Anaerobic co-digestion of swine manure with sweet potato or cassava in different C/N ratios / Co-digestão anaeróbia dos dejetos de suínos com batata doce ou mandioca em diferentes relações C/N

ABSTRACT: Anaerobic co-digestion (AcoD) of waste is a method of increasing methane (CH4) yield and improving biofertilizer quality. This study aimed to evaluate the best AcoD conditions for swine manure (SM) with sweet potato (SP) or cassava (C) in different amounts in semi-continuous biodigesters. Initially, using batch biodigesters, an AcoD test of the SM with SP or C was performed, adopting carbon/nitrogen (C/N) ratios of 10/1, 13/1, 17/1, and 22/1. Based on the results, a C/N ratio of 10/1 was chosen, which was the proportion that resulted in the highest reduction of volatile solids (VS) and specific biogas production. From these results, the experiment was carried out in semi-continuous biodigesters, consisting of three treatments (control (SM), SP 10/1, and C 10/1) with five replicates and a hydraulic retention time (HRT) of 30 days. Total solid (TS) and volatile solid (VS) reductions, biogas and CH4 yields, alkalinity, and volatile acidity were measured. The control treatment differed from the others and resulted in decreased biogas yield (752 LN.kgVSadded -1), CH4 (449 LN.kgVSadded -1), and CH4 content (59.7%). The AcoD treatments (SP and C) did not differ significantly for biogas yield (respectively, 901 and 883 LN.kgVSadded -1) and CH4 (respectively, 590 and 547 LN.kgVSadded -1); however, they differed in CH4 content (65.5% and 61.9% respectively). The treatments showed general reduction averages of 76.1% and 85.9% for TS and VS, respectively, with no statistical difference found between them. The AcoD of the SM with SP or C increased the production and quality of the biogas, increasing the concentration of CH4 therein.

RESUMO: A co-digestão anaeróbia dos resíduos é uma alternativa para aumentar a produção de metano (CH4) e melhorar a qualidade do biofertilizante. Este estudo teve como objetivo avaliar a melhor condição de coDA dos dejetos de suínos (DS), acrescidos de batata doce (BD) ou mandioca (M) em diferentes inclusões, em biodigestores semi-contínuos. Inicialmente, utilizando biodigestores batelada, foi realizado ensaio de coDA dos DS com BD ou M, adotando-se as relações C/N iguais a 10/1, 13/1, 17/1, e 22/1. Com base nos resultados elegeu-se a relação C/N de 10/1, como sendo a proporção que apresentou maiores reduções de sólidos voláteis (SV) e produções específicas de biogás. A partir destes resultados, efetivou-se o experimento em biodigestores semi-contínuos, composto por três tratamentos (controle (DS), BD 10/1 e M 10/1) com cinco repetições cada, e tempo de retenção hidráulica (TRH) de 30 dias. Foram mensuradas as reduções de sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV), produções de biogás e CH4, alcalinidade e acidez volátil. O tratamento controle diferiu dos demais e apresentou menor desempenho no rendimento de biogás (752 LN.kgSVadic -1), CH4 (449 LN.kgSVadic -1) e concentração de CH4 (59,7%). Os tratamentos em coDA (BD e M) não diferiram entre si para o rendimento de biogás (901 e 883 LN.kgSVadic -1) e CH4 (590 e 547 LN.kgSVadic -1), no entanto diferiram na concentração de CH4 (65,5 e 61,9%, respectivamente). Os tratamentos apresentaram médias gerais de reduções de 76,1 e 85,9% para ST e SV, respectivamente, não sendo encontrada diferença estatística entre eles. A coDA do DS com BD ou M aumentou a produção e a qualidade do biogás, elevando a concentração de CH4 no mesmo.

Methane production from four forages at three maturity stages in a ruminal in vitro system / Producción de metano de cuatro forrajes en tres estados de madurez en un sistema ruminal in vitro / Produção de metano de quatro forragens em três estágios de maturidade em um sistema ruminal in vitro

Abstract Background: Forage characteristics can modify in vitro methane production. There is little information about in vitro methane production of legumes and grasses at different maturity stages in tropical highland grazing systems. Objective: To evaluate the effect of species and forage maturity on in vitro methane production. Methods: Four forage species grown in tropical highlands of Colombia, two grasses: Kikuyu (Cenchrus clandestinus, previously named Pennisetum clandestinum) and ryegrass (Lolium perenne var. Samsum), and two legumes: Lotus (Lotus uliginosus var. Maku) and red clover (Trifolium pratense) were harvested in two paddocks at three maturity stages (young, intermediate, and mature). In vitro 48 h gas production was measured and methane proportion in gas was quantified by gas chromatography. Data were analysed as a randomized complete block (paddocks) design with a factorial arrangement 4×3 (4 species × 3 maturity stages) using the GLM procedure of SAS®. Results: Lotus produced less methane (p<0.01) than ryegrass, clover, and kikuyu (35.5 vs 64.7, 55.7 or 51.4 mL/g degraded organic matter, respectively). Younger forages produced less methane than intermediate and mature forages (42.8 vs 56.3 and 56.4 mL/g degraded organic matter, respectively). Cellulose concentration and organic matter degradability explained 67% (p<0.01) of methane production. Conclusion: Forage composition, presence of condensed tannins, and changes in fermentation patterns may explain the differences observed in in vitro methane production among species and maturity stages.

Resumen Antecedentes: Las características de los forrajes pueden afectar la producción de metano. Hay poca información sobre la producción de metano de leguminosas y gramíneas en diferentes estados de madurez en los sistemas pastoriles de trópico alto. Objetivo: Evaluar el efecto de la especie y la madurez de los forrajes sobre la producción de metano in vitro. Métodos: Cuatro especies forrajeras de trópico alto colombiano, dos gramíneas: Kikuyo (Cenchrus clandestinus, anteriormente llamado Pennisetum clandestinum) y ryegrass (Lolium perenne var. Samsum) y dos leguminosas: Lotus (Lotus uliginosus var. Maku) y trébol rojo (Trifolium pratense), fueron cosechadas de dos parcelas en tres estados de madurez (joven, intermedio y maduro). Se midió la producción de gas in vitro a las 48 h y la proporción de metano en el gas por cromatografía de gases. Los datos se analizaron empleando un diseño de bloques completos al azar (parcelas) con un arreglo factorial 4×3 (4 especies × 3 estados de madurez) mediante el procedimiento GLM de SAS®. Resultados: El lotus produjo menos metano (p<0,01) que el ryegrass, trébol o kikuyo (35,5 vs 64,7, 55,7 o 51,4 mL/g materia orgánica degradada, respectivamente). Los forrajes jóvenes produjeron menos metano que aquellos de edad intermedia y madura (42,8 vs 56,3 y 56,4 mL/g materia orgánica degradada, respectivamente). La concentración de celulosa y la digestibilidad de la materia orgánica explicaron el 67% (p<0,01) de la producción de metano. Conclusión: La composición de la pastura, la concentración de taninos condensados y los cambios en los patrones de fermentación pueden explicar las diferencias en la producción de metano in vitro según la especie y madurez del forraje.

Resumo Antecedentes: As caraterísticas das forragens podem modificar a produção de metano. Existe pouca informação sobre a produção de metano de leguminosas e gramíneas em diferentes fases de maturidade nos sistemas de pastoreio de trópico alto. Objetivo: Avaliar o efeito da espécie e a maturidade das forragens sobre a produção de metano in vitro. Métodos: Quatro espécies de forragens de trópico alto colombiano, duas gramíneas: Capim quicuio (Cenchrus clandestinus), antigamente chamado Pennisetum clandestinum) e azevém (Lolium perenne var. Samsum) e duas leguminosas: Trevina (Lotus uliginosus var. Maku) y trevo (Trifolium pratense), foram colhidas de duas parcelas diferentes em três fases diferentes de maturidade (jovem, intermedia e madura). Foi avaliada a produção de gás in vitro às 48 h e a proporção de metano foi determinada por cromatografia de gases. Os dados foram analisados com um delineamento em blocos ao acaso (parcelas) com um arranjo fatorial 4×3 (4 espécies × 3 fases de maturidade) utilizando o procedimento GLM de SAS®. Resultados: Trevina produz menos metano (p<0,01) que azevém, trevo o capim quicuio (35,5 vs 64,7, 55,7 ou 51,4 mL/g matéria orgânica degradada, respetivamente). Forragens jovens produzem menos metano que forragens com idade intermedia e matura (42,8 vs 56,3 y 56,4 mL/g matéria orgânica degradada, respetivamente). A concentração de celulosa e a digestibilidade da matéria orgânica explicaram o 67% (p<0,01) da produção de metano. Conclusão: A composição da pastagem, a concentração de taninos condensados e as mudanças nos padrões de fermentação podem explicar as diferencias na produção de metano in vitro entre espécies e maturidade de forragens.

Relationship between root exudation of organic carbon and physiological variables of irrigated rice cultivars / Relação entre exsudação radicular de carbono orgânico e variáveis fisiológicas de cultivares de arroz irrigado

ABSTRACT: Rhizospheric carbon resulting from root exudation is one of the substrates used by the soil microbiota, and reflects methane (CH4) emissions in anoxic environments such as irrigated rice cultivation. With the increase of the photosynthetic capacity of the plant in the reproductive period, there is greater accumulation of biomass which, in turn, increases the rate of root exudation. However, genotypic variations in the physiological aspects of rice plants may be related to the amount of root exudates. Ten cultivars of irrigated rice were evaluated for the exudation rate of total organic carbon (EXRToc), shoot dry matter (SDM), and physiological variables related to photosynthesis during the full flowering (blooming) period. Two experiments were conducted in the greenhouse of the Department of Soils of the UFSM (University of Santa Maria, Santa Maria, RS, Brazil) in a completely randomized experimental design. The cultivars presented significant differences in EXRToc, SDM, and all physiological variables as well as positive and significant correlations between EXRToc and physiological variables. Early cultivars were more inefficient in the physiological variables reflecting reduced values of EXRToc and SDM whereas medium-cycle cultivars were more efficient with larger EXRToc and SDM reflections.

RESUMO: O carbono rizosférico resultado da exsudação radicular é um dos substratos utilizados pela microbiota do solo, refletindo-se nas emissões de metano (CH4) em ambientes anóxicos, como no cultivo de arroz irrigado. Com o aumento da capacidade fotossintética da planta no período reprodutivo, ocorre acúmulo maior de biomassa, que por sua vez, impulsiona aumento na taxa de exsudação radicular. Entretanto, variações genotípicas nos aspectos fisiológicos das plantas de arroz podem se relacionar com a quantidade de exsudatos radiculares. Foram avaliadas dez cultivares de arroz irrigado quanto a taxa de exsudação de carbono orgânico total (TEXCOT), matéria seca da parte aérea (MSPA) e variáveis fisiológicas relacionadas com a fotossíntese no período de florescimento pleno. Dois experimentos foram conduzidos na casa de vegetação do Departamento de Solos da UFSM em delineamento experimental inteiramente casualizado. As cultivares apresentaram diferenças significativas na TEXCOT, na MSPA e em todas as variáveis fisiológicas, bem como, correlações positivas e significantes entre TEXCOT e as variáveis fisiológicas, sendo que as cultivares de ciclo precoce se mostraram mais ineficientes nas variáveis fisiológicas refletindo em valores reduzidos de TEXCOT e MSPA, enquanto que as cultivares de ciclo médio se mostraram mais eficientes com reflexos em maiores TEXCOT e MSPA.

Influência da razão DQO/[SO 4 2- ] e da concentração de Na + na remoção de matéria orgânica e sulfato em reator UASB / Influence of COD/[SO4 2-] ratio and Na+ concentration on organic matter and sulfate removal in UASB reactor

RESUMO O tratamento anaeróbio de efluentes industriais ricos em sulfato e sódio pode ser limitado por vários fatores, dentre os quais a relação DQO/sulfato, a concentração de SO4 2- e a concentração de sódio. Entre os fenômenos investigados estão a competição entre bactérias redutoras de sulfato e arquéias metanogênicas por substrato, a concentração de sulfeto gerado na sulfetogênese e a inibição por cátions. Este trabalho apresentou e discutiu os resultados da operação de um reator UASB, com volume útil de 10,5 L e vazão de 16,0 L.dia-1. Utilizou-se glicose, acetato e metanol (DQO≈2.000 mg.L-1), sob razão DQO/sulfato variando de 0,20 a 6,15, concentração de sulfato de 0,3 a 10,0 g.L-1 e concentração do cátion Na+ de 0,70 g.L-1 a 5,40 g.L-1. A eficiência de remoção de DQO foi mantida acima de 80%, e a concentração de sulfato removida ficou limitada a cerca de 800 mg.L-1 durante o período experimental. A atividade metanogênica específica do lodo (AME) foi de 0,630 gCH4-DQO.gSSV-1 até carga de sulfato de 0,300 gSO4 2-.L-1 e (razão DQO/sulfato de 6,15), declinando até atingir 0,168 gCH4-DQO.gSSV-1 (queda de 70%) na última fase com 10,000 gSO4 2-.L-1 (razão DQO/[SO4 2-] de 0,24) e concentração de Na+ de 5,41±0,10 g.L-1. O aumento crescente das concentrações de sódio e sulfato, mantendo-se a concentração de matéria orgânica constante, permitiu constatar a inibição da metanogênese por sódio e sulfeto, mesmo em concentrações abaixo das consideradas inibidoras individualmente. O efeito do sódio na estrutura do grânulo foi determinante na inibição da metanogênese observada.

ABSTRACT The anaerobic treatment of industrial wastewater presenting high concentrations of sulfate and sodium may be limited by several factors, including the ratio COD / [SO4 2-], the concentration of SO4 2- and the concentration of Na+. The competition between sulfate reducing bacteria and methanogenic archaea for substrate, the concentration of sulfide generated in sulfidogenesis, and the inhibition by cations are among the main phenomena that have been investigated. This paper presented and discussed the results of a UASB reactor with a volume of 10.5 L and flowrate of 16.0 L.day-1, subjected to increasing COD/sulfate ratio whereas influent COD was kept constant. Glucose, acetate and methanol (≈2,000 COD mg.L-1) were the carbon sources, and the COD/sulfate ratio ranged from 0.20 to 6.15 for sulfate concentrations of 0.3 to 10.0 g.L-1, Na + concentrations of 0.70 g.L-1 to 5.40 g.L-1. The COD removal efficiency was maintained above 80%, and the sulfate removal was limited to 800 mg.L-1 throughout the experimental period. The specific methanogenic activity (SMA) was 0.630 gCH4-DQO.gSSV-1 for 0.300 gSO4 2-.L-1 (COD/sulfate of 6.15), decreasing to 0.168 (70% decrease) in the last phase (COD /sulfate of 0.24) at concentrations of 10.000 gSO4 2-.L-1 and of Na+ 5.41±0.10 g.L-1. The progressive increase of sulfate and sodium concentrations at constant influent COD resulted in methanogenesis inhibition by sodium and sulfide, even at concentrations bellow the inhibition limits, if individually considered. The effect of sodium in the granule structure was determinant for methanogenesis inhibition.

Seasonal dynamics of methane in the water column of two subtropical lakes differing in trophic status / Dinâmica sazonal do metano na coluna d'água de dois lagos subtropicais em diferentes estados tróficos

Alterations in methane concentration in the water column of aquatic systems is closely linked to the processes of production and consumption of this gas, i.e., methanogenesis and methanotrophy respectively. The aim of this research is to evaluate methane dynamics through diurnal variation in the concentration of this gas in the water column of two lakes differing in trophic status at the campus of Fundação Universidade do Rio Grande (FURG). In two sampling periods (November 2001 and July 2002) methane concentrations in the water column were significantly higher (3.66 and 0.41 μmoles.L-1, respectively) at Lago dos Biguás, with mesoeutrophic features when related to Lago Polegar (1.43 and 0.19 μmoles.L-1, respectively) which has oligotrophic features. The higher methane concentrations were detected in November 2001 when higher temperature was also detected. The results highlighted the importance of trophic status as well as seasonality for the methane dynamics in these ecosystems.

As alterações na concentração de metano na coluna d'água nos ecossistemas aquáticos estão intimamente ligadas aos processos de produção e consumo deste gás, ou seja, à metanogênese e metanotrofia, respectivamente. Esta pesquisa tem como objetivo determinar a dinâmica do metano através da variação diurna da concentração deste gás na coluna d'água em dois lagos de diferentes estados tróficos do Campus da Fundação da Universidade do Rio Grande (FURG). Nos dois períodos de coleta (novembro de 2001 e julho de 2002), as concentrações de metano foram significativamente maiores no lago dos Biguás (3,66 e 0,41 μmoles.L-1, respectivamente) de caráter mesoeutrófico em relação ao lago Polegar (1,43 e 0,19 μmoles.L-1, respectivamente), de característica oligotrófica. Os maiores valores da concentração de metano na coluna d'água nos dois lagos foram observados no período de novembro de 2001, quando foram registrados também os maiores valores de temperatura. Estes resultados evidenciam tanto a importância do caráter trófico dos lagos quanto a sazonalidade em relação à dinâmica do metano nestes ecossistemas.

Variação diária da emissão de metano em solo cultivado com arroz irrigado no Sul do Brasil / Diurnal variation of methane emission from a paddy field under rice cultivation in the Southern Brazil

O metano (CH4 ) apresenta um potencial de aquecimento 23 a 32 vezes maior do que o dióxido de C e a sua emissão diária em lavouras de arroz varia com a temperatura do solo e da água, e o metabolismo das plantas. O objetivo deste estudo foi determinar o horário apropriado à coleta de amostras de ar para quantificar a emissão média diária de CH4, informação fundamental para estudos visando a derivação de índices regionais de emissão desse gás. Três campanhas de monitoramento da emissão de CH4, com coletas em intervalos de 3h, foram realizadas nos estágios de emissão da panícula (campanha 1) e de maturação de grãos (campanhas 2 e 3) do arroz sob diferentes sistemas de cultivo (convencional e plantio direto) na safra 2002/2003, na Estação Experimental do Instituto Rio Grandense do Arroz, em Cachoeirinha, RS. A coleta das amostras de ar foi realizada com seringas de poliestireno em câmaras de alumínio de 1m², sendo que as análises de metano foram realizadas por cromatografia gasosa. A emissão diária de CH4 apresentou padrão similar nas três campanhas de amostragem independente do sistema de cultivo. A faixa de emissão mínima (4-19mg CH4m-2 h-1) ocorreu entre as 24 horas e o início da manhã seguinte (9 horas), e a faixa de emissão máxima (8-33mg CH4 m-2 h-1) do início à metade da tarde (12-15 horas). A emissão de CH4 foi relacionada à temperatura da água de inundação (campanhas 1 e 3) e do solo (campanha 2). Com base nas curvas de emissão diária e considerando aspectos operacionais como a viabilidade de análise cromatográfica das amostras no período de 24h após a coleta, o intervalo entre 9 e 12 horas é recomendado para a avaliação das emissões de CH4 em lavouras de arroz irrigado quando objetiva-se a obtenção de valores equivalentes à emissão média diária desse gás. Acredita-se que a alta relação entre a temperatura e a emissão de metano valida esse procedimento para as sub-regiões produtoras de arroz no Sul do Brasil (região litorânea e Sul...

Methane (CH4) has a global warming potential 23 to 32 times higher than carbon dioxide and its emission rate in rice fields should vary daily with water and soil temperature, and plant metabolism. This study aimed to identify the appropriate time interval for air sampling in order to quantify the mean daily CH4 emission rate, key information to future studies aiming the derivation of regional indexes of CH4 emission. Three campaigns were performed to evaluate diurnal variation in CH4 emissions (3h interval) from continuously flooded rice (Oryza sativa L. cv. 'IRGA-422 CL') fields at different crop stages (panicle differentiation and ripening) and management systems (conventional tillage-CT and no-tillage-NT) during 2002/2003 crop season in long-term experiment at the Instituto Rio Grandense do Arroz (IRGA), in Cachoeirinha, RS, Brazil. Static chamber method was used and the air samples collected with polystyrene syringes were analyzed by gas chromatography. Methane emission showed a same diurnal pattern in the three campaigns in the both tillage systems. The maximum range of emission (8-33mg CH4m-2 h-1) was observed in the early afternoon (12.00 to 15.00p.m.) followed by a decline to a minimum around midnight to next morning (4-19mg CH4 m-2 h-1), in which fluxes were related to flood water temperature (campaign 1 and 3) or soil temperature (campaign 2). Taking into account the daily emission curves, plus operational aspects like chromatographic analysis of samples into the 24h period after air sampling, the time interval from 9.00 to 12.00a.m. is recommended to studies aiming to evaluate mean daily CH4 emission in rice fields. The close relationship between temperature and methane emission allows us infer about the suitability of the gas sampling procedure for the different rice sub-regions of South of Brazil (littoral region and south of RS, and south of SC) that present the same daily behavior of solar radiation and air temperature...