Growing biofuel outdoors in Seattle: effects of natural light level and temperature on marine microalgal culture density and lipid content in contained natural exposure systems

Senior thesis written for Oceanography 445

Environmental impact assessment of energy crops cultivation in the Mediterranean Europe

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa Para a obtenção do Grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Exopolysaccharide production by Enterobacter A47: optimization of cultivation conditions and study of polymer functional properties

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Utilization of biodiesel-derived glycerol or xylose for increased growth and lipid production by indigenous microalgae

The use of industrial wastes rich in mineral nutrients and carbon sources to increase the final microalgal biomass and lipid yield at a low cost is an important strategy to make algal biofuel technology viable. Using strains from the microalgal collection of the Université de Montréal, this report shows for the first time that microalgal strains can be grown on xylose, the major carbon source found in wastewater streams from pulp and paper industries, with an increase in growth rate of 2.8 fold in comparison to photoautotrophic growth, reaching up to µ=1.1/day. On glycerol, growth rates reached as high as µ=1.52/day. Lipid productivity increased up to 370% on glycerol and 180% on xylose for the strain LB1H10, showing the suitability of this strain for further development for biofuels production through mixotrophic cultivation.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Microalgal vegetation in the selected Mangrove Ecosystem of Kerala.

Department of Marine Biology, Cochin University of Science & Technology

Ecology And Seasonal Variation Of Microalgal Community In An Oil Refinery Effluent Holding Pond: Monitoring And Assessment

The microalgal community as primary producers has to play a significant role in the biotic and abitoic interactions of any aquatic ecosystem. Whenever a community is exposed to a pollutant, responses can occur because individuals acclimate to pollutant caused changes and selection can occur favouring resistant genotypes within a population and selection among species can result in changes in community structure. The microalgal community of industrial effluent treatment systems are continuously exposed to pollutants and there is little data available on the structure and seasonal variation of microalgal community of industrial effluent holding ponds, especially of a complex effluent like that of refinery. The aim of the present study was to investigate the annual variation in the ecology, biomass, productivity and community structure of the algal community of a refinery effluent holding pond. The results of the study showed the pond to be a eutrophic system with a resistant microalgal community with distinct seasonal variation in species composition

Return and Efficiency of Intercropped Pineapple Cultivation in Kerala

School of management studies

Shifting cultivation and forest resources in Nagaland, N.-E. India

Die vorliegende Studie befasst sich mit der Ressourcennachhaltigkeit der traditionellen, auf Wanderfeldbau beruhenden Subsistenzwirtschaft in zwei Dörfern (Hongphoy und Minyakshu) in Nagaland im Nordosten Indiens. Hierbei werden die Cerealien Produktion, der Feuerholz Konsum und auch die Folgen der intensivierten Bewirtschaftung (Forstdegradation und Bodenverarmung) im Hinblick auf das Bevölkerungswachstum diskutiert. Während das traditionelle System des Wanderfeldbaus (Jhum) seit Jahrzehnten die Bedürfnisse der ehemals kopfjagenden Stämme Nagalands erfüllte, ergab unsere Studie durch Interviews und Feldaufnahmen in 2004 und 2005, dass die steigende Nachfrage einer wachsenden Bevölkerung nach Cerealien und Feuerholz als wichtigste Ressourcen der Subsistenzwirtschaft zu einer verkürzten Brachezeit und letztlich der Degradation von Naturressourcen geführt hat: Pro Hektar Ernten sind reduziert und der Zuwachs der Holzvorräte auf den Feldern kann durch die verkürzten Bracheperioden nicht mehr die Feuerholz Nachfrage decken. Eine Nahrungsmittelknappheit wurde durch die Gegenüberstellung des Energiebedarfs einer Person und die jährlichen pro-Kopf Erntemengen und unter Berücksichtigung des Zukaufs von Reis reflektiert: In Hongphoy ergab dies ein Defizit auf Dorfebene von 130 Tonnen Reis, in Minyakshu von 480 Tonnen, die nicht durch Ernten gedeckt werden konnten. Diese Nahrungsmittelknappheit erweist sich vor allem vor dem Hintergrund eines Bevölkerungswachstums von 6.7% und marginalen Einkünften als problematisch. Für fünf verschiedene Waldformationen (zwei Brachewälder, zwei Dorfwälder und ein Naturwald) wurden die unterschiedliche Artenzusammensetzung (Diversität) und Bestandesvolumina durch Forstinventuren beschrieben. Der dem Bestandesvolumen der Brachewälder gegenübergestellte pro-Kopf Feuerholz Bedarf ergab ein jährliches Defizit von 1,81m³ in Hongphoy und 0.05m³ in Minyakshu. Der Unterschied dieses Defizits zwischen beiden Dörfern wurde in einer abweichenden Bestandesstruktur (Dominanz der N2 fixierenden Baumart Alnus nepalensis in den Brachewäldern Minyakshus) begründet. Über den erhobenen Feuerholzbedarf wurde ein theoretischer pro-Kopf Flächenbedarf an Brachewald errechnet, der nötig wäre um den gesamten Feuerholz Bedarf innerhalb des Wanderfeldbau Systems zu decken. Das daraus resultierende Defizit wurde mit den Feuerholzvolumina der Dorfwälder und des verbliebenen Naturwalds gegenüber gestellt. Hieraus ergibt sich die Bedeutung der Feuerholzernte und des Wanderfeldbau als Ursache für die fortschreitende Entwaldung und Forstdegradation in Nagaland. Mit Hilfe dieser Informationen und aktuellen Angaben zum Bevölkerungswachstum werden die Ergebnisse anhand einschlägiger Literatur diskutiert und letztendlich die Nachhaltigkeit und Tragfähigkeit des Wanderfeldbau Systems in dieser Region bestimmt. Mögliche Verbesserungsstrategien um der zunehmenden Ressourcendegradation zu begegnen, werden andiskutiert.

Effect of planting methods and cyanobacterial inoculants on yield, water productivity and economics of rice cultivation

The impact of two crop planting methods and of the application of cyanobacterial inoculants on plant growth, yield, water productivity and economics of rice cultivation was evaluated with the help of a split plot designed experiment during the rainy season of 2011 in New Delhi, India. Conventional transplanting and system of rice intensification (SRI) were tested as two different planting methods and seven treatments that considered cyanobacterial inoculants and compost were applied with three repetitions each. Results revealed no significant differences in plant performance and crop yield between both planting methods. However, the application of biofilm based BGA bio-fertiliser + 2/3 N had an overall positive impact on both, plant performance (plant height, number of tillers) and crop yield (number and weight of panicles) as well as on grain and straw yield. Higher net return and a higher benefit-cost ratio were observed in rice fields under SRI planting method, whereas the application of BGA + PGPR + 2/3 N resulted in highest values. Total water productivity and irrigation water productivity was significantly higher under SRI practices (5.95 and 3.67 kg ha^(-1) mm^(-1)) compared to practices of conventional transplanting (3.36 and 2.44), meaning that using SRI method, water saving of about 34 % could be achieved and significantly less water was required to produce one kg of rice. This study could show that a combination of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) in conjunction with BGA and 2/3 dose of mineral N fertiliser can support crop growth performance, crop yields and reduces overall production cost, wherefore this practices should be used in the integrated nutrient management of rice fields in India.

Dating the onset of cereal cultivation in Britain and Ireland: the evidence from charred cereal grains

When does Neolithic life begin in Britain? The author gathered up the current evidence for radiocarbon-dated first use of cereals, distinguishing between dates from charcoal in contexts with cereals, and dates from the charred grains themselves. The charred grains begin to appear around 4000 cal BC and become prominent in settlements between 3800 and 3000 cal BC This correlates well with the appearance of megalithic tombs (3800-3500 cal BC) and argues for a relatively rapid adoption of the Neolithic package during an experimental phase of two centuries, 4000-3800 cal BC. The early cereals reported in the pollen record (from 5000 BC) are attributed to wild species.

Midden cultivation in prehistoric Britain: arable crops in gardens

This paper summarizes some of the geoarchaeological evidence for early arable agriculture in Britain and Europe, and introduces new evidence for small-scale but very intensive cultivation in the Neolithic, Bronze Age and Iron Age in Scotland. The Scottish examples demonstrate that, from the Neolithic to the Iron Age, midden heaps were sometimes ploughed in situ; this means that, rather than spreading midden material onto the fields, the early farmers simply ran an ard over their compost heaps and sowed the resulting plots. The practice appears to have been common in Scotland, and may also have occurred in England. Neolithic cultivation of a Mesolithic midden is suggested, based on thin-section analysis of the middens at Northton, Harris. The fertility of the Mesolithic middens may partly explain why Neolithic farmers re-settled Mesolithic sites in the Northern and Western Isles.

Analysis of Phytochemical Composition and Chemoprotective Capacity of Rocket (Eruca sativa and Diplotaxis tenuifolia) Leafy Salad Following Cultivation in Different Environments

Consumption of green leafy vegetables is associated with reduced risk of several types of cancer and cardiovascular disease. These beneficial effects are attributed to a range of phytochemicals including flavonoids and glucosinolates, both of which are found in high levels in Brassicaceous crops. Rocket is the general name attributed to cultivars of Eruca sativa and Diplotaxis tenufolia, known as salad rocket and wild rocket, respectively. We have shown that different light levels during the cultivation period of these crops have a significant impact on the levels of flavonoids present in the crop at harvest, with over 15-fold increase achieved in quercetin, isorhamnetin, and cyanidin in high light conditions. Postharvest storage further affects the levels of both flavonoids and glucosinolates, with cyanidin increasing during shelf life and some glucosinolates, such as glucoiberverin, being reduced over the same storage period. In vitro assays using human colon cell lines demonstrate that glucosinolate-rich extracts of Eruca sativa cv. Sky, but not Diplotaxis tenufolia cv. Voyager, confer significant resistance to oxidative stress on the cells, which is indicative of the chemoprotective properties of the leaves from this species. Our findings indicate that both pre and postharvest environment and genotypic selection, when developing new lines of Brassicaceous vegetables, are important considerations with the goal of improving human nutrition and health.