Sublimation/volatilisation kinetics of 8-hydroxyquinolines and their nitro-derivatives

5-Nitro-8-hydroxyquinoline (B) and 5,7-dinitro-8-hydroxyquinoline (C) were obtained from nitration of 8-hydroxyquinoline (A) and purified in acetone medium and under heating in which the formation of (B) or (C) depends on the amount of HNO3 added. TG curves present mass loss in only one step before and after the melting point (T-m=76 degreesC (A) and 180 degreesC (B)) in different proportions as a function of the heating rate, characterising the sublimation and the volatilisation processes, respectively. The thermal stability of the compounds follow the order: A (77 degreesC)

Significance of gaseous nitrogen loss from a tropical dairy pasture fertilised with urea

This paper reports a study in the wet tropics of Queensland on the fate of urea applied to a dairy pasture in the absence of grazing animals. A nitrogen balance was conducted in cylindrical plots with N-15-labelled urea, and ammonia volatilisation was determined using a mass balance micrometeorological method. The pasture plants took up 42% of the applied nitrogen in the 98 days between fertiliser application and harvest. At harvest 18% of the applied nitrogen was found in the soil, and 40% was lost from the plant-soil system. The micrometeorological study showed that 20% of the unrecovered nitrogen was lost by ammonia volatilisation. As there was no evidence for leaching or runoff losses it was concluded that the remaining 20% of the applied nitrogen was lost by denitrification. It is evident from these results that fertiliser nitrogen is not being used efficiently on dairy pastures, and that practices need to be changed to conserve fertiliser nitrogen and reduce contamination of the environment.

Determination of total petroleum hydrocarbons in soil from different locations using infrared spectrophotometry and gas chromatography

Total petroleum hydrocarbons (TPH) are important environmental contaminants which are toxic to human and environmental receptors. Several analytical methods have been used to quantify TPH levels in contaminated soils, specifically through infrared spectrometry (IR) and gas chromatography (GC). Despite being two of the most used techniques, some issues remain that have been inadequately studied: a) applicability of both techniques to soils contaminated with two distinct types of fuel (petrol and diesel), b) influence of the soil natural organic matter content on the results achieved by various analytical methods, and c) evaluation of the performance of both techniques in analyses of soils with different levels of contamination (presumably non-contaminated and potentially contaminated). The main objectives of this work were to answer these questions and to provide more complete information about the potentials and limitations of GC and IR techniques. The results led us to the following conclusions: a) IR analysis of soils contaminated with petrol is not suitable due to volatilisation losses, b) there is a significant influence of organic matter in IR analysis, and c) both techniques demonstrated the capacity to accurately quantify TPH in soils, irrespective of their contamination levels.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Dehydration and volatilization non isothermic kinetic of the solid state aluminium 8-hydroxyquinolinate

Al(C9H6ON)3.2.5H2O was precipitated from the mixture of an aqueous solution of aluminium ion and an acid solution of 8-hydroxyquinoline, by increasing the pH value to 9.5 with ammonia aqueous solution. The TG curves in nitrogen atmosphere present mass losses due to dehydration, partial volatilisation (sublimation plus vaporisation) of the anhydrous compound followed by thermal decomposition with the formation of a mixture of carbonaceous and residues. The relation between sublimation and vaporisation depends on the heating rate used. The non isothermic integral isoconventional methods as linear equations of Ozawa-Flynn-Wall and Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) were used to obtain the kinetic parameters from TG and DTA curves, respectively. Despite the fact that both dehydration and volatilisation reactions follow the linearity by using both methods, only for the volatilisation reaction the validity condition, 20<= E/RT<= 50, was verified.

Characterisation of waste for combustion : with special reference to the role of zinc

Waste combustion has gone from being a volume reducing discarding-method to an energy recovery process for unwanted material that cannot be reused or recycled. Different fractions of waste are used as fuel today, such as; municipal solid waste, refuse derived fuel, and solid recovered fuel. Furthermore, industrial waste, normally a mixture between commercial waste and building and demolition waste, is common, either as separate fuels or mixed with, for example, municipal solid waste. Compared to fossil or biomass fuels, waste mixtures are extremely heterogeneous, making it a complicated fuel. Differences in calorific values, ash content, moisture content, and changing levels of elements, such as Cl and alkali metals, are common in waste fuel. Moreover, waste contains much higher levels of troublesome trace elements, such as Zn, which is thought to accelerate a corrosion process. Varying fuel quality can be strenuous on the boiler system and may cause fouling and corrosion of heat exchanger surfaces. This thesis examines waste fuels and waste combustion from different angles, with the objective of giving a better understanding of waste as an important fuel in today’s fuel economy. Several chemical characterisation campaigns of waste fuels over longer time periods (10-12 months) was used to determine the fossil content of Swedish waste fuels, to investigate possible seasonal variations, and to study the presence of Zn in waste. Data from the characterisation campaigns were used for thermodynamic equilibrium calculations to follow trends and determine the effect of changing concentrations of various elements. The thesis also includes a study of the thermal behaviour of Zn and a full—scale study of how the bed temperature affects the volatilisation of alkali metals and Zn from the fuel. As mixed waste fuel contains considerable amounts of fresh biomass, such as wood, food waste, paper etc. it would be wrong to classify it as a fossil fuel. When Sweden introduced waste combustion as a part of the European Union emission trading system in the beginning of 2013 there was a need for combustion plants to find a usable and reliable method to determine the fossil content. Four different methods were studied in full-scale of seven combustion plants; 14Canalysis of solid waste, 14C-analysis of flue gas, sorting analysis followed by calculations, and a patented balance method that is using a software program to calculate the fossil content based on parameters from the plant. The study showed that approximately one third of the coal in Swedish waste mixtures has fossil origins and presented the plants with information about the four different methods and their advantages and disadvantages. Characterisation campaigns also showed that industrial waste contain higher levels of trace elements, such as Zn. The content of Zn in Swedish waste fuels was determined to be approximately 800 mg kg-1 on average, based on 42 samples of solid waste from seven different plants with varying mixtures between municipal solid waste and industrial waste. A review study of the occurrence of Zn in fuels confirmed that the highest amounts of Zn are present in waste fuels rather than in fossil or biomass fuels. In tires, Zn is used as a vulcanizing agent and can reach concentration values of 9600-16800 mg kg-1. Waste Electrical and Electronic Equipment is the second Zn-richest fuel and even though on average Zn content is around 4000 mg kg-1, the values of over 19000 mg kg-1 were also reported. The increased amounts of Zn, 3000-4000 mg kg-1, are also found in municipal solid waste, sludge with over 2000 mg kg-1 on average (some exceptions up to 49000 mg kg-1), and other waste derived fuels (over 1000 mg kg-1). Zn is also found in fossil fuels. In coal, the average level of Zn is 100 mg kg-1, the higher amount of Zn was only reported for oil shale with values between 20-2680 mg kg-1. The content of Zn in biomass is basically determined by its natural occurrence and it is typically 10-100 mg kg-1. The thermal behaviour of Zn is of importance to understand the possible reactions taking place in the boiler. By using thermal analysis three common Zn-compounds were studied (ZnCl2, ZnSO4, and ZnO) and compared to phase diagrams produced with thermodynamic equilibrium calculations. The results of the study suggest that ZnCl2(s/l) cannot exist readily in the boiler due to its volatility at high temperatures and its conversion to ZnO in oxidising conditions. Also, ZnSO4 decomposes around 680°C, while ZnO is relatively stable in the temperature range prevailing in the boiler. Furthermore, by exposing ZnO to HCl in a hot environment (240-330°C) it was shown that chlorination of ZnO with HCl gas is possible. Waste fuel containing high levels of elements known to be corrosive, for example, Na and K in combination with Cl, and also significant amounts of trace elements, such as Zn, are demanding on the whole boiler system. A full-scale study of how the volatilisation of Na, K, and Zn is affected by the bed temperature in a fluidised bed boiler was performed parallel with a lab-scale study with the same conditions. The study showed that the fouling rate on deposit probes were decreased by 20 % when the bed temperature was decreased from 870°C to below 720°C. In addition, the lab-scale experiments clearly indicated that the amount of alkali metals and Zn volatilised depends on the reactor temperature.

Horizontal nutrient fluxes and production efficiencies in urban and peri-urban crop and livestock husbandry of Niamey, Niger

Urban and peri-urban agriculture (UPA) increasingly supplies food and non-food values to the rapidly growing West African cities. However, little is known about the resource use efficiencies in West African small-scale UPA crop and livestock production systems, and about the benefits that urban producers and retailers obtain from the cultivation and sale of UPA products. To contribute to filling this gap of knowledge, the studies comprising this doctoral thesis determined nutrient use efficiencies in representative urban crop and livestock production system in Niamey, Niger, and investigated potential health risks for consumers. Also assessed was the economic efficiency of urban farming activities. The field study, which was conducted during November 2005 to January 2008, quantified management-related horizontal nutrient flows in 10 vegetable gardens, 9 millet fields and 13 cattle and small ruminant production units. These farms, selected on the basis of a preceding study, represented the diversity of UPA crop and livestock production systems in Niamey. Based on the management intensity, the market orientation and especially the nutrient input to individual gardens and fields, these were categorized as high or low input systems. In the livestock study, high and low input cattle and small ruminant units were differentiated based on the amounts of total feed dry matter offered daily to the animals at the homestead. Additionally, economic returns to gardeners and market retailers cultivating and selling amaranth, lettuce, cabbage and tomato - four highly appreciated vegetables in Niamey were determined during a 6-months survey in forty gardens and five markets. For vegetable gardens and millet fields, significant differences in partial horizontal nutrient balances were determined for both management intensities. Per hectare, average annual partial balances for carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) amounted to 9936 kg C, 1133 kg N, 223 kg P and 312 kg K in high input vegetable gardens as opposed to 9580 kg C, 290 kg N, 125 kg P and 351 kg K in low input gardens. These surpluses were mainly explained by heavy use of mineral fertilizers and animal manure to which irrigation with nutrient rich wastewater added. In high input millet fields, annual surpluses of 259 kg C ha-1, 126 kg N ha-1, 20 kg P ha-1 and 0.4 kg K ha-1 were determined. Surpluses of 12 kg C ha-1, 17 kg N ha-1, and deficits of -3 kg P ha-1 and -3 kg K ha-1 were determined for low input millet fields. Here, carbon and nutrient inputs predominantly originated from livestock manure application through corralling of sheep, goats and cattle. In the livestock enterprises, N, P and K supplied by forages offered at the farm exceeded the animals’ requirements for maintenance and growth in high and low input sheep/goat as well as cattle units. The highest average growth rate determined in high input sheep/goat units was 104 g d-1 during the cool dry season, while a maximum average gain of 70 g d-1 was determined for low input sheep/goat units during the hot dry season. In low as well as in high input cattle units, animals lost weight during the hot dry season, and gained weight during the cool dry season. In all livestock units, conversion efficiencies for feeds offered at the homestead were rather poor, ranging from 13 to 42 kg dry matter (DM) per kg live weight gain (LWG) in cattle and from 16 to 43 kg DM kg-1 LWG in sheep/goats, pointing to a substantial waste of feeds and nutrients. The economic assessment of the production of four high value vegetables pointed to a low efficiency of N and P use in amaranth and lettuce production, causing low economic returns for these crops compared to tomato and cabbage to which inexpensive animal manure was applied. The net profit of market retailers depended on the type of vegetable marketed. In addition it depended on marketplace for amaranth and lettuce, and on season and marketplace for cabbage and tomato. Analysis of faecal pathogens in lettuce irrigated with river water and fertilized with animal manure indicated a substantial contamination by Salmonella spp. with 7.2 x 104 colony forming units (CFU) per 25 g of produce fresh matter, while counts of Escherichia coli averaged 3.9 x 104 CFU g-1. In lettuce irrigated with wastewater, Salmonella counts averaged 9.8 x 104 CFU 25 g-1 and E. coli counts were 0.6 x 104 CFU g-1; these values exceeded the tolerable contamination levels in vegetables of 10 CFU g-1 for E. coli and of 0 CFU 25 g-1 for Salmonella. Taken together, the results of this study indicate that Niamey’s UPA enterprises put environmental safety at risk since excess inputs of N, P and K to crop and livestock production units favour N volatilisation and groundwater pollution by nutrient leaching. However, more detailed studies are needed to corroborate these indications. Farmers’ revenues could be significantly increased if nutrient use efficiency in the different production (sub)systems was improved by better matching nutrient supply through fertilizers and feeds with the actual nutrient demands of plants and animals.

Short-term effects of human urine fertiliser and wood ash on soil pH and electrical conductivity

The fertiliser value of human urine has been examined on several crops, yet little is known about its effects on key soil properties of agronomic significance. This study investigated temporal soil salinization potential of human urine fertiliser (HUF). It further looked at combined effects of human urine and wood ash (WA) on soil pH, urine-NH_3 volatilisation, soil electrical conductivity (EC), and basic cation contents of two Acrisols (Adenta and Toje series) from the coastal savannah zone of Ghana. The experiment was a factorial design conducted in the laboratory for 12 weeks. The results indicated an increase in soil pH by 1.2 units for Adenta series and 1 unit for Toje series after one week of HUF application followed by a decline by about 2 pH units for both soil types after twelve weeks. This was attributed to nitrification of ammonium to nitrate leading to acidification. The EC otherwise increased with HUF application creating slightly saline conditions in Toje series and non-saline conditions in Adenta series. When WA was applied with HUF, both soil pH and EC increased. In contrast, the HUF alone slightly salinized Toje series, but both soils remained non-saline whenWA and HUF were applied together. The application ofWA resulted in two-fold increase in Ca, Mg, K, and Na content compared to HUF alone. Hence, WA is a promising amendment of acid soils and could reduce the effect of soluble salts in human urine fertilizer, which is likely to cause soil salinity.

Modelling of the natural chlorine cycling in a coniferous stand: implications for chlorine-36 behaviour in a contaminated forest environment

Considered as one of the most available radionuclide in soileplant system, 36Cl is of potential concern for long-term management of radioactive wastes, due to its high mobility and its long half-life. To evaluate the risk of dispersion and accumulation of 36Cl in the biosphere as a consequence of a potential contamination, there is a need for an appropriate understanding of the chlorine cycling dynamics in the ecosystems. To date, a small number of studies have investigated the chlorine transfer in the ecosystem including the transformation of chloride to organic chlorine but, to our knowledge, none have modelled this cycle. In this study, a model involving inorganic as well as organic pools in soils has been developed and parameterised to describe the biogeochemical fate of chlorine in a pine forest. The model has been evaluated for stable chlorine by performing a range of sensitivity analyses and by comparing the simulated to the observed values. Finally a range of contamination scenarios, which differ in terms of external supply, exposure time and source, has been simulated to estimate the possible accumulation of 36Cl within the different compartments of the coniferous stand. The sensitivity study supports the relevancy of the model and its compartments, and has highlighted the chlorine transfers affecting the most the residence time of chlorine in the stand. Compared to observations, the model simulates realistic values for the chlorine content within the different forest compartments. For both atmospheric and underground contamination scenarios most of the chlorine can be found in its organic form in the soil. However, in case of an underground source, about two times less chlorine accumulates in the system and proportionally more chlorine leaves the system through drainage than through volatilisation.

Contribution of non-volatile and volatile compounds to the umami taste and overall flavour of shiitake mushroom extracts and their application as flavour enhancers in cooked minced meat

Aqueous extracts of dried shiitake mushrooms (Lentinus edodes) were prepared as taste and flavour enhancers for meat formulations. Effects of time and temperature on the chemical and sensory properties of the extracts were examined. Extracts prepared at 70 °C had significantly higher concentrations (p<0.001) of the savoury tasting 5’-ribonucleotides than those prepared at 22 °C but increasing the extraction time from 30 to 360 mins only increased their recovery slightly (p=0.053). In contrast, higher temperature extracts had considerably smaller concentrations of the major volatile compounds, such as lenthionine, 1-octen-3-ol, 1,3-dithiethane and dimethyl disulfide, because of loss through volatilisation. A sensory discrimination test showed that the lower temperature extract was perceived to have less umami taste than the higher temperature extract (p=0.048). Incorporating the 70 °C shiitake extract into minced meat formulations led to significantly higher levels of savoury tasting 5’-ribonucleotides in the cooked meat but no significant difference in umami perception.

Assessment of plant uptake models used in exposure assessment tools for soils contaminated with organic pollutants

The aim of this study was to evaluate and improve the accuracy of plant uptake models for neutral hydrophobic organic pollutants (1 < logKOW < 9, −8 < logKAW < 0) used in regulatory exposure assessment tools, using uncertainty and sensitivity analyses. The models considered were RAIDAR, EUSES, CSOIL, CLEA, and CalTOX. In this research, CSOIL demonstrated the best performance of all five exposure assessment tools for root uptake from polluted soil in comparison with observed data, but no model predicted shoot uptake well. Recalibration of the transpiration and volatilisation parameters improved the performance of CSOIL and CLEA. The dominant pathway for shoot uptake simulated differed according to the properties of the chemical under consideration; those with a higher air–water partition coefficient were transported into shoots via the soil-air-plant pathway, while chemicals with a lower octanol–water partition coefficient and air–water partition coefficient were transported via the root. The soil organic carbon content was a particularly sensitive parameter in each model and using a site specific value improved model performance.

Dehydration and volatilization non isothermic kinetic of the solid state aluminium 8-hydroxyquinolinate

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Thermal behaviour of Tin(II) complex with 8-hydroxyquinolinate in the solid state

Tin(II) complexes with 8-hydroxyquinolinate in solid state have been obtained by adding aqueous ammonium to a solution containing stannous chloride and 8-hydroxiquinoline in medium of HCl and acetone up to pH 5 and 9, respectively. The products obtained show the same composition, Sn(C9H6ON)(2); however there are some differences regarding both the thermal behaviour in an oxidant atmosphere and morphology. These products were characterised by elemental and complexometric analysis, TG and DTA curves, infrared and X-ray diffractometry. TG curves show, above 448 K, the partial oxidation on air atmosphere of Sn(II) complexes to Sn(IV) complexes, SnO(C9H6ON)(2). This behaviour does not depend only on pH in which the compounds were obtained but also on the heating rate in TG curves. Sn(II) complexes volatilise almost completely on nitrogen atmosphere and partially on air atmosphere depending on the oxidation degree of the compound.

The application of inverse-dispersion and gradient methods to estimate ammonia emissions from a penguin colony.

Penguin colonies represent some of the most concentrated sources of ammonia emissions to the atmosphere in the world. The ammonia emitted into the atmosphere can have a large influence on the nitrogen cycling of ecosystems near the colonies. However, despite the ecological importance of the emissions, no measurements of ammonia emissions from penguin colonies have been made. The objective of this work was to determine the ammonia emission rate of a penguin colony using inverse-dispersion modelling and gradient methods. We measured meteorological variables and mean atmospheric concentrations of ammonia at seven locations near a colony of Adélie penguins in Antarctica to provide input data for inverse-dispersion modelling. Three different atmospheric dispersion models (ADMS, LADD and a Lagrangian stochastic model) were used to provide a robust emission estimate. The Lagrangian stochastic model was applied both in ‘forwards’ and ‘backwards’ mode to compare the difference between the two approaches. In addition, the aerodynamic gradient method was applied using vertical profiles of mean ammonia concentrations measured near the centre of the colony. The emission estimates derived from the simulations of the three dispersion models and the aerodynamic gradient method agreed quite well, giving a mean emission of 1.1 g ammonia per breeding pair per day (95% confidence interval: 0.4–2.5 g ammonia per breeding pair per day). This emission rate represents a volatilisation of 1.9% of the estimated nitrogen excretion of the penguins, which agrees well with that estimated from a temperature-dependent bioenergetics model. We found that, in this study, the Lagrangian stochastic model seemed to give more reliable emission estimates in ‘forwards’ mode than in ‘backwards’ mode due to the assumptions made.