Baigiamajame magistro darbe yra nagrinėjamos nuotekų dumblo susidarymo ir tvarkymo problemos, analizuojamos nuotekų dumblo apdorojimo ir panaudojimo žemės ūkyje galimybės. Kaip praktiškas, finansiškai optimalus, techninių reikalavimų nekeliantis nuotekų dumblo apdorojimo būdas yra pateikiamas vermikompostavimas. Darbe analizuojama vermikompostavimo technologija, nagrinėjama jos panaudojimo galimybė Lietuvoje, apžvelgiama užsienio šalių patirtis. Darbe pateikiami atlikti sunkiųjų metalų (Cr, Cd, Ni) pašalinimo ir jų bioakumuliacijos Kalifornijos sliekuose tyrimai. Yra pateikiama eksperimentinių tyrimų metodika. Taip pat pateikiami eksperimento, kuriuo siekiama nustatyti sunkiųjų metalų pašalinimą ir jų bioakumuliaciją Kalifornijos sliekuose, rezultatai ir analizė. Pateikiami atliktų bendrųjų kokybinių nuotekų dumblo vermikomposto parametrų tyrimų rezultatai. Sudarant empirines formules, nustatomas dėsnis, pagal kurį vyko vermikompostavimo procesas. Nustatomas optimali laiko trukmė, per kurią bioakumuliuojama daugiausiai sunkiųjų metalų. Išnagrinėjus tyrimų rezultatus yra pateikiamos išvados ir rekomendacijos. Baigiamąjį magistro darbą sudaro 8 dalys: įvadas, nuotekų dumblo tvarkymo metodų ir ir vermikompostavimo procesų apžvalga, sunkiųjų metalų koncentracijos kaitos vermikompostuojant nuotekų dumblą tyrimo metodika, rezultatų dalis, sunkiųjų metalų koncentracijos kaitos ir bioakumuliacijos vermikompostuojant nuotekų dumblą matematinis modeliavimas, bendrosios išvados... [toliau žr. visą tekstą] / The problems of sewage sludge formation and management are investigated in the Master‘s thesis, sewage sludge treatment and use in agriculture is analyzed as well. As a practical, financial attractive sewage sludge treatment method is given vermicomposting, as having low-technical needs. There is a technology of vermicomposting analyzed in a work as well as its applicability in Lithuania. Also an experience of vermicomposting in other foreign countries is investigated. The research of removal of heavy metals (Cr, Cd, Ni) and their bioaccumulation in Californian earthworms is presented in the work. A methodology of the research is given. Results and their analysis of the research of removal of heavy metals and their bioaccumulation in Californian earthworms is presented. Results of a qualitative parameters of vermicomposted sewage sludge is given. When forming empirical formulas a vermicomposting process‘ law is generated using MathCad computer program. An optimal time is determined, during which the vermicomposting process proceeded. The conclusion and recommendation were made after the literature review and analysis of research results. The thesis consists 7 parts: introduction, a review of sewage sludge treatment methods and process of vermicomposting, the methodology of heavy metals (Cr, Cd, Ni) concentration and bioaccumulation in Californian earthworms research, results, the mathematical modelling of heavy metals (Cr, Cd, Ni) concentration and bioaccumulation in... [to full text]

Les plantes prélèvent des ressources dans leur environnement. Elles sont également exposées à de nombreux signaux, dont des molécules qui modifient profondément leur comportement et leur morphologie. La prédiction des flux de nutriments du sol vers la plante requiert une intégration de la régulation des flux par les signaux qui déterminent la cinétique des adaptations des plantes. Au cours de cette thèse, différentes approches expérimentales et analytiques (split-root, marquage isotopique, analyse racinaire) ont permis d’étudier le couplage signaux-flux dans les interactions entre plantes, microorganismes et vers de terre. Nous avons démontré dans un premier temps, que les vers de terre ont un effet systémique sur la croissance et le développement des plantes (Hordeum Vulgare L. et Oryza sativa L.) et que cet effet est dépendant de l’abondance des vers. Un travail méthodologique d’optimisation du dispositif split-root (séparation des racines d’une même plante entre deux compartiments) nous a permis d’améliorer la survie des plantes (Brachypodium distachyon L.) et leur émission de racines. Ce dispositif a été utilisé pour déterminer l’importance de la présence de turricules et de leur localisation spatiale sur le prélèvement d’azote par la plante. L’absence d’effet observé au cours de cette expérimentation nous a conduits à aborder les mécanismes pouvant survenir en présence de vers selon leur dimension temporelle. Nous avons ainsi démontré qu’une proportion importante de turricules entraîne une adaptation du système racinaire seulement lorsque la plante y est exposée pendant une durée suffisante. Ces résultats sont la première démonstration que la cinétique des différents mécanismes ayant lieu dans les turricules est déterminante pour expliquer l’effet positif des turricules sur la croissance des plantes / Plants take up resources in their environment. They are also exposed to many signals, including molecules that profoundly alter their behavior or morphology. The prediction of the flow of nutrients from the soil to the plant requires an integration of flux regulation by signals which determine the kinetics of plant adaptations. During this thesis, different experimental and analytical approaches (split-root, isotopic labeling, root analysis) allowed us to study the coupling between signals and flows in the interactions between plants, microorganisms and earthworms. We first demonstrated that earthworms have a systemic effect on the growth and development of plants (Hordeum Vulgare L. and Oryza sativa L.) and that this effect is dependent on the abundance of earthworms. A methodological study aiming at optimizing the split-root device (the sharing of roots of a single plant into two compartments) helped us to improve plant (Brachypodium distachyon L.) survival and their emission of roots. This experimental set up was used to determine the importance of the presence of casts and their spatial localization on the N uptake by the plant. The lack of effect observed during this experiment lead us to address the mechanisms that may occur in the presence of worms according to their temporal dynamics. We then demonstrated that an important proportion of casts was responsible for root system adaptation only when the plant was exposed to casts for a sufficient period of time. These results are the first demonstration that the kinetics of the different mechanisms occurring in casts is crucial to explain the positive effect of casts on plants growth

Earthworm-microbial interactions with emphasis on the passage effects of Eisenia spp. on microbial community were investigated. The study was focused on earthworm potential to regulate functional microbiota in cattle-impacted soils. Microbial communities were studied through a combination of polar lipid analyses, molecular, and culturing methods.

Le travail de recherche mené au cours de cette thèse a permis de mettre en place le modèle MOSST, un modèle de structure du sol basé sur des voxels et en 3D. Le sol simulé est séparé en trois niveaux : (i) celui des voxels qui sont la plus petite échelle prise en compte dans le modèle ; c'est aussi au niveau des voxels qu'est stockée l'information relative à la structure du sol, chaque voxel possède un état qui correspond à un composant du sol : ex. vides, solides, matières organiques; (ii) celui des pièces qui sont des cubes de 40 voxels de coté et (iii) celui du bloc de sol qui représente (taille et forme) l'ensemble de l'environnement simulé. Pour pallier aux contraintes du stockage informatique de la structure du sol, un système d'encodage a été mis en place ainsi qu'un système de chargement dynamique de la structure qui permet de charger et décharger une partie de la structure virtuelle. Ce modèle à la particularité de pouvoir être initialisé à partir d'images 3D, issues de la tomographie aux rayons X, ce qui permet d'initialiser un sol virtuel avec une structuration réelle. Le modèle MOSST a été conçu pour être le plus générique possible permettant ainsi son adaptation et son évolution en fonction des agents structurants associés. Un premier couplage a été réalisé avec un modèle d'agent ver de terre qui permet de simuler la production de déjections et le creusement de galeries par les vers de terre anéciques et endogés. Ce modèle d'agent ver de terre apporte une innovation importante : un système de gestion des galeries qui guide les vers lorsqu’ils creusent. Il simplifie aussi l’implémentation des anéciques et empêche les agents vers de terre d'avoir des comportements non réalistes tels que recreuser dans leurs propres galeries. Une analyse de sensibilité de ce modèle, a démontré l'importance de la vitesse de creusement dans la simulation de l'activité de bioturbation des vers. Une première calibration a été réalisée à l'aide des données issues de la littérature complétées par des données issues d’une étude en microcosmes sur l'activité de bioturbation de trois vers de terre endogés (A. caliginosa, A. chlorotica, A. icterica). Nous avons montré que A. chlorotica peut être assimilée à une espèce épi-endogée en lien avec son activité principalement localisée sur les premiers centimètres de sol tandis que la bioturbation de A. icterica correspond à celle d’un endogé strict. Afin de rendre compte de l'impact d'outils de travail du sol sur la structure, une expérience en plein champ nous a permis de préciser l’évolution de la structure du sol, au cours des étapes de semis dans un système en labour. Le labour entraîne une augmentation de la porosité, la reprise de labour une décroissance rapide de la porosité jusqu’à environ 5-7 cm et un tassement des couches plus profondes par rapport à la situation post-labour. / We built up the model MOSST, a MOdel of Soil STructure in 3-dimensional and based on voxels. In this model, soil is split in three levels : (i) the voxel one, voxel is a cube that represents the smallest simulated feature. Every voxel holds a state that corresponds to a soil element, e.g. organic matter, void, solid, etc; (ii) the piece level, pieces are cubes of 40 voxels side; (iii) soil block one which gives the shape and size of the simulated environment. To overcome memory constraints while large soil structures are simulated, an encoding of the pieces and a system to dynamically load and unload parts of the environment were implemented. One of the interesting features of MOSST is that it can be initialized using 3D images, e.g. from X-ray tomography, and thus be initialized with a real structuring. MOSST was built in order to be as generic as possible and therefore it may be coupled and adapted to numerous structuring processes. A first coupling was done with a model of earthworm agents which simulates the burrowing and cast production of anecic and endogeic earthworms. This model introduces an innovating system to manage burrow paths which simplifies anecic earthworm implementation and forbids some impossible behaviours such as to burrow inside an existing burrow. A sensitivity analysis of this model showed that earthworm's burrowing speed is a main factor affecting their bioturbation. A first calibration was performed using data available in the literature and data from a study in microcosms on three endogeic earthworms bioturbation (A. caliginosa, A. chlorotica, A. icterica). It was shown that A. chlorotica holds an epi-endogeic behaviour because it bioturbates the soil mostly in the top few centimetres whereas A. icterica has a true endogeic behaviour. To account for tillage impact on soil structure, a field experiment was performed in order to compare soil structure development during tillage steps in a ploughed system. Ploughing led to an increase in soil macroporosity, sowing combined with a rotary harrowing led to a sharp decline in soil macroporosity to a depth of 5-7 cm with a macroporosity deeper in the soil which is smaller than after ploughing. A comparison of soil structure was performed after sowing in three tillage systems : ploughing (P), superficial tillage (ST) and direct seedling (DS). Soil macroporosity was the lowest in DS and was the same within the first 7 cm in P and ST. Deeper in the soil ST is less porous than P. The work carried out is the foundation of a model that aims at simulating soil structure dynamics in various farming practices. The coupling of MOSST with new structuring agents such as compaction due to tillage or root growth is now needed to improve the model. The acquisition of new data is also needed to improve the model of earthworm bioturbation.

Proteomic techniques were used to evaluate the protein profile of the earthworm, (Lumbricus terrestris), following a bacterial challenge. One control group received no injection; a second control group received injections of phosphate buffer solution (PBS). The experimental group received injections of PBS containing (Aeromonas hydrophila). After incubation for 12 hours at 20°C, coelomic fluid was collected from each group for analysis by 2-D electrophoresis. There were significant differences in spot appearance and density between control and experimental groups. Sixteen spots showed a two-fold increase in density and 63 showed at least a two-fold decrease in density between samples from control and bacteria-challenged earthworms, respectively, suggesting up- and down-modulation of proteins potentially involved in the earthworm's response to bacterial challenge.

L’évaluation du risque liée à l’utilisation des pesticides pour les invertébrés du sol est aujourd’hui réalisée à l’aide de l’espèce modèle E. fetida via l’utilisation de tests ecotoxicologiques standardisés (ISO et OCDE) sur la mortalité ou la reproduction. Ces deux points mériteraient d’être révisés puisque (i) l’espèce modèle est rarement présente dans les agroécosystèmes où les pesticides sont majoritairement utilisés, (ii) les tests réalisés sont peu réalistes et leur analyse statistique de type ad hoc ne permet aucune extrapolation dans le temps ou à des niveaux d’organisation supérieurs. Ainsi, une nouvelle espèce modèle a été proposée: Aporrectodea caliginosa. De plus, dans l’objectif d’analyser les effets ecotoxicologiques des pesticides sur cette espèce, un modèle bioénergétique a été proposé et calibré. Ensuite, les effets écotoxicologiques de deux formulations commerciales de pesticide, couramment utilisées en Europe, ont été évalués sur l’ensemble du cycle de vie (mortalité, comportement, reproduction, croissance). Les données de croissance ont été analysées à l’aide du modèle bioénergétique couplé à un modèle toxicocinétique. Ces analyses ont apporté une compréhension mécanistique des effets et ont permis l’estimation de valeurs seuils (les concentrations sans effet, CSE), indépendantes du temps d’exposition. Enfin, dans un objectif d’évaluation intégrée de l’usage des pesticides, il a été mis en évidence que la présence des vers de terre atténuait les effets des pesticides sur les communautés microbiennes des sols, responsables de la dégradation de la matière organique. L’ensemble des résultats pourra être utilisé, au-delà de la thèse, pour calibrer un modèle de dynamique des populations spatialisé de type individu centré (IBM). Ce type de modèle pourra être utilisé en évaluation du risque, pratiquée par les industriels et les agences d’évaluation. / Pesticide risk assessment for soil invertebrates is currently performed using the earthworm model species Eisenia fetida through the use of standardized ecotoxicological tests (ISO and OECD) on mortality or reproduction. These two points should be revised since (i) the model species is rarely found in agroecosystems where pesticides are used, (ii) the tests performed are unrealistic and their statistical analysis does not allow any extrapolation in time or at higher organizational levels (population). Thus, after a thorough reading of the literature, a new model species has been proposed: Aporrectodea caliginosa. In addition, in order to analyze the ecotoxicological effects of pesticides on this species, an energy-based model has been calibrated. Then, the ecotoxicological impacts of two commercial pesticide formulations, commonly used in Europe, were assessed on the entire life cycle (mortality, behavior, reproduction, growth). The growth data were analyzed with the energy-based model coupled with a toxicokinetic model. These analyzes provided a mechanistic understanding of the effects and the estimation of non-time-dependent threshold values (The no effect concentrations, NEC). Finally, for the purpose of an integrated pesticide risk assessment, it has been demonstrated that earthworms mitigate pesticide effects on soil microbial activity, involved in the soil organic matter degradation. All of the results are intended to be used, beyond the thesis, for the calibration of a spatialized population dynamics model with an Individual-based model approach (IBM). This model could be use in risk assessment, as performed by industrials and risk-assessment agencies.

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Thesis (PhD (Botany and Zoology))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The use of organophosphate pesticides is still an integral part of commercial farming activities and these substances have been implicated as a major source of environmental contamination in South Africa. Evidence exists that many non target animals in and around agricultural areas are at risk of being affected due to the mobile nature of pesticides and the intermittent nature of pesticide application. The extent to which non-target animals are affected by exposure to two organophosphates (azinphos-methyl and chlorpyrifos) was investigated through monitoring selected biomarker responses and life cycle effects under laboratory conditions in two selected test species. A representative species from both the aquatic and terrestrial environment was used as these two compartments of the environment are inevitably linked due to the mobility of pesticides from the area of application to surrounding areas. The earthworm Eisenia fetida was used as test organism in the terrestrial environment while the fish Oreochromis mossambicus served as representative of the aquatic environment. Juvenile life stages of both species were subjected to standard acute toxicity tests which showed that for both species, juvenile life stages were more sensitive to both pesticides than adults. It was also illustrated that azinphos-methyl is more toxic than chlorpyrifos to both species. Both test species were also subjected to an intermittent exposure regime in order to assess the effects of repeated pesticide application on biomarker, life-cycle and behaviour responses. The results indicated that for similar exposure regimes, azinphos-methyl was more toxic to E. fetida than chlorpyrifos and detrimentally affected all endpoints investigated. The present study suggests that exposure concentration may have a more pronounced effect in inducing a toxic response than exposure interval, irrespective of the pesticide used. In addition to this, E. fetida was unable to avoid the presence of these pesticides in soil, even at concentrations as high as 50% of the LC50 value, indicating that the presence of pesticides in the soil pose a realistic threat to earthworms and other soil dwelling organisms. Biomarker responses, morphological effects and feeding behaviour was assessed for O. mossambicus and similar to the terrestrial toxicity experiments, there was evidence to suggest that in the case of an intermittent exposure scenario, azinphos-methyl was more hazardous than chlorpyrifos to this species. For the majority of endpoints that were investigated, it appeared that exposure interval played a more important role in inducing an effect than exposure concentration. At a shorter exposure interval, the majority of endpoints showed no difference between higher and lower exposure concentrations, while at a longer exposure interval the effects of exposure concentration became evident. In addition, feeding behaviour was affected by pesticide exposure in a dose-dependent manner. The present study yielded important results that improve the understanding of biological impacts of pesticide pollution on the environment. This can aid in optimising farming practices such as pesticide application not only in terms of eradicating the pest organisms, but also in terms of mitigating the environmental effects associated with large-scale pesticide use, thereby ensuring sustained biodiversity in these areas. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gebruik van organofosfaat plaagdoders is ‘n integrale deel van kommersiële landbou aktiwiteite maar hierdie middels is ook ‘n prominente bron van omgewingsbesoedeling in Suid-Afrika. Daar is bewys dat verskeie nie-teiken diere in en om landbouareas geaffekteer word weens die nie-statiese aard van plaagdoders in die omgewing, sowel as die herhalende aard van plaagdodertoediening. Die graad waartoe nie-teiken diere geaffekteer word deur die plaagdoders azinphos-metiel en chlorpyrifos is ondersoek deur die monitering van verskeie biomerkerresponse en lewenssiklus-effekte in geselekteerde toetsspesies binne ‘n beheerde laboratoriumomgewing. ‘n Verteenwoordigende spesie van beide die akwatiese en die terrestriële omgewing is gebruik aangesien hierdie twee dele van die omgewing onlosmaaklik verbind is weens die beweging van plaagdoders vanaf die area van toediening na omringende areas. Die erdwurm Eisenia fetida is gekies as toetsorganisme vir die terrestriële omgewing en die varswatervis Oreochromis mossambicus het gedien as verteenwoordigende spesie vir die akwatiese omgewing. Onvolwasse diere van beide spesies is onderwerp aan standaard akute toksisiteitstoetse en daar is gevind dat, vir beide spesies, onvolwasse diere meer sensitief vir die betrokke plaagdoders is as volwasse diere. Dit is ook gevind dat azinphosmetiel giftiger is as chlorpyrifos vir beide spesies. Beide toetsspesies is ook onderwerp aan ‘n chroniese blootstellingsregime om die effek van herhaalde plaagdodertoediening op biomerker-, lewenssiklus- en gedragsresponse te ondersoek. Die resultate van die herhaalde blootstelling het aangedui dat vir soortgelyke blootstellingsregimes, azinphos-metiel giftiger is as chlorpyrifos vir E. fetida en dat beide middels alle eindpunte wat ondersoek is, nadelig affekteer. Die huidige studie toon ook bewyse dat blootstellingskonsentrasie ‘n meer prominente effek as blootstellingsinterval kan hê in die teweegbringing van ‘n toksiese respons. Verder was E. fetida nie in staat om die teenwoordigheid van die plaagdoders in grond te vermy nie, self nie by konsentrasies so hoog as 50% van die LC50 waarde nie. Laasgenoemde resultaat dui dus aan dat die aanwesigheid van plaagdoders in die grondomgewing ‘n realisitese bedreiging inhou vir erdwurms en ander grondorganismes. Soortgelyk aan die terrestriële toksisiteitseksperimente, was daar getuienis vir die verhoogde toksisiteit van azinphos-metiel relatief tot chlorpyrifos vir O. mossambicus. Dit blyk dat blootstellingsinterval ‘n meer prominente rol as blootstellingskonsentrasie speel in die teweegbringing van effekte vir die meerderheid van die eindpunte wat ondersoek is. In die geval van ‘n korter blootstellingsinterval het die meerderheid van eindpunte wat ondersoek is geen verskille getoon tussen ‘n hoër en ‘n laer konsentrasie nie, terwyl met ‘n langer blootstellingsinterval daar ‘n aanduiding was dat blootstellingskonsentrasie ‘n meer prominente rol gespeel het. Verder is gevind dat voedingsgedrag in O. mossambicus geaffekteer is op ‘n konsentrasie verwante manier. Die huidige studie toon resultate wat ‘n belangrike bydrae kan lewer tot die begrip van die biologiese impakte van organofosfaat plaagdoders op die omgewing. Die resultate kan gebruik word vir die optimisering van boerderypraktyke soos plaagdodertoediening, sodat laasgenoemde effektief is vir die beheer van pes-organismes, maar ook die impakte van grootskaalse plaagdodertoediening kan minimaliseer en sodoende die biodiversiteit binne hierdie areas sal beskerm.

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