Philosophiae Doctor - PhD / The risk of increasing global pollution dictates the need to understand environmental processes and develop innovative ways to monitor pollution levels and address associated problems. In order to address this need, this study used a selection of plants leaves (Commelina benghalesis, Paspalum urvillei, Persicaria lapathifolia and Salix babylonica) as biomonitors to assess the state of the environment, more specifically the concentration of certain heavy metal pollutants (Cu, Zn, Fe, Ni, Pb and Cd) of river water and soils in the Eerste River catchment, Western Cape, South Africa.

No description available.

La présence du plomb (Pb) sous forme mobile ou en quantité importante dans les sols est indésirable car le Pb est biologiquement toxique dans l'environnement. La stabilisation ou la réduction de la quantité du Pb total dans les sols calcaires riches en éléments traces métalliques (ÉTM) peuvent être réalisées par les procédés de phyto-stabilisation ou de phyto-extraction induite, respectivement. Un essai cultural a été mené en serre pour examiner l'effet de l'ajout de soufre élémentaire (S0) combiné à la fumure minérale (N-PK) suivi de l'ajout de fortes doses d'acide sulfurique (H2SO4) sur les paramètres de croissance de la plante ainsi que sur les fractions chimiques du Pb dans le sol et l'accumulation du Pb dans les organes du saule (Salix miyabeana) cultivé dans des échantillons d'un sol (pH moyen 7,55) riche en ÉTM, développé sur roche-mère calcaire. Les résultats indiquent qu'en conditions non acides (neutres à alcalins), le saule accumule des concentrations traces de Pb (<1 mg/kg m.s., en deçà de la limite de détection) dans les feuilles. Néanmoins, une proportion du Pb présent dans le sol calcaire peut être mobilisée par les racines de la plante, particulièrement sous des conditions acides. Le Pb s'accumule en plus grande quantité dans les racines que dans les autres parties de la plante et ce, peu importe la nature des traitements du sol. Le pH du sol joue un rôle important dans le prélèvement et l'accumulation du Pb dans les parties du saule. Toutefois, une valeur du pH inférieure à 5,5 a tendance à produire un excès de prélèvement de Pb et provoque une inhibition de la croissance des feuilles ou une baisse considérable des rendements en feuilles. Ceci est à prendre en considération lorsque l'on tente d'abaisser la valeur du pH du sol calcaire riche en ÉTM en dessous de 6,5, en vue de favoriser le transfert sol-plante du Pb. / The presence of large amounts or mobile fraction of lead (Pb) in soils is undesirable because Pb is highly toxic even in minor quantity in the environment. The remediation of Pb in calcareous soils with high amount of metallic trace metals (MTE) can be achieved by phytostabilization or induced phytoextraction processes. For this purpose, a greenhouse study was carried out to determine the effects of elemental sulfur (S0) and mineral fertilizers (N-P-K) followed by the addition of high amounts of sulfuric acid (H2SO4) to cultivated soils on the soil chemical fractions of Pb, growth parameters and uptake and accumulation of Pb in willow (Salix miyabeana) grown in a calcareous soil (mean pH 7.55) rich in MTE. The results indicate that in near neutral and weak alkaline conditions, willow accumulates very small amount of Pb (<1 mg / kg d.w, below the detection limit) in the leaves. Nevertheless, some proportion of soil Pb can be mobilized by plant roots, particularly under acidic conditions. Willow accumulates more Pb in the roots than in other plant parts, regardless of the nature of soil treatments. Soil pH plays an important role in the uptake and accumulation of Pb in willow parts. However, a pH value less than 5.5 tends to produce an excess of Pb removal and causes inhibition of leaf growth or a considerable reduction in leaf yield. This is to be considered when attempting to reduce the pH value of a calcareous soil rich in MTE to less than 6.5, in order to enhance the soil-plant transfer of Pb.

Pastaruoju metu pasaulyje ir Lietuvoje vis didėja nesteroidinių vaistų nuo uždegimo (NVNU) vartojimas. Minėti vaistai turi įtakos virškinamojo trakto sutrikimams, kelia grėsmę širdies ir kraujagyslių sistemai. Dėl didelės NVNU sukeliamų komplikacijų rizikos, siekiama ieškoti naujų augalinių šaltinių, kurių vartojimas esant uždegiminiams procesams galimai sukelia mažesnius nepageidaujamus poveikius. Vienas iš potencialių variantų – gluosnio žievės ekstraktas. Gluosnis plačiai paplitęs augalas, pasižymintis priešuždegiminiu poveikiu, tinkamas vartoti esant osteoartritui, apatinės nugaros dalies skausmui, siekiant išvengti trombocitų agregacijos, slopinantis storosios žarnos ir plaučių vėžinių ląstelių proliferaciją. Tyrimo tikslas. Pritaikant efektyviosios skysčių chromatografijos metodą nustatyti Lietuvoje augančių gluosnių žievėje esančio salicino kiekio pasiskirstymą. Uždaviniai: 1. Išanalizuoti ir apibendrinti moksliniuose šaltiniuose pateiktą informaciją apie gluosnių gentį, augalo pritaikymą medicinoje, taikytinas tyrimo metodikas. 2. Nustatyti tinkamiausias ekstrakcijos sąlygas gluosnio žievėje esančių veikliųjų junginių ekstrahavimui bei optimizuoti efektyviosios skysčių chromatografijos (ESC) metodiką junginių identifikavimui. 3. Atlikti gluosnio vaistinės augalinės žaliavos tyrimams pritaikytos ESC metodikos validaciją. 4. Statistiškai įvertinti bei palyginti gluosnio žievėje esančio salicino kiekio pasiskirstymą trijuose Lietuvos regionuose (Kelmės, Kauno... [toliau žr. visą tekstą] / In the world and in Lithuania the use of non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) is growing. Mentioned drugs affect the digestive tract and threaten cardiovascular system. Due to the high risk of complications caused by NSAIDs it is aimed to find new sources of plants, whose use in inflammatory conditions potentially causes less side effects. One of the potential options is willow bark extract. Willow is wildspread plant, having anti-inflammatory properties, suitable for use in the treatment of osteoarthritis, low back pain, to prevent platelet aggregation, inhibitting proliferation of colon and lung cancer cells. Aim of the study. Using high-performance liquid chromatography to determine salicin distribution in the bark of Lithuanian willows. Objectives of the study: 1. Analyze and summarize the scientific sources of information about the willow genus, the plant application in medicine, applied research methodologies. 2. Determine the most appropriate conditions for the extraction of active compounds of the willow bark and optimize HPLC methodology for the identification of compounds. 3. Perform validation of HPLC method for studies of the willow bark. 4. Statistically evaluate and compare distribution of salicin amount of willow bark in the three regions of Lithuania (Kelmė, Kaunas, Marijampolė). HPLC was chosen as a method. The raw material moisture was estimated (from 7.98 to 12.61 per cent.). HPLC method was optimized, validated for the identification of active... [to full text]

Phytoremediation is a technology that can be used in several ways to remediate polluted soils and water. Today, phytoremediation is viewed by many as a technology in the development phase and therefore it is important to evaluate existing facilities to create more support for future establishment. At the closed landfill of Dragmossen situated outside Älvkarleby, Sweden, there is a plantation of salix (Salix spp.) used for leachate management by collecting the leachate in ponds and using it to irrigate the salix. The goal is to let the water evaporate partially and then use the remaining water in the plantation, thus keeping pollutants in the system and stored in the biomass of the plants. In this Degree Project within Environmental and Water Engineering the performance and the risks associated with the salix plantation at the landfill Dragmossen were evaluated. The study was conducted by analyzing data of samples taken from the salix biomass, soil and water in regards to metal concentrations. The allocation of different metals in the plant was investigated and the transfer coefficient (TC-quota) and the translocation factor (TF-quota) were calculated for the salix. The mass flow of metals was mapped and quantified by construction of a model to calculate the load of metals within the system and the extraction of metals from the plantation. The input data for the model consisted of metal concentrations in the leachate, metal concentrations within salix biomass, estimated volume of leachate and the growth of the salix biomass. The results showed that lead, cadmium, copper, chrome, nickel and zinc were extracted in a higher amount than the load from the irrigation. The extraction of arsenic was lower than the amount that was added from the irrigation. The extraction rate for arsenic, lead, cadmium, copper, chrome, nickel and zinc was investigated by calculating the extraction per year and hectare. The extraction rate differs between the metals where zinc was extracted with the highest rate and arsenic with the lowest. A basic risk assessment was conducted where the development of the pollutants in the ground water below the salix plantation was investigated together with the concentrations of metals in the soil on the plantation. This showed that the concentrations of copper and zink over the general reference value for less sensitive land use was exceeded in some areas. The overall results showed that a salix plantation can be a good tool for leachate management for the majority of the metals. The extraction of metals is affected by different parameters of the soil and water chemistry which makes it important to evaluate site-specific conditions before an establishing a salix plantation. / Fytosanering är en teknik som kan användas på flera olika vis för att sanera både förorenad mark och vatten. Idag betraktas fytosanering av många som en teknik under utveckling och det är därmed viktigt att utvärdera befintliga anläggningars prestanda för att skapa ett bättre underlag för framtida etableringar. På den sluttäckta deponin Dragmossen används en salixodling för lakvattenhantering genom att salix (Salix spp.) bevattnas med lakvatten som samlas upp i dammar på området. Vattnet avgår då genom transpiration och tanken är att föroreningarna ska tas upp och lagras i växterna. I detta examensarbete i miljö- och vattenteknik undersöktes prestandan och riskerna med salixodlingen på deponin Dragmossen. Detta genom att sammanställa och analysera data från provtagningar av salix, jord och vatten. Examensarbetet omfattade även en analys av upptag och allokering av metaller i salixplantorna, samt hur dessa metaller förhåller sig i de olika växtdelarna genom att beräkna överföringskoefficienten (TC-kvot) och translokationsfaktorn (TF-kvot). Massflöden av metaller kartlades genom konstruerande av en modell som kvantifierar belastning och upptag av metaller i salixen. Modellens indata bestod av metallhalter i lakvattnet, metallhalter i salixens ved, uppskattad volym lakvatten och tillväxt av salixens biomassa. Resultatet från modellen visade att bly, kadmium, koppar, krom, nickel och zink togs upp i större mängd än vad som tillfördes genom bevattning. Upptaget av arsenik var dock mindre än det som tillfördes genom bevattningen. Upptagshastigheten för arsenik, bly, kadmium, koppar, krom, nickel och zink undersöktes genom att beräkna upptaget per år och hektar. Upptagshastigheten skiljer sig åt mellan olika metaller där zink tas upp snabbast och arsenik är den metall som extraheras i lägst grad. En enklare riskbedömning genomfördes där utvecklingen av föroreningshalter i grundvattnet under salixodlingen undersöktes samt halter av de undersökta metallerna i jorden på salixodlingen. Denna visade på att halter av koppar och zink idag är högre än det generella riktvärdet för mindre känslig markanvändning. Det styrande skyddsobjektet för Cu och Zn är markmiljön. Uppmätta metallhalter i marken kring salixodlingen bedöms inte innebära någon risk för andra skyddsobjekt som människa och grundvatten. Sammantaget visar resultatet att en salixodling som verktyg för lakvattenhantering kan vara ett bra redskap för flertalet metaller. Upptaget påverkas av olika mark- och vattenkemiska parametrar vilket erfordrar att platsspecifika förutsättningar beaktas vid anläggning av en salixodling.

Den svenska regeringen har som mål att Sverige år 2045 inte ska ha några nettoutsläpp av växthusgaser, och därefter sträva efter negativa utsläpp för att motverka den rådande klimatförändringen. Detta då människans användande av fossila bränslen anses vara den största orsaken till de globala klimatförändringarna. För att i framtiden kunna minska människans påverkan är det viktigt att förnybara energikällor fasar ut de fossila, eftersom en markant minskad energikonsumtion inte är rimlig ur ett samhällsekonomiskt perspektiv. En växande befolkningsmängd och därmed ett ökat energibehov ligger framför oss samtidigt som Sverige har som mål att vara ett föregångsland när det handlar om utfasningen av fossila bränslen. I landet finns det goda geografiska förutsättningar som kan bidra till energiproduktionen på flera olika sätt. Sveriges stora areal i förhållande till befolkningsmängden är också en av fördelarna varför skogsbruk anses vara en av framtidens viktiga näringar och det är därmed av intresse att undersöka dess potential.  I denna studie har potentialen för skogen som energikälla genom brukande av outnyttjad åkermark studerats ingående på en nationell nivå för att kunna undersöka hur stor del av framtidens energisystem i Sverige som kan baseras på inhemsk biomassa. Dessutom har även energigrödan salix behandlats för att visa på ett alternativ till andra trädtyper. Resultaten visar att det finns många komplexa faktorer som måste tas i hänsyn för att odlingen av biomassa för energiproduktion i Sverige ska vara hållbar, även med en ökad intensitet och produktion. Det kommer att krävas noggrann planering och bakomliggande forskning som bidrar till att andra faktorer i naturen inte tar skada av skogsbruket, åtminstone så att denna påverkan minskas i största möjliga mån. Detta genom styrmedel i form av incitament för forskning inom teknisk utveckling samt regler för att kunna styra producenters och konsumenters attityder och agerande gällande hushållning av energi och naturresurser.  Baserat på tre scenarier där energimängd beräknades utifrån tillgänglig åkermarksarea bedöms inhemska biobränslen inte kunna ersätta dagens energianvändning av fossila bränslen. Scenariot med störst bidrag till energisystemet skulle endast ersätta cirka 7 procent av dagens fossila bränsleanvändning i Sverige. Biobränslen kan däremot bidra till mer hållbara alternativ inom bland annat transportsektorn och tillverkningsindustrin. De förnybara biobränslena bidrar framförallt till minskade utsläpp av växthusgaser, samtidigt som en odling av biomassa och framställningen av dessa förnybara bränslen kan innebära negativ påverkan på den lokala miljön. En omställning från ett fossilbaserat system till ett system grundat på förnybara energikällor medför att miljöbelastningen kan komma att överföras från att drabba vissa miljömål till att påverka andra. Det innebär alltså att det behövs en balans och prioritering mellan olika miljömål. Klimatmålet att Sverige ska vara fossilfritt år 2045 är däremot inte omöjligt om fler förnybara energikällor inkluderas samt en viss mängd importeras. / The Swedish Government has set a goal that Sweden will have zero net emissions of greenhouse gases by the year of 2045, and then strive for negative emissions to counter the current climate changes. This is because human usage of fossil fuels is considered to be the main cause of the global climate change. To reduce the human impact in the future it is essential that renewable sources of energy will phase out the fossil ones, since a significantly decrease of energy consumption is not likely from a socioeconomic perspective. A growing population and therefore an increased need of energy lies ahead of us, while Sweden aims to be a leading country regarding phasing out fossil fuels. The country has suitable geographical conditions that in several ways can contribute to the production of energy. Sweden’s large area in relation to population is also one of the reasons why forestry is considered to be one of the most important industries in the future and it is of interest to investigate its potential.  In this study, the potential for the forest as an energy source through the use of unused arable land has been studied extensively at a national level in order to investigate how much of the future Swedish energy system can be based on domestic biomass. In addition, the energy crop salix has been included to show an alternative to other tree types. The results show that there are multiple complex factors that need to be taken into account for the cultivation of biomass to be considered sustainable, even with increased intensity and production. There will a need for careful planning and underlying research that will prevent the forestry from harming other factors in the nature, at least to reduce its impact as much as possible. This can be done with political instruments in terms of incentives for research in technological development and rules for guiding the attitudes and actions of producers and consumers regarding energy and natural resource management.  Based on three scenarios where the amount of energy was calculated from the available arable land area, domestic biofuels are not expected to be able to replace today’s energy use of fossil fuels. The scenario with the greatest contribution to the energy system would only replace about 7 percent of today’s fossil fuel usage in Sweden. Biofuels can, on the other hand, contribute to more sustainable alternatives in the transport and manufacturing sectors. Renewable biofuels contribute primarily to reduced greenhouse gas emissions, while the cultivation of biomass and the production of these renewable fuels can adversely affect the local environment. A transition from a fossil-based system to a system based on renewable energy means that the environmental impact can be transferred from affecting certain environmental goals to affect others. Therefore, there is a need for a balance and prioritization between different environmental goals. The climate target that Sweden will be fossil-free in 2045 might be possible if more renewable sources of energy are included and a certain amount is imported.

Le phénomène naturel d'érosion des berges peut menacer des infrastructures humaines. Des protections végétales peuvent être installées afin de mimer les dynamiques de végétation et armer la berge grâce aux racines. Cependant, les changements climatiques globaux sont susceptibles d'entraîner et d'aggraver les sécheresses, ce qui va stresser les végétaux présents et compromettre la bonne réussite des ouvrages de génie végétal. La principale question est donc " Quelles sont les caractéristiques biotechniques et les facultés d'acclimatation à la sécheresse de boutures de Salicaceae et Tamaricaceae, espèces utilisées ou potentiellement utilisables en génie végétal ? ". L'étude de différentes populations d'espèces classiquement utilisées que sont les saules démontre une résistance à la sécheresse plus efficace des populations méridionales tandis que les productions de biomasses restent plus élevées chez les populations septentrionales. L'étude des traits biotechniques et du comportement racinaire d'espèces potentielles appartenant aux Tamaricaceae (Tamarix gallica et Myricaria germanica) montre un taux élevé de reprise au bouturage, une forte production de biomasses et une stratégie de prospection racinaire différente des saules, ce qui leur confère une résistance à la sécheresse accrue. Ceci confirme une utilisation possible de ces espèces dans des ouvrages de génie végétal soumis à sécheresse.

Mon mémoire de maîtrise a été réalisé dans le cadre du projet Génorem (www.genorem.ca), un projet multidisciplinaire qui réunit différents chercheurs de l'Université de Montréal et de l'Université McGill dans le but d'améliorer les techniques utilisées en bioremédiation. Dans le cadre de l'étude, des saules à croissance rapide (Salix sp.) ont été utilisés comme plantes modèles dans l'étude. Ainsi, 11 cultivars de saule ont été suivis afin de déterminer leur potentiel à produire un bon rendement de biomasse, à tolérer des conditions de stress sévère causé par la présence de HAPs (hydrocarbures aromatiques polycycliques) , BPCs (biphényles polychlorés) et d'hydrocarbures pétroliers C10-C50. L'expérimentation consistait en une plantation de saule à forte densité qui a été mise en place en 2011 sur le site d'une ancienne industrie de pétrochimie à Varennes, dans le sud du Québec. Les boutures des génotypes sélectionnés ont été plantées sur une superficie d'environ 5000 m2. Les plantes ont été suivies pendant les deux saisons de croissance suivant le recépage et une série de paramètres de croissance et de mesures physiologiques ont été récoltés (surface foliaire, taux de chlorophylle, conductance stomatique et statut nutritionnel) dans le but d'évaluer et de comparer les performances de chaque génotype sur un sol pollué. Les analyses statistiques ont démontré que le cultivar S. miyabeana (SX61) était le meilleur producteur de biomasse sur le site contaminé, tandis que S. nigra (S05) et S. acutifolia (S54) présentaient la meilleure capacité photosynthétique. S. dasyclados (SV1), S. purpurea (‘Fish Creek’) et S. caprea (S365) ont semblé particulièrement affectés par la présence de contaminants. La capacité d'établissement et la croissance de S. nigra (S05), S. eriocephala (S25) and S. purpurea x S. miyabeana (‘Millbrook’) indiquent une tolérance globale supérieure à la pollution . Cette analyse comparative des différentes réponses physiologiques des saules cultivés sur un sol contaminé pourra guider le processus de sélection de plantes et les techniques de bioremédiation dans les futurs projets de phytoremédiation. / My master thesis is part of a larger multidisciplinary initiative called GenoRem (www.genorem.ca). GenoRem brings together scientists from Université de Montréal and McGill University in a quest to improve bioremediation techniques through molecular and biological processes. Eleven fast-growing willow (Salix sp.) cultivars were studied, primarily to identify those that produce high biomass yields, demonstrate capacity to thrive under harsh environmental conditions and to tolerate the presence of PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons), PCBs (polychlorinated biphenyls) and C10-C50. A high-density field experiment was undertaken during the summer of 2011 on a former petrochemical industrial site in southern Québec, Canada. Cuttings of selected willow genotypes were planted on an area covering ~5000 m². Plants were monitored over the two growing seasons that followed the coppicing by recording a series of growth parameters and physiological measurements (specific leaf area, chlorophyll concentration, stomatal conductance and nutrient concentration) in order to compare growth performance of each genotype on contaminated soils. S. miyabeana cultivars (SX61) achieved the highest biomass production, while S. nigra (S05) and S. acutifolia (S54) had the highest photosynthetic capacity. S. dasyclados (SV1), S. purpurea (‘Fish Creek’) and S. caprea (S365) were negatively affected by the presence of contaminants The establishment capacity and development of S. nigra (S05), S. eriochephala (S25) and S. purpurea X S. miyabeana (‘Millbrook’) were globally less influenced by soil pollution. This comparative analysis of physiological responses of willow on contaminated soil will guide plant selection processes and bioremediation practices in future phytoremediation projects.

La présente analyse est ciblée sur la transition entre les phases géomorphologiques, pionnières et biogéomorphologiques décrites par le concept de succession biogeomorphologique fluviale d’une rivière sablo-graveleuse de plaine, la Loire moyenne. L’étude se focalise sur la reproduction sexuée et la survie (dans leur premiers stades, au cours des crues) de deux espèces de Salicacées : Populus nigra L. et Salix alba L. sur une barre sédimentaire et repose sur des approches in- et ex-situ. La dynamique hydro-sédimentaire d’une barre forcée influence le potentiel de survie des semis des ligneux pionniers. Les semis présentent des adaptations morphologiques différentes en fonction des conditions sédimentaires de germination modulant leur potentiel de survie. Trois modèles conceptuels sont proposés : (i) dynamique d’une barre forcée en crue, (ii) évolution longitudinale des processus de mortalité des semis selon le granoclassement amont-aval, (iii) vitesse d’évolution d’une barre forcée vers une île pionnière initiée par l’installation de semis de ligneux pionniers et archivage sédimentaire associé dans une rivière sablo-graveleuse de plaine. / The present study is focused on the three first stages: geomorphic, pioneer and biogeomorphic of the Fluvial Biogeomorphological Succession applied to a sandy-gravel bed lowland river: the Loire River (in its middle reaches). This work is based on both an in and ex situ approach. It analyses the recruitment and survival during their first stages of growth of two Salicaceae trees: Populus nigra L. and Salix alba L. developed on a non-migrating (forced) bar. The dynamics of this bar influences the survival potential of seedlings during floods. The seedlings adapt morphologically according to the sedimentary structure, and as a consequence, modify their survival potential. Three conceptual models detail: (i) the dynamics of a mid-channel forced bar during floods, (ii) the longitudinal evolution of the mortality of seedlings induced by the downstream fining of sediments, (iii) the sediment archiving and time needed to reach a pioneer island state from a non-migrating vegetated bar.

Polar desert environments are limiting in plant available nutrients, mainly nitrogen (N) and phosphorus (P) that severely limit plant growth and establishment. Cryogenic activity regularly patterns the ground into a patchwork of frost boils – sorted circles that are associated with an increase in moisture, fertility and plant cover. Within some frost boils, the accumulation of ice-rich soil at the permafrost table can cause an upward flow of soil organic carbon (SOC) enriched permafrost material into the active layer. These diapiric intrusions are predicted to fuel microbial activity and enrich the horizon in N and P; however, the enrichment of the diapir horizon and accessibility by plants has yet to be studied. The aim of this research was to characterize the N distribution within diapir horizons located in frost boils and the effect of these intrusions on vascular plant N uptake in a polar desert ecosystem of the Canadian High Arctic. Natural abundance and enriched isotope 15N techniques were used to trace the flow of N through the soil-plant system. Surface and diapir horizons contained the highest total C and total N content within frost boils. Natural abundance δ15N analysis indicated that uptake by Salix arctica plants located on frost boils in the absence of a diapir horizon were sourcing N from the surface. However, when diapir nutrients became available, S. arctica plants began sourcing N from the diapir horizon and underlying low SOC sources in the soil, while reducing uptake from the surface. The altered foraging strategy of S. arctica in response to diapir horizon formation was further indicated by significant uptake of atom%15N nutrients that were injected directly into diapir horizons. These findings suggest diapir horizons are enriched in N and accessible by plants roots as an important nutrient source that is instrumental in their survival within frost boils of a polar desert ecosystem in the high arctic.