Study of pesticide effects on non-target organisms

A utilização insustentável de pesticidas, especialmente em zonas com elevado valor ecológico constitui uma ameaça à integridade dos ecossistemas. Sendo um problema à escala mundial, e também no contexto nacional, o presente trabalho pretende ser um contributo para a avaliação dos efeitos de pesticidas em organismos não alvo terrestres e, principalmente, aquáticos, em contextos de progressiva relevância ecológica. Neste sentido, o estudo foi direccionado para áreas (A1 e A2) integradas numa zona agrícola extensa em Portugal, utilizada para a produção de milho e, principalmente, de arroz (Baixo Mondego), a qual sustenta uma elevada biodiversidade. O estudo teve início na área A1, onde a monitorização físico-química e os ensaios com amostras naturais (ensaios WET - whole effluent tests) provenientes desta área evidenciaram que, apesar da ausência de pesticidas, as amostras de água colhidas no canal que atravessava os arrozais foram as mais nocivas para o crescimento de Pseudokirchneriella subcapitata e Chlorella vulgaris. Uma vez que outras fontes de contaminação (produção de gado) actuavam em A1, o estudo prosseguiu apenas na área A2. Assim, em A2, começou-se por determinar a toxicidade individual e da mistura de dois herbicidas formulados aplicados nos campos de arroz (Viper®) e milho (Mikado®) em condições laboratoriais. Viper® foi o herbicida mais tóxico, tanto para o crescimento de P. subcapitata e C. vulgaris, como para a sobrevivência, reprodução e crescimento de Daphnia longispina e Daphnia magna. Adicionalmente, estimou-se que a mistura Viper®/Mikado® induz efeitos antagonistas no crescimento de P. subcapitata e efeitos sinérgicos no crescimento de C. vulgaris e na sobrevivência dos dafnídeos. A avaliação da toxicidade destes herbicidas formulados e seus ingredientes activos no comportamento de minhocas terrestres (Eisenia andrei), usando solos naturais, demonstrou que Viper® e penoxsulam causaram uma % de evitamento superior nos organismos expostos. Contudo, o risco para E. andrei será à partida reduzido se as taxas de aplicação dos herbicidas forem respeitadas. Ensaios WET foram novamente usados para testar amostras naturais da área A2. Verificou-se que a qualidade do sistema aquático e do arrozal diminuiu durante a estação agrícola, em paralelo com a presença de nutrientes e pesticidas. O crescimento algal foi inibido, apesar dos parâmetros de história de vida dos dafnídeos terem sido estimulados. O resultado desta avaliação subestimou, em certos casos, os impactos reais causados pela aplicação de pesticidas. A avaliação in situ simultânea à aplicação de herbicidas nos arrozais demonstrou que os efeitos registados foram de facto restritos aos pulsos de herbicidas. A inibição das taxas de alimentação de D. longispina e D. magna forneceram um sinal precoce de alterações no sistema, seguido pela diminuição da sua sobrevivência e do crescimento de P. subcapitata. Em suma, as diferentes fases da avaliação efectuada confirmaram a existência de condições desfavoráveis devido às práticas agrícolas, reforçando a necessidade de se conjugar ensaios laboratoriais com avaliações in situ de maior relevância ecológica, para reduzir o grau de incerteza aliado à determinação dos riscos.

Polarization effects in fiber-optic communication systems

In this thesis we perform a detailed analysis of the state of polarization (SOP) of light scattering process using a concatenation of ber-coil based polarization controllers (PCs). We propose a polarization-mode dispersion (PMD) emulator, built through the concatenation of bercoil based PCs and polarization-maintaining bers (PMFs), capable of generate accurate rst- and second-order PMD statistics. We analyze the co-propagation of two optical waves inside a highbirefringence ber. The evolution along the ber of the relative SOP between the two signals is modeled by the de nition of the degree of co-polarization parameter. We validate the model for the degree of co-polarization experimentally, exploring the polarization dependence of the four-wave mixing e ect into a ber with high birefringence. We also study the interaction between signal and noise mediated by Kerr e ect in optical bers. A model accurately describing ampli ed spontaneous emission noise in systems with distributed Raman gain is derived. We show that the noise statistics depends on the propagation distance and on the signal power, and that for distances longer than 120 km and signal powers higher than 6 mW it deviates signi catively from the Gaussian distribution. We explore the all-optical polarization control process based on the stimulated Raman scattering e ect. Mapping parameters like the degree of polarization (DOP), we show that the preferred ampli cation of one particular polarization component of the signal allows a polarization pulling over a wavelength range of 60 nm. The e ciency of the process is higher close to the maximum Raman gain wavelength, where the DOP is roughly constant for a wavelength range of 15 nm. Finally, we study the polarization control in quantum key distribution (QKD) systems with polarization encoding. A model for the quantum bit error rate estimation in QKD systems with time-division multiplexing and wavelength-division multiplexing based polarization control schemes is derived.

Abordagem neuropsicológica das alterações na atenção e memória no sindroma de Burnout

O sindroma de Burnout, quadro psicofisio-patológico tem sido objecto de investigação intensiva, desde o artigo de Freudenberger (1974) intitulado "Staff Burnout", com dois objectivos: compreendê-lo melhor, através de meios de diagnóstico, e criar técnicas de intervenção terapêutica. Na realidade, desde essa altura, foram efectuados e publicados um número avultado de trabalhos de investigação, nos campos do diagnóstico e caracterização do Burnout, e da sua resolução terapêutica. O pensamento dominante, nessa altura e ainda hoje, é de tendência analítica e/ou psico-social. Este quadro, espoletado por uma sucessão de episódios emocionalmente negativos em contexto ocupacional em indivíduos com provável predisposição genética e sujeitos a situações de pressão laboral, dos mais diversos tipos (podendo ir do “simples” stress por acumulação de tarefas até às situações de mobbing), tem efeitos frequentemente dramáticos ao nível da dinâmica biopsico- social, nos seus mais diversos aspectos. Estes estendem-se, quase sempre, muito para lá das problemáticas laborais, prejudicando, de forma mais ou menos grave, as interacções sociais com particular impacto ao nível da dinâmica familiar. Por outro lado, o Burnout propicia o aparecimento de patologias diversas, já que toda a estrutura psiconeuro-endocrino-imunulógica estará posta em causa, potenciando situações de fragilidade sistémica. No entanto, há aspectos correlacionáveis com este quadro disfuncional que têm sido muito pouco abordados – alterações cognitivo-operativas ou neuropsicológicas. Aliás os trabalhos que sobre eles incidem são em número muito reduzido. Assim após termos registado queixas, acentuadas, ao nível da capacidade de concentração e da memória em pessoas com burnout observadas na clínica hospitalar e privada, decidimos investigar estas situações, usando uma metodologia clínica de tipo qualitativo, e constatámos que, na realidade, as queixas eram pertinentes. Posto isto, achámos que a situação deveria ser aprofundada e partimos para um trabalho mais sistematizado, este, com o objectivo de caracterizar melhor o tipo de disfunções atencionais e mnésicas. Para isso, após uma selecção prévia, a partir de um grupo de 192 enfermeiros que responderam à Escala de Maslach, avaliámos uma amostra de risco constituída por 40 enfermeiros e enfermeiras, de Instituições Psiquiátricas da Grande Lisboa, trabalhando em urgência e enfermaria, que comparámos com uma amostra de igual número de enfermeiros, desenvolvendo a sua actividade na consulta externa ou em ambientes mais protegidos de stress ocupacional continuo. Para o efeito, e após uma anamnese cuidada, aplicámos provas de atenção e memória, sensíveis a qualquer tipo de compromisso encefálico seja ele funcional ou patológico. Para a componente atenção/concentração e a componente vísuo-grafo-espacial usámos a prova de Toulouse-Piéron, assim como as séries de dígitos ou digit span, para a vertente audio-verbal. A dinâmica mnésica foi avaliada através da prova de memória associativa (Escala de Memória de Wechsler) para testar a variante áudio-verbal, e a reprodução de figuras (Escala de Memória de Wechlser). Os resultados, após uma dupla análise clínica e estatística, comprovaram globalmente as hipóteses, indicando uma correlação significativa entre o grau de Burnout e os défices neuropsicológicos detectados: alteração da atenção/concentração e dismnésia, de natureza limitativa face às exigências quotidianas dos indivíduos. Finalmente, com base na revisão da literatura e os resultados deste estudo, foi esquematizado um Modelo Neuropsicológico do sindroma de Burnout, que nos parece espelhar as relações entre este quadro clínico, as alterações cognitivooperativas encontradas e as principais estruturas encefálicas, que julgamos, implicadas em toda a dinâmica do processo disfuncional.

Metabonomics of human amniotic fluid for prenatal diagnostics

O trabalho apresentado nesta tese teve como principais objectivos contribuir para o conhecimento da composição do líquido amniótico humano (LA), colhido no 2º trimestre de gravidez, assim como investigar possíveis alterações na sua composição devido à ocorrência de patologias pré-natais, recorrendo à metabonómica e procurando, assim, definir novos biomarcadores de doenças da grávida e do feto. Após uma introdução descrevendo o estado da arte relacionado com este trabalho (Capítulo 1) e os princípios das metodologias analíticas usadas (Capítulo 2), seguida de uma descrição dos aspectos experimentais associados a esta tese (Capítulo 3), apresentam-se os resultados da caracterização da composição química do LA (gravidez saudável) por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), assim como da monitorização da sua estabilidade durante o armazenamento e após ciclos de congelamento-descongelamento (Capítulo 4). Amostras de LA armazenadas a -20°C registaram alterações significativas, tornando-se estas menos pronunciadas (mas ainda mensuráveis) a -70°C, temperatura recomendada para o armazenamento de LA. Foram também observadas alterações de composição após 1-2 ciclos de congelamento-descongelamento (a ter em conta aquando da reutilização de amostras), assim como à temperatura ambiente (indicando um período máximo de 4h para a manipulação e análise de LA). A aquisição de espectros de RMN de 1H de alta resolução e RMN acoplado (LC-NMR/MS) permitiu a detecção de 75 compostos no LA do 2º trimestre, 6 dos quais detectados pela primeira vez no LA. Experiências de difusão (DOSY) permitiram ainda a caracterização das velocidades de difusão e massas moleculares médias das proteínas mais abundantes. O Capítulo 5 descreve o estudo dos efeitos de malformações fetais (FM) e de cromossomopatias (CD) na composição do LA do 2º trimestre de gravidez. A extensão deste trabalho ao estudo dos efeitos de patologias no LA que ocorrem no 3º trimestre de gravidez é descrita no Capítulo 6, nomeadamente no que se refere ao parto pré-termo (PTD), pré-eclampsia (PE), restrição do crescimento intra-uterino (IUGR), ruptura prematura de membranas (PROM) e diabetes mellitus gestacional (GDM). Como complemento a estes estudos, realizou-se uma análise preliminar da urina materna do 2º trimestre para o estudo de FM e GDM, descrita no Capítulo 7. Para interpretação dos dados analíticos, obtidos por espectroscopia RMN de 1H, cromatografia líquida de ultra eficiência acoplada a espectrometria de massa (UPLC-MS) e espectroscopia do infravermelho médio (MIR), recorreu-se à análise discriminante pelos métodos dos mínimos quadrados parciais e o método dos mínimos quadrados parciais ortogonal (PLS-DA e OPLS-DA) e à correlação espectral. Após análise por validação cruzada de Monte-Carlo (MCCV), os modelos PLS-DA de LA permitiram distinguir as FM dos controlos (sensibilidades 69-85%, especificidades 80-95%, taxas de classificação 80-90%), revelando variações metabólicas ao nível do metabolismo energético, dos metabolismos dos aminoácidos e glícidos assim como possíveis alterações ao nível do funcionamento renal. Observou-se também um grande impacto das FM no perfil metabólico da urina materna (medido por UPLC-MS), tendo no entanto sido registados modelos PLS-DA com menor sensibilidade (40-60%), provavelmente devido ao baixo número de amostras e maior variabilidade da composição da urina (relativamente ao LA). Foram sugeridos possíveis marcadores relacionados com a ocorrência de FM, incluindo lactato, glucose, leucina, valina, glutamina, glutamato, glicoproteínas e conjugados de ácido glucurónico e/ou sulfato e compostos endógenos e/ou exógenos (<1 M) (os últimos visíveis apenas na urina). No LA foram também observadas variações metabólicas devido à ocorrência de vários tipos de cromossomopatias (CD), mas de menor magnitude. Os perfis metabólicos de LA associado a pré- PTD produziram modelos que, apesar do baixo poder de previsão, sugeriram alterações precoces no funcionamento da unidade fetoplacentária, hiperglicémia e stress oxidativo. Os modelos obtidos para os grupos pré- IUGR pré- PE, pré- PROM e pré-diagnóstico GDM (LA e urina materna) registaram baixo poder de previsão, indicando o pouco impacto destas condições na composição do LA e/ou urina do 2º trimestre. Os resultados obtidos demonstram as potencialidades da análise dos perfis metabólicos do LA (e, embora com base em menos estudos, da urina materna) do 2º trimestre para o desenvolvimento de novos e complementares métodos de diagnóstico, nomeadamente para FM e PTD.

Environmental factors, clipping and fire: effects on cerrado (Brazilian savanna) native and invasive grasses

The Brazilian Cerrado houses a hugely diverse biota and is considered a conservation hotspot. One of the greatest threats to the integrity of this ecosystem is introduced African grasses, which can competitively exclude native grasses and cause changes in the microclimate and other disturbances. The Cerrado is a mosaic vegetation that provides different combinations, both spatially and temporally, of conditions that can become natural stressors to the herbaceous vegetation (water, nutrient and light availability). These mosaics are reflected in differences in relationships among native and invasive species, affecting competition and creating situations (place/season) that are more, or less, susceptible to invasion. The present study aimed to identify the different biological responses of native (Aristida recurvata, Aristida setifolia, Axonopus barbigerus, Echinolaena inflexa, Gymnopogon spicatus, Paspalum gardnerianum, Paspalum stellatum, Schizachyrium microstachyum, Schizachyrium sanguineum) and invasive (Melinis minutiflora and Andropogon gayanus) grasses to variations in natural stressors and to disturbance (fire and clipping), in order to understand changes in ecosystem functioning and competition processes between the grasses, and to understand invasion dynamics in this ecosystem. The presence of invasive species proved to affect the ecosystem functioning by increasing soil feeding activity. These differences were no longer observed in the dry season or when fires were frequent, showing that water availability and fire are more detrimental to soil feeding activity than is the vegetation. Laboratory experiments showed that both drought and flood simulated scenarios damaged both species, although the invasive species performed better under all watering conditions and responded better to fertilization. Underlying mechanisms such as the efficiency of photosynthesis and antioxidant mechanisms helped to explain this behavior. The invasive species grew faster and showed less cellular damage and a healthier photosystem, reflected in higher assimilation rates under stress. These differences between the native and invasive species were reduced with clipping, especially in dry soil with no fertilization, where the native species recovered better in relation to the pre-clipping levels. Flooding was as stressful as drought, but the invasive species can bypass this issue by growing an extensive root system, especially in the better-drained soils. Fire is more detrimental than clipping, with a slower recovery, while post-fire temperatures affect the germination of both invasive and native seeds and may be an important factor influencing the persistence of a diverse biota. This approach will finally contribute to the choice of the appropriate management techniques to preserve the Cerrado’s biodiversity.

Sustainable viticulture in Bairrada appellation: vineyard and harvest year effects on grapes oenological potential

The sustainable viticulture of a region passes, among other aspects, for maximizing the varieties potential minimizing subsequent interventions during winemaking, which should contribute to the production of quality wines maintaining their typicity and rationalizing costs. The detailed knowledge of each Appellation specificities, namely vineyard parcel (soil type and topographical peculiarities) and harvest climatic conditions is crucial for sustainability in this sector. Thus, in line with this current trend, the starting point for the development of this PhD thesis was to evaluate the oenological potential of different varieties cultivated throughout Bairrada Appellation (Portugal). During maturation several changes in grape varieties occur, namely berries become sweeter, less acidic, and they develop flavour, aroma and colour properties. The development of these characteristics is essential to define grapes oenological potential, i.e. to estimate the possibility of their usage to produce specific wines. A three years sampling plan was designed to evaluate the effect of harvest year and parcel characteristics on V. vinifera cv. Arinto, Bical, Sauvignon Blanc, Baga, Castelão, Touriga Nacional, and Sousão grapes composition. For each variety, 3 parcels with different characteristics were selected. Several physicochemical parameters were evaluated, during maturation: berry weight, pH, titratable acidity, sugar and phenolic contents, antiradical activity, and volatile composition (free fraction). Special attention was devoted to grapes at technologic maturity, since, besides these parameters, glycosidically-linked fraction was also considered. By using the results obtained at technologic maturity, a comprehensive approach was applied to identify the significance of harvest and parcel characteristics effects on each variety composition. Considering all the parameters under study, it may be highlighted some significant differences. According to the obtained results determined during maturation, it was possible to conclude that Arinto, Bical and Sauvignon Blanc grapes from parcels with clay-sandy and clay-calcareous soils have higher phenolic content and antiradical activity. Otherwise, Sauvignon Blanc presented similar volatile composition for grapes cultivated in the 3 parcels, while Arinto and Bical exhibited higher volatile content in grapes from claysandy and clay-calcareous soils. For Baga, Castelão and Touriga Nacional red varieties, grapes with higher phenolic content, antiradical activity, and volatile content were obtained from clayey and clay-calcareous soils. Furthermore, for Touriga Nacional, parcels altitude seems also to modulate grapes composition. Beyond parcel effect, harvest year conditions also influence grapes composition: 2011 harvest was related with lower phenolic and volatile contents, as well as lower antiradical activity.For grapes collected at technologic maturity, analysis of variance-simultaneous component analysis (ASCA) was applied combining all the parameters under study, in order to assess the influence of harvest and parcel characteristics on each variety oenological potential. The results obtained using this comprehensive approach is closely related with those observed during maturation and revealed that harvest was the main factor that influenced grapes composition (53% to 68% of the total data set variance) followed by parcel characteristics, explaining ca. 15-19% of the total data set variance. The oenological potential of each variety may be different from one parcel to another, i.e., clay-sandy and clay-calcareous related-environments seem to favour Arinto and Bical white grapes composition, but for the red varieties, grapes composition was favoured by clayey and clay-calcareous soils. Besides, also higher altitude seems to favour Touriga Nacional grapes composition. Sauvignon Blanc seems to be a variety well adapted to the different parcel characteristics. In order to go forward in the valuation of these varieties, the aroma properties of 6 monovarietal wines were studied based on an aroma network-approach, linking molecular data related to volatile composition and aroma data about the key odor active molecules. This approach allowed to identify different wine aroma properties and to infer about the consumer’s sensory perception. It was found that aroma properties differ from one wine variety to another: while Arinto and Sauvignon Blanc wine exhibited higher tree fruity, sweety and flowery aromas, related essentially with ester compounds and C13 norisoprenoids, the opposite was obtained for Bical wine, corroborating the aroma sensory perceptions of the trained panel. Sauvignon Blanc also exhibited higher toasted aromas (related with thiols, mainly with 2-methyl-3-furanthiol). Touriga Nacional red wine exhibited higher tree, tropical, and berry fruits notes (sensory described as sweet fruits), toasted and flowery aromas, while these are similar for the other red wines under study. Besides Portuguese Bairrada wines, this aroma network approach is a tool that can be used to explain the aroma properties of wines worldwide. The grape and wine data generated under the present PhD thesis, in the context of Bairrada Appellation, shows the unique character of each variety, and may be used by growers and wine producers as a support for decisionmaking based on objective criteria, increasing the sustainability in this sector. For instance, it is possible to take advantage of the natural resources and produce products with different characteristics obtained from the same variety, minimizing costs during the winemaking process.

Effects of environmental factors on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos

During the last century mean global temperatures have been increasing. According to the predictions, the temperature change is expected to exceed 1.5ºC in this century and the warming is likely to continue. Freshwater ecosystems are among the most sensitive mainly due to changes in the hydrologic cycle and consequently changes in several physico-chemical parameters (e.g. pH, dissolved oxygen). Alterations in environmental parameters of freshwater systems are likely to affect distribution, morphology, physiology and richness of a wide range of species leading to important changes in ecosystem biodiversity and function. Moreover, they can also work as co-stressors in environments where organisms have already to cope with chemical contamination (such as pesticides), increasing the environmental risk due to potential interactions. Therefore, the objective of this work was to evaluate the effects of climate change related environmental parameters on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos. The following environmental factors were studied: pH (3.0-12.0), dissolved oxygen level (0-8 mg/L) and UV radiation (0-500 mW/m2). The pesticides studied were the carbamate insecticide carbaryl and the benzimidazole fungicide carbendazim. Stressors were firstly tested separately in order to derive concentration- or intensity-response curves to further study the effects of binary combinations (environmental factors x pesticides) by applying mixture models. Characterization of zebrafish embryos response to environmental stress revealed that pH effects were fully established after 24 h of exposure and survival was only affected at pH values below 5 and above 10. Low oxygen levels also affected embryos development at concentrations below 4 mg/L (delay, heart rate decrease and edema), and at concentrations below 0.5 mg/L the survival was drastically reduced. Continuous exposure to UV radiation showed a strong time-dependent impact on embryos survival leading to 100% of mortality after 72 hours of exposure. The toxicity of pesticides carbaryl and carbendazim was characterized at several levels of biological organization including developmental, biochemical and behavioural allowing a mechanistic understanding of the effects and highlighting the usefulness of behavioural responses (locomotion) as a sensitive endpoint in ecotoxicology. Once the individual concentration response relationship of each stressor was established, a combined toxicity study was conducted to evaluate the effects of pH on the toxicity of carbaryl. We have shown that pH can modify the toxicity of the pesticide carbaryl. The conceptual model concentration addition allowed a precise prediction of the toxicity of the jointeffects of acid pH and carbaryl. Nevertheless, for alkaline condition both concepts failed in predicting the effects. Deviations to the model were however easy to explain as high pH values favour the hydrolysis of carbaryl with the consequent formation of the more toxic degradation product 1- naphtol. Although in the present study such explanatory process was easy to establish, for many other combinations the “interactive” nature is not so evident. In the context of the climate change few scenarios predict such increase in the pH of aquatic systems, however this was a first approach focused in the lethal effects only. In a second tier assessment effects at sublethal level would be sought and it is expectable that more subtle pH changes (more realistic in terms of climate changes scenarios) may have an effect at physiological and biochemical levels with possible long term consequences for the population fitness.