Extração e estrutura dos polissacarídeos do resíduo do café com atividade imunoestimuladora

As galactomananas das infusões de café apresentam atividade imunoestimuladora in vitro, sendo esta atividade semelhante à das mananas acetiladas extraídas de Aloe vera. As galactomananas presentes no resíduo de café também possuem atividade imunoestimuladora in vitro quando são parcialmente acetiladas. Como as galactomananas são o componente maioritário do resíduo de café e como o café é um produto de largo consumo a nível mundial, o reaproveitamento deste resíduo como fonte de galactomananas com atividade imunoestimuladora deve ser considerado. Esta dissertação procura dar resposta a duas questões: 1. Quais são as estruturas das galactomananas responsáveis pela atividade imunoestimuladora destes polissacarídeos; e 2. Como é que as galactomananas podem ser extraídas quantitativamente do resíduo de café de modo a serem solúveis em água à temperatura ambiente e, assim, poderem ser utilizadas como ingredientes alimentares com atividade imunoestimuladora. A questão 1 foi respondida pela caracterização estrutural de quatro galactomananas, de três origens: a) as galactomananas das infusões de café e do resíduo que apresentaram atividade imunoestimuladora; b) a galactomanana da goma de alfarroba (LBG), que não apresentou atividade imunoestimuladora; e c) a manana acetilada de Aloe vera, que apresentou atividade imunoestimuladora. Estes polissacarídeos foram submetidos à análise de açúcares e de ligações glicosídicas e a hidrólise por endo-β-D- (1→4)-mananase. Os fragmentos de oligossacarídeos mais pequenos foram ainda analisados por espetrometria de massa por ionização de electrospray e espetrometria de massa tandem. As galactomananas das infusões de café, do resíduo de café e do Aloe vera apresentaram grau de ramificação e peso molecular semelhantes, enquanto as galactomananas da LBG apresentaram grau de ramificação e de polimerização maiores. Todas as galactomananas apresentaram resíduos de arabinose como ramificação. O grau de acetilação das galactomananas da LBG foi vestigial enquanto as galactomananas do Aloe vera apresentaram um grau de acetilação de 2,08; para as galactomananas do resíduo de café o grau de acetilação foi de 0,98 e para as infusões foi de 0,08. A localização dos grupos acetilo foi irregular em todos os polímeros. Os resultados obtidos permitem inferir que baixos níveis de ramificação, cadeias pequenas e alguma acetilação parecem promover a atividade imunoestimuladora atribuída às galactomananas. Para responder à questão 2, foi testada uma metodologia que envolveu a torra do resíduo de café a 160 ºC e a 220 ºC e a sua extração com água quente e com soluções de 4 M NaOH à temperatura de 20, 60 e 120 ºC. A torra do resíduo a 160 ºC e a extração sequencial permitiu extrair 56% das galactomananas presentes no resíduo de café e, simultaneamente, 54% das arabinogalactanas. As galactomananas mantiveram a sua estrutura caraterística de polissacarídeo acetilado composto por uma cadeira principal de resíduos de manose em ligação β-(1→4) e resíduos de Gal e Ara nas cadeias laterais. A 220 ºC, as galactomananas foram parcialmente degradadas e o rendimento de extração foi muito menor do que a 160 ºC. No entanto, mesmo a esta temperatura as galactomananas apresentaram resíduos acetilados e a presença de pentoses nas cadeias laterais, o que permite inferir a elevada resistência destes polissacarídeos à temperatura e aos reagentes alcalinos. De forma a melhor compreender a estabilidade térmica das galactomananas do resíduo de café e a influência que a presença de arabinogalactanas pode ter na sua estabilidade, foi feita uma análise termogravimétrica aos polissacarídeos extraídos do resíduo de café assim como a polissacarídeos relacionados estruturalmente com estes, como a celulose, a galactomanana de LBG e a goma arábica, uma arabinogalactana. As galactomananas são termicamente estáveis durante 3 h a 200 ºC, enquanto as arabinogalactanas são estáveis a 180 ºC. De acordo com os perfis dos termogramas obtidos, e pelo cálculo das energias de ativação da degradação térmica, o resíduo de café apresenta uma estabilidade térmica menor do que a galactomanana, possivelmente devido à presença de arabinogalactanas. Apesar de não se ter verificado alterações no termograma da galactomanana do café submetida a um tratamento térmico de 200 ºC durante 3 h, verificam-se alterações estruturais que envolvem a formação de novas ligações glicosídicas, nomeadamente, a formação de resíduos de manose ligados em O-2 e em O-6, reações de transglicosilação, despolimerização, formação de resíduos de anidro-hexoses no terminal redutor e isomerização manose-glucose. Estas alterações promovem a solubilização das galactomananas. Os resultados obtidos permitem propor que o resíduo de café possa ser submetido a uma torra seguida de extração com reagentes alcalinos a quente para obtenção das galactomananas com rendimentos elevados. Estes polissacarídeos podem tornar-se solúveis em água após tratamento térmico a 200 ºC, permitindo assim a sua utilização em formulações alimentares, nomeadamente, por preparação de compostos acetilados com baixos níveis de ramificação e cadeias pequenas de modo a promover a sua atividade imunoestimuladora.

Ecological interactions in populations facing environmental stress

O zooplâncton, particularmente os cladóceros, são organismos de água doce importantes na regulação da produção primária dos ecossistemas de água doce. No entanto, também podem adaptar-se a condições salobras. Tendo em conta as previsões no âmbito das alterações climáticas, a intrusão salina pode ocorrer a par com a subida de temperatura. As populações de água doce podem ficar vulneráveis aos efeitos interativos da salinidade e da temperatura, de acordo com os seus limites de tolerância e capacidade de adaptação ao stress ambiental. Assim, a presente tese analisou as interações resultantes das alterações destes agentes de stress em populações de cladóceros de água doce. Primeiro, comparou-se a halotolerância de diferentes genótipos de Simocephalus vetulus provenientes de populações de água doce e de água salobra de modo a avaliar a existência de uma componente genética de resistência à salinidade. A sensibilidade aguda dos genótipos variou na mesma gama de concentrações; todavia, todos os genótipos da população salobra, exceto um, foram mais tolerantes do que os de água doce, em termos de tempo à imobilização. Contudo, não foi possível estabelecer uma relação entre a performance reprodutiva em condições salobras e o contexto ambiental de origem destes genótipos. Mais, estes ensaios mostraram que as populações de água doce têm potencial para tolerar incrementos de salinidade. Como tal, pode-se concluir que a seleção a que os genótipos estão sujeitos no seu local de origem foi mais fraca do que o esperado. Segundo, investigou-se a capacidade de aclimatação de Daphnia galeata à salinidade e temperatura, de modo a avaliar a halotolerância de Daphnia a duas temperaturas num cenário de aclimatação multigeracional. O objetivo foi compreender se a pré-adaptação ao stress ambiental (20ºC e 25ºC versus 0 g/L e 1 g/L de NaCl) influenciou posteriormente as respostas a estes agentes de stress. Verificou-se uma tendência para um aumento de sensibilidade ao NaCl, a temperaturas mais elevadas. No entanto, este efeito foi anulado após nove gerações, mas apenas quando os organismos foram aclimatados aos dois agentes de stress em simultâneo (salinidade e temperatura elevada). Terceiro, demonstrou-se experimentalmente que a salinidade interferiu com a competição interespecífica, alterando a composição das comunidades zooplanctónicas. Este conjunto de evidências permitiu-nos refletir nos múltiplos impactos de agentes de stress, particularmente os relacionados com as previsões de alterações climáticas. Em paralelo aos estudos de natureza experimental, e numa perspetiva de Educação para o Desenvolvimento Sustentável (EDS), importa também promover o desenvolvimento de competências necessárias à compreensão de mudanças ambientais globais (e.g., o impacto da salinidade e da temperatura) para implementar estratégias de mitigação e adaptação. Neste contexto, foi realizada uma atividade com estudantes do ensino secundário, que se tornou uma boa oportunidade para a sua aprendizagem e aquisição de competências de interpretação de dados experimentais, assim como de sensibilização para as questões ambientais.

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.

A rede natura 2000 na Ria de Aveiro - projectos, actores e narrativas

A Rede Natura 2000 (RN2000), uma rede de áreas consideradas chave para a conservação da biodiversidade no território da União Europeia, tem-se deparado com um difícil processo de implementação e operacionalização. Nos casos em que o cumprimento dos objectivos da RN2000 implica um reajustamento das políticas de uso do solo e de práticas sociais concretas, é necessário envolver um conjunto muito alargado de actores e instituições a várias escalas numa rede de processos colaborativos. Ao mesmo tempo, a aplicação de procedimentos de avaliação ambiental é central para a aprovação de certos projectos, programas ou planos em áreas RN2000. Quando toma a forma de uma Avaliação de Impacte Ambiental ou da Avaliação Ambiental Estratégica, a avaliação ambiental contém necessariamente uma componente de participação pública, potencialmente importante para tornar a governação ambiental mais inclusiva, isto é, mais participada e negociada com as administrações e actores locais. No entanto, devido à pluralidade de relações entre indivíduos, as respectivas comunidades e lugares específicos, resultantes da interacção histórica entre estes, os ambientes acumulam representações múltiplas que conduzem a diferentes interpretações acerca de intervenções concretas sobre o território e do que a sustentabilidade deste deve representar. As frequentes divergências nas referidas interpretações podem levar a conflitos e controvérsias que, por sua vez, criam dificuldades para mobilizar esforços colectivos, colocando, assim, poderosos obstáculos à efectiva protecção da biodiversidade. Nesta dissertação, a implementação da RN2000 no contexto da governação ambiental da Ria de Aveiro um complexo estuário semi-natural dividido em dez municípios e sob a tutela de várias entidades com responsabilidades espaciais é abordada através de uma exploração discursiva de um acervo composto por pareceres enviados no âmbito da consulta pública e institucional dos procedimentos de avaliação ambiental de seis projectos com potenciais implicações para a respectiva Zona de Protecção Especial. Através da exploração das representações que diferentes actores sociais evidenciam sobre ambientes específicos, das narrativas através das quais fazem sentido do seu lugar e papel nos respectivos ambientes sociais e ecológicos, e ainda das formas como a linguagem é estrategicamente utilizada em relação dialéctica com as referidas representações, esta análise do discurso pretende contribuir para melhorar a governação ambiental relativamente a aspectos específicos da participação pública, resolução de conflitos e elaboração e implementação de políticas no sentido de estas se tornarem mais inclusivas e contextualizadas. Nos pareceres submetidos, verificou-se que a problemática da hidrodinâmica tem ocupado um lugar central, sendo crescentemente evidente um retrato da situação actual em que a actividade portuária aparece como o principal responsável por efeitos negativos sobre os ecossistemas locais e as actividades socioeconómicas tradicionais como a salicultura e a agricultura nas zonas ribeirinhas. Neste âmbito, determinados temas discursivos sugerem fragilidades ao nível da governação deste território e poderão, simultaneamente, significar dificuldades para os interesses da biodiversidade local. Além dos interesses divergentes dos diferentes actores sociais, do elevado grau de desconfiança nas instituições responsáveis e na validade dos estudos que têm sido apresentados para justificar intervenções e da estória de marginalização que vem sendo construída pelos actores que se percepcionam como mais afectados pelo avanço da cunha salina aspectos que potencialmente dificultam dinâmicas colaborativas , a convicção largamente disseminada de que estes problemas ambientais são, através do conhecimento científico e da capacidade física de intervenção, compatibilizáveis num eventual equilíbrio, poderá constituir um entrave para a procura de soluções efectivamente alternativas. Por outro lado, outros padrões discursivos identificados poderão facilitar o cumprimento dos objectivos da RN2000. Em particular, entre vários intervenientes, parece estar em expansão o discurso de que o desenvolvimento dos municípios que envolvem a Ria de Aveiro deve voltar a virar-se para esta, isto é, voltar às suas raízes socioeconómicas ou a novas formas de explorar a Ria enquanto elemento generativo das identidades colectivas locais. A sua significância afectiva, simbólica, identitária e económica parecem ser as razões que mais peso têm para os actores sociais da Ria quererem proteger os ecossistemas locais, e não tanto o facto de estes se encontrarem designados ao abrigo da RN2000, cujo estatuto parece ter servido sobretudo para reforçar argumentos alimentados pelas preocupações referidas. No entanto, uma figura legal como a RN2000, que pretende recuperar ou preservar a biodiversidade associada a um imaginário com conotações positivas, poderá encontrar nestas pretensões uma importante fonte de capital simbólico para se tornar mais presente no discurso (e no agir) das populações da Ria de Aveiro.

Ciências no primeiro ciclo do ensino básico : um programa para educação para desenvolvimento sustentável

Num planeta finito, a impossibilidade de um crescimento contínuo e a necessidade de preservar os seus recursos naturais e ambientais, tendo em vista assegurar opções de qualidade de vida e bem-estar das gerações futuras, fez emergir e estruturar o conceito de Desenvolvimento Sustentável. Perante os múltiplos desafios que o futuro coloca, a educação constitui-se como uma via para alcançar um desenvolvimento mais harmonioso das relações entre os seres humanos e entre estes e a natureza, indispensável à humanidade na persecução dos seus legítimos anseios de paz, liberdade e justiça social. A importância atribuída à educação no sentido de uma adequada perceção da situação do planeta levou as Nações Unidas a proclamarem, no início deste século (dezembro de 2002), a Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentável (2005-2014): um desafio internacional lançado aos países para que recorram à educação como ferramenta essencial na promoção de Desenvolvimento Sustentável. A vida nas sociedades contemporâneas é, como nunca antes, influenciada por desenvolvimentos científicos e tecnológicos e dependente dos respetivos progressos. Assim, a Educação Científica assume um papel fundamental na compreensão das problemáticas que enfrentamos e na consciencialização da responsabilidade do ser humano na situação planetária atual, devendo promover o desenvolvimento de cidadanias proativas, fundamentadas e responsáveis, no sentido da mudança, numa perspetiva crítica global que garanta a sustentabilidade do planeta. Estas finalidades são alvo de reflexão por parte de diversas instâncias da sociedade – nas quais se incluem organismos como a UNESCO, comunidades nacionais e internacionais de investigação em Educação Científica, e o poder político – e espelham-se em propostas de reforma e de revisão curricular em diversos países. Ora, sem ser exclusiva, a educação formal nos primeiros anos de escolaridade tem um papel fundamental, por ter caráter obrigatório na maioria dos países. Paralelamente existe um crescente reconhecimento a nível internacional em torno da importância de se iniciar precocemente a Educação Científica com vista a alcançar esses propósitos. Resultados alcançados em diversas investigações evidenciam que a Educação Científica nos primeiros anos de escolaridade tem impacte positivo relevante no desenvolvimento de literacia científica e no desenvolvimento de atitudes positivas face à Ciência e a aprendizagens de Ciências. A presente investigação pretende ser um contributo para a Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentável no Primeiro Ciclo do Ensino Básico. O percurso de investigação, de natureza qualitativa, foi desenvolvido em três fases distintas mas articuladas entre si: a fase I integrou processos interpretativos de investigação documental e teve como principais objetivos o estabelecimento do quadro teórico de suporte à problemática de Educação para Desenvolvimento Sustentável e a caraterização de perspetivas de Educação Científica decorrentes de política educativa em Portugal; na fase II caraterizou-se a importância atribuída por professores do Primeiro Ciclo do Ensino Básico à Educação Científica e respetiva componente experimental, bem como as suas conceções acerca de Literacia Científica, orientações Ciência-Tecnologia-Sociedade no ensino das Ciências, Desenvolvimento Sustentável e o modo como dizem articular as referidas conceções com as suas práticas de sala de aula; na fase III apresentou-se um Programa de Ciências, concebido segundo os referenciais atrás definidos e avaliado por um painel de peritos, para Educação para Desenvolvimento Sustentável, “A Terra e os seres vivos: conhecer para valorizar e proteger”, para implementação em cada um dos quatro anos de escolaridade do Primeiro Ciclo do Ensino Básico. O presente estudo assume-se como um contributo para a inovação na Educação Científica no Primeiro Ciclo do Ensino Básico e fundamenta a necessidade de a reorientar, tendo em vista a resposta a compromissos internacionais assumidos por Portugal no âmbito da Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentável, bem como a importância de acompanhar orientações e políticas recomendadas a nível internacional, numa perspetiva de educação num contexto de globalização.

Assessing the combined effect of land management and wildfire on runoff and soil erosion in north central Portugal

Strong and sometimes extreme responses in runoff and soil erosion following wildfires have been reported worldwide. However, in the case of North-Central Portugal, little research had been carried out regarding the hydrologic and erosive impacts of several land management activities in recently burnt areas (such as ground preparation, post-fire logging or post-fire mitigation treatments). This study aims to assess post-fire runoff and soil erosion response on Eucalypt and Maritime pine plantations during the first, second and third years following wildfires. The effect of several pre-fire ground preparation operations (ploughed down-slope, contour ploughed and inclined terraces), post-fire logging activities (on both the eucalypt and pine plantations), as well as the application of hydromulch (a post-fire emergency treatment) on overland flow and soil erosion were compared to burnt but undisturbed and untreated areas. The intensive monitoring of runoff, soil erosion and selected soil properties served to determine the main factors involved in post-fire runoff and soil erosion and their spatial and temporal variation. Soil water repellency deserved special attention, due to its supposed important role for overland flow generation. Repeated rainfall simulation experiments (RSE’s), micro-scale runoff plots and bounded sediment fences were carried out and/or installed immediately after the wildfire on seven burnt slopes. Micro-scale runoff plots results under natural rainfall conditions were also compared to the RSE’s results, which was useful for assessing the representativeness of the data obtained with artificial rainfall. The results showed comparable runoff coefficient (20-60%) but lower sediment losses (125-1000 g m-2) than prior studies in Portugal, but especially outside Portugal. Lower sediment losses were related with the historic intensive land use in the area. In evaluating these losses, however, the shallowness and stoniness of the soils, as well as the high organic matter fraction of the eroded sediments (50%) must not be overlooked. Sediment limited erosion was measured in all the ploughed sites, probably due to the time since ploughing (several years). The disturbance of the soil surface cover due to post-fire logging and wood extraction substantially increased sediment losses at both the pine and eucalypt sites. Hydromulch effectiveness in reducing the runoff (70%) and sediment losses (83%) was attributed to the protective high coverage provided by hydromulch. The hydromulch significantly affected the soil cover and other soil properties and these changes also reduced the soil erosion risk. The rainfall amount was the main factor explaining the variance in runoff. However, a shift from rainfall amount to rainfall intensity was detected when either the surface cover or the infiltration capacity (hydrophilic conditions) increased. Sediment losses were controlled by rainfall intensity and surface cover. The role of soil water repellency on runoff generation was not consistent; the overall repellency levels alone were not enough to assess its hydrological impact. Soil water repellency explained runoff generation in the specific-sites model better than in the overall model. Additionally, soil moisture content was a better predictor for soil water repellency than antecedent rainfall. The natural rainfall results confirmed that RSE’s were able to capture the specific sediment losses and its organic matter content as well as the differences between the ploughed and unploughed sites. Repeated RSE’s also captured the seasonal variations in runoff and sediment losses attributed to soil water repellency. These results have implications for post-fire soil erosion modelling and soil conservation practices in the region, or areas with the same land use, climate and soil characteristics. The measured sediment loss, as well as the increasing frequency of ploughing in recently burnt and unburnt eucalypt stands, suggests ploughing is not an effective as a soil conservation measure. Logging activities with less impact are recommended in order to maintain the forest litter protecting the soil surface. Due to its high effectiveness in reducing runoff and soil erosion, hydromulch is recommended for highly sensitive and vulnerable areas.

Development of open models and tools for seismic risk assessment: application to Portugal

The exponential growth of the world population has led to an increase of settlements often located in areas prone to natural disasters, including earthquakes. Consequently, despite the important advances in the field of natural catastrophes modelling and risk mitigation actions, the overall human losses have continued to increase and unprecedented economic losses have been registered. In the research work presented herein, various areas of earthquake engineering and seismology are thoroughly investigated, and a case study application for mainland Portugal is performed. Seismic risk assessment is a critical link in the reduction of casualties and damages due to earthquakes. Recognition of this relation has led to a rapid rise in demand for accurate, reliable and flexible numerical tools and software. In the present work, an open-source platform for seismic hazard and risk assessment is developed. This software is capable of computing the distribution of losses or damage for an earthquake scenario (deterministic event-based) or earthquake losses due to all the possible seismic events that might occur within a region for a given interval of time (probabilistic event-based). This effort has been developed following an open and transparent philosophy and therefore, it is available to any individual or institution. The estimation of the seismic risk depends mainly on three components: seismic hazard, exposure and vulnerability. The latter component assumes special importance, as by intervening with appropriate retrofitting solutions, it may be possible to decrease directly the seismic risk. The employment of analytical methodologies is fundamental in the assessment of structural vulnerability, particularly in regions where post-earthquake building damage might not be available. Several common methodologies are investigated, and conclusions are yielded regarding the method that can provide an optimal balance between accuracy and computational effort. In addition, a simplified approach based on the displacement-based earthquake loss assessment (DBELA) is proposed, which allows for the rapid estimation of fragility curves, considering a wide spectrum of uncertainties. A novel vulnerability model for the reinforced concrete building stock in Portugal is proposed in this work, using statistical information collected from hundreds of real buildings. An analytical approach based on nonlinear time history analysis is adopted and the impact of a set of key parameters investigated, including the damage state criteria and the chosen intensity measure type. A comprehensive review of previous studies that contributed to the understanding of the seismic hazard and risk for Portugal is presented. An existing seismic source model was employed with recently proposed attenuation models to calculate probabilistic seismic hazard throughout the territory. The latter results are combined with information from the 2011 Building Census and the aforementioned vulnerability model to estimate economic loss maps for a return period of 475 years. These losses are disaggregated across the different building typologies and conclusions are yielded regarding the type of construction more vulnerable to seismic activity.

DACA: architecture to implement dynamic access control mechanisms on business tier components

Access control is a software engineering challenge in database applications. Currently, there is no satisfactory solution to dynamically implement evolving fine-grained access control mechanisms (FGACM) on business tiers of relational database applications. To tackle this access control gap, we propose an architecture, herein referred to as Dynamic Access Control Architecture (DACA). DACA allows FGACM to be dynamically built and updated at runtime in accordance with the established fine-grained access control policies (FGACP). DACA explores and makes use of Call Level Interfaces (CLI) features to implement FGACM on business tiers. Among the features, we emphasize their performance and their multiple access modes to data residing on relational databases. The different access modes of CLI are wrapped by typed objects driven by FGACM, which are built and updated at runtime. Programmers prescind of traditional access modes of CLI and start using the ones dynamically implemented and updated. DACA comprises three main components: Policy Server (repository of metadata for FGACM), Dynamic Access Control Component (DACC) (business tier component responsible for implementing FGACM) and Policy Manager (broker between DACC and Policy Server). Unlike current approaches, DACA is not dependent on any particular access control model or on any access control policy, this way promoting its applicability to a wide range of different situations. In order to validate DACA, a solution based on Java, Java Database Connectivity (JDBC) and SQL Server was devised and implemented. Two evaluations were carried out. The first one evaluates DACA capability to implement and update FGACM dynamically, at runtime, and, the second one assesses DACA performance against a standard use of JDBC without any FGACM. The collected results show that DACA is an effective approach for implementing evolving FGACM on business tiers based on Call Level Interfaces, in this case JDBC.

Nanosensor for assessing the risk of a cardiovascular disease

The incidence of cardiovascular diseases (CVD) has been increasing according to the European and global statistics. Thus, the development of new analytical devices, such as biosensors for assessing the risk of CVD could become a valuable approach for the improvement of healthcare service. In latest years, the nanotechnology has provided new materials with improved electronic properties which have an important contribution in the transduction mechanism of biosensors. Thus, in this thesis, biosensors based on field effect transistors with single-walled carbon nanotubes (NTFET) were developed for the detection of C-reactive protein (CRP) in clinical samples, that is, blood serum and saliva from a group of control patients and a group of CVD risk patients. CRP is an acute-phase protein, which is commonly known as the best validated biomarker for the assessment of CVD, the single-walled carbon nanotubes (SWCNT) were applied as transduction components, and the immunoreaction (interaction between the CRP antigen and the antibodies specific to CRP) was used as the mechanism of molecular recognition for the label-free detection of CRP. After the microfabrication of field effect transistors (FET), the screening of the most important variables for the dispersion of SWCNT, the assemblage of NTFET, and their application on standard solutions of CRP, it was found that NTFET respond accurately to CRP both in saliva and in serum samples, since similar CRP levels were found with the NTFET and the traditional methodology (ELISA technique). On the other hand, a strong correlation between salivary and serum CRP was found with NTFET, which means that saliva could be used, based on non-invasive sampling, as an alternative fluid to blood serum. It was also shown that NTFET could discriminate control patients from CVD risk patients, allowing the determination of a cut-off value for salivary CRP of 1900 ng L-1, which corresponds to the well established cut-off of 3 mg L-1 for CRP in serum, constituting an important finding for the possible establishment of a new range of CRP levels based on saliva. According to the data provided from the volunteer patients regarding their lipoprotein profile and lifestyle factors, it was concluded that the control and the CVD risk patients could be separated taking into account the various risk factors established in literature as strong contributors for developing a CVD, such as triglycerides, serum CRP, total cholesterol, LDL cholesterol, body mass index, Framingham risk score, hypertension, dyslipidemia, and diabetes mellitus. Thus, this work could provide an additional contribution to the understanding of the association of biomarkers levels in serum and saliva samples, and above all, cost-effective, rapid, label-free, and disposable NTFET were developed, based on a noninvasive sampling, for the assessment of CVD risk, thus constituting a potential point-of-care technology.

Injection moulding process optimization for microstructured parts production

Ao longo das últimas décadas, a micromoldação (u-moldação) por injeção de termoplásticos ganhou um lugar de destaque no mercado de equipamentos eletrónicos e de uma ampla gama de componentes mecânicos. No entanto, quando o tamanho do componente diminui, os pressupostos geralmente aceites na moldação por injeção convencional deixam de ser válidos para descrever o comportamento reológico e termomecânico do polímero na microimpressão. Por isso, a compreensão do comportamento dinâmico do polímero à escala micro bem como da sua caraterização, análise e previsão das propriedades mecânicas exige uma investigação mais alargada. O objetivo principal deste programa doutoral passa por uma melhor compreensão do fenómeno físico intrínseco ao processo da μ-moldação por injeção. Para cumprir com o objetivo estabelecido, foi efetuado um estudo paramétrico do processo de μ-moldação por injeção, cujos resultados foram comparados com os resultados obtidos por simulação numérica. A caracterização dinâmica mecânica das μ-peças foi efetuada com o objetivo de recolher os dados necessários para a previsão do desempenho mecânico das mesmas, a longo prazo. Finalmente, depois da calibração do modelo matemático do polímero, foram realizadas análises estruturais com o intuito de prever o desempenho mecânico das μ-peças no longo prazo. Verificou-se que o desempenho mecânico das μ-peças pode ser significativamente afetado pelas tensões residuais de origem mecânica e térmica. Estas últimas, resultantes do processo de fabrico e das condições de processamento, por isso, devem ser consideradas na previsão do desempenho mecânico e do tempo de serviço das u-moldações.

Fiber optic sensors for the biomechanical study of the intervertebral disc

O presente trabalho teve como objetivo principal estudar o comportamento mecânico do disco intervertebral recorrendo a sensores em fibra ótica. Na expetativa de efetuar o melhor enquadramento do tema foi efetuada uma revisão exaustiva das várias configurações de sensores em fibra ótica que têm vindo a ser utilizadas em aplicações biomédicas e biomecânicas, nomeadamente para medição de temperatura, deformação, força e pressão. Nesse âmbito, procurou-se destacar as potencialidades dos sensores em fibra ótica e apresentá-los como uma tecnologia alternativa ou até de substituição das tecnologias associadas a sensores convencionais. Tendo em vista a aplicação de sensores em fibra ótica no estudo do comportamento do disco intervertebral efetuou-se também uma revisão exaustiva da coluna vertebral e, particularmente, do conceito de unidade funcional. A par de uma descrição anatómica e funcional centrada no disco intervertebral, vértebras adjacentes e ligamentos espinais foram ainda destacadas as suas propriedades mecânicas e descritos os procedimentos mais usuais no estudo dessas propriedades. A componente experimental do presente trabalho descreve um conjunto de experiências efetuadas com unidades funcionais cadavéricas utilizando sensores convencionais e sensores em fibra ótica com vista à medição da deformação do disco intervertebral sob cargas compressivas uniaxiais. Inclui ainda a medição in vivo da pressão intradiscal num disco lombar de uma ovelha sob efeito de anestesia. Para esse efeito utilizou-se um sensor comercial em fibra ótica e desenvolveu-se a respetiva unidade de interrogação. Finalmente apresenta-se os resultados da investigação em curso que tem como objetivo propor e desenvolver protótipos de sensores em fibra ótica para aplicações biomédicas e biomecânicas. Nesse sentido, são apresentadas duas soluções de sensores interferométricos para medição da pressão em fluídos corporais.

Novel critical phenomena in optimization driven processes on networks

The work presented in this Ph.D thesis was developed in the context of complex network theory, from a statistical physics standpoint. We examine two distinct problems in this research field, taking a special interest in their respective critical properties. In both cases, the emergence of criticality is driven by a local optimization dynamics. Firstly, a recently introduced class of percolation problems that attracted a significant amount of attention from the scientific community, and was quickly followed up by an abundance of other works. Percolation transitions were believed to be continuous, until, recently, an 'explosive' percolation problem was reported to undergo a discontinuous transition, in [93]. The system's evolution is driven by a metropolis-like algorithm, apparently producing a discontinuous jump on the giant component's size at the percolation threshold. This finding was subsequently supported by number of other experimental studies [96, 97, 98, 99, 100, 101]. However, in [1] we have proved that the explosive percolation transition is actually continuous. The discontinuity which was observed in the evolution of the giant component's relative size is explained by the unusual smallness of the corresponding critical exponent, combined with the finiteness of the systems considered in experiments. Therefore, the size of the jump vanishes as the system's size goes to infinity. Additionally, we provide the complete theoretical description of the critical properties for a generalized version of the explosive percolation model [2], as well as a method [3] for a precise calculation of percolation's critical properties from numerical data (useful when exact results are not available). Secondly, we study a network flow optimization model, where the dynamics consists of consecutive mergings and splittings of currents flowing in the network. The current conservation constraint does not impose any particular criterion for the split of current among channels outgoing nodes, allowing us to introduce an asymmetrical rule, observed in several real systems. We solved analytically the dynamic equations describing this model in the high and low current regimes. The solutions found are compared with numerical results, for the two regimes, showing an excellent agreement. Surprisingly, in the low current regime, this model exhibits some features usually associated with continuous phase transitions.

Tecnologias de informação e comunicação e o cidadão sénior : estudo sobre o impacto em variáveis psicossociais e a conceptualização de serviços com e para o cidadão sénior

Perante uma sociedade em célere envelhecimento demográfico e permanente avanço tecnológico, justifica-se a aposta em estudos que potenciem a ação comunicativa e a diminuição do isolamento social decorrente das perdas biopsicossociais associadas à idade sénior. Esta tese possui quatro objetivos de estudo: i) pretende-se investigar qual é o impacto da utilização das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) no autoconceito (AC), no ânimo e na qualidade de vida (QV) de um grupo de seniores; ii) perceber se existe e qual a relação entre as variáveis independentes sexo, idade, estado civil, escolaridade, profissão, IPSS, regime de frequência, tempo na IPSS, orientação para frequentar a IPSS, visita de familiares e visita de amigos e as variáveis dependentes AC, ânimo, QV e respetivos fatores e domínios, nos momentos de pré e pós-teste; iii) perceber se a sua participação no processo de conceptualização de um serviço de comunicação assíncrona, email, influencia a sua usabilidade ao nível das componentes eficácia, eficiência e satisfação; iv) e sugerir a componente política da comunidade online sénior em desenvolvimento no âmbito do Projeto SEDUCE. Para o desenvolvimento do estudo estabeleceram-se parcerias com quatro Instituições Particulares de Segurança Social do concelho de Aveiro, integradas no âmbito do projeto SEDUCE. Os instrumentos utilizados para a avaliação do autoconceito, do ânimo e da qualidade de vida foram o Inventário Clínico de Auto-Conceito, a Escala de Ânimo do Centro Geriátrico de Philadelphia e a Escala de Qualidade de Vida da Organização Mundial de Saúde WHOQOL-Bref, respetivamente. No processo de conceptualização do serviço de email e da componente política da comunidade online utilizou-se a observação participativa e o contextual design. O estudo envolveu a participação de 42 seniores distribuídos por duas condições experimentais: 22 seniores do grupo experimental utilizaram as TIC duas vezes por semana (em sessões de 90 minutos cada, num total de 80 sessões) e 19 seniores do grupo de controlo passivo não experimentaram qualquer intervenção. Para a avaliação das variáveis psicossociais realizaram-se dois momentos de avaliação, antes e depois de 11 meses de intervenção, de Agosto de 2011 a Julho de 2012. Ao longo das sessões de envolvimento com as TIC observou-se que os seniores apresentam, continuamente, dificuldades em: manipular o rato e percecionar a sua ação no monitor; fazer a distinção entre teclas (enter, spacebar, delete, caps lock entre outras); em utilizar duplas teclas para colocar pontuação e acentuação; iniciar atividades no Microsoft Office Word; selecionar a informação disponibilizada em motores de pesquisa; perceber quais as zonas clicáveis; falta de confiança em efetivar ações; receio em iniciar nova atividades, pela falta de conhecimento e pelo medo de errar; memorizar endereços de email e passwords; e dar continuidade às tarefas. Na utilização do serviço de email consideram importante receber resposta quando enviam uma mensagem, assim como responder sempre aos remetentes; raramente colocam assunto nas mensagens; e expressam grande satisfação ao receber mensagens de familiares e/ou amigos. O processo de desenvolvimento de serviços com a participação ativa dos seniores revela-se exequível mas é necessário adaptar as práticas: os processos devem ser iterativos; evitar linguagem formal; clarificar o objetivo; deixar os seniores pensar em voz alta; dar-lhes tempo; mantê-los focados e não conduzi-los nas tarefas. Os resultados sugerem que houve aumento significativo do domínio físico da qualidade de vida do grupo experimental. Os participantes que exprimiram maiores níveis de satisfação ao utilizar as TIC apresentam uma perspetiva mais positiva sobre a maturidade psicológica e menos solidão e insatisfação. No grupo experimental e no grupo de controlo passivo verificam-se relações entre as variáveis independentes e as variáveis dependentes, quer no momento de pré-teste como de pós-teste. Conclui-se que a participação dos seniores no processo de conceptualização do serviço de email permitiu fomentar a componente eficácia da usabilidade mas não a satisfação ao utilizar o mesmo. Os resultados sobre a eficiência são inconclusivos. Sobre a componente política os seniores validam a existência de termos de utilização que orientem o comportamento de todos os utilizadores, assim como de uma política de privacidade. A área de registo proposta é adequada ao utilizador sénior.

Da abordagem Orff-Schulwerk ao desenvolvimento do ’eu musical’ : flow em processos de ensino/aprendizagem de educação musical

O presente trabalho visa discutir a relação entre a abordagem Orff-Schulwerk e o desenvolvimento do ‘Eu Musical’ em contexto de Educação Musical no 2.º Ciclo do Ensino Básico genérico português. Na tentativa de verificar, analisar e tentar compreender esta relação, o processo empírico fundamentou-se na Flow Theory, desenvolvida por Mihaly Csikszentmihalyi. O enquadramento teórico conduziu à elaboração do ‘Modelo Multidimensional de Eu Musical’ (‘MoMEuM’), o qual, partindo da abordagem Orff-Schulwerk, procurou bases epistemológicas na Flow Theory, nas vertentes Cultural, Social e Positiva da Psicologia, bem como no Embodiment. A componente empírica do estudo teve como base metodológica a investigação-ação. Nesse sentido, o professor-investigador acompanhou, de forma longitudinal, o percurso de 50 alunos no referido contexto e procurou verificar, através do FIMA - Flow Indicators in Musical Activity, a vivência de ‘experiências ótimas/estados de fluxo’ em atividades/estratégias pedagógicomusicais baseadas na abordagem Orff-Schulwerk e, por conseguinte, no desenvolvimento do ‘Eu Musical’. A análise e interpretação de dados sugere que a abordagem Orff-Schulwerk promove a ocorrência de ‘experiências ótimas/estados de fluxo’ e, no quadro do presente estudo, impulsiona o desenvolvimento do ‘Eu Musical’.

Effect of vehicle characteristics on safety, fuel use and emissions

Nos últimos anos, o número de vítimas de acidentes de tráfego por milhões de habitantes em Portugal tem sido mais elevado do que a média da União Europeia. Ao nível nacional torna-se premente uma melhor compreensão dos dados de acidentes e sobre o efeito do veículo na gravidade do mesmo. O objetivo principal desta investigação consistiu no desenvolvimento de modelos de previsão da gravidade do acidente, para o caso de um único veículo envolvido e para caso de uma colisão, envolvendo dois veículos. Além disso, esta investigação compreendeu o desenvolvimento de uma análise integrada para avaliar o desempenho do veículo em termos de segurança, eficiência energética e emissões de poluentes. Os dados de acidentes foram recolhidos junto da Guarda Nacional Republicana Portuguesa, na área metropolitana do Porto para o período de 2006-2010. Um total de 1,374 acidentes foram recolhidos, 500 acidentes envolvendo um único veículo e 874 colisões. Para a análise da segurança, foram utilizados modelos de regressão logística. Para os acidentes envolvendo um único veículo, o efeito das características do veículo no risco de feridos graves e/ou mortos (variável resposta definida como binária) foi explorado. Para as colisões envolvendo dois veículos foram criadas duas variáveis binárias adicionais: uma para prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos num dos veículos (designado como veículo V1) e outra para prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos no outro veículo envolvido (designado como veículo V2). Para ultrapassar o desafio e limitações relativas ao tamanho da amostra e desigualdade entre os casos analisados (apenas 5.1% de acidentes graves), foi desenvolvida uma metodologia com base numa estratégia de reamostragem e foram utilizadas 10 amostras geradas de forma aleatória e estratificada para a validação dos modelos. Durante a fase de modelação, foi analisado o efeito das características do veículo, como o peso, a cilindrada, a distância entre eixos e a idade do veículo. Para a análise do consumo de combustível e das emissões, foi aplicada a metodologia CORINAIR. Posteriormente, os dados das emissões foram modelados de forma a serem ajustados a regressões lineares. Finalmente, foi desenvolvido um indicador de análise integrada (denominado “SEG”) que proporciona um método de classificação para avaliar o desempenho do veículo ao nível da segurança rodoviária, consumos e emissões de poluentes.Face aos resultados obtidos, para os acidentes envolvendo um único veículo, o modelo de previsão do risco de gravidade identificou a idade e a cilindrada do veículo como estatisticamente significativas para a previsão de ocorrência de feridos graves e/ou mortos, ao nível de significância de 5%. A exatidão do modelo foi de 58.0% (desvio padrão (D.P.) 3.1). Para as colisões envolvendo dois veículos, ao prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos no veículo V1, a cilindrada do veículo oposto (veículo V2) aumentou o risco para os ocupantes do veículo V1, ao nível de significância de 10%. O modelo para prever o risco de gravidade no veículo V1 revelou um bom desempenho, com uma exatidão de 61.2% (D.P. 2.4). Ao prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos no veículo V2, a cilindrada do veículo V1 aumentou o risco para os ocupantes do veículo V2, ao nível de significância de 5%. O modelo para prever o risco de gravidade no veículo V2 também revelou um desempenho satisfatório, com uma exatidão de 40.5% (D.P. 2.1). Os resultados do indicador integrado SEG revelaram que os veículos mais recentes apresentam uma melhor classificação para os três domínios: segurança, consumo e emissões. Esta investigação demonstra que não existe conflito entre a componente da segurança, a eficiência energética e emissões relativamente ao desempenho dos veículos.