Air pollution from traffic emissions in Oporto, Portugal: health and environmental implications

Air pollution represents a serious risk not only to environment and human health, but also to historical heritage. In this study, air pollution of the Oporto Metropolitan Area and its main impacts were characterized. The results showed that levels of CO, PM10 and SO2 have been continuously decreasing in the respective metropolitan area while levels of NOx and NO2 have not changed significantly. Traffic emissions were the main source of the determined polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs; 16 PAHs considered by U.S. EPA as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene and benzo[j]fluoranthene) in air of the respective metropolitan area. The mean concentration of 18 PAHs in air was 69.9±39.7 ng m−3 with 3–4 rings PAHs accounting for 75% of the total ΣPAHs. The health risk analysis of PAHs in air showed that the estimated values of lifetime lung cancer risks considerably exceeded the health-based guideline level. Analytical results also confirm that historical monuments in urban areas act as passive repositories for air pollutants present in the surrounding atmosphere. FTIR and EDX analyses showed that gypsum was the most important constituent of black crusts of the characterized historical monument Monastery of Serra do Pilar classified as “UNESCO World Cultural Heritage”. In black crusts, 4–6 rings compounds accounted approximately for 85% of ΣPAHs. The diagnostic ratios confirmed that traffic emissions were the major source of PAHs in black crusts; PAH composition profiles were very similar for crusts and PM10 and PM2.5.

Influence of mixtures of acenaphthylene and benzo[a] anthracene on their degradation by Pleurotus ostreatus in sandy soil

Purpose Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a class of organic compounds commonly found as soil contaminants. Fungal degradation is considered as an environmentally friendly and cost-effective approach to remove PAHs from soil. Acenaphthylene (Ace) and Benzo[a]anthracene (BaA) are two PAHs that can coexist in soils; however, the influence of the presence of each other on their biodegradation has not been studied. The biodegradation of Ace and BaA, alone and in mixtures, by the white rot fungus Pleurotus ostreatus was studied in a sandy soil. Materials and methods Experimental microcosms containing soil spiked with different concentrations of Ace and BaAwere inoculated with P. ostreatus. Initial (t 0) and final (after 15 days of incubation) soil concentrations of Ace and BaA were determined after extraction of the PAHs. Results and discussion P. ostreatus was able to degrade 57.7% of the Ace in soil spiked at 30 mg kg−1 dry soil and 65.8% of Ace in soil spiked at 60 mg kg−1 dry soil. The degradation efficiency of BaA by P. ostreatus was 86.7 and 77.4% in soil spiked with Ace at 30 and 60 mg kg−1 dry soil, respectively. After 15 days of incubation, there were no significant differences in Ace concentration between soil spiked with Ace and soil spiked with Ace + BaA, irrespective of the initial soil concentration of both PAHs. There were also no differences in BaA concentration between soil spiked with BaA and soil spiked with BaA + Ace. Conclusions The results indicate that the fungal degradation of Ace and BaA was not influenced by the presence of each other’s PAH in sandy soil. Bioremediation of soils contaminated with Ace and BaA using P. ostreatus is a promising approach to eliminate these PAHs from the environment.

Impact of vehicular traffic emissions on particulate-bound PAHs: levels and associated health risks

Considering vehicular transport as one of the most health‐relevant emission sources of urban air, and with aim to further understand its negative impact on human health, the objective of this work was to study its influence on levels of particulate‐bound PAHs and to evaluate associated health risks. The 16 PAHs considered by USEPA as priority pollutants, and dibenzo[a, l]pyrene associated with fine (PM2.5) and coarse (PM2.5–10) particles were determined. The samples were collected at one urban site, as well as at a reference place for comparison. The results showed that the air of the urban site was more seriously polluted than at the reference one, with total concentrations of 17 PAHs being 2240% and 640% higher for PM2.5 and PM2.5–10, respectively; vehicular traffic was the major emission source at the urban site. PAHs were predominantly associated with PM2.5 (83% to 94% of ΣPAHs at urban and reference site, respectively) with 5 rings PAHs being the most abundant groups of compounds at both sites. The risks associated with exposure to particulate PAHs were evaluated using the TEF approach. The estimated value of lifetime lung cancer risks exceeded the health‐based guideline levels, thus demonstrating that exposure to PM2.5‐bound PAHs at levels found at urban site might cause potential health risks. Furthermore, the results showed that evaluation of benzo[a] pyrene (regarded as a marker of the genotoxic and carcinogenic PAHs) alone would probably underestimate the carcinogenic potential of the studied PAH mixtures.

PAH air pollution at a Portuguese urban area: carcinogenic risks and sources identification

This study aimed to characterize air pollution and the associated carcinogenic risks of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) at an urban site, to identify possible emission sources of PAHs using several statistical methodologies, and to analyze the influence of other air pollutants and meteorological variables on PAH concentrations.The air quality and meteorological data were collected in Oporto, the second largest city of Portugal. Eighteen PAHs (the 16 PAHs considered by United States Environment Protection Agency (USEPA) as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene, and benzo[j]fluoranthene) were collected daily for 24 h in air (gas phase and in particles) during 40 consecutive days in November and December 2008 by constant low-flow samplers and using polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane filters for particulate (PM10 and PM2.5 bound) PAHs and pre-cleaned polyurethane foam plugs for gaseous compounds. The other monitored air pollutants were SO2, PM10, NO2, CO, and O3; the meteorological variables were temperature, relative humidity, wind speed, total precipitation, and solar radiation. Benzo[a]pyrene reached a mean concentration of 2.02 ngm−3, surpassing the EU annual limit value. The target carcinogenic risks were equal than the health-based guideline level set by USEPA (10−6) at the studied site, with the cancer risks of eight PAHs reaching senior levels of 9.98×10−7 in PM10 and 1.06×10−6 in air. The applied statistical methods, correlation matrix, cluster analysis, and principal component analysis, were in agreement in the grouping of the PAHs. The groups were formed according to their chemical structure (number of rings), phase distribution, and emission sources. PAH diagnostic ratios were also calculated to evaluate the main emission sources. Diesel vehicular emissions were the major source of PAHs at the studied site. Besides that source, emissions from residential heating and oil refinery were identified to contribute to PAH levels at the respective area. Additionally, principal component regression indicated that SO2, NO2, PM10, CO, and solar radiation had positive correlation with PAHs concentrations, while O3, temperature, relative humidity, and wind speed were negatively correlated.

Levels and risks of particulate-bound PAHs in indoor air influenced by tobacco smoke: a field measurement

Considering tobacco smoke as one of the most health-relevant indoor sources, the aim of this work was to further understand its negative impacts on human health. The specific objectives of this work were to evaluate the levels of particulate-bound PAHs in smoking and non-smoking homes and to assess the risks associated with inhalation exposure to these compounds. The developed work concerned the application of the toxicity equivalency factors approach (including the estimation of the lifetime lung cancer risks, WHO) and the methodology established by USEPA (considering three different age categories) to 18 PAHs detected in inhalable (PM10) and fine (PM2.5) particles at two homes. The total concentrations of 18 PAHs (ΣPAHs) was 17.1 and 16.6 ng m−3 in PM10 and PM2.5 at smoking home and 7.60 and 7.16 ng m−3 in PM10 and PM2.5 at non-smoking one. Compounds with five and six rings composed the majority of the particulate PAHs content (i.e., 73 and 78 % of ΣPAHs at the smoking and non-smoking home, respectively). Target carcinogenic risks exceeded USEPA health-based guideline at smoking home for 2 different age categories. Estimated values of lifetime lung cancer risks largely exceeded (68–200 times) the health-based guideline levels at both homes thus demonstrating that long-term exposure to PAHs at the respective levels would eventually cause risk of developing cancer. The high determined values of cancer risks in the absence of smoking were probably caused by contribution of PAHs from outdoor sources.

Remediation of sandy soils contaminated with hydrocarbons and halogenated hydrocarbons by soil vapour extraction

This paper presents the study of the remediation of sandy soils containing six of the most common contaminants (benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene and perchloroethylene) using soil vapour extraction (SVE). The influence of soil water content on the process efficiency was evaluated considering the soil type and the contaminant. For artificially contaminated soils with negligible clay contents and natural organic matter it was concluded that: (i) all the remediation processes presented efficiencies above 92%; (ii) an increase of the soil water content led to a more time-consuming remediation; (iii) longer remediation periods were observed for contaminants with lower vapour pressures and lower water solubilities due to mass transfer limitations. Based on these results an easy and relatively fast procedure was developed for the prediction of the remediation times of real soils; 83% of the remediation times were predicted with relative deviations below 14%.

Determinação do teor de compostos aromáticos policíclicos de óleos minerais isolantes para transformadores

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNOS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de agentes oxidantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos agentes oxidantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por agentes oxidantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três agentes oxidantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como agentes oxidantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se utilizou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (871 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L). Na presença de HClO, o valor de CAT mais elevado pertence a uma amostra de sumo (513 mg AAE/L) mas, o valor de CAT da amostra de sumo natural é muito mais baixa do que o esperado (17 mg AAE/L). Foram estudados outros antioxidantes para além do AA (ácido cumárico, ácido gálico e ácido cafeico), e constatou-se que cada um deles promove proteção ao dA20-EPC na presença de cada um dos diferentes contaminantes (H2O2, NO• e HClO).

Predictivity Strength of the Spatial Variability of Phenanthrene Sorption Across Two Sandy Loam Fields

Sorption is commonly agreed to be the major process underlying the transport and fate of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils. However, there is still a scarcity of studies focusing on spatial variability at the field scale in particular. In order to investigate the variation in the field of phenanthrene sorption, bulk topsoil samples were taken in a 15 × 15-m grid from the plough layer in two sandy loam fields with different texture and organic carbon (OC) contents (140 samples in total). Batch experiments were performed using the adsorption method. Values for the partition coefficient K d (L kg−1) and the organic carbon partition coefficient K OC (L kg−1) agreed with the most frequently used models for PAH partitioning, as OC revealed a higher affinity for sorption. More complex models using different OC compartments, such as non-complexed organic carbon (NCOC) and complexed organic carbon (COC) separately, performed better than single K OC models, particularly for a subset including samples with Dexter n < 10 and OC <0.04 kg kg−1. The selected threshold revealed that K OC-based models proved to be applicable for more organic fields, while two-component models proved to be more accurate for the prediction of K d and retardation factor (R) for less organic soils. Moreover, OC did not fully reflect the changes in phenanthrene retardation in the field with lower OC content (Faardrup). Bulk density and available water content influenced the phenanthrene transport mechanism phenomenon.

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de contaminantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos contaminantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por contaminantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três contaminantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como contaminantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se usou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (526 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L).

Use of solvent extraction to remediate soils contaminated with hydrocarbons

The main objective of this research is to exploit the possibility of using an ex situ solvent extraction technique for the remediation of soils contaminated with semi-volatile petroleum hydrocarbons. The composition of the organic phase was chosen in order to form a single phase mixture with an aqueous phase and simultaneously not being disturbed (forming stable emulsions) by the soil particles hauling the contaminants. It should also permit a regeneration of the organic solvent phase. As first, we studied the miscibility domain of the chosen ternary systems constituted by ethyl acetate–acetone–water. This system proved to satisfy the previous requirements allowing for the formation of a single liquid phase mixture within a large spectrum of compositions, and also allowing for an intimate contact with the soil. Contaminants in the diesel range within different functional groups were selected: xylene, naphthalene and hexadecane. The analytical control was done by gas chromatography with FID detector. The kinetics of the extractions proved to be fast, leading to equilibrium after 10 min. The effect of the solid–liquid ratio on the extraction efficiency was studied. Lower S/L ratios (1:8, w/v) proved to be more efficient, reaching recoveries in the order of 95%. The option of extraction in multiple contacts did not improve the recovery in relation to a single contact. The solvent can be regenerated by distillation with a loss around 10%. The contaminants are not evaporated and they remain in the non-volatile phase. The global results show that the ex situ solvent extraction is technically a feasible option for the remediation of semi-volatile aromatic, polyaromatic and linear hydrocarbons.

Caracterização de antioxidantes com potencial interesse industrial

Mestrado em Engenharia Química

Síntese de derivados de ácidos fenólicos e estudo da sua actividade antioxidante

A peroxidação lipídica, além de causar sérios danos no corpo humano, é a principal causa da deterioração dos alimentos afectando a sua cor, aroma e valor nutricional, o que conduz a uma diminuição do seu ciclo de vida. O fenómeno de oxidação pode ser retardado com recurso a antioxidantes, de origem natural ou sintética, que inibam a formação de espécies reactivas, ou que reajam com estas, formando posteriormente radicais com menor grau de reactividade. Nesta dissertação procedeu-se à síntese e elucidação estrutural de novos antioxidantes, derivados dos ácidos 3,4-diidroxibenzóico (PCA) e 3,4-diidroxifenilacético (DOPAC), e à avaliação da sua actividade anti-radicalar e antioxidante. Os novos antioxidantes sintetizados foram caracterizados usando RMN de 1H e de 13C, FTIR e EM-IE. A avaliação da actividade antioxidante foi realizada com base no método do radical 2,2- difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH·) e por técnicas electroquímicas (voltametria de impulso diferencial e voltametria cíclica). Os resultados obtidos permitiram concluir que a eficácia anti-radicalar (AE) é determinada por aspectos da estrutura molecular dos compostos, nomeadamente pela presença de grupos hidroxilo no anel aromático e também de grupos extensores relativamente à posição do grupo carboxílico. Os resultados permitiram verificar que o DOPAC apresenta a mais elevada eficiência anti-radicalar dos compostos em estudo, incluindo o trolox e o ácido gálhico (compostos de referência). Com base nos resultados obtidos concluiu-se que, um menor potencial de oxidação conduz a uma melhor actividade anti-radicalar dos compostos. De facto, verificou-se para o PCA e respectivos ésteres o maior potencial de oxidação e também a menor eficiência anti-radicalar. Em contrapartida, os antioxidantes com maior eficiência anti-radicalar, DOPAC, trolox e ácido gálhico, apresentaram menor potencial de oxidação.

Electrochemical oxidation of tamoxifen revisited

Tamoxifen is a selective estrogen receptor modulator that is used as an adjuvant and/or chemotherapeutic agent for the treatment of all stages of hormone-dependent breast cancer. Currently there is a deep interest in the study of tamoxifen biotransformation and identification of metabolites since they can significantly contribute to the overall pharmacological or adverse effects of the drug. Accordingly, the study of the electrochemical behavior of tamoxifen in aqueous solution is reported. To clarify the occurring oxidative process and to assess the influence of the functional groups on the oxidation mechanism, the voltammetric assessment was extended to the study of tamoxifen’s analogues (E)-tamoxifen and dihydrotamoxifen, and to its main phase I oxidative metabolite, N-desmethyl tamoxifen. The data found shows that the oxidative processes occurring in tamoxifen are essentially related with the two chemical moieties present in the molecule: the substituted aromatic nucleus and the tertiary amine group. Moreover, the results obtained suggest that the ethylenic linkage is not critical for tamoxifen’s oxidation although it could play an important role in the course of the oxidation process. These results could contribute to highlight some remaining questions regarding tamoxifen’s metabolic behavior and to the development of new analytical strategies, based on electrochemical approaches.

Otimização de um processo produtivo e formulação de um novo produto utilizando ferramentas estatísticas

Na tentativa de se otimizar o processo de fabrico associado a uma tinta base aquosa (TBA), para minimizar os desvios de viscosidade final verificados, e de desenvolver um novo adjuvante plastificante para betão, recorreu-se a métodos e ferramentas estatísticas para a concretização do projeto. Relativamente à TBA, procedeu-se numa primeira fase a um acompanhamento do processo de fabrico, a fim de se obter todos os dados mais relevantes que poderiam influenciar a viscosidade final da tinta. Através de uma análise de capacidade ao parâmetro viscosidade, verificou-se que esta não estava sempre dentro das especificações do cliente, sendo o cpk do processo inferior a 1. O acompanhamento do processo resultou na escolha de 4 fatores, que culminou na realização de um plano fatorial 24. Após a realização dos ensaios, efetuou-se uma análise de regressão a um modelo de primeira ordem, não tendo sido esta significativa, o que implicou a realização de mais 8 ensaios nos pontos axiais. Com arealização de uma regressão passo-a-passo, obteve-se uma aproximação viável a um modelo de segunda ordem, que culminou na obtenção dos melhores níveis para os 4 fatores que garantem que a resposta viscosidade se situa no ponto médio do intervalo de especificação (1400 mPa.s). Quanto ao adjuvante para betão, o objetivo é o uso de polímeros SIKA ao invés da matériaprima comum neste tipo de produtos, tendo em conta o custo final da formulação. Escolheram-se 3 fatores importantes na formulação do produto (mistura de polímeros, mistura de hidrocarbonetos e % de sólidos), que resultou numa matriz fatorial 23. Os ensaios foram realizados em triplicado, em pasta de cimento, um para cada tipo de cimento mais utilizado em Portugal. Ao efetuar-se a análise estatística de dados obtiveram-se modelos de primeira ordem para cada tipo de cimento. O processo de otimização consistiu em otimizar uma função custo associada à formulação, garantindo sempre uma resposta superior à observada pelo produto considerado padrão. Os resultados foram animadores uma vez que se obteve para os 3 tipos de cimentocustos abaixo do requerido e espalhamento acima do observado pelo padrão.