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Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale. / O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

Renewable energy sources have been proposed as a viable option to mitigate the consumption and the dependence of fossil fuels. Among the available alternatives, lignocellulosic biomass has shown great potential for bioenergy generation, and biofuels as ethanol can be obtained by fermentation from sugars present in cellulosic and hemicellulosic fractions of biomass. However, for the efficient release of fermentable sugars during the enzymatic hydrolysis step, a pretreatment process is required to modify the material in its structure and composition. In this context, hydrodynamic cavitation (HC) was proposed in this work as a new and promising alternative for pretreatment of sugarcane bagasse. Firstly, the variables NaOH concentration, solid/liquid (S/L) ratio and HC process time were optimized in HC assisted pretreatment. In optimized conditions (0.48 mol/L of NaOH, 4.27% of S/L ratio and 44.48 min), high lignin removal (60.4%) and enzymatic digestibility of cellulose fraction (97.2%) were obtained. Based in those results, new variables (inlet pressure, temperature, alkali concentration) were included for evaluation in a second stage of the study aiming to reduce the HC pretreatment time. In this case, temperature and álcali concentration showed more significance on lignin removal and hydrolysis yield of carbohydrate fraction in pretreated biomass. No significant difference in pretreatment efficiency was observed in 20 and 30 min of process time in the best conditions (70 °C, 3 bar of inlet pressure and 0.3 mol/L of NaOH). The dimensionless cavitation number influence also was evaluated in two levels (0.017 and 0.048), resulting higher efficiency using low cavitation number which was obtained using orifice plate with 16 holes (1 mm of diameter). Using the last optimized conditions and lower temperature (60 °C instead 70 °C) in order to avoid the foam formation when black liquor is reused, other alkalis (Ca(OH)2, Na2CO3, KOH) were evaluated in combination with HC and compared to the use of NaOH. High enzymatic conversions of carbohydrate fraction were observed in biomass pretreated using KOH-HC and NaOH-HC; additionally, NaOH black liquor was reused in 10 sequential batches. The pretreated biomass using fresh and reused black liquor were mixed and used for simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) in interconnected column reactors, resulting in 62.33% of hydrolysis of total carbohydrate fractions and 17.26 g/L of ethanol production (0.48 g of ethanol/g of glucose and xylose consumed). Finally, the addition of oxidant agent (H2O2) in the alkali HC-process was optimized. In selected conditions (0.29 mol/L of NaOH, 0.78 % v/v of H2O2 and 9.8 min), 95,43% and 81.34% of enzymatic hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose fraction were achieved respectively, using 5% of solid loading (S/L) in the hydrolysis process. When packed bed flow-through column reactor using 20% of S/L was used, 74.7% cellulose hydrolysis yield was reached. Sugars present in hydrolysate were also fermented into ethanol in bubble column reactor resulting in a yield value of 0.49 g/g and 0.68 g/L.h of productivity. By analyzing the results as a whole, HC was shown as a promising technology to accelerate the pretreatment time under mild conditions, showing advantages as simplicity of system and possibility to application in industrial scale. / O uso de fontes de energia renováveis tem sido proposto como uma alternativa viável para reduzir o consumo e a dependência de combustíveis fósseis. Entre as alternativas disponíveis, a biomassa lignocelulósica apresenta grande potencial para geração de bioenergia, sendo que biocombustíveis como o etanol podem ser obtidos por fermentação a partir de açúcares presentes em suas frações celulósicas e hemicelulósicas. No entanto, para a liberação eficiente de açúcares fermentáveis na etapa de hidrólise enzimática, é necessário um processo prévio de pré-tratamento para modificar a estrutura e composição do material. Neste contexto, no presente trabalho a cavitação hidrodinâmica (CH) foi proposta como uma nova e promissora alternativa para o pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Em uma primeira etapa, as variáveis concentração de NaOH, relação sólido/líquido (S/L) e tempo de processo foram otimizadas no pré-tratamento assistido por CH. Em condições otimizadas (0,48 mol/L de NaOH, 4,27% de relação S/L e 44,48 min), elevados valores de remoção de lignina (60,4%) e digestibilidade enzimática da fração de celulose (97,2%) foram obtidos. Com base nesses resultados, novas variáveis (pressão à montante, temperatura e concentração de álcali) foram incluídas para avaliação em uma segunda etapa do estudo com o objetivo de reduzir o tempo de pré-tratamento com CH. Neste caso, a temperatura e a concentração de álcalis foram as mais importantes na remoção de lignina e influenciaram na hidrólise das frações carboidrato da biomassa pré-tratada. Não houve diferença significativa na eficiência do pré-tratamento em 20 e 30 minutos de tempo de processo nas melhores condições (70 ° C, 3 bar de pressão a montante e 0,3 mol/L de NaOH). A influência do adimensional -número de cavitação? também foi avaliada em dois níveis (0,017 e 0,048), resultando em maior eficiência usando o número de cavitação mais baixo, que foi obtido usando placa de orifício com 16 furos (1 mm de diâmetro). Usando estas condições otimizadas e menor temperatura (60 ° C ao invés de 70 ° C) para evitar a formação de espuma quando o licor negro é reutilizado, outros álcalis (Ca (OH)2, Na2CO3, KOH) foram avaliados em combinação com CH e comparados com o uso de NaOH. Conversões enzimáticas elevadas das frações carboidrato foram observadas em material pré-tratado utilizando KOH-CH e NaOH-CH; além disso, o licor negro de NaOH foi reutilizado em 10 bateladas sequenciais. As biomassas pré-tratadas com licor negro reutilizado e fresco foram misturadas e utilizadas em processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) em reatores de coluna interligados, resultando em 62,33% de hidrólise das frações carboidrato e 17,26 g/L de produção de etanol (0,48 g de etanol/g de glicose e xilose consumidos). Finalmente, a adição de agente oxidante (H2O2) no processo alcalino-CH foi otimizado. Nas condições selecionadas (0,29 mol/L de NaOH, 0,78% v/v de H2O2 e 9,8 min), 95,43% e 81,34% de rendimento de hidrólise enzimática das frações de celulose e hemicelulose, respectivamente, foram obtidos utilizando 5% de carregamento de sólidos (S/L) no processo de hidrólise. Quando foi utilizado reator de coluna de leito fixo com 20% de S/L, atingiu-se 74,7% de rendimento de hidrólise de celulose. Os açúcares presentes no hidrolisado também foram fermentados em etanol em um reator de coluna de bolhas, resultando em um valor de rendimento de 0,49 g/g e 0,68 g/L.h de produtividade. Analisando-se os resultados de uma forma global, demonstrou-se que a CH é uma tecnologia promissora para acelerar o tempo de pré-tratamento em condições amenas, mostrando vantagens como simplicidade do sistema e possibilidade de aplicação em escala industrial.

La présence excessive des phosphates est la cause de l’apparition du problème d’eutrophisation dans les eaux douces et responsable de la détérioration des écosystèmes aquatiques. Différents procédés de traitement des eaux (biologique, physico-chimique) permettent l’élimination des phosphates. L’objectif global de cette thèse est l’étude des mécanismes physico chimiques associés à la rétention des phosphates par sorption sur des produits d’oxydation de la limaille de fer micrométrique et le développement du procédé correspondant. Le choix de ce matériau réside dans sa disponibilité, son faible coût et l’absence de toxicité dans les conditions mises en oeuvre. Afin de pouvoir par la suite proposer un système de traitement opérationnel, dans un premier temps des séries d’expériences en batch ont été menées pour évaluer l’efficacité de la limaille de fer et ces sous-produits synthétisés pour l’élimination des phosphates. L’influence des conditions expérimentales (vieillissement ou phase de pré-conditionnement, concentrations en oxygène dissous, en nitrates, sulfates, matière organique, pH initial, force ionique, vitesse d’agitation) a été évaluée. En parallèle des caractérisations physico chimiques des solides ont été menées dans le but de déterminer la nature et les caractéristiques des sous-produits synthétisés. Dans un second temps, des études en réacteur continu ont été réalisées dans une démarche de complexité croissante pour comprendre le fonctionnement des colonnes garnies de sable/limaille de fer. Les sous-produits synthétisés et relargués en solution en conditions contrôlées (teneur en oxygène dissous ; vieillissement de 40h et 6j) ont montré une plus faible capacité de piégeage pour l’élimination des phosphates (2,3 à 3,8 mgP/gFe) en comparaison avec la capacité retenue par la totalité du système Fe0/sous-produits, dont les capacités ont pu atteindre 35 mgP/gFe. La durée de l’oxydation avant contact avec les phosphates (vieillissement) a une influence remarquable sur l’efficacité de la limaille de fer. Au-delà de 24h, plus le temps de vieillissement est grand, plus l’efficacité des sous-produits diminue, ce qui est expliqué par l’augmentation de la cristallinité des sous-produits de la limaille de fer, ces derniers étant moins réactifs que les formes amorphes. Cependant, une phase de pré-conditionnement d’une durée comprise entre 2h et 24h améliore nettement la rétention des phosphates par la limaille de fer car elle permet la génération d’une couche d’oxydes active en fonction du temps à la surface. Le contact direct de la limaille avec les phosphates, étant donné leur rôle dans la passivation, conduit à limiter la corrosion par la formation d’une couche de passivation compacte à la surface de la limaille de fer. La couche d’oxydes à la surface de la limaille de fer et les sous-produits relargués en solution sont formés par un mélange de lépidocrocite, maghémtite et /ou magnétite et des traces de goethite. Le mécanisme d’élimination des phosphates à la surface des sous-produits se base sur une adsorption spécifique par formation d’un complexe de sphère interne. La distribution des phosphates le long de la colonne a montré une forte dépendance de la concentration en oxygène dissous; elle évolue au cours du temps, elle est hétérogène en début d’expérimentation, puis devient homogène à saturation, avec une capacité maximale de 152 mgP/gFe dans les conditions opératoires appliquées ([P] = 20mg/L, [NaCl] = 0,01M, T° = 22°C, v = 0,12m/h). L’analyse du support solide a confirmé les résultats relatifs à la distribution des phosphates dans les réacteurs et a montré que les phosphates sont majoritairement associés aux fractions amorphes du fer. L’ensemble des résultats obtenus confirme l’intérêt d’utiliser la limaille de fer pour le traitement des phosphates dans les eaux. / The excessive presence of phosphate in water is the cause of the occurrence of the problem of eutrophication in freshwater represented by the deterioration of the aquatic ecosystem. Various water treatment processes allow the removal of phosphate (biological and physico-chemical). The global objective of this thesis is the study of the physico-chemical mechanisms associated with phosphate removal from water using iron byproducts synthesized from the oxidation of micrometric zero valent iron and the development of corresponding process. Zero valent iron was chosen for its availability, low cost, and the absence of toxicity under the conditions applied. In order to subsequently propose an operational processing system, firstly a series of batch experiments were conducted to evaluate the efficacy of iron filings and its by-products synthesized for the elimination of phosphate. The influence of experimental conditions (aging or pre-conditioning phase, dissolved oxygen, nitrates, sulfates, organic matter, initial pH, ionic strength, stirring rate) was studied. In parallel physico-chemical characterizations of the solid were conducted in order to determine the nature and characteristics of synthesized byproducts. Secondly, continuous reactor studies were conducted in an increasingly complex approach in order to understand the behavior and performance of the columns packed with sand/ZVI. The synthesized byproducts flaked into the solution (under controlled conditions of oxygen and aging time 40h, 6g) showed a lower capacity trapping for phosphate removal (2.3 to 3.8 mgP/gFe) compared to phosphate removal capacity of the entire system Fe0/by-products, whose capacity can reach 35 mgP/gFe. The oxidation phase prior to the contact with phosphate (aging time) has a remarkable influence on the efficiency of iron filings. Beyond the preconditioning phase of 24 hours, as aging time increases, the efficiency of the byproducts decreases, which is explained by the increases of the crystallinity of the by-products over time, as being less reactive than amorphous forms. However, the pre-conditioning time between 2h and 24 hours improves clearly the retention of phosphate by ZVI as this phase allows the synthesis of an active oxide layer. Direct contact between the iron fillings and phosphate, taking into account their role in the passivation, leads to a limitation of the corrosion by forming a compact passive layer at the surface of ZVI. The oxide layer at the surface of ZVI and the byproducts flaked off to the solution are formed by a mixture of lepidocrocite, maghemtite and/or magnetite and traces of goethite. The phosphate removal on the surface of the byproducts is based on a specific adsorption by forming an inner sphere complex. The reactivity in the columns showed a strong dependence on the presence and the concentration of oxygen; the decrease in phosphate retention along the column, evolves over time from heterogeneous towards a homogeneous trapping of P with a maximum capacity of 152 mgP/gFe in the applied process conditions ([P] = 20mg / L, [NaCl] = 0.01 M, T = 22 ° C, v = 0.12M / h). The solid support analysis also confirmed the results related to the distribution of phosphate along the reactors, and showed that phosphate are predominantly associated with amorphous iron fractions.The overall results confirm the interest of using iron filings for the treatment of phosphate in water.

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A produção de biocombustíveis de segunda geração está entre os temas mais pesquisados atualmente. Entre estes, a obtenção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar é de grande interesse nacional, considerando-se a abundância desta matéria-prima no país e a possibilidade de incremento na produção deste álcool sem necessidade de expansão da área plantada. Sob o ponto de vista de produção industrial, no entanto, é fundamental o desenvolvimento de trabalhos visando ao estudo de alternativas de processos e biorreatores susceptíveis de ampliação de escala. Estratégias como sacarificação e fermentação/cofermentação simultâneas (SSF/SSCF) têm sido estudadas e têm como vantagens a intensificação do processo pela redução do custo de investimento e minimização de problemas de inibição de enzimas por produtos. No entanto, neste caso, geralmente o uso de condições não otimizadas (temperatura) para cada passo biológico é desvantajoso. Com o objetivo de superar essa desvantagem, avaliou-se o uso de reatores de coluna interconectados para a produção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar empregando células de Scheffersomyces shehatae imobilizadas em alginato de cálcio em sistema SSCF. O bagaço foi previamente pré-tratado por processo alcalino e alcalino assistido por cavitação hidrodinâmica. Experimentos em SSCF em batelada foram realizados usando duas colunas interconectadas. Uma delas (para hidrólise) foi mantida a 50ºC e carregada com bagaço pré-tratado e a outra coluna (para fermentação) foi mantida a 30°C e carregada com células imobilizadas. Meio contendo preparação comercial de celulases e nutrientes para o micro-organismo foi recirculado entre as colunas. Os efeitos da vazão de recirculação e carga enzimática foram avaliados usando planejamento estatístico como ferramenta. Dados iniciais de hidrólise enzimática em reator de coluna mostraram elevada taxa de reação no início do processo, com redução desta ao longo da hidrólise devido à recalcitrância crescente do material residual à ação enzimática. Os resultados obtidos no planejamento estatístico mostraram que a carga enzimática foi a variável mais influente no processo, embora a vazão de recirculação e a interação entre as variáveis também tenham apresentado efeitos significativos. As condições selecionadas corresponderam a uma vazão de recirculação de 14 mL/min e carga enzimática de 15 FPU/g e os experimentos nestas condições resultaram em valores de fator de rendimento (Yp/s) de 0,493 g/g, produtividade volumétrica de 0,469 g.L-1.h-1 e eficiência de 96,58%. Além disso, nestas condições, 70,72±1,32 % da celulose presente inicialmente no material e 56,37±0,76 % da hemicelulose foram hidrolisadas. O sistema mostrouse adequado para realização do processo SSCF, com potencial para ser utilizado para intensificação da produção de etanol 2G em biorrefinarias. / Currently, the production of second generation biofuels is one of the most researched topics. Among these, the ethanol obtained from sugarcane bagasse is of great national interest, considering the abundance of this raw material in the country and the possibility of increasing the production of this alcohol without the need of expanding the crop area. From viewpoint of industrial production, however, the development of studies of process alternatives and bioreactors adequate for scale up is fundamental. Strategies as saccharification and simultaneous fermentation/cofermentation (SSF/SSCF) have been studied and have as advantages the intensification of the process by reducing the cost of investment and minimizing problems of inhibition of enzymes by hydrolysis products. However, in this case, generally the use of non-optimized conditions (temperature) for each biological step is disadvantageous. In order to overcome this drawback, the use of interconnected column reactors for the production of ethanol from sugarcane bagasse was evaluated using calcium alginate immobilized cells of Scheffersomyces shehatae in SSCF system. The bagasse was previously pretreated by alkaline and hydrodynamic cavitation-assisted alkaline process. Batch experiments of SSCF were performed using two interconnected columns. One of them (for hydrolysis) was kept at 50 ° C and loaded with pre-treated bagasse and the other column (for fermentation) was kept at 30 ° C and loaded with immobilized cells. Medium containing comercial preparation of cellulases and nutrients for the microorganism was recirculated between the columns. The effects of recirculation flow and enzymatic loading were evaluated using statistical design as a tool. Initial data on enzymatic hydrolysis in a column reactor showed a high reaction rate at the beginning of the process, with a reduction in the hydrolysis rate along the process due to the increasing recalcitrance of the residual material to the enzymatic action. The results obtained in the statistical design showed that enzymatic loading was the most influential variable in the process, although the recirculation flow rate and the interaction between the variables also had significant effects. The selected conditions corresponded to a recirculation flow rate of 14 mL/min and enzyme loading of 15 FPU/g and the experiments carried out under these conditions resulted in yield factor (Yp/s) values of 0.493 g/g, volumetric productivity of 0.469 gL- 1.h-1 and fermentation efficiency of 96.58%. Moreover, under these conditions, 70.72±1.32 % of the cellulose initially present in the material and 56.37±0.76 % of the hemicellulose were hydrolyzed. The system proved to be adequate to perform the SSCF process, with potential to be used to intensify the production of 2G ethanol in biorefineries.

Continental margin sediments play an important role in marine biogeochemical cycles, partly due to high primary production rates and efficient export of organic matter to sediments in margin environments. This thesis presents studies of solute exchange in fine-grained sediments representative of slope and rise environments, and carbon and nitrogen cycling in sandy sediments dominant in continental shelves worldwide. Results of these studies advance understanding of the role of benthic processes on marine ecosystems. In fine-grained sediments, solute exchange by diffusion, biological mixing and bioirrigation can be quantified using in situ flux chambers with inert tracer additions. Mechanistic models of chamber tracer transport across the seabed indicate that in organic-rich sediments, bioirrigation and mixing dominate over a wide range of bottom water oxygen levels, reflecting the patchiness and versatility of benthic macrofaunal communities. Positive correlations between benthic oxygen and tracer fluxes appear site-specific. Reliable chamber volume estimates derived from mechanistic models reveal that empirical fits to chamber tracer datasets may overestimate chamber volume and benthic solute fluxes. The biogeochemistry of sandy, highly permeable sediments that dominate continental shelves is largely unknown because of the difficulty in sampling and studying them under natural conditions. Novel sediment reactors were developed and used to mimic in situ porewater advection and natural sedimentary conditions. Compositional changes of natural seawater, with and without the addition of