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.

A governance approach to integrated rural tourism: factors influencing organisational performance and tourism support of local development organisations

Ao longo das últimas três décadas, o envolvimento das comunidades na formulação de políticas locais tem vindo a ganhar cada vez mais atenção como uma abordagem sustentável para o desenvolvimento rural na União Europeia (UE) e no mundo. Emergendo da globalização, novas estruturas de governação têm desafiado a base territorial restricta da autoridade do Estado soberano através do envolvimento de uma rede complexa e de autoorganização de atores governamentais e não-governamentais na tomada de decisões coletivas. A reestruturação territorial e institucional das zonas rurais, associada à expansão da governança rural, ganhou atenção considerável na literatura. No entanto, o potencial de empregar princípios de governança como fatores que determinam as direções de desenvolvimento rural através de desempenho organizacional e apoio no turismo não tem sido amplamente explorado na literatura. Deste modo, o principal objetivo desta tese consiste no emprego de ‘integração’, ‘participação’ e ‘empowerment’ como fatores críticos que influenciam os rumos do desenvolvimento rural (1) através do desempenho organizacional das organizações de governança rural e (2) apoio no turismo de organizações de desenvolvimento rural tendo em vista a validação da abordagem de governança para o turismo integrado. Ao longo deste duplo objectivo geral, a tese é dividida numa componente qualitativa de ‘desempenho’ e numa componente quantitativa de ‘apoio’. Seguindo uma abordagem sistemática baseada num sistema conceptual, foram realizadas 38 entrevistas em profundidade com pessoas chave envolvendo gestores do programa LEADER da UE na Hungria (34% do número total de Grupos de Ação Local [GAL]), seguido por um levantamento de campo transversal realizado através de um sistema de recolha de dados na Internet, tendo resultado em 662 questionários válidos para uma taxa de resposta de 63.6%. Os resultados da componente “desempenho” revelaram padrões na implementação dos princípios de governança, que por sua vez permitiram a identificação de fatores que permitem e restringem o desempenho organizacional. Os resultados da componente “apoio” permitiram destacar que o ponto de vista de redes de desenvolvimento local nos princípios de governança não é homogéneo. Diferenças significativas foram encontradas entre organizações responsáveis pelo planeamento e os grupos de aconselhamento. Contudo, os resultados sugeriram que a dimensão sustentável de turismo rural integrado é um prognosticador da contribuição do turismo para o desenvolvimento global da comunicade e para o apoio do turismo ao longo das redes de desenvolvimento local. Este estudo responde a uma necessidade crescente de investigação, que resulta da proliferação à escala mundial de formações de governança em sistemas de administração pública, tanto no lado dos investigadores como no lado dos praticantes.

Gestão da sustentabilidade nas organizações: uma nova metodologia

O presente trabalho pretende auxiliar o processo de consolidação do conceito de sustentabilidade no seio das organizações. Partindo de ferramentas de gestão e avaliação já existentes, esta tese sugere a sua integração numa única metodologia, ultrapassando desse modo as limitações e potenciando as suas capacidades enquanto ferramentas isoladas. O modelo proposto para o Sistema de Gestão da Sustentabilidade (SGS) integra assim: o conceito de melhoria contínua característico dos sistemas de gestão normalizados; a capacidade de tradução da perspetiva estratégica da gestão para o plano operacional, característica do Business Scorecard (BSC); e, por fim, a avaliação emergética é ainda utilizada como uma ferramenta de avaliação da sustentabilidade de sistemas. Um objetivo secundário desta tese prende-se com o desenvolvimento de um procedimento para a realização da análise emergética de um sistema. Depois de analisada a literatura referente à utilização da análise emergética, identificou-se como necessária a definição de um procedimento normalizado, adotando um conjunto de tarefas e um formato de apresentação de resultados que permita disseminar o conceito e tornar a ferramenta mais “utilizável”. Por outro lado, procurou-se dotar o procedimento com um conjunto de indicações que permitem ultrapassar limitações e inconvenientes apontados pelos críticos mas também utilizadores do método, nomeadamente: problemas de dupla contagem, cálculo da incerteza da análise e critérios de qualidade da informação utilizada. O modelo dos sistemas de gestão normalizados apresenta um papel central na metodologia proposta. O conceito de “melhoria contínua” afigura-se como fundamental num sistema que pretende implementar o conceito “desenvolvimento sustentável” e avaliar o seu desempenho à luz do mesmo. Assim, o ciclo Plan-Do-check-Act (PDCA) deve ser utilizado para implementar o SGS de acordo com uma Política para a Sustentabilidade que a organização deve desenvolver. Definida a Política, o modelo baseia-se então no ciclo PDCA: fase de planeamento; fase de implementação; fase de verificação; e fase de revisão. É na fase de planeamento do SGS que se sugere a introdução das outras duas ferramentas: a análise emergética (AEm) e o BSC. A fase de planeamento do modelo de SGS proposto neste trabalho foi aplicada à Universidade de Aveiro (UA), incluindo a definição de uma Política para a Sustentabilidade e o planeamento estratégico e operacional. A avaliação emergética à UA foi realizada recorrendo ao procedimento desenvolvido nesta tese e permitiu caracterizar e avaliar os fluxos de recursos que a “alimentam” sob uma só unidade, atribuindo deste modo graus de importância aos diferentes recursos utilizados. A informação representa 96% do total de recursos utilizados na UA, quando avaliados sob o ponto de vista emergética. Para além da informação, os fluxos financeiros representam a maior fatia do orçamento emergético da UA, grande parte dos quais serve para sustentar os serviços prestados pelo corpo docente da UA. Analisando valores históricos de 3 indicadores de desempenho emergético, observa-se que a UA não regista uma evolução positiva em nenhum dos indicadores: a emergia utilizada nos edifícios tem-se mantido mais ou menos constante; a retribuição emergética da UA para a sociedade, avaliada sobre a forma de diplomados, tem diminuído; e a relação emergética entre professores e alunos tem também diminuído, facto que pode refletir-se na qualidade dos “produtos” da UA. Da aplicação do SGS à UA regista-se: a adequabilidade do ciclo PDCA à implementação de um SGS; a capacidade da AEm “obrigar” a organização a adotar uma abordagem sistémica da sua atividade, resultando numa visão mais aprofundada da sua relação com o contexto ambiental, económico e social em que se insere; a importância da visão estratégica e da sua tradução em termos operacionais na fase de planeamento de um SGS; e, por fim, a capacidade de adaptação e dupla funcionalidade (implementação e avaliação) do modelo de SGS proposto. A metodologia de SGS proposta nesta tese, sendo direcionada para todo o tipo de organizações, não se desvirtua quando aplicada ao contexto específico das instituições de ensino superior e permite implementar e avaliar o conceito “desenvolvimento sustentável” nas quatro dimensões da universidade (Educação, Investigação, Operação; Relação com as partes interessadas).

Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Mining biomedical information from scientific literature

The rapid evolution and proliferation of a world-wide computerized network, the Internet, resulted in an overwhelming and constantly growing amount of publicly available data and information, a fact that was also verified in biomedicine. However, the lack of structure of textual data inhibits its direct processing by computational solutions. Information extraction is the task of text mining that intends to automatically collect information from unstructured text data sources. The goal of the work described in this thesis was to build innovative solutions for biomedical information extraction from scientific literature, through the development of simple software artifacts for developers and biocurators, delivering more accurate, usable and faster results. We started by tackling named entity recognition - a crucial initial task - with the development of Gimli, a machine-learning-based solution that follows an incremental approach to optimize extracted linguistic characteristics for each concept type. Afterwards, Totum was built to harmonize concept names provided by heterogeneous systems, delivering a robust solution with improved performance results. Such approach takes advantage of heterogenous corpora to deliver cross-corpus harmonization that is not constrained to specific characteristics. Since previous solutions do not provide links to knowledge bases, Neji was built to streamline the development of complex and custom solutions for biomedical concept name recognition and normalization. This was achieved through a modular and flexible framework focused on speed and performance, integrating a large amount of processing modules optimized for the biomedical domain. To offer on-demand heterogenous biomedical concept identification, we developed BeCAS, a web application, service and widget. We also tackled relation mining by developing TrigNER, a machine-learning-based solution for biomedical event trigger recognition, which applies an automatic algorithm to obtain the best linguistic features and model parameters for each event type. Finally, in order to assist biocurators, Egas was developed to support rapid, interactive and real-time collaborative curation of biomedical documents, through manual and automatic in-line annotation of concepts and relations. Overall, the research work presented in this thesis contributed to a more accurate update of current biomedical knowledge bases, towards improved hypothesis generation and knowledge discovery.

Prototipagem ágil centrada no utilizador : aplicações de second screen

Com o desenvolvimento das tecnologias da Comunicação, o ser humano tem alterado os seus hábitos de consumo televisivo. Neste contexto, destaca-se o uso de aplicações mobile designadas como Second Screen, as quais, entre outras possibilidades, permitem interagir com conteúdos adicionais aos que se encontram a ser transmitidos na televisão. Sendo este fenómeno relativamente recente, pretende-se compreender qual a abordagem a adotar no desenvolvimento de uma prototipagem ágil de aplicações Second Screen centradas no utilizador. De modo a compreender o respetivo processo, iniciou-se o estudo com um enquadramento teórico, que possibilitou a familiarização com as aplicações Second Screen e ferramentas de prototipagem ágil já existentes. Após o enquadramento teórico, procedeu-se à criação de dois mockups de aplicações Second Screen, que foram testados em Focus Groups. A partir dos dados obtidos, desenvolveram-se dois protótipos ágeis, os quais foram submetidos a uma última fase de testes (Experimentação por observação, Entrevista e Questionário de avaliação, respetivamente). Os participantes deste estudo foram os mesmos para ambas as fases de testes, constituindo um grupo de consumidores, um grupo de designers e um grupo de especialistas na área de prototipagem. Os resultados obtidos, a partir dos protótipos concebidos, comprovam a validade do processo realizado neste estudo, podendo este ser usado para desenvolver protótipos de aplicações mobile e Second Screen.

O ensino da química na perspectiva da literacia química: recursos didácticos para o ensino básico

Defende-se hoje que o Ensino Básico deve, acima de tudo, dotar os alunos de competências que lhes permitam interagir com a sociedade em que se inserem, o que legitima as expectativas no sentido da formação de cidadãos capacitados para exercer a sua responsabilidade social. O processo de Reorganização Curricular do Ensino Básico actualmente em curso, em Portugal, segue esta orientação e propõe um ensino das ciências no sentido da formação dos alunos para a literacia científica. Ora, neste contexto o movimento CTS (Ciência-Tecnologia-Sociedade) assume-se como uma filosofia de ensino que muito se coaduna com os fins pretendidos. Para tal, é importante ter recursos didácticos consonantes com esta perspectiva, que suportem as práticas dos professores. O presente estudo teve por objectivo conceber e validar recursos didácticos CTS utilizáveis por professores e alunos, no âmbito do ensino e da aprendizagem do tema Sustentabilidade na Terra, no 3º ciclo do Ensino Básico. O percurso metodológico seguido incluiu várias etapas de entre as quais se destacam pela sua importância: a selecção de um contexto viável para a abordagem do tema Sustentabilidade na Terra; a planificação da abordagem CTS do referido tema; a formulação de questões-problema centradas nos domínios científico, social e tecnológico; a definição dos objectivos CTS na abordagem do problema em causa; a organização de estratégias de exploração das questões problema; a validação dos Recursos Didácticos por professores de Química qualificados e experientes. Optou-se, de uma forma fundamentada, pelo contexto geral “Barragem de Alqueva”. O produto final do presente estudo apresenta-se na forma de um Caderno de Recursos Didácticos CTS constituído por catorze actividades, organizado em Notas para o Professor, Tarefas para o Aluno e Resposta Adequada, concebidas para o contexto geral Barragem de Alqueva, e estruturadas em torno de quatro sub-temas orientadores: Água, Energia, Materiais e Resíduos. Com vista à validação dos Recursos Didácticos construídos planificou-se e realizou-se o Workshop “Sustentabilidade na Terra – perspectivas didácticas para a sua abordagem” que foi dinamizado pela autora e dirigido a um painel de treze Professores Avaliadores e no qual participaram também, como Avaliadoras Externas, duas professoras especialistas em formação de professores. VII O processo de validação evidenciou que na opinião dos avaliadores: o contexto Barragem de Alqueva é de grande relevância social e adequado à abordagem da temática Sustentabilidade na Terra; os recursos didácticos são adequados quanto ao interesse e extensão dos textos inseridos nas problemáticas desenvolvidas, quanto à adequabilidade da linguagem à faixa etária a que se destinam, quanto ao grau de profundidade dos objectos de ensino, favorecem o desenvolvimento de uma atitude crítica, favorecem o desenvolvimento de uma atitude investigativa, de recolha de dados e busca de informação complementar, contribuem para o desenvolvimento de atitudes de preservação do ambiente e contribuem para a compreensão do tema Sustentabilidade na Terra; as questões que constituem as Tarefas para o Aluno são, em geral, exequíveis pelos alunos a que se destinam. O processo de validação foi considerado quer pelos Professores Avaliadores, quer pelas Avaliadoras Externas, adequado aos objectivos do Workshop e, de um modo geral, muito importante na formulação de uma opinião sobre os Recursos Didácticos. As Avaliadoras Externas consideraram-no válido e fiável o que legitima as conclusões dele decorrentes. Deste modo, pode dizer-se que o contributo do presente estudo para a inovação no ensino da Química se reflecte no Caderno de Recursos Didácticos construído bem como na explicitação de uma metodologia útil para investigadores e professores interessados na concepção e construção de recursos CTS.