Made available in DSpace on 2016-12-08T15:50:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PGCS12DA031.pdf: 1064353 bytes, checksum: 3650d4bc597fa05d242856c40e92363a (MD5) Previous issue date: 2012-05-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In soils of low fertility and commonly not fertilized, it is assumed that during the development of forest species, stands they can absorb less labile forms of nutrients. This situation implies on more specific soil analysis because the classical methods estimate only the readily available nutrients, difficulting the diagnosis of soil fertility and fertilizer recommendation for forests. The objective of this study was to analyze labile and non-labile forms of carbon (C), phosphorus (P), potassium (K), calcium (Ca) and magnesium (Mg) of soil in forests of Pinus taeda in the first rotation (17 years of cultivation) and third rotation (49 years of continuous pine cultivation) in different soil layers up to 80 cm depth. The relative content of soil carbon in fulvic acid decreased from first to third rotation and humic acids increased from first to third rotation, indicating that with the increase of time use with forests, there is the transformation of more labile carbon in more stable forms. These results show that the total organic carbon may not be a good indicator of the changes in the soil carbon dynamics under pine forests, and that fractions of organic matter may be more reliable. With time, the moderately labile inorganic P acted as a sink of soil P, increasing its levels from first to third rotation, while the labile inorganic (Pi-Pi-RTA and NaHCO3) and labile organic (Po-NaHCO3) acted as a source of P, suggesting that the analysis of available P in soils under pine forests should take into account these fractions. The soil on older use with pine forest showed lower levels and stocks of K, Ca and Mg and non-exchangeable Ca and K. Both, P, K and Mg showed great reserve in non-labile forms that may be available in the long term, unlike Ca, which showed labile and total concentrations too low. Thus, while the available forms of P, K and Mg could be replenished by other forms of these nutrients in the soil, regardless of replenishment through fertilization, the export of Ca by wood without its replacement may drastically limit the Ca supply for next pine rotations / Em solos de baixa fertilidade e comumente não fertilizados, supõe-se que as espécies florestais podem absorver formas menos lábeis de nutrientes que são disponibilizados ao longo da rotação florestal. No entanto a avaliação desta situação é complexa, pois os métodos clássicos estimam apenas os teores prontamente disponíveis, dificultando o diagnóstico da fertilidade do solo e a definição da necessidade de adubação. O objetivo deste trabalho foi analisaros teores e estoques de diferentes formas decarbono, fósforo, potássio, cálcio e magnésio do solo em florestas de Pinus taeda L. em primeira rotação (17 anos de cultivo) e terceira rotação (49 anos de cultivo sucessivo) em diferentes camadas do solo até 80 cm de profundidade. O solo em terceira rotação teve seu conteúdo relativo de carbono em ácidos fúlvicos menor e o de ácidos húmicos maior, quando comparado à floresta em primeira rotação, indicando que com o aumento do tempo de uso com florestas há a transformação de formas mais lábeis de carbono em formas mais estáveis. Os teores totais não são bons indicadores de modificações do C na superfície do solo e as frações da matéria orgânica podem ser utilizadas para diagnosticar a dinâmica da matéria orgânica do solo em florestas de Pinus. A fração de P inorgânico moderadamente lábil (Pi-NaOH) foi 47% maior na floresta em 3ª rotação de Pinus, enquanto as frações inorgânicas lábeis (Pi-RTA e Pi-NaHCO3) e orgânicas lábeis (Po-NaHCO3) foram maiores nos solos sob primeira rotação, sugerindo a existência de uma modificação das formas de fósforo e que, diferentes formas desse nutriente podem contribuir com a disponibilidade de P em solos sob florestas de Pinus. A floresta há mais tempo cultivada com Pinus taeda apresentou menores teores e estoques de K trocável (extraído por NH4OAc.), Ca e Mg trocáveis (KCl), K não-trocável (HNO3) e de Ca semi-total (Água régia). Tanto o P como o K e Mg apresentaram grande reserva em formas não lábeis (ou não trocáveis e semitotais) que poderão vir a ser disponibilizadas em longo prazo, diferentemente do Ca, que apresentou teores lábeis e totais muito baixos. Assim, enquanto as formas disponíveis de P, K e Mg poderiam ser reabastecidas por outras formas destes nutrientes no solo, independente de reposição via fertilização, a exportação sem nenhuma reposição de Ca poderá limitar drasticamente a disponibilidade deste nutriente no solo

Le nombre important de sites contaminés au Québec (Canada) et partout dans le monde est une problématique de santé publique majeure en raison des risques toxicologiques qu’ils présentent pour la santé humaine et environnementale. Dans la municipalité de Varennes (Québec, Canada), située sur la rive sud de l'Île de Montréal, les activités d’une ancienne usine pétrochimique (Pétromont Inc.) ont conduit à l’accumulation de concentrations modérées à élevées d’éléments traces métalliques (ETMs), de biphényles polychlorés (BPCs), d’hydrocarbures pétroliers aliphatiques (C10-C50) et d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sur les terrains de la compagnie. En 2010, une culture intensive de saule sur courtes rotations (CICR) a été établie sur le site, afin d’y conduire une expérience de phytoremédiation à grande échelle. Bien que cette plantation de Salix miyabeana ait été implantée dans une optique d'assainissement, aucun effet significatif n'a été signalé sur la concentration des contaminants du sol au cours des premières années de croissance. Les processus d'assainissement basés sur l’utilisation de végétaux peuvent être difficiles à prévoir en milieux naturels et nécessitent des améliorations afin d'en augmenter leur efficacité. La fertilisation des sols avec des amendements organiques, ainsi que la manipulation du microbiome végétal, sont deux techniques agronomiques couramment utilisées pour la gestion des cultures traditionnelles, afin d’augmenter la production de biomasse et améliorer la santé générale des végétaux. Ces approches peuvent également influencer la mobilité et la biodisponibilité de certains composés du sol. Puisque de telles modifications sont connues pour avoir le potentiel d’améliorer considérablement l’efficacité des végétaux à éliminer ou à transformer certains contaminants du sol, ces deux techniques agronomiques présentent un intérêt grandissant dans le domaine de la phytoremédiation. Cette recherche doctorale vise donc à améliorer les connaissances scientifiques dans le domaine de la phytoremédiation appliquée à grande échelle en abordant certains aspects qui touchent à ces deux approches agronomiques. En utilisant la plantation de saules déjà établie, une première étude a été réalisée afin d’évaluer l’impact d’un amendement de sol organique sur l’efficacité phytoremédiatrice des deux cultivars de saules (‘SX61’ et ‘SX64’). À l’intérieur de cette plantation, le sol de certaines parcelles expérimentales a été recouvert de bois raméal fragmenté (BRF) de saules, combiné, ou non, avec du substrat de champignons épuisé (SCE) de Pleurotus ostreatus. Après trois saisons de croissance, les résultats ont montré que l’ajout de SCE au BRF n’avait eu aucun effet sur la croissance des saules, ainsi que sur leur efficacité à extraire ou à réduire la concentration des contaminants présents sur le site. Les résultats suggèrent néanmoins que le BRF contribue à immobiliser certains HAPs dans le sol, en plus d’augmenter l’efficacité des saules à phytoextraire le Zn. La présence de saules semble avoir réduit de façon significative l’atténuation naturelle des C10-C50 sur le site. De plus, les concentrations de BPCs, de Cd, de Ni et de dix HAPs, ont montré des oscillations saisonnières, ce qui suggère que l’évapotranspiration qui a lieu à l’intérieur de la plantation de saules provoque un important flux d'eau et de contaminants solubles en direction des racines. Ainsi, la concentration de certains contaminants pourrait avoir tendance à augmenter à l’intérieur d’une dense plantation de saules au fil du temps. Une deuxième étude a été réalisée à l’intérieur de cette même plantation, afin de vérifier si les augmentations de concentration observées précédemment pouvaient être liées à l’évapotranspiration qui a lieu à l’intérieur d’une plantation de saules. Dans l’optique d’éliminer l’effet de transpiration, des coupes de saules ont été effectuées dans certaines parcelles de la plantation, puis les concentrations des contaminants organiques et inorganiques ont été suivies au fil du temps (24 mois), et comparées avec celles observées dans les parcelles non coupées. Les résultats obtenus ont montré que l'élimination des saules avait bel et bien limité l'accumulation de certains contaminants à la surface du sol, tels qu’observé dans les parcelles non coupées. Ces résultats suggèrent donc encore une fois que la culture intensive de saules à courte rotation peut entrainer une migration de certains contaminants en direction des racines et ainsi augmenter leurs concentrations à la surface du sol près des zones racinaires. Très peu d’études ont rapporté des résultats qui semblent contredire les multiples avantages de purification qui sont habituellement mis de l’avant en phytoremédiation. Toutefois, de tels effets sur la mobilisation des contaminants pourraient être pertinents et souhaitables dans un contexte de gestion du risque. La troisième et dernière étude présentée dans cette thèse explore la diversité des communautés microbiennes associées aux racines des deux cultivars de saules établis sur le site expérimental depuis plusieurs années (six années). Des études antérieures ont permis d’en apprendre davantage sur la composition du microbiome racinaire et rhizosphérique du saule poussant en milieux contaminés, mais la plupart de celles-ci ont été menées sur des individus relativement jeunes. Par conséquent, peu d’information existe concernant les associations microbiennes des individus plus âgés qui ont été établis en milieux contaminés. La caractérisation des communautés fongiques, bactériennes et archéennes a permis de montrer des différences de composition entre les deux cultivars de saules, ainsi qu’entre leurs compartiments (i.e. racines et rhizosphère). Certains groupes taxonomiques, appartenant à chacun des trois domaines, se sont démarqués, de par leur abondance, ou par leurs fonctions écologiques déjà connues et potentiellement bénéfiques pour la survie des végétaux, ou pour augmenter la dégradation et l'extraction de divers contaminants. Cette étude fournit donc de précieuses informations qui pourront servir à l’amélioration de certaines approches d'ingénierie du microbiome favorisant l'établissement, la survie, la croissance et les performances d’assainissement de Salix spp. établis en milieux contaminés. L’ensemble des résultats présentés dans cette thèse ont permis d’alimenter différentes réflexions sur l’intérêt d’utiliser certains amendements organiques et de caractériser le microbiome racinaire et rhizosphérique des saules afin d’améliorer les pratiques et la mise en oeuvre de la phytoremédiation par des saules. Cette thèse met également en lumière un phénomène de migration des contaminants, influencé par la présence de plantes à croissance rapide, qui représente un obstacle pour l’évaluation des performances d’assainissement par des approches de phytoremédiation notamment par des saules. / The large number of contaminated sites in Quebec (Canada) and all around the world is a major public problem because of the toxicological risks they present for human and environmental health. In the municipality of Varennes (Quebec, Canada), located on the south shore of the Island of Montreal, the activities of a former petrochemical plant (Pétromont Inc.) have led to the accumulation of moderate to high concentrations of traces elements (TEs), polychlorinated biphenyls (PCBs), aliphatic petroleum hydrocarbons (C10-C50) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) on the land. In 2010, a short rotation intensive culture (SRIC) of willow has been established on the site, in order to conduct a field-scale phytoremediation experiment. Although this plantation of Salix miyabeana was established with a remediation view, no significant effect was reported on the concentration of soil contaminants during the first years of growth. Plant-based remediation processes can be difficult to predict in the fiel and require improvement in order to increase their effectiveness. Fertilization with organic amendments, as well as manipulating the plant microbiome, are two agronomic techniques commonly employed in traditional crop management, in order to increase biomass production and improve overall plant health. These approaches can also influence the mobility and bioavailability of some compounds in the soil. Since such modifications are known to have the potential to significantly improve the efficiency of plants in removing or transforming soil contaminants, these two agronomic techniques are of growing interest in the field of phytoremediation. This doctoral research aims to improve scientific knowledge in the field-scale phytoremediation application by addressing some aspects that affect these two agronomic approaches. Inside the already established willow plantation, a first study was carried out to assess the impact of soil organic amendment on the phytoremediation efficacy of the two willow cultivars (‘SX61’ and ‘SX64’). The soil of some experimental plots was covered with ramial chipped wood (RCW) combined or not with spent mushroom substrate (SMS) of Pleurotus ostreatus. After three growing seasons, the results showed that the addition of SMS to the RCW had no effect on the growth of the willows, as well as on their effectiveness in removing or reducing the concentration of contaminants on the site. The results nevertheless suggest that RCW helps immobilize some PAHs in the soil, in addition to increasing the efficiency of willows to phytoextract Zn. The presence of willows appears to have significantly reduced the natural attenuation of C10-C50 on the site. In addition, the concentrations of PCBs, Cd, Ni and ten PAHs, showed seasonal oscillations, which suggests that the evapotranspiration inside the willow plantation mobilized some contaminants towards the rooting zones. Thus, the concentration of certain contaminants may tend to increase within a dense willow plantation over time. A second study was carried out inside the same plantation, in order to verify if the increases in concentration observed previously could be linked to the evapotranspiration that takes place inside a willow plantation. In order to eradicate the effect of plant transpiration, willows were harvested in certain plots of the plantation. The concentrations of organic and inorganic contaminants were followed over time (24 months) and compared with those observed in the unharvested plots. The results obtained showed that the removal of the willows limited the accumulation of certain contaminants on the soil surface, as observed in the uncut plots. These results suggested once again that the short rotation intensive culture of willows can lead to the migration of certain contaminants towards the roots and thus increase their concentrations on the soil surface near the root zones. Very few studies have reported results that seem to contradict the multiple purification benefits that are usually put forward in phytoremediation. However, such effects on contaminant mobilization could be relevant and suitable in a risk management context. The third and final study presented in this thesis explores the microbial communities associated with the roots of the two willow cultivars established on the experimental site for several years (six years). Root and rhizosphere microbial communities of Salix spp. have been studied in contaminated environments, but most of studies have been carried out on relatively young hosts. Therefore, little information exists regarding the microbial communities associated with older willows established in contaminated environments. The characterization of fungal, bacterial and Archean communities has shown differences in composition between the two willow cultivars, as well as between their compartments (i.e., roots and rhizosphere). Some taxonomic groups, belonging to each of the three domains, caught our attention, either by their abundance, or by their ecological functions already known to be potentially beneficial for the plant survival, or for increasing the degradation and extraction of various contaminants. This study therefore provides valuable information that can be used to improve certain microbiome engineering approaches that promote the establishment, survival, growth and phytoremediation performance of Salix spp. in contaminated environments. All the results presented in this thesis have fueled various reflections on the interest of using soil organic amendments and characterizing the root and rhizosphere microbiome of willows in order to improve the practices and implementation of phytoremediation with willows. This thesis also highlights a phenomenon of contaminant migration, influenced by the presence of fast-growing woody plants, which represents an obstacle for the evaluation of phytoremediation performance approaches with willows.

In der vorliegenden Studie wurden zwei Fragestellungen bearbeitet, die beide das Ziel verfolgen, die Stickstoff(N)-Ausnutzungseffizienz in landwirtschaftlichen Systemen zu steigern: 1) Hat die langjährige organische Düngung einen Einfluss auf den Abbau kürzlich applizierter organischer Dünger? Die Hypothese war, dass relevante Effekte nur bei schwer abbaubaren organischen Düngern auftreten während bei leicht abbaubaren organischen Düngern die Düngungshistorie keine Rolle spielt. 2) Können die hohen N-Bilanzüberschüsse im intensiven Freilandgemüsebau durch den Einsatz von Winterzwischenfrüchten (ZF) deutlich reduziert werden? Die Hypothese war, dass ZF die Bilanzüberschüsse der betrachteten zweijährigen Fruchtfolgen um mindestens 30 kg N / ha reduzieren. Die erste Hypothese wurde überprüft, indem der Abbau organischer Dünger in Böden, die sich in ihrer organischen Düngungshistorie unterschieden, gemessen wurde. Es wurden ein Topfversuch im Gewächshaus sowie ein Inkubationsversuch im Labor durchgeführt. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass es Effekte der Historie auf den Abbau von Stallmist und Kiefernrinde gab, während es keine Effekte bei leicht abbaubarem Kohlmaterial gab. Daher wurde die Hypothese angenommen. Allerdings ergaben die beobachteten Effekte kein konsistentes Bild in Hinblick auf die Richtung der Effekte auf die Kohlenstoff(C)- und N-Mineralisierung und Effekte auf die Netto-N-Mineralisation waren generell sehr klein. Zur Überprüfung der zweiten Hypothese wurden an drei Standorten in Deutschland Feldversuche mit Gemüsefruchtfolgen und unterschiedlichen ZF durchgeführt. Die Ergebnisse ergaben, dass trotz der die mittleren Bilanzüberschüsse der Kontrollen (ohne ZF) von 217 kg N / ha die ZF die N-Bilanz im Mittel um nur 13 kg N / ha reduzierten. Daher wurde die Hypothese abgelehnt. Die Ergebnisse zeigten weiterhin, dass der verlustfreie Transfer der von der ZF aufgenommenen N-Menge an die Folgefrucht ein kritischer Schritt bei dieser Technik ist. / The current study dealt with two questions that target potential options to increase the nitrogen (N) use efficiency of agricultural systems: 1) Does long-term organic fertilization affect the decomposition of recently added organic fertilizers? The hypothesis was that effects only occur for recalcitrant organic fertilizers while for readily decomposable organic fertilizers, the fertilization history does not play a role. 2) Can the N balance surpluses in intensive field vegetable production systems be substantially reduced by cultivation of winter catch crops (CC)? The hypothesis was that the N balance surpluses of the investigated two-year crop rotations can be reduced by more than 30 kg N / ha. The first hypothesis was tested by applying organic fertilizers to soils that only differed in organic fertilization history. A greenhouse pot experiment and a laboratory incubation experiment were conducted. The results indicated that fertilization history had effects on the decomposition of farmyard manure and pine bark, not however on the decomposition of readily decomposable cabbage material. Hence, the hypothesis was accepted in that fertilization history effects depended on the type of fertilizer. However, fertilization history effects showed no consistent trend with respect to increase or decrease in carbon (C) and N mineralization and the effects on net N mineralization were minor in magnitude. The second hypothesis was tested by performing field experiments at three sites in Germany. Vegetable crop rotations were set up, testing different types of CC. The results suggested that in spite of high N surpluses in the control treatments (no CC) of 217 kg N / ha, CC reduced the N balance surplus on average by only 13 kg N / ha. Hence, the hypothesis was rejected. The findings further indicated that the transfer of N taken up by the CC to the succeeding crop is a critical step when adopting this technique.

Der lagerlose reluktante Rotations-Linear-Motor (BRLRM) ermöglicht die aktive Kontrolle eines schwebenden ferromagnetischen Rotors in allen 6 Bewegungs-Freiheitsgraden. Durch eine zweidimensionale Rotorverzahnung sind axiale Verschiebungen und Verdrehungen über beliebig lange Verfahrwege möglich. Es lassen sich zwei Verzahnungsarten unterscheiden, deren Krafterzeugung theoretisch modelliert und analysiert wird. Für eine Grundbauform aus zwei Statoren, deren gegenüberliegende Pole gleichartigen Versatz zur Rotorverzahnung aufweisen, erfolgt für beide Verzahnungsarten der Nachweis der Steuerbarkeit. Für den jeweiligen Fall ist eine Mindestanzahl an Polpaaren nötig. Die Versetzungen der Verzahnungen müssen Steuerbarkeitsbedingungen erfüllen. Die optimalen Versetzungsanordnungen, welche diese erfüllen, werden mit Hilfe eines speziell entwickelten Algorithmus ermittelt. Für ausgewählte Motorbauformen erfolgt eine Analyse der theoretisch erreichbaren Gesamtkräfte des Motors. Der Betrieb des BRLRM erfordert ein 6-Achs-Lagemesssystem, wofür eine differenzielle kapazitive Sensoranordnung und Auswerteelektronik entwickelt werden. Ein messtechnischer Nachweis zeigt, dass damit eine wirksame Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen möglich ist. Für die Lageregelung wird eine einfache Struktur vorgestellt sowie ein effizienter Algorithmus zur Ermittlung der Sollströme entwickelt. Zu einer ausgewählten Motorbauform wird ein Versuchsstand entwickelt und aufgebaut. Durch analytische Betrachtungen, numerische Simulationen und Messungen erfolgt der Nachweis der Stabilität des Gesamtsystems. Mittels Simulationen sowie mit Messungen am Versuchsaufbau werden das dynamische Verhalten des BRLRM charakterisiert sowie einige theoretische Aspekte verifiziert. Ein Schwerpunkt ist die Betrachtung von Verkopplungseffekten aufgrund von Nichtlinearitäten und parasitären Effekten des Lagemesssystems. / The bearingless rotary linear reluctance motor (BRLRM) enables active control of a levitating ferromagnetic rotor in all 6 degrees of freedom of movement. Two-dimensional rotor toothing allows axial translation and rotation over any length of travel. Two types of toothing can be distinguished, and their force generation is theoretically modelled and analysed. For a basic design consisting of two stators, where the opposite poles have the same offset with respect to the rotor toothing, the controllability is verified for both types of toothing. A minimum number of pole pairs is required for each case. The offsets of the toothings must fulfil controllability conditions. The optimal offset arrangements that fulfil these conditions are determined using a specially developed algorithm. For several motor designs, an analysis of the theoretically achievable total forces of the motor is carried out. The operation of the BRLRM requires a 6-axis position measurement system, for which a differential capacitive sensor configuration and evaluation electronics are developed. A metrological proof shows that an effective suppression of electromagnetic disturbances is achieved. A simplified structure is presented for the position control and an efficient algorithm is developed for determining the setpoint currents. An experimental setup is constructed and built for a selected motor design. Analytical considerations, numerical simulations as well as measurements are used to prove the stability of the overall system. The dynamic behaviour of the BRLRM is characterised and some theoretical aspects are verified using simulations and measurements on the experimental setup. One focus is on the consideration of coupling effects due to non-linearities and parasitic effects of the position measurement system.