Avaliação dos teores de metais pesados no solo e na planta de cana-de-açúcar sob adubação com lodo de esgoto e vinhaça

The objective of this work was to evaluate Cd, Cr, Ni and Pb total contents in soil and sugar cane after four annual applications of sewage sludge and vinasse to supply all N and all K required by the crop. A field experiment was carried out on clayey Typic Haplustox. It was used a randomized block design with seven treatments and three replications. The treatments consisted in: (i) rate of sewage sludge to supply 100% of the N required by the crop; (ii) rate of sewage sludge to supply 200% of the N required; (iii) rate of vinasse to supply 100% of the K required; (iv) rate of vinasse to supply 200% of the K required; ( v) combination of the treatments ( i) and ( iii); ( vi) combination of the treatments ( ii) e ( iv); (vii) control ( mineral fertilization). The contents of Cd, Cr, Ni and Pb in sewage sludge reached maximum values of 1.58, 41.66, 35.17 and 45.25 mg kg(-1), respectively. These metals were not detected in vinasse. The residues were applied annually for four years. At the end of this period, sewage sludge and vinasse accumulated rates, that get up to 51 t ha(-1) and 762 m(3) ha(-1), respectively, did not cause alteration in Cd, Cr, Ni and Pb total contents in soil, up to 50 cm of depth, and in plant. Sewage sludge and vinasse application to supply N and K for sugar cane did not offer soil pollution risk by heavy metals.

Efeito da aplicação de composto orgânico sobre a qualidade do solo cultivado com cana-de-açúcar (Saccharum spp.)

A dinâmica ambiental possui capacidade limitada de reciclagem e a crescente utilização resíduos agroindustriais, especialmente na agricultura, pode levar a situações de poluição do solo e demais componentes ambientais. A manutenção da produtividade de ecossistemas agrícolas e naturais depende do processo de transformação da matéria orgânica e, por conseguinte, da biomassa microbiana do solo, e que é responsável pela decomposição e mineralização de resíduos no mesmo. A dinâmica natural dos microrganismos do solo, em constante mudança e adaptação, os torna um indicador sensível às mudanças resultantes de diferentes práticas de manejo agrícola. Sendo assim, conhecer essas alterações e suas interferências é fundamental para identificar estratégias adequadas de manejo, apontando técnicas de utilização adequadas. O objetivo deste trabalho foi avaliar a qualidade de um solo agrícola, cultivado com três variedades de cana-de-açúcar (Saccharum spp.), comparando a utilização de adubação mineral frente à utilização de fertilizante orgânico composto no período final de formação dos perfilhos (120 dias após o plantio). Foi implantado, em condições de campo, o cultivo de cana-de-açúcar (cana planta), utilizando as variedades RB 867515, RB 962869 e RB 855453, onde cada variedade foi cultivada de três formas distintas, sendo elas: plantio controle (CT) sem aplicação de insumos para adubação; plantio orgânico (OG) com aplicação de fertilizante orgânico; e plantio convencional (CV) com aplicação de adubação mineral, seguindo recomendações de adubação após análise química inicial do solo local. Cada parcela possuía 37 m2, com 5 sulcos de 5,0 m de comprimento e espaçamento de 1,5 m entrelinhas, sendo os três sulcos centrais formando a área útil. De acordo com a variedade e o tipo de adubação, foram formados nove tratamentos: T1 86CT, T2 96CT, T3 85CT, T4 6OG, T5 96OG, T6 85OG, T7 86CV, T8 96CV e T9 85CV, com delineamento estatístico de blocos ao acaso e quatro repetições. Os parâmetros químicos do solo analisados foram macronutrientes e micronutrientes; os parâmetros microbiológicos foram carbono da biomassa microbiana (CBM), respiração basal do solo (RBS), quociente metabólico (qCO2), número mais provável de fungos e bactérias do solo (NMP); e, por fim, a produtividade agrícola (t/ha). Os resultados foram submetidos a análise de variância (ANOVA) e à comparação das médias através do teste de Tukey (10%). Também foi realizada a análise de variância dos dados e correlação cofenética de Pearson para formação de dendogramas. Com base no período estudado, considerado como fase crítica da formação do canavial, concluiu-se que os parâmetros químicos que evidenciaram alterações no solo foram pH e os macronutrientes Mg, Al e SB, sendo os tratamentos orgânicos equivalentes e/ou melhores que os tratamentos convencionais. Para os parâmetros microbiológicos, o NMP de fungos apresentou os maiores valores nos tratamentos convencionais e controle. A produtividade agrícola não foi influenciada pelos diferentes tratamentos e insumos utilizados, independente da variedade de cana-de-açúcar utilizada. Por fim, foram observadas correlações positivas entre as variáveis CTC e quociente metabólico (qCO2) apontando potencial melhoria da qualidade do solo, com o emprego de insumos orgânicos

Como montar e usar a fossa séptica modelo Embrapa: cartilhas adaptadas ao letramento do produtor.

A fossa séptica modelo Embrapa é um sistema simples desenvolvido para tratar o esgoto dos banheiros de residências rurais com até sete pessoas. Com esta fossa o esgoto é lançado dentro de um conjunto de três caixas d?água ligadas uma a outra e não no solo, córrego ou rio, prática comumente observada em vários locais do País. Ao entrar neste conjunto de caixas d?água, o esgoto é tratado pelo processo de biodigestão que reduz muito a carga de agentes biológicos perigosos para a saúde humana. À medida que vários moradores rurais utilizarem fossas sépticas, espera-se reduzir a poluição do solo, córregos e rios. A natureza também ganha com a melhoria da qualidade do solo e água. Por isso, a fossa séptica é um instrumento de saúde pública e de melhoria da qualidade de vida no campo.

Efeitos da toxicidade por metais pesados em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii: diversidade e resposta de população isoladas de uma mina de chumbo

Nas últimas décadas verificou-se um aumento da contaminação dos solos com metais pesados resultante de processos antropogénicos. As descargas de efluentes industriais, a actividade mineira e a aplicação de lamas residuais e de fertilizantes são as principais fontes de metais pesados. Em certas regiões, a acumulação destes elementos nos solos tem atingido níveis preocupantes para o equilíbrio dos ecossistemas. Vários estudos têm demonstrado que os metais influenciam os microrganismos afectando adversamente o seu crescimento, morfologia e actividades bioquímicas resultando num decréscimo da biomassa e diversidade. Entre os microrganismos do solo, as bactérias pertencentes ao género Rhizobium têm um elevado interesse científico, económico e ecológico devido à sua capacidade para fixar azoto. Deste modo, o trabalho desenvolvido ao longo desta tese incidiu sobre o efeito da toxicidade imposta pelos metais nas bactérias fixadoras de azoto, em particular em Rhizobium leguminosarum bv. trifolii e teve como principais objectivos: determinar o efeito dos metais pesados na sobrevivência e na capacidade de fixar azoto dos isolados de rizóbio; avaliar a influência dos metais na diversidade das populações de rizóbio isoladas de solos contaminados; determinar os níveis de tolerância do rizóbio a diferentes metais e analisar a resposta ao stresse oxidativo imposto pelo cádmio. A Mina do Braçal foi o local de estudo escolhido uma vez que os seus solos estão muito contaminados com metais em resultado da extracção de minério durante mais de 100 anos. Foram escolhidos 3 solos com diferentes graus de contaminação, o solo BC com concentrações reduzidas de metais, escolhido por estar numa zona já fora da mina e designado por solo controlo e os solos BD e BA considerados medianamente e muito contaminados, respectivamente. O Pb e o Cd foram os metais predominantes nestes solos, assim como o metalóide As, cujas concentrações ultrapassaram largamente os limites previstos na lei. Sendo as enzimas do solo boas indicadoras da qualidade do mesmo, foi determinada a actividade de algumas como a desidrogenase (DHA) e a catalase (CAT). Ambas as enzimas correlacionaramse negativamente com as concentrações de metais nos solos. A dimensão das populações indígenas de rizóbio nos solos contaminados (BD e BA) foi bastante baixa, 9,1 bactérias g-1 de solo e 7,3 bactérias g-1 de solo, respectivamente, quando em comparação com a população do solo BC (4,24x104 bactérias g-1 de solo). Estes resultados parecem estar relacionados com o elevado conteúdo em metais e com o pH ácido dos solos. A capacidade simbiótica também foi afectada pela presença de metais, uma vez que os isolados originários do solo BD mostraram menor capacidade em fixar azoto do que os isolados do solo controlo. A diversidade das populações de rizóbio foi determinada com recurso à análise dos perfis de plasmídeos, perfis de REP e ERIC-PCR de DNA genómico e perfis de proteínas e lipopolissacarídeos. No conjunto dos 35 isolados analisados foram identificados 11 plasmídeos com pesos moleculares entre 669 kb e 56 kb. Embora a incidência de plasmídeos tenha sido superior nos isolados do solo BC verificou-se maior diversidade plasmídica na população isolada do solo BD. Resultados similares foram obtidos com os perfis de REP e ERIC-PCR e perfis de proteínas, que indicaram maior diversidade nas populações dos solos contaminados (BD e BA), contrariamente ao verificado por outros autores. O grau de tolerância aos metais pesados e ao arsénio dos vários isolados testados dependeu do metal e do local de origem. No geral, os isolados do solo BD mostraram maior tolerância aos metais do que os isolados do solo controlo, o que está de acordo com o esperado uma vez que geralmente as populações dos locais contaminados são mais tolerantes. Contudo, os isolados do local mais contaminado (BA) foram muito tolerantes apenas ao chumbo mostrando-se sensíveis aos restantes metais. A inoculação dos solos BC, BD e BA após irradiação com estirpes seleccionadas de rizóbio permitiu avaliar a sua sobrevivência ao longo de 12 meses em condições mais realistas. Verificou-se que após um decréscimo inicial, os isolados inoculados no solo BC conseguiram recuperar a dimensão das suas populações para números similares aos inicialmente introduzidos, contrariamente ao verificado no solo BD onde o número de rizóbios decresceu ao longo dos 12 meses. As condições adversas do solo BA apenas permitiram a sobrevivência de 4 isolados até aos 3 meses e apenas dois deles conseguiram sobreviver após 12 meses, designadamente C 3-1 e A 17-3. Estes isolados possuem um plasmídeo de 669 kb que poderá estar na base da sobrevivência destas estirpes. Por outro lado, o último isolado é originário do solo contaminado e por isso estará também mais adaptado a sobreviver às elevadas concentrações de Pb existentes no solo BA. Por fim, constatou-se que o cádmio, um dos metais presente em concentrações mais elevadas nos solos em estudo, é um indutor de stresse oxidativo nos isolados de rizóbio menos tolerantes o que foi confirmado pelo aumento de ROS e danos celulares ao nível dos lípidos.

Cartografia geoquímica da ilha de Santiago com uma densidade de amostragem média/baixa

A ilha de Santiago é a maior do arquipélago de Cabo Verde, apresenta uma área de 991 km2, com um comprimento e largura máximos de 54,9 km e 29 km, respectivamente, e 1392 m de maior altitude. As condições climáticas e a erosão são alguns dos problemas naturais do arquipélago de Cabo Verde. Além disso, a intervenção humana no ambiente superficial revela-se muitas vezes inadequada e com forte impacto. A construção em solos com aptidão agrícola ou florestal, as actividades industriais, a deposição de materiais sólidos ou líquidos de forma inadequada, as práticas agrícolas incorrectas e intensivas, o uso abusivo de pesticidas e fertilizantes, a rega com água contaminada, a sobreexploração de aquíferos que levam muitas vezes à salinização, etc. têm enorme impacto em termos de contaminação de solos, águas superficiais e subterrâneas nas áreas envolventes. Por conseguinte, o conhecimento da variabilidade geoquímica natural é fundamental para a resolução de questões de índole económica, ambiental e de ordenamento do território, médica, e jurídica. A necessidade de construir uma base de dados de geoquímica georeferenciada que caracterize o ambiente superficial da ilha de Santiago foi a principal motivação para a realização deste estudo. Realizou-se um levantamento geoquímico de 337 amostras de sedimentos de corrente e 249 amostras de solos na ilha de Santiago, tendo sido seguidas as recomendações do Projecto Internacional IGCP 259 não só na fase de amostragem, mas também nas fases seguintes de preparação, análise, tratamento dos dados e elaboração de mapas. Determinaram-se os teores, na fracção < 2 mm, para 36 elementos – 9 elementos maiores (Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, Ti) e 27 elementos vestigiais (Ag, As, Au, B, Ba, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Ga, Hg, La, Mo, Ni, Pb, S, Sb, Sc, Se, Sr, Th, Tl, U, V, W, Zn). Efectuou-se ainda a análise textural e estudou-se a composição mineralógica de cerca de 25% das amostras. Analisaram-se, também, 103 amostras de rochas, colhidas nas várias formações da ilha de Santiago, tendo sido determinados os teores de K2O, Na2O, Fe2O3(T), MnO, Sc, Cr, Co, Zn, Ga, As, Br, Rb, Zr, Sb, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Th e U e REE, a fim de se fazer uma comparação com os teores destes elementos encontrados nos solos e sedimentos de corrente, averiguando se a sua variação é ou não essencialmente condicionada pela geoquímica da rocha-mãe. Os padrões geoquímicos obtidos através dos mapas de distribuição espacial foram correlacionados com a natureza da rocha mãe, o tipo de solo, e ainda com algumas fontes de contaminação. A interpretação dos resultados foi realizada não só pela observação dos mapas geoquímicos, mas também após análise estatística dos conjuntos de dados obtidos, e apoiada em informação diversa disponível. A utilização da Análise de Componentes Principais permitiu distinguir associações entre elementos químicos, quer de origem geogénica quer antropogénica. Foram ainda elaborados mapas de distribuição espacial de vários índices multielementares de importância ambiental, como o Índice de Acidificação Al/(Ca+Mg+K), Índice de Combi, Índice de Avaliação de Risco Ambiental e Índices de Enriquecimento/Contaminação para vários grupos de elementos considerados como “primary pollutant metals”.

Contaminated soil exposure assessment in Portugal and in the EU

Este estudo baseou-se na análise dos mecanismos de transferência de elementos potencialmente tóxicos (PTE’s) entre o solo, a solução do solo e as plantas como forma de realizar uma avaliação mais eficaz do risco em áreas agrícolas. Foram aplicados conceitos recentemente desenvolvidos para a avaliação da reactividade biogeoquímica de contaminantes no solo e da sua partição sólido:solução recorrendo-se a modelos empíricos (tipo Freundlich). Estes modelos permitiram analisar a transferência de PTE’s ao longo da cadeia alimentar e avaliar o impacto da contaminação do solo na qualidade da alimentação animal (forragens) e Humana (vegetais e carne) em Portugal. Os modelos empíricos de transferência solo-planta de PTE’s foram utilizadas para obter limites críticos para estes elementos em solos agrícolas em Portugal, a partir dos seus limites legais nos alimentos para animais e teores máximos nos géneros alimentícios. Simultaneamente, modelos de exposição Humana a contaminantes do solo, desenvolvidos noutros países da UE foram analisados e foi proposto um modelo de exposição para Portugal. Este trabalho é uma contribuição para o desenvolvimento de critérios de qualidade de solos para áreas agrícolas em Portugal, tendo em vista a protecção da saúde animal e Humana. Contribuiu também para o desenvolvimento de uma estratégia de harmonização de políticas de protecção do solo (nomeadamente no que diz respeito aos problemas de contaminação) na União Europeia.

Thiram in the environment: effect of humic substances and Cu(II) ions

Em Portugal, o tirame é um dos fungicidas mais utilizados, cujas vendas aumentaram significativamente nos últimos anos, sendo também um dos fungicidas mais utilizados em todo o mundo. No entanto, em comparação com outros pesticidas, existe falta de informação na literatura sobre o seu comportamento em sistemas ambientais, nomeadamente, no que diz respeito à sua degradação no solo ou em águas e produtos a que dá origem. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi estudar a influência das substâncias húmicas e iões cobre no comportamento e destino do tirame no meio ambiente. Foram realizados vários estudos para analisar o comportamento do tirame em solos com diferentes conteúdos de matéria orgânica e de iões cobre, e em águas naturais, estudando como as substâncias húmicas, os iões cobre e a luz solar podem afetar a sua degradação. Os estudos de adsorção-desadsorção do tirame nos solos revelaram que a matéria orgânica do solo e o conteúdo de cobre afetavam os processos de adsorção-desadsorção do tirame, influenciando a sua lixiviação e persistência no solo. De facto, verificou-se que o teor de cobre do solo tinha um efeito bastante marcante no processo de adsorçãodesadsorção do tirame. Verificou-se a ocorrência de reações entre o tirame e os iões cobre, cuja extensão durante os estudos de adsorção pode ser fortemente dependente do teor de cobre do solo e da concentração inicial de tirame em solução. Assim, a escolha do tempo de equilíbrio em estudos de adsorção e a determinação das isotérmicas de adsorção ao solo torna-se uma tarefa difícil. Além disso, os complexos formados com o cobre existente no solo são persistentes, não sendo facilmente lixiviados para as águas subterrâneas. Conclui-se que os iões cobre(II) podem contribuir para a imobilização do tirame no solo e o aumento da persistência dos seus resíduos ligados ao cobre. A partir de estudos de recuperação do tirame em águas naturais verificou-se a ocorrência de uma rápida degradação do tirame, devido provavelmente aos iões metálicos, nomeadamente, iões cobre. Verificou-se que dependendo da razão tirame:Cu podiam ocorrer dois processos: (i) complexação entre o tirame e o cobre, quando não há excesso de iões cobre, sendo o complexo formado mais persistente que o tirame; (ii) ou, quando há um grande excesso de iões cobre, a degradação do tirame e a estabilização dos produtos de degradação por complexação, podendo formar-se complexos que permanecem sem alteração em solução durante pelo menos dois meses. No geral, foi possível, pela primeira vez, identificar alguns dos complexos de cobre formados ao longo do tempo. Por fim, estudou-se a cinética de fotodegradação do tirame em solução aquosa sob a ação da luz solar e identificaram-se, pela primeira vez, três fotoprodutos. Verificou-se um aumento da velocidade de fotodegradação do tirame na presença de substâncias húmicas. Assim, podemos concluir que a matéria orgânica, os iões cobre(II) e a luz solar têm um efeito importante no comportamento do tirame no meio ambiente. Contudo, os iões cobre têm um efeito mais marcante na degradação e persistência dos produtos que são formados.

Study of the Cd complexation mechanism by glutathione in Rhizobium leguminosarum

A associação simbiótica de plantas leguminosas com bactérias do género Rhizobium é o maior e mais eficiente contribuinte de azoto fixado biologicamente (Somasegaran e Hoben, 1994; Zahran, 1999). No entanto, o constante aumento da poluição em solos agrícolas, nomeadamente a contaminação por metais devido à aplicação de fertilizantes e de lamas, está a tornar-se um problema ambiental cada vez mais preocupante (Alloway, 1995a; Giller et al., 1998; Permina et al., 2006; Thorsen et al., 2009; Wani et al., 2008), influenciando de forma negativa a persistência destas bactérias nos solos agrícolas, assim como a sua eficácia de nodulação (Broos et al., 2005; Wani et al., 2008;. Zhengwei et al., 2005). Desta forma, o estudo dos mecanismos de tolerância de Rhizobium a metais tornou-se uma área de investigação de elevada importância. Com o trabalho apresentado nesta tese pretendeu-se perceber melhor a tolerância Rhizobium leguminosarum ao cádmio (Cd), dando particular atenção a um mecanismo de tolerância previamente descrito em R. leguminosarum (Lima et al., 2006): a complexação intracelular de Cd pelo tripéptido glutationa (GSH). Assim, o principal objectivo deste trabalho foi perceber melhor qual a importância deste mecanismo nos níveis de tolerância de rizóbio ao Cd. Como já tinha sido descrito em trabalhos anteriores (Figueira et al., 2005; Lima et al., 2006), foi possível verificar que a estirpe mais tolerante ao metal apresenta níveis mais elevados de Cd e GSH intracelulares. Demonstrou-se ainda que a tolerância ao Cd está dependente da maior eficiência no mecanismo de complexação observada na estirpe tolerante, logo durante as primeiras 12 h de crescimento. Gomes et al. (2002) verificou que a acumulação de complexos GSH-Cd no citoplasma inibe a entrada de metal na célula. Como neste trabalho se observou um aumento nos níveis de Cd intracelular na estirpe tolerante ao longo do tempo, surgiu a hipótese dos complexos serem excretados para o espaço periplasmático. Os elevados níveis de GSH e de Cd determinados no espaço periplasmático corroboraram esta hipótese. Neste trabalho demonstrou-se ainda que a eficácia do mecanismo de complexação, depende da actividade enzimática de uma isoforma específica de GST, que apresentou um elevado acréscimo de actividade na presença do metal. Desta forma, os resultados desta tese indicam que, a maior tolerância de R. leguminosarum ao Cd, depende da capacidade das estirpes para induzir a síntese de GSH na presença de Cd e, simultaneamente aumentar a actividade enzimática da GST específica, optimizando assim o mecanismo de complexação de Cd intracelular.

Challenges in mercury speciation and fractionation in soil and sediment

This investigation focused on the development, test and validation of methodologies for mercury fractionation and speciation in soil and sediment. After an exhaustive review of the literature, several methods were chosen and tested in well characterised soil and sediment samples. Sequential extraction procedures that divide mercury fractions according to their mobility and potential availability in the environment were investigated. The efficiency of different solvents for fractionation of mercury was evaluated, as well as the adequacy of different analytical instruments for quantification of mercury in the extracts. Kinetic experiments to establish the equilibrium time for mercury release from soil or sediment were also performed. It was found that in the studied areas, only a very small percentage of mercury is present as mobile species and that mobility is associated to higher aluminium and manganese contents, and that high contents of organic matter and sulfur result in mercury tightly bound to the matrix. Sandy soils tend to release mercury faster that clayey soils, and therefore, texture of soil or sediment has a strong influence on the mobility of mercury. It was also understood that analytical techniques for quantification of mercury need to be further developed, with lower quantification limits, particularly for mercury quantification of less concentrated fractions: water-soluble e exchangeable. Although the results provided a better understanding of the distribution of mercury in the sample, the complexity of the procedure limits its applicability and robustness. A proficiency-testing scheme targeting total mercury determination in soil, sediment, fish and human hair was organised in order to evaluate the consistency of results obtained by different laboratories, applying their routine methods to the same test samples. Additionally, single extractions by 1 mol L-1 ammonium acetate solution, 0.1 mol L-1 HCl and 0.1 mol L-1 CaCl2, as well as extraction of the organometallic fraction were proposed for soil; the last was also suggested for sediment and fish. This study was important to update the knowledge on analytical techniques that are being used for mercury quantification, the associated problems and sources of error, and to improve and standardize mercury extraction techniques, as well as to implement effective strategies for quality control in mercury determination. A different, “non chemical-like” method for mercury species identification was developed, optimised and validated, based on the thermo-desorption of the different mercury species. Compared to conventional extraction procedures, this method has advantages: it requires little to no sample treatment; a complete identification of species present is obtained in less than two hours; mercury losses are almost neglectable; can be considered “clean”, as no residues are produced; the worldwide comparison of results obtained is easier and reliable, an important step towards the validation of the method. Therefore, the main deliverables of this PhD thesis are an improved knowledge on analytical procedures for identification and quantification of mercury species in soils and sediments, as well as a better understanding of the factors controlling the behaviour of mercury in these matrices.

Effect assessment of nanoparticles toxicity in the terrestrial compartment

Over 11 million tons of nanomaterials (NMs) have been produced in 2012 and predictions point the increase in production. Despite predictions and extended usage via consumer products and industry, the understanding of the potential impact of these materials on the environment is virtually absent. The main aim of this thesis is to understand how a selected group of nanomaterials (metal based particles) may impact soil invertebrates, with special focus on the mechanisms of response. Since a case-by-case Environmental Risk Assessment (ERA) of all the emerging contaminants (particularly NMs) is impossible, among others due to time and cost reasons, to gain understanding on the mechanism of action and response is very important to reach a common paradigm. Understanding the modes of action provides predictive characters in cross particle extrapolation. Besides, it also provides insight for the production of new and sustainable materials. Overall, the effects of the selected NMs (Copper and Silver, Titanium and Zirconium oxides) and the respective salt forms, were investigated at the gene expression (using high-throughput tools, microarray and qPCR technology), biochemical (using enzymatic assays for analysis of oxidative stress markers) and organism (survival and reproduction as in OECD test guidelines) levels, this using standard soil species (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus, Eisenia fetida). Gene expression analysis provided valuable information on the mechanisms affected by each of the NMs. The gene expression profile highlighted a (nano)material signature and the effect of the duration of exposure. The functional analyses integrated with the biochemical and organism data, revealed a good understanding power. The biochemical parameters (oxidative stress related) were distinct across the materials and also influenced by duration of exposure and concentration. The standardized organismal responses differed the least between the various materials. The overall outcome is that, in this context of NMs effect assessment, gene expression and enzymatic assays introduced a very important knowledge gap, which could not had been achieved by the standard organismal effects alone. A reoccurring issue with some metal based NMs is the possible dissolution and subsequent release of ions that then causes toxicity e.g. Cu-NPs or Ag-NPs release Cu2+ or Ag+. The oxidation state of the particles was investigated, although this was not the focus of the thesis. The study of fate, e.g. dissolution of NPs, is also only in its beginning and the appropriate techniques are currently being developed. The results showed a specific nanoparticle effect. The UV exposure with titanium dioxide nanoparticles increased its effect.

Derivation of soil screening values for metals in Portuguese natural soil

The increasing human activity has been responsible by profound changes and a constinuos degradation of the soil compartment in all the European territory. Some European policies are appearing focusing soil’s protection and the management of contaminated sites, in order to recover land for other uses. To regulate the risk assessment and the management of contaminated soils, many European member states adopted soil guideline values, as for example soil screnning values (SSV).These values are particularly useful for the the first tier of the Ecological Risk Assessment (ERA) processes of contaminated sites,especially for a first screening of sites requiring a more site-specific evaluation. Hence, the approriate definition of regional SSVs will have relevant economic impacts in the management of contaminated sites. Portugal is one of European Member States that still lack these soil guideline values. In this context, this study gaves a remarkable contribution in the generation of ecotoxicological data for soil microbiological parameters, terrestrial plants and invertebrates for the derivation of SSVs for uranium (U), cadmium (Cd) and copper (Cu), using a Portuguese natural soil, representative of a dominant type of soil in the Portuguese territory. SSVs were derived based on two methods proposed by the the Technical Guidance Document for Risk Assessment of the European Commission; namely the assessment factor method (AF) and the species sensitivity distribution (SSD) method (with some adaptations). The outputs of both methods were compared and discussed. Further, this study laid the foundation for a deeper reflection about the cut-off (hazard concentration for a given percentage of species - HCps) to be estimated from the SSDs, and to be selected for the derivation of SSVs, with the adequate level of protection. It was proven that this selection may vary for different contaminants, however a clear justification should be given, in each case. The SSvs proposed in this study were for: U (151.4 mg U kg-1dw), Cd (5.6 mg Cd kg-1dw), and Cu (58.5 mg Cu kg-1dw) These values should now be tested for their descriminating power of soils with different levels of contamination. However, this studies clarifies the approach that should be followed for the derivation of SSVs for other metals and organic contaminants, and for other dominant types of Portuguese natural soils.

The effects of chemicals in isopods : a multi-organizational evaluation

The global aim of this thesis was to evaluate and assess the effects of a pesticide (dimethoate) and a metal (nickel), as model chemicals, within different organization levels, starting at the detoxification pathways (enzymatic biomarkers) and energy costs associated (energy content quantification, energy consumption and CEA) along with the physiological alterations at the individual and population level (mortality), leading to a metabolomic analysis (using liquid 1H-NMR) and finally a gene expression analysis (transcriptome and RT-qPCR analysis). To better understand potential variations in response to stressors, abiotic factors were also assessed in terrestrial isopods such as temperature, soil moisture and UV radiation. The evaluation performed using biochemical biomarkers and energy related parameters showed that increases in temperature might negatively affect the organisms by generating oxidative stress. It also showed that this species is acclimated to environments with low soil moisture, and that in high moisture scenarios there was a short gap between the optimal and adverse conditions that led to increased mortality. As for UV-R, doses nowadays present have shown to induce significant negative impact on these organisms. The long-term exposure to dimethoate showed that besides the neurotoxicity resulting from acetylcholinesterase inhibition, this stressor also caused oxidative stress. This effect was observed for both concentrations used (recommended field dose application and a below EC50 value) and that its combination with different temperatures (20ºC and 25ºC) showed different response patterns. It was also observed that dimethoate’s degradation rate in soils was higher in the presence of isopods. In a similar study performed with nickel, oxidative stress was also observed. But, in the case of this stressor exposure, organisms showed a strategy where the energetic costs necessary for detoxification (biomarkers) seemed to be compensated by positive alterations in the energy related parameters. In this work we presented for the first time a metabolomic profile of terrestrial isopods exposed to stressors (dimethoate and niquel), since until the moment only a previous study was performed on a metabolomic evaluation in nonexposed isopods. In the first part of the study we identify 24 new metabolites that had not been described previously. On the second part of the study a metabolomic profile variation of abstract non-exposed organism throughout the exposure was presented and finally the metabolomic profile of organisms exposed to dimethoate and nickel. The exposure to nickel suggested alteration in growth, moult, haemocyanin and glutathione synthesis, energy pathways and in osmoregulation. As for the exposure to dimethoate alterations in osmoregulation, energy pathways, moult and neurotransmission were also suggested. In this work it was also presented the first full body transcriptome of a terrestrial isopod from the species Porcellionides pruinosus, which will complement the scarce information available for this group of organisms. This transcriptome also served as base for a RNA-Seq and a RT-qPCR analysis. The results of the RNA-Seq analysis performed in organisms exposed to nickel showed that this stressor negatively impacted at the genetic and epigenetic levels, in the trafficking, storage and elimination of metals, generates oxidative stress, inducing neurotoxicity and also affecting reproduction. These results were confirmed through RT-qPCR. As for the impact of dimethoate on these organisms it was only accessed through RT-qPCR and showed oxidative stress, an impact in neurotransmission, in epigenetic markers, DNA repair and cell cycle impairment. This study allowed the design of an Adverse Outcome Pathway draft that can be used further on for legislative purposes.

Organic contaminants in urban soils: major inputs and potential risks

Urban soil quality may be severely affected by hydrophobic organic contaminants (HOCs), impairing environmental quality and human health. A comprehensive study was conducted in two contrasting Portuguese urban areas (Lisbon and Viseu) in order to assess the levels and potential risks of these contaminants, to identify sources and study their behaviour in soils. The concentrations of HOCs were related to the size of the city, with much higher contamination levels observed in Lisbon urban area. Source apportionment was performed by studying the HOCs profiles, their relationship with potentially toxic elements and general characteristics of soil using multivariate statistical methods. Lisbon seems to be affected by nearby sources (traffic, industry and incineration processes) whereas in Viseu the atmospheric transport may be playing an important role. In a first tier of risk assessment (RA) it was possible to identify polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Lisbon soils as a potential hazard. The levels of PAHs in street dusts were further studied and allowed to clarify that traffic, tire and pavement debris can be an important source of PAHs to urban soils. Street dusts were also identified as being a potential concern regarding human and environmental health, especially if reaching the nearby aquatic bodies. Geostatistical tools were also used and their usefulness in a RA analysis and urban planning was discussed. In order to obtain a more realistic assessment of risks of HOCs to environment and human health it is important to evaluate their available fraction, which is also the most accessible for organisms. Therefore, a review of the processes involved on the availability of PAHs was performed and the outputs produced by the different chemical methods were evaluated. The suitability of chemical methods to predict bioavailability of PAHs in dissimilar naturally contaminated soils has not been demonstrated, being especially difficult for high molecular weight compounds. No clear relationship between chemical and biological availability was found in this work. Yet, in spite of the very high total concentrations found in some Lisbon soils, both the water soluble fraction and the body residues resulting from bioaccumulation assays were generally very low, which may be due to aging phenomena. It was observed that the percentage of soluble fraction of PAHs in soils was found to be different among compounds and mostly regulated by soil properties. Regarding bioaccumulation assays, although no significant relationship was found between soil properties and bioavailability, it was verified that biota-to-soil bioaccumulation factors were sample dependent rather than compound dependent. In conclusion, once the compounds of potential concern are targeted, then performing a chemical screening as a first tier can be a simple and effective approach to start a RA. However, reliable data is still required to improve the existing models for risk characterization.

Balanço de nutrientes em uma sub-bacia com concentração de suínos e aves como instrumento de gestão ambiental

A região Oeste de Santa Catarina é reconhecida nacionalmente pela agricultura familiar. Porém, quando o tema é meio ambiente, é destaque como uma das regiões com maior poluição de suas águas superficiais. E é justamente nas atividades agrícolas onde se localizam as principais fontes desta poluição, com destaque para os dejetos de suínos, a erosão dos solos e o uso de agrotóxicos. A produção concentrada de aves e suínos tem gerado grandes excedentes de dejetos. Principalmente a suinocultura, devido à produção concentrada de grande quantidade de dejetos líquidos (com baixa concentração de matéria seca) de difícil manejo, tem contribuído para a contaminação dos recursos hídricos da região com matéria orgânica, nutrientes e metais pesados. O principal destino dos dejetos é o seu uso como fertilizante agrícola. Porém devido a grande contaminação das águas superficiais, essa prática ou não vem sendo adotada de forma adequada, ou não é suficiente para dar resposta a totalidade da produção de dejetos. O uso dos dejetos como fertilizante implica na integração da produção vegetal e animal. A capacidade de reciclar nutrientes nos sistemas de cultura define a quantidade de dejeto que pode ter esse destino e, caso essa seja a única opção de uso, passa a existir uma relação direta entre a área disponível para sua disposição e o número de animais que podem ser criados nessa área. O balanço de massas de nutrientes (nitrogênio e fósforo) aproximado é um instrumento capaz de estimar os excedentes de nutrientes produzidos nas criações animais, levando em conta informações locais nesta determinação. Da mesma forma, ao ser aplicado sobre os sistemas de culturas, estima a quantidade de nutrientes que podem ser reaproveitados nestes. O balanço foi aplicado de forma simplificada, sendo a entrada de nutrientes dada pelos insumos (alimentação animal e adubos) que ingressam na propriedade (atividade ou bacia hidrográfica) e a saída de nutrientes pelos produtos animais (carne, leite ...) e vegetais que saem da propriedade (atividade ou sub-bacia hidrográfica). O balanço de nutrientes, ao ser aplicado nas atividades bovinocultura e suinocultura em unidades de produção da região, foi sensível às variações de manejo que ocorrem nas atividades. Principalmente na suinocultura é possível, a partir do balanço, estabelecer relações entre variáveis do rebanho e os excedentes de nutrientes produzidos. No estudo de caso da sub-bacia do Lajeado dos Fragosos, a aplicação do balanço de N e P identificou grande variação entre as unidades de produção, tanto na capacidade de reciclagem dos sistemas de culturas atuais dessas unidades como na quantidade de nutrientes produzidos nas unidades de produção pelas criações animais, resultando em saldos de nutrientes diferenciados. Mais de 60% das unidades de produção exportam via produtos vegetais (considerando a produtividade média da região) menos de 25% dos excedentes de N e P provenientes dos sistemas de criação. Na sub-bacia do Lajeado dos Fragosos, a exportação via produtos vegetais (considerando a produtividade média da região) é da ordem de 11,2% do N e 9% do P excedentes da produção animal. O aumento da produtividade vegetal, a reordenação do uso do solo, respeitando a sua aptidão, porém priorizando a utilização de dejetos, proporcionaria um aumento na exportação de N e P na sub-bacia em 126% e 129%, respectivamente, porém a exportação vegetal passaria a representar somente 24% do N e 18% do P excedente da pecuária. Mesmo considerando uma reorientação da produção de leite da região, tornando-a uma atividade exportadora de nutrientes, ainda haveria um excedente de P equivalente a três vezes o que é exportado da sub-bacia via produção vegetal e bovinocultura de leite. Os resultados obtidos pelo balanço de nutrientes indicam a necessidade de outras medidas, além da utilização dos dejetos como fertilizantes, tanto em unidades de produção individuais como na sub-bacia como um todo, caso contrário os riscos de poluição do solo e dos recursos hídricos com nitrogênio e fósforo são inevitáveis. A tendência à concentração tanto da suinocultura como da avicultura tem na questão ambiental um sério entrave. Para muitas regiões, atualmente, é necessário desconcentrar a produção, ou tomar medidas como o tratamento dos dejetos e/ou o transporte desses para regiões onde haveria demanda por nutrientes.

Beneficiamentos da cinza de casca de arroz residual com vistas à produção de cimento composto e/ou pozolânico

A cinza de casca de arroz é um resíduo agro-industrial decorrente do processo de queima da casca de arroz, sendo largamente encontrada no Rio Grande do Sul, pois, historicamente, este Estado é o maior produtor de arroz no Brasil, com cerca de 45% da produção nacional. Empregada como fonte de energia, a casca de arroz é queimada em diversas empresas; algumas, devido à sua natureza, incorporam a cinza ao produto, mas a maioria não encontra outro destino que não o descarte em forma de aterro, criando, assim, um problema ambiental de poluição do solo, do ar e de rios e córregos. No entanto, devido à presença de elevado percentual de sílica (SiO2) na sua constituição, a cinza de casca de arroz pode ter vários empregos. Na construção civil, pode ser empregada como pozolana, conforme vários estudos já vêm demonstrando. Porém, encontra restrições por motivos como sua cor escura, que confere aos cimentos, argamassas e concretos aos quais é adicionada, uma coloração também escura, e a falta de uniformidade apresentada em termos de características químicas e, principalmente, mineralógicas. A cor escura não é um problema de ordem técnica, mas estética e de aceitação no mercado. Já a composição mineralógica está associada à atividade pozolânica e a falta de uniformidade do material disponível implica na incerteza do grau de reatividade. Este trabalho teve o objetivo de verificar a viabilidade técnica do emprego de cinzas de casca de arroz residuais na confecção de cimentos Portland composto e/ou pozolânico, a partir de beneficiamentos das mesmas, que associam tratamentos físicos, químicos e/ou térmicos, os quais têm como finalidade reverter e/ou minimizar os aspectos negativos citados. Para tanto, foram empregadas três cinzas de casca de arroz, oriundas de diferentes processos de produção e com composições mineralógicas distintas. Após definidos os tratamentos a serem aplicados, através de seleção pelos critérios de cor e composição mineralógica, as cinzas tratadas foram avaliadas quanto à sua pozolanicidade, pelo Índice de Atividade Pozolânica (IAP) da NBR 5752 e também por um IAP alterado, proposto neste trabalho. A produção de cimentos com CCA beneficiada se deu a partir de um cimento base com substituição por CCA, em massa e em diferentes percentuais. Tais cimentos foram avaliados quanto à resistência à compressão, aos tempos de pega, à pozolanicidade e à expansibilidade a quente. A análise dos dados obtidos indica que os tratamentos propostos e/ou a associação deles resultam em beneficio no desempenho das cinzas, em pelo menos um dos vários aspectos considerados. A presente pesquisa permite concluir que as CCA residuais têm potencial para serem empregadas na produção de cimentos, tanto aquelas menos cristalinas, quanto as mais cristalinas. Para tanto, devem ser beneficiadas, sendo pelo menos submetidas a tratamento físico para redução de sua granulometria. Se outros objetivos forem pretendidos, como coloração clara, os tratamentos térmico ou químico podem ser empregados.