New perspectives in the use of ink evidence in forensic science: Part III: Operational applications and evaluation

The research reported in this series of article aimed at (1) automating the search of questioned ink specimens in ink reference collections and (2) at evaluating the strength of ink evidence in a transparent and balanced manner. These aims require that ink samples are analysed in an accurate and reproducible way and that they are compared in an objective and automated way. This latter requirement is due to the large number of comparisons that are necessary in both scenarios. A research programme was designed to (a) develop a standard methodology for analysing ink samples in a reproducible way, (b) comparing automatically and objectively ink samples and (c) evaluate the proposed methodology in forensic contexts. This report focuses on the last of the three stages of the research programme. The calibration and acquisition process and the mathematical comparison algorithms were described in previous papers [C. Neumann, P. Margot, New perspectives in the use of ink evidence in forensic science-Part I: Development of a quality assurance process for forensic ink analysis by HPTLC, Forensic Sci. Int. 185 (2009) 29-37; C. Neumann, P. Margot, New perspectives in the use of ink evidence in forensic science- Part II: Development and testing of mathematical algorithms for the automatic comparison of ink samples analysed by HPTLC, Forensic Sci. Int. 185 (2009) 38-50]. In this paper, the benefits and challenges of the proposed concepts are tested in two forensic contexts: (1) ink identification and (2) ink evidential value assessment. The results show that different algorithms are better suited for different tasks. This research shows that it is possible to build digital ink libraries using the most commonly used ink analytical technique, i.e. high-performance thin layer chromatography, despite its reputation of lacking reproducibility. More importantly, it is possible to assign evidential value to ink evidence in a transparent way using a probabilistic model. It is therefore possible to move away from the traditional subjective approach, which is entirely based on experts' opinion, and which is usually not very informative. While there is room for the improvement, this report demonstrates the significant gains obtained over the traditional subjective approach for the search of ink specimens in ink databases, and the interpretation of their evidential value.

Microbiological properties and oxidizable organic carbon fractions of an oxisol under coffee with split phosphorus applications and irrigation regimes

Phosphorus fertilization and irrigation increase coffee production, but little is known about the effect of these practices on soil organic matter and soil microbiota in the Cerrado. The objective of this study was to evaluate the microbiological and oxidizable organic carbon fractions of a dystrophic Red Latossol under coffee and split phosphorus (P) applications and different irrigation regimes. The experiment was arranged in a randomized block design in a 3 x 2 factorial design with three split P applications (P1: 300 kg ha-1 P2O5, recommended for the crop year, of which two thirds were applied in September and the third part in December; P2: 600 kg ha-1 P2O5, applied at planting and then every two years, and P3: 1,800 kg ha-1 P2O5, the requirement for six years, applied at once at planting), two irrigation regimes (rainfed and year-round irrigation), with three replications. The layers 0-5 and 5-10 cm were sampled to determine microbial biomass carbon (MBC), basal respiration (BR), enzyme activity of acid phosphatase, the oxidizable organic carbon fractions (F1, F2, F3, and F4), and total organic carbon (TOC). The irrigation regimes increased the levels of MBC, microbial activity and acid phosphatase, TOC and oxidizable fractions of soil organic matter under coffee. In general, the form of dividing P had little influence on the soil microbial properties and OC. Only P3 under irrigation increased the levels of MBC and acid phosphatase activity.

Nutrients in soil layers under no-tillage after successive pig slurry applications

Successive applications of pig slurry to soils under no-tillage can increase the nutrient levels in the uppermost soil layers and part of the nutrients may be transferred to deeper layers. The objective was to evaluate the distribution of nutrients in the profile of a soil after 19 pig slurry applications under no-tillage for 93 months. The experiment was conducted from May 2000 to January 2008 in an experimental area of the Federal University of Santa Maria, southern Brazil, on a Typic Hapludalf. The treatments consisted of pig slurry applications (0, 20, 40 and 80 m³ ha-1) and at the end of the experiment, soil samples were collected (layers 0-2, 2-4, 4-6, 6-8, 8-10, 10-12, 12-14, 14-16, 16-18, 18-20, 20-25, 25-30, 30-35, 35-40, 40-50 and 50-60 cm). The levels of mineral N, available P and K and total N, P and K were evaluated. The 19 pig slurry applications in 93 months promoted migration of total N and P down to 30 cm and available P and K to the deepest layer analyzed. At the end of the experiment, no increase was observed in mineral N content in the deeper layers, but increased levels of available P and K, showing a transfer of N, P and K to layers below the sampled. This evidences undesirable environmental and economic consequences of the use of pig slurry and reinforces the need for a more rational use, i.e., applications of lower manure doses, combined with mineral fertilizers.

Accurate and efficient simulation of multiphase flow in a heterogeneous reservoir by using error estimate and control in the multiscale finite-volume framework

The multiscale finite-volume (MSFV) method is designed to reduce the computational cost of elliptic and parabolic problems with highly heterogeneous anisotropic coefficients. The reduction is achieved by splitting the original global problem into a set of local problems (with approximate local boundary conditions) coupled by a coarse global problem. It has been shown recently that the numerical errors in MSFV results can be reduced systematically with an iterative procedure that provides a conservative velocity field after any iteration step. The iterative MSFV (i-MSFV) method can be obtained with an improved (smoothed) multiscale solution to enhance the localization conditions, with a Krylov subspace method [e.g., the generalized-minimal-residual (GMRES) algorithm] preconditioned by the MSFV system, or with a combination of both. In a multiphase-flow system, a balance between accuracy and computational efficiency should be achieved by finding a minimum number of i-MSFV iterations (on pressure), which is necessary to achieve the desired accuracy in the saturation solution. In this work, we extend the i-MSFV method to sequential implicit simulation of time-dependent problems. To control the error of the coupled saturation/pressure system, we analyze the transport error caused by an approximate velocity field. We then propose an error-control strategy on the basis of the residual of the pressure equation. At the beginning of simulation, the pressure solution is iterated until a specified accuracy is achieved. To minimize the number of iterations in a multiphase-flow problem, the solution at the previous timestep is used to improve the localization assumption at the current timestep. Additional iterations are used only when the residual becomes larger than a specified threshold value. Numerical results show that only a few iterations on average are necessary to improve the MSFV results significantly, even for very challenging problems. Therefore, the proposed adaptive strategy yields efficient and accurate simulation of multiphase flow in heterogeneous porous media.

Phosphorus availability in oxidic soils treated with lime and silicate applications

Based on the assumption that silicate application can raise soil P availability for crops, the aim of this research was to compare the effect of silicate application on soil P desorption with that of liming, in evaluations based on two extractors and plant growth. The experiment was carried out in randomized blocks with four replications, in a 3 × 3 × 5 factorial design, in which three soil types, three P rates, and four soil acidity correctives were evaluated in 180 experimental plots. Trials were performed in a greenhouse using corn plants in 20-dm³ pots. Three P rates (0, 50 and 150 mg dm-3) were applied in the form of powder triple superphosphate and the soil was incubated for 90 days. After this period, soil samples were collected for routine chemical analysis and P content determination by the extraction methods resin, Mehlich-1 and remaining P. Based on the results, acidity correctives were applied at rates calculated for base saturation increased to 70 %, with subsequent incubation for 60 more days, when P content was determined again. The acidity correctives consisted of: dolomitic lime, steelmaking slag, ladle furnace slag, and wollastonite. Therefore, our results showed that slags raised the soil P content more than lime, suggesting a positive correlation between P and Si in soil. Silicon did not affect the extractor choice since both Mehlich-1 and resin had the same behavior regarding extracted P when silicon was applied to the soil. For all evaluated plant parameters, there was significant interaction between P rates and correctives; highest values were obtained with silicate.

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

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

LAYERED DOUBLE HYDROXIDES: NANOMATERIALS FOR APPLICATIONS IN AGRICULTURE

The current research aims to introduce Layered Double Hydroxides (LDH) as nanomaterials to be used in agriculture, with particular reference to its use as storage and slow release matrix of nutrients and agrochemicals for plant growing. Structural characteristics, main properties, synthesis methods and characterization of LDH were covered in this study. Moreover, some literature data have been reported to demonstrate their potential for storage and slow release of nitrate, phosphate, agrochemicals, besides as being used as adsorbent for the wastewater treatment. This research aims to expand, in near future, the investigation field on these materials, with application in agriculture, increasing the interface between chemistry and agronomy.

CHROMIUM IN SOIL ORGANIC MATTER AND COWPEA AFTER FOUR CONSECUTIVE ANNUAL APPLICATIONS OF COMPOSTED TANNERY SLUDGE

Tannery sludge contains high concentrations of inorganic elements, such as chromium (Cr), which may lead to environmental pollution and affect human health The behavior of Cr in organic matter fractions and in the growth of cowpea (Vigna unguiculata L.) was studied in a sandy soil after four consecutive annual applications of composted tannery sludge (CTS). Over a four-year period, CTS was applied on permanent plots (2 × 5 m) and incorporated in the soil (0-20 cm) at the rates of 0, 2.5, 5.0, 10.0, and 20.0 Mg ha-1 (dry weight basis). These treatments were replicated four times in a randomized block design. In the fourth year, cowpea was planted and grown for 50 days, at which time we analyzed the Cr concentrations in the soil, in the fulvic acid, humic acid, and humin fractions, and in the leaves, pods, and grains of cowpea. Composted tannery sludge led to an increase in Cr concentration in the soil. Among the humic substances, the highest Cr concentration was found in humin. The application rates of CTS significantly increased Cr concentration in leaves and grains.