Over recent years microbial oil has attracted much attention due to its potential to replace traditional oil sources in the production of biofuels and nutraceuticals. Its advantages arise from its independence of the food supply chain and its ease of production compared to conventional plant oils. Also, as concerns for the environment grow, microbially-synthesized oil emerges as potential competitor for the sustainable production of biodiesel. However, the high cost of its production currently hinders its large scale application. The bottlenecks to industrial microbial oil production are the cost of substrate and cultivation. Current research is focusing on process improvements to make microbial oil more competitive and worthwhile to produce. Several types of microorganisms have been explored so far and waste substrates have been utilised as cheap feedstocks. The overall cost is affected by the fermentation stage, therefore it is imperative to design cultivations with little operating requirements and high yields. Consequently, the present thesis aims to contribute to the field by developing and investigating a simple process for oleaginous yeast cultivation, focusing mainly on enhancing the yields during the bioreactor stage. Oleaginous yeasts were screened for their ability to grow on glycerol and the most promising strain was selected for further research. Then, the necessary conditions for its growth and oil accumulation were defined. Shake-flask cultivations showed that the specific growth rate and glycerol consumption of Rh. glutinis were higher at lower glycerol concentrations (smaller or equal to40 g/L), while higher C/N elemental ratios enhanced oil content. Experimental data were used to construct an unstructured kinetic model to describe and predict the system's behaviour. The Monod-based model took into account double substrate growth dependence and substrate inhibition. Following that, bioreactor cultivations extended the range of parameters studied, to include the influence of aeration rate and oxygen supply on cellular growth and microbial oil production. Cultivations at different air flow rates were performed in a 2 L bioreactor and showed that a low aeration rate of 0.5 L/min gave the best glycerol and nitrogen uptake rates, resulting in a concentration of biomass of 5.3 g/L with oil content of 33% under simple batch operation. This was improved by 68% to 16.8 g/L (cellular biomass) with similar oil content (34%) by applying a fed-batch strategy. Finally, different glycerol feeding schemes were evaluated in terms of their effect on oil accumulation. The concept of targeting first a cell proliferation stage, limited by the availability of nitrogen, followed by a lipid accumulation stage, fuelled by glycerol was tested. Continual feeding and pulsed feedings, delivering the same total amount of nitrogen (and glycerol), resulted in similar elevated values of both cellular biomass (~25 g/L) and oil content (~40%). Addition of glycerol at higher rates but giving the same total amount of nitrogen led to a further increase in oil content to 53%, resulting in an overall oil yield of more than 16 g/L (the highest achieved throughout the project). With comparable yields to those reported in the literature but achieved with a much poorer medium, there is every reason to be optimistic that microbial oil production from glycerol could be commercially viable in the future.

Submitted by Caroline Periotto (carol@ufscar.br) on 2016-09-26T13:02:22Z No. of bitstreams: 1 DissJCF.pdf: 2193556 bytes, checksum: 67658416b8d80c61ed4a7d39c48b586a (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-26T20:47:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJCF.pdf: 2193556 bytes, checksum: 67658416b8d80c61ed4a7d39c48b586a (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-26T20:47:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJCF.pdf: 2193556 bytes, checksum: 67658416b8d80c61ed4a7d39c48b586a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-26T20:48:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissJCF.pdf: 2193556 bytes, checksum: 67658416b8d80c61ed4a7d39c48b586a (MD5) Previous issue date: 2016-03-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Several researches suggests heterotrophic metabolism in some strains of cyanobacteria, allowing its application in the development and consumption of organic molecules and nutrients in wastewater. Vinasse is the main wastewater from sugarcane processing, both in terms of composition and volume, and this presents a considerable variation in chemical composition, directly affecting their relationship carbon:nitrogen (C/N). Aphanocapsa holsatica is a unicellular cyanobacterium with proven foto-heterotrophic growth. Geitlerinema sp it is a filamentous cyanobacterium that has the ability to form aggregates, sedimenting in culture medium. In this context, the study aimed to evaluate the cultivation of cyanobacteria in sugarcane vinasse adjusted with different initial C/N ratio. The experiments were firstly set up in shake flasks for screening of the C/N ratio that allowed the largest biomass production and/or carbon and nitrogen uptakes. In the C/N ratio selected, experiments were set up in a bench bioreactor, with aeration and mixing, in addition to online monitoring of pH and gases. Results showed growth of both microorganisms to the C/N ratio range tested, with high productivities in 5 and 40 and larger carbon and nitrogen removal by Geitlerinema. In the bench bioreactor, Aphanocapsa presents low oxygen demand, carbon and nitrogen removal about 25 and 18%, respectively, and a maximum specific growth rate about five times higher (0.5 h-1) obtained in the shake flasks. For Geitlerinema sp, in C/N ratio 5 presents carbon consumer first-order kinetics, enabled high removals around 85%. Experimental data indicate the feasibility of growing in both cyanobacteria vinasse in the C N ratio range from 5 to 40, with high conversion of biomass to unicellular cyanobacterium and high carbon removal for filamentous cyanobacterium. / Diversas pesquisas indicam metabolismo heterotrófico em algumas linhagens de cianobactérias, possibilitando sua aplicação na incorporação e consumo de moléculas orgânicas e nutrientes em águas residuárias. A vinhaça constitui a principal água residuária do setor sucroenergético, tanto em termos de composição quanto de geração, sendo que esta apresenta uma considerável variação em termos de composição química, afetando diretamente a sua relação carbono:nitrogênio. Aphanocapsa holsatica é uma cianobactéria unicelular com comprovado crescimento fotoheterotrófico. Geitlerinema sp é uma cianobactéria filamentosa que apresenta a capacidade de formar agregados, sedimentando naturalmente em meios de cultivo. Neste contexto, o trabalho teve como objetivo avaliar o cultivo das cianobactérias em vinhaça de cana-de-açúcar ajustada com diferentes razões C/N iniciais. Os experimentos foram conduzidos primeiramente em sistema de frascos agitados para seleção da razão C/N que possibilitava a maior produção de biomassa e/ou consumo de carbono e nitrogênio do meio. Na razão C/N selecionada, foram conduzidos ensaios em biorreator de bancada, com ajuste de aeração e agitação, além do monitoramento em linha de pH e gases. Os resultados indicaram crescimento de ambos micro-organismos para a faixa de razão C/N testada, com elevadas produtividades na razão C/N 5 e 40 e maiores remoções de carbono e nitrogênio para Geitlerinema. O ensaio em biorreator de bancada com Aphanocapsa indicou baixa demanda de oxigênio, remoções de carbono e nitrogênio em biorreator da ordem de 25 e 18%, respectivamente, além de uma velocidade específica de crescimento máximo cerca de cinco vezes superior (0,5 h-1) ao obtido em frascos agitados. Para Geitlerinema sp. na razão C/N 5, cinética de consumo de carbono de primeira ordem possibilitou elevadas remoções em torno 85% em biorreator de bancada. Os dados experimentais indicam a viabilidade do cultivo de ambas cianobactérias em vinhaça na faixa de razão C/N de 5 a 40, com elevada conversão em biomassa para a cianobactéria unicelular e elevada remoção de carbono para a cianobactéria filamentosa.

The liquid carbon accounting balance in the soil is important to identify agricultural practices that contribute to mitigation of global climate change. In this sense, research must be conducted to improve the accuracy of estimates of emission rates and C sequestration in field experiments to quantify the actual capacity of the soil to accumulate C and how much can be reissued to the atmosphere as CO2 by changes in soil management. This work is divided into two chapters, aims to investigate the relationship between tillage systems and types of wastes in emissions of C-CO2 and C sequestration potential. The study was conducted in plots making up the experiment "Influence of tillage and crop rotation on yield and profitability of crops", installed in 1985, located in the current Central Cooperative Gaucha LTDA Technology (CCGL-tec) former Foundation Experimentation and Research Center Fecotrigo (FUNDACEP), in Cruz Alta - RS. The first study evaluated the flow of C-CO2 for 125 days from November 2013 to March 2015, using dynamic closed flow chamber with infrared analyzer (LI-8100), combining tillage and conventional tillage (PC) reduced tillage (PR) and no tillage (NT) with different types of land cover. In the second combined if the cumulative flows of C-CO2 that period with the decomposition of crop residues of oat (Avena strigosa Schreber), common vetch (Vicia sativa (L.) Walp.) and the consortium of the same. The results indicated that in clayey Oxisol, in the absence of plant residues, the breakdown of households by tillage in PR and PC had limited increase in outflows of C-CO2. Soil moisture was the variable that best explains the variations of C-CO2 efflux for PR and NT cropping systems. The decay of outflows until reaching the lower phase and stable efflux differ among tillage systems, persisting in the PC until the end of the first month in PR until about 20 days after preparation and NT up to 7 days after sowing. Of the C-CO2 emissions from waste, the first 10 days after soil management were responsible for issuing the largest amount, especially in the PC ER waste with 445.0 kg ha-1 (19.4%) in PR AV+ER waste with 889.9 kg ha-1 (29.6%) and NT the ER waste with 384.9 kg ha-1 (24.5%). The type of coverage has an effect on the flow of C-CO2, with an increase of them as decreased the C/N waste to the PC and PR. In NT the portion with waste ER smaller C/N, was not significantly different PC and PR higher C/N, being less sensitive to variations of the C/N ratios. The time in which the soil acts as a sink for C-CO2 PC was 43, 40 and 10 days for waste AV, AV+ER and ER, respectively, from these periods the soil began to act as a source of C-CO2 into the atmosphere. In NT the influx of C-CO2 into the AV persisted until the end of the experiment, AV+ER and ER to the first 86 and 44 days respectively. Independent crop residue NT partial balance of C-CO2 in the soil was positive, with greater influx to the waste of AV, intermediate for the AV+ER consortium and less to the ER, with C the conversion rates of 24.8, 13.9 and 11.4% for waste AV, AV+ER and ER, respectively. In PC soil acts as C drain only when submitted to management with AV C with the conversion rate of 16.4%, in other managements soil served as a source of C-CO2 into the atmosphere with 103.7 and efflux 105.5% relative to the total C added to the residue consortium AV+ER and ER, respectively. / A contabilidade liquida do balanço de carbono no solo, tem como relevância a identificação de práticas agrícolas que contribuam para mitigação das mudanças climáticas globais. Neste sentido, pesquisas devem ser conduzidas visando melhorar a precisão das estimativas das taxas de emissão e sequestro de C em experimentos de campo, para quantificar a capacidade real do solo em acumular C e o quanto poderá ser reemitido para atmosfera na forma de CO2 por mudanças no manejo do solo. Este trabalho, dividido em dois capítulos, tem por objetivo investigar as relações entre sistemas de preparo e tipos de resíduos vegetais nas emissões de C-CO2 e no potencial de sequestro de C. O trabalho foi desenvolvido em parcelas que constituem o experimento "Influência do preparo do solo e da rotação de culturas sobre o rendimento e a rentabilidade das culturas", instalado em 1985, situado na atual Cooperativa Central Gaucha LTDA, Tecnologia (CCGL-tec), antiga Fundação Centro de Experimentação e Pesquisa Fecotrigo (FUNDACEP), no município de Cruz Alta RS. O primeiro estudo avaliou o efluxo de C-CO2 durante 125 dias no período de novembro de 2013 a março de 2015, utilizando câmara de fluxo fechado dinâmica com analisador infravermelho (LI-8100), combinando sistemas de preparo, plantio convencional (PC), preparo reduzido (PR) e plantio direto (PD) com diferentes tipos de cobertura do solo. No segundo combinaram-se os efluxos acumulados de C-CO2 desse período com a dinâmica de decomposição de resíduos culturais de aveia preta (Avena strigosa Schreber), ervilhaca comum (Vicia sativa (L.) Walp.) e o consórcio das mesmas. Os resultados indicaram que em Latossolo argiloso, na ausência de resíduos vegetais, a ruptura dos agregados pelo preparo do solo em PR e PC teve limitado incremento nos efluxos de C-CO2. A umidade do solo foi a variável que melhor explicou as variações do efluxo de C-CO2 para os sistemas de cultivo PR e PD. O decaimento dos efluxos até alcançar a fase de menor e estável efluxo diferiu entre os sistemas de preparo, persistindo no PC até o final do primeiro mês, em PR até cerca de 20 dias após o preparo e em PD até 7 dias após a semeadura. Do total de C-CO2 emitido pelos resíduos, os primeiros 10 dias após o manejo do solo foram responsáveis por emitir a maior quantidade, destacando-se em PC os resíduos de ER com 445,0 kg ha-1 (19,4%), em PR os resíduos de AV+ER com 889,9 kg ha-1 (29,6%) e em PD os resíduos de ER com 384,9 kg ha-1 (24,5%). O tipo de cobertura exerceu influência sobre o efluxo de C-CO2, com aumento dos mesmos à medida que decresceu a relação C/N dos resíduos para o PC e PR. Em PD a parcela com resíduos de ER de menor relação C/N, não diferiu estatisticamente do PC e PR de maior relação C/N, mostrando-se menos sensível as variações das relações C/N. O tempo em que o solo atuou como dreno de C-CO2 em PC foi de 43, 40 e 10 dias, para os resíduos de AV, AV+ER e ER, respectivamente, a partir desses períodos o solo passou a atuar como fonte de C-CO2 para a atmosfera. Em PD o influxo de C-CO2 para a AV persistiu até o final do experimento, para AV+ER e ER até os primeiros 86 e 44 dias respectivamente. Em PD independente do resíduo cultural o balanço parcial de C-CO2 no solo foi positivo, com maior influxo para os resíduos da AV, intermediário para o consorcio AV+ER e menor para a ER, com taxas de conversão do C de 24,8, 13,9 e 11,4% para os resíduos de AV, AV+ER e ER, respectivamente. Em PC o solo atuou como dreno de C somente quando submetido ao manejo com AV com taxa de conversão do C de 16,4%, nos demais manejos o solo atuou como fonte de C-CO2 para a atmosfera com efluxo de 103,7 e 105,5% em relação ao C total adicionado pelos resíduos para o consorcio AV+ER e ER, respectivamente.

Esse trabalho buscou avaliar a possibilidade de utilização do glicerol como fonte de carbono para a desnitrificação conjunta à remoção biológica de fósforo de um efluente sintético em um reator de fluxo contínuo submetido à aeração intermitente e com biomassa suspensa. O regime operacional do reator foi dividido em duas fases: a primeira visando somente a remoção de nitrato, testando diferentes relações Carbono/Nitrogênio (C/N) em Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) de 4 horas; e a segunda visando a remoção de nitrato e fosfato com períodos de aeração e não aeração de 2 e 4 horas respectivamente, para uma relação Carbono/Fósforo de 10 ± 1. Na primeira fase operacional foram testadas 3 relações C/N, a saber: 1,2 ± 0,1; 1,5 ± 0,1 e 1,8 ± 0,2. Para a relação C/N de 1,8 ± 0,2 foi possível atingir uma maior eficiência de desnitrificação com uma maior estabilidade operacional - 91 ± 8%. Para a segunda fase de operação que apresentou relação C/N de 3,5 ± 0,2, a desnitrificação foi completa na maior parte do tempo com 99 ± 2% de eficiência de remoção de NOx (nitrato mais nitrito), indicando que a desnitrificação com glicerol é favorecida para relações C/N mais altas. Não foi evidenciado uma remoção biológica de fósforo expressiva (9 ± 12%), indicando que não houve desenvolvimento dos organismos acumuladores de fósforo (OAPs), uma vez que a liberação de fosfato durante a fase não aerada não ocorreu. Isso pode ser explicado pela falta de ácidos graxos voláteis (AGV), que seriam provenientes da degradação anaeróbia do glicerol, sendo a maior parte desse consumida na desnitrificação. Portanto, o teor de nitrato pode ter sido um fator de impedimento ao desenvolvimento dos OAPs. Pelos ensaios de microscopia óptica foi observado a presença de bactérias filamentosas semelhantes às do gênero Beggiatoa, que também podem ter consumido parte dos substratos da fermentação do glicerol. Por essas razões, sugere-se avaliar outras configurações de reatores de modo a promover uma efetiva fermentação do glicerol previamente ao sistema de remoção de fósforo. / This study aimed to evaluate the feasibility of glycerol as a carbon source for denitrification and biological phosphorus removal of a synthetic wastewater in a continuous flow reactor with suspended biomass and subjected to intermittent aeration. The reactor operation was divided in two phases: the first one aimed only at removing nitrate, testing different C/N (Carbon/Nitrogen) ratios at an HRT (Hydraulic Retention Time) of 4 hours; and the second one aimed at the removal of nitrate and phosphate. During the second phase, the reactor was subjected to periods of aeration and non-aeration of 2 and 4 hours, respectively, for a C/P (Carbon/Phosphorus) ratio of 10 ± 1. In the first operational phase, three C/N ratios were tested, as follows: 1.2 ± 0.1; 1.5 ± 0.1 and 1.8 ± 0.2. For the C/N ratio of 1.8 ± 0.2, it was possible to achieve higher denitrification efficiency with greater operational stability - 91 ± 8%. For the second operational phase, with the C/N ratio of 3.5 ± 0.2, the denitrification was complete most of the time presenting 99 ± 2% of NOx (nitrate and nitrite) removal efficiency, indicating that the denitrification with glycerol is enhanced at higher C/N ratios. The biological phosphorus removal in this phase was not significant (12 ± 9%), indicating that there was no development of Phosphorus Accumulating Organisms (PAO), since the phosphate release during the anaerobic phase did not occur. This can be explained by the lack of Volatile Fatty Acids (VFA), which would come from the anaerobic degradation of glycerol that was consumed in denitrification. Therefore, the nitrate content may have been an interfering factor to the development of PAO. The optical microscopy analysis indicated the presence of filamentous bacteria similar to the genus Beggiatoa, which can also have consumed part of the substrates from the glycerol fermentation. For these reasons, it is suggested to evaluate other reactor configurations in order to promote the effective fermentation of glycerol previously to the phosphorus removal system.

Este trabalho buscou verificar a viabilidade do uso de fermentado de glicerol como fonte externa de carbono para a remoção biológica de nutrientes em um reator de leito estruturado, submetido à aeração intermitente (LEAI). O LEAI foi alimentado com efluente de reator UASB de bancada, usado no tratamento de esgoto sanitário. O reator LEAI possuía volume total de 12,3L e, devido às hastes cilíndricas verticais de espuma de poliuretano usadas como suporte para a biomassa, o volume útil foi de 8,6 L. Inicialmente, o reator foi operado sob aeração contínua com tempo de detenção hidráulica (TDH) de 24 horas e razão de recirculação de efluente igual a 3 para desenvolvimento de biomassa nitrificante no reator. Após a eficiência de nitrificação atingir 80%, o reator passou a ser operado com TDH de 12 horas e sob aeração intermitente, mantendo-se a razão de recirculação igual a 3. Foram então realizadas 4 fases em modo contínuo sob aeração intermitente (tempo de aeração/tempo sem aeração) de 2h/1h sem glicerol, 3h/1h sem glicerol, 2h/1h com glicerol, 3h/1h com glicerol. A adição de glicerol fermentado ocorreu somente durante os períodos não aerados. Em todas as fases, a DQO média efluente ao sistema variou entre 26±8 e 59±14 mg.L-1. Em relação à remoção de nitrogênio total (como NTK), verificou-se a baixa eficiência de remoção nas fases em que não houve a adição do fermentado, atingindo 49,6±13,5% (2h/1h) e 29,2±10,1% (3h/1h). Entretanto, nas fases em que houve a inserção do glicerol, as eficiências de remoção de N-total foram superiores, obtendo-se 64,9±21,6% (2h/1h) e 69,5±11,7% (3h/1h). Não foi observada remoção de fósforo em nenhuma das fases em que o reator foi operado com alimentação contínua. A fim de verificar a eficácia do fermentado de glicerol na remoção de N e P, o sistema foi modificado para que o reator LEAI operasse em bateladas sequenciais (RSB). Nessa etapa da pesquisa, observou-se o estabelecimento da comunidade acumuladora de fósforo no sistema, obtendo-se eficiência de remoção de fósforo de 56,1±8,5%. A eficiência de remoção de nitrogênio total também aumentou, atingindo 86,2±6,2%. Concluiu-se que o fermentado do glicerol apresenta potencial significativo para uso como fonte exógena de carbono no processo de remoção de fósforo e N-total. Concluiu-se também que, embora o glicerol fermentado contenha compostos favoráveis à remoção de fósforo em reatores de leito estruturado, a alimentação contínua do reator com aeração intermitente, não promove as condições ideais para o estabelecimento de processo estável de remoção de fósforo. No entanto, a elevada eficiência de oxidação de NTK, de remoção de matéria orgânica e de desnitrificação, aliadas à baixa produção sólida, mostram que o LEAI é uma alternativa interessante em comparação às tecnologias praticadas atualmente para pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Contudo, quando a remoção de fósforo é necessária, a operação do reator em bateladas sequenciais é a alternativa viável. / This work aimed to verify the viability of the use of fermented glycerol as an external carbon source for the nutrient biological removal in structured-bed reactor subjected to recirculation and intermittent aeration (SBRRIA). The SBRRIA was fed effluent from UASB reactor bench scale, used in the treatment of domestic sewage. The SBTTIA reactor had a total volume of 12.3L and, due to the vertical cylindrical strips of polyurethane foam used as biomass support, the useful volume was 8.6 L. Initially, the reactor was operated under continuous aeration with hydraulic retention time (HRT) of 24 hours and effluent recirculation ratio of 3 for the development of nitrifying biomass in the reactor. After the nitrification efficiency reach 80%, the reactor started to be operated at the HRT of 12 h under intermittent aeration, maintaining the recirculation ratio equal to 3. Four phases were then carried out continuously under intermittent aeration (aeration / time without aeration) of 2h/1h without glycerol, 3h/1h without glycerol, 2h/1h with glycerol, 3h/1h with glycerol. The addition of fermented glycerol occurred only during time without aeration. In all phases, the average COD effluent of the system ranged between 26±8 and 59±14 mg.L-1. Low removal efficiency of total nitrogen (as TKN) was verified in the phases without addition of the fermented glycerol, reaching 49.6±13.5% (2h/1h) and 29.2±10.1% (3h/1h). However, the efficiency of total nitrogen removal efficiency was higher when fermented glycerol was added during the non-aerated period, attaining 64.9±21.6% (2h/1h) and 69.5±11.7% (3h/1h). No phosphorus removal was observed in any of the previous phases in which the reactor was operated under continuous feeding. In order to verify the feasibility of fermented glycerol in the removal of N and P, the system was modified so that the LEAI reactor operated in sequential batch mode (SRB). At this stage of the research, the establishment of the phosphorus accumulating community in the system was observed and phosphorus removal efficiency attained 56.1±8.5%. The efficiency of total nitrogen removal also increased up to 86.2±6.2%. It was concluded that the fermented glycerol presents significant potential for use as an exogenous carbon source in the process of phosphorus and nitrogen removal. It can be also concluded that fixed bed reactors can remove phosphorus from wastewaters using fermented glycerol presenting compounds favorable to the development of phosphorus accumulating microorganisms (PAO). However, reactors subjected to continuous feeding and intermittent aeration do not promote good conditions for the establishment of stable phosphorus removal process. Nevertheless, the high efficiency of TKN oxidation, organic matter removal and denitrification, coupled with low solid production, show that SBRRIA is an interesting alternative for the post-treatment of anaerobic reactor effluents. However, when phosphorus removal is required, sequential batch reactor operation is the viable alternative.

The present status of the environment, including environmental problems such as heavy metal accumulation in aquatic and terrestrial ecosystems, is in part the consequence of long-term changes. Cores from peatlands and other natural archives provide us with the potential to study aspects of the atmospheric cycling of elements, such as metal pollutants, on timescales much longer than the decade or two available to us with atmospheric deposition monitoring programs. The past decade especially has seen a rapid increase in interest in the biogeochemical record preserved in peat, particularly as it relates to environmental changes (e.g. climate and pollution). Importantly, recent studies have shown that carbon dynamics, i.e., organic matter decomposition, may influence the record of atmospherically derived elements such as halogens and mercury. Other studies have shown that under certain conditions some downward movement of atmospherically deposited elements may also occur, which adds complexity to establishing reliable chronologies as well as inherent problems of estimating accurate accumulation rates of peat and past metal deposition. Thus, we still lack a complete understanding of the basic biogeochemical processes and their effects on trace element distributions. While many studies have validated the general temporal patterns of peat records, there has been a limited critical examination of accumulation records in quantitative terms. To be certain that we extract not only a qualitative record from peat, it is important that we establish a quantitative link between the archive and the few to several decades of data that are available from contemporary monitoring and research. The main objective of this doctoral thesis was to focus on improving the link between the long-term paleorecord and the contemporary monitoring data available from biomonitoring and direct deposition observations. The main research questions have therefore been: Are peat archives an absolute or relative record? And how are geochemical signals, including dating, incorporated in the peat archive? What temporal resolution is realistic to interpret by using peat cores?

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum von Bergahorn und Buche mit dendroökologischen Methoden untersucht. Dies geschah vor dem Hintergrund der Ausbreitung des Bergahorns und der Eutrophierung der Landschaft. Die daran anknüpfende Fragestellung ist: Begünstigt Eutrophierung den Bergahorn? Die Untersuchung fand in einem Waldstück in Mecklenburg-Vorpommern statt. Dabei wurden von 42 Bergahornen und 38 Buchen Bohrkerne für die Vermessung der Jahrringe genommen. Weiterhin wurde neben jedem beprobten Baum das C/N-Verhältnis des Oberbodens bestimmt (n=80). Die Auswertung der Daten erfolgte durch drei Ansätze: 1.) Der Einfluss einer Hähnchenmastanlage auf beide Baumarten wurde untersucht. 2.) Die Beziehung zwischen dem C/N-Verhältnis des Bodens und dem Wachstum der Bäume wurde verglichen. 3.) Auf unterschiedlichen Standorten (C/N-Verhältnis) wurde die Abhängigkeit des Wachstums der Bäume vom Klima untersucht. Dabei wurde die Reaktion der beiden Arten auf das Klima verglichen. Die deutlichsten Ergebnisse wurden durch den zweiten Ansatz erzielt. Das C/N-Verhältnis des oberen Bodens lag zwischen 12,4 und 17,4. In diesem Bereich wurde eine positive Korrelation zwischen dem C/N-Verhältnis des Bodens und dem Wachstum der Bäume festgestellt. Die Ergebnisse deuten auf eine Schädigung der beiden Arten durch Stickstoff hin, welche beim Bergahorn (R² = 0,30) stärker als bei der Buche (R² = 0,18) ausgeprägt ist. Daraus folgt, dass der Bergahorn durch die Eutrophierung geschwächt wird. Ein Einfluss der Mastanlage auf das Wachstum der Bäume wurde nicht festgestellt. Auf das Klima reagierten beiden Arten ähnlich. Es bestand ein positiver Zusammenhang zwischen dem Niederschlag und dem Wachstum der Bäume. Der Einfluss des Standorts auf die Klimareaktion der Bäume war uneindeutig. / Within this thesis the growth of sycamore (Acer pseudoplatanus L.) and beech (Fagus sylvatica L.) was investigated by applying dendroecological methods. The overall idea derived from the distribution of sycamore and the eutrophication of the environment leading to the question whether eutrophication promotes the spread of sycamore. The investigated forest was located in Mecklenburg-Vorpommern. To inspect the annual rings of the trees 42 samples were taken off the trunk of sycamore while 38 samples were gathered from beech. Apart from that the ratio of carbon and nitrogen within the topsoil of every single tree was analysed (n=80). The evaluation of the data employed three approaches. 1.) The impact of a poultry farm on both species was investigated. 2.) The relation of the C/N-ratio of the soil was compared to the growth of the trees. 3.) The connection between the growth of the trees and the climate was examined for the various sites (in terms of the C/N-ratio). Thereby the response of the species onto the climate was compared. The most precise results were achieved within the second approach. Values for the C/N-ratio of the upper soil lay between 12.4 and 17.4. A positive correlation between the C/N-ratio of the soil and the growth of the trees was discovered within this range. The results suggest an adverse effect to both of the species. This effect is more intense regarding sycamore (R² = 0,30) compared to beech (R² = 0,18). It can therefore be concluded that sycamore is weakened by eutrophication. An effect of the poultry farm on the species was not observed. Both species responded similarly regarding climate parameters. A positive relation between precipitation and growth of the trees was found. The impact of the location on the climate reaction of the trees was ambiguous.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / The microalgae are a potential source of biomolecules of commercial interest due to its diverse metabolic profile able to synthesize different classes of organic compounds. The gender Aphanothece microscopica Nägeli is a cyanobacterium with growth capacity in heterotrophic cultivation by adding a source of exogenous carbon. Aiming at the possibility of valuation of products generated in heterotrophic bioreactors, this study had as objective the intensification of microalgae processes supported in starch as an exogenous carbon source. In the first stage we were evaluated cassava starch and corn starch as exogenous carbon sources at different absolute amounts of carbon and nitrogen, at a fixed ratio of 20, for use in heterotrophic cultivation. The C/N ratio of 5000/250 using cassava starch presented itself as the ideal condition of the process, resulting in cellular yield of 18.16 mg/L/h and removal efficiency of organic matter from 83.57% in a smaller generation time of 14.25 h. The second stage focused on the effect of agitation speeds of 0, 100, 200 and 300 RPM in the composition of the biomass and the quality of biodiesel produced from a C/N ratio of 5000/250. The stirring speed of 200 RPM showed the best composition biomass, resulting in efficient cellular productivities resulting in efficient cellular productivities (36.27 mg/L/h), organic carbon and nitrogen removal efficiency (94.87% and 84.40%, respectively) and lipid yield (3.31 mg/L/h). The composition of this oil is predominantly saturated and monounsaturated, appropriate for biodiesel synthesis (ester content of 76%, cetane number of 64.36, iodine value of 70.38 gI2 100g-1, degree of unsaturation of 71%, saponification value of 161.01, longchain saturated factor of 3.5%, cold filter plugging point at 5.48°C, cloud point at 5.53°C, allylic position equivalents of 52, bis-allylic position equivalents of 19, oxidation stability of 14.38 h, higher heating value of 30.7, kinematic viscosity of 1.02 mm² s-1 and kinematic density of 0.68 g cm-3). / As microalgas são uma potencial fonte de biomoléculas de interesse comercial devido ao seu perfil metabólico diversificado capaz de sintetizar diferentes classes de compostos orgânicos. O gênero Aphanothece microscopica Nägeli é uma cianobactéria com habilidade de crescimento em cultivos heterotróficos mediante a adição de uma fonte de carbono exógena. Visando a possibilidade de valorização dos bioprodutos gerados nos biorreatores heterotróficos, este trabalho teve como objetivo a intensificação de bioprocessos microalgais suportados em amido como fonte exógena de carbono. Na primeira etapa foram avaliados amido de mandioca e amido de milho, como fontes de carbono exógena em diferentes quantidades absolutas de carbono e nitrogênio, em uma razão fixa de 20, para uso em cultivo heterotrófico. A razão C/N de 5000/250 utilizando amido de mandioca apresentou-se como a condição ideal do processo, resultando em produtividades celulares de 18,16 mg/L/h e eficiência de remoção de matéria orgânica de 83,57 % em um menor tempo de geração de 14,25 h. A segunda etapa concentrou-se no efeito das velocidades de agitação de 0, 100, 200 e 300 RPM na composição da biomassa e na qualidade do biocombustível produzido a partir de uma razão C/N de 5000/250. A velocidade de agitação de 200 RPM apresentou a melhor composição de biomassa, resultando em eficientes produtividades celulares (36,27 mg/L/h), eficiência de remoção de carbono orgânico e nitrogênio (94,87 % e 84,40%, respectivamente) e produtividade lipídica (3,31 mg/L/h). A composição deste óleo é predominantemente saturada e monoinsaturada, adequada para a síntese de biodiesel (teor de éster de 76%, número de cetano de 64,36, índice de iodo de 70,38 g100gI2 -1, grau de insaturação de 71%, índice de saponificação de 161,01, fator saturados de cadeia longa de 3,5%, ponto de entupimento do filtro a frio em -5,48 °C, ponto de névoa em 5,53 °C, equivalentes de posição alilica de 52, equivalentes de posição bis-alilicos de 19, estabilidade de oxidação de 14,38 h, calor de combustão de 30,70, viscosidade cinemática de 1,02 mm² s-1 e densidade de 0,68 gcm-3).

Esse trabalho buscou avaliar a possibilidade de utilização do glicerol como fonte de carbono para a desnitrificação conjunta à remoção biológica de fósforo de um efluente sintético em um reator de fluxo contínuo submetido à aeração intermitente e com biomassa suspensa. O regime operacional do reator foi dividido em duas fases: a primeira visando somente a remoção de nitrato, testando diferentes relações Carbono/Nitrogênio (C/N) em Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) de 4 horas; e a segunda visando a remoção de nitrato e fosfato com períodos de aeração e não aeração de 2 e 4 horas respectivamente, para uma relação Carbono/Fósforo de 10 ± 1. Na primeira fase operacional foram testadas 3 relações C/N, a saber: 1,2 ± 0,1; 1,5 ± 0,1 e 1,8 ± 0,2. Para a relação C/N de 1,8 ± 0,2 foi possível atingir uma maior eficiência de desnitrificação com uma maior estabilidade operacional - 91 ± 8%. Para a segunda fase de operação que apresentou relação C/N de 3,5 ± 0,2, a desnitrificação foi completa na maior parte do tempo com 99 ± 2% de eficiência de remoção de NOx (nitrato mais nitrito), indicando que a desnitrificação com glicerol é favorecida para relações C/N mais altas. Não foi evidenciado uma remoção biológica de fósforo expressiva (9 ± 12%), indicando que não houve desenvolvimento dos organismos acumuladores de fósforo (OAPs), uma vez que a liberação de fosfato durante a fase não aerada não ocorreu. Isso pode ser explicado pela falta de ácidos graxos voláteis (AGV), que seriam provenientes da degradação anaeróbia do glicerol, sendo a maior parte desse consumida na desnitrificação. Portanto, o teor de nitrato pode ter sido um fator de impedimento ao desenvolvimento dos OAPs. Pelos ensaios de microscopia óptica foi observado a presença de bactérias filamentosas semelhantes às do gênero Beggiatoa, que também podem ter consumido parte dos substratos da fermentação do glicerol. Por essas razões, sugere-se avaliar outras configurações de reatores de modo a promover uma efetiva fermentação do glicerol previamente ao sistema de remoção de fósforo. / This study aimed to evaluate the feasibility of glycerol as a carbon source for denitrification and biological phosphorus removal of a synthetic wastewater in a continuous flow reactor with suspended biomass and subjected to intermittent aeration. The reactor operation was divided in two phases: the first one aimed only at removing nitrate, testing different C/N (Carbon/Nitrogen) ratios at an HRT (Hydraulic Retention Time) of 4 hours; and the second one aimed at the removal of nitrate and phosphate. During the second phase, the reactor was subjected to periods of aeration and non-aeration of 2 and 4 hours, respectively, for a C/P (Carbon/Phosphorus) ratio of 10 ± 1. In the first operational phase, three C/N ratios were tested, as follows: 1.2 ± 0.1; 1.5 ± 0.1 and 1.8 ± 0.2. For the C/N ratio of 1.8 ± 0.2, it was possible to achieve higher denitrification efficiency with greater operational stability - 91 ± 8%. For the second operational phase, with the C/N ratio of 3.5 ± 0.2, the denitrification was complete most of the time presenting 99 ± 2% of NOx (nitrate and nitrite) removal efficiency, indicating that the denitrification with glycerol is enhanced at higher C/N ratios. The biological phosphorus removal in this phase was not significant (12 ± 9%), indicating that there was no development of Phosphorus Accumulating Organisms (PAO), since the phosphate release during the anaerobic phase did not occur. This can be explained by the lack of Volatile Fatty Acids (VFA), which would come from the anaerobic degradation of glycerol that was consumed in denitrification. Therefore, the nitrate content may have been an interfering factor to the development of PAO. The optical microscopy analysis indicated the presence of filamentous bacteria similar to the genus Beggiatoa, which can also have consumed part of the substrates from the glycerol fermentation. For these reasons, it is suggested to evaluate other reactor configurations in order to promote the effective fermentation of glycerol previously to the phosphorus removal system.

Este trabalho buscou verificar a viabilidade do uso de fermentado de glicerol como fonte externa de carbono para a remoção biológica de nutrientes em um reator de leito estruturado, submetido à aeração intermitente (LEAI). O LEAI foi alimentado com efluente de reator UASB de bancada, usado no tratamento de esgoto sanitário. O reator LEAI possuía volume total de 12,3L e, devido às hastes cilíndricas verticais de espuma de poliuretano usadas como suporte para a biomassa, o volume útil foi de 8,6 L. Inicialmente, o reator foi operado sob aeração contínua com tempo de detenção hidráulica (TDH) de 24 horas e razão de recirculação de efluente igual a 3 para desenvolvimento de biomassa nitrificante no reator. Após a eficiência de nitrificação atingir 80%, o reator passou a ser operado com TDH de 12 horas e sob aeração intermitente, mantendo-se a razão de recirculação igual a 3. Foram então realizadas 4 fases em modo contínuo sob aeração intermitente (tempo de aeração/tempo sem aeração) de 2h/1h sem glicerol, 3h/1h sem glicerol, 2h/1h com glicerol, 3h/1h com glicerol. A adição de glicerol fermentado ocorreu somente durante os períodos não aerados. Em todas as fases, a DQO média efluente ao sistema variou entre 26±8 e 59±14 mg.L-1. Em relação à remoção de nitrogênio total (como NTK), verificou-se a baixa eficiência de remoção nas fases em que não houve a adição do fermentado, atingindo 49,6±13,5% (2h/1h) e 29,2±10,1% (3h/1h). Entretanto, nas fases em que houve a inserção do glicerol, as eficiências de remoção de N-total foram superiores, obtendo-se 64,9±21,6% (2h/1h) e 69,5±11,7% (3h/1h). Não foi observada remoção de fósforo em nenhuma das fases em que o reator foi operado com alimentação contínua. A fim de verificar a eficácia do fermentado de glicerol na remoção de N e P, o sistema foi modificado para que o reator LEAI operasse em bateladas sequenciais (RSB). Nessa etapa da pesquisa, observou-se o estabelecimento da comunidade acumuladora de fósforo no sistema, obtendo-se eficiência de remoção de fósforo de 56,1±8,5%. A eficiência de remoção de nitrogênio total também aumentou, atingindo 86,2±6,2%. Concluiu-se que o fermentado do glicerol apresenta potencial significativo para uso como fonte exógena de carbono no processo de remoção de fósforo e N-total. Concluiu-se também que, embora o glicerol fermentado contenha compostos favoráveis à remoção de fósforo em reatores de leito estruturado, a alimentação contínua do reator com aeração intermitente, não promove as condições ideais para o estabelecimento de processo estável de remoção de fósforo. No entanto, a elevada eficiência de oxidação de NTK, de remoção de matéria orgânica e de desnitrificação, aliadas à baixa produção sólida, mostram que o LEAI é uma alternativa interessante em comparação às tecnologias praticadas atualmente para pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Contudo, quando a remoção de fósforo é necessária, a operação do reator em bateladas sequenciais é a alternativa viável. / This work aimed to verify the viability of the use of fermented glycerol as an external carbon source for the nutrient biological removal in structured-bed reactor subjected to recirculation and intermittent aeration (SBRRIA). The SBRRIA was fed effluent from UASB reactor bench scale, used in the treatment of domestic sewage. The SBTTIA reactor had a total volume of 12.3L and, due to the vertical cylindrical strips of polyurethane foam used as biomass support, the useful volume was 8.6 L. Initially, the reactor was operated under continuous aeration with hydraulic retention time (HRT) of 24 hours and effluent recirculation ratio of 3 for the development of nitrifying biomass in the reactor. After the nitrification efficiency reach 80%, the reactor started to be operated at the HRT of 12 h under intermittent aeration, maintaining the recirculation ratio equal to 3. Four phases were then carried out continuously under intermittent aeration (aeration / time without aeration) of 2h/1h without glycerol, 3h/1h without glycerol, 2h/1h with glycerol, 3h/1h with glycerol. The addition of fermented glycerol occurred only during time without aeration. In all phases, the average COD effluent of the system ranged between 26±8 and 59±14 mg.L-1. Low removal efficiency of total nitrogen (as TKN) was verified in the phases without addition of the fermented glycerol, reaching 49.6±13.5% (2h/1h) and 29.2±10.1% (3h/1h). However, the efficiency of total nitrogen removal efficiency was higher when fermented glycerol was added during the non-aerated period, attaining 64.9±21.6% (2h/1h) and 69.5±11.7% (3h/1h). No phosphorus removal was observed in any of the previous phases in which the reactor was operated under continuous feeding. In order to verify the feasibility of fermented glycerol in the removal of N and P, the system was modified so that the LEAI reactor operated in sequential batch mode (SRB). At this stage of the research, the establishment of the phosphorus accumulating community in the system was observed and phosphorus removal efficiency attained 56.1±8.5%. The efficiency of total nitrogen removal also increased up to 86.2±6.2%. It was concluded that the fermented glycerol presents significant potential for use as an exogenous carbon source in the process of phosphorus and nitrogen removal. It can be also concluded that fixed bed reactors can remove phosphorus from wastewaters using fermented glycerol presenting compounds favorable to the development of phosphorus accumulating microorganisms (PAO). However, reactors subjected to continuous feeding and intermittent aeration do not promote good conditions for the establishment of stable phosphorus removal process. Nevertheless, the high efficiency of TKN oxidation, organic matter removal and denitrification, coupled with low solid production, show that SBRRIA is an interesting alternative for the post-treatment of anaerobic reactor effluents. However, when phosphorus removal is required, sequential batch reactor operation is the viable alternative.