Ecotoxicological evaluation of pesticide mixtures

Neste trabalho o risco da aplicação de moluscicidas (metaldeído e metiocarbe) para o isópode terrestre Porcellionides pruinosus foi avaliado usando como parâmetros a mortalidade e biomarcadores de exposição. O tempo até à morte dos isópodes (após contacto com os moluscicidas) foi muito curto, especialmente no caso da exposição ao metiocarbe. Os vários biomarcadores revelaram-se úteis para a compreensão do modo de acção dos dois moluscicidas neste isópode, particularmente o efeito do carbamato metiocarbe na inibição da enzima acetilcolinesterase (AChE). Os efeitos de combinações binárias de três produtos de protecção das plantas (PPP) dimetoato, glifosato e espirodiclofeno foram avaliados testando o comportamento de evitamento de P. pruinosus, o sucesso reprodutivo do colêmbolo Folsomia candida e o crescimento das plantas Brassica rapa e Triticum aestivum, usando os dois modelos de referência de concentração de adição (CA) e acção independente (IA). O modelo MIXTOX foi usado para avaliar possíveis desvios (devido a interacções entre os pesticidas) dos dois modelos de referência. Os resultados obtidos permitem constatar que estes PPP quando aplicados segundo a dose recomendada não acarretam efeitos perniciosos para os organismos testados. Foi detectado sinergismo na mistura feita com glifosato e espirodiclofeno no isópode P. pruinosus e na mistura com glifosato e dimetoato na planta T. aestivum. Um ecossistema terrestre em pequena escala (“STEM”) foi desenvolvido, contendo um solo agrícola mediterrânico. Nestes STEM, minhocas (Eisenia andrei), P. pruinosus, B. rapa e “bait-lamina” foram incorporados no sentido de avaliar os efeitos da aplicação de dimetoato com espirodiclofeno e glifosato com dimetoato. A dose recomendada de aplicação dos PPP, quer na exposição individual quer nas misturas binárias não teve quaisquer efeitos nas espécies testadas. As minhocas foram sensíveis à aplicação conjunta de dimetoato com espirodiclofeno (10 vezes a dose recomendada) na sua distribuição vertical ao longo da coluna do STEM, e foi detectado sinergismo (i.e. mais minhocas escaparam do que a predição feita pelo modelo IA). Em todas as misturas binárias feitas com glifosato e dimetoato registou-se um decréscimo no consumo de “bait-lamina”, indicando sinergismo (menos “bait-lamina” consumidos que o esperado). Dos quatro biomarcadores (Catalase, AChE, GST e LPO) avaliados nos isópodes, verificaram-se diferenças significativas na actividade da enzima AChE (quando dimetoato foi aplicado no solo) e LPO (aumento da actividade devido à aplicação de glifosato e dimetoato).

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.

Toxicidade de químicos em mistura: o caso da albufeira do Alqueva

In the environment humans and biota are generally exposed to chemical mixtures rather than individual chemicals. Therefore, when assessing the environmental risk of chemicals, it is important to consider chemical mixtures and their possible interactions. The main objective of this work focused on the environmental risk assessment of pesticides found in the water of the Alqueva reservoir and their binary combinations. In this aquatic ecosystem several pesticides were above of the environmental quality standards. But in addition, there were several sampling points of the reservoir where ecotoxicity was observed despite the presence of these contaminants at low concentrations. Here, a component-based approach was used to assess the effects of the pesticide mixtures. The effects of the binary combinations of four herbicides, atrazine (ATR), terbuthylazine (TER), simazine (SIM) and metolachlor (MET), on the growth rate of the microalgae Pseudokirchneriella subcapitata and the effects of the binary combinations of the s-triazine herbicides ATR and TER and the insecticide chlorpyrifos (CPF) on the swimming behaviour and acetylcholinesterase (AChE) activity of the zebrafish Danio rerio were assessed using the two reference models of concentration addition (CA) and independent action (IA). Moreover, the combined effects of the herbicides (ATR, TER and MET) and the insecticide CPF were also tested on the swimming behaviour and AChE activity of the aquatic midge Chironomus riparius after the cholinesterases characterization. In this risk characterization, the calculated risk quotients for the herbicides ATR, TER, SIM and MET were higher than 1, meaning that these herbicides present a high risk for the Alqueva ecosystem. As expected, the microalgae P. subcapitata was the most sensitive species to the herbicides. However, despite these herbicides pose no or low risk to other aquatic organisms tested in this study, with EC50 values much higher than the concentrations found in this aquatic ecosystem, they are able to increase the toxic effects of CPF when they are tested in binary mixtures. Moreover, the risk quotients of mixtures of these herbicides present simultaneously in three different locations of the reservoir were also higher than 1, so this confirms the fact that these herbicides when present in mixtures, present a greater risk for this ecosystem than the expected considering each single chemical by its own.

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.

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.

From genes to population: effects of toxicants on Enchytraeus albidus

Nowadays, a systems biology approach is both a challenge as well as believed to be the ideal form of understanding the organisms’ mechanisms of response. Responses at different levels of biological organization should be integrated to better understand the mechanisms, and hence predict the effects of stress agents, usable in broader contexts. The main aim of this thesis was to evaluate the underlying mechanisms of Enchytraeus albidus responses to chemical stressors. Therefore, there was a large investment on the gene library enrichment for this species, as explained ahead. Overall, effects of chemicals from two different groups (metals and pesticides) were assessed at different levels of biological organization: from genes and biochemical biomarkers to population endpoints. Selected chemicals were: 1) the metals cadmium and zinc; 2) the insecticide dimethoate, the herbicide atrazine and the fungicide carbendazim. At the gene and sub-cellular level, the effects of time and dosage were also adressed. Traditional ecotoxicological tests - survival, reproduction and avoidance behavior - indicated that pesticides were more toxic than metals. Avoidance behaviour is extremely important from an ecological point of view, but not recommended to use for risk assessment purposes. The oxidative stress related experiment showed that metals induced significant effects on several antioxidant enzyme activities and substrate levels, as well as oxidative damage on the membrane cells. To increase the potential of our molecular tool to assess transcriptional responses, the existing cDNA library was enriched with metal and pesticide responding genes, using Suppression Subtractive Hybridization (SSH). With the sequencing information obtained, an improved Agilent custom oligonucleotide microarray was developed and an EST database, including all existing molecular data on E. albidus, was made publicly available as an interactive tool to access information. With this microarray tool, most interesting and novel information on the mechanisms of chemical toxicity was obtained, with the identification of common and specific key pathways affected by each compound. The obtained results allowed the identification of mechanisms of action for the tested compounds in E. albidus, some of which are in line with the ones known for mammals, suggesting across species conserved modes of action and underlining the usefulness of this soil invertebrate as a model species. In general, biochemical and molecular responses were influenced by time of exposure and chemical dosage and these allowed to see the evolution of events. Cellular energy allocation results confirmed the gene expression evidences of an increased energetic expenditure, which can partially explain the decrease on the reproductive output, verified at a later stage. Correlations found throughout this thesis between effects at the different levels of biological organization have further improved our knowledge on the toxicity of metals and pesticides in this species.

Lacertid lizards as bioindicators of agricultural contamination

Apesar do recente aumento no número de estudos, os lagartos persistem como um dos grupos menos estudados em ecotoxicologia e o desconhecimento em relação à sua resposta à contaminação ambiental é enorme. A nível europeu, os lacertídeos têm sido identificados como potenciais espécies modelo para a ecotoxicologia com répteis. O principal objectivo deste projecto era determinar se um lacertídeo abundante pertencente ao género Podarcis, podia ser utilizado como bioindicador de exposição e toxicidade em zonas agrícolas. Para atingir este objectivo, utilizámos uma estratégia integrada com três fases. Numa primeira fase realizou-se um estudo de campo para documentar o tipo de exposição e parâmetros populacionais de populações de lacertídeos que ocorrem em zonas de uso intenso de pesticidas e zonas de agricultura orgânica. A segunda fase consistiu num estudo de mesocosmo em que se expuseram juvenis a um conjunto de pesticidas em condições controladas durante um período de um ano. Finalmente, a terceira fase incluiu um estudo laboratorial sobre os efeitos do clorpirifos, um dos insecticidas mais utilizado a nível global, em lagartixas. No término de cada um dos estudos, analisaram-se diversos biomarcadores e parâmetros de exposição e toxicidade a pesticidas nos diferentes indivíduos. Este conjunto abrangente de parâmetros foi analisado em diferentes níveis de organização biológica, incluindo parâmetros populacionais, bem como comportamentais, fisiológicos, bioquímicos e histológicos. Em geral, detectaram-se poucas diferenças estatísticas significativas entre as populações dos campos expostos a pesticidas e populações referência. Confirmando a dificuldade que existe em isolar os efeitos de diferentes contaminantes sobre as populações de outros factores locais, ciclos sazonais ou eventos estocásticos. As populações de P. bocagei parecem ser capazes de lidar com o nível observado de exposição a pesticidas. No entanto, indivíduos que vivem em locais expostos a pesticidas parecem estar menos adaptados ecologicamente do que aqueles que vivem em locais referência, apresentando um estado de depleção nutricional e sinais de stress metabólico. Os resultados obtidos com os animais da experiência de mesocosmo parecem reforçar estes resultados. Os animais prosperaram relativamente bem em todos os mesocosmos, independentemente do tratamento ou não com pesticidas, apresentando uma ampla gama de comportamentos naturais. A abordagem laboratorial confirmou P. bocagei como um valioso indicador de exposição sub-letal a doses ambientalmente realistas de clorpirifos. De acordo, com o conjunto d resultados obtidos, P. bocagei parece ser um bioindicador adequado de exposição a pesticidas.

Avaliação ecológica do efeito combinado de contaminantes ambientais

The assessment of ecological status of lotic freshwater bodies, based on stringent criteria of classification, has been defined by the Water Framework Directive (WFD), as a result of the implementation and optimization of methodologies that integrate physico-chemical, biological, and hydromorphological parameters. It is recognized that the application of this methodology is not easy, because it requires deep technical and scientific knowledge; it is time consuming in its application involving high financial costs. Thus, the main objective of this study was the development of cheaper and faster complementary methodologies that may contribute to the technical application of the classification criteria defined by the WFD, achieving the same final results of evaluation. In order to achieve this main goal, the river Mau, a small mountain river subjected to different stressors (eg, metals, pesticides), was established as the main sampling area. This thesis reviewed the historical development of various biotic indexes and its application in assessing water quality, especially highlighting the new paradigm defined by the WFD, and the corresponding actions developed for optimization and intercalibration of methodologies, evaluating the final state of water bodies. The ecological spatiotemporal characterization of the river Mau focused on the application of the WFD methodology, using at this stage only macroinvertebrates collected during four seasons. Results were compared with historical data of the last three years and they demonstrated that the river is in good condition. However, the ecological quality decreased at certain locations indicating that organisms were subjected to some type of disturbance. As the ecological quality can be conditioned by pulses of contamination from the sediments, in environmental adverse conditions, assays were performed with elutriates, obtained from sediments collected near the mining complex Braçal-Palhal. Results showed that this method was effective achieving the state of contamination, which may be important in prioritizing/scoring of critical areas within river ecosystems potentially impacted, using the WFD methodology. However, this methodology requires the collection of sediment which can promote the modification and / or loss of contaminants. To solve this potential problem, we developed a new methodology to obtain similar results. For this, we used a benthic microalga, belonging to the Portuguese flora, sensitive to organic pollution and metals. This methodology was optimized for application in situ, by immobilization of diatom in calcium alginate beads. The results showedthat their sensitivity and normal growth rate are similar to data obtained when used free cells of diatom. This new methodology allowed the achievement of a very quick response on the degree of contamination of a site, providing a complementary methodology to WFD.

Single and joint effects of natural and chemical stressors to the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus

Environmental contamination and climate changes constitute two of the most serious problems affecting soil ecosystems in agricultural fields. Agriculture is nowadays a highly optimized process that strongly relies on the application of multiple pesticides to reduce losses and increase yield production. Although constituting, per se, a serious problem to soil biota, pesticide mixtures can assume an even higher relevance in a context of unfavourable environmental conditions. Surprisingly, frameworks currently established for environmental risk assessments keep not considering environmental stressors, such as temperature, soil moisture or UV radiation, as factors liable to influence the susceptibility of organisms to pesticides, or pesticide mixtures, which is raising increasing apprehension regarding their adequacy to actually estimate the risks posed by these compounds to the environment. Albeit the higher attention received on the last few years, the influence of environmental stressors on the behaviour and toxicity of chemical mixtures remains still poorly understood. Aiming to contribute for this discussion, the main goal of the present thesis was to evaluate the single and joint effects of natural stressors and pesticides to the terrestrial isopod Porcellionides pruinosus. The first approach consisted on evaluating the effects of several abiotic factors (temperature, soil moisture and UV radiation) on the performance of P. pruinosus using several endpoints: survival, feeding parameters, locomotor activity and avoidance behaviour. Results showed that these stressors might indeed affect P. pruinosus at relevant environmental conditions, thus suggesting the relevance of their consideration in ecotoxicological assays. At next, a multiple biomarker approach was used to have a closer insight into the pathways of damage of UV radiation and a broad spectrum of processes showed to be involved (i.e. oxidative stress, neurotoxicity, energy). Furthermore, UV effects showed to vary with the environment medium and growth-stage. A similar biomarker approach was employed to assess the single and joint effects of the pesticides chlorpyrifos and mancozeb to P. pruinosus. Energy-related biomarkers showed to be the most differentiating parameters since age-classes seemed to respond differently to contamination stress and to have different metabolic costs associated. Finally, the influence of temperature and soil moisture on the toxicity of pesticide mixtures was evaluated using survival and feeding parameters as endpoints. Pesticide-induced mortality was found to be oppositely affected by temperature, either in single or mixture treatments. Whereas chlorpyrifos acute toxicity was raised under higher temperatures the toxicity of mancozeb was more prominent at lower temperatures. By the opposite, soil moisture showed no effects on the pesticide-induced mortality of isopods. Contrary to survival, both temperature and soil moisture showed to interact with pesticides to influence isopods’ feeding parameters. Nonetheless, was however the most common pattern. In brief, findings reported on this thesis demonstrated why the negligence of natural stressors, or multiple stressors in general, is not a good solution for risk assessment frameworks.

Aß biology and its contribution to Alzheimer's disease

A doença de Alzheimer (DA) é uma desordem neurodegenerativa progressiva patologicamente caracterizada pela presença de placas de amilóide (placas senis) insolúveis e também pela presença de tranças neurofibrilhares,formadas pela proteína Tau hiperfosforiladada. O principal constituinte das placas senis é o peptídeo beta-amilóide (Ab), que deriva do processamento proteolítico da proteína precursora de amilóide de Alzheimer (APP). Embora Ab exista como um agregado pouco solúvel nas placas senis, ele é secretado pelas células como uma molécula solúvel. O Ab “per se” pode afectar o metabolismo da APP. Alguns autores sugerem que o Ab exerce o seu efeito alterando o processamento ou catabolismo da APP, outros sugerem que ele também induz a transcrição da APP, onde aumentando os níveis da APP pode estar a contribuir para a sua própria produção (mecanismo de “feedback” positivo). Assim sendo, torna-se difícil consolidar todas estas observações e identificar as potenciais funções fisiológicas do Ab “in vivo”, ou as consequências da sua produção. Neste trabalho caracterizaram-se os efeitos do Ab no metabolismo da APP. Os nossos estudos revelaram que um dos mecanismos induzidos pelo Ab é a acumulação intracelular do fragmento neuroprotector sAPP (isAPPa) em estruturas com características vesiculares associadas ao citosqueleto. Estudos adicionais em culturas primárias revelaram que o Ab estava a exercer o seu efeito ao nível da secreção vesicular, provavelmente interferindo com o transporte de APP/sAPP ao longo da rede do citosqueleto. Esta hipótese é sustentada pelo facto do Ab estar a afectar a estabilidade e a polimerização de proteínas envolvidas na dinâmica do citosqueleto. Contrariamente a publicações anteriores o Ab não induziu a transcrição da APP, na verdade em culturas primárias neuronais foi observado uma diminuição nos níveis de expressão da APP. Isto foi acompanhado por um aumento nos fragmentos C-terminais da APP (CTFs) e uma diminuição na localização nuclear do seu domínio intracelular (AICD), sugerindo alterações na sinalização nuclear da APP. O Ab pode afectar outras vias de sinalização, particularmente alterando o balanço entre as actividades das proteínas cinases e fosfatases, o que pode ter consequências para o desenvolvimento da doença. Os dados obtidos indicam que o Ab é capaz de inibir a actividade da proteína fosfatase1, a sua importância numa perspectiva de futuras terapias é discutida. Devido à relevância da agregação do Ab para a sua toxicidade, a formação de complexos com proteínas que promovem a sua desagregação/degradação e o seu efeito no processamento da APP foi avaliado. Na presença destes complexos observou-se uma reversão da acumulação isAPP, demonstrando o potencial terapêutico destas proteínas como moduladores do metabolismo da APP. Este trabalho permitiu compreender melhor os mecanismos envolvidos nos efeitos do Ab no processamento da APP e descobrir algumas moléculas que podem ser relevantes numa perspectiva de diagnóstico e terapia na DA.

Endocrine disruption in the terrestrial isopod porcellio scaber

Nas últimas décadas tem-se assistido a uma preocupação crescente relativamente às possíveis consequências da exposição a compostosxenóbioticos capazes de modular ou causar disrupção do sistema endócrino, os denominados Compostos Disruptores Endócrinos (CDEs). A maioria dos estudos efectuados tem-se centrado principalmente nos efeitos dos CDEs em vertebrados, enquanto que os seus efeitos em invertebrados têmsido negligenciados, embora este grupo represente mais de 95% de todas asespécies animais. Isópodes como o Porcellio scaber, combinam características associadas às mudas e aos processos reprodutivos mediados por mecanismos endócrinosconhecidos com um modo de vida terrestre, tornando-os potenciais espécies sentinela para estudos de disrupção endócrina (DE) em ambientes terrestres. Neste estudo, isópodes machos adultos, machos e fêmeas juvenis e casais foram expostos a concentrações crescentes dedois CDEs, vinclozolina (Vz) e bisfenol A (BPA). Testou-se a hipótese nula que a Vz e o BPA não interferem com o desenvolvimento e reprodução deste isópode terrestre. Foi investigadaa possível ligação entre os efeitos causados pelos compostos propostos e DE assim como a ligação a outros potenciais mecanismos de toxicidade.Parâmetros como concentração de 20-hidroxiecdisona (20E), muda, crescimento, rácios sexuais ediversos parâmetros reprodutivos foram estudados. Adicionalmente, de modo a estudar os alvos moleculares destes tóxicos, analisou-se a expressão proteica do intestino, hepatopâncreas e testículos do isópode após exposição aos químicos. Os resultados demonstram que a Vz e o BPA estimulam o aumento dos níveis de 20E de um modo dependente da dose. Excepção feita para a concentração mais baixa de BPA testada (10 mg/kg solo), para a qual concentrações significativamente mais altas de 20E foram determinadas, sugerindo a ocorrência dos “efeitos de baixas doses típicos de DE” já demonstrados por outros autores. O BPA também distorceu o rácio sexual favorecendo asfêmeas na concentração mais baixa. A mortalidade devido à ecdise incompleta foi relacionada com o hiper-ecdisonismo nas concentrações mais elevadas de Vz. Mais ainda, a Vz tende a atrasar a muda e o BPA a induzi-la. Não obstante, ambos os compostos provocam toxicidade no desenvolvimento,uma vez que foi encontrada uma diminuição generalizada nos parâmetros de crescimento. Os juvenis mostraram ser mais sensíveis à exposição aos tóxicos que os adultos. Estes compostos provocaram ainda toxicidade reprodutiva, com um decréscimo generalizado do “output” reprodutivo. A toxicidadecausada pelos ecdisteróides e o seu papel na síntese de vitelogenina são alguns dos factores chave que poderão influenciar negativamente a reprodução.A Vz e o BPA afectaram a expressão de proteínas envolvidas nometabolismo energético e induziram várias respostas de stress. Interferiram ainda com proteínas intimamente ligadas com o sucesso reprodutivo. Conclui-se assim,que ambos os CDEs propostos provocam toxicidade nodesenvolvimento e na reprodução de P. scaber, tendo sido evidenciada umaligação a DE. Alvos moleculares de natureza não-endócrina foram também revelados, através da expressão diferencial de algumas proteínaspreviamente descritas para invertebrados aquáticos e mesmo alguns vertebrados.

Biologia e biotecnologia vegetal numa perspectiva de sustentabilidade

A importância de áreas científicas, como biologia e biotecnologia na vida humana é cada vez mais reconhecida. Assim, é necessário que professores, actuais e futuros, e investigadores desenvolvam programas de formação/investigação orientados para a compreensão de conteúdos científicos e questionamento da natureza destas áreas e, simultaneamente, para utilizações conscienciosas de conhecimento científico na vida prática. É neste quadro que se insere a investigação realizada e apresentada na presente dissertação. Para responder à questão central:”Como proporcionar formação em biologia e biotecnologia para o mundo contemporâneo a alunos futuros professores de ciências?”, a investigação envolveu dois percursos gerais de trabalho: i) Autoformação em biologia e biotecnologia vegetal numa perspectiva investigativa e ii) Desenvolvimento de percursos investigativos em formação inicial de professores de ciências para o Ensino Básico, envolvendo temáticas actuais relacionadas com biologia e biotecnologia. Globalmente, a investigação baseou-se em três pressupostos: 1º) É oportuno e necessário mobilizar conhecimentos oriundos da investigação científica actual em biologia e biotecnologia para conceber, planear e desenvolver actividades de formação inicial de professores de ciências, 2º) O perfil profissional de professores envolvidos em formação inicial de professores de ciências deve integrar competências científicas, desenvolvidas em trabalho investigativo e 3º). Aos alunos-futuros professores de ciências devem proporcionar-se oportunidades para desenvolverem reflexão epistemológica e trabalho investigativo, para mobilizarem adequadamente conhecimento oriundo de investigação científica actual e desenvolverem competências na tripla perspectiva de educação sobre ciências, pelas ciências e em ciências. A autoformação desenvolveu-se no âmbito de dois projectos em biologia e biotecnologia vegetal, designadamente, Toxicidade do chumbo em alface, onde se testou o efeito do chumbo em alface (Lactuca sativa), e Micropropagação de zimbro, onde se implementaram metodologias de micropropagação/clonagem de uma espécie em risco em Porto Santo, Juniperus Phoenicea. O desenvolvimento de percursos investigativos, com e por alunos-futuros professores de ciências, efectuou-se no âmbito de uma disciplina de um curso de licenciatura em Ciências da Natureza e Matemática para o 2º ciclo do Ensino Básico. Estes percursos compreenderam reflexão epistemológica e o desenvolvimento de trabalho investigativo que envolveu um conjunto de estratégias e recursos, incorporando conteúdos de toxicologia ambiental e de biotecnologia vegetal numa perspectiva de inter-relações ciência, tecnologia e sociedade. Os resultados relativos ao desenvolvimento destes percursos investigativos evidenciaram o interesse e importância de se desenvolverem em temáticas científicas actuais e relevantes para o mundo contemporâneo, como via de autoformação, por um lado, e como estratégia de formação de alunos-futuros professores de ciências, orientada por preocupações de educação para o desenvolvimento sustentável, por outro. Simultaneamente, permitiram que todos os intervenientes, em particular os alunos-futuros professores de ciências, aprofundassem conhecimentos sobre contextos e processos envolvidos em formação em biologia e biotecnologia para o mundo contemporâneo e identificassem implicações para a formação de professores. Permitiram, ainda, apontar sugestões para investigação futura neste domínio.

Influence of speciation in the bioavailability of cadmium to an isopod

Devido às actividades antropogénicas várias substâncias químicas têm sido introduzidas no meio ambiente em concentrações que de outro modo não ocorreriam de forma tão elevada naturalmente. Assim, o conhecimento acerca das características de um químico, tais como, o potencial para se acumular em diferentes níveis tróficos, a sua mobilidade dentro do ecossistema, a toxicidade específica e a bioacumulação, é fundamental para compreender os seus efeitos nos ecossistemas. Esta tese investiga a influência de especiação, na biodisponibilidade do cádmio (Cd) para o isópode Porcellio dilatatus, incluindo os efeitos de especiação do metal: (i) na assimilação do Cd, (ii) no modo como o Cd se distribui internamente no organismo, e (iii) como a sobrevivência e a reprodução são afectadas em isópodes terrestres. Num primeiro ensaio laboratorial avaliou-se a importância da transferência trófica na assimilação do Cd em P. dilatatus. Para tal analisou-se a eficiência de assimilação (EA) do Cd em isópodes, adicionado superficialmente ao alimento (alface) na forma de Cd(NO3)2 e contaminando o meio de crescimento da alface. A hipótese era de que a alface contaminada biologicamente através do cultivo em meio hidropónico contaminado teria uma maior proporção de complexos com proteína ou conjugado na forma de Cd (ex. Cd cisteína). A EA de Cd foi maior entre os isópodes que foram alimentados com o sal (71%, SE = 7%), do que entre os isópodes que se alimentaram de alface contaminada biologicamente (52%, SE = 5%), demonstrando-se assim num teste laboratorial que é provável que a especiação do Cd influencie a taxa de assimilação e acumulação do Cd. Na experiência alimentar que se seguiu, estudou-se em detalhe a especiação do metal comparando as EA do Cd conjugado com cisteína (Cd(Cys)2) e na forma de Cd(NO3)2, com os quais se contaminou gelatina com alface. A utilização de Cd-cisteína, proporcionou uma forma experimental para explorar a biodisponibilidade do Cd complexado dentro do tecido biológico. Como esperado, a EA de Cd em isópodes alimentados com nitrato de Cd (64%, SE = 5%) foi maior do que no caso de isópodes alimentados com o conjugado de cisteína (20%, SE = 3%). De seguida estudou-se a distribuição subcelular das espécies de Cd assimilado através de um processo de fraccionamento. Supunha-se que as diferenças de especiação de Cd reflectiria diferentes estratégias de compartimentalização, com consequências ao nível da detoxificação, armazenamento celular e distribuição subcelular do metal. O “sequestro” na forma de metal biologicamente detoxificado (BDM = proteínas estáveis ao calor - HSP e grânulos ricos em metal - RMG) foi maior nos isópodes alimentados com Cd(NO3)2, sugerindo que são mais eficientes na detoxificação de Cd (22%) do que quando alimentados com Cd(Cys)2 (15%). Foi também demonstrado que os isópodes alimentados com Cd(Cys)2 possuíam níveis de armazenamento de Cd superior nas fracções sensíveis ao metal (MSF = organelos e proteínas desnaturadas pelo calor - HDP) consideradas fracções potencialmente vulneráveis e afectando os isópodes em termos de toxicidade. As diferentes distribuições internas que se seguiram à assimilação e detoxificação das diferentes espécies de Cd foram finalmente avaliadas em termos da sobrevivência e reprodução dos isópodes. O tratamento com Cd(Cys)2 teve maior mortalidade, provavelmente devido à maior disponibilidade de Cd ingerido com implicações ao nível dos processos fisiológicos. Os isópodes alimentados com Cd(NO3)2 armazenaram o Cd nos MRG, como estratégia de detoxificação, sendo mais eficientes a detoxificar o Cd ainda que aumentando a concentração total do metal que se tornou menos tóxico para o isópode. Desta forma, o Cd nos grânulos não estava disponível para os processos fisiológicos e deixou de ser tóxico. Isso poderia estar relacionado com a resistência e tolerância aos metais devido à capacidade dos isópodes compartimentalizarem o Cd no hepatopâncreas, que actua como um mecanismo de detoxificação e contribui para a tolerância a altos níveis de cádmio. Em termos de parâmetros reprodutivos, observou-se uma redução de gestações e duração da gestação na presença de ambas as espécies de metal, mas no caso do Cd(Cys)2 as gravidezes não se concluíram. O número de jovens produzido por fêmeas alimentadas com Cd(NO3)2 foi menor do que no controlo, mas os pesos dos juvenis foram superiores. Finalmente sugere-se assim que esta abordagem seja considerada em estudos do movimento trófico de metais nas cadeias alimentares dado que se espera que a especiação de metais implique diferentes fluxos, dentro de uma dada cadeia trófica.

Avaliação do efeito de metais pesados na fertilidade do ratinho

A infertilidade é um problema actual que afecta cerca de 8 a 12% dos casais em idade fértil, sendo 50% dos casos atribuídos ao factor masculino. A exposição ocupacional e/ou ambiental a metais pesados representa uma das suas principais causas. O chumbo, o cádmio e o crómio são metais com elevada utilização industrial e muito persistentes no ambiente, sendo motivo de grande preocupação devido aos seus efeitos na saúde reprodutiva dos trabalhadores e da população em geral. Neste trabalho estudaram-se os efeitos do cloreto de chumbo (PbCl2), cloreto de cádmio (CdCl2) e cromato de potássio (K2CrO4) na fertilidade, usando como modelo ratinhos machos ICR-CD1. Os ratinhos foram injectados subcutaneamente com 74 e 100 mg de PbCl2/kg pc ou com 5 e 10 mg de K2CrO4/kg pc, respectivamente, durante 4 dias consecutivos ou com 1, 2 e 3 mg de CdCl2/kg pc numa única injecção. Nos ensaios com PbCl2 e K2CrO4 os animais foram sacrificados 5 e 35 dias após o início da exposição, enquanto que nos ensaios com CdCl2 os animais foram sacrificados após 24 horas e 35 dias. O cloreto de chumbo não alterou a histologia do testículo nem do epidídimo, mas induziu um aumento da percentagem de células em fase S no testículo. O cloreto de chumbo alterou também alguns parâmetros dos espermatozóides, tais como a motilidade, morfologia e integridade do acrossoma. Contudo, não foram observados efeitos na integridade do DNA ou na estrutura da cromatina. O cloreto de cádmio induziu lesões severas e não reversíveis nos testículos que, após 35 dias, reverteram em necrose testicular. O cloreto de cádmio alterou ainda as subpopulações de células testiculares após 24 horas e induziu IMS no testículo após 35 dias. Em consequência das lesões no testículo, a densidade espermática foi severamente afectada após 35 dias. A exposição ao cloreto de cádmio afectou também a morfologia, a motilidade e a integridade acrossómica nos espermatozóides. O cloreto de cádmio induziu ainda fragmentação do DNA nestas células após 35 dias. O cromato de potássio alterou a morfologia dos espermatozóides e a integridade do acrossoma, sobretudo nos animais sacrificados após 35 dias. Verificou-se ainda uma redução da motilidade dos espermatozóides. Não foram detectados efeitos genotóxicos nos espermatozóides, devido à acção do K2CrO4 nas doses testadas. Dos parâmetros avaliados neste trabalho, destacam-se duas novas abordagens, nomeadamente o programa informático Snakes e a análise do conteúdo em DNA de células de testículo, a partir de material incluído em parafina. O Snakes permitiu fazer medições rigorosas do diâmetro dos tubos seminíferos, enquanto que a fixação de amostras de testículo de ratinhos em formol tamponado e inclusão em parafina resultou numa boa preservação do DNA, possibilitando assim a quantificação das subpopulações de células testiculares por citometria de fluxo. Os resultados obtidos para os diferentes parâmetros testados indicam que a motilidade dos espermatozóides e a integridade do acrossoma sejam parâmetros sensíveis à toxicidade de metais. O acrossoma aparenta ser um dos principais alvos da toxicidade dos metais e cuja reacção acrossómica prematura pode reduzir a capacidade do espermatozóide para fertilizar o oócito. Assim, este trabalho representa uma contribuição para uma melhor compreensão dos efeitos do chumbo, cádmio e crómio na fertilidade masculina.

Valorização de resíduos industriais na formulação de produtos e pigmentos cerâmicos: processamento e desenvolvimento de cor

A valorização de diferentes resíduos industriais provenientes dosector de tratamento/revestimento de superfícies metálicas pode ser obtida utilizando-os como matérias-primas na formulação de pigmentos cerâmicos, sintetizados pelo método cerâmico convencional. Neste trabalho avaliou-se a viabilidade de incorporar lamas geradas pelos processos de (i) anodização, ricas em alumínio, (ii) de niquelagem e cromagem de torneiras, usadas como fonte de níquel e crómio, e (iii) da decapagem química de aços de uma trefilaria, ricas em ferro, utilizadas por si só, ou em conjunto com matérias-primas comerciais, para a obtenção depigmentos cerâmicos que coram, de forma estável, diversas matrizes cerâmicas e vítreas. Esta solução assegura ainda a inertização de potenciaisespécies perigosas presentes nos resíduos, resultando produtos inócuospara a saúde pública. Procedeu-se à caracterização de cada resíduo, em termos de composição química e mineralógica, comportamento térmico, grau de toxicidade, distribuição granulométrica, teor de humidade, etc. Verificou-se a constância das características das lamas, recorrendo à análise de lotes recolhidos em momentos distintos. Os resíduos são essencialmente constituídos por hidróxidos metálicos e foram utilizados após secagem e desagregação. No entanto, a lama de anodização de alumínio sofreu um tratamento térmico suplementar a 1400ºC. O método de síntese dos pigmentos englobou as seguintes etapas: (i) doseamento; (ii) homogeneização; (iii) calcinação; (iv) lavagem e moagem.Procedeu-se à caracterização dos pigmentos, avaliando a cor por espectroscopia de reflectância difusae pelo método CIELAB e determinando as características físico-químicas relevantes. Posteriormente, testou-se o seu desempenho em produtos cerâmicos distintos (corpos e vidrados), aferindo o desempenho cromático e a estabilidade. Numa primeira fase, desenvolveram-se e caracterizaram-se tipos distintos de pigmentos: (i) com base na estrutura do corundo (ii) verde Victória deuvarovite (iii) violeta de cassiterite com crómio (iv) pigmento carmim de malaiaíte; (v)pretos e castanhos com base na estrutura da espinela. Aprofundaram-se depois os estudos do pigmento carmim de malaiaítee do pigmento preto com base na estrutura da espinela. O pigmento carmim de malaiaíte, CaSnSiO5:Cr2O3, é formulado coma lama gerada no processo de niquelagem e cromagem. Avaliou-se a influência do teor de lama na temperatura de síntese e na qualidade cromática, em comparação com um pigmento formulado com reagentes puros. O pigmento preto com estrutura de espinela de níquel, crómio e ferro, foii formulado exclusivamente a partir das lamas geradas nos processos de cromagem/niquelagem e de decapagem química do aço. Avaliaram-se as características cromáticas e o grau de inertização dos elementos tóxicospresentes, em função da estequiometria e do tratamento térmico. Estudou-se ainda um novo sistema com base na estrutura da hibonite(CaAl12O19), que permite a obtenção de pigmentos azuis e que utiliza a lama de cromagem e niquelagem. As espécies cromóforas (Ni2+ ou Co2+) assumem coordenação tetraédrica quando substituem os iões Al3+ que ocupam as posições M5 da rede da hibonite. A formação simultânea de anortite permite reduzir a temperatura de síntese.Para além do carácter inovador deste pigmento de dissolução sólida, a qualidade cromática e a sua estabilidade são interessantes. Além disso, os teores de cobalto ou níquel são reduzidosrelativamente aos utilizados em formulações comerciais de pigmentos azuis, o que se traduz em importantes vantagens económicas e ambientais.