Removal of organic matter and nutrients from slaughterhouse wastewater by using Eichhornia crassipes and evaluation of the generated biomass composting

The objective of this research was to evaluate the performance of the aquatic macrophyte Eichhornia crassipes applied in situ in a slaughter house treatment system, located in the west of the Paraná state, Brazil, regarding the nutrients removal and organic matter. Moreover, it aimed to obtain data from the production, management and composting practices of the biomass generated in the system. During 11 months of macrophytes development, physic and chemical parameters were monitored and plant density was controlled by periodical removal of excess biomass, which was weekly monitored and it is expressed in kg of aquatic plant per m² covered area. The degradation of the macrophytes removed from the treatment system was evaluated at the pilot scale in eight composting piles of 0.60 m³ that underwent four different treatments and two repetitions: T1 - water hyacinth (Eichhornia crassipes); T2 - water hyacinth and swine excrement (7:1), T3 - water hyacinth, swine excrement and earth (7:1:0,67), and T4 - water hyacinth, swine excrement and cellulosic gut (7:1:0,67), for a period of 90 days. The results indicated maximum removal efficiencies of 77.2% for COD; 77.8% for BOD, 87.9% for total nitrogen, 47.5% for ammonia nitrogen and 38.9% for total phosphorus for a five-day retention time. For biomass stabilization by composting, considering the C:N ratio as an indicator of compost maturity, it was observed that treatment T4 resulted in the shortest stabilization period (60 days). No difference was verified in the biostabilization rates at 5% level by the F test.

Novel Regression Methods For Spectral Data

Singular Value Decomposition (SVD), Principal Component Analysis (PCA) and Multiple Linear Regression (MLR) are some of the mathematical pre- liminaries that are discussed prior to explaining PLS and PCR models. Both PLS and PCR are applied to real spectral data and their di erences and similarities are discussed in this thesis. The challenge lies in establishing the optimum number of components to be included in either of the models but this has been overcome by using various diagnostic tools suggested in this thesis. Correspondence analysis (CA) and PLS were applied to ecological data. The idea of CA was to correlate the macrophytes species and lakes. The di erences between PLS model for ecological data and PLS for spectral data are noted and explained in this thesis. i

Potential of macrophyte for removing arsenic from aqueous solution

The potential of three aquatic macrophytes, Azoll caroliniana, Salvinia minima and Lemna gibba, was evaluated in this work aimed at selection of plants to be used in remediation of environments contaminated by arsenic (As). The experiments were carried out in a greenhouse during six days in pots containing Hoagland solution (¼ ionic strength) at As concentrations of 0.5; 2.5 and 5.0 mg L-1. The three species showed greater As accumulation as the concentration of the metalloid in solution increased. However, a reduction was detected in fresh and dry mass gain when the plants were exposed to high As concentrations. The macrophytes showed differences in efficiency of removal of As in solution. A. caroliniana, S. minima and L. gibba accumulated, on average, 0.130; 0.200; and 1.397 mg mDM-1, respectively, when exposed to 5.0 mg L-1 of As. The macrophytes absorbed a greater quantity of As in solution with low phosphate content. The greater As concentration in L. gibba tissues lowered the chlorophyll and carotenoid contents as shown by the high chlorosis incidence. Lemna gibba also exhibited a decrease in leaf size, with the total chlorophyll and carotenoid synthesis not being affected by As in A. caroliniana. This species exhibited purplish leaves with high concentration of anthocyanin, whose presence suggested association to phosphate deficiency. Marginal necrosis occurred on S. minima floating leaves, with the released daughter-plants not showing any visual symptoms during the treatment. The percentage of As removed from the solution decreased when the plants were exposed to high concentrations of the pollutant. Among the three species studied, only L. gibba could be considered an As hyper-accumulator. The use of this plant species for remediation of aquatic environments was shown to be limited and requires further investigation.

Aquatic plant community in porto primavera reservoir

Aiming to identify the populations of aquatic plants present in the Porto Primavera reservoir and evaluate the behavior of Hydrilla verticillata colonization of this water body a survey was carried out in 2007. The data was based on presence or absence, only were assessed the presence or absence of the species and the data were subjected to cluster analysis to establish differences in distribution and occurrence of populations. The community of aquatic plants showed 24 species distributed in 16 botanical families. Cyperaceae and Pontederiaceae were the most representative in terms of species richness. The submerged macrophyte Hydrilla verticillata showed the highest frequency of occurrence in the water body, showing a different behavior from the other populations of the water body. Species like Eichhornia crassipes, Eichhornia azurea, Typha dominguensis and Oxycaryum cubense also showed different behavior in relation to other populations within the community, forming large populations in lagoons and backwater areas.

Anatomy and physiology of Cattail as related to different population densities

The objective of this work was to evaluate the effects of the population density of Typha angustifolia plants in the anatomical and physiological characteristics. Plants were collected from populations of high density (over 50% of colonization capacity) and low density (less than 50% of colonization capacity) and cultivated under controlled greenhouse conditions. Plants from both populations were grown in plastic trays containing 4 L of nutritive solution for 60 days. At the end of this period, the relative growth rate, leaf area ratio, net assimilatory rate, root/shoot ratio, leaf anatomy, root anatomy, and catalase and ascorbate peroxidase activities were evaluated. Plants from high density populations showed increased growth rate and root/shoot ratio. Low density populations showed higher values of stomatal index and density in leaves, as well as increased palisade parenchyma thickness. Root epidermis and exodermis thickness as well as the aerenchyma proportion of high density populations were reduced, these plants also showed increased vascular cylinder proportion. Only catalase activity was modified between the high and low density populations, showing increased values in low density populations. Therefore, different Typha angustifolia plants show differences in its anatomy and physiology related to its origins on high and low density conditions. High density population plants shows increased growth capacity related to lower apoplastic barriers in root and this may be related to increased nutrient uptake capacity.

Biomass and chemical composition of Nitella furcata subsp. mucronata var. mucronata f. oligospira (A. Braun) R. D. Wood (Chlorophyta, Characeae) in the littoral region of Ninféias Pond, São Paulo, Southeast Brazil

Temporal variation of Nitella furcata (Roxburgh ex Bruzelius) C. Agardh emend. R. D. Wood subsp. mucronata (A. Braun) R. D. Wood var. mucronata f. oligospira (A. Braun) R. D. Wood biomass and chemical composition were studied at the Ninféias Pond (23°38'18.9" S, 46°37'16.3" W), a mesotrophic reservoir located in the Parque Estadual das Fontes do Ipiranga Biological Reserve, Municipality of São Paulo, Southeast Brazil. Plants were collected monthly from October 1996 to October 1997 at three fixed stations of reservoir's littoral region. Charophyte biomass spatial distribution pattern did not vary significantly throughout the study period at all sampling stations. As to seasonal variation, the highest average values of the total alga biomass (98.35-266.06 g m-2 DW) were registered during the rainy season, whereas lowest values (48.86-170.56 g m-2 DW) were in the dry season. P values varied from 23.8 to 225.2 mg m-2 and C from 139 to 353 mg m-2. During the rainy season, greatest air and water temperature, rain precipitation, turbidity and dissolved inorganic nitrogen values were measured, constituting the best conditions for charophyte growth. Water temperature and nutrient availability in the reservoir played a decisive role towards growth and accumulation of algal biomass.

Cyanobacteria from coastal lagoons of Southern Brazil: coccoid organisms

Considering the great ecological importance of the cyanobacteria and the need for more detailed information about these organisms in Brazilian waters, this paper provides taxonomic information about the unicellular cyanobacteria flora in lagoon systems along the coastal plains of Rio Grande do Sul State. Sampling was performed in different freshwater bodies along the eastern (Casamento Lake area) and western (near the city of Tapes) banks of the Patos Lagoon (30º40' S-30º10' S and 50º30' W-51º30' W). The samples were collected once in the rainy season and once in the dry season (from May 2003 to December 2003) using a plankton net (25 µm mesh) in pelagic and littoral zones, and by squeezing the submerged parts of aquatic macrophytes. Thirty one species belonging to the families Synechoccocaceae (7 taxa), Merismopediaceae (12 taxa), Chamaesiphonaceae (1 taxon), Microcystaceae (4) and Chroococcaceae (7 taxa) were identified. Among these species, five are reported for the first time in Rio Grande do Sul State: Chamaesiphon amethystinus (Rostafinski) Lemmermann, Chroococcus minimus (Keissler) Lemmermann, Coelomoron pusillum (Van Goor) Komárek, Coelosphaerium kuetzingeanum Naegeli, and Cyanodictyon tubiforme Cronberg.

Temporal variations in the primary productivity of Eleocharis acutangula (Cyperaceae) in a tropical wetland environment

Wetland vegetation typically includes aquatic macrophytes with high primary production capacities. The present study investigated how hydrological variations affect biomass allocation and primary productivity in the emergent macrophyte Eleocharis acutangula (Roxb.) Schult. Eleocharis acutangula ramets were collected from the Campelo Lagoon flood plain (21°39'S, 41°12'W and 21°37S, 41°11'W) between March/2005 and February/2006. This region experienced an unusually short rainy period between November/2005 and February/2006 that generated atypically high primary production levels (128gDWm-2month-1) and total biomass gains (447gDWm-2) in May and June/2005 respectively. Our data indicated that primary production and biomass allocation were strongly influenced by variations in wetland water levels and that macrophytes quickly invested in biomass accumulation when surface water levels rised.

Cyanobacteria from coastal lagoons in southern Brazil: non-heterocytous filamentous organisms

This study describes and illustrates non-heterocytous filamentous cyanobacteria found in lagoon systems on the coastal plains of Rio Grande do Sul State. Collections were carried out in different freshwater bodies along the eastern (Casamento Lake area) and western (Tapes City area) margins of the Patos Lagoon (UTM 461948-6595095 and 542910-6645535) using a plankton net (25 µm mesh) in pelagic and littoral zones as well as by squeezing submerged parts of aquatic macrophytes, during both the rainy and dry seasons, from May to December/2003. Twenty two species belonging to the families Phormidiaceae (eight taxa), Pseudanabaenaceae (seven taxa), Oscillatoriaceae (six taxa), and Spirulinaceae (one taxon) were identified. Among these species, five are reported for the first time from Rio Grande do Sul State: Leptolyngbya cebennensis, Microcoleus subtorulosus, Oscillatoria cf. anguina, O. curviceps and Phormidium formosum.

Action of gibberellic acid (GA3) on dormancy and activity of alpha-amylase in rice seeds

To evaluate the effectiveness of gibberellic acid (GA3) in breaking rice seed dormancy and the use of alpha-amylase enzyme activity as an indicator of the dormancy level, seed from the intensively dormant irrigated cultivar Urucuia were used. The seeds were submitted to a pre-drying process in a forced air circulation chamber under 40ºC during 7 days and submersed in 30 mL of GA3 solution under 0, 10, 30 and 60 mg/L H2O concentrations, during 2, 24 and 36 hours. After the treatments, the alpha-amylase activity was determined by using the polyacrilamide electrophoresis and spectrophotometry. At the same time, the germination test was made. The results indicated a gain in germination and in alpha-amylase activity in higher concentrations and soaking time of seeds in GA3. These observations support the conclusion that soaking seed in 60 mg GA3/L during 36 hours can be used as a quick and efficient treatment in breaking rice seed dormancy and is equivalent to the forced air circulation chamber at 40ºC during 7 days. The alpha-amylase enzyme activity proved to be as an efficient marker of the seeds dormancy level.

Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

Biomasses et compositions relatives des communautés de macroinvertébrés associées à différents types d'habitats au lac Saint-Pierre (Québec, Canada)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Effet de l’espèce de plante en marais filtrants artificiels selon la saison, le type de marais filtrant et la nature des polluants

Cette thèse a été codirigée par le Dr. Florent Chazarenc

Influence of plant species and richness on pollutant removal in treatment wetlands

Les marais filtrants artificiels sont des écosystèmes recréés par l’homme dans le but d’optimiser l’épuration des eaux usées. Lors de la sélection d’espèces végétales pour la mise en place de ces marais filtrants, l’utilisation d’une polyculture ainsi que d’espèces indigènes non invasives est de plus en plus recommandée. Néanmoins, la plupart des marais filtrants existants sont des monocultures utilisant des plantes envahissantes, probablement à cause du manque d’évidences scientifiques sur les avantages de la diversité végétale et de la performance des espèces locales. Ainsi, les questions de recherche autour desquelles s’oriente ma thèse sont: Les polycultures présentent-elles un potentiel épuratoire aussi ou plus grand que les monocultures, et une espèce indigène est-elle aussi efficace et performante qu’une espèce exotique envahissante dans des marais filtrants ? Trois expériences ont été conduites afin de répondre à ces questions. J’ai d’abord testé l’influence de la richesse végétale sur l’élimination des polluants en deux dispositifs expérimentaux: 1) comparant deux espèces de plantes émergentes en monoculture ou combinées séquentiellement, et 2) évaluant la performance de quatre espèces flottantes plantées en monoculture par rapport à des associations de deux (avec toutes les combinaisons possibles) et de quatre espèces. Une troisième expérience a été réalisée afin de comparer l’efficacité épuratoire de l’haplotype européen envahissant du roseau commun (Phragmites australis) et de la sous-espèce locale non-invasive (P. australis subsp. americanus). La composition en espèces végétales a produit un effet notable sur la performance des marais filtrants. La comparaison des performances en mono- et en polyculture n’a pas permis de démontrer clairement les avantages de la diversité végétale pour l’élimination des polluants dans les marais filtrants. Toutefois, les marais filtrants plantés avec une combinaison d’espèces étaient aussi efficaces que les monocultures des espèces les plus performantes. La comparaison entre les deux sous-espèces de P. australis indiquent que la sous-espèce indigène pourrait remplacer le roseau exotique envahissant, évitant ainsi les potentiels risques environnementaux sans toutefois compromettre l’efficacité du traitement. Les résultats prometteurs de la sous-espèce indigène de P. australis doivent encore être testés dans des expériences à grande échelle avant d’utiliser largement cette espèce dans les marais filtrants. Nos résultats suggèrent que, dans des conditions où la performance des macrophytes disponibles est inconnue ou ne peut être déterminée, l’utilisation d’une combinaison d’espèces présente les meilleures chances d’accomplir le plus haut niveau possible d’élimination de polluants. De plus, même si la diversité végétale ne présente pas un avantage mesurable en termes d’efficacité épuratoire, celle-ci améliore la résilience des marais filtrants et leur résistance aux stress et aux maladies.

Écologie et implications trophiques de la cyanobactérie Lyngbya wollei dans le fleuve Saint-Laurent

Les proliférations nuisibles de la cyanobactérie filamenteuse benthique Lyngbya wollei qui forme des tapis déposés sur les sédiments ont augmenté en fréquence au cours des 30 dernières années dans les rivières, lacs et sources de l'Amérique du Nord. Lyngbya wollei produit des neurotoxines et des composés organiques volatils (géosmin, 2-méthylisobornéol) qui ont des répercussions sur la santé publique de même que des impacts d'ordre socioéconomiques. Cette cyanobactérie est considérée comme un habitat et une source de nourriture de piètre qualité pour les invertébrés en raison de sa gaine robuste et de sa production de toxines. Les proliférations de L. wollei ont été observées pour la première fois en 2005 dans le fleuve Saint-Laurent (SLR; Québec, Canada). Nous avons jugé important de déterminer sa distribution sur un tronçon de 250 km afin d'élaborer des modèles prédictifs de sa présence et biomasse en se basant sur les caractéristiques chimiques et physiques de l'eau. Lyngbya wollei était généralement observé en aval de la confluence de petits tributaires qui irriguent des terres agricoles. L’écoulement d’eaux enrichies à travers la végétation submergée se traduisait par une diminution de la concentration d’azote inorganique dissous (DIN), alors que les concentrations de carbone organique dissous (DOC) et de phosphore total dissous (TDP) demeuraient élevées, produisant un faible rapport DIN :TDP. Selon nos modèles, DOC (effet positif), TP (effet négatif) et DIN :TDP (effet négatif) sont les variables les plus importantes pour expliquer la répartition de cette cyanobactérie. La probabilité que L. wollei soit présent dans le SLR a été prédite avec exactitude dans 72 % à 92 % des cas pour un ensemble de données indépendantes. Nous avons ensuite examiné si les conditions hydrodynamiques, c'est-à-dire le courant généré par les vagues et l'écoulement du fleuve, contrôlent les variations spatiales et temporelles de biomasse de L. wollei dans un grand système fluvial. Nous avons mesuré la biomasse de L. wollei ainsi que les variables chimiques, physiques et météorologiques durant trois ans à 10 sites le long d'un gradient d'exposition au courant et au vent dans un grand (148 km2) lac fluvial du SLR. L'exposition aux vagues et la vitesse du courant contrôlaient les variations de biomasses spatiales et temporelles. La biomasse augmentait de mai à novembre et persistait durant l'hiver. Les variations interannuelles étaient contrôlées par l'écoulement de la rivière (niveau d'eau) avec la crue printanière qui délogeait les tapis de l'année précédente. Les baisses du niveau d'eau et l'augmentation de l'intensité des tempêtes anticipées par les scénarios de changements climatiques pourraient accroître la superficie colonisée par L. wollei de même que son accumulation sur les berges. Par la suite, nous avons évalué l'importance relative de L. wollei par rapport aux macrophytes et aux épiphytes. Nous avons examiné l'influence structurante de l'échelle spatiale sur les variables environnementales et la biomasse de ces producteurs primaires (PP) benthiques. Nous avons testé si leur biomasse reflétait la nature des agrégats d'habitat basées sur l'écogéomorphologie ou plutôt le continuum fluvial. Pour répondre à ces deux questions, nous avons utilisé un design à 3 échelles spatiales dans le SLR: 1) le long d'un tronçon de 250 km, 2) entre les lacs fluviaux localisés dans ce tronçon, 3) à l'intérieur de chaque lac fluvial. Les facteurs environnementaux (conductivité et TP) et la structure spatiale expliquent 59% de la variation de biomasse des trois PP benthiques. Spécifiquement, les variations de biomasses étaient le mieux expliquées par la conductivité (+) pour les macrophytes, par le ratio DIN:TDP (+) et le coefficient d'extinction lumineuse (+) pour les épiphytes et par le DOC (+) et le NH4+ (-) pour L. wollei. La structure spatiale à l'intérieur des lacs fluviaux était la plus importante composante spatiale pour tous les PP benthiques, suggérant que les effets locaux tels que l'enrichissement par les tributaire plutôt que les gradients amont-aval déterminent la biomasse de PP benthiques. Donc, la dynamique des agrégats d'habitat représente un cadre général adéquat pour expliquer les variations spatiales et la grande variété de conditions environnementales supportant des organismes aquatiques dans les grands fleuves. Enfin, nous avons étudié le rôle écologique des tapis de L. wollei dans les écosystèmes aquatiques, en particulier comme source de nourriture et refuge pour l'amphipode Gammarus fasciatus. Nous avons offert aux amphipodes un choix entre des tapis de L. wollei et soit des chlorophytes filamenteuses ou un tapis artificiel de laine acrylique lors d'expériences en laboratoire. Nous avons aussi reconstitué la diète in situ des amphipodes à l'aide du mixing model (d13C et δ15N). Gammarus fasciatus choisissait le substrat offrant le meilleur refuge face à la lumière (Acrylique>Lyngbya=Rhizoclonium>Spirogyra). La présence de saxitoxines, la composition élémentaire des tissus et l'abondance des épiphytes n'ont eu aucun effet sur le choix de substrat. Lyngbya wollei et ses épiphytes constituaient 36 et 24 % de l'alimentation in situ de G. fasciatus alors que les chlorophytes, les macrophytes et les épiphytes associées représentaient une fraction moins importante de son alimentation. Les tapis de cyanobactéries benthiques devraient être considérés comme un bon refuge et une source de nourriture pour les petits invertébrés omnivores tels que les amphipodes.