Characterisation of the performance of sustainable grout containing bentonite for geotechnical applications

The grouts used in sealing or backfilling boreholes should ideally be selected to be compatible with the insitu field instruments installed in the borehole and also be engineered to match closely the geotechnical properties of the parent soils. A stable grout can be made using cement with various proportions of bentonite. The grout stability is very important during both the liquid and set conditions. The liquid grout fluidity should be as viscous as possible to avoid segregation, yet fluid enough to be easily pumpable and fill voids and over-break in the borehole. This paper investigates the effect of bentonite on the fresh and rheological properties of cement-based grouts in order to develop a stable grout to be used in these geotechnical situations. These properties were evaluated by the mini-slump flow, marsh cone flow time, Lombardi plate cohesion meter, static bleeding, yield stress and plastic viscosity values. Additionally, the compressive strength at 3 days, 7 days and 28 days were also investigated. The key parameters investigated were the dosages of bentonite and water-to-binder ratio (W/B). Test results showed that the dosage of bentonite had a significant effect on the fluidity, rheological properties and compressive strength of grout. The increase in the dosage of bentonite led to increasing the values of flow time, plate cohesion meter, yield stress and plastic viscosity, and reducing the mini-slump results, the static bleeding and the compressive strength at 3 days, 7 days and 28 days. Conversely, the increase in W/B led to decreasing the values of flow time, plate cohesion meter, yield stress, and plastic viscosity and the compressive strength, while increasing the mini-slump results and bleeding. Some recommendations for suitable mix proportions for use in soil boreholes are made.

Ionic liquid gel materials: applications in green and sustainable chemistry

Ionic liquid gel materials offer a way to further utilise ionic liquids in technological applications. Combining the controlled and directed assembly of gels, with the diverse applications of ionic liquids, enables the design of a heady combination of functional tailored materials, leading to the development of task specific / functional ionic liquid gels. This review introduces gels and gel classification, focusing on ionic liquid gels and their potential roles in a more sustainable future. Ionic liquid gels provide the ability to build functionality at every level, the solid component, the ionic liquid, and any incorporated active functional agents. This allows materials to be custom designed for a vast assortment of applications. This diverse class of materials has the potential to yield functional materials for green and sustainable chemistry, energy, electronics, medicine, food, cosmetics, and more. The discussion of the development of ionic liquid gel materials for applications in green and sustainable chemistry centres on uses of ionic liquid gels in catalysis and energy.

Combining Bio- and Chemo-catalysis for the Sustainable Production of Chemicals

The combination of bio- and chemo-catalysis to form a single synthetic route is a powerful methodology for the improvement of chemical synthesis. The extreme methods of biocatalysis (whole cell and isolated enzyme) fulfill very different roles. Biocatalysis by isolated enzymes enables highly efficient chemical transformations of extremely high selectivity and low contamination; however, conditions and substrates are limited to a narrow range. Whole cell biocatalysis enables the conversion of crude substrates, such as those derived from biomass; however, the products tend to be impure and delivered in dilute aqueous solution. Chemocatalysis is a well-established technique, and the addition of chemical catalysis and chemocatalytic methods to biocatalysis enables synthetic chemists to avoid the shortcomings of a biocatalytic step. For example, in enzymatic catalysis the addition of a chemical catalyst can allow the conversion of a racemic alcohol to an enantiopure, instead of racemic, product. In whole cell biocatalysis chemical reagents can assist the separation, transformation, and further isolation of the functionality of interest. The cooperation of bio- and chemocatalysts enables sustainable production of chemicals that would be impossible using biocatalysis alone, while achieving selectivities and using substrates not currently possible with chemocatalysis alone.

Social housing tenants, Climate Change and sustainable living: A study of awareness, behaviours and willingness to adapt

Despite a focus in the UK on providing sustainable housing in recent years, it is unlikely that targets set to reduce resource consumption in housing will be achieved without a greater focus on human behaviour. It is necessary to understand the actions of people occupying dwellings, as it is invariably the occupants rather than the buildings that decided whether or not to consume resources. In this paper the authors present a pilot study where 53 social housing tenant households in Northern Ireland were interviewed to ascertain their perceptions of Climate Change, their current behaviours and their willingness to reduce energy and water consumption in the home. The intention was to explore links between perceptions and reported behaviour as well as perceptions and willingness to reduce resource consumption. Results show that 77% of tenants believed Climate Change to be an important issue; 57% accepted that it is up to the individual to take responsibility for tackling Climate Change; and demonstrated a strong desire to make a difference to reduce their impact. The researchers identified both passive (devices) and active (behaviours) resource savings currently in place and established where further resource reduction was feasible based on tenants' willingness to alter their behaviours.

Sustainable non-automotive vehicles: The simulation challenges

Simulation is a well-established and effective approach to the development of fuel-efficient and low-emissions vehicles in both on-highway and off-highway applications.

The simulation of on-highway automotive vehicles is widely reported in literature, whereas research relating to non-automotive and off-highway vehicles is relatively sparse. This review paper focuses on the challenges of simulating such vehicles and discusses the differences in the approach to drive cycle testing and experimental validation of vehicle simulations. In particular, an inner-city diesel-electric hybrid bus and an ICE (Internal Combustion Engine) powered forklift truck will be used as case studies.

Computer prediction of fuel consumption and emissions of automotive vehicles on standardised drive cycles is well-established and commercial software packages such as AVL CRUISE have been specifically developed for this purpose. The vehicles considered in this review paper present new challenges from both the simulation and drive-cycle testing perspectives. For example, in the case of the forklift truck, the drive cycles involve reversing elements, variable mass, lifting operations, and do not specify a precise velocity-time profile. In particular, the difficulties associated with the prediction of productivity, i.e. the maximum rate of completing a series of defined operations, are discussed. In the case of the hybrid bus, the standardised drive cycles are unrepresentative of real-life use and alternative approaches are required in the development of efficient and low-emission vehicles.

Two simulation approaches are reviewed: the adaptation of a standard automotive vehicle simulation package, and the development of bespoke models using packages such as MATLAB/Simulink.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Sustainable tourism in geoparks through geotourism and networking

Esta tese analisa o papel desempenhado pelos geoparques e pelo geoturismo para a sustentabilidade socio-económica e sociocultural das áreas rurais e de que forma estes contribuem para o turismo sustentável. Para esse efeito, o estudo é baseado numa extensa revisão da literatura sobre geoparques, geoturismo e turismo sustentável, bem como a atividade em rede e inovação aplicada aos geoparques registados na Rede Global de Geoparques. Com base na revisão da literatura, uma série de hipóteses são formuladas para serem depois testadas na parte empírica da tese. A população estudada constou dos geoparques registados na Rede Global de Geoparques (N = 64), em 2009, a nível internacional. O primeiro questionário investigou o papel dos geoparques no desenvolvimento rural e O segundo questionário analisou a atividade em rede entre geoparques e avaliar a taxa de conectividade da Rede Global de Geoparques e da Rede Europeia de Geoparques. A realização de entrevistas a nível local permitiram revelar os efeitos significativos e tangíveis da criação de geoparques no desenvolvimento local. Assim, foi selecionado o Qeshm Geopark (Irão) como estudo de caso, e as comunidades locais que vivem nas aldeias vizinhas do geoparque foram entrevistados. Os dados foram analisados através de softwares de apoio à análise quantitativa, qualitativa e de redes, tais como o SPSS, NVivo e Pajek, respetivamente. Este último foi utilizado para produzir uma imagem da rede de relacionamento social entre os geoparques entrevistados. Com base nesses resultados uma série de implicações são sugeridas, bem como algumas recomendações para futuras pesquisas. Para além disso, a fim de investigar o papel do estabelecimento do Qeshm Geopark para o desenvolvimento rural, o trabalho de campo envolveu ainda entrevistas face a face com as comunidades locais e três matrizes SWOT foram projetadas para uma melhor gestão dos geoparques. Utilizando ambas as abordagens qualitativa e quantitativa, esta tese visa contribuir para uma melhor compreensão do novo nicho de mercado que constitui o geoturismo, bem como dos novos destinos desenvolvidos em torno dos geoparque.

Stakeholder participation in sustainable forest management in fire-prone areas

Os incêndios florestais, associados ao abandono do espaço rural, a pequena propriedade florestal e o desinteresse e o absentismo dos proprietários florestais têm sido apontados como fatores que têm afetado a sustentabilidade das florestas em Portugal. Apesar da formulação de políticas e de instrumentos de planeamento e de gestão florestal para lidar com estes constrangimentos, são ainda escassos os progressos para uma Gestão Florestal Sustentável. A nível internacional e europeu, a participação dos agentes já representa um aspeto-chave no processo de definição e de implementação de estratégias que promovam a multifuncionalidade da floresta, mas também se adeqúem às necessidades e aos interesses dos agentes locais. A temática da tese esteve focada nesta discussão, argumentando que existe uma escassa participação dos agentes nos processos de tomada de decisão relativos ao setor florestal. O principal objetivo da investigação foi o desenvolvimento de uma metodologia participativa para a discussão e negociação de estratégias locais para a Gestão Florestal Sustentável, que maximizem o potencial produtivo e o papel sócio-ambiental das florestas, diminuam o risco de incêndio e promovam o crescente interesse e participação dos agentes locais na gestão florestal. A tese está estruturada em três partes. A primeira parte apresenta uma avaliação do sector florestal nacional, com base numa revisão bibliográfica e numa comparação de indicadores, políticas e instrumentos de planeamento e gestão florestal (Capítulo 2) e com base num estudo de perceção social desenvolvido numa área de estudo localizada na região Centro de Portugal. Este estudo analisa as perceções técnicas (decisores políticos e técnicos) e sociais (proprietários florestais e outros membros da comunidade local) sobre as florestas, a gestão florestal e os incêndios florestais (Capítulo 4). As ‘Zonas de Intervenção Florestal’, enquanto ferramenta recente para a cooperação e organização dos proprietários e produtores florestais, foram também analisadas (Capítulo 3). A segunda parte da tese é dedicada à análise de processos de participação pública, com base numa revisão bibliográfica sobre os benefícios, níveis, abordagens e métodos de participação (Capítulo 5) e numa avaliação de processos de participação pública desenvolvidos em Portugal (Capítulo 6). A terceira parte da tese foca-se no desenho e no teste da metodologia participativa proposta no âmbito desta tese (Capítulo 7) e na formulação de algumas orientações para melhoria dos processos participativos na gestão florestal (Capítulo 8). Os resultados confirmaram a centralidade dos incêndios florestais e dos fatores associados ao contexto socioeconómico (e.g. despovoamento e envelhecimento populacional, absentismo, falta de gestão florestal, estrutura fundiária) como os principais problemas que afetam a floresta na região Centro de Portugal. A organização e cooperação dos proprietários florestais emergiu como solução possível para lidar com estas ameaças e promover a multifuncionalidade da floresta, sendo essencial aumentar o conhecimento e a participação dos agentes nas decisões associadas à floresta. É proposta uma ferramenta para esta participação, centrada no contexto local e facilmente utilizável por todos os agentes. A implementação da metodologia participativa revelou o seu potencial no desenvolvimento de uma participação equitativa e inclusiva dos múltiplos agentes.

Sustainable viticulture in Bairrada appellation: vineyard and harvest year effects on grapes oenological potential

The sustainable viticulture of a region passes, among other aspects, for maximizing the varieties potential minimizing subsequent interventions during winemaking, which should contribute to the production of quality wines maintaining their typicity and rationalizing costs. The detailed knowledge of each Appellation specificities, namely vineyard parcel (soil type and topographical peculiarities) and harvest climatic conditions is crucial for sustainability in this sector. Thus, in line with this current trend, the starting point for the development of this PhD thesis was to evaluate the oenological potential of different varieties cultivated throughout Bairrada Appellation (Portugal). During maturation several changes in grape varieties occur, namely berries become sweeter, less acidic, and they develop flavour, aroma and colour properties. The development of these characteristics is essential to define grapes oenological potential, i.e. to estimate the possibility of their usage to produce specific wines. A three years sampling plan was designed to evaluate the effect of harvest year and parcel characteristics on V. vinifera cv. Arinto, Bical, Sauvignon Blanc, Baga, Castelão, Touriga Nacional, and Sousão grapes composition. For each variety, 3 parcels with different characteristics were selected. Several physicochemical parameters were evaluated, during maturation: berry weight, pH, titratable acidity, sugar and phenolic contents, antiradical activity, and volatile composition (free fraction). Special attention was devoted to grapes at technologic maturity, since, besides these parameters, glycosidically-linked fraction was also considered. By using the results obtained at technologic maturity, a comprehensive approach was applied to identify the significance of harvest and parcel characteristics effects on each variety composition. Considering all the parameters under study, it may be highlighted some significant differences. According to the obtained results determined during maturation, it was possible to conclude that Arinto, Bical and Sauvignon Blanc grapes from parcels with clay-sandy and clay-calcareous soils have higher phenolic content and antiradical activity. Otherwise, Sauvignon Blanc presented similar volatile composition for grapes cultivated in the 3 parcels, while Arinto and Bical exhibited higher volatile content in grapes from claysandy and clay-calcareous soils. For Baga, Castelão and Touriga Nacional red varieties, grapes with higher phenolic content, antiradical activity, and volatile content were obtained from clayey and clay-calcareous soils. Furthermore, for Touriga Nacional, parcels altitude seems also to modulate grapes composition. Beyond parcel effect, harvest year conditions also influence grapes composition: 2011 harvest was related with lower phenolic and volatile contents, as well as lower antiradical activity.For grapes collected at technologic maturity, analysis of variance-simultaneous component analysis (ASCA) was applied combining all the parameters under study, in order to assess the influence of harvest and parcel characteristics on each variety oenological potential. The results obtained using this comprehensive approach is closely related with those observed during maturation and revealed that harvest was the main factor that influenced grapes composition (53% to 68% of the total data set variance) followed by parcel characteristics, explaining ca. 15-19% of the total data set variance. The oenological potential of each variety may be different from one parcel to another, i.e., clay-sandy and clay-calcareous related-environments seem to favour Arinto and Bical white grapes composition, but for the red varieties, grapes composition was favoured by clayey and clay-calcareous soils. Besides, also higher altitude seems to favour Touriga Nacional grapes composition. Sauvignon Blanc seems to be a variety well adapted to the different parcel characteristics. In order to go forward in the valuation of these varieties, the aroma properties of 6 monovarietal wines were studied based on an aroma network-approach, linking molecular data related to volatile composition and aroma data about the key odor active molecules. This approach allowed to identify different wine aroma properties and to infer about the consumer’s sensory perception. It was found that aroma properties differ from one wine variety to another: while Arinto and Sauvignon Blanc wine exhibited higher tree fruity, sweety and flowery aromas, related essentially with ester compounds and C13 norisoprenoids, the opposite was obtained for Bical wine, corroborating the aroma sensory perceptions of the trained panel. Sauvignon Blanc also exhibited higher toasted aromas (related with thiols, mainly with 2-methyl-3-furanthiol). Touriga Nacional red wine exhibited higher tree, tropical, and berry fruits notes (sensory described as sweet fruits), toasted and flowery aromas, while these are similar for the other red wines under study. Besides Portuguese Bairrada wines, this aroma network approach is a tool that can be used to explain the aroma properties of wines worldwide. The grape and wine data generated under the present PhD thesis, in the context of Bairrada Appellation, shows the unique character of each variety, and may be used by growers and wine producers as a support for decisionmaking based on objective criteria, increasing the sustainability in this sector. For instance, it is possible to take advantage of the natural resources and produce products with different characteristics obtained from the same variety, minimizing costs during the winemaking process.