Desenvolvimento de métodos rápidos para deteção de drogas no meio aquático

A vasta aplicação de antibióticos em sistemas de aquacultura tem conduzido ao aparecimento de espécies microbianas resistentes, devendo ser evitada ou, se possível, minimizada. A minimização implica um controlo muito rigoroso das doses aplicadas, algo que só pode ser realizado se todo o processo analítico for simples, barato e puder ser implementado no local. O presente trabalho descreve para este efeito um sistema sensor constituído por papel quimicamente modificado, cujo procedimento analítico foi semelhante à monitorização de pH através das conhecidas tiras indicadoras de pH universal. O papel foi modificado com base em reacções de monocamadas e assumiu uma coloração típica após contacto com o antibiótico. A intensidade da coloração estava também relacionada com a concentração desse antibiótico. Como prova deste conceito, o sensor proposto foi desenhado tendo em vista a monitorização de oxitetraciclina, um dos antibióticos utilizados neste contexto com elevada frequência. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose na matriz sólida por reacção covalente com reagentes apropriados. Foram utilizadas duas estratégias diferentes para este efeito: uma foi baseada em reacções de tipo sol-gel e a outra em reacção de adição nucleófila. Posteriormente, o papel foi modificado com espécies metálicas capazes de mudar de cor na presença da oxitetraciclina. Estas modificações químicas foram avaliadas e optimizadas relativamente a vários parâmetros, no sentido de promover uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Procedeu-se ainda ao controlo desta modificação por técnicas de espectroscopia de infravermelho. A variação de cor foi avaliada por comparação visual, mas registada por imagem digital. Os materiais sensores preparados foram ainda caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico. Incluíram-se aqui a identificação de uma relação linear entre coordenadas de cor e concentração, a atribuição de uma gama de concentrações capaz de fornecer uma resposta previsível e resposta cruzada face a outros antibióticos. Procedeu-se ainda à aplicação dos sensores numa amostra de água ambiental dopada com antibiótico. De uma forma geral, foi possível estabelecer um processo simples de modificação de papel capaz de aferir a presença e a quantidade de tetraciclinas, mais concretamente a oxitetraciclina. O processo aqui estabelecido é promissor, antevendo a concretização de uma metodologia simples, barata e local para a monitorização de anitbióticos em águas.

Enantiomeric fraction evaluation of pharmaceuticals in environmentalmatrices by liquid chromatography-tandem mass spectrometry

The interest for environmental fate assessment of chiral pharmaceuticals is increasing and enantioselective analytical methods are mandatory. This study presents an enantioselective analytical method for the quantification of seven pairs of enantiomers of pharmaceuticals and a pair of a metabolite. The selected chiral pharmaceuticals belong to three different therapeutic classes, namely selective serotonin reuptake inhibitors (venlafaxine, fluoxetine and its metabolite norfluoxetine), beta-blockers (alprenolol, bisoprolol, metoprolol, propranolol) and a beta2-adrenergic agonist (salbutamol). The analytical method was based on solid phase extraction followed by liquid chromatography tandem mass spectrometry with a triple quadrupole analyser. Briefly, Oasis® MCX cartridges were used to preconcentrate 250 mL of water samples and the reconstituted extracts were analysed with a Chirobiotic™ V under reversed mode. The effluent of a laboratory-scale aerobic granular sludge sequencing batch reactor (AGS-SBR) was used to validate the method. Linearity (r2 > 0.99), selectivity and sensitivity were achieved in the range of 20–400 ng L−1 for all enantiomers, except for norfluoxetine enantiomers which range covered 30–400 ng L−1. The method detection limits were between 0.65 and 11.5 ng L−1 and the method quantification limits were between 1.98 and 19.7 ng L−1. The identity of all enantiomers was confirmed using two MS/MS transitions and its ion ratios, according to European Commission Decision 2002/657/EC. This method was successfully applied to evaluate effluents of wastewater treatment plants (WWTP) in Portugal. Venlafaxine and fluoxetine were quantified as non-racemic mixtures (enantiomeric fraction ≠ 0.5). The enantioselective validated method was able to monitor chiral pharmaceuticals in WWTP effluents and has potential to assess the enantioselective biodegradation in bioreactors. Further application in environmental matrices as surface and estuarine waters can be exploited.

Desenvolvimento de Métodos de Extração de Resíduos de Antimicrobianos e Quantificação em Amostras Alimentares

O leite é um alimento complexo, pela sua composição rico em água, proteínas, lípidos, vitaminas e minerais. Devido ao seu alto valor nutricional é fundamental para a amamentação de crianças e animais em crescimento, pois fornece componentes fundamentais para o desenvolvimento e manutenção da saúde. Os antimicrobianos são amplamente utilizados como uma medida terapêutica no tratamento de infeções bacterianas, profilaxia e como promotores de crescimento (aditivos). A presença de resíduos de antimicrobianos no leite pode representar riscos para a saúde humana, como reações alérgicas em indivíduos hipersensíveis e resistências. Os objetivos deste estudo são o desenvolvimento de novos métodos de limpeza e de pré-concentração para amostras de leite, por meio de extração em fase sólida (SPE), com a finalidade de realizar uma melhor identificação e quantificação de antimicrobiana por Cromatografia Líquida de Alta Performance (HPLC). Todos os métodos desenvolvidos são de fácil execução, com taxas de recuperação dos agentes antimicrobianos viáveis, com uma percentagem de recuperação a partir de 85%. O método cromatográfico utilizado para a deteção e quantificação (HPLC-DAD) têm os limites de deteção (LD) entre 2.43ng / mL e 1.62ng / mL e os limites de quantificação (LQ) entre 7,36 ng / mL e 4.92 ng / mL, o que significa este método vai de encontro às diretrizes estipuladas pela União Europeia para os agentes antimicrobianos estudados. A combinação dos métodos propostos de limpeza e pré-concentração por SPE e multirresíduo por HPLC-DAD permite, por conseguinte, a deteção e quantificação de resíduos de antibióticos no leite, tornando esta uma alternativa importante e útil no processo de controlo de qualidade para a indústria de alimentos e outras área.

Sensor electroquímico seletivo para a Norfloxacina

A Norfloxacina (NFX) é um antibiótico antibacteriano indicado para combater bactérias Gram-negativas e amplamente utilizado para o tratamento de infeções no trato respiratório e urinário. Com a necessidade de realizar estudos clínicos e farmacológicos esenvolveram-se métodos de análise rápida e sensitiva para a determinação da Norfloxacina. Neste trabalho foi desenvolvido um novo sensor eletroquímico sensível e seletivo para a deteção da NFX. O sensor foi construído a partir de modificações efetuadas num elétrodo de carbono vítreo. Inicialmente o elétrodo foi modificado com a deposição de uma suspensão de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) de modo a aumentar a sensibilidade de resposta analítica. De seguida um filme polímerico molecularmente impresso (MIP) foi preparado por eletrodeposição, a partir de uma solução contendo pirrol (monómero funcional) e NFX (template). Um elétrodo de controlo não impresso foi também preparado (NIP). Estudouse e caraterizou-se a resposta eletroquímica do sensor para a oxidação da NFX por voltametria de onda quadrada. Foram optimizados diversos parâmetros experimentais, tais como, condições ótimas de polimerização, condições de incubação e condições de extração. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade da corrente do pico e o logaritmo da concentração de NFX na gama entre 0,1 e 8μM. Os resultados obtidos apresentam boa precisão, com repetibilidade inferior a 6% e reprodutibilidade inferior a 9%. Foi calculado a partir da curva de calibração um limite de deteção de 0,2 μM O método desenvolvido é seletivo, rápido e de fácil manuseamento. O sensor molecularmente impresso foi aplicado com sucesso na deteção da NFX em amostras de urina real e água.

Desenvolvimento de métodos de extração de resíduos de antimicrobianos e quantificação em amostras alimentares

O leite é um alimento complexo, pela sua composição rico em água, proteínas, lípidos, vitaminas e minerais. Devido ao seu alto valor nutricional é fundamental para a amamentação de crianças e animais em crescimento, pois fornece componentes fundamentais para o desenvolvimento e manutenção da saúde. Os antimicrobianos são amplamente utilizados como uma medida terapêutica no tratamento de infeções bacterianas, profilaxia e como promotores de crescimento (aditivos). A presença de resíduos de antimicrobianos no leite pode representar riscos para a saúde humana, como reações alérgicas em indivíduos hipersensíveis e resistências. Os objetivos deste estudo são o desenvolvimento de novos métodos de limpeza e de pré- concentração para amostras de leite, por meio de extração em fase sólida (SPE), com a finalidade de realizar uma melhor identificação e quantificação de antimicrobiana por Cromatografia Líquida de Alta Performance (HPLC). Todos os métodos desenvolvidos são de fácil execução, com taxas de recuperação dos agentes antimicrobianos viáveis, com uma percentagem de recuperação a partir de 85%. O método cromatográfico utilizado para a deteção e quantificação (HPLC-DAD) têm os limites de deteção (LD) entre 2.43ng / mL e 1.62ng / mL e os limites de quantificação (LQ) entre 7,36 ng / mL e 4.92 ng / mL, o que significa este método vai de encontro às diretrizes estipuladas pela União Europeia para os agentes antimicrobianos estudados. A combinação dos métodos propostos de limpeza e pré-concentração por SPE e multirresíduo por HPLC-DAD permite, por conseguinte, a deteção e quantificação de resíduos de antibióticos no leite, tornando esta uma alternativa importante e útil no processo de controlo de qualidade para a indústria de alimentos e outras área.

Development of paper-based color test-strip for drug detection in aquatic environment: Application to oxytetracycline

The wide use of antibiotics in aquaculture has led to the emergence of resistant microbial species. It should be avoided/minimized by controlling the amount of drug employed in fish farming. For this purpose, the present work proposes test-strip papers aiming at the detection/semi-quantitative determination of organic drugs by visual comparison of color changes, in a similar analytical procedure to that of pH monitoring by universal pH paper. This is done by establishing suitable chemical changes upon cellulose, attributing the paper the ability to react with the organic drug and to produce a color change. Quantitative data is also enabled by taking a picture and applying a suitable mathematical treatment to the color coordinates given by the HSL system used by windows. As proof of concept, this approach was applied to oxytetracycline (OXY), one of the antibiotics frequently used in aquaculture. A bottom-up modification of paper was established, starting by the reaction of the glucose moieties on the paper with 3-triethoxysilylpropylamine (APTES). The so-formed amine layer allowed binding to a metal ion by coordination chemistry, while the metal ion reacted after with the drug to produce a colored compound. The most suitable metals to carry out such modification were selected by bulk studies, and the several stages of the paper modification were optimized to produce an intense color change against the concentration of the drug. The paper strips were applied to the analysis of spiked environmental water, allowing a quantitative determination for OXY concentrations as low as 30 ng/mL. In general, this work provided a simple, method to screen and discriminate tetracycline drugs, in aquaculture, being a promising tool for local, quick and cheap monitoring of drugs.

Rapid automated method for on-site determination of sulfadiazine in fish farming: a stainless steel veterinary syringe coated with a selective membrane of PVC serving as a potentiometric detector in a flow-injection-analysis system

Sulfadiazine is an antibiotic of the sulfonamide group and is used as a veterinary drug in fish farming. Monitoring it in the tanks is fundamental to control the applied doses and avoid environmental dissemination. Pursuing this goal, we included a novel potentiometric design in a flow-injection assembly. The electrode body was a stainless steel needle veterinary syringe of 0.8-mm inner diameter. A selective membrane of PVC acted as a sensory surface. Its composition, the length of the electrode, and other flow variables were optimized. The best performance was obtained for sensors of 1.5-cm length and a membrane composition of 33% PVC, 66% onitrophenyloctyl ether, 1% ion exchanger, and a small amount of a cationic additive. It exhibited Nernstian slopes of 61.0 mV decade-1 down to 1.0×10-5 mol L-1, with a limit of detection of 3.1×10-6 mol L-1 in flowing media. All necessary pH/ionic strength adjustments were performed online by merging the sample plug with a buffer carrier of 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid, pH 4.9. The sensor exhibited the advantages of a fast response time (less than 15 s), long operational lifetime (60 days), and good selectivity for chloride, nitrite, acetate, tartrate, citrate, and ascorbate. The flow setup was successfully applied to the analysis of aquaculture waters. The analytical results were validated against those obtained with liquid chromatography–tandem mass spectrometry procedures. The sampling rate was about 84 samples per hour and recoveries ranged from 95.9 to 106.9%.

Selective recognition in potentiometric transduction of amoxicillin by molecularly imprinted materials

The indiscriminate use of antibiotics in food-producing animals has received increasing attention as a contributory factor in the international emergence of antibiotic-resistant bacteria (Woodward in Pesticide, veterinary and other residues in food, CRC Press, Boca Raton, 2004). Numerous analytical methods for quantifying antibacterial residues in edible animal products have been developed over years (Woodward in Pesticide, veterinary and other residues in food, CRC Press, Boca Raton, 2004; Botsoglou and Fletouris in Handbook of food analysis, residues and other food component analysis, Marcel Dekker, Ghent, 2004). Being Amoxicillin (AMOX) one of those critical veterinary drugs, efforts have been made to develop simple and expeditious methods for its control in food samples. In literature, only one AMOX-selective electrode has been reported so far. In that work, phosphotungstate:amoxycillinium ion exchanger was used as electroactive material (Shoukry et al. in Electroanalysis 6:914–917, 1994). Designing new materials based on molecularly imprinted polymers (MIPs) which are complementary to the size and charge of AMOX could lead to very selective interactions, thus enhancing the selectivity of the sensing unit. AMOX-selective electrodes used imprinted polymers as electroactive materials having AMOX as target molecule to design a biomimetic imprinted cavity. Poly(vinyl chloride), sensors of methacrylic acid displayed Nernstian slopes (60.7 mV/decade) and low detection limits (2.9 × 10−5 mol/L). The potentiometric responses were not affected by pH within 4–5 and showed good selectivity. The electrodes were applied successfully to the analysis of real samples.

Heparinized nanohydroxyapatite/collagen granules for controlled release of vancomycin

The purpose of this study was to develop a bone substitute material capable of preventing or treating osteomyelitis through a sustainable release of vancomycin and simultaneously inducing bone regeneration. Porous heparinized nanohydroxyapatite (nanoHA)/collagen granules were characterized using scanning electron microscopy, micro-computed tomography and attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy. After vancomycin adsorption onto the granules, its releasing profile was studied by UV molecular absorption spectroscopy. The heparinized granules presented a more sustainable release over time, in comparison with nonheparinized nanoHA and nanoHA/collagen granules. Vancomycin was released for 360 h and proved to be bioactive until 216 h. Staphylococcus aureus adhesion was higher on granules containing collagen, guiding the bacteria to the material with antibiotic, improving their eradication. Moreover, cytotoxicity of the released vancomycin was assessed using osteoblast cultures, and after 14 days of culture in the presence of vancomycin, cells were able to remain viable, increasing their metabolic activity and colonizing the granules, as observed by scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy. These findings suggest that heparinized nanoHA/collagen granules are a promising material to improve the treatment of osteomyelitis, as they are capable of releasing vancomycin, eliminating the bacteria, and presented morphological and chemical characteristics to induce bone regeneration.

Desenvolvimento de sensores colorimétricos para despiste de antibióticos

introdução de drogas que assegurem o crescimento e a preservação das espécies, mas que eventualmente se espalham para o meio aquático envolvente, promovendo alterações da biodiversidade e entrar, directamente ou indirectamente, na cadeia alimentar. Quando estas drogas são agentes antimicrobianos de uso humano, tais como a amoxicilina, tetraciclina ou sulfonamidas, há um alto risco de aparecimento de espécies bacterianas resistentes, algo que constitui uma ameaça grave para a saúde pública. Esta introdução de agentes antimicrobianos no ambiente aquático através do sector das pescas pode ser reduzida através da monitorização regular ou contínua dos níveis de antibióticos no sistema de água, durante a execução, bem como antes da descarga para o meio aquático. Para isso, é necessário métodos analíticos que permitam uma frequência analítica elevada e continua, nos tanques de cultivos dos peixes. O presente trabalho descreve para este efeito, um sensor constituído por papel quimicamente modificado por reações em monocamadas, assumindo uma coloração típica após contacto com o antibiótico . A intensidade da coloração estava relacionada com a concentração desse antibiótico. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose do papel por meio de uma reação covalente com reagentes apropriados. De seguida, criou-se uma camada de quitosano sobre o papel modificado onde se adsorveu a espécie metálica capaz de mudar de cor na presença de sulfadiazina. As modificações resultantes foram avaliadas em relação a vários parâmetros, com o intuito de provocar uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Os sensores preparados foram caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico, efetuou-se a construção de uma gama de concentração que permitiu obter uma resposta previsível e transversal em relação a outros antibióticos, bem como a identificação de uma relação linear entre concentração e coordenadas de cor e a aplicação de sensores em amostra de água ambiental dopados com antibiótico. Generalizando, foi possível estabelecer um processo de modificação simples de papel capaz de medir a presença e quantidade de sulfadiazina

Materiais e dispositivos sensores para a Norfloxacina

O trabalho consistiu no desenvolvimento e caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular para a determinação de um antibiótico, a norfloxacina, em aquacultura. A simplicidade, o baixo custo e a interação rápida e reversível dos sensores potenciométricos com os analitos fizeram com que este fosse o tipo de sensor escolhido. O material sensor foi obtido por tecnologia de impressão molecular, baseada em polimerização em bulk, em que a NOR foi a molécula molde e foram utilizados como monómeros para autoconstrução dos sensores o pirrol, isoladamente, ou em conjunto com partículas de sílica gel funcionalizadas com 3-aminopropil. Também foi obtido material sensor, para controlo, em que a molécula molde NOR não estava presente (NIP). As características dos materiais sensores foram sujeitas a análise de microscopia eletrónica SEM e análise por espectrómetro de infravermelhos com transformada de Fourier. Os materiais sensores foram incluídos em membranas poliméricas, que seriam incorporadas em elétrodos. A avaliação do desempenho dos elétrodos foi feita através de curvas de calibração em diferentes meios (PBS, MES e HEPES). Também foi efetuada com sucesso a análise da sensibilidade dos elétrodos em água dopada. As diversas avaliações e análises efetuadas levaram a concluir que o MIP de pirrol com aditivo aniónico, foi o material sensor testado que permitiu obter melhores propriedades de resposta.

Avaliação de funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais do interior de Vila Nova de Gaia

Esta dissertação descreve o trabalho desenvolvido ao longo de um ano e um mês desde a pesquisa teórica até à prática experimental no âmbito da unidade curricular de Dissertação/estágio do Mestrado em Engenharia Química, no ramo Tecnologias em Proteção Ambiental. O tema desta dissertação consiste na avaliação do funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) do interior do município de Vila Nova de Gaia no que diz respeito ao possível aumento da resistência a antibióticos na ETAR de Febros e na ETAR de Lever. Os testes de sensibilidade a antibióticos (TSA) foram executados para ambas as ETAR, sendo as amostras de água recolhidas na entrada e na saída dos reatores biológicos (tratamento secundário). Além disso, foram realizados testes de avaliação da eficiência de desinfeção por radiação ultravioleta (UV) relativamente à Escherichia coli (E. coli) na ETAR de Lever. Os antibióticos selecionados para a realização deste trabalho foram a Eritromicina, a Azitromicina, a Claritromicina, a Ofloxacina, a Ciprofloxacina, o Sulfametoxazol, o Trimetoprim e o Metronidazol. Esta seleção baseou-se no facto de estes serem alguns dos antibióticos mais consumidos e mais persistentes no meio ambiente. A bactéria E. coli (isolada a partir de amostras das águas residuais estudadas) foi escolhida para a realização deste estudo uma vez que está sempre presente nas águas residuais domésticas e está associada a fenómenos de multirresistência a antibióticos. Os testes de TSA foram realizados seguindo a metodologia de difusão por discos. No período do estudo (Março a Junho de 2015) identificaram-se situações quer de aumento de resistência quer de aumento de sensibilidade aos antibióticos testados. As situações mais graves de aumento de resistência, a que corresponderam a halos nulos, verificaram-se para os antibióticos Claritromicina, Trimetoprim e Metronidazol, ocorrendo com maior frequência para os dois últimos, que aliás são fármacos que são administrados em simultâneo. Os períodos mais problemáticos em termos de aumento das resistências foram ligeiramente diferentes nas duas ETAR. No caso da ETAR de Febros correspondeu ao mês Abril e na ETAR de Lever ocorreu entre o final de Abril e o início de Maio. Considera-se que estes períodos poderão coincidir com um aumento do consumo destes fármacos devido à sua utilização no combate a infeções respiratórias muito comuns nesta altura do ano. Não se observou qualquer sensibilidade da E. coli para o Metronidazol porque é um antibiótico com indicação para algumas bactérias anaeróbias, fungos e giardia, e que à partida não tem capacidade para eliminar a E. coli. A eficiência da desinfeção na ETAR de Lever relativamente à remoção de E. coli foi satisfatória. Sendo de salientar a importância da manutenção, no que se refere à identificação de possíveis avarias nas lâmpadas e correspondente limpeza. Os resultados deste trabalho provam a existência de estirpes da bactéria E. coli resistentes a alguns dos antibióticos estudados, o que reforça a importância da desinfeção no tratamento de águas residuais domésticas.