Doctor of Philosophy / Department of Biological and Agricultural Engineering / Ronaldo Maghirang / Emission of greenhouse gases (GHGs), including nitrous oxide (N2O), methane (CH4), and carbon dioxide (CO2), from open beef cattle feedlots is becoming an environmental concern; however, scientific information on emissions and abatement measures for feedlots is limited. This research was conducted to quantify GHG emissions from feedlots and evaluate abatement measures for mitigating emissions. Specific objectives were to: (1) measure N2O emissions from the pens in a commercial cattle feedlot; (2) evaluate the effectiveness of surface amendments in mitigating GHG emissions from feedlot manure; (3) evaluate the effects of water application on GHG emissions from feedlot manure; and (4) compare the photo-acoustic infrared multi-gas analyzer (PIMA) and gas chromatograph (GC) in measuring concentrations of N2O and CO2 emitted from feedlot manure. Field measurements on a commercial beef cattle feedlot using static flux chambers combined with GC indicated that N2O emission fluxes varied significantly with pen surface condition. The moist/muddy surface had the largest median emission flux; the dry and compacted, dry and loose, and flooded surfaces had significantly lower median emission fluxes. Pen surface amendments (i.e., organic residues, biochar, and activated carbon) were applied on feedlot manure samples in glass containers and evaluated for their effectiveness in mitigating GHG emissions. Emission fluxes were measured with the PIMA. For dry manure, all amendments showed significant reduction in N2O and CO2 emission fluxes compared with the control (i.e., no amendment). For moist manure, biochar significantly reduced GHG emissions at days 10 and 15 after application; the other amendments had limited effects on GHG emissions. The effect of water application on GHG emissions from feedlot manure was evaluated. Manure samples (with and without water application) were placed in glass containers and analyzed for GHG emission using a PIMA. For the dry manure, GHG emissions were negligible. Application of water on the manure samples resulted in short-term peaks of GHG emissions a few minutes after water application. Comparison of the GC and PIMA showed that they were significantly correlated but differed in measured concentrations of N2O and CO2. The PIMA showed generally lower N2O concentrations and higher CO2 concentrations than the GC.

Förorenade markområden utgör ett stort miljöproblem som orsakar spridning av toxiska metaller till grund- och ytvatten. Samtidigt är många metaller toxiska för djur och människor, vilket gör att markmiljön kan påverkas och risker för människors hälsa uppkommer om de vistas på platsen. I Sverige finns idag över 80 000 förorenade områden och saneringstakten anses inte vara tillräckligt snabb. Metallerna koppar (Cu), bly (Pb) och zink (Zn) hör till de allra vanligasteme tallföroreningarna i jord. Lösligheten av dessa är avgörande för hur biotillgängliga deär samt i hur stor utsträckning de kan spridas till yt- och grundvatten. Biotillgängligheten och halterna i yt- och grundvattnet har i sin tur stor betydelse för hur stor exponeringen blir för människor och djur. Biokol är ett organiskt material som genomgått kemisk omvandling i en syrefattig miljö vid höga temperaturer. Dessa framställningsbetingelser gör att biokol har stora möjligheter att fastlägga metaller genom adsorption till funktionella grupper på dess yta. Samtidigt fungerar biokol som ett jordförbättrande medel. Det anses även kunna lagra kol i upp till 1000 år och därmed fungera som en kolsänka. Biokol kan dessutom tillverkasav organiskt avfall vilket gör att avfallsströmmen minskar när detta framställs. I studien har sex olika biokol blandats in i en jord förorenad med Cu, Pb och Zn. Syftet var att undersöka hur inblandningen påverkade lösligheten av metallerna. Samtidigt testades också fastläggningen av metallerna till tre rena biokol. Det visade sig att lösligheten förändrades när biokolen blandades in i jorden. I pH-intervallet 4 - 6 minskade lösligheten av alla metaller. Det framkom att ett av biokolen var bättre på att fastläggametallerna än de andra. Detta biokol kom från anläggningen i Högdalen, Stockholm och var framställt av trädgårdsavfall. / Contaminated ground constitutes an environmental problem that causes spread of metals to groundwater and surface water. Many of the contaminating metals are toxic to animals and humans and their spreading can cause negative effects on soil environment. In Sweden there are more than 80 000 contaminated sites and the decontamination rate is considered to be too slow. The metals copper, zinc and lead are some of the most common contaminants in soils. The solubility of these metals affects how bioavailable they are and how much they can spread to groundwater and surface water. Bioavailability and concentration in water is crucial for the exposure of metals to humans and animals. Biochar is an organic material that has been chemically transformed in an environment with little or no oxygen, at high temperatures. Due to these conditions, biochar is efficient for reducing the solubility of metals through adsorption to functional groups on its surface. Biochar also improve soil fertility, and it might also remain in the soil up to 1000 years and acts as a carbon sink. Furthermore, biochar can be produced from organic wastes and thus production of biochar can contribute to a reduced waste stream. In this study, six different samples of biochar were mixed with a contaminated soil containing copper, lead and zinc. The aim was to investigate how the adding of biochar would affect the solubility of the metals, since the solubility is crucial for the spread of metals and their bioavailability. The sorption of the metals in three pure samples of biochar was also tested. It was found that the solubility changed when biochar was addedto the soil. In the pH range 4 - 6, the solubility decreased for each metal. One of thebiochar samples had better sorption capacity in the soil than the others. This biochar was produced from garden wastes in Högdalen, Stockholm.

A casca da castanha de caju (CCC), um resíduo agrícola da produção de castanha, proveniente da região nordeste do Brasil foi caracterizada e submetida ao processo de pirólise lenta. As propriedades do bio-carrvão, do bio-óleo e dos gases produzidos foram investigados e potenciais aplicações foram propostas. A CCC foi caracterizada pela seguintes técnicas: análise elementar CHNS, umidade total, conteúdo de cinzas, matérias voláteis, poder calorífico superior e por análise termogravimétrica. A análise termogravimétrica sob fluxo de nitrogênio mostrou que a decomposição é dominada pela degradação da hemicelulose e celulose na faixa de 250 a 350oC e pela decomposição da lignina na faixa de 400 a 500oC. Na presença de ar, o perfil de degradação é semelhante, porém observa-se uma maior degradação da lignina. A pirólise lenta da casca da castanha de caju foi realizada em um reator tipo batelada aquecido por chama ar-GLP sob diferentes fluxos (mL min-1) de nitrogênio ou ar. O sólido obtido (bio-carvão), líquido (fase aquosa + bio-óleo) e a fase gás foram quantificados e caracterizados por diferentes técnicas. Os experimentos realizados sob fluxo de nitrogênio apresentaram um rendimento de cerca de 30, 40 e 30% em massa paras as fases sólido, líquida e gás, respectivamente. Sob fluxo de ar ocorreu uma diminuição no rendimento da fase líquida, principalmente na produção de bio-óleo, e um aumento da fase gás. Os bio-carvões produzidos apresentaram elevados teores de carbono, na faixa de 70-75% em massa, poder calorífico na faixa de 25 a 28 MJ kg-1, características de carbono amorfo, sem morfologias definidas e ausência de poros. Os espectros FTIR de bio-óleos produzidos sob fluxo de nitrogênio apresentaram um aumento da intensidade relativa das bandas cerca de 1700 cm-1 (ν C=O) e 1230 cm-1 (ν C-O) em comparação com os produzidos sob fluxo de ar, o que sugere a presença de grandes quantidades de compostos oxigenados de carbono, como aldeídos, cetonas e ácidos carboxílicos. As análises das fases gás mostraram a predominância de CO2 e CO a temperaturas inferiores a 400ºC e a formação preferencial de H2 acima desta temperatura. / Cashew nut shell (CNS), an agricultural waste of cashew nut production, from northeast region of Brazil was characterized and slow pyrolyzed. The properties of char, bio-oil and gases products were investigated and potential applications were proposed. CNS was characterized by the following analyses: CHNS, total moisture, ash content, volatile matter, high heating value and thermogravimetric analysis. The thermogravimetric analysis under nitrogen flow showed that the decomposition is dominated by the degradation of hemicellulose and cellulose in the range from 250 to 350oC and the decomposition of lignin in the range of 400 to 500oC. In the presence of air, the degradation profile is similar; however the decomposition of lignin increases. Slow pyrolysis of cashew nut shell was carried out in batch-type reactor heated by a combustion flame (air + GLP) under different nitrogen and air flow rates. The resulting solid (char), liquid (water + bio-oil) and gas phases were characterized and quantified. The experiments performed under nitrogen showed a yield of solid, liquid and gas phases of about 30, 40 and 30wt%, respectively. Under air the yield of liquid phase was reduced, primarily the bio-oil yield; production of the gas phase was, in turn, increased. The produced biochars had high carbon contents in the range of 70-80 wt%, high heating values in the range of 25-28 MJ Kg-1 and characteristics of amorphous carbons without defined morphology and the absence of pores. The FTIR spectra of bio-oils produced under nitrogen flow showed an increase of the relative intensity of the bands around 1700 cm-1 (ν C = O) and 1230 cm-1 (ν C-O) in comparison with those produced under air flow which suggests the presence of large amounts of oxygenated carbon compounds such as aldehydes, ketones and carboxylic acids. The analysis of gas phases showed the predominance of CO2 and CO at temperatures lower than 400oC and the preferential formation of H2 above this temperature.

A diversidade microbiana é geralmente considerada por seu papel nos principais processos do ecossistema, tais como a decomposição da matéria orgânica e ciclos biogeoquímicos. No entanto, informações sobre o impacto da diversidade em funções menores, como degradação de xenobióticos são escassas. Nós estudamos a partir da abordagem da \'diluição para extinção\', o papel da diversidade sobre a capacidade da comunidade microbiana em degradar o fungicida clorotalonil (organoclorado). Também estudamos o comportamento da comunidade bacteriana após aplicação do pesticida no solo com e sem biochar. A diversidade microbiana do solo natural foi alterada artificialmente por diluição, constituindo um gradiente de diversidade (SN > 10-1 > 10-3 > 10-6), seguido pela inoculação em amostras de solo estéril e posterior reestruturação (15 dias). Após a reestruturação da comunidade, as amostras foram manejadas com biochar (1% m/m) e tratadas com a dose de campo do CHT. O comportamento da comunidade bacteriana foi estudo por PCR-DGGE e qPCR do gene 16S rDNA através de um experimento com molécula fria (não radiomarcada). Enquanto a capacidade de degradação do CHT foi estudada por radiorespirometria (14C-CHT). Inicialmente, a comunidade de bactérias foi influenciada pelo gradiente de diversidade obtido por diluição. A separação dos grupos bacterianos se mostrou bastante similar nos três primeiros períodos pré-aplicação do CHT (SN > 10-1 - 10-3 > 10-6), enquanto que no período de 15 dias, a dinâmica de grupos foi alterada (SN > 10-1 > 10-3 - 10-6). O fungicida e o biochar não exerceram efeitos na comunidade bacteriana no tempo zero (imediatamente após a aplicação), a modificação no perfil da comunidade foi atribuído à diluição. Nos períodos de 21 e 42 dias, o perfil comunidade bacteriana apresentou forte modificação. Os grupos bacterianos se mostraram mais dispersos quando considerado somente o CHT. Embora, a análise de ANOSIM indicou não haver diferença nas amostras com e sem biochar, sugerindo que o clorotalonil foi quem mais contribuiu na dispersão dos grupos bacterianos. No período de 42 d, a comunidade apresentou resposta positiva, sendo observado aumentos no número de bandas e no índice de Shannon em todos tratamentos. Isto possivelmente, devido a menor concentração do fungicida disponível na solução do solo, diminuindo assim, os efeitos deletérios sobre a comunidade. Os dados de qPCR não apresentaram alteração no número de copias do gene 16S rDNA em todos os tratamentos. A remoção da diversidade impactou fortemente a capacidade da comunidade bacteriana de degradar o clorotalonil. Apesar da capacidade de degradar não ter sido perdida, a mínima alteração na diversidade promoveu elevada redução na taxa de mineralização do CHT. A dissipação do CHT se mostrou rápida (D50 < 1 dia) em todos os tratamentos, além disso, a formação de 14C-resíduos não extraíveis foi constituiu um dos principais mecanismos de dissipação do CHT. A partir da degradação do fungicida, foram detectados três metabólitos. Conclui-se que a modificação por diluição da diversidade bacteriana promoveu impacto negativo na mineralização do clorotalonil. E que a formação de resíduos não extraíveis consistiu no principal mecanismo de dissipação do CHT em ambos solos. / Microbial diversity is generally considered for his role in key ecosystem processes, such as decomposition of organic matter and biogeochemical cycles. However, information about the impact of diversity on minor functions, such as degradation of xenobiotics is scant. We study from the approach of \'dilution to extinction\', the role of diversity on the capacity of microbial community to degrade the chlorothalonil (organochlorine). We also studied the behavior of bacterial community after applying the pesticide in the soil with and without biochar. Microbial diversity of the soil natural (control) was artificially altered by dilution, forming a gradient of diversity (SN > 10-1 > 10-3 > 10-6), followed by inoculation in sterile soil samples and subsequent restructuring (15 days). After of the community restructuring, the samples were handled with biochar (1% w/w) and treated with the chlorothalonil field dose. The behavior of the bacterial community was studied by PCR-DGGE and qPCR of the 16S rDNA gene through an experiment with cold molecule (no radiolabeled). While the CHT degradation capacity was studied by radiorespirometry (14C-CHT). Initially, the community of bacteria was influenced by the diversity gradient obtained by dilution. The separation of bacterial groups showed very similar in the first three pre-application periods of the CHT (SN > 10-1 - 10-3 > 10-6). While in the period of 15 days, the group dynamic has changed (SN > 10-1 > 10-3 e 10-6). During periods of 21 and 42 days, the profile bacterial community showed strong modification. The bacterial groups were more dispersed when only considered the CHT. Although, the ANOSIM analysis indicated no difference in samples with and without biochar, suggesting that chlorothalonil who has contributed the most in the dispersion of bacterial groups. In the period of 42 days, the community presented a positive response, being observed increases in the number of bands and Shannon-Weiner index in all treatments. This possibly due to less concentration of fungicide available in soil solution, thus reducing, the deleterious effects on the community. The qPCR dates showed no change in the number of copies of the 16S rDNA gene in all treatments. The removal of microbial strongly impacted the ability of the bacterial community to degrading chlorothalonil. Despite the ability to degrade not having been lost, the minimum change in diversity promoted high reduction in the rate of mineralization CHT. The dissipation of the CHT showed quick (D50 < 1 d) in all treatments, in addition, the formation of non-extractable 14C-residues was one of the main mechanisms of dissipation of the CHT. From the degradation of chlorothalonil, three metabolites were detected. We conclude that modification by dilution of the bacterial diversity had a negative impact on the mineralization of chlorothalonil. And the formation of non-extractable residues consisted in the main CHT dissipation mechanism in both soils.

Plants regulate responses to their environment through complex hormone signaling; these hormones can be categorized broadly into two categories: growth and defense, though many have roles in both. Much remains to be understood about the complexity of hormone signaling in relation to environmental responses, especially species- and genotype-specific differences. Unraveling this complexity of hormone signaling will lead to the development of resilient crops that are able to respond appropriately to their environment. In this dissertation, I hypothesize novel roles for growth and defense hormones in <i>Solanum </i>spp. responses to 1) biochar, a black carbon soil amendment (Chapter 2), 2) infection with<i> Ralstonia solanacearum</i>, an economically important soilborne pathogen causing bacterial wilt (Chapter 3), and 3) endophytic colonization by the soil bacterial community (Chapter 4). In Chapter 2, I showed that biochar upregulates GA signaling and affects GA-related traits in a species- and cultivar-specific manner. Biochar amendment also downregulates defense signaling. In Chapter 3, I demonstrated a novel role for auxin in resistance against <i>R. solanacearum, </i>including differential expression of auxin signaling genes in resistant genotype H7996 compared to susceptible WV in response to <i>R. solanacearum</i> infection. In addition, I observed stronger and faster upregulation of defense hormone marker genes for SA and ET in H7996 compared to WV. In Chapter 4, I showed that SA and ET are required for normal tomato root microbial community assembly, affecting the colonization of a few key taxa in order to promote alpha diversity. H7996 and WV root communities differ in alpha diversity, and a panel of H7996 x WV RILs showed quantitative variation in alpha diversity that correlated negatively with the abundance of these key taxa. In conclusion, I elucidated novel roles for hormones in responses to the soil environment, pathogen infection, and root community colonization. These findings are important for developing resilient, sustainable crops.

A casca da castanha de caju (CCC), um resíduo agrícola da produção de castanha, proveniente da região nordeste do Brasil foi caracterizada e submetida ao processo de pirólise lenta. As propriedades do bio-carrvão, do bio-óleo e dos gases produzidos foram investigados e potenciais aplicações foram propostas. A CCC foi caracterizada pela seguintes técnicas: análise elementar CHNS, umidade total, conteúdo de cinzas, matérias voláteis, poder calorífico superior e por análise termogravimétrica. A análise termogravimétrica sob fluxo de nitrogênio mostrou que a decomposição é dominada pela degradação da hemicelulose e celulose na faixa de 250 a 350oC e pela decomposição da lignina na faixa de 400 a 500oC. Na presença de ar, o perfil de degradação é semelhante, porém observa-se uma maior degradação da lignina. A pirólise lenta da casca da castanha de caju foi realizada em um reator tipo batelada aquecido por chama ar-GLP sob diferentes fluxos (mL min-1) de nitrogênio ou ar. O sólido obtido (bio-carvão), líquido (fase aquosa + bio-óleo) e a fase gás foram quantificados e caracterizados por diferentes técnicas. Os experimentos realizados sob fluxo de nitrogênio apresentaram um rendimento de cerca de 30, 40 e 30% em massa paras as fases sólido, líquida e gás, respectivamente. Sob fluxo de ar ocorreu uma diminuição no rendimento da fase líquida, principalmente na produção de bio-óleo, e um aumento da fase gás. Os bio-carvões produzidos apresentaram elevados teores de carbono, na faixa de 70-75% em massa, poder calorífico na faixa de 25 a 28 MJ kg-1, características de carbono amorfo, sem morfologias definidas e ausência de poros. Os espectros FTIR de bio-óleos produzidos sob fluxo de nitrogênio apresentaram um aumento da intensidade relativa das bandas cerca de 1700 cm-1 (&nu; C=O) e 1230 cm-1 (&nu; C-O) em comparação com os produzidos sob fluxo de ar, o que sugere a presença de grandes quantidades de compostos oxigenados de carbono, como aldeídos, cetonas e ácidos carboxílicos. As análises das fases gás mostraram a predominância de CO2 e CO a temperaturas inferiores a 400ºC e a formação preferencial de H2 acima desta temperatura. / Cashew nut shell (CNS), an agricultural waste of cashew nut production, from northeast region of Brazil was characterized and slow pyrolyzed. The properties of char, bio-oil and gases products were investigated and potential applications were proposed. CNS was characterized by the following analyses: CHNS, total moisture, ash content, volatile matter, high heating value and thermogravimetric analysis. The thermogravimetric analysis under nitrogen flow showed that the decomposition is dominated by the degradation of hemicellulose and cellulose in the range from 250 to 350oC and the decomposition of lignin in the range of 400 to 500oC. In the presence of air, the degradation profile is similar; however the decomposition of lignin increases. Slow pyrolysis of cashew nut shell was carried out in batch-type reactor heated by a combustion flame (air + GLP) under different nitrogen and air flow rates. The resulting solid (char), liquid (water + bio-oil) and gas phases were characterized and quantified. The experiments performed under nitrogen showed a yield of solid, liquid and gas phases of about 30, 40 and 30wt%, respectively. Under air the yield of liquid phase was reduced, primarily the bio-oil yield; production of the gas phase was, in turn, increased. The produced biochars had high carbon contents in the range of 70-80 wt%, high heating values in the range of 25-28 MJ Kg-1 and characteristics of amorphous carbons without defined morphology and the absence of pores. The FTIR spectra of bio-oils produced under nitrogen flow showed an increase of the relative intensity of the bands around 1700 cm-1 (&nu; C = O) and 1230 cm-1 (&nu; C-O) in comparison with those produced under air flow which suggests the presence of large amounts of oxygenated carbon compounds such as aldehydes, ketones and carboxylic acids. The analysis of gas phases showed the predominance of CO2 and CO at temperatures lower than 400oC and the preferential formation of H2 above this temperature.

Oförmåga att minska utsläppen av växthusgaser i tillräckligt takt för att undvika en alltför kraftig global uppvärmning har motiverat framtagandet av tekniker med potential att minska mängden koldioxid i atmosfären. En av dessa tekniker är bioenergi med koldioxidlagring (Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS), där koldioxid avskiljs från punktkällor med biogena utsläpp och lagras i geologiska strukturer. Även biokol tillsatt till jordbruksmark har potential att bidra till negativa utsläpp. Både svenska och internationella strategier inkluderar negativa utsläpp för att uppfylla förpliktelserna i Parisavtalet. För att säkerhetsställa att teknikerna lever upp till potentialen krävs ett livscykelperspektiv där klimatpåverkan beräknas på systemnivå. En livscykelanalys utfördes, där klimatpåverkan vid utnyttjande av grenar och toppar (GROT) från den svenska skogsindustrin beräknades för teknikerna BECCS och biokol tillsatt till jordbruksmark. Teknikerna jämfördes med ett referensscenario där GROT förbränns i ett kraftvärmeverk för att producera el och fjärrvärme utan omhändertagande av koldioxid som bildas vid förbränning. Resultaten visar att BECCS har potentialen att bidra med negativa utsläpp på mellan -168 och -666 kg CO2-ekvivalenter/ ton GROT torrsubstans (TS). Då GROT-skörden ökar till 80% av den årliga avverkade arealen skog i Sverige och kombineras med gallring, resulterar 666 kg CO2-ekvivalenter/ ton GROT TS, i 4,4 miljoner ton CO2-ekvivalenter per år. Detta motsvarar 25,8 % av klimatpåverkan från inrikestransporter i Sverige år 2016. Nettoutsläppen från biokol tillsatt till jordbruksmarker, varierar mellan 934 och -344 kg CO2-ekvivalenter/ ton GROT TS. Då GROT-skörden ökar till 80% av den avverkade arealen skog i Sverige och kombineras med gallring, resulterar 344 kg CO2-ekvivalenter/ton GROT TS i 2,2 miljoner ton CO2-ekvivalenter. Detta motsvarar 13,3 % av klimatpåverkan från inrikes transporter i Sverige år 2016. Båda teknikerna har potential att åstadkomma nettonegativa växthusgasutsläpp, men resultaten är beroende av klimatpåverkan från ersättande el- och fjärrvärmeproduktion. / The inability to achieve sufficient reduction of greenhouse gas emissions has led to the development of techniques with potential to achieve negative greenhouse gas emissions. One of these techniques is called Bio-energy with carbon capture and storage (BECCS), where carbon dioxide is captured from biogenic point sources with biogenic emissions and stored underground. Biochar applied to farmland is another technique with potential to achieve negative greenhouse gas emissions. Both Swedish and international strategies, to meet the obligations in the Paris Agreement, include negative greenhouse gas emissions. A life cycle approach is required to ensure that the techniques deliver on the promise of negative emissions. A Life cycle assessment was conducted where the global warming potential was calculated for BECCS and biochar added to farmland in two different scenarios where tops and branches (GROT) from the Swedish forest industry were used as feedstock. The techniques were compared to a reference scenario where GROT were used in a combined heat and power plant (CHP-plant). The results show that BECCS has the potential to achieve net negative emissions of between -168 and -666 kg CO2-equivalents/ tonne GROT dry matter (DM). When GROT is harvested from 80% of the yearly final felling areas in Sweden and combined with thinning, 666 kg CO2-equivalents/ Mg GROT DM is equivalent to in 4,4 million ton CO2-equivalents per year. This corresponds to 25,8 % of Sweden's greenhouse gas emissions from domestic transportation in 2016. The results of greenhouse gas emissions from biochar applied to farmland varied between 934 to -344 CO2-equivalents/ Mg GROT DM. When GROT is harvested from 80% of final felling areas in Sweden and combined with thinning, -344 CO2-equivalents/ Mg GROT DM is equivalent to 2,2 million ton CO2- equivalents per year. This corresponds to 13,3 % of Sweden's greenhouse gas emissions from domestic transportation in 2016. Both techniques have the potential to achieve net negative greenhouse gas emissions. However, the results are greatly influenced by the climate impact from generating the electricity to replace the losses in electricity production when GROT is used for BECCS and biochar instead of in a CHP-plant.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The increasing demand for fresh water has stimulated interest in new adsorbent materials suitable for use in the remediation of contaminated waters. This work evaluates different biomasses and their biochar for use as adsorbents for the removal of polycyclic aromatic hydrocarbons from water. Biochar (BBC and BCL) were obtained by the pyrolysis of coconut bagasse (BC) and orange peel (CL). The use of infrared spectroscopy analysis revealed that some of the functional groups of the biomasses were retained after pyrolysis at 350 °C. The heat treatment resulted in greater surface area, pore size, and pore volume of the biochar, compared to the precursor biomasses, as confirmed by scanning electron microscopy. Thermogravimetric analysis showed that the biochar presented higher thermal stability than the original biomasses. X-ray diffraction analysis identified the presence of potassium chloride in BC and BBC, while elemental analysis revealed increased aromaticity of the biochar, reflected in smaller H/C ratios. Adsorption assays were performed to evaluate the effects of contact time and initial concentration for the removal of benzo(a)anthracene, benzo(b)fluoranthene, benzo(k)fluoranthene, benzo(a)pyrene, and dibenzo(a,h)anthracene, individually and in a mixed solution. Identification and quantification of the compounds employed high performance liquid chromatography with fluorescence detection. The adsorption assays showed that there were no substantial differences in the amounts of the PAHs adsorbed by BC and BBC, while a increase was found for BCL, compared to CL. It was also verified that there was no competition between the PAHs for the adsorption sites of the materials. The adsorption could be best described by pseudo-second order kinetics and the Freundlich adsorption model. The adsorption mechanism probably involved π-π interactions of similar groups of the adsorbate and adsorbent, together with hydrophobic effects. The PAH could be desorbed from the adsorbents using ultrasonic extraction, and two further reuse cycles were tested. The proposed method provided efficient adsorption using a real sample, with removal rates from 86.29 to 8.12% (BC), 90.94 to 86.99% (BBC), 76.36 to 32.18% (CL), and 85.32 to 40.12% (BCL). The findings demonstrated the potential of these adsorbents for use in the removal of PAH from water. / Em virtude do aumento na demanda por água doce, surge o interesse por novos materiais adsorventes que possam ser utilizados na remediação de águas contaminadas. Diante disso, este trabalho descreve a avaliação de biomassas e seus biocarvões, como adsorventes na remediação de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos em água. Os biocarvões (BBC e BCL) foram obtidos a partir da pirólise das biomassas bagaço de coco (BC) e casca de laranja (CL). A partir da espectroscopia de infravermelho foi possível observar que alguns grupos funcionais das biomassas se mantêm após procedimento de pirólise a 350°C. Uma maior área superficial, tamanho e volume dos poros foram observados para os biocarvões em relação as suas biomassas precursoras, devido ao tratamento térmico sofrido, confirmados pela microscopia eletrônica de varredura. A análise termogravimétrica mostrou que os biocarvões apresentam uma maior estabilidade térmica em relação as biomassas. A difração de raios X indicou a presença de cloreto de potássio no BC e BBC. A análise elementar indicou a formação de um material mais aromático, com a diminuição na razão H/C nos biocarvões. Os ensaios de adsorção foram realizados com avaliação do tempo de contato e efeito da concentração inicial na remoção do Benzo(a)Antraceno, Benzo(b)Fluoranteno, Benzo(k)Fluoranteno, Benzo(a)Pireno e Dibenzo(ah)Antraceno individualmente, e em solução mista, onde a identificação e quantificação desses compostos foram feitas por cromatografia líquida de alta eficiência com detector de fluorescência. Os ensaios de adsorção evidenciaram que não existe grande diferença na quantidade adsorvida dos HPAs entre o BC e o BBC, mas um aumento foi observada entre o CL e o BCL. É possível observar também que não ocorreu competição dos HPAs pelos sítios dos adsorventes. O sistema melhor se adaptou ao modelo cinético de pseudo-segunda ordem e modelo de adsorção de Freundlich. O provável mecanismo de adsorção envolveu a interação π-π de grupos semelhantes entre o adsorvato e o adsorvente, onde deve ser considerado também o efeito hidrofóbico. Foi possível também a dessorção dos HPAs da superfície dos adsorventes através da extração por ultrassom e mais dois ciclos de reutilização dos mesmos foram testados. O método proposto foi eficiente também na adsorção com amostra real, removendo de 86,29 a 8,12% para o BC; 90,94 a 86,99% para o BBC; 76,36 a 32,18 % para o CL e 85,32 a 40,12% para o BCL. Com isso, o estudo demonstrou o potencial desses adsorventes na remoção de HPA em águas.

The energy sources and oil derivatives necessities have increased over the last years as well the mitigation of greenhouse gases (GHGs) emissions. These concepts provided an increase on the use of residual lignocellulosic biomass as a renewable source for the production of biofuels and chemical products. In this study, the cattle manure was chosen as a biomass source considering their high availability, as well as could be a major environmental pollutant residue when not treated properly. Thus, we propose to produce and characterize the bio-oil and biochar through of micro and macroscale pyrolysis. The work was divided into two parts: biomass characterization and characterization of the pyrolysis products. The cattle manure biomass presented 9.65% moisture after drying over ambient temperature, 38.86% ash, 48.29% volatile matter and 3.20% fixed carbon; high oxygen content (34.19%) and carbon (21.66%) by elemental analysis; and low lignin content (6.09%) in comparison with the hemicellulose (18.24%) and cellulose (14.24%). The thermogravimetric curve showed four mass loss stage between 25- 900 o C and a residual mass content of 39.58%; infrared analysis showed characteristic bands of alcohols, phenols, carboxylic acids, nitrogenous compounds and aliphatic groups. Concerning of bio-oils characterization, presented as highly oxygenated liquid with predominant compounds from the alcohols, phenols and carboxylic acid in micro and macroscale. Due to the high calorific value of bio-oils (21.35–27.10 MJ kg -1 ), can be used as biofuel. Biochars showed yields between 62.5% and 39.1%, the increase on pyrolysis temperature has provided an increase in ash and pH values, as also decreasing in proportion H/C, indicating increase on aromaticity of biochar the 600 ºC, also evidenced by the infrared analysis. / O aumento da necessidade energética e de produtos derivados do petróleo, bem como a necessidade de mitigação das emissões de gases de efeito estufa (GEE), têm proporcionado um crescimento em pesquisas sobre a utilização da biomassa lignocelulósica residual como fonte renovável para a obtenção de biocombustíveis e produtos químicos de maior valor agregado. Diante destas problemáticas, o esterco bovino foi escolhido como fonte de biomassa para este estudo devido a sua alta disponibilidade, além de ser um resíduo que quando não tratado adequadamente pode se tornar um grande poluente ambiental. Desta forma, este trabalho propõe produzir e caracterizar o bio-óleo e o biocarvão obtidos a partir da biomassa de esterco bovino através dos processos de pirólise em micro e macroescala. O trabalho foi dividido em duas partes: caracterização da biomassa e caracterização dos produtos das pirólises. A biomassa de esterco bovino apresentou 9,65% de umidade, 38,86% de cinzas e 51,49% de matéria orgânica; alto teor de oxigênio (34,19%) e carbono (21,66%); baixo teor de lignina (6,09%) em comparação com a hemicelulose (18,24%) e a celulose (14,24%). A curva termogravimétrica exibiu quatro estágios de perda de massa entre 25-900 o C e um teor de massa residual de 39,58%; a análise do infravermelho apresentou bandas características de álcoois, fenóis, ácidos carboxílicos, compostos nitrogenados e grupos alifáticos. Com relação à caracterização do bio-óleo, apresentou-se como líquido altamente oxigenado com predominância de compostos pertencentes às classes de fenóis, álcoois e ácidos carboxílicos em micro e macroescala. Devido ao alto valor do poder calorífico dos bio-óleos (21,35–27,10 MJ kg -1 ) pode-se cogitar a possibilidade de seu uso como biocombustível. Quanto ao biocarvão, mostrou rendimento que variou de 62,5% a 39,1%; o aumento da temperatura de pirólise aumentou o teor de cinzas e concomitantemente os valores de pH, bem como reduções em razões H/C, indicando um aumento do grau de aromaticidade do biocarvão formado a 600 ºC, fato também evidenciado pela análise de infravermelho.

A diversidade microbiana é geralmente considerada por seu papel nos principais processos do ecossistema, tais como a decomposição da matéria orgânica e ciclos biogeoquímicos. No entanto, informações sobre o impacto da diversidade em funções menores, como degradação de xenobióticos são escassas. Nós estudamos a partir da abordagem da \'diluição para extinção\', o papel da diversidade sobre a capacidade da comunidade microbiana em degradar o fungicida clorotalonil (organoclorado). Também estudamos o comportamento da comunidade bacteriana após aplicação do pesticida no solo com e sem biochar. A diversidade microbiana do solo natural foi alterada artificialmente por diluição, constituindo um gradiente de diversidade (SN > 10-1 > 10-3 > 10-6), seguido pela inoculação em amostras de solo estéril e posterior reestruturação (15 dias). Após a reestruturação da comunidade, as amostras foram manejadas com biochar (1% m/m) e tratadas com a dose de campo do CHT. O comportamento da comunidade bacteriana foi estudo por PCR-DGGE e qPCR do gene 16S rDNA através de um experimento com molécula fria (não radiomarcada). Enquanto a capacidade de degradação do CHT foi estudada por radiorespirometria (14C-CHT). Inicialmente, a comunidade de bactérias foi influenciada pelo gradiente de diversidade obtido por diluição. A separação dos grupos bacterianos se mostrou bastante similar nos três primeiros períodos pré-aplicação do CHT (SN > 10-1 - 10-3 > 10-6), enquanto que no período de 15 dias, a dinâmica de grupos foi alterada (SN > 10-1 > 10-3 - 10-6). O fungicida e o biochar não exerceram efeitos na comunidade bacteriana no tempo zero (imediatamente após a aplicação), a modificação no perfil da comunidade foi atribuído à diluição. Nos períodos de 21 e 42 dias, o perfil comunidade bacteriana apresentou forte modificação. Os grupos bacterianos se mostraram mais dispersos quando considerado somente o CHT. Embora, a análise de ANOSIM indicou não haver diferença nas amostras com e sem biochar, sugerindo que o clorotalonil foi quem mais contribuiu na dispersão dos grupos bacterianos. No período de 42 d, a comunidade apresentou resposta positiva, sendo observado aumentos no número de bandas e no índice de Shannon em todos tratamentos. Isto possivelmente, devido a menor concentração do fungicida disponível na solução do solo, diminuindo assim, os efeitos deletérios sobre a comunidade. Os dados de qPCR não apresentaram alteração no número de copias do gene 16S rDNA em todos os tratamentos. A remoção da diversidade impactou fortemente a capacidade da comunidade bacteriana de degradar o clorotalonil. Apesar da capacidade de degradar não ter sido perdida, a mínima alteração na diversidade promoveu elevada redução na taxa de mineralização do CHT. A dissipação do CHT se mostrou rápida (D50 < 1 dia) em todos os tratamentos, além disso, a formação de 14C-resíduos não extraíveis foi constituiu um dos principais mecanismos de dissipação do CHT. A partir da degradação do fungicida, foram detectados três metabólitos. Conclui-se que a modificação por diluição da diversidade bacteriana promoveu impacto negativo na mineralização do clorotalonil. E que a formação de resíduos não extraíveis consistiu no principal mecanismo de dissipação do CHT em ambos solos. / Microbial diversity is generally considered for his role in key ecosystem processes, such as decomposition of organic matter and biogeochemical cycles. However, information about the impact of diversity on minor functions, such as degradation of xenobiotics is scant. We study from the approach of \'dilution to extinction\', the role of diversity on the capacity of microbial community to degrade the chlorothalonil (organochlorine). We also studied the behavior of bacterial community after applying the pesticide in the soil with and without biochar. Microbial diversity of the soil natural (control) was artificially altered by dilution, forming a gradient of diversity (SN > 10-1 > 10-3 > 10-6), followed by inoculation in sterile soil samples and subsequent restructuring (15 days). After of the community restructuring, the samples were handled with biochar (1% w/w) and treated with the chlorothalonil field dose. The behavior of the bacterial community was studied by PCR-DGGE and qPCR of the 16S rDNA gene through an experiment with cold molecule (no radiolabeled). While the CHT degradation capacity was studied by radiorespirometry (14C-CHT). Initially, the community of bacteria was influenced by the diversity gradient obtained by dilution. The separation of bacterial groups showed very similar in the first three pre-application periods of the CHT (SN > 10-1 - 10-3 > 10-6). While in the period of 15 days, the group dynamic has changed (SN > 10-1 > 10-3 e 10-6). During periods of 21 and 42 days, the profile bacterial community showed strong modification. The bacterial groups were more dispersed when only considered the CHT. Although, the ANOSIM analysis indicated no difference in samples with and without biochar, suggesting that chlorothalonil who has contributed the most in the dispersion of bacterial groups. In the period of 42 days, the community presented a positive response, being observed increases in the number of bands and Shannon-Weiner index in all treatments. This possibly due to less concentration of fungicide available in soil solution, thus reducing, the deleterious effects on the community. The qPCR dates showed no change in the number of copies of the 16S rDNA gene in all treatments. The removal of microbial strongly impacted the ability of the bacterial community to degrading chlorothalonil. Despite the ability to degrade not having been lost, the minimum change in diversity promoted high reduction in the rate of mineralization CHT. The dissipation of the CHT showed quick (D50 < 1 d) in all treatments, in addition, the formation of non-extractable 14C-residues was one of the main mechanisms of dissipation of the CHT. From the degradation of chlorothalonil, three metabolites were detected. We conclude that modification by dilution of the bacterial diversity had a negative impact on the mineralization of chlorothalonil. And the formation of non-extractable residues consisted in the main CHT dissipation mechanism in both soils.