O gênero Pinus ocupa no Brasil uma área plantada de 1,59 milhão de hectares e tem uma ampla faixa de produtividade florestal (18 a 45 m3 ha-1 ano-1), em função das espécies utilizadas, das limitações edáficas, dos tipos de clima, melhoramento genético e, e alguns casos, pela ocorrência de pragas e doenças. Apesar do conhecimento de que o aumento da disponibilidade de recursos naturais (luz, água e nutrientes) eleva a produção de madeira, faz-se necessário compreender como estes recursos influenciam os processos de captura (produção primária bruta ou GPP) e alocação de carbono (C) para os diferentes compartimentos da floresta (raiz, lenho, galhos e folhas). Além disso, o grau de controle genético é de grande importância nesses processos e também deve ser analisado. Assim, este projeto objetivou quantificar as taxas de captura e alocação de carbono em uma espécie de Pinus tropical (P. caribaea var. hondurensis) e em uma subtropical (P. taeda), dos 6,5 aos 8,5 anos de idade, em parcelas controle (sem fertilização e sem irrigação) e parcelas fertilizadas e irrigadas. O experimento está localizado no município de Itatinga - SP e se utilizou o método do balanço de carbono para estimar a produtividade primária líquida da parte aérea (ANPP), o fluxo de carbono para o solo (TBCF), produtividade primária bruta (GPP) e produtividade líquida do ecossistema (NEP). Ao final do estudo, a biomassa do tronco foi 75% superior no P. caribaea var. hondurensis (126 Mg ha-1) do que no P. taeda (72 Mg ha-1), sendo que em ambas as espécies houveram ganhos significativos com a fertilização e irrigação. O primeiro ano avaliado foi mais seco do que o segundo (1195 contra 1487 mm), resultando em diferenças nos fluxos calculados. A produção de tronco do P. caribaea var. hondurensis variou de 722 a 1569 gC m-2 ano-1, enquanto do P. taeda foi de 221 a 452 gC m-2 ano-1. A espécie subtropical obteve os maiores valores de TBCF, variando de 1150 a 2197 gC m-2 ano-1, e para as duas espécies se encontrou relação do TBCF com a ANPP e GPP. Assim, encontrou-se que a maior produtividade da espécie tropical é resultado de seu maior GPP (4964 contra 3744 gC m-2 ano-1 no P. taeda), maior partição de carbono para incremento de tronco (22% contra 9% no P. taeda) e menor partição para TBCF (23% contra 45% no P. taeda). Já a fertilização e irrigação não mudaram a partição da GPP para a ANPP e TBCF comparado ao tratamento controle, e o ganho em produção de madeira foi explicado apenas pelo aumento na GPP (11%). A NEP para ambas as espécies foi positiva, mostrando que essas espécies estão atuando como drenos de carbono. Assim, o conhecimento de como a captura e alocação de C é afetada pela espécie, água e nutrição terá aplicação sobre o manejo florestal, além de propiciar valores de fluxos essenciais para a calibração de modelos ecofisiológicos de produção, ainda inexistentes para essas espécies no Brasil. / The genus Pinus in Brazil has a planted area of 1.59 million hectares and it has a wide range of forest productivity (18-45 m3 ha-1 yr-1) depending on the species, edaphic limitations, climate, breeding and, in some cases, the occurrence of pests and diseases. Despite knowing that the increased resources availability (light, water and nutrients) improves the production of wood, it is necessary to understand how these features influence the uptake processes (gross primary production or GPP) and carbon allocation (C) on the different forest compartments (root, bole, branch and leaf). Furthermore, the degree of genetic control is rather important in these processes and should also be analyzed. Thus, this project aimed to quantify carbon sequestration and allocation rates in a tropical pine (P. caribaea var. hondurensis) and a subtropical one (P. taeda), from ages 6.5 to 8.5 years old, in control plots (no fertilization and no irrigation) and fertilized and irrigated plots. The experimental site is located in Itatinga- SP and the carbon balance approach was used to estimate the above ground net primary production (ANPP), total belowground carbon flux (TBCF), gross primary production (GPP) and net ecosystem production (NEP). At the end of the study, the bole biomass was 75% higher in the P. caribaea var. hondurensis (126 Mg ha-1) than in P. taeda (72 Mg ha-1), and in both species there were substantial improvements with fertilization and irrigation. The first year evaluated was drier than the second (from 1195 to 1487 mm), resulting in differences in the calculated fluxes. The P. caribaea var. hondurensis bole production ranged from 722 to 1569 gC m-2 yr- 1, while the P. taeda showed values from 221 to 452 gC m-2 yr-1. The subtropical specie obtained the largest values of TBCF (from 1150 to 2197 gC m-2 yr-1), and on both species there was relationship between TBCF and ANPP and GPP.Thus, the higher productivity of tropical specie is a result of higher GPP (4964 versus 3744 gC m-2 yr-1 in the P. taeda), increased carbon partitioning to bole increment (22% versus 9% in the P. taeda) and smaller partitioning for TBCF (23% versus 45% in the P. taeda). Fertilization and irrigation have not changed the partitioning from GPP to ANPP and TBCF compared to the control plots, and increase in the production of wood it has been explained only by increased GPP (11%). The NEP for both species was positive, showing that these species are acting as carbon sinks. Therefore, the knowledge of how the carbon sequestration and allocation is affected by the species, water and nutrition will have application on forest management, besides providing values of essential fluxes for calibration of ecophysiological production models, still non-existent for these species in Brazil.

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No. of bitstreams: 1 DissGGS.pdf: 4226904 bytes, checksum: 7820ca73512d90a4017fd20d94821cd9 (MD5) Previous issue date: 2015-04-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The use of Escherichia coli cultures to obtain heterologous proteins poses as a successful application of biotechnology for the production of drugs and enzymes. However, the stress caused by the synthesis of the recombinant protein as well as by the culture conditions may trigger physiological responses on the cell and also cause changes in the cell morphology, impacting on the rheology of the culture broth. This study aimed to evaluate changes in cell morphology, on the rheology of the broth and the effect of different temperatures and inducers in the cellular responses during recombinant protein production by E. coli in batch cultures. Five medium cell density cultures were conducted with two clones of rE. coli, using defined medium containing glycerol as main carbon source and different inducers (IPTG and lactose), at two different temperatures (37°C and 27°C). All experiments were performed in 5 L bench bioreactor, equipped with a monitoring and control system. Samples were collected throughout the experiments and rheological parameters were measured using a concentric cylinder rheometer. The morphological characteristics of the microorganism were also examined by optical microscopy associated with image analysis. The concentrations of cellular suspension (optical density and dry cell weight) as well as of sugars and metabolites (HPLC), the plasmid retention (subculture on plates with and without antibiotic), the concentration of viable cells (colony forming units), the production of recombinant protein (densitometry), the concentration of soluble proteins (Bradford protein assay) and the presence of polysaccharide in the broth (phenol–sulfuric method) were also monitored. It was found that broths, initially behaving as Newtonian fluids, undergo a change in rheological behavior during the growth phase, exhibiting a Bingham fluid behavior. During the induction phase, the consistency index and the initial shear stress seemed to follow the changes in cell concentration or the stress caused by the protein synthesis, respectively. In addition, the intensity of the variation of both rheological parameters seemed to be dependent upon the used inducer. The morphology analysis showed that rheological properties could not be explained by changes in cell length. The correlation between the cell concentration (measured by dry-weight method) and the optical density when lactose was employed as inducer, due to galactose accumulation within the cells as a result of the inability of the bacteria to metabolize this carbon source. The presence of a small amount of PspA and genetic material in the culture broth was probably due to permeabilization and lysis of a small part of the population. Carbon recovery analysis was performed for all cultures, leading to values close do 100 % before induction, in all studied cases. After induction, a sharp decrease on the recovery was observed. However, by including the carbon present in the polysaccharide quantified in the cultivation broth, it was possible to recover all supplied carbon as biomass, CO2 and polysaccharide. Finally, the highest production of protein was obtained at 37°C when induced by IPTG, reaching 125 mgPspA/gMS. The results contribute to a deeper understanding of the heterologous proteins production by rE. coli and allow the definition of intensification strategies for protein production. / O uso de cultivos de Escherichia coli para obtenção de proteínas heterólogas tem se mostrado uma área de aplicação bem sucedida da biotecnologia para a produção de fármacos e enzimas. Contudo, o estresse provocado pela síntese da proteína recombinante e pelas condições de cultivo pode desencadear respostas fisiológicas na célula, assim como provocar mudanças na morfologia celular e na reologia do caldo de cultivo. O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar as mudanças na morfologia celular, na reologia dos caldos e o efeito de diferentes temperaturas e indutores sobre as respostas celulares durante o processo de produção de proteínas recombinantes por rE. coli em cultivos em batelada. Foram acompanhados cinco cultivos de média densidade celular de dois clones de rE. coli, conduzidos em meio definido contendo glicerol como principal fonte de carbono e como indutores IPTG e lactose em duas temperaturas (37°C e 27°C). Todos os cultivos foram realizados em biorreator de bancada de 5 L dotado de sistema de monitoramento e controle. Durante esses cultivos, amostras foram coletadas e os parâmetros reológicos foram avaliados por meio de um reômetro de cilindros concêntricos. As características morfológicas do microrganismo foram também acompanhadas com auxílio de microscopia ótica associada a programa de análise de imagens digitalizadas. Foram ainda monitoradas a concentração celular da suspensão (por medida de densidade ótica e massa seca), a concentração de açúcares e ácidos orgânicos (por HPLC), a retenção plasmidial (repicagem em placas com e sem antibiótico), a concentração de células cultiváveis (por contagem de unidades formadoras de colônia), a produção de proteína recombinante (por densitometria), a concentração de proteína solúvel (pelo método de Bradford) e a presença de polissacarídeo no caldo (pelo método fenol sulfúrico). Verificou-se que os caldos, inicialmente newtonianos, passam por uma mudança de comportamento reológico durante a fase de crescimento, passando a se comportar como um fluido Binghamiano. Durante a fase de indução, o índice de consistência e a tensão de cisalhamento inicial tiveram respostas ligadas à concentração celular e ao estresse causado pela síntese de proteína, respectivamente, e a intensidade desta resposta dependeu do indutor usado. A análise do comprimento celular não permitiu associar as mudanças reológicas com mudanças significativas na morfologia da população durante o cultivo. Verificou-se alteração na correlação entre a concentração celular (medida pelo método da massa seca) e a densidade ótica quando lactose foi empregada como indutor, em função do acúmulo de galactose no interior das células devido à incapacidade da bactéria em metabolizar essa fonte de carbono resultante da hidrólise da lactose. Foi possível observar a presença uma pequena quantidade de PspA e de material genético no caldo de cultivo, provavelmente devido a permeabilização e lise de pequena parte da população. Contabilizou-se a recuperação do carbono para todos os experimentos, obtendo-se valores próximos de 100 % antes da indução em todos os casos. Após a indução foi verificada uma acentuada queda nessa recuperação. Porém, incluindo o carbono presente no polissacarídeo quantificado no caldo de cultivo, foi possível recuperar todo o carbono fornecido na forma de biomassa, CO2 e polissacarídeo. Por fim, a maior produção de proteína foi obtida a 37°C e induzida por IPTG, alcançando 125 mgPspA/gMS, em cultivo caracterizado pela curta duração da fase de indução (apenas 4 horas). Os resultados contribuem para ampliar a compreensão do processo de produção de proteínas heterólogas por rE. coli e permitem definir estratégias de intensificação da produção de proteína.

Reservatórios de usinas hidrelétricas instalados em regiões tropicais podem representar contribuição significativa para as emissões de gases efeito estufa (GEEs) para a atmosfera. Neste contexto, é relevante desenvolver métodos para avaliação da emissão de CH4 e CO2 causada pela instalação desses empreendimentos hidrelétricos. A UHE Belo Monte no Rio Xingu (leste da Amazônia) é a terceira maior usina hidrelétrica em potencial de geração de energia do mundo. A estimativa das emissões de GEEs associadas à UHE Belo Monte é exemplo de alta relevância que pode servir de base para futuros empreendimentos previstos para serem construídos na região amazônica. Neste estudo, foram realizados experimentos de incubação de solos e de inundação de testemunho de solos das áreas dos reservatórios da UHE Belo Monte. Estes experimentos auxiliaram na compreensão da resposta do fluxo de CH4 e CO2 tanto na resolução vertical (e.g. profundidade), quanto na resolução horizontal (e.g. contexto fisiográfico). Os resultados demonstraram alta produção de CH4 e CO2 na camada superior (10 cm), a qual apresenta conteúdo orgânico mais elevado. O solo de floresta de igapó apresentou a maior taxa potencial de produção de CH4 (15,59 nmol CH4 g-1 h-1), enquanto que o solo de pasto apresentou a maior taxa de produção de CO2 (34,96 nmol CO2 g-1 h-1). As emissões médias de CH4 e CO2 para os reservatórios da UHE Belo Monte foram, respectivamente, iguais a 54 ± 60 mmol CH4 m-2d-1 e 330 ± 149 mmol CO2 m-2 d-1. Esses resultados indicam incremento no fluxo de CH4 e CO2 em relação ao fluxo natural destes gases no Rio Xingu medido antes da instalação da UHE Belo Monte. Isto permite computar as emissões de CH4 e CO2 na energia gerada para a avaliação do custo-benefício do empreendimento hidrelétrico, em termos de emissões de CH4 e CO2 para a atmosfera. Além disso, foram realizadas projeções de emissões de carbono ao longo de 100 anos de operação da UHE Belo Monte e a elaboração de modelo do balanço de massa de carbono (\"C budget\") para os reservatórios da UHE Belo Monte. Estimou-se que o impacto em emissões líquidas do empreendimento ocasionaria emissões entre 2,3 e 15,1 Tg C para o período de 100 anos. Dessa forma, espera-se que este estudo sirva de base para avaliar casos análogos, já que o plano de expansão da matriz energética brasileira considera a instalação de outras usinas hidrelétricas em rios do leste amazônico / Hydroelectric reservoirs installed in tropical regions can represent a significant contribution to greenhouse gas emissions (GHGs) to the atmosphere. In this context, it is relevant to develop methods to evaluate CH4 and CO2 emissions caused by the installation of hydroelectric reservoirs. The Belo Monte hydroelectric plant in Xingu River (eastern Amazon) is the third largest hydroelectric plant in the world in terms of installed capacity and is an example of high relevance that can serve as a study case to evaluate future hydroelectric projects planned to be built in the Amazon region. In this study, soil incubation and soil flooding experiments using samples from the Belo Monte reservoir areas were performed to understand the response of the CH4 and CO2 fluxes under impounding of the Xingu River, considering both vertical (e.g. depth) and horizontal resolution (e.g. physiographic context). The results showed a high production of CH4 and CO2 in the top layer (10 cm) of soils, due to higher organic content. The igapó forest soil presented the highest potential production rate of CH4 (15.59 nmol CH4 g -1 h -1), while pasture soil presented the highest CO2 production rate (34.96 nmol CO2 g -1 h-1). The mean fluxes of CH4 and CO2 from Belo Monte reservoirs were respectively 54.05 ± 60.73 mmol CH4 m-2 d-1 and 330.76 ± 149.83 mmol CO2 m-2 d-1. These results indicate significant increase in the CH4 and CO2 fluxes compared to the natural fluxes of CH4 and CO2 from the Xingu River before damming for construction of the Belo Monte reservoirs. This allows to calculate GHGs emissions associated with the energy generated by the Belo Monte hydroelectric plant in the first years of operation and its cost-benefit evaluation in terms of carbon emissions. In addition, carbon emission projections for the next 100 years were carried out and a model for carbon mass balance (CH4 and CO2 budget) was elaborated for the Belo Monte reservoirs. It was estimated that the net emissions of the Belo Monte reservoirs would vary from 2.3 to 15.1 Tg C for a period of 100 years. Thus, this study is expected to serve as a basis to evaluate similar cases, as the plan of expansion of Brazilian energy plans matrix considers the installation of other hydroelectric plants in rivers of eastern Amazon.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / For the sustainability of integrated crop-livestock systems, the proper management of its components (soil-plant-animal), which are dynamic and interact with each other, are essential to define the system's ability to provide positive or negative carbon balance to system and determine the physical, chemical and biological soil, which can affect the production capacity of agricultural soils. The objective of this study was to characterize the spatial and temporal variability of soybean yield and understand their relationship with the spatial variability of dungs, physical properties and chemical soil, and soil quality in different grazing intensities in integrated crop-livestock system. Chapter I concluded that the soil organic C stocks under different grazing intensities was related to indices of soil quality. The highest C stratification ratio and C pool index were found in the treatment with moderate grazing intensity. The integrated crop livestock system acts as source or sink of atmospheric C depending on the grazing intensity. Under heavy grazing intensity, the system acts as a source (0.04 Mg ha−1yr−1), and under light grazing intensity, it acts as a sink. The value range from 0.25 to 0.37 Mg ha−1yr−1.Pastures managed at 0.20 and 0.40 m sward height had the best balance between CMI and animal daily weight gain. The best balance between C management index and live weight gain per unit area, C management index and economic return, occurred in sward height of 0.20 m. Chapter 2 concluded that the dung supply affects the cycling of the nutrients P and K in the soil, in comparison with sites without supply, and the pasture height of 10 cm treatment had the highest P content in the soil in relation to the treatment of 0.40 m. The average diameter of the aggregates was higher with 0.40 m in relation to the treatment of 0.10 m and soil density was similar between the heights of the pasture. Treatment of sward height 0.10 m, which had a more homogeneous distribution of dungs in the area, showed greater variability of nutrients P and K, and the treatment of 0.40 m, which had the lowest number of dungs with distribution concentrated in attractive points, had the lowest variability of nutrients. In years with severe water restriction, all pasture height treatments were affected, with an average yield reduced by 80% over 2012/13 and 2013/14 crops without water restriction. The main components affected by water stress were the number of pods per plant and the weight of 1000 grains (2011/12). For the year severe water restriction the sward height of 0.40 m treatment, which provided greater coverage contribution dead on the ground, had the highest soybean yield variability. / Para a sustentabilidade dos sistemas de integração lavoura-pecuária, o manejo adequado de seus componentes (solo-planta-animal), que são dinâmicos e interagem entre si, são fundamentais para definir a capacidade do sistema em prover balanço positivo ou negativo de carbono ao sistema, assim como determinar as mudanças físicas, químicas e biológicas do solo, o que pode afetar a capacidade de produção dos solos agrícolas. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a variabilidade espacial e temporal da produtividade da soja e compreender sua relação com a variabilidade espacial das placas de esterco, atributos físicos e químicos do solo, e a qualidade do solo em diferentes intensidades de pastejo em sistema de integração lavoura-pecuária. O Capítulo I concluiu que o estoque de carbono no solo sob diferentes intensidades de pastejo foi relacionado aos índices de qualidade do solo. A maior taxa de estratificação do carbono e o maior índice de estoque de carbono foram encontrados para o tratamento com moderada intensidade de pastejo. A integração lavoura-pecuária age como fonte ou como dreno do carbono atmosférico, dependendo da intensidade de pastejo. Sob alta intensidade de pastejo, o sistem age como fonte (0.04 Mg ha-1 ano-1), e sob baixas intensidades de pastejo como dreno, variando de 0.25 to 0.37 Mg ha-1 ano-1. Pastos manejados com altura de pasto 20 e 40 cm possuem o melhor balanço entre o índice de manejo do solo e o ganho de peso diário. O melhor balanço entre o índice de manejo do solo e o ganho de peso por animal por unidade de área e o retorno econômico ocorreu no tratamento 20 cm. Já o Capítulo 2 concluiu que a presença de placas de esterco afetou a ciclagem dos nutrientes P e K no solo em relação a locais sem esterco na pastagem. O tratamento de altura do pasto de 0,10 m apresentou o maior teor de P no solo em relação ao tratamento de 0,40 m. O diâmetro médio ponderado dos agregados foi maior no tratamento de 0,40 m em relação ao tratamento de 0,10 m e a densidade do solo foi semelhante entre as alturas do pasto. O tratamento de altura do pasto 0,10 m, que possuía uma distribuição mais homogênea de placas de esterco na área, apresentou maior variabilidade dos nutrientes P e K, e o tratamento de 0,40 m, que possuía o menor número de placas de esterco com distribuição concentrada em pontos atrativos, apresentou a menor variabilidade dos nutrientes. Em anos com restrição hídrica severa todos os tratamentos de altura do pasto foram afetados, sendo a produtividade média reduzida em 80% em relação as safras 2012/13 e 2013/14 sem restrição hídrica. Os principais componentes afetados pelo estresse hídrico foram o número de legumes por planta e o peso de 1000 grãos (safra 2011/12). No ano com restrição hídrica severa o tratamento de altura do pasto de 0,40 m, que proporcionou maior aporte de cobertura morta sobre o solo, apresentou a maior variabilidade de produtividade de soja.