sources. A follow on experiment conducted using special growing mats for distributing compost thermal energy directly under the plants (Radish, Cabbage, Spinach and Lettuce) displayed more successful growth patterns than those in the control. The compost HEU was also used for more traditional space heating and hot water heating applications. A test space was successfully heated over two trials with varying insulation levels. Maximum internal temperature increases of 7°C and 13°C were recorded for building U-values of 1.6 and 0.53 W/m2K respectively using the HEU. The HEU successfully heated a 60 litre hot water cylinder for 32 days with maximum water temperature increases of 36.5°C recorded. Total energy recovered from the 435 Kg of compost within the HEU during the polytunnel growth trial was 76 kWh which is 3 kWh/day for the 25 days when the HEU was activated. With a mean coefficient of performance level of 6.8 calculated for the HEU the technology is energy efficient. Therefore the compost HEU developed here could be a useful renewable energy technology particularly for small scale rural dwellers and growers with access to significant quantities of organic matter

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.

Avaluació de la capacitat de segrest de carboni d'un sòl restaurat amb fangs de depuradora: estabilitat de la matèria orgànica

L’avaluació de la capacitat de segrest de carboni d’un sòl denudat per l’extracció de calcàries i la seva posterior restauració amb fangs de depuradora s’ha realitzat mitjançant l’anàlisi de l’estabilitat de la matèria orgànica del sòl (MOS) en funció de la dosi de fangs aplicada. Els resultats d’aquest treball demostren dos fets fonamentals per a l’estudi de la capacitat de segrest de carboni, els qual són: la conservació del contingut total de MOS i l’augment de la seva estabilitat fins a nivells més alts que els de la MOS de les parcel·les de control. Aquests resultats són explicables per (i) la conservació i augment de la MOS recalcitrant, i (ii) la protecció d’una porció més o menys rellevant de la MO làbil continguda amb els fangs gràcies a l’acció simultània dels mecanismes d’estabilització de la MOS, com són: l’estabilització bioquímica (humificació), química, física, a més de la pròpia hidrofobicitat de la MOS, aquests dos últims potenciats per l’addicció del fangs de depuradora.

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.

Crop sequences in no-tillage system: effects on soil fertility and soybean, maize and rice yield

Decomposing crop residues in no-tillage system can alter soil chemical properties, which may consequently influence the productivity of succession crops. The objective of this study was to evaluate soil chemical properties and soybean, maize and rice yield, grown in the summer, after winter crops in a no-tillage system. The experiment was carried out in Jaboticabal, SP, Brazil (21 ° 15 ' 22 '' S; 48 ° 18 ' 58 '' W) on a Red Latosol (Oxisol), in a completely randomized block design, in strip plots with three replications. The treatments consisted of four summer crop sequences (maize monocrop, soybean monocrop, soybean/maize rotation and rice/bean/cotton rotation) combined with seven winter crops (maize, sunflower, oilseed radish, pearl millet, pigeon pea, grain sorghum and sunn hemp). The experiment began in September 2002. After the winter crops in the 2005/2006 growing season and before the sowing of summer crops in the 2006/2007 season, soil samples were collected in the layers 0-2.5; 2.5-5.0; 5-10; 10-20; and 20-30 cm. Organic matter, pH, P, K+, Ca2+, Mg2+, and H + Al were determined in each soil sample. In the summer soybean/maize rotation and in maize the organic matter contents and P levels were lower, in the layers 0-10 cm and 0-20 cm, respectively. Summer rice/bean/cotton rotation increased soil K levels at 0-10 cm depth when sunn hemp and oilseed radish had previously been grown in the winter, and in the 0-2.5 cm layer for millet. Sunn hemp, millet, oilseed radish and sorghum grown in the winter increased organic matter contents in the soil down to 30 cm. Higher P levels were found at the depths 0-2.5 cm and 0-5 cm, respectively, when sunn hemp and oilseed radish were grown in the winter. Highest grain yields for soybean in monoculture were obtained in succession to winter oilseed radish and sunn hemp and in rotation with maize, after oilseed radish, sunn hemp and millet. Maize yields were highest in succession to winter oilseed radish, millet and pigeon pea. Rice yields were lowest when grown after sorghum.

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.

Microbial alterations of the soil influenced by induced compaction

Compaction is one of the most destructive factors of soil quality, however the effects on the microbial community and enzyme activity have not been investigated in detail so far. The objective of this study was to evaluate the effects of soil compaction caused by the traffic of agricultural machines on the soil microbial community and its enzyme activity. Six compaction levels were induced by tractors with different weights driving over a Eutrustox soil and the final density was measured. Soil samples were collected after corn from the layers 0-0.10 and 0.10-0.20 m. The compaction effect on all studied properties was evident. Total bacteria counts were reduced significantly (by 22-30 %) and by 38-41 % of nitrifying bacteria in the soil with highest bulk density compared to the control. On the other hand, fungi populations increased 55-86 % and denitrifying bacteria 49-53 %. Dehydrogenase activity decreased 20-34 %, urease 44-46 % and phosphatase 26-28 %. The organic matter content and soil pH decreased more in the 0-0.10 than in the 0.10-0.20 m layer and possibly influenced the reduction of the microbial counts, except denitrifying bacteria, and all enzyme activities, except urease. Results indicated that soil compaction influences the community of aerobic microorganisms and their activity. This effect can alter nutrient cycling and reduce crop yields.

Environmental and agricultural benefits of a management system designed for sandy loam soils of the humid tropics

A sustainable management of soils with low natural fertility on family farms in the humid tropics is a great challenge and overcoming it would be an enormous benefit for the environment and the farmers. The objective of this study was to assess the environmental and agronomic benefits of alley cropping, based on the evaluation of C sequestration, soil quality indicators, and corn yields. Combinations of four legumes were used in alley cropping systems in the following treatments: Clitoria fairchildiana + Cajanus cajan; Acacia mangium + Cajanus cajan; Leucaena leucocephala + Cajanus cajan; Clitoria fairchildiana + Leucaena leucocephala; Leucaena leucocephala + Acacia mangium and a control. Corn was used as a cash crop. The C content was determined in the different compartments of soil organic matter, CEC, available P, base saturation, percentage of water saturation, the period of the root hospitality factor below the critical level and corn yield. It was concluded that alley cropping could substitute the slash and burn system in the humid tropics. The main environmental benefit of alley cropping is the maintenance of a dynamic equilibrium between C input and output that could sustain up to 10 Mg ha-1 of C in the litter layer, decreasing atmospheric CO2 levels. Alley cropping is also beneficial from the agricultural point of view, because it increases base saturation and decreases physical resistance to root penetration in the soil layer 0 - 10 cm, which ensures the increase and sustainability of corn yield.

Soil spectral library and its use in soil classification

Soil science has sought to develop better techniques for the classification of soils, one of which is the use of remote sensing applications. The use of ground sensors to obtain soil spectral data has enabled the characterization of these data and the advancement of techniques for the quantification of soil attributes. In order to do this, the creation of a soil spectral library is necessary. A spectral library should be representative of the variability of the soils in a region. The objective of this study was to create a spectral library of distinct soils from several agricultural regions of Brazil. Spectral data were collected (using a Fieldspec sensor, 350-2,500 nm) for the horizons of 223 soil profiles from the regions of Matão, Paraguaçu Paulista, Andradina, Ipaussu, Mirandópolis, Piracicaba, São Carlos, Araraquara, Guararapes, Valparaíso (SP); Naviraí, Maracajú, Rio Brilhante, Três Lagoas (MS); Goianésia (GO); and Uberaba and Lagoa da Prata (MG). A Principal Component Analysis (PCA) of the data was then performed and a graphic representation of the spectral curve was created for each profile. The reflectance intensity of the curves was principally influenced by the levels of Fe2O3, clay, organic matter and the presence of opaque minerals. There was no change in the spectral curves in the horizons of the Latossolos, Nitossolos, and Neossolos Quartzarênicos. Argissolos had superficial horizon curves with the greatest intensity of reflection above 2,200 nm. Cambissolos and Neossolos Litólicos had curves with greater reflectance intensity in poorly developed horizons. Gleisols showed a convex curve in the region of 350-400 nm. The PCA was able to separate different data collection areas according to the region of source material. Principal component one (PC1) was correlated with the intensity of reflectance samples and PC2 with the slope between the visible and infrared samples. The use of the Spectral Library as an indicator of possible soil classes proved to be an important tool in profile classification.