Biogeochemical indicators of elevated nitrogen deposition in semiarid Mediterranean ecosystems

Nitrogen (N) deposition has doubled the natural N inputs received by ecosystems through biological N fixation and is currently a global problem that is affecting the Mediterranean regions. We evaluated the existing relationships between increased atmospheric N deposition and biogeochemical indicators related to soil chemical factors and cryptogam species across semiarid central, southern, and eastern Spain. The cryptogam species studied were the biocrust-forming species Pleurochaete squarrosa (moss) and Cladonia foliacea (lichen). Sampling sites were chosen in Quercus coccifera (kermes oak) shrublands and Pinus halepensis (Aleppo pine) forests to cover a range of inorganic N deposition representative of the levels found in the Iberian Peninsula (between 4.4 and 8.1 kg N ha(-1) year(-1)). We extended the ambient N deposition gradient by including experimental plots to which N had been added for 3 years at rates of 10, 20, and 50 kg N ha(-1) year(-1). Overall, N deposition (extant plus simulated) increased soil inorganic N availability and caused soil acidification. Nitrogen deposition increased phosphomonoesterase (PME) enzyme activity and PME/nitrate reductase (NR) ratio in both species, whereas the NR activity was reduced only in the moss. Responses of PME and NR activities were attributed to an induced N to phosphorus imbalance and to N saturation, respectively. When only considering the ambient N deposition, soil organic C and N contents were positively related to N deposition, a response driven by pine forests. The PME/NR ratios of the moss were better predictors of N deposition rates than PME or NR activities alone in shrublands, whereas no correlation between N deposition and the lichen physiology was observed. We conclude that integrative physiological measurements, such as PME/NR ratios, measured on sensitive species such as P. squarrosa, can provide useful data for national-scale biomonitoring programs, whereas soil acidification and soil C and N storage could be useful as additional corroborating ecosystem indicators of chronic N pollution.

Heated fiber optic distributed temperature sensing for measuring soil volumetric heat capacity and water content: A dual probe heat-pulse approach

The first feasibility study of using dual-probe heated fiber optics with distributed temperature sensing to measure soil volumetric heat capacity and soil water content is presented. Although results using different combinations of cables demonstrate feasibility, further work is needed to gain accuracy, including a model to account for the finite dimension and the thermal influence of the probes. Implementation of the dual-probe heat-pulse (DPHP) approach for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with distributed temperature sensing heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring (e.g., simultaneous measurement at thousands of points). We applied uniform heat pulses along a FO cable and monitored the thermal response at adjacent cables. We tested the DPHP method in the laboratory using multiple FO cables at a range of spacings. The amplitude and phase shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity. Estimations of C at a range of moisture contents (θ = 0.09– 0.34 m3 m−3) suggest the feasibility of measurement via responsiveness to the changes in θ, although we observed error with decreasing soil water contents (up to 26% at θ = 0.09 m3 m−3). Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables. Although the results indicate that the method shows great promise, further study is needed to quantify the effects of soil type, cable spacing, and jacket configurations on accuracy.

On the acquisition of high-resolution maps with open source software and commercials off-the-shelf quad-rotors

Mosaics are high-resolution images obtained aerially and employed in several scientific research areas, such for example, in the field of environmental monitoring and precision agriculture. Although many high resolution maps are obtained by commercial demand, they can also be acquired with commercial aerial vehicles which provide more experimental autonomy and availability. For what regard to mosaicing-based aerial mission planners, there are not so many - if any - free of charge software. Therefore, in this paper is presented a framework designed with open source tools and libraries as an alternative to commercial tools to carry out mosaicing tasks.

Phosphonate and quinoxaline cavitands for molecular recognition and sensing

In the last decade, phosphonate and quinoxaline cavitand have been extensively studied, highlighting their outstanding recognition properties. Their successful applications in material science and sensing open the way to new potential applications, such as border security, environmental monitoring and chiral recognition. The present thesis explores the recognition properties of phosphonate and quinoxaline cavitands towards new targets, for molecular recognition and sensing applications. Chapter 2 highlights the enantioselective behavior of phosphonate cavitands towards chiral guests in the solid state and in solution. Phosphonate cavitands were exploited for the molecular recognition of L-lactic acid (chapter 3), a widespread natural molecule which offer multiple potential applications, and a human sweat marker used for the detection of human presence (chapter 4). The second part is devoted to sensing applications of quinoxaline cavitands. Chapter 5 describes the use of QxCav for the preconcentration of drugs precursors, while chapter 6 reports the design, synthesis and grafting of a rigidified EtQxBox on a silicon wafer.

Caracterização microbiológica, química e presença de poluentes orgânicos em amostras de lodo de esgoto de São Paulo

Objetivou-se com este trabalho avaliar o potencial agrícola do lodo de esgoto produzido no estado de São Paulo, bem como, verificar a possibilidade de interação entre a composição química e a abundância relativa de bactérias no lodo. Foram realizadas coletas de amostra de lodo de esgoto em 19 estações de tratamento de esgoto, em três épocas distintas. Nas amostras provenientes das três épocas foram determinados as concentrações dos 16 hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs) listados como prioritários no monitoramento ambiental pela USEPA (acenafteno, acenaftileno, antraceno, benzo(a)antraceno, benzo(a)pireno, benzo(b)fluoranteno, benzo(ghi)perileno, benzo(k)fluoranteno, criseno, dibenzo(a,h)antraceno, fenantreno, fluoranteno, fluoreno, indeno(1,2,3-cd)pireno, naftaleno e pireno). Nas amostras da segunda época de coleta, além da presença de HPAs, determinou-se as concentrações de poluentes orgânicos emergentes (hormônios, produtos farmacêuticos e produtos de uso industrial), realizou-se a caracterização completa segundo a Resolução CONAMA 375/2006 (umidade, pH, N-Kjeldahl e inorgânico, carbono orgânico, cálcio, potássio, fósforo, magnésio, enxofre, boro, cobre, ferro, níquel, manganês, molibdênio, selênio, zinco, alumínio, arsênio, bário, cádmio, cromo, chumbo, mercúrio e sódio) e a caracterização da comunidade bacteriana através de metodologia independente de cultivo (sequenciamento illumina). Os macronutrientes em maiores concentrações no lodo de esgoto são: N > Ca > S > P > Mg > K. Os elementos inorgânicos Ni e Zn apresentaram concentração superior à máxima permitida para utilização agrícola pela resolução Conama 375/2006 em 1 e 3 amostras, respectivamente. A substância inorgânica que mais limita o enquadramento do lodo de esgoto como adubo orgânico (Instrução Normativa 27/2006) é o Hg. Os compostos benzilparabeno, bisfenol AF (BPAF), ácido perfluorooctanoico (PFOA) e tetrabromobisfenol A (TBBPA) não foram detectados. Por outro lado, cimetidina, metilparabeno, bisfenol A (BPA) e triclocarban foram detectados nas 19 amostras avaliadas. O composto presente em maior concentração é o triclocarban. As concentrações de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos são baixas, de acordo com a norma Europeia. Os filos Proteobacteria e Bacteroidetes estão presentes em maior abundância relativa. Existe uma comunidade bacteriana núcleo nas estações de tratamento de esgoto do estado de São Paulo, composta por 81 gêneros, presentes nas 19 ETEs avaliadas, dos quais, os que estão em maior abundância relativa são Treponema, Clostridium, Propionibacterium, Syntrophus e Desulfobulbus. A elevação do pH a valores próximos de 12 reduz a diversidade microbiana. Considerando a abundância relativa e a composição química do lodo de esgoto, as estações podem ser agrupadas em três grupos distintos, sendo que um deles é influenciado principalmente pelos teores de Ca, Zn e Cu, o outro pelos teores de Fe e S e o terceiro grupo que foi influenciado pelos demais fatores avaliados.

Estudo da dinâmica e destino ambiental dos fluidos usados na usinagem industrial de peças metálicas

Este estudo consistiu na investigação sobre a interação dos lubrificantes empregados na usinagem de metais com a matéria orgânica natural (substâncias húmicas), a sua mobilidade no solo, a degradação microbiológica e a remoção dos mesmos do solo. Realizou-se, também, um estudo sobre as mudanças nas características dos fluidos após a sua utilização. Para o processo de degradação das amostras de fluido, submetidos aos efeitos de diferentes fatores ambientais, foram utilizados quatro tratamentos : (i) microrganismos nativos, chamada amostra controle; (ii) amostra controle com matéria orgânica proveniente de turfa; (iii) amostra controle acrescida de microrganismos existentes nos efluentes de máquinas de corte; e (iv) amostra controle com adição de microrganismos de compostagem. Para a pesquisa da degradação sem o efeito dos parâmetros climáticos, foram utilizadas amostras de solo contaminadas mantendo-se em estufa, e a inoculação dos microrganismos em meios de cultura com e sem acréscimo de fonte alternativa de carbono. Como técnicas analíticas, foram utilizadas a CG-DIC e a CG-EM. Essas técnicas são indicadas tanto para estudar a composição dos fluidos quanto dos produtos de degradação microbiológica, tendo sido otimizados métodos analíticos para serem empregados no monitoramento ambiental e de estudos de degradação. As análises por IVTF e por EF também foram empregadas na identificação e quantificação dos fluidos. Observou-se uma considerável interação dos fluidos solúveis com a matéria orgânica do solo, embora tenham se apresentado com alta mobilidade para alguns constituintes, bem como um acelerado processo de degradação durante o uso. De outro modo, os fluidos insolúveis se apresentaram mais imóveis, ficando retidos na matéria orgânica do solo, entretanto, foram mais prontamente degradados no ambiente que os solúveis. A adição de matéria orgânica e de microrganismos de compostagem acelerou o processo de degradação para todos os fluidos de corte investigados.

Desenvolvimento de sistema automatizado de monitoramento de ambientes de produção animal, utilizando uma rede de sensores sem fio

As redes de sensores sem fio, aplicadas à automação do controle de ambientes representam um paradigma emergente da computação, onde múltiplos nós providos de sensores, sistemas computacionais autônomos e capacidade de comunicação sem fio, conformam uma rede cuja topologia altamente dinâmica permite adquirir informações sobre sistemas complexos sendo monitorados. Um dos fatores essenciais para obter um ganho na produtividade avícola é o controle da ambiência animal. Atualmente os métodos utilizados para o monitoramento e controle ambiental não podem considerar a grande quantidade de microambientes internos nos ambientes de produção animal e também requerem infraestruturas cabeadas complexas. Dentro desse contexto o objetivo deste trabalho foi desenvolver e testar um sistema automatizado de controle ambiental, através da utilização de sensores sem fio, que auxilie e proporcione maior segurança no controle de ambientes automatizados. O sistema monitora variáveis que influenciam na produtividade de aves, tais como temperatura e umidade e outras variáveis físico-químicas do aviário. A infraestrutura desenvolvida foi testada em um aviário experimental e resultou em um sistema seguro e com grande escalabilidade, que é capaz de controlar e monitorar o ambiente e ainda coletar e gravar dados. Foi utilizado o protocolo ZigBee® para gerenciar o fluxo de dados do sistema. Foram feitas análises da eficiência de comunicação do sistema no aviário, monitorando os pacotes de dados perdidos. Os testes demonstraram uma perda de dados de aproximadamente 2% dos pacotes enviados, demonstrando a eficiência das redes ZigBee® para gerenciar o fluxo de dados no interior do aviário. Desta forma, pode-se concluir que é possível e viável a implantação de uma rede ZigBee®, para automatizar ambientes de produção animal com coleta de dados em tempo real, utilizando um sistema integrado via internet, que compreende: instrumentação eletrônica, comunicação sem fio e engenharia de software\".

Sistema para monitoramento e análise de paisagens acústicas submarinas.

O Monitoramento Acústico Passivo (PAM) submarino refere-se ao uso de sistemas de escuta e gravação subaquática, com o intuito de detectar, monitorar e identificar fontes sonoras através das ondas de pressão que elas produzem. Se diz que é passivo já que tais sistemas unicamente ouvem, sem perturbam o meio ambiente acústico existente, diferentemente de ativos, como os sonares. O PAM submarino tem diversas áreas de aplicação, como em sistemas de vigilância militar, seguridade portuária, monitoramento ambiental, desenvolvimento de índices de densidade populacional de espécies, identificação de espécies, etc. Tecnologia nacional nesta área é praticamente inexistente apesar da sua importância. Neste contexto, o presente trabalho visa contribuir com o desenvolvimento de tecnologia nacional no tema através da concepção, construção e operação de equipamento autônomo de PAM e de métodos de processamento de sinais para detecção automatizada de eventos acústicos submarinos. Foi desenvolvido um equipamento, nomeado OceanPod, que possui características como baixo custo de fabrica¸c~ao, flexibilidade e facilidade de configuração e uso, voltado para a pesquisa científica, industrial e para controle ambiental. Vários protótipos desse equipamento foram construídos e utilizados em missões no mar. Essas jornadas de monitoramento permitiram iniciar a criação de um banco de dados acústico, o qual permitiu fornecer a matéria prima para o teste de detectores de eventos acústicos automatizados e em tempo real. Adicionalmente também é proposto um novo método de detecção-identificação de eventos acústicos, baseado em análise estatística da representação tempo-frequência dos sinais acústicos. Este novo método foi testado na detecção de cetáceos, presentes no banco de dados gerado pelas missões de monitoramento.

Áreas limpas: estudo de correlação entre partículas viáveis e não viáveis

Este trabalho consiste em um estudo sobre monitoramento ambiental de áreas limpas. Os parâmetros comparados foram partículas não viáveis de 0,5 e 5,0 µm, contaminação do ambiente (UFC do ar) e de superfícies (Rodac®). Procedeu-se ao estudo em áreas de manipulação crítica (Classe A). Nestas áreas, a amostragem foi feita em situações de repouso e dinâmica, antes e após sanitização, e em etapas de certificação e rotina. Os dados de literatura indicam que os parâmetros não são particularmente dependentes do lay out ou classificação das áreas, mas sim do seu uso e do comportamento dos operadores. As conclusões foram positivas quanto a correlação entre diferentes locais de amostragem, para partículas não viáveis de 0,5 e 5,0 µm, e ausência deste tipo de correlação em posições em fluxo laminar. Também, os valores de correlação foram quase sempre decrescentes com a maior limpeza do ambiente. Os microrganismos mais frequentemente isolados, nas áreas A2., A3 e A4 foram Bacillus sp, Staphylococcus sp e Corynebacterium sp.

Removal of 8-quinolinecarboxylic acid pesticide from aqueous solution by adsorption on activated montmorillonites

Sodium montmorillonite (Na-M), acidic montmorillonite (H-M), and organo-acidic montmorillonite (Org-H-M) were applied to remove the herbicide 8-quinolinecarboxylic acid (8-QCA). The montmorillonites containing adsorbed 8-QCA were investigated by transmission electron microscopy, FT-IR spectroscopy, X-ray diffraction analysis, X-ray fluorescence thermogravimetric analysis, and physical adsorption of gases. Experiments showed that the amount of adsorbed 8-QCA increased at lower pH, reaching a maximum at pH 2. The adsorption kinetics was found to follow the pseudo-second-order kinetic model. The Langmuir model provided the best correlation of experimental data for adsorption equilibria. The adsorption of 8-QCA decreased in the order Org-H-M > H-M > Na-M. Isotherms were also used to obtain the thermodynamic parameters. The negative values of ΔG indicated the spontaneous nature of the adsorption process.

Polyaromatic hydrocarbons in sediments from the Barents and White Seas

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are common environmental contaminants which can be derived from anthropogenic sources, such as combustion and discharges from extraction and transport, and natural processes, including leakage and erosion of fossil carbon. Natural PAH sources contribute, along with biological activities and terrestrial run-off, to the organic carbon content in sediments.The Barents Sea region is far from many anthropogenic sources of PAH, but production and trans-shipment of hydrocarbons is increasing. We present data for polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) concentrations in bottom sediments from 510 stations in the Barents and White Seas, and along the northern coast of Norway.