L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) permet de comptabiliser les émissions de la production à la combustion d'un biocarburant mais elle ne prend pas en compte la dynamique locale de ces émissions, notamment celle des émissions de N2O, principal gaz à effet de serre agricole. Notre objectif fut d'abord d'analyse l'effet du tassement du sol sur les émissions de N2O en combinant expérimentation et modélisation. À l'aide de chambres automatiques sur des parcelles de betterave, nous avons mesuré en 2007-2008 des émissions cumulées de 944-977 g N-N2O ha-1 en sol non tassé et 1,448-1,382 g N-N2O ha-1 en sol tassé. Les émissions plus importantes sur le tassé furent surtout dues aux conditions anoxiques propices à la dénitrification. Nous avons modifié le modèle NOE pour mieux simuler la nitrification et la variation des fractions de N2O sur les produits totaux. Malgré une meilleure prédiction de la nitrification et des flux post-fertilisation, le modèle modifié NOE2 sous-estima les émissions totales. La sévère sous-estimation en été montre que les cycles sec-humides peuvent entraîner de fortes émissions dont le déterminisme n'est ni élucidé ni modélisé. Nous avons ensuite utilisé un modèle d'agro-écosystème (CERES-EGC-NOE2) pour produire les données d'inventaire pour nos ACV locales. L'éthanol de Miscanthus produit en Picardie entraîne potentiellement beaucoup moins d'impacts environnementaux que celui de betterave. Comparés à l'essence, l'éthanol de Miscanthus permettrait une réduction de gaz à effet de serre de 82-85% par MJ, celui de betterave une réduction de 28-42% par MJ en fonction des conditions pédo-climatiques et des pratiques agricoles locales.

The feedbacks between hydrology and biogeochemical cycling of nitrogen (N) are of critical importance to global bioavailable N budgets. Human activities are dramatically increasing the amount of bioavailable N in the biosphere, which is causing increasingly frequent and severe impacts on ecosystems and human welfare. Streams are important features in the landscape for N cycling, because they integrate many sources of terrestrially derived N and control export to downgradient systems via internal source and sink processes. N transformations in stream ecosystems are typically very complex due to spatiotemporal variability in the factors controlling N biogeochemistry. Thus, it is difficult to predict if a particular stream system will function as a net source or sink of bioavailable N. A key location for N transformations in stream ecosystems is the hyporheic zone, where stream and ground waters mix. The hyporheic zone can be a source of bioavailable N via nitrification or a sink via denitrification. These N transformations are regulated by the physical and biogeochemical conditions of hyporheic zones. Natural heterogeneity in streams leads to unique combinations of both the physical and biogeochemical conditions which in turn result in unique N source and sink conditions. This dissertation investigates the relationships between physical and biogeochemical controls and the resulting fate of bioavailable N in hyporheic zones. The key physical factor investigated is the supply rate of solutes which is a function of transport processes - advection and dispersion, and transport conditions - hydraulic conductivity and flowpath length. Different physical conditions result in different characteristic residence times of water and solutes in hyporheic zones. The key biogeochemical factors investigated are the dynamics of oxygen (O₂), labile dissolved organic carbon (DOC), and inorganic bioavailable N (NH₄⁺ and NO₃⁻). This dissertation uses ¹⁵N isotope experiments, numerical modeling of coupled transport of the bioavailable N species, O₂ and DOC, and a suite of geophysical measurements to identify the key linkages between hydrological and biogeochemical controls on N transformations in hyporheic zones. Specifically, it was determined that the conditions governing the fate of hyporheic N are both the physical transport and reaction kinetics – the residence time of water and the O2 uptake rate. An important scaling relationship is developed by relating the characteristic timescales of residence time and O₂ uptake. The resulting dimensionless relationship, the Damköhler number for O₂, is useful for scaling different streams hyporheic zones and their role on stream N source – sink dynamics. More generally, these investigations demonstrate that careful consideration and quantification of hydrological processes can greatly inform the investigation of aquatic biogeochemical dynamics and lead to the development of process-based knowledge. In turn, this process-based knowledge will facilitate more robust approaches to quantifying and predicting biogeochemical cycles and budgets. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Sept. 21, 2011 - March 21, 2012

In recent years considerable interest has been shown in the diversity of ammonia-oxidizing bacteria in soil communities. The majority of the research has been carried out in Northern Europe where soils have received high atmospheric inputs of nitrogen over the past two centuries. In contrast, although much work has been conducted on nitrogen cycling processes in nitrogen limited forest ecosystems in western North America, no studies have examined the characteristics of ammonia-oxidizing communities in those environments. I was interested in measuring nitrification potential along a high-elevation temperate meadow-to-forest gradient, and characterizing the ammonia-oxidizing communities along that gradient using both molecular and culturing methods. Two experimental sites (Lookout and Carpenter) were chosen in the H.J. Andrews Experimental Forest, located in the western Cascade Range of Oregon, at elevations of approximately 1500 meters. Although nitrification potential rates (NPRs) between sites were not significantly different (P=0.544), variation was observed both within and between sites for specific vegetation types. NPRs were significantly lower in forest (F) soil samples than in meadow (M) soil samples, averaging 5 and 2% of meadow NPRs at Lookout and Carpenter, respectively. In meadow soil samples, most probable number (MPN) population densities of ammonia-oxidizers ranged from 0.6 to 2.6 x 10⁴ cells gram⁻¹ of oven dry soil and 0.9 x 10³ to 1.1 x 10⁵ cells g⁻¹ OD soil at Lookout and Carpenter, respectively. In forest soil samples, population densities ranged from undetectable to 1.1 x 10⁴ cells g⁻¹ OD soil, and 0.9 x 10² to 2.3 x 10³ cells g⁻¹ OD soil at Lookout and Carpenter, respectively. Microbial community DNA was amplified using primers to the ammonia monooxygenase subunit A. Terminal restriction fragments polymorphism analysis with three different restriction enzymes (CfoI, TaqI, and AluI) revealed community profiles dominated by Nitrosospira species. One fragment from CfoI (66 bp) and one fragment from AluI (392-bp) were prominent in 47 soil samples from both sites, and represented between 32 to 100% of the Genescan fragment analyses of PCR products. A full length fragment from AluI digests (491-bp), and three fragments from CfoI (68, 100, and 135- bp) were found sporadically in fewer soil sample T-RFLPs, and within those samples represented smaller percentages of total peak areas. The CfoI 135-bp fragment length was associated primarily with M and meadow/forest (M/F) soils where it was observed in approximately 58 and 100% of the respective transect locations. Eight isolates recovered from soil samples were analyzed using the same molecular methods as the field samples. The T-RFLP patterns of the isolates corresponded with many of those found in the community fingerprints. Four unique amoA sequences were identified among these isolates, including one that possessed the dominant T-RFLP amoA fingerprint in soil samples. This sequence shared 99.8% similarity with Nitrosospira sp. Ka4, a cluster 4 ammonia oxidizer isolated in Norway. Sequence analysis phylogenetically associated the other three isolates (with unique amoA sequences) near Nitrosospira sp. Nsp 1 and Nitrosospira briensis, both cluster 3 ammonia oxidizers. Cloning and sequencing of soil DNA confirmed that ammonia oxidizers with these amoA sequences were present in the soil samples. Two additional amoA sequences were identified in clones that were 95% similar and paraphylogenetically positioned between representatives of clusters 3 and 4. So far, these sequences have not been found in any of the isolates analyzed. / Graduation date: 2003

The aim of this master thesis study was improvement of the required operational conditions for aerobic granulation in sequencing batch reactors (SBRs). In the first part of the study, membrane bioreactor sludge (MBS) and conventional activated sludge (CAS), were used to investigate the effect of suspended seed sludge type on granulation in SBRs. The MBS granules were found to be advantageous in terms of size, resistance to toxic effects, stability and recovery compared to CAS granules. During non-inhibitory conditions, sCOD removal efficiencies were 70&plusmn / 13% and 67&plusmn / 11% for MBS and CAS, and total nitrogen (TN) removal efficiencies were 38&plusmn / 8% and 26&plusmn / 8%, respectively. In the second part of the study, the effects of period sequence (anoxic-aerobic and aerobic-anoxic) on aerobic granulation from MBS, and sCOD, N removal efficiencies were investigated. Granules developed in anoxic-aerobic period sequence were more stable and larger (1.8-3.5 mm) than granules developed in aerobic-anoxic sequence. Under steady conditions, almost 95% sCOD, 90% Total Ammonia Nitrogen (TAN) and around 39-47 % of TN removal was achieved. Almost 100% denitrification in anoxic period was achieved in anoxic-aerobic period sequence and it was observed around 40% in aerobic-anoxic period sequence. The effects of influent sulfate (from 35.1 mg/L to 70.2 mg/L) on treatment efficiencies of aerobic granules were also investigated. The influent SO42- concentrations of 52.6 mg/L to 70.2 mg/L promoted sulfate reduction. The produced sulfide (0.24 mg/L to 0.62 mg/L) inhibited the ammonia-oxidizing bacteria (AOB) performance by 10 to 50%.

This master thesis in energy optimization was made during the autumn of 2006 at Käppala wastewater treatment plant in Lidingö, Stockholm. A preceding thesis, where all electricity consumption was mapped, showed that the aeration in the biological treatment is the single largest consumer in the plant, and it is therefore of interest to reduce this cost. The oxygen control strategy used at Käppala WWTP is working well from a nutrient removal point of view, but not from an economic one. The last aerobic zones have a very low oxygen consumption during low loading periods which give rise to enhanced dissolved oxygen concentrations with excessive costs and reduced denitrification as a result. But also during periods of normal loading unnecessary high oxygen concentration are sometimes given. By modifying the aeration control strategy three full-scale experiments have been made, with the intention to reduce the air consumption. The experiments were carried out during week 37-50 in the autumn of 2006 and showed that savings could be made. The regular oxygen control at Käppala WWTP controls the oxygen level in the aerobic compartment with two DO-setpoints; one in the first aerobic zone and one in the last. The zones in between are controlled by an airflow fractionation depending on the oxygen level in the first and last zone. In the first strategy to be evaluated, all four zones in the aerated part were individually controlled with its own setpoint. Two different setpoint combinations were tested. By using the fact that the efficiency in the oxygen transfer rate was higher at low airflows, savings of approximately 16 % were achieved. In the second strategy tested, an ammonia-feedback control combined with a DO-feedback controlled the DO-set point in the first aerobic zone. This strategy adjusted the DO- set points to the loading variations, and this gave a decreased airflow of approximately 9 %. Finally the two strategies were combined. All zones were then controlled individually with DO-set points set by an ammonium-feedback and a DO-feedback. The strategy gave savings in the airflow of approximately 18 %. In all three trials the aerated zones were more efficiently used, and the estimated savings are 550 000 SEK/year, and with a preserved nutrient removal efficiency. / Under hösten 2006 har ett examensarbete om energieffektivisering på Käppalaverket på Lidingö utförts. Ett föregående examensarbete där all elenergiförbrukning kartlades visade att blåsmaskinerna i biosteget står för den enskilt största förbrukningen i verket och det är därför av intresse att minska denna kostnad. Syrestyrningsstrategin som används på Käppalaverket fungerar mycket bra ur reningssynpunkt, men är inte optimal ur energisynpunkt. Dels luftas de första aeroba zonerna för mycket vid låg belastning vilket ger upphov till kraftigt förhöjda syrekoncentrationer i de sista aeroba zonerna med höga luftningskostnader och risk för försämrad denitrifikation, men även under normal belastning har det visat sig att onödigt höga syrekoncentrationer ibland ges. Tre fullskaliga optimeringsförsök har utförts, med syfte att minska luftförbrukningen med bibehållen reningsgrad. Försöken pågick från vecka 37 till 50 hösten 2006, och visade att det finns möjlighet att spara energi genom att modifiera syrestyrningsstrategin. Den reguljära syreregleringen i Käppalaverket styr syrehalten i den aeroba bassängen mot två syrebörvärden; ett i den första luftade zonen och ett i den sista. Luftflödet till de mellanliggande zonerna styrs av luftflödesandelar beroende på syrehalten i dessa två zoner. Den första strategin som utvärderades styrde istället samtliga zoner individuellt med egna börvärden, där två olika strukturer på de satta börvärdena användes. Genom att utnyttja en högre effektivitet i syreöverföringshastigheten vid låga luftflöden uppnåddes luftflödesbesparingar på ca 16 % i första försöket. I den andra strategin styrdes syrebörvärdet i den första luftade zonen med hjälp av två återkopplingar, en från utgående ammoniumhalt och en från syrehalten i den sista luftade zonen. Tack vare att strategin anpassade syrebörvärdena efter belastningen av syretärande ämnen erhölls luftflödesbesparingar på ca 9 %. Slutligen kombinerades de två strategierna; samtliga zoner styrdes individuellt med börvärden satta av en ammonium-återkoppling och en syre-återkoppling. Strategin medförde luftflödesbesparingar på ca 18 %. I samtliga försök utnyttjades de luftade zonerna bättre, och besparingspotentialen uträknad från 2005 års elpriser blev som mest 550 000 SEK/år, detta med en bibehållen reningsgrad.

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Le procédé à biofilm R3F / MBBR est une technologie récente en France qui vient s'ajouter à la gamme des procédés biologiques de traitement de la matière organique et azotée des eaux usées. Sa valeur ajoutée repose sur sa compacité grâce au développement d'une quantité importante de biomasse bactérienne dans un ouvrage à emprise au sol faible. Ainsi, le procédé R3F / MBBR s'avère être une solution intéressante pour le traitement de l'azote dans un contexte de contrainte foncière importante. Le principe de la technologie est l'emploi de biomédias, supports plastiques de quelques centimètres, sur lesquels un biofilm bactérien se développe. Ces biomédias sont mis en suspension dans le réacteur par insufflation d'air ou par brassage mécanique. Aujourd'hui, la modélisation est devenue un outil précieux d'aide au dimensionnement. S'il existe beaucoup de modèles de biofilm aujourd'hui, peu de travaux de recherche ont abouti à l'élaboration d'un modèle dynamique R3F / MBBR à destination de l'ingénierie et capable de simuler le procédé en conditions réelles. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse est la construction d'un modèle dynamique utilisable en ingénierie. La validation d'un tel modèle avec des données de terrain n'ayant pas encore été faite, ce point constituera une originalité. Pour ce faire, le fonctionnement d'une unité pilote R3F alimentée par des eaux résiduaires urbaines a été étudié. Le suivi du pilote pendant près de 2 ans en régime pseudo-permanent a d'abord permis d'évaluer les performances de 3 biomédias, travail là encore jamais réalisé. Ensuite, le régime dynamique, par l'application d'à-coups de charge hydraulique à une charge surfacique appliquée donnée, a été étudié. Une campagne de mesure intensive pendant une période de 4 jours en régime dynamique a servi de base pour le calage du modèle. Une période de 30 jours en régime pseudo-permanent a servi de base pour la validation du modèle.Ce travail de modélisation a abouti à l'élaboration d'un protocole de calage qui informe des paramètres à mesurer, et à modifier pour obtenir un modèle dynamique du procédé R3F / MBBR capable de simuler son fonctionnement en conditions réelles. Des protocoles de mesure ont également été élaborés pour estimer la valeur des paramètres à mesurer. Des simulations prédictives réalisées avec le modèle nouvellement calé ont ensuite permis d'évaluer le procédé dans de nouvelles conditions de fonctionnement. Une étude critique du modèle a abouti à la détermination de faiblesses qui limitent la qualité des simulations. Pour ces faiblesses, des propositions d'amélioration ont été apportées.

L'estuaire de la Gironde est le plus grand estuaire macrotidal d'Europe formé par la confluence de la Garonne (où se situe l'agglomération de Bordeaux) et de la Dordogne. L'une de ses principales caractéristiques est la présence d'une zone à forte turbidité (bouchon vaseux) où les processus hétérotrophes (dégradation de la matière organique) sont favorisés et où au contraire les processus autotrophes (production primaire) sont limités par le manque de lumière. Ainsi, des déficits en oxygène pouvant être préjudiciables à la vie aquatique se développent systématiquement dans la zone du bouchon vaseux de la Garonne estuarienne. Ces préoccupations environnementales ont donc conduit à étudier en détail dans le cadre de ce travail de doctorat, les facteurs environnementaux qui provoquent ces hypoxies estuariennes. Dans un premier temps, j'ai réalisé un suivi sur le réseau d'eaux urbaines partiellement séparatif et unitaire de la Communauté Urbaine de Bordeaux, de ses stations d'épurations et déversoirs d'orage afin d'appréhender les apports urbains de matières organique et azotées et de les comparer à ceux en provenance du bassin versant amont. Bien que les deux stations d'épuration réalisent des abattements très significatifs sur la matière organique et l'ammonium, il s'avère que les flux vers le milieu naturel restent importants, notamment durant les périodes estivales, pendant lesquelles des orages peuvent engendrer des déversements d'effluents non traités. Ensuite, des expériences d'incubations ont permis de mettre en évidence le caractère fortement labile de cette matière organique urbaine. Le carbone organique dissous et l'ammonium, contenus dans les eaux usées, sont des composés fortement consommateurs en oxygène. Des expériences de respirométrie ont également permis d'estimer les taux de consommation en oxygène nettement plus importants dans les effluents urbains que dans les eaux de la Gironde. Enfin, l'analyse des données du réseau de mesures en continu de la qualité physico-chimique des eaux MAGEST (MArel Gironde ESTuaire) a démontré que l'estuaire subit dans sa section garonnaise des périodes d'hypoxie lors d'étiages prononcés, la masse d'eau la plus affectée par ces désoxygénations étant celle qui oscille aux alentours de l'agglomération de Bordeaux. Si ces résultats démontrent l'impact significatif de l'agglomération Bordelaise, le traitement statistique des données MAGEST pour la période 2005-2011 montre que les phénomènes de désoxygénation sont accrus en période d'étiage prononcé, en présence du bouchon vaseux et lorsque la température de l'eau est élevée. Dans ces conditions, l'oxygène dissous, déjà présent en faible quantité, peut être rapidement consommé lors d'apports supplémentaires d'eaux urbaines non traitées qui ont lieu pendant de fortes précipitations orageuses. Ce travail démontre également que le type de traitement biologique des eaux usées employé par les stations d'épuration et les capacités de stockage temporaire d'eaux d'orages ont un rôle critique sur les bilans de ces composés rejetés dans le milieu naturel. Enfin, ce travail permet de proposer aux gestionnaires des stratégies de rejets des effluents à court et moyen terme, en fonction des conditions hydrologiques et physico-chimiques du milieu, dans le but de limiter leur impact sur l'oxygénation des eaux estuariennes de la Garonne.

L'urée, apportée dans les engrais, fournit aux plantes l'azote nécessaire à leur croissance. Dans le sol, elle est convertie en ammoniac par les uréases, puis, via le procédé de nitrification, est oxydée en nitrites, puis en nitrates, éléments essentiels pour la nutrition des plantes. Mais, cet apport artificiel conduit à de nombreux déséquilibres écologiques dus à d'importants rejets d'azote au niveau atmosphérique et aquatique. C'est pourquoi les inhibiteurs d'uréases et de la nitrification, qui régulent la présence des différentes formes de l'azote dans le sol, sont d'un intérêt majeur en agriculture. Dans le cadre du projet AZOSTIMER, nous avons voulu améliorer l'efficacité du MBT, inhibiteur de la nitrification, et du NBPT, inhibiteur d'uréases. Nous avons tout d'abord souhaité améliorer l'hydrosolubilité, et ainsi la biodisponibilité du MBT et d'un homologue, le MBI, par mise à profit du concept de prodrogue. Ces molécules ont été conjuguées à des sucres par synthèse glycosidique et une famille d'inhibiteurs glycosylés a été préparée. Par la suite, les propriétés physico-chimiques (solubilité, stabilité), biologiques (écotoxicité, activité) et le comportement dans les sols (dégradabilité, mobilité) ont été évalués. Dans un second temps, nous avons voulu prolonger l'activité du NBPT dans les sols acides en limitant sa dégradation, soit par encapsulation dans une formulation, soit par modulations chimiques. De nombreuses formulations du NBPT ont été développées puis évaluées (stabilité en milieu acide, activité dans les sols). Des phosphoramides ont été synthétisés et évalués afin de mettre en évidence des relations structure-stabilité chimique et structure-activité.

Orientador: Ciro Antonio Rosolem / Banca: Leonardo Theodoro Büll / Banca: Francisco Antonio Monteiro / Resumo: É crescente o uso de espécies do gênero Brachiaria nos mais diversos sistemas de produção, e isso se deve em grande parte à adaptabilidade dessas espécies às mais variadas condições de solo e/ou clima. A Brachiaria humidicola, particularmente, pode sintetizar e liberar de suas raízes compostos que inibem o processo de nitrificação, o que pode provocar alterações na ciclagem do nitrogênio (N) no sistema solo-planta. No presente estudo avaliou-se a dinâmica do N no sistema solo-planta, bem como as perdas de N-NH3 após a dessecação de Brachiaria brizantha, Brachiaria decumbens, Brachiaria humidicola e Brachiaria ruziziensis, espécies amplamente cultivadas no Brasil. O experimento foi conduzido em casa de vegetação, em Botucatu-SP, utilizou-se um Latossolo Vermelho distroférrico e o delineamento experimental adotado foi o de blocos casualizados, com parcelas subdivididas no tempo e quatro repetições. As parcelas foram compostas por quatro espécies de brachiaria (B. brizantha, B. decumbens, B. humidicola e B. ruziziensis) e as subparcelas por cinco épocas de avaliação (0, 7, 14, 21 e 28 dias após a dessecação). As plantas foram dessecadas com glyphosate 50 dias após a semeadura. Em cada uma das avaliações foram determinadas a massa de matéria seca das raízes e da parte aérea (colmos + folhas), bem como os teores de N-total, N-NH4+ e N-NO3- das brachiarias. Do solo, que foi dividido em solo da rizosfera e solo não-rizosférico, foram determinados os teores de N-total, N-NH4+, N-NO3-, pH e matéria orgânica. Também foi estimado o balanço do N no sistema solo-planta após a dessecação. As quatro espécies do gênero Brachiaria não apresentaram efeito significativo no processo de nitrificação. As maiores perdas de N do sistema solo-planta após a dessecação foram verificadas na B. ruziziensis, as quais foram pequenas e não resultaram em perdas... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Increasingly Brachiaria species are grown in different crop systems, and this is largely due to the adaptability of these plants in the several soil and climate conditions. Brachiaria humidicola, particularly, is able to synthesize and release compounds from their roots that inhibit the nitrification, which can cause changes in the nitrogen (N) cycling in the soil-plant system. In this study we evaluated the N dynamics in soil-plant system and NH3-N losses after desiccation of Brachiaria brizantha, Brachiaria decumbens, Brachiaria humidicola and Brachiaria ruziziensis, species widely cultivated in Brazil. The experiment was conduced in a greenhouse located in Botucatu, SP, Brazil. The study was carried out in a split plot in randomized blocks design, with four replicates. Plants of B. brizantha, B. decumbens, B. humidicola e B. ruziziensis were grown in pots filled with a clay soil and were desiccated with glyphosate 50 days after planting. Plant and soil samples were taken 0, 7, 14, 21 and 28 days after plant desiccation. Each sampling time root and shoot dry matter and total-N, ammonium-N (NH4+-N) and nitrate-N (NO3--N) were determined in plant tissue. Rhizospheric and non rhizospheric soil were separated and total-N, NH4+-N, NO3--N, pH and organic matter were determined in soil samples. Nitrogen budget in soil-plant system after desiccation was estimated. The four Brachiaria species has no significant effect on the nitrification process. The largest N losses from soil-plant system after desiccation were found in B. ruziziensis, but these losses were small and didn't result in significant N losses from soil-plant system / Mestre