Optimização da hidrólise com ácido diluído para o fraccionamento selectivo das hemiceluloses de palha de sorgo: estudo da bioconversão dos hidrolisados para produção de xilitol

O sorgo é uma potencial cultura energética com especial interesse para os climas mediterrânicos. Quer o seu suco quer a sua fracção lenhocelulósica podem ser utilizados no âmbito das biorrefinarias. O objectivo deste trabalho consistiu na optimização da hidrólise com ácido diluído da hemicelulose do sorgo e sua posterior bioconversão a xilitol. Dada a dificuldade de trabalhar o sorgo verde e a quantidade potencial de açúcares ainda presentes no sorgo seco foi feita uma pré-extracção aquosa (PEA) do sorgo biomassa, cujas condições foram optimizadas (100ºC, 45 min, razão líquido/sólido 7 g/g). Para além disso, foram também caracterizados três tipos de sorgo verde (doce, forrageiro e biomassa) relativamente ao teor e tipo de açúcares presentes no suco e licor da PEA, anteriormente optimizada. O material seco pré-tratado foi submetido a uma hidrólise com ácido diluído, tendo-se estudado a influência do tempo de operação e concentração de catalisador (H2SO4) na hidrólise da hemicelulose, a 130ºC. Os resultados foram interpretados através do factor de severidade combinado (CS), num intervalo entre 1,17-2,31. As condições óptimas correspondem a um CS de 1,98, (1,4% H2SO4 e 75 min), tendo-se recuperado na fase líquida 80% da hemiceluloses sob a forma de pentoses livres, juntamente com baixas concentrações de inibidores. O hidrolisado obtido nas condições optimizadas foi utilizado como meio de crescimento e, após concentração, como meio de cultura para a produção de xilitol pela levedura Debaryomyces hansenii CCMI 941. Como meios de inóculo foram testados o hidrolisado ácido e o licor da PEA, ambos suplementados. O último permitiu o crescimento mais rápido da levedura e a obtenção de concentrações celulares adequadas. No entanto, dado que a fase de latência no meio de produção de xilitol foi superior e, consequentemente a produtividade em xilitol inferior, optou-se pelo crescimento do inóculo em meio contendo hidrolisado. A remoção de compostos inibidores foi avaliada através da destoxificação do hidrolisado com carvão activado que permitiu uma remoção significativa de furfural, compostos fenólicos e ácido acético. No entanto, os melhores resultados da produção de xilitol foram obtidos em hidrolisado não-destoxificado e correspondem a um rendimento em xilitol e produtividade volumétrica de 0,64 g.g-1 e 0,56 g.L-1.h-1, respectivamente. Estes resultados encontram-se entre os melhores descritos na literatura para hidrolisados nãodestoxificados, mostrando assim as potencialidades deste material, da levedura e do processo desenvolvido.

Study of transcripts and reactive oxygen species involved in the defence responses of Quercus suber against Phytophthora cinnamomi

The present work has the merit of exploring an insight into the activation of defence genes of Quercus suber during response to infection by Phytophthora cinnamomi. Thus, cDNA-AFLP methodology was used to identify gene fragments differentially present in the mRNA profiles of host cells of micropropagated Q. suber plantlets roots infected with zoospores of P. cinnamomi at different post challenge time points. Six candidate genes were selected based on their interesting cDNA-AFLP expression patterns and homology to genes known to play a role in defence. These six genes encode a cinnamyl alcohol dehydrogenase 2 (QsCAD2), a protein disulphide isomerase (QsPDI), a CC-NBS-LRR resistance protein (QsRPc), thaumatin-like protein (QsTLP), chitinase (QsCHI) and a 1,3-beta glucanase (QsGLU). The current work has been successful in evaluation of the expression of these genes by qRT-PCR. Data analysis revealed that transcript levels of QsRPc, QsCHI, QsCAD2 and QsPDI increased during the early hours of inoculation, while transcript profiles of thaumatin-like protein showed decreasing. No expression was detected for 1,3-beta-glucanase (QsGLU). Furthermore, the choice of suitable reference genes in any new experimental system is absolutely crucial in qRT-PCR; for this reason in this study and for the first time a set of potential reference genes were analyzed and validated for qRT-PCR normalization in the patho-system Phytophthora-Q. suber. Four candidate reference genes polimerase II (QsRPII), eukaryotic translation initiation factor 5A(QsEIF-5A), b-tubulin (QsTUB) and a medium subunit family protein of Clathrin adaptor complexes (QsCACs) were evaluated to determine the most stable internal references in Q. suber. Analysis of stability of genes was carried out using Genex software. Results indicated all these four potential reference genes assumed stable expression. Data analysis revealed that QsRPII and QsCACs were the two most stable genes, while genes QsTUB and QsEIF-5A were the third and the fourth most stable gene, respectively. In this study, a plasmid-based quantitative PCR method was developed to measure P. cinnamomi colonization during infection process of Q. suber. Plasmid-based detection of P. cinnamomi showed a gradual accumulation of the pathogen DNA in cork oak root tips up to 24 h post infection. The higher increase in P. cinnamomi/plasmid DNA ratio occurred between 18 and 24 h. One of the primary objectives of this research was to study the effect of cinnamomins (elicitins secreted by P. cinnamomin) on inducing defence mechanism against the pathogen, as recent histological and ultra-structural studies showed that P. cinnamomi was restricted to the outer cortex root fragments pre-treated with capsicien and cryptogein, suggesting that elicitins can stimulate plant defence reactions against P. cinnamomi. To complement these studies and to have a clear view of the nature of the interaction, the role of cinnamomins in the production of the oxidative burst [ROS and ROS scavenging enzymes such as superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxidase (POD)] and in the defence responses was evaluated. Cork oak seedlings were pretreated with alpha-cinnamomin and then inoculated with P. cinnamomi mycelia. Results showed a significant higher production of reactive oxygen species (ROS) (H2O2 and O2•-) in elicitin and non-elicitin treated roots in interaction with P. cinnamomi in comparison to the corresponding control. The plant group inoculated with the pathogen after cinnamomin treatment showed an earlier increase in H2O2 production but this was lower as compared with that group inoculated with P. cinnamomi alone. Also, in elicitin pre-treated group generally, a lower level of O2•− production during infection was observed as compared with inoculated roots with P. cinnamomi alone without elicitin treatment. Furthermore, in this study, we evaluated activities of antioxidant enzymes upon challenge with P. cinnamomi, with and without pretreatment with alpha cinnamomin. Results indicated that the activities of defense enzymes POD, SOD and CAT increased after P. cinnamomi inoculation when compared with those in the control group. Also, in the group treated with alpha-cinnamomin followed by P. cinnamomi inoculation, a higher level of enzymatic activities was detected as compared with elicitin non-treated group, which suggest the protective effect of alpha-cinnamomin against the pathogen due to higher elevated levels of defense enzymes POD, SOD and CAT during the infection period. Furthermore, a sensitive qPCR method was applied to measure the pathogen biomass in elicited and non-elicited Q. suber roots challenged with P. cinnamomi to elucidate the effect of cinnamomins on the colonization of P. cinnamomi. Plasmid-based quantification of P. cinnamomi showed a significant decrease in accumulation of the pathogen DNA in cork oak roots after treatment with alpha and beta-cinnamomins which attest the role of cinnamomins in promoting defense responses in cork oak against P. cinnamomi invasion.

Montagem de um sistema laboratorial de células de combustível microbianas para aproveitamento energético e tratamento de efluentes doméstico

O presente trabalho objetiva a montagem em escala laboratorial de um grupo de 6 protótipos de Células de Combustível Microbianas (CCM) de Câmara Simples pretendendo constituir um contributo de desenvolvimento de processos anaeróbios para tratamento de águas residuais em Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETARs) e produção simultânea de energia elétrica. Em fase preliminar procede-se à montagem de um sistema laboratorial composto por 3 conjuntos de protótipos em duplicados com 3 granulometrias de carvão ativado granular (GAC). Os princípios que fundamentam a seleção do protótipo tipo são uma câmara anódica tubular totalmente preenchida com GAC para facilitar a fixação de biofilmes e a diminuição do espaçamento entre elétrodos com a interposição de um separador para reduzir a resistência interna. A experiência laboratorial inicia-se com uma fase de aclimatação com Água residual artificial e sequencialmente com água residual recolhida na ETAR Faro-Noroeste. Na etapa final a carga orgânica da água residual é incrementada com adição de Acetato de sódio. Os ensaios decorrem em modo de fluxo contínuo. São testados e comparados três tempos de contacto do afluente com o GAC (3, 10 e 30 horas), a combinação destes com dois separadores designados por Daramic HP 200 e GF/A e sem qualquer separador. Finalmente é efetuado um teste incrementando 6 a 8 vezes a carga orgânica do afluente. O desempenho é aferido através do traçado de curvas de polarização, curvas de potência e da percentagem de remoção da Carência Química de Oxigénio (CQO). Conclui que em alguns testes as eficiências de remoção de CQO são adequadas à legislação em vigor, que o aumento e tipo de carga orgânica do afluente e a operação sem separadores incrementam a diferença de potencial e reduzem a resistência interna e que as granulometrias do GAC testadas tiveram pouco efeito na avaliação dos parâmetros considerados.

Bio-synthesis of nanosized semiconductors using mine wastes as material sources

This work describes the synthesis of nanosized metal sulfides and respective SiO2 and/or TiO2 composites in high yield via a straightforward process, under ambient conditions (temperature and pressure), by adding to aqueous metals a nutrient solution containing biologically generated sulfide from sulfate-reducing bacteria (SRB). The nanoparticles‘ (NPs) morphological properties were shown not to be markedly altered by the SRB growth media composition neither by the presence of bacterial cells. We further extended the work carried out, using the effluent of a bioremediation system previously established. The process results in the synthesis of added value products obtained from metal rich effluents, such as Acid Mine Drainage (AMD), when associated with the bioremediation process. Precipitation of metals using sulfide allows for the possibility of selective recovery, as different metal sulfides possess different solubilities. We have evaluated the selective precipitation of CuS, ZnS and FeS as nanosized metal sulfides. Again, we have also tested the precipitation of these metal sulfides in the presence of support structures, such as SiO2. Studies were carried out using both artificial and real solutions in a continuous bioremediation system. We found that this method allowed for a highly selective precipitation of copper and a lower selectivity in the precipitation of zinc and iron, though all metals were efficiently removed (>93% removal). This research has also demonstrated the potential of ZnS-TiO2 nanocomposites as catalysts in the photodegradation of organic pollutants using the cationic dye, Safranin-T, as a model contaminant. The influence of the catalyst amount, initial pH and dye concentration were also evaluated. Finally, the efficiency of the precipitates as catalysts in sunlight mediated photodegradation was investigated, using different volumes of dye-contaminated water (150 mL and 10 L). This work demonstrates that all tested composites have the potential to be used as photocatalysts for the degradation of Safranin-T.

Deteção automática de eventos em sinais Doppler de fluxo sanguíneo

Os sinais de fluxo sanguíneo são sinais aleatórios que, além de variarem de individuo para individuo, variam também consoante o ciclo cardíaco em análise. Sendo o diagnóstico de patologias cardiovasculares fortemente baseado em sinais de ultrassom Doppler representados em forma de espectrograma, e tendo em consideração que o ruído do tipo speckle é parte integrante dos sinais ultrassónicos, torna-se vital a pesquisa de métodos de eliminação desse tipo de ruído e de caracterização precisa dos parâmetros desses sinais biomédicos por forma a melhorar a qualidade do diagnóstico clínico. Com esta tese pretende-se desenvolver uma ferramenta computacional que possibilite a extração automática dos parâmetros pico sistólico, fim de diástole e de outros eventos clinicamente relevantes de sinais Doppler de fluxo sanguíneo, com especial atenção ao sinal proveniente da artéria carótida. Esta investigação vem na continuidade de um projeto realizado anteriormente no Grupo de Processamento de Sinal Biomédico da Universidade do Algarve, no qual foi desenvolvido um sistema de redução de ruído de espectrogramas Doppler. Este sistema de remoção de ruído será aqui aplicado e melhorado. Para a deteção e extração automática de parâmetros clínicos, foi desenvolvido um algoritmo que recebe um sinal de Doppler e que tem como saída o espectrograma livre de ruído e os valores dos parâmetros clínicos calculados. O algoritmo desenvolvido está dividido em três partes principais. A primeira, consiste na transformada do sinal para os domínios tempo-frequência para a criação do espectrograma e na aplicação de uma metodologia de remoção do ruído do tipo speckle do espectrograma. A fase seguinte é a criação de um sinal bidimensional a partir do espectrograma, o qual é criado para possibilitar a sua caraterização. Por último, desenvolveu-se uma fase dedicada à caracterização do sinal, tendo como principais funções a deteção dos eventos clínicos de pico sistólico, fim de diástole, índice de pulsação, índice de resistência e ratio sístole-diástole. A refinação de atuação de cada uma das três partes mencionadas pode ser ajustada pelo utilizador, tendo para o efeito sido desenvolvido uma interface gráfica na qual a interação do utilizador com o programa global é facilitada. Versatilidade e eficácia do algoritmo desenvolvido foram demonstradas pelos resultados obtidos com três sinais de Doppler de diferentes origens: um de origem clínica, um sinal de fluxo em artéria carótida simulado experimentalmente recorrendo a phantoms, e um sinal de fluxo simulado computacionalmente. Para cada um destes sinais são apresentados os valores das variáveis considerados preferenciais para o ajuste ao respetivo sinal e os respetivos espetros de ruído reduzido. Os resultados da extração automática dos parâmetros clínicos dos três sinais, comprovou a utilidade clínica do algoritmo desenvolvido.

Neuroendocrinologia do comportamento social no ciclídeo africano Oreochromis mossambicus: mecanismos reguladores e modulação social da reprodução

A reprodução em teleósteos é controlada pelo eixo hipotálamo-pituitária-gónada (HPG) que modula a gametogénese, o desenvolvimento dos caracteres secundários e a expressão do comportamento reprodutor. A informação sobre fatores endógenos e exógenos é integrada no cérebro e a atividade do eixo HPG é regulada, fazendo com que traços comportamentais sejam expressos no momento e no contexto certos. Fatores exógenos relacionados com condições físicas do ambiente (e.g. temperatura e fotoperíodo) têm o papel principal no controlo da reprodução. No entanto, o estatuto social e o contexto social têm sido menos estudados. Mecanismos hormonais e neuroendócrinos são muito conservados ao longo dos vertebrados, fazendo dos peixes um bom modelo para o estudo da endocrinologia do comportamento. Os objetivos gerais deste trabalho consistem em determinar de que forma o contexto social interfere na expressão do comportamento e o papel de mecanismos hormonais e neuroendócrinos nesse processo, sendo abordados dois mecanismos, os androgénios e os neuropéptidos arginina vasotocina (AVT) e Isotocina (IT), dando-se especial relevância à AVT. A tilápia moçambicana (Oreochromis mossambicus) foi o modelo usado. A a sua biologia é bem conhecida, é muito adaptável a condições artificiais, e que tem uma importância económica crescente. Esta espécie possui um sistema social elaborado, com machos a organizarem-se em arenas reprodutoras, onde escavam depressões no substrato, para as quais atraem as fêmeas para a reprodução. Todos os trabalhos apresentados nesta dissertação tiveram como como sujeito focal o macho. Esta tese está organizada quatro capítulos. No capítulo I- Introdução geral, é apresentada uma revisão da literatura relevante para enquadrar o presente trabalho. Os capítulos II e III englobam os 4 artigos científicos que foram redigidos, denominados de artigo 1 a 4, consoante a ordem em que são apresentados na tese. O capítulo II, intitulado “Modulação social da reprodução”, é apresentado um estudo (artigo 1) que aborda o efeito do ambiente social no comportamento e no estado fisiológico da tilápia moçambicana. Com este trabalho pretendia-se perceber qual o efeito do contexto de instabilidade social nos níveis plasmáticos hormonais e a influência destes contextos na criação de padrões de comportamento. Gerou-se com sucesso um cenário de instabilidade social, através da substituição de machos dominantes entre replicados, por oposição ao contexto social estável em que os animais foram retirados e reintroduzidos no mesmo aquário. Em contexto social instável verificou-se tal como esperado, um aumento do comportamento agonístico. Apesar da agressividade não ter sido acompanhada pelo aumento dos níveis hormonais, os resultados sugerem que os androgénios funcionam como fator de reforço da integração na criação de padrões comportamento em contexto social instável, mostrando assim uma otimização do comportamento em períodos de instabilidade social. No capítulo III, intitulado “Mecanismos reguladores do comportamento social”, são apresentados três artigos e foi dividido em duas secções. Na primeira é abordado o papel dos androgénios (artigo 2) e na segunda o papel da AVT e IT (artigo 3 e 4) na regulação do comportamento social. Em relação ao estudo do papel dos androgénios (artigo 2), pretendeu-se estudar o efeito da falta de androgénios em circulação na exibição do comportamento agonístico e reprodutor. Para tal, procedeu-se à castração de machos de tilápia. A remoção integral das gónadas baixou os níveis de androgénios em cerca de 90% para a testosterona e quase 100% para 11KT e provocou uma completa abolição do comportamento reprodutor (construção do ninho, coloração nupcial e corte), no entanto o comportamento agonístico não foi afetado. Revelou-se desta forma que o mecanismo de regulação do comportamento reprodutor e agonístico é diferente, com os androgénios como agentes mediadores do comportamento reprodutor e moduladores do comportamento agonístico, uma vez que a literatura existente relaciona os androgénios com o comportamento agonístico nesta espécie. O estudo da regulação da AVT e IT em função do estatuto social foi efetuado com duas abordagens diferentes, resultando em dois artigos científicos (artigo 3 e 4). A primeira tinha como objetivo perceber se a AVT e IT estava distribuída por todo o cérebro em quantidades mensuráveis ou apenas em alguma área específica, além de perceber qual a diferença dos níveis cerebrais e glândula pituitária entre machos dominantes e subordinados. Procedeu-se ao doseamento da AVT e IT no cérebro através de cromatografia de fase líquida (high performance liquid cromatography, HPLC) em machos dominantes e subordinados (com o estatuto estabilizado há pelo menos 5 semanas). O cérebro foi dividido em 7 áreas [bolbos olfativos, telencéfalo, teto ótico, diencéfalo, cerebelo, rombencéfalo e pituitária (considerada como área cerebral para efeitos comparativos)]. Verificou-se que a área que apresentou uma maior concentração de neuro péptidos (AVT e IT) foi a pituitária, seguida dos bolbos olfactivos e finalmente as restantes áreas. A existência destes neuropéptidos no bolbo olfactivo sugere que a AVT e IT estão implicadas no mecanismo de reconhecimento social. Esta relação tem particular importância para esta espécie uma vez que a Tilápia usa o mecanismo do olfacto, por exemplo para o reconhecimento do estado reprodutivo das fêmeas. Machos subordinados apresentaram concentrações de AVT superiores na pituitária, o que sugere a influência da AVT num processo fisiológico específico relacionado com a subordinação. Uma vez que machos subordinados armazenam menos urina do que machos dominantes (machos dominantes armazenam grandes quantidades de urina que libertação de forma pulsátil, de forma dependente do contexto, aumentando o número de pulsos na presença de machos rivais ou fêmeas pré-ovuladas). A AVT pode estar a exercer um efeito antidiurético nos machos subordinados diminuindo assim a produção de urina. Machos dominantes apresentaram valores superiores de IT no rombemcéfalo, sugerindo que a isotocina pode estar relacionada com o comportamento social em dominantes. Para avaliar o efeito do estatuto na organização dos grupos neuronais produtores de AVT (situados na área pré-ótica) foram criadas condições semelhantes à situação anterior, neste caso foram contabilizados os neurónios imunorreativos à AVT na área pré-ótica e medida a área dos corpos celulares em machos dominantes, subordinados e fêmeas. Os grupos neuronais da área pré-ótica são constituídos por células parvocelulares (pPOA), magnocelulares (mPOA) e gigantocelulares (gPOA). A literatura relaciona uma maior expressão de células pPOA em machos subordinados e gPOA em dominantes, no entanto os resultados do artigo 4 mostraram que machos subordinados aumentaram a área dos corpos celulares de todos os grupos neurais, e todos os grupos apresentam projeções para pituitária (apesar de projetarem para outra áreas) sugerindo que este aumento generalizado do tamanho das células implica um aumento da produção de AVT direcionada para a pituitária. As células (principalmente a área dos corpos celulares) correlacionaram-se negativamente com o comportamento agressivo e positivamente com o comportamento de fuga, sugerindo uma inibição geral do comportamento reprodutor e agonístico em machos subordinados. O tamanho das células mPOA está inversamente associado ao peso do rim o que sugere um efeito deste grupo neural no rim provavelmente implicado no mecanismo antidiurético em machos subordinados.

Molecular characterization of Gla-rich protein (GRP) gene expression and function

Gla-rich protein (GRP) is a vitamin K-dependent protein related to bone and cartilage recently described. This protein is characterized by a large number of Gla (γ-carboxyglutamic acid) residues being the protein with the highest Gla content of any known protein. It was found in a widely variety of tissues but highest levels was found in skeletal and cartilaginous tissues. This small secreted protein was also expressed and accumulated in soft tissues and it was clearly associated with calcification pathologies in the same tissues. Although the biological importance of GRP remains to be elucidated, it was suggested a physiological role in cartilage development and calcification process during vertebrate skeleton formation. Using zebrafish, an accepted model to study skeletal development, we have described two grp paralog genes, grp1 and grp2, which exhibited distinct patterns of expression, suggesting different regulatory pathways for each gene. Gene synteny analysis showed that grp2 gene is more closely related to tetrapod grp, although grp1 gene was proposed to be the vertebrate ortholog by sequence comparison. In addition, we identified a functional promoter of grp2 gene and using a functional approach we confirmed the involvement of transcription factors from Sox family (Sox9b and Sox10) in the regulation of grp2 expression. In an effort to provide more information about the function of grp isoforms, we generated two zebrafish transgenic lines capable to overexpress conditionally grp genes and possible roles in the skeleton development were studied. To better understand GRP function a mammalian system was used and the analysis of knockout mice showed that GRP is involved in chondrocyte maturation and the absence of GRP is associated to proteoglycans loss in calcified articular cartilage. In addition, we detected differences in chondrogenesis markers in articular chondrocyte primary culture. Overall, our data suggest a main role for GRP on chondrocyte differentiation.

Testes em batch para selecionar fontes de carbono de baixo custo adequadas ao crescimento e atividade de bactérias sulfato-redutoras

Dissertação de mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologias, Universidade do Algarve, 2015