Synthesis, characterization and catalytic activity of Nd203 supported V205 catalysts

A series of rare-earth neodymia supported vanadium oxide catalysts with various V205 loadings ranging from 3 to 15 wt.% were prepared by the wet impregnation method using ammonium metavanadate as the vanadium precursor. The nature of vanadia species formed on the support surface is characterized hy a series of different physicochemical techniques like X-ray diffraction (XRD). Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). BET surface area, diffuse reflectance UV-vis spectroscopy (DR UV-vis), thermal analysis (TG-DTG/DTA) and SEM. The acidity of the prepared systems were verified by the stepwise temperature programmed desorprion of ammonia (NH3-TPD) and found that the total acidity gets increased with the percentage of vanadia loading. XRD and FT1R results shows the presence of surface dispersed vanadyl species at lower loadings and the formation of higher vanadate species as the percentage composition of vanadia is increased above 9 wt.%. The low surface area of the support. calcination temperature and the percentage of vanadia loading are found to influence the formation of higher vanadia species. The catalytic activity of the V205-Nd203 catalysts was probed in the liquid phase hydroxylation of phenol and the result show that the present catalysts are active at lower vanadia concentrations.

Influence of surface and acid properties of vanadia supported on ceria promoted with rice husk silica on cyclohexanol decomposition

Cyclohexanol decomposition activity of supported vanadia catalysts is ascribed to the high surface area, total acidity and interaction between supported vanadia and the amorphous support. Among the supported catalysts, the effect of vanadia over various wt% V2O5 (2–10) loading indicates that the catalyst comprising of 6 wt% V2O5 exhibits higher acidity and decomposition activity. Structural characterization of the catalysts has been done by techniques like energy dispersive X-ray analysis, X-ray diffraction and BET surface area. Acidity of the catalysts has been measured by temperature programmed desorption using ammonia as a probe molecule and the results have been correlated with the activity of catalysts.

Application of Fermentation Techniques in the Utilization of Prawn Shell Waste

The present study aimed at the utlisation of microbial organisms for the production of good quality chitin and chitosan. The three strains used for the study were Lactobacillus plantarum, Lactobacililus brevis and Bacillus subtilis. These strains were selected on the basis of their acid producing ability to reduce the pH of the fermenting substrates to prevent spoilage and thus caused demineralisation of the shell. Besides, the proteolytic enzymes in these strains acted on proteinaceous covering of shrimp and thus caused deprotenisation of shrimp shell waste. Thus the two processes involved in chitin production can be affected to certain extent using bacterial fermentation of shrimp shell.Optimization parameters like fermentation period, quantity of inoculum, type of sugar, concentration of sugar etc. for fermentation with three different strains were studied. For these, parameters like pH, Total titrable acidity (TTA), changes in sugar concentration, changes in microbial count, sensory changes etc. were studied.Fermentation study with Lactobacillus plantarum was continued with 20% w/v jaggery broth for 15 days. The inoculum prepared yislded a cell concentration of approximately 108 CFU/ml. In the present study, lactic acid and dilute hydrochloric acid were used for initial pH adjustment because; without adjusting the initial pH, it took more than 5 hours for the lactic acid bacteria to convert glucose to lactic acid and during this delay spoilage occurred due to putrefying enzymes active at neutral or higher pH. During the fermentation study, pH first decreased in correspondence with increase in TTA values. This showed a clear indication of acid production by the strain. This trend continued till their proteolytic activity showed an increasing trend. When the available sugar source started depleting, proteolytic activity also decreased and pH increased. This was clearly reflected in the sensory evaluation results. Lactic acid treated samples showed greater extent of demineralization and deprotenisation at the end of fermentation study than hydrochloric acid treated samples. It can be due to the effect of strong hydrochloric acid on the initial microbial count, which directly affects the fermentation process. At the end of fermentation, about 76.5% of ash was removed in lactic acid treated samples and 71.8% in hydrochloric acid treated samples; 72.8% of proteins in lactic acid treated samples and 70.6% in hydrochloric acid treated samples.The residual protein and ash in the fermented residue were reduced to permissible limit by treatment with 0.8N HCI and 1M NaOH. Characteristics of chitin like chitin content, ash content, protein content, % of N- acetylation etc. were studied. Quality characteristics like viscosity, degree of deacetylation and molecular weight of chitosan prepared were also compared. The chitosan samples prepared from lactic acid treated showed high viscosity than HCI treated samples. But degree of deacetylation is more in HCI treated samples than lactic acid treated ones. Characteristics of protein liquor obtained like its biogenic composition, amino acid composition, total volatile base nitrogen, alpha amino nitrogen etc. also were studied to find out its suitability as animal feed supplement.Optimization of fermentation parameters for Lactobacillus brevis fermentation study was also conducted and parameters were standardized. Then detailed fermentation study was done in 20%wlv jaggery broth for 17 days. Also the effect of two different acid treatments (mild HCI and lactic acid) used for initial pH adjustment on chitin production were also studied. In this study also trend of changes in pH. changes in sugar concentration ,microbial count changes were similar to Lactobacillus plantarum studies. At the end of fermentation, residual protein in the samples were only 32.48% in HCI treated samples and 31.85% in lactic acid treated samples. The residual ash content was about 33.68% in HCI treated ones and 32.52% in lactic acid treated ones. The fermented residue was converted to chitin with good characteristics by treatment with 1.2MNaOH and 1NHCI.Characteristics of chitin samples prepared were studied and extent of Nacetylation was about 84% in HCI treated chitin and 85%in lactic acid treated ones assessed from FTIR spectrum. Chitosan was prepared from these samples by usual chemical method and its extent of solubility, degree of deacetylation, viscosity and molecular weight etc were studied. The values of viscosity and molecular weight of the samples prepared were comparatively less than the chitosan prepared by Lactobacillus plantarum fermentation. Characteristics of protein liquor obtained were analyzed to determine its quality and is suitability as animal feed supplement.Another strain used for the study was Bacillus subtilis and fermentation was carried out in 20%w/v jaggery broth for 15 days. It was found that Bacillus subtilis was more efficient than other Lactobacillus species for deprotenisation and demineralization. This was mainly due to the difference in the proteolytic nature of the strains. About 84% of protein and 72% of ash were removed at the end of fermentation. Considering the statistical significance (P

Catalysis by Transition Metal Modified Ceria and Ceria-Zirconia Mixed Oxides Prepared via Sol-Gel Route

The aim of catalysis research is to apply the catalyst successfully in economically important reactions in an environmentally friendly way. The present work focuses on the modification of structural and surface properties of ceria and ceria-zirconia catalysts by the incorporation of transition metals. The applications of these catalysts in industrially important reactions like ethylbenzene oxidation, alkylation of aromatics are also investigated.Sol-gel method is effective for the preparation of transition metal modified ceria and ceria-zirconia mixed oxide since it produces catalyst with highly dispersed incorporated metal. Unlike that of impregnation method plugging of pores is not prominent for sol-gel derived catalyst materials. This prevents loss of surface area on metal modification as evident for BET surface area measurements.The powder X-ray diffraction analysis confirms the cubic structure of transition metal modified ceria and ceria-zirconia catalysts. The thermal stability is evident from TGA/DTA analysis. DR UV-vis spectra provide information on the coordination environment of the incorporated metal. EPR analysis ofCr, Mn and Cu modified ceria and a ceria-zirconia catalyst reveals the presence of different oxidation states of incorporated metal.Temperature programmed desorption of ammonia and thermogravimetric desorption of 2,6-dimethyl pyridine confirms the enhancement of acidity on metal incorporation. High a-methyl styrene selectivity in cumene cracking reaction implies the presence of comparatively more number of Lewis acid sites with some amount of Bronsted acid sites. The formation of cyclohexanone during cyclohexanol decomposition confirms the presence of basic sites on the catalyst surface.Mn and Cr modified catalysts show better activity towards ethylbenzene oxidation. A redox mechanism through oxometal pathway is suggested.All the catalysts were found to be active towards benzylation of toluene and a-xylene. The selectivity towards monoalkylated products remains almost 100%. The catalytic activity is correlated with the Lewis acidity of the prepared systems.The activity of the catalysts towards methylation of phenols depends on the strength acid sites as well as the redox properties of the catalysts. A strong dependence of methylation activity on the total acidity is illustrated.

Studies on Catalysis by Titania

Scientists throughout the world are in search of a better methodology to reduce the use of environmentally hazardous chemicals common in industries .A significant contribution in this field is given by different redox catalysts in oxidation reactions. The oxidation of organic substrates represents one of the most important industrial chemical reactions, explaining the significant efforts invested in the research and development of new heterogeneous catalysts with increased activities and selectivities in these type reactions[l-4|. Hence liquid phase reactions like epoxidation of cylcohexene and hydroxylation of phenol were carried out with a new outlook in the challenge using CeO2/TiO;; and CuO/TiO2 catalysts denoted as TiO2-Ce as TiO2-Cu respectively in this work. Also different wt% of metals incorporated titania catalysts like 3, 6, 9 wt% CeO2/TiO; and CuO/TiO;were subjected to the present study .The interaction between metal oxides and the oxide supports have attracted much attention because of the wide applications of supported metal oxide systems[7,8]. It is well known that supported oxides of transition metals are widely used as catalysts for various reactions. Titania as well its metal modified catalysts systems afford high activity and selectivity in the liquid phase epoxidation of cyclohexene[9]. Cyclohexene epoxide is obtained as the major product during the reaction with small amounts of allylic substitution products.This chapter gives an idea about the liquid phase oxidation reactions like epoxidation of cylcohexene and hydroxylation of phenol in which many industrially important products are formed. Here discusses about the redox properties of the ceria and copper incorporated titania catalysts.The epoxidation of cyclohcxene is carried out efficiently over the prepared systems with the selective formation of cyclohexane epoxide. This reaction hints that it might be possible to create cleaner nylon chemistry. The total acidity of the prepared systems plays an important role in determining the catalytic activity in the dehydrogenation of cyclohexane and cyclohexene. The total acidity of the prepared systems plays an important role in determining the catalytic activity in the dehydrogenation of cyclohexane and cyclohexene.

Vanadia Supported on Rice Husk Silica Promoted Rare Earth Oxides

The selective oxidation of alkylaromatics is one of the main processes since the reaction products are important as intermediates in numerous industrial organic chemicals. Side-chain oxidation of alkyl aromatic compounds catalyzed by heterogeneous catalysts using cleaner peroxide oxidants is an especially attractive goal since classical synthetic laboratory procedures preferably use permanganate or acid dichromate as stoichiometric oxidants. In spite of many studies, there are very few which use hydrogen peroxide as a source of oxygen in the C-H activation of alkanes. Eflective utilization of ethylbenzene, available in the xylene stream of the petrochemical industry to more value added products is a promising one in chemical industry. The oxidation products of ethylbenzene are widely employed as intermediates in organic, steroid and resin synthesis.

“A comparative study of medium and large pore zeolites in alkylation reactions”

Zeolites have established themselves as industrial catalysts for over two decades for a variety of hydrocarbon processing reactions where acidity and shape selectivity are important factors. As solid catalysts, zeolites may be advantageous and superior compared to their homogenous counterparts due to their characteristic properties. It is only in recent years that the utility of zeolites for organic synthesis is recognized for producing specific organic intermediates and fine chemicals in high selectivity. In this thesis an attempt has been made to compare the catalytic activity of some medium and large pore zeolites in a few alkylation and acylation reactions. The work reported in the present study is basically centered around the following zeolites namely, ZSM-5, mordenite, zeolite Y and beta. The major reactions carried out were benzoylation of o-xylene, propionylation of toluene and anisole and benzylation of oxylene. . The programme involves the synthesis, modifications and characterization of the zeolite catalysts by various methods. The influence of various parameters such as non-framework cations, Si/Al ratio of zeolites, temperature of the reaction, catalyst concentration, molar ratio of the reactants and recycling of the catalysts were also examined upon the conversion of reactants and the formation of the desired products in the alkylation/ acylation reactions. The general conclusions drawn by us from the results obtained are summarized in the last chapter of the thesis. Zeolite beta ofi'ers interesting opportunities as a potential catalyst in alkylation reactions and the area of catalysis by medium and large pore zeolites is very fascinating and there is plenty of scope for further research in this field. Moreover, zeolite based catalysts are effective in meeting current industrial processing and more stringent environment pollution limits.

Catalysis by Modified Pillared Clays and Porous Clay Heterostructures

In this venture three distinct class of catalysts such as, pillared clays and transition metal loaded pillared clays , porous clay heterostructures and their transition metal loaded analogues and DTP supported on porous clay heterostructures etc. were prepared and characterized by various physico chemical methods. The catalytic activities of prepared catalysts were comparatively evaluated for the industrially important alkylation, acetalization and oxidation reactions.The general conclusions drawn from the present investigation are  Zirconium, iron - aluminium pillared clays were synthesized by ion exchange method and zirconium-silicon porous heterostructures were Summary and conclusions 259 prepared by intergallery template method. Transition metals were loaded in PILCs and PCHs by wet impregnation method.  Textural and acidic properties of the clays were modified by pillaring and post pillaring modifications.  The shift in 2θ value to lower range and increase in d (001) spacing indicate the success of pillaring process.  Surface area, pore volume, average pore size etc. increased dramatically as a result of pillaring process.  Porous clay heterostructures have higher surface area, pore volume, average pore diameter and narrow pore size distribution than that of pillared clays.  The IR spectrum of PILCs and PCHs are in accordance with literature without much variation compared to parent montmorillonite which indicate that basic clay structure is retained even after modification.  The silicon NMR of PCHs materials have intense peaks corresponding to Q4 environment which indicate that mesoporous silica is incorporated between clay layers.  Thermo gravimetric analysis showed that thermal stability is improved after the pillaring process. PCH materials have higher thermal stability than PILCs.  In metal loaded pillared clays, up to 5% metal species were uniformly dispersed (with the exception of Ni) as evident from XRD and TPR analysis. Chapter 9 260  Impregnation of transition metals in PILCs and PCHs enhanced acidity of catalysts as evident from TPD of ammonia and cumene cracking reactions.  For porous clay heterostructures the acidic sites have major contribution from weak and medium acid sites which can be related to the Bronsted sites as evident from TPD of ammonia.  Pillared clays got more Lewis acidity than PCHs as inferred from α- methyl styrene selectivity in cumene cracking reaction.  SEM images show that layer structure is preserved even after modification. Worm hole like morphology is observed in TEM image of PCHs materials  In ZrSiPCHS, Zr exists as Zr 4+ and is incorporated to silica pillars in the intergallary of clay layers as evident from XPS analysis.  In copper loaded zirconium pillared clays, copper exists as isolated species with +2 oxidation state at lower loading. At higher loading, Cu exists as clusters as evident from reduction peak at higher temperatures in TPR.  In vanadium incorporated PILCs and PCHs, vanadium exist as isolated V5+ in tetrahedral coordination which is confirmed from TPR and UVVis DRS analysis.  In cobalt loaded PCHs, cobalt exists as CoO with 2+ oxidation state as confirmed from XPS.  Cerium incorporated iron aluminium pillared clay was found to be the best catalyst for the hydroxylation of phenol in aqueous media due to the additional surface area provided by ceria mesopores and its redox properties. Summary and conclusions 261  Cobalt loaded zirconium porous clay heterostructures were found to be promising catalyst for the tertiary butylation of phenol due to higher surface area and acidic properties.  Copper loaded pillared clays were found to be good catalyst for the direct hydroxylation of benzene to phenol.  Vanadium loaded PCHs catalysts were found to be efficient catalysts for oxidation of benzyl alcohol.  DTP was firmly fixed on the mesoporous channels of PCHs by Direct method and functionalization method.  DTP supported PCHs catalyst were found to be good catalyst for acetalization of cyclohexanone with more than 90% conversion.

Root-induced increases in soil pH and nutrient availability to field-grown cereals and legumes on acid sandy soils of Sudano-Sahelian West Africa

A field experiment with millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench], cowpea (Vigna unguiculata L.) and groundnut (Arachnis hypogeae L.) was conducted on severely P-deficient acid sandy soils of Niger, Mali and Burkina Faso to measure changes in pH and nutrient availability as affected by distance from the root surface and by mineral fertiliser application. Treatments included three rates of phosphorus (P) and four levels of nitrogen (N) application. Bulk, rhizosphere and rhizoplane soils were sampled at 35, 45 and 75 DAS in 1997 and at 55 and 65 DAS in 1998. Regardless of the cropping system and level of mineral fertiliser applied, soil pH consistently increased between 0.7 and two units from the bulk soil to the rhizoplane of millet. Similar pH gradients were observed in cowpea, but pH changes were much smaller in sorghum with a difference of only 0.3 units. Shifts in pH led to large increases in nutrient availability close to the roots. Compared with the bulk soil, available P in the rhizoplane was between 190 and 270% higher for P-Bray and between 360 and 600% higher for P-water. Exchangeable calcium (Ca) and magnesium (Mg) levels were also higher in the millet rhizoplane than in the bulk soil, whereas exchangeable aluminium (Al) levels decreased with increasing pH close to the root surface. The results suggest an important role of root-induced pH increases for crops to cope with acidity-induced nutrient deficiency and Al stress of soils in the Sudano-Sahelian zone of West Africa.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Biochar improves fertility of a clay soil in the Brazilian Savannah: short term effects and impact on rice yield

The objective of this study was to report single season effects of wood biochar (char) application coupled with N fertilization on soil chemical properties, aerobic rice growth and grain yield in a clayey Rhodic Ferralsol in the Brazilian Savannah. Char application effected an increase in soil pH, K, Ca, Mg, CEC, Mn and nitrate while decreasing Al content and potential acidity of soils. No distinct effect of char application on grain yield of aerobic rice was observed. We believe that soil properties impacted by char application were inconsequential for rice yields because neither water, low pH, nor the availability of K or P were limiting factors for rice production. Rate of char above 16 Mg ha^(−1) reduced leaf area index and total shoot dry matter by 72 days after sowing. The number of panicles infected by rice blast decreased with increasing char rate. Increased dry matter beyond the remobilization capacity of the crop, and high number of panicles infected by rice blast were the likely cause of the lower grain yield observed when more than 60 kg N ha^(−1) was applied. The optimal rate of N was 46 kg ha^(−1) and resulted in a rice grain yield above 3 Mg ha^(−1).

Microbial response to restoration of tantalite mine soils in western Rwanda

Artisanal columbite-tantalite (coltan) mining has had negative effects on the rural economy in the great Lakes region of Africa through labor deficits, degradation and loss of farmland, food insecurity, high cost of living, and reduced traditional export crop production alongside secondary impacts that remotely affect the quality of air, water, soil, plants, animals, and human wellbeing. The situation is multifaceted and calls for a holistic approach for short and long-term mitigation of such negative effects. This study focuses on the effects of mine land restoration on soil microbiological quality in the Gatumba Mining District of western Rwanda. Some coltan mine wastelands were afforested with pine and eucalyptus trees while farmers directly cultivated others due to land scarcity. Farmyard manure (FYM) is the sole fertilizer applied on the wastelands although it is insufficient to achieve the desired crop yields. Despite this, several multi-purpose plants such as Tithonia diversifolia, Markhamia lutea, and Canavalia brasiliensis thrive in the area and could supplement FYM. The potential for these “new” amendments to improve soil microbial properties, particularly in the tantalite mine soils was investigated. The specific objectives of the study were to: (a) evaluate the effects of land use on soil microbial indices of the tantalite mine soils; (b) investigate the restorative effects of organic amendments on a Technosol; and (c) estimate the short-term N and P supply potential of the soil amendments in the soils. Fresh soils (0-20 cm) from an unmined native forest, two mine sites afforested with pine and eucalyptus forests (pine and eucalyptus Technosols), an arable land, and two cultivated Technosols (Kavumu and Kirengo Technosols) were analyzed for the physicochemical properties. Afterwards, a 28-day incubation (22oC) experiment was conducted followed by measurements of mineral N, soil microbial biomass C, N, P, and fungal ergosterol contents using standard methods. This was followed by a 12-week incubation study of the arable soil and the Kavumu Technosol amended with FYM, Canavalia and Tithonia biomass, and Markhamia leaf litter after which soil microbial properties were measured at 2, 8, and 12 weeks of incubation. Finally, two 4-week incubation experiments each were conducted in soils of the six sites to estimate (i) potential mineralizable N using a soil-sand mixture (1:1) amended with Canavalia and goat manure and (ii) P mineralization mixtures (1:1) of soil and anion exchange resins in bicarbonate form amended with Tithonia biomass and goat manure. In study one, afforestation increased soil organic carbon and total N contents in the pine and eucalyptus Technosols by 34-40% and 28-30%, respectively of that in the native forest soil. Consequently, the microbial biomass and activity followed a similar trend where the cultivated Technosols were inferior to the afforested ones. The microbial indices of the mine soils were constrained by soil acidity, dithionite-extractable Al, and low P availability. In study two, the amendments substantially increased C and N mineralization, microbial properties compared with non-amended soils. Canavalia biomass increased CO2 efflux by 340%, net N mineralization by 30-140%, and microbial biomass C and N by 240-600% and 240-380% (P < 0.01), respectively after four weeks of incubation compared with the non-amended soils. Tithonia biomass increased ergosterol content by roughly 240%. The Kavumu Technosol showed a high potential for quick restoration of its soil quality due to its major responses to the measured biological parameters. In study three, Canavalia biomass gave the highest mineralizable N (130 µg g-1 soil, P < 0.01) in the Kavumu Technosol and the lowest in the native forest soil (-20 µg g-1 soil). Conversely, the mineralizable N of goat manure was negative in all soils ranging from -2.5 µg N g-1 to -7.7 µg N g-1 soil except the native forest soil. However, the immobilization of goat manure N in the “cultivated soils” was 30-70% lower than in the “forest soils” signifying an imminent recovery of the amended soils from N immobilization. The mineralization of goat manure P was three-fold that of Tithonia, constituting 61-71% of total P applied. Phosphorus mineralization slightly decreased after four weeks of incubation due to sulfate competition as reflected in a negative correlation, which was steeper in the Tithonia treatment. In conclusion, each amendment used in this research played a unique role in C, N, and P mineralization and contributed substantially to microbial properties in the tantalite mine soils. Interestingly, the “N immobilizers” exhibited potentials for P release and soil organic carbon storage. Consequently, the combined use of the amendments in specific ratios, or co-composting prior to application is recommended to optimize nutrient release, microbial biomass dynamics and soil organic matter accrual. Transport of organic inputs seems more feasible for smallholder farmers who typically manage small field sizes. To reduce acidity in the soils, liming with wood ash was recommended to also improve P availability and enhance soil biological quality, even if it may only be possible on small areas. Further, afforestation with mixed-species of fast-growing eucalyptus and legume or indigenous tree species are suggested to restore tantalite mine wastelands. It is emphasized most of this research was conducted under controlled laboratory conditions, which exclude interaction with environmental variables. Also fine fractions of the amendments were used compared with the usual practice of applying a mixture of predominantly coarser fractions. Therefore, the biological dynamics reported in the studies here may not entirely reflect those of farmers’ field conditions.

Cropping systems, carbon sequestration and erosion in Brazil, a review

Soils represent a large carbon pool, approximately 1500 Gt, which is equivalent to almost three times the quantity stored in terrestrial biomass and twice the amount stored in the atmosphere. Any modification of land use or land management can induce variations in soil carbon stocks, even in agricultural systems that are perceived to be in a steady state. Tillage practices often induce soil aerobic conditions that are favourable to microbial activity and may lead to a degradation of soil structure. As a result, mineralisation of soil organic matter increases in the long term. The adoption of no-tillage systems and the maintenance of a permanent vegetation cover using Direct seeding Mulch-based Cropping system or DMC, may increase carbon levels in the topsoil. In Brazil, no-tillage practices (mainly DMC), were introduced approximately 30 years ago in the south in the Parana state, primarily as a means of reducing erosion. Subsequently, research has begun to study the management of the crop waste products and their effects on soil fertility, either in terms of phosphorus management, as a means of controlling soil acidity, or determining how manures can be applied in a more localised manner. The spread of no-till in Brazil has involved a large amount of extension work. The area under no-tillage is still increasing in the centre and north of the country and currently occupies ca. 20 million hectares, covering a diversity of environmental conditions, cropping systems and management practices. Most studies of Brazilian soils give rates of carbon storage in the top 40 cm of the soil of 0.4 to 1.7 t C ha(-1) per year, with the highest rates in the Cerrado region. However, caution must be taken when analysing DMC systems in terms of carbon sequestration. Comparisons should include changes in trace gas fluxes and should not be limited to a consideration of carbon storage in the soil alone if the full implications for global warming are to be assessed.

Effect of pH on the development of acidic sites in clayey and sandy loam Oxisol from the Cerrado Region, Brazil

Titration curves were determined for soil from horizon samples of a clayey and a sandy loam Oxisol by (a) adding NaOH to soil suspensions and (b) incubating moist soils with Ca(OH)(2). The organic fraction was primarily responsible for buffering in both soils. Humic acids were more important than fulvic acids in buffering against NaOH additions. With Ca(OH)(2), greater buffer capacities were found due to carboxyl sites, primarily on fulvic acids, becoming complexed with Ca2+ so that in the clay soil humic and fulvic acids were equally important as buffering components while fulvic acids were more important in the sandy loam soil. The buffer capacity of organic matter against Ca(OH)(2) additions was 1.1 mol(c) kg(-1) pH(-1). In the incubated soils, exchangeable cations were also determined and changes in the amounts of exchangeable and non-exchangeable Ca2+ acidity and effective cation exchange capacity were calculated. Up to half the added Ca2+ became complexed and was nonexchangeable. Aluminum complexed by organic matter appears to be an important buffering component, together with non exchangeable H+. With the increase of pH the dissociated sites from the carboxyl groups could complex Ca2+. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of mycorrhizae and pH change at the root-soil interface on phosphorus uptake by Sorghum using a rhizocylinder technique

Sorghum (Sorghum bicolor) was grown for 40 days in. rhizocylinder (a growth container which permitted access to rh zosphere and nonrhizosphere soil), in two soils of low P status. Soils were fertilized with different rates of ammonium and nitrate and supplemented with 40 mg phosphorus (P) kg(-1) and inoculated with either Glomus mosseae (Nicol. and Gerd.) or nonmycorrhizal root inoculum.. N-serve (2 mg kg(-1)) was added to prevent nitrification. At harvest, soil from around the roots was collected at distances of 0-5, 5-10, and 10-20 mm from the root core which was 35 mm diameter. Sorghum plants, with and without mycorrhiza, grew larger with NH4+ than with NO3- application. After measuring soil pH, 4 3 suspensions of the same sample were titrated against 0.01 M HCl or 0.01 M NaOH until soil pH reached the nonplanted pH level. The acid or base requirement for each sample was calculated as mmol H+ or OFF kg(-1) soil. The magnitude of liberated acid or base depended on the form and rate of nitrogen and soil type. When the plant root was either uninfected or infected with mycorrhiza., soil pH changes extended up to 5 mm from the root core surface. In both soils, ammonium as an N source resulted in lower soil pH than nitrate. Mycorrhizal (VAM) inoculation did not enhance this difference. In mycorrhizal inoculated soil, P depletion extended tip to 20 mm from the root surface. In non-VAM inoculated soil P depletion extended up to 10 mm from the root surface and remained unchanged at greater distances. In the mycorrhizal inoculated soils, the contribution of the 0-5 mm soil zone to P uptake was greater than the core soil, which reflects the hyphal contribution to P supply. Nitrogen (N) applications that caused acidification increased P uptake because of increased demand; there is no direct evidence that the increased uptake was due to acidity increasing the solubility of P although this may have been a minor effect.