A multiresidue method for the analysis of carbamate and urea pesticides from soils by microwave-assisted extraction and liquid chromatography with photodiode array detection

A multiresidue approach using microwave-assisted extraction and liquid chromatography with photodiode array detection was investigated for the determination of butylate, carbaryl, carbofuran, chlorpropham, ethiofencarb, linuron,metobromuron, and monolinuron in soils. The critical parameters of the developed methodology were studied. Method validation was performed by analyzing freshly and aged spiked soil samples. The recoveries and relative standard deviations reached using the optimized conditions were between 77.0 ± 0.46% and 120 ± 2.9% except for ethiofencarb (46.4 ± 4.4% to 105 ± 1.6%) and butylate (22.1 ± 7.6% to 49.2 ± 11%). Soil samples from five locations of Portugal were analysed.

Determination of carbamate and urea pesticide residues in fresh vegetables using microwave-assisted extraction and liquid chromatography

An analytical multiresidue method for the simultaneous determination of seven pesticides in fresh vegetable samples, namely, courgette (Cucurbita pepo), cucumber (Cucumis sativus), lettuce (Lactuca sativa, Romaine and Iceberg varieties) and peppers (Capsicum sp.) is described. The procedure, based on microwave-assisted extraction (MAE) and analysis by liquid chromatography– photodiode array (LC–PDA) detection was applied to four carbamates (carbofuran, carbaryl, chlorpropham and EPTC) and three urea pesticides (monolinuron, metobromuron and linuron). Extraction solvent and the addition of anhydrous sodium sulphate to fresh vegetable homogenate before MAE were the parameters optimised for each commodity. Recovery studies were performed using spiked samples in the range 250–403 µgkg- 1 in each pesticide. The pesticide residues were extracted using 20mL acetonitrile at 60 ºC, for 10 min. Acceptable recoveries and RSDs were attained (overall average recovery of 77.2% and RSDs are lower than 11%). Detection limits ranged between 5.8 µgkg- 1 for carbaryl to 12.3 µgkg- 1 for carbofuran. The analytical protocol was applied for quality control of 41 fresh vegetable samples bought in Oporto Metropolitan Area (North Portugal). None of the samples contained any detectable amounts of the studied compounds.

Alternative chelating agents: Evaluation of the ready biodegradability and complexation properties

The ready biodegradability of four chelating agents, N,N -(S,S)-bis[1-carboxy-2-(imidazol-4-yl)ethyl]ethylenediamine (BCIEE), N - ethylenedi-L-cysteine (EC), N,N -bis (4-imidazolymethyl)ethylenediamine (EMI) and 2,6-pyridine dicarboxylic acid (PDA), was tested according to the OECD guideline for testing of chemicals. PDA proved to be a readily biodegradable substance. However, none of the other three compounds were degraded during the 28 days of the test. Chemical simulations were performed for the four compounds in order to understand their ability to complex with some metal ions (Ca, Cd, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Pb, Zn) and discuss possible applications of these chelating agents. Two different conditions were simulated: (i) in the presence of the chelating agent and one metal ion, and (ii) in the simultaneous presence of the chelating agent and all metal ions with an excess of Ca. For those compounds that were revealed not to be readily biodegradable (BCIEE, EC and EMI), applications were evaluated where this property was not fundamental or even not required. Chemical simulations pointed out that possible applications for these chelating agents are: food fortification, food process, fertilizers, biocides, soil remediation and treatment of metal poisoning. Additionally, chemical simulations also predicted that PDA is an efficient chelating agent for Ca incrustations removal, detergents and for pulp metal ions removal process.

Electroanalysis of urinary L-dopa using tyrosinase immobilized on gold nanoelectrode ensembles

The performance of an amperometric biosensor constructed by associating tyrosinase (Tyr) enzyme with the advantages of a 3D gold nanoelectrode ensemble (GNEE) is evaluated in a flow-injection analysis (FIA) system for the analysis of l-dopa. GNEEs were fabricated by electroless deposition of the metal within the pores of polycarbonate track-etched membranes. A simple solvent etching procedure based on the solubility of polycarbonate membranes is adopted for the fabrication of the 3D GNEE. Afterward, enzyme was immobilized onto preformed self-assembled monolayers of cysteamine on the 3D GNEEs (GNEE-Tyr) via cross-linking with glutaraldehyde. The experimental conditions of the FIA system, such as the detection potential (−0.200 V vs. Ag/AgCl) and flow rates (1.0 mL min−1) were optimized. Analytical responses for l-dopa were obtained in a wide concentration range between 1 × 10−8 mol L−1 and 1 × 10−2 mol L−1. The limit of quantification was found to be 1 × 10−8 mol L−1 with a resultant % RSD of 7.23% (n = 5). The limit of detection was found to be 1 × 10−9 mol L−1 (S/N = 3). The common interfering compounds, namely glucose (10 mmol L−1), ascorbic acid (10 mmol L−1), and urea (10 mmol L−1), were studied. The recovery of l-dopa (1 × 10−7 mol L−1) from spiked urine samples was found to be 96%. Therefore, the developed method is adequate to be applied in the clinical analysis.

Encapsulamento de monómeros da lenhina pela β-ciclodextrina: estudos químico e de biodegradação

Mestrado em Engenharia Química.Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Mixed extractant systems for metal recovery

Hoje em dia, a prevenção dos resíduos de metais é uma questão muito importante para um grande número de empresas, pois necessitam optimizar o seu sistema de tratamento de águas residuais a fim de alcançarem os limites legais dos teores em iões metálicos e poderem efectuar a descarga das águas residuais no domínio hídrico público. Devido a esta problemática foram efectuados estudos inovadores relacionados com a remoção de iões metálicos de águas residuais, verificando-se que as tecnologias de membrana oferecem uma série de vantagens para o efeito. Uma dessas tecnologias, referida como Membrana Líquida de Suporte (SLM), é baseada num mecanismo de extracção. A membrana hidrofóbica, impregnada com uma solução extractora, funciona como barreira entre a água residual e uma solução, geralmente ácida. A diferença de pH entre a água residual e a solução actua como força motriz para o transporte de iões metálicos da água residual para a referida solução. Poderá ocorrer um problema de falta de estabilidade, resultante da possível fuga da solução extractora para fora dos poros das membranas. Estudos anteriores mostraram que os ácidos alquilfosfóricos ou ácidos fosfónicos, como os reagentes D2EHPA e CYANEX e hidroxioximas como o LIX 860-I podem ser muito úteis para a extração de iões metálicos como ferro, cobre, níquel, zinco e outros. A clássica extracção líquido-líquido também tem mostrado que a mistura de diferentes extractores pode ter um efeito sinergético. No entanto, não é claro que haja um efeito óptimo da razão de extractor ou que tipo de complexo é formado durante o processo de extracção. O objectivo deste projecto é investigar este comportamento sinergético e as complexas formações por meio de um método espectrofotométrico, o “Job’s method” e “Mole-ratio method”. Estes métodos são utilizados para estimar a estequiometria dos vários complexos entre dois solutos, a partir da variação de absorvância dos complexos quando comparado com a absorvância do soluto. Com este projecto, o Job’s method e mole-ratio method serão aplicados a um sistema de três componentes, para conseguir mais informações sobre a complexação de níquel (II) e a fim de determinar a razão extractor: metal dos complexos formados durante a aplicação de mistura de extractores D2EHPA e LIX 860-I. Segundo Job’s method a elavada absorvância situa-se na região de 0,015-0,040 M de LIX 860-I e uma baixa concentração de D2EHPA. Quando as diferentes experiências são encontradas num conjunto experimental foram avaliadas de acordo com o método de trabalho, o valor máximo do gráfico foi encontrado para uma baixa fração molar do ião metálico e uma maior concentração de D2EHPA. Esta mudança foi encontrado de 0,50 até 0,30, que poderia apontar para a direção da formação de diferentes complexos. Para o Mole-Ratio method, a estequiometria dos complexos metal pode ser determinada a partir do ponto de intersecção das linhas tangente do gráfico da absorbância versus a concentração do ligante. Em todos os casos, o máximo foi obtido em torno de uma concentração total de 0,010 M. Quando D2EHPA foi aplicado sozinho, absorvâncias muito baixos foram obtidas.

Contaminação ambiental por pesticidas: análise metodológica

Este trabalho teve como objectivo pesquisar os pesticidas que são mais usados em Portugal, os métodos de análise mais frequentemente utilizados na determinação de pesticidas, a contaminação ambiental por pesticidas e como minimizar o impacto ambiental provocado pelo uso indiscriminado de pesticidas. Os pesticidas usados variam de acordo com as diferentes características das regiões de Portugal e os grupos de pesticidas mais usados são: organofosforados, derivados de anilina, derivados triazinicos, tiocarbamatos, derivados do ácido fenoxiacético, derivados de acetamida, benzotiadiazole, derivados de ureia e azol. A determinação destes grupos é usualmente feita usando métodos cromatográficos, uma vez que estes métodos permitem a separação de misturas complexas. A contaminação ambiental por pesticidas pode ser provocada por diversos factores, contudo esta contaminação pode ser minimizada se estes forem usados de forma racional e de um modo sustentável conforme o descrito na directiva 2009/128/CE de 21 de Outubro.

Desenvolvimento de um sensor óptico para determinação de Norfloxacina

A presente dissertação descreve o desenvolvimento e a caracterização de sensores ópticos com base em membranas de poli(cloreto de vinilo), PVC, para determinação de Norfloxacina em amostras do sector da aquacultura. Estes sensores basearam-se na reacção colorimétrica entre um metal imobilizado em PVC e a Norfloxacina. O metal foi escolhido com base em ensaios prévios de reacção colorimétrica entre a Norfloxacina e várias espécies metálicas, nomeadamente, Fe(III), Al(III), Pb(II), Aluminon, Mo(II), Mn(II), Ni(II), Cu(II), Co(II), Sn(II) e V(V). A reacção mais intensa foi obtida com o Fe(III). Neste sentido, numa primeira fase foram desenvolvidos sensores baseados em Fe(III). O efeito de alguns parâmetros experimentais na resposta desses sensores foi avaliado de modo univariado. Incluem-se aqui o efeito do pH, avaliado entre 2,00 e 6,00, e o da concentração de Fe(III), variada entre cerca de 1,00x10-5 M e 2,00x10-4 M. Os melhores valores foram obtidos a pH 3, para o qual se verificou um comportamento linear entre cerca de 1,00x10-5 M e 1,70x10-4 M de Fe(III). Utilizando as condições seleccionadas anteriormente, procedeu-se à caracterização do complexo sob ponto de vista químico. Os valores obtidos apontaram para a necessidade de um excesso de Fe(III) de, pelo menos, 10 vezes, no sentido de garantir a máxima extensão de complexação. O complexo referido apresentou, nestas condições, um comportamento linear ao longo do intervalo de concentrações de cerca de 7,00x10-5 M a 7,00x10-4 M em NOR. O complexo formado foi estável ao longo de 90 minutos. As condições óptimas para análise desse complexo numa superfície sólida foram obtidas após avaliação do efeito da quantidade de Fe(III) e do tipo e quantidade de solvente mediador (o-nitrofenil octil éter, di-n-octilftalato, dibutilftalato, bis(etilhexil)sebacato, bis(etilhexil)ftalato). O bis(etilhexil)sebacato foi o solvente mediador escolhido e a relação de quantidade entre o PVC e o solvente mediador foi igual a 1:2. O procedimento de preparação do sensor sólido e subsequente optimização foi aplicado a outras espécies metálicas, para além do Fe(III), tais como, Cu(II), Mn(II) e aluminon. A conjugação de todos estes metais permitiu desenvolver um array de sensores para despistagem de Norfloxacina em águas de aquacultura. Algumas membranas sensoras foram aplicadas com sucesso no controlo de Norfloxacina em amostras de águas ambientais dopadas. Os resultados obtidos com membranas de Fe(III) e Cu(II) foram exactos, tendo-se registado valores de concentração próximos dos reais. O método proposto permitiu, por isso, a despistagem rápida e eficaz da presença de um antibiótico em águas ambientais, permitindo ainda o seu doseamento a um baixo custo. Numa perspectiva de rotina, e tendo em vista a despistagem deste antibiótico, este método revelou-se mais rápido e mais barato do que os demais métodos descritos na literatura para este efeito.

Screening of carbamates and ureas in fresh and processed tomato samples using micowave-assisted extraction and liquid chromatography

An analytical method, based on microwave-assisted extraction and liquid chromatography with diode array detection, for the determination of six carbamate and three urea pesticides in fresh and processed tomato samples is described. Significant parameters affecting extraction efficiency were optimized. Under optimum microwave-assisted extraction conditions (20mL acetonitrile, for 10 minutes, at 60º C), pesticides were extracted with recoveries ranging from 57.6 to 102% (RSDs<7%). Quantification limits between 6.5 and 39.6 µg=kg were obtained. A total number of 28 different fresh tomato samples and 6 processed tomato products were analysed. Confirmation of suspicious samples was performed by LC-MS.

Subacute effects of the thiodicarb pesticide on target organs of male wistar rats: biochemical, histological, and flow cytometry studies

Thiodicarb, a carbamate pesticide widely used on crops, may pose several environmental and health concerns. This study aimed to explore its toxicological profile on male rats using hematological, biochemical, histopathological, and flow cytometry markers. Exposed animals were dosed daily at 10, 20, or 40 mg/kg/body weight (group A, B, and C, respectively) during 30 d. No significant changes were observed in hematological parameters among all groups. After 10 d, a decrease of total cholesterol levels was noted in rats exposed to 40 mg/kg. Aspartate aminotransferase (AST) activity increased (group A at 20 d; groups A and B at 30 d) and alkaline phosphatase (ALP) (group B at 30 d) activity significantly reduced. At 30 d a decrease of some of the other evaluated parameters was observed with total cholesterol and urea levels in group A as well as total protein and creatinine levels in groups A and B. Histological results demonstrated multi-organ dose-related damage in thiodicarb-exposed animals, evidenced as hemorrhagic and diffuse vacuolation in hepatic tissue; renal histology showed disorganized glomeruli and tubular cell degeneration; spleen was ruptured with white pulp and clusters of iron deposits within red pulp; significant cellular loss was noted at the cortex of thymus; and degenerative changes were observed within testis. The histopathologic alterations were most prominent in the high-dose group. Concerning flow cytometry studies, an increase of lymphocyte number, especially T lymphocytes, was seen in blood samples from animals exposed to the highest dose. Taken together, these results indicate marked systemic organ toxicity in rats after subacute exposure to thiodicarb.

Characterization of the Toxicological Effects of Aminocarb on Rats: Hematological, Biochemical, and Histological Analyses

Aminocarb is a widely applied carbamate insecticide with action of controlling pests such as Lepidoptera and Coleoptera. In this study, subchronic effects on Wistar rats were investigated using hematological, biochemical, and histological techniques. Rats were exposed orally at sublethal levels of 10, 20, or 40 mg/kg body weight (groups A, B, and C, respectively) for 14 d. Hematological results revealed no statistical differences after 1 d of exposure but significant reduction in white blood cells detected after 7 d of exposure in group C, as well as, in all treated groups after 14 d of exposure. Biochemical data showed a decrease of acetylcholinesterase activity in all groups after 1 d of exposure with a return to normal after 7 and 14 d. Significant increase in alkaline phosphatase activity of rats exposed to aminocarb was noted after 7 d of treatment. The levels of triglycerides were also significantly decreased. The present investigation also showed a significant increase in content of serum urea and creatinine in animals from group A (14 d), and from groups B and C (7 and 14 d). Histological results demonstrated hemorrhagic focus on hepatic and renal parenchyma in all exposed groups. Taken together, the attained results were dose dependent and indicated adverse effects of aminocarb on hepatic and renal functions, as well as on immune responsiveness at sublethal tested doses.

Microencapsulation of herbicide MCPA with native beta-cyclodextrin and its methyl and hydroxypropyl derivatives: An experimental and theoretical investigation

When a pesticide is released into the environment, most of it is lost before it reaches its target. An effective way to reduce environmental losses of pesticides is by using controlled release technology. Microencapsulation becomes a promising technique for the production of controlled release agricultural formulations. In this work, the microencapsulation of chlorophenoxy herbicide MCPA with native b-cyclodextrin and its methyl and hydroxypropyl derivatives was investigated. The phase solubility study showed that both native and b-CD derivatives increased the water solubility of the herbicide and inclusion complexes are formed in a stoichiometric ratio of 1:1. The stability constants describing the extent of formation of the complexes have been determined by phase solubility studies. 1H NMR experiments were also accomplished for the prepared solid systems and the data gathered confirm the formation of the inclusion complexes. 1H NMR data obtained for the MCPA/CDs complexes disclosed noticeable proton shift displacements for OCH2 group and H6 aromatic proton of MCPA provided clear evidence of inclusion complexation process, suggesting that the phenyl moiety of the herbicide was included in the hydrophobic cavity of CDs. Free energy molecular mechanics calculations confirm all these findings. The gathered results can be regarded as an essential step to the development of controlled release agricultural formulations containing herbicide MCPA.

Desenvolvimento de Têxteis com Capacidade de Libertação de Agentes Funcionais

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Utilização da Nanotecnologia para o desenvolvimento sustentável na indústria agro-alimentar

O crescimento populacional esperado para os próximos anos conduzirá à necessidade de aumentar a produção agrícola de modo a satisfazer o aumento da procura. Nos últimos anos tem-se assistido a uma evolução tecnológica nos sistemas de produção que tem permitido aumentar a produtividade agrícola, por vezes à custa de elevados consumos de energia e com práticas nem sempre ambientalmente corretas. Os desafios que se colocam atualmente são no sentido de melhorar a conservação de recursos escassos, como o solo e a água, de aumentar a eficiência de uso de fatores de produção, de encontrar novas culturas, do desenvolvimento da biotecnologia, da diminuição dos consumos energéticos e de melhorar ainda mais as tecnologias associadas à produção. De maneira a responder aos desafios emergentes da procura por alimentos, da escassez de terrenos agrícolas aráveis bem como da existência de pragas de insetos e de ervas daninhas, os pesticidas tem vindo a ser usados com maior frequência, tendo-se assistido a uma contaminação dos solos e águas subterrâneas, causando deste modo um risco para a saúde dos seres vivos. Neste sentido, vários fabricantes de pesticidas estão a desenvolver novas formulações contendo pesticidas encapsulados em nanopartículas como modo de aumentar a sua solubilidade em água, biodisponibilidade, volatilidade, estabilidade e eficácia. tendo por objetivo um desenvolvimento sustentável. Neste trabalho, procedeu-se ao estudo do encapsulamento do herbicida Oxadiargil (5-terc-butil-3-[2,4-dicloro-5-(2-propiniloxi)fenil]-1,3,4-oxadiazol-2(3H)-ona) com a 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina (HP-β-CD). O estudo da formação do complexo de inclusão Oxadiargil - HP-β-CD foi realizado em diferentes meios, água desionizada, tampão acetato pH = 3,46 e pH = 5,34 e tampão fosfato pH = 7,45, com o objetivo de determinar e comparar a sua constante de estabilidade. Verificou-se, em qualquer dos casos, a ocorrência de uma relação linear entre o aumento da solubilidade do Oxadiargil e o aumento da concentração de HP-β-CD, com um declive inferior a um, o que indicia a formação de um complexo na proporção estequiométrica de 1:1. Os resultados obtidos permitiram concluir que o processo de complexação Oxadiargil - HP-β-CD não é muito influenciado pela constituição e pelo pH do meio. De facto, as constantes de estabilidade obtidas para a água desionizada e soluções-tampão pH = 3,46, pH = 5,34 e pH = 7,45 foram de 919 ± 25, 685 ± 13, 623 ± 17 e 753 ± 9, respetivamente. A solubilidade do complexo obtido nos estudos realizados, em diferentes meios, é cerca de 23 a 32 vezes superior à observada para o Oxadiargil livre. De forma a caracterizar o complexo Oxadiargil - HP-β-CD procedeu-se à sua síntese utilizando o método de “kneading”. O composto obtido foi caracterizado por Ressonância Magnética Nuclear (RMN) tendo-se confirmado a formação de um complexo de inclusão na proporção estequiométrica de 1:1. O complexo obtido é mais solúvel e porventura mais estável quimicamente. O encapsulamento permite uma redução da aplicação dos pesticidas diminuindo assim os custos e o impacto negativo no ambiente. Com a nanotecnologia é possível a libertação controlada dos pesticidas, aumentando a sua eficácia e fornecendo os meios necessários para um desenvolvimento sustentável.