Cadmium phytotoxicity and trophic transfer to isopods

O cádmio (Cd) é um metal não essencial e é considerado um poluente prioritário pela comunidade europeia. Este metal atinge o ambiente no decurso de várias actividades antropogénicas e tende a concentrar-se nos solos e sedimentos, onde está potencialmente disponível para as plantas, sendo posteriormente transferido através da cadeia trófica. Neste contexto, o principal objectivo da presente dissertação foi o estudo dos efeitos da assimilação e da acumulação de Cd em plantas e as suas consequências para animais consumidores. Numa primeira fase, foram estudados os principais efeitos fisiológicos e genotóxicos do Cd em plantas. As plantas de alface (Lactuca sativa L.) expostas a Cd apresentaram um decréscimo na eficiência fotossintética, aumento de peroxidação lipídica e alterações significativas na actividade de enzimas de stress oxidativo. Estas alterações culminaram num decréscimo do crescimento da parte aérea no final da exposição. As respostas obtidas pelos parâmetros bioquímicos sugerem que estes poderão ser utilizados como eventuais biomarcadores em testes ecotoxicológicos com Cd em abordagens integrantes em conjunto com parâmetros clássicos. Os efeitos mutagénicos de Cd foram avaliados através da determinação da instabilidade de microsatélites (IM). Não foi observada IM, nem nas folhas nem nas raízes de plantas de alface com 5 semanas de idade expostas a 100 μM Cd durante 14 dias, no entanto observou-se IM em raízes de alface exposta a 10 μM Cd durante 28 dias desde a germinação. A idade da planta e a maior acumulação de Cd nas raízes poderão explicar os resultados obtidos. A clastogenicidade de Cd foi analisada em três espécies vegetais com diferentes capacidades de destoxificação e acumulação de metais através de citometria de fluxo. Foram detectadas alterações significativas nos parâmetros analisados em raízes alface, mas não nas espécies Thlaspi caerulescens J & C Presl e Thlaspi arvense L. Estes resultados sugerem que o stress provocado pelo Cd originou clastogenicidade como consequência da perda de porções de cromossomas, uma vez que o conteúdo de ADN nuclear diminuiu. A transferência trófica através da cadeia alimentar permanece muito pouco estudada em termos ecotoxicológicos. A distribuição subcellular de metais num organismo pode ser utilizada para compreender a transferência trófica de um metal na cadeia alimentar. Como tal, numa última parte é estudado de que modo a distribuição subcellular do Cd em plantas com perfis de acumulação de Cd distintos afecta a biodisponibilidade e transferência trófica de Cd para isópodes. A distribuição de Cd entre as 4 fracções subcelulares obtidas através de centrifugação diferencial revelou a existência de diferenças significativas entre as espécies de plantas. Estes resultados em conjunto com a avaliação directa da eficiência de assimilação (EA) de Cd individual de cada uma das quatro fracções subcelulares das plantas em estudo, resultou em informação de grande relevância para a explicação das diferenças observadas na EA de Cd por parte de isópodes alimentados com folhas de diferentes espécies de plantas. Com base nos resultados obtidos, o Cd ligado a proteínas estáveis à temperatura (e.g. metaloteoninas e fitoquelatinas) é o menos biodisponível, sendo assim o que menos contribuiu para a transferência trófica, enquanto que o Cd ligado a proteínas desnaturadas pela temperatura foi a fracção mais disponível para transferência trófica de Cd ao isópode. Estes resultados realçam a relevância ecológica da distribuição subcelular de Cd em plantas que tem influência directa na tranferência trófica deste metal para os consumidores e ainda o facto de que alterações na distribuição subcelular de Cd em plantas devido a diferentes mecanismos de destoxificação poderá ter um impacto directo na transferência trófica de Cd para o animal consumidor.

Phytochelatin signal tranduction and cadmium chelation in plants

As plantas utilizam diversas estratégias de sinalização para reconhecer e responder aos stresses ambientais. A maioria das vias de transdução de sinais partilham um sinal genérico, normalmente a modulação dos níveis intracelulares de Ca2+. Esta por sua vez pode iniciar uma cascata de fosforilação proteica que finalmente afecta as proteínas directamente envolvidas na protecção celular ou culmina em factores de transcrição que vão determinar a resposta fisiológica ao stresse. A percepção destes sinais e a compreensão de como estes podem activar as respostas adaptativas são factores-chave para a tolerância das plantas a stresses abióticos. Um dos principais stresses abóticos que restrigem o crescimento das plantas é a presença de metais pesados. A produção de fitoquelatinas e a subsequente quelação dos metais é o mecanismo mais conhecido de tolerância ao stresse metálico em plantas. Fitoquelatinas (PCs) são péptidos com grupos tiol que são sintetizados através da transpeptidação da glutationa (GSH), pela acção da enzima fitoquelatina sintase (PCS). No entanto, até ao momento, as vias de sinalização que levam à síntese de fitoquelatinas e à percepção do stresse metálico são pouco compreendidas. Dentro deste contexto, o presente trabalho foi elaborado com o intuito de elucidar a via de sinalização através da qual o cádmio é detectado pelas células vegetais e induz a síntese de PCs. Quase todos, os estudos de stresses abióticos em plantas apontam para o facto de a sua sinalização se basear nos mesmos tipos de sinais moleculares, nomeadamente a sinalização por cálcio, a fosforilação proteica e a indução de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Trabalhos recentes sugerem que a sinalização de PCs poderá envolver todos estes parâmetros. Assim, uma primeira abordagem foi efectuada para compreender a síntese de PCs na espécie Arabidopsis thaliana, através da monitorizaçção da actividade de enzimas relacionadas, a γ-EC sintetase, GSH sintetase e a PC sintase (PCS), assim como o tempo necessário para o elongamento das PCs e a sua acumulação. Seguidamente, ao longo deste processo foi analisada a expressão de sinais específicos, associados com sinais de cálcio, fosforilação proteica e sinalização por ROS. A importância destes factores na síntese de PCs foi também avaliada através do uso de moduladores farmacológicos de cálcio e fosfatases proteicas e também pela indução de stresse oxidativo. Os resultados demonstraram novos dados sobre o papel do cálcio e da fosforilação proteica na produção de PCs e na síntese de GSH, revelando que a actvidade da PCS é regulada por fosforilação e que a sinalização de cálcio pode mediar a síntese de GSH. O envolvimento da sinalização de ROS na síntese de GSH, atráves de crosstalk com a sinalização de cálcio também foi proposta. Assim, os resultados aqui apresentados descrevem uma possível via de sinalização de cádmio nas plantas e da indução de fitoquelatinas. Este trabalho poderá ser portanto muito útil na implementação de novas metodologias de agricultura sustentável e práticas de fitorremediação em solos contaminados com metais pesados.

Design para o futuro: o indivíduo entre o artifício e a natureza

O presente trabalho tem como objectivo contribuir para o aprofundamento de estudos vocacionados para a evolução do mundo material enquanto factor determinante para o futuro do Planeta, do Homem e dos seus artifícios. Sendo o tema central da investigação o Design Industrial enquanto mediador incontornável dessa relação, os conceitos de Design Biónico, de Design Natural, de Biodesign e de Design Simbiótico, assim como as metodologias a si inerentes, assumem-se como protagonistas do estudo desenvolvido. A tese é composta por um primeiro capítulo introdutório onde se define o seu objecto de estudo e se apresentam as linhas condutoras da investigação. O segundo capítulo é dedicado ao enquadramento teórico dos temas a abordar, nomeadamente o conceito de “artifício” considerando os seus tradicionais e novos significados e aplicações e a História do Design Industrial numa perspectiva que considera a evolução da indústria e da disciplina nesse contexto. No terceiro capítulo desenvolve-se a análise das propostas conceptuais e metodológicas dos designers Victor Papanek, Luigi Colani e Paulo Parra, por recurso específico, respectivamente, aos pressupostos inscritos em Design Biónico, Design Natural, Biodesign e Design Simbiótico, perseguindo-se como objectivo a sua sistematização em conteúdos passíveis de contribuírem para novas investigações/aplicações, nomeadamente no âmbito daquilo que a autora designa como Inovação Tecnológica na Concepção e EcoBio-Inovação.

Clubes de ciências e o percurso escolar dos alunos

Os factores que levam os alunos, no final da escolaridade obrigatória, a escolher o seu percurso escolar são vários. Neste estudo procurou-se saber em que medida a frequência de Clubes na área das Ciências influenciam essa decisão e, ainda, estudar como potenciar a sua organização no sentido de que estes possam contribuir positivamente para as escolhas dos alunos por percursos escolares na área das Ciências. A investigação decorreu em duas fases. Na primeira fase, foi avaliada a influência dos Clubes de Ciências na decisão do percurso escolar dos alunos, no final da escolaridade básica. Nesta fase foram realizados os seguintes procedimentos: -Entrevista semi-estruturada realizada a sete professoras responsáveis de Clubes na área das Ciências Físicas e Naturais, de 7 Escolas Secundárias da região de Aveiro. -Administração de um questionário, construído com questões maioritariamente fechadas, a uma amostra de 106 alunos, do 10ºAno, provenientes de 11 Escolas Secundárias da região de Aveiro, que frequentaram Clubes na área das Ciências Físicas e Naturais, no 3º Ciclo. -Tratamento estatístico das questões do questionário, com recurso ao programa SPSS (Statistical Package for the Social Science) e análise de conteúdo das questões abertas do questionário e das entrevistas, recorrendose para o efeito à construção de categorias de resposta. Na segunda fase concebeu-se e implementou-se um Clube de Ciências. Nesta fase surgiu a criação do Clube: ”Educação para o Desenvolvimento Sustentável”, no qual foi desenvolvido o projecto: “Construção e dinamização de uma Estação Meteorológica”, numa Escola Básica do 2º e 3º Ciclos do Concelho de Aveiro. Os resultados obtidos na primeira fase do estudo são reveladores da importância que é atribuída às experiências vivenciadas pelos alunos nos Clubes de Ciências que frequentaram. Os temas/assuntos abordados foram essencialmente conteúdos ligados a áreas do conhecimento das disciplinas de Ciências. Predominaram as estratégias com base em trabalho de projecto e em actividades experimentais. Indicadores nacionais e internacionais têm evidenciado um decréscimo no número de jovens que, na sua escolaridade, optam por estudos nas áreas das Ciências e da Tecnologia. Este decréscimo tem sido um factor de preocupação ao nível das políticas educativas, nomeadamente europeias, tornando-se urgente, por um lado, compreender o porquê desse facto e, por outro, encontrar formas de o minimizar. Os Clubes na perspectiva das responsáveis entrevistadas: (a) Surgem como uma oportunidade para melhorar as competências dos alunos ao nível do saber fazer; (b) Permitem confirmar e reforçar a motivação e o gosto pelas Ciências; (c) Podem, também, dar-lhes orientações para o futuro, embora esta não tenha sido uma preocupação explícita; (d) São do agrado dos alunos devido a apresentarem actividades não meramente académicas e formais. Os Clubes, na perspectiva dos alunos respondentes: (a) Aumentaram a motivação para estudar Ciências; (b) Permitiram relacionar as Ciências com o dia-a-dia; (c) Ajudaram na escolha do curso que frequentam no Ensino Secundário; (d) Contribuíram para querer exercer uma profissão na área das Ciências. Na segunda fase do estudo, foi desenvolvido um trabalho de projecto que envolveu alunos do 3º Ciclo. O tema do projecto, proposto e implementado, coincidiu com os dois temas menos abordados, nos Clubes frequentados pelos respondentes da primeira fase do estudo, Meteorologia e Temáticas com Impacto Social. Por outro lado o Clube pretendeu contribuir para a Década da Educação para o Desenvolvimento Sustentado, instituída pelas Nações Unidas, para fazer frente à actual situação de emergência planetária. Uma estratégia privilegiada para formar cidadãos capazes de assumir atitudes e valores com vista ao desenvolvimento sustentável, passa pela Educação em todas as suas vertentes, nomeadamente a do ensino não formal, na qual se incluem os Clubes de Ciências. ABSTRACT: National and international indicators have showed a decrease in the number of youngsters that, during their school course make their choices in the study areas of Science and Technology. This decreasing tendency has been a motive of concern as far as the European educational policies are concerned. Thus, it is urgent to understand the reason behind that situation and find ways to minimize it. There are various factors that make students choose their study areas in the end of their school course. This study aimed to find out how the Science Clubs can influence their decisions as well as to study new ways to improve their organization in such a way that they may contribute positively to the students’ choices of their school careers in the area of Science. The investigation was divided in two parts: in the first part, it was evaluated the level of the influence of the Science Clubs in the students’ school careers at the end of the elementary education. At this stage it was adopted the following procedure: -A semi-structured interview was applied to 7 female teachers that are responsible for the Natural and Physics Science Clubs, in secondary schools, in the region of Aveiro; -A mainly close-question questionnaire was applied to a sample of 106 students, in the 10th grade, in 11 secondary schools, in the region of Aveiro. These students have attended some Natural and Physics Science Clubs, during the 7th, 8th and 9th grades; -Statistical work of the questionnaire was done with the help of the SPSS programme (Statistical Package for the Social Science) as well as the analysis of the contents of the open-questions of the questionnaire and the interviews by means of the answer-category method. In the second part, a Science Club was planned and implemented. At this stage, a club was created - “Education for the Sustainable Development” - within which the following project was developed – “Building and Development of a Meteorological Observatory”, at a 2nd and 3rd Ciclos (Stages) Elementary School, in Aveiro. The results of the first part of this study case have showed clearly the importance given to the experiences of the students while attending the Science Clubs. The themes/subjects studied were mainly science knowledgerelated contents. The strategies adopted were based on project work and experimental activities. A view of the Clubs by the people who are responsible for them: (a)The Clubs mean an opportunity for students to learn the know-how process; (b)They have provided the reinforcement of the motivation and preference for Science; (c)Although it was not the main concern with the clubs, the truth is that they can also give the students a sense of awareness for the future; (d)Students like to make part of the clubs because of their experimental character. A view of the Clubs by the students who make part of them: (a)The clubs have increased the level of motivation to study Science; (b)They have allowed a close perspective of the daily life reality; (c)They have helped with the choice of the Secondary School courses; (d)They have made students want a future professional career in the area of Science. In the second part of this study case, a project work was carried out involving 7th, 8th and 9th grade students. The subject of the project, considered and implemented, coincided with the two less boarded subjects, in the Clubs attended a course for the respondents of the first phase of the study, Meteorology and Thematic with Social Impact. The Club also aimed to contribute to the decade of the “Education for the Sustained Future” as settled by the United Nations in order to face the present emergency situation of the planet. The last but not the least, it is believed that, the best strategy to teach future citizens who are able to take the responsibility of their values and attitudes towards a sustainable future, is to provide them a type of Education that can teach them both the formal curriculum aspects and the informal ones, as it is the case of the Science Clubs.

Sistema computacional para o estudo da estrutura primária e redesenho de genes

Um dos maiores avanços científicos do século XX foi o desenvolvimento de tecnologia que permite a sequenciação de genomas em larga escala. Contudo, a informação produzida pela sequenciação não explica por si só a sua estrutura primária, evolução e seu funcionamento. Para esse fim novas áreas como a biologia molecular, a genética e a bioinformática são usadas para estudar as diversas propriedades e funcionamento dos genomas. Com este trabalho estamos particularmente interessados em perceber detalhadamente a descodificação do genoma efectuada no ribossoma e extrair as regras gerais através da análise da estrutura primária do genoma, nomeadamente o contexto de codões e a distribuição dos codões. Estas regras estão pouco estudadas e entendidas, não se sabendo se poderão ser obtidas através de estatística e ferramentas bioinfomáticas. Os métodos tradicionais para estudar a distribuição dos codões no genoma e seu contexto não providenciam as ferramentas necessárias para estudar estas propriedades à escala genómica. As tabelas de contagens com as distribuições de codões, assim como métricas absolutas, estão actualmente disponíveis em bases de dados. Diversas aplicações para caracterizar as sequências genéticas estão também disponíveis. No entanto, outros tipos de abordagens a nível estatístico e outros métodos de visualização de informação estavam claramente em falta. No presente trabalho foram desenvolvidos métodos matemáticos e computacionais para a análise do contexto de codões e também para identificar zonas onde as repetições de codões ocorrem. Novas formas de visualização de informação foram também desenvolvidas para permitir a interpretação da informação obtida. As ferramentas estatísticas inseridas no modelo, como o clustering, análise residual, índices de adaptação dos codões revelaram-se importantes para caracterizar as sequências codificantes de alguns genomas. O objectivo final é que a informação obtida permita identificar as regras gerais que governam o contexto de codões em qualquer genoma.

Numerical modelling of radionuclide migration in near-surface systems

Em todo o mundo são usados, hoje em dia, modelos numéricos hidrogeoquímicos para simular fenómenos naturais e fenómenos decorrentes de actividades antrópicas. Estes modelos ajudam-nos a compreender o ambiente envolvente, a sua variabilidade espacial e evolução temporal. No presente trabalho apresenta-se o desenvolvimento de modelos numéricos hidrogeoquímicos aplicados no contexto do repositório geológico profundo para resíduos nucleares de elevada actividade. A avaliação da performance de um repositório geológico profundo inclui o estudo da evolução geoquímica do repositório, bem como a análise dos cenários de mau funcionamento do repositório, e respectivas consequências ambientais. Se se escaparem acidentalmente radionuclídeos de um repositório, estes poderão atravessar as barreiras de engenharia e barreiras naturais que constituem o repositório, atingindo eventualmente, os ecosistemas superficiais. Neste caso, os sedimentos subsuperficiais constituem a última barreira natural antes dos ecosistemas superficiais. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos que integram processos biogeoquímicos, geoquímicos, hidrodinâmicos e de transporte de solutos, para entender e quantificar a influência destes processos na mobilidade de radionuclídeos em sistemas subsuperficiais. Os resultados alcançados reflectem a robustez dos instrumentos numéricos utilizados para desenvolver simulações descritivas e predictivas de processos hidrogeoquímicos que influenciam a mobilidade de radionuclídeos. A simulação (descritiva) de uma experiência laboratorial revela que a actividade microbiana induz a diminuição do potencial redox da água subterrânea que, por sua vez, favorece a retenção de radionuclídeos sensíveis ao potencial redox, como o urânio. As simulações predictivas indicam que processos de co-precipitação com minerais de elementos maioritários, precipitação de fases puras, intercâmbio catiónico e adsorção à superfície de minerais favorecem a retenção de U, Cs, Sr e Ra na fase sólida de uma argila glaciar e uma moreia rica em calcite. A etiquetagem dos radionuclídeos nas simulações numéricas permitiu concluir que a diluição isotópica joga um papel importante no potencial impacte dos radionuclídeos nos sistemas subsuperficiais. A partir dos resultados das simulações numéricas é possivel calcular coeficientes de distribuição efectivos. Esta metodologia proporciona a simulação de ensaios de traçadores de longa duração que não seriam exequíveis à escala da vida humana. A partir destas simulações podem ser obtidos coeficientes de retardamento que são úteis no contexto da avaliação da performance de repositórios geológicos profundos.

Interacções intermoleculares fracas em materiais funcionais avançados: um estudo espectroscópico e computacional

A utilização combinada de espectroscopia vibracional e de cálculos envolvendo a teoria do funcional de densidade (DFT) possibilita o estudo de ligações de hidrogénio em fase condensada, assim como a análise da estrutura molecular dos sistemas em estudo. Por um lado, a espectroscopia vibracional permite a detecção de associações moleculares, enquanto os métodos computacionais auxiliam na obtenção de informação referente aos mecanismos de associação, nomeadamente no que diz respeito à possível estrutura de dímeros e compostos de inclusão em ciclodextrinas e às energias de interacção e de inclusão. O estudo que originou a presente dissertação pretende contribuir para o reforço da aplicação de estudos espectroscópicos e computacionais na elucidação de diversos fenómenos químicos, com especial destaque para o papel desempenhado por interacções intermoleculares fracas na estrutura e propriedades de materiais moleculares. No âmbito desta tese foram investigados os seguintes tópicos: polimorfismo e pseudopolimorfismo em sólidos farmacêuticos, transições de fase em misturas binárias de ácidos gordos, inclusão em ciclodextrinas, interacção de compostos farmacêuticos com superfícies metálicas e formação de agregados de água em materiais híbridos orgânicos-inorgânicos. Os sistemas foram analisados utilizando a espectroscopia vibracional – particularmente a espectroscopia de difusão de Raman – como técnica fundamental. Para uma melhor caracterização de processos envolvendo transições de fase, foram efectuados estudos com variação de temperatura, variação de humidade relativa e substituição isotópica. O estudo da interacção com superfícies metálicas foi realizado por espectroscopia de Raman intensificada à superfície. Dada a complexidade dos sistemas em estudo, a informação obtida por espectroscopia vibracional foi complementada por resultados de cálculos mecânico-quânticos. Em particular, os cálculos DFT foram utilizados para a optimização de geometrias e previsão de frequências vibracionais de moléculas e associações moleculares, permitindo assim a análise e interpretação de espectros vibracionais e a caracterização da estrutura de materiais.