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

Sistema de visão inteligente de baixo custo para parque de estacionamento

Dissertação de mestrado, Engenharia Elétrica e Eletrónica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2015

Electrical characterization of metal-oxide-polymer devices for non-volatile memory applications

The objective of this thesis is to study the properties of resistive switching effect based on bistable resistive memory which is fabricated in the form of Al2O3/polymer diodes and to contribute to the elucidation of resistive switching mechanisms. Resistive memories were characterized using a variety of electrical techniques, including current-voltage measurements, small-signal impedance, and electrical noise based techniques. All the measurements were carried out over a large temperature range. Fast voltage ramps were used to elucidate the dynamic response of the memory to rapid varying electric fields. The temperature dependence of the current provided insight into the role of trapped charges in resistive switching. The analysis of fast current fluctuations using electric noise techniques contributed to the elucidation of the kinetics involved in filament formation/rupture, the filament size and correspondent current capabilities. The results reported in this thesis provide insight into a number of issues namely: (i) The fundamental limitations on the speed of operation of a bi-layer resistive memory are the time and voltage dependences of the switch-on mechanism. (ii) The results explain the wide spread in switching times reported in the literature and the apparently anomalous behaviour of the high conductance state namely the disappearance of the negative differential resistance region at high voltage scan rates which is commonly attributed to a “dead time” phenomenon which had remained elusive since it was first reported in the ‘60s. (iii) Assuming that the current is filamentary, Comsol simulations were performed and used to explain the observed dynamic properties of the current-voltage characteristics. Furthermore, the simulations suggest that filaments can interact with each other. (iv) The current-voltage characteristics have been studied as a function of temperature. The findings indicate that creation and annihilation of filaments is controlled by filling and neutralizing traps localized at the oxide/polymer interface. (v) Resistive switching was also studied in small-molecule OLEDs. It was shown that the degradation that leads to a loss of light output during operation is caused by the presence of a resistive switching layer. A diagnostic tool that predicts premature failure of OLEDs was devised and proposed. Resistive switching is a property of oxides. These layers can grow in a number of devices including, organic light emitting diodes (OLEDs), spin-valve transistors and photovoltaic devices fabricated in different types of material. Under strong electric fields the oxides can undergo dielectric breakdown and become resistive switching layers. Resistive switching strongly modifies the charge injection causing a number of deleterious effects and eventually device failure. In this respect the findings in this thesis are relevant to understand reliability issues in devices across a very broad field.

Screening for biological activities with application in aquaculture in halophytes from the Algarve coastline

Infectious diseases often hamper the production of aquatic organisms in aquaculture systems, causing economical losses, environmental problems and consumer safety issues. The conventional way aquaculture producers had to control pathogens was by means of synthetic antibiotics and chemicals. This procedure had consequences in the emergence of more resilient pathogens, drug contamination of seafood products and local ecosystems. To avoid the repercussions of antibiotic use, vaccination has greatly replaced human drugs in western fish farms. However there is still massive unregulated antibiotic use in third world fish farms, so less expensive therapeutic alternatives for drugs are desperately needed. An alternative way to achieve disease control in aquaculture is by using natural bioactive organic compounds with antibiotic, antioxidant and/or immunostimulant properties. Such diverse biomolecules occur in bacteria, algae, fungi, higher plants and other organisms. Fatty acids, nucleotides, monosaccharides, polysaccharides, peptides, polyphenols and terpenoids, are examples of these substances. One promising source of bioactive compounds are salt tolerant plants. Halophytes have more molecular resources and defence mechanisms, when compared with other tracheophytes, to deal with the oxidative stresses of their habitat. Many halophytes have been used as a traditional food and medical supply, especially by African and Asian cultures. This scientific work evaluated the antibiotic, antioxidant, immunostimulant and metal chelating properties of Atriplex halimus L., Arthrocnemum macrostachyum Moric., Carpobrotus edulis L., Juncus acutus L. and Plantago coronopus L., from the Algarve coast. The antibiotic properties were tested against Listonella anguillarum, Photobacterium damselae piscicida and Vibrio fischeri. The immunostimulant properties were tested with cytochrome c and Griess assays on Sparus aurata head-kidney phagocytes. J. acutus ether extract inhibited the growth of P. damselae piscicida. A. macrostachyum, A. halimus, C. edulis, Juncus acutus and P. coronopus displayed antioxidant, copper chelating and iron chelating properties. These plants show potential as sources of bioactive compounds with application in aquaculture and in other fields.

Produção de "single cell oil" por Yarrowia lipolytica : seleção de meios de cultura

Com o crescimento económico e populacional, as necessidades energéticas globais aumentam diariamente. Juntamente com a percepção de que os combustíveis fósseis são finitos e com uma progressiva consciência ambiental, os biocombustíveis são vistos como a alternativa a seguir. A produção de biodiesel a partir da transesterificação de óleos vegetais aumenta a deflorestação e o custo de bens alimentares. Como alternativa, surgem os óleos de origem microbiana – single cell oil (SCO) - acumulados principalmente como triacilgliceróis, a mesma forma dos óleos vegetais, podendo ser utilizados para biodiesel ou como lípidos de alto valor acrescentado. Contudo, a utilização de microrganismos para síntese de lípidos está limitada pelos custos associados ao processo de produção. Este bioprocesso torna-se economicamente mais favorável quando resíduos obtidos a baixo custo são utilizados como fonte de carbono. Assim, o objectivo deste trabalho foi estudar a possibilidade de utilização de subprodutos de diversas indústrias (glicerol bruto e banha de porco) e glicerol puro na produção de SCO, utilizando a levedura Yarrowia lipolytica. Foram realizados ensaios em batch em matraz de 500 mL, matraz de 1000 mL e biorreator de 2 L, de modo a estudar qual o melhor substrato e concentração para produção de SCO. Verificou-se que a banha é o substrato mais eficaz para a acumulação de gordura pela estirpe Y. lipolytica W29, seguida do glicerol bruto, enquanto o glicerol puro mostrou ser a fonte de carbono menos adequada. Encontrou-se um intervalo de concentração de glicerol bruto para produção de SCO, enquanto que a concentração de banha no meio não afeta a acumulação de gordura pelas células. Os ácidos gordos preferencialmente acumulados pelas células em meio com banha e glicerol bruto foram o ácido oleico e o linoleico, respetivamente. Nos meios com glicerol puro e bruto observou-se a produção de ácido cítrico, o que não se verificou em meio com banha.

Deteção de proteínas virais com nanossensores óticos

O desenvolvimento de tecnologias para a deteção de vírus é um tema de grande interesse em medicina de diagnóstico. Neste contexto, os biossensores têm-se revelado importantes ferramentas bioanalíticas, na medida em que permitem efetuar deteções moleculares de forma rápida, específica, reprodutível e com baixo custo associado. No âmbito desta dissertação, estabeleceram-se metodologias para a deteção fluorescente do fator de infetividade viral (Vif) do VIH através de um nanossensor ótico funcionalizado com anticorpos recombinantes anti-Vif, fragmentos variáveis de cadeia simples 4BL. Quantum dots carboxílicos conjugados a proteínas Vif são excitados a um comprimento de onda de 405 nm, transmitindo luz fluorescente a 605 nm a um fotodetetor de silício amorfo hidrogenado com um filtro de fluorescência integrado. Para implementar um sistema de deteção sensível e eficiente, estudaram-se estratégias de ativação de superfície em chips de vidro. A variabilidade das condições experimentais de um protocolo de silanização com (3-mercaptopropil)-trimetoxisilano (MPTS) foi avaliada através da análise de ângulos de contacto e densidades moleculares de fluoresceína funcionalizada com maleimida. Estabeleceu-se que, uma incubação dos substratos por 4 h com 5% (w/v) MPTS, seguida de cura a 110 ºC por 2 h, e redução com 10 mM ditiotreitol por 30 min, promove a formação de camadas de organosilanos de qualidade com grupos tiol reativos bem orientados. Estratégias de imobilização do elemento recetor foram testadas em substratos de vidro ativados e em sistemas de microfluídica vidro/PDMS, tomando por base o tag de afinidade, glutationa S-transferase (GST), do anticorpo recombinante. Vidros funcionalizados com glutationa e anti-GST mostraram-se igualmente reativos ao anticorpo GST-4BL, resultando uma capacidade de ligação do antigénio de aproximadamente 4.76 x 1010 moléculas/cm2 de QD-Vif, o que corresponde a 15% da cobertura máxima de superfície. Dos ensaios em sistemas de microfluídica resultaram sinais fracos e poucos reprodutíveis, destacando a necessidade de desenvolver metodologias de funcionalização mais apropriadas.

Isolamento e produção de agentes de controlo biológico das principais doenças de pós-colheita, em citrinos e pomóideas

Potenciais agentes de biocontrolo foram isolados a partir da microbiota epifítica de folhas e frutos, de citrinos e pomóideas, de diferentes pomares, durante diferentes campanhas e de distintas condições de armazenamento. A atividade antagonista de 1465 microrganismos isolados foi testada em ensaios in vivo em pomóideas face a Penicillium expansum (104 esporos/ml) e em citrinos face a P. digitatum (105 esporos/ml) em frutos feridos e inoculados artificialmente. Aproximadamente 7,6% dos isolados reduziu a severidade (diâmetro da podridão) e a incidência (% podres) em mais de 25%, menos de 3% reduziu ambos os parâmetros em mais de 50%, mas apenas 4 microrganismos preencheram os critérios de seleção, redução da incidência e severidade em mais de 75%. Dos 4 e pelos resultados obtidos em ensaios de seleção secundária e de determinação da concentração mínima eficaz, destacaram-se e selecionaram-se 2 microrganismos, uma bactéria isolada de laranjas „Valencia late‟ e identificada como pertencente ao grupo das Enterobactérias, Pantoea agglomerans PCB-1 e uma levedura isolada a partir da superfície de maças 'Bravo de Esmolfe' identificada como Metschnikowia andauensis PBC-2, com o objetivo de usar dois modelos distintos de agentes de biocontrol, uma bactéria e uma levedura. P. agglomerans é um agente de biocontrolo já conhecido. A estirpe PBC-1 isolada neste trabalho mostrou ter elevada eficácia face aos principais agentes patogénicos na póscolheita de citrinos e pomóideas. M. andauensis é uma levedura recentemente descoberta e a estirpe PBC-2 diz respeito à primeira referência desta espécie como agente de biocontrolo, a qual foi recentemente objeto de concessão de Patente de Invenção Nacional nº 105210, como uma nova estirpe desta espécie para uso como agente de biocontrolo das doenças de póscolheita de frutos. A concentração mínima eficaz dos antagonistas revelou estar dentro dos limites para o seu desenvolvimento comercial. M. andauensis PBC-2 quando aplicada à concentração de 5×106 ufc/ml, permitiu uma redução da incidência e da severidade de 62 e 70%, respetivamente, e quando aplicada a 1×107 ufc/ml, uma redução de 90% de incidência e de 95% de severidade. P. agglomerans PBC-1 aplicada a 1 × 108 ufc/ml em maçãs e em citrinos no controlo de P. expansum e P. digitatum, respetivamente, propiciaram uma redução significativa de cerca de 86% de cada um dos agentes patogénicos. O espectro de ação de M. andauensis PBC-2 foi avaliado, verificando-se o controlo efetivo face a Rhizopus stolonifer, P. expansum e Botritys cinerea, em pera 'Rocha' e em diferentes cultivares de maçã e contra P. digitatum e Penicillium italicum em clementinas e laranjas de diferentes cultivares. Durante 4 épocas, a eficácia de M. andauensis PBC-2, foi avaliada e comparada com o fungicida sintético mais usado comercialmente, Imazalil, em ensaios semicomerciais. Os resultados assemelharam-se aos obtidos com o fungicida, a redução da incidência do bolor azul foi de 90% em maças armazenadas durante 3 meses a 1±0.5 ºC, seguido de 7 dias à temperatura ambiente, para simular o tempo de prateleira. Em ensaios do estudo da dinâmica populacional, verificou-se que o agente de biocontrolo M. andauensis PBC-2 tem uma excelente capacidade colonizadora e que consegue crescer e sobreviver nas feridas, mas também na superfície dos frutos, armazenados à temperatura ambiente e em condições de frio. Pelo contrário, M. andauensis PBC- não apresentou capacidade de sobrevivência no suco gástrico simulado, começando a população a diminuir imediatamente após exposição e passadas 48 h não restava população viável. Diferentes meios de cultura usualmente descritos na produção de leveduras foram testados na produção de M. andauensis PBC-2. Aquele que apresentou a maior população viável ao fim de 40 h de incubação foi o meio YPD, entretanto escolhido para estudos posteriores. O pH mais favorável ao crescimento foi de 6,5, não se observando diferenças significativas entre os crescimentos a 25 e 30 ºC. Estudou-se ainda o efeito da concentração das duas fontes de azoto do meio YPD e elegeu-se a combinação de 10 g/l de extrato de levedura e 20 g/l de peptona. Nos estudos de produção de biomassa dos dois potenciais agentes de biocontrolo, analisou-se o efeito da sacarose, frutose e glucose, como fontes de carbono e otimizou-se a concentração destes açúcares no crescimento em Erlenmeyer. Após 20 h de incubação a população viável de P. agglomerans PBC-1 atingiu 3.9×109, 1.5×109, 3.9×109 ufc/ml, respetivamente. No caso de M. andauensis PBC-2, foi obtida a população de 1.2×108, 5.3×108 e 1,3×108 ufc/ml, com glucose, sacarose e frutose, após 40 h. Os resultados permitem concluir que os dois agentes têm capacidade de metabolizar os açúcares testados, contudo e atendendo à produtividade de biomassa, rendimento, disponibilidade e custo, optou-se por usar a sacarose como fonte de carbono nos restantes ensaios, nomeadamente na transição de Erlenmeyer para reator biológico. Na produção de P. agglomerans PBC-1 escolheu-se o meio SAC (5 g/l sacarose e 5 g/l extrato de levedura). O meio YPS (12.5g/l sacarose, 10 g/l extrato de levedura, 20 g/l peptona) foi usado no aumento de escala de M. andauensis PBC-2. A otimização da produção em reator biológico de P. agglomerans PCB-1 foi realizada submetendo o microrganismo a diferentes condições hidrodinâmicas, testando-se arejamentos, dois tipos de turbina (hélice; rusthon) e dispersores (poroso, em L). Foram igualmente estudados, o efeito da concentração inicial do inoculo e a adição programada da fonte de carbono. Embora tenham sido testadas diferentes variações, o perfil dos diferentes parâmetros analisados foi idêntico, a população máxima viável foi de 3-5×109 ufc/ml. A diferença mais notória foi observada na fermentação com concentração inicial de 107 cfu/ml, que permitiu encurtar em cinco horas a fase lag, o que pode significar uma redução de tempo de fermentação, e consequentemente uma redução de custos. Visando a produção de biomassa a baixo custo, fator importante na implementação de um sistema de controlo biológico, estudou-se a possibilidade de utilizar subprodutos e resíduos da indústria alimentar no crescimento dos agentes de biocontrolo. Subprodutos da indústria de alfarroba e subprodutos e resíduos da indústria de sumos de citrinos foram utilizados na produção de P. agglomerans PBC-1 e de M. andauensis PBC-2, respetivamente. Desta forma, para além de uma redução dos custos de produção, pretendeu-se a valorização de um subproduto (no caso de alfarroba e do bagaço de citrinos) e mitigar os efeitos nefastos de um resíduo (licor), com elevada carga poluente, que gera graves problemas ambientais e que pode ditar o encerramento desta unidade industrial, com efeitos devastadores para a economia local. Realizaram-se extrações de subprodutos da indústria de alfarroba, a diferentes razões sólido/líquido, tempos e temperaturas, de forma a maximizar a extração de açúcares. A potencialidade de utilizar o extrato de açúcares obtido, na produção de P. agglomerans PBC-1 foi avaliada, em ensaios de crescimento em Erlenmeyer, com consequente transição para reator mecanicamente agitado. Os perfis de crescimento da cultura crescida com subprodutos da indústria de alfarroba assemelharam-se aos observados com sacarose como fonte de carbono. A biomassa viável produzida com subprodutos da indústria de alfarroba, foi de 4- 7×109 ufc/ml, o que permite concluir que é uma alternativa viável à produção deste microrganismo. A produção de M. andauensis PBC-2 com subprodutos da indústria de sumos de citrinos, foi estudada em Erlenmeyer tendo como objetivo conhecer os perfis de crescimento do microrganismo, bem como, estudar a melhor combinação desta fonte de carbono e sua concentração. O bagaço de citrinos e um resíduo líquido, que se denominou de licor, foram testados com resultados comparáveis à produção obtida com meio usado como standard, (YPS), sem comprometer a atividade antagonista do agente de biocontrolo. Posteriormente, foi realizada a produção em reator mecanicamente agitado, escolhendo-se para tal o meio YL (10 g/l extrato de levedura e licor à concentração de açúcares de 12.5 g/l). Os parâmetros de crescimento da cultura foram semelhantes aos obtidos com a fonte de carbono comercial. Após aproximadamente 40 h de incubação, a população viável de M. andauensis PCB-2 atingiu 3.1×108 ufc/ml. A produtividade de biomassa e rendimento foi de 0.435 g/l.h e 1.502 g/g, respetivamente, comparável a produtividade de biomassa (0.432 g/l.h) e rendimento (1.4416 g/g) observado no meio YPS. Os resultados obtidos, são uma base sólida para o aumento de escala a um nível laboratorial e semi-industrial, permitiram concluir que é exequível produzir M. andauensis a baixo custo e representam uma possível alternativa para um resíduo. Em estudos dos possíveis modos de ação, de M. andauensis PBC-2, conclui-se que, este agente de biocontrolo, não tem como modos de ação a produção de antibióticos ou de voláteis, uma vez que, não se verificou inibição do crescimento dos agentes patogénicos. A competição por ferro e a produção de enzimas líticas por M. andauensis PBC-2 foi estudada em meios com diferentes concentrações de ferro e em um meio de cultura, com paredes celulares de fungos, como única fonte de carbono. Os resultados obtidos neste estudo sugerem que a produção e secreção de enzimas líticas não é o principal ou o mais importante modo de ação do agente de controlo biológico PBC-2, uma vez que a produção de quitinase observada ao 5 e 7º dia de incubação foi muito baixa, e não foi observada a produção de β-1,3- glucanases e proteases.