Photostabilization of phenoxyacetic acid herbicides MCPA and mecoprop by hydroxypropyl-β-cyclodextrin

New strategies to reduce the environmental and economic costs of pesticides use are currently under study. Microencapsulation has been used as a versatile tool for the production of controlled release agricultural formulations. In this study, the photochemical degradation of the herbicides MCPA and mecoprop has been investigated in different aqueous media such as ultrapure and river water under simulated solar irradiation. To explore the possibility of introducing cyclodextrins in the herbicide formulations, the photodegradation study of the inclusion complexes of MCPA and mecoprop with (2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin (HP-β-CD) was also performed. The half-lives of MCPA and mecoprop inclusion complexes were increased approximately by a factor of three related to the free molecules. Additionally, it has been shown that the photodegradation of MCPA and mecoprop is influenced by their structural features. The additional methyl group existing in mecoprop molecular structure has a positive influence on the stabilization of the radical intermediate formed in the first stage of photodegradation of both herbicides. The results found indicated that MCPA and mecoprop form inclusion complexes with HP-β-CD showing higher photostability compared to free herbicides indicating that HP-β-CD may serve as ingredient in these herbicide formulations.

Electrochemical determination of the herbicide bentazone using a carbon nanotube b-Cyclodextrin modified electrode

An electrochemical sensor has been developed for the determination of the herbicide bentazone, based on a GC electrode modified by a combination of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) with b-cyclodextrin (b-CD) incorporated in a polyaniline film. The results indicate that the b-CD/MWCNT modified GC electrode exhibits efficient electrocatalytic oxidation of bentazone with high sensitivity and stability. A cyclic voltammetric method to determine bentazone in phosphate buffer solution at pH 6.0, was developed, without any previous extraction, clean-up, or derivatization steps, in the range of 10–80 mmolL 1, with a detection limit of 1.6 mmolL 1 in water. The results were compared with those obtained by an established HPLC technique. No statistically significant differences being found between both methods.

Host-Guest interaction between herbicide oxadiargyl and hydroxypropyl-β-cyclodextrin

In the face of a growing human population and increased urbanization, the demand for pesticides will simply rise. Farmers must escalate yields on increasingly fewer farm acres. However, the risks of pesticides, whether real or perceived, may force changes in the way these chemicals are used. Scientists are working toward pest control plans that are environmentally sound, effective, and profitable. In this context the development of new pesticide formulations which may improve application effectiveness, safety, handling, and storage can be pointed out as a solution. As a contribution to the area, the microencapsulation of the herbicide oxadiargyl (OXA) in (2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin (HP-β-CD) was performed. The study was conducted in different aqueous media (ultrapure water and in different pH buffer solutions). In all cases an increment of the oxadiargyl solubility as a function of the HP-β-CD concentration that has been related to the formation of an inclusion complex was verified. UV-Vis and NMR experiments allowed concluding that the stoichiometry of the OXA/HP-β-CD complex formed is 1 : 1. The gathered results can be regarded as an important step for its removal from industrial effluents and/or to increase the stabilizing action, encapsulation, and adsorption in water treatment plants.

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.

Influence of Hydroxypropyl- β -Cyclodextrin on the Photostability of Fungicide Pyrimethanil

Pesticides continue to play an important role in pest management. However, the intensive pesticide application has triggered several environment negative effects that cannot be disregarded. In this study, the inclusion complex of pyrimethanil with HP- β -CD has been prepared and characterized by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy. The formation of the pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex increased the aqueous solubility of this fungicide around five times. To assess the influence of microencapsulation on the environmental photostability of the fungicide, the photochemical degradation of pyrimethanil and pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex has been investigated in different aqueous media such as ultrapure and river water under simulated solar irradiation. The studies allow concluding that pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex increases significantly the photostability of the fungicide in aqueous solutions, especially in natural water. Actually, the half-life of pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex was increased approximately by a factor of four when compared to the free fungicide. The overall results point out that pyrimethanil can be successfully encapsulated by HP- β -CD, a process that can improve its solubility and photostability properties.

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

Mestrado em Engenharia Química.Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Desenvolvimento de Têxteis com Capacidade de Libertação de Agentes Funcionais

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

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.

Solid contact PVC membrane electrodes based on neutral or charged carriers for the selective reading of anionic sulfamethoxazole and their application to the analysis of aquaculture water

Sulfamethoxazole (SMX) is among the antibiotics employed in aquaculture for prophylactic and therapeutic reasons. Environmental and food spread may be prevented by controlling its levels in several stages of fish farming. The present work proposes for this purpose new SMX selective electrodes for the potentiometric determination of this sulphonamide in water. The selective membranes were made of polyvinyl chloride (PVC) with tetraphenylporphyrin manganese (III) chloride or cyclodextrin-based acting as ionophores. 2-nitrophenyl octyl ether was employed as plasticizer and tetraoctylammonium, dimethyldioctadecylammonium bromide or potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate was used as anionic or cationic additive. The best analytical performance was reported for ISEs of tetraphenylporphyrin manganese (III) chloride with 50% mol of potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate compared to ionophore. Nersntian behaviour was observed from 4.0 × 10−5 to 1.0 × 10−2 mol/L (10.0 to 2500 µg/mL), and the limit of detection was 1.2 × 10−5 mol/L (3.0 µg/mL). In general, the electrodes displayed steady potentials in the pH range of 6 to 9. Emf equilibrium was reached before 15 s in all concentration levels. The electrodes revealed good discriminating ability in environmental samples. The analytical application to contaminated waters showed recoveries from 96 to 106%.

Sulfadiazine-selective determination in aquaculture environment: Selective potentiometric transduction by neutral or charged ionophores

Solid-contact sensors for the selective screening of sulfadiazine (SDZ) in aquaculture waters are reported. Sensor surfaces were made from PVC membranes doped with tetraphenylporphyrin-manganese(III) chloride, α-cyclodextrin, β-cyclodextrin, or γ-cyclodextrin ionophores that were dispersed in plasticizer. Some membranes also presented a positive or a negatively charged additive. Phorphyrin-based sensors relied on a charged carrier mechanism. They exhibited a near-Nernstian response with slopes of 52 mV decade−1 and detection limits of 3.91 × 10−5 mol L−1. The addition of cationic lipophilic compounds to the membrane originated Nernstian behaviours, with slopes ranging 59.7–62.0 mV decade−1 and wider linear ranges. Cyclodextrin-based sensors acted as neutral carriers. In general, sensors with positively charged additives showed an improved potentiometric performance when compared to those without additive. Some SDZ selective membranes displayed higher slopes and extended linear concentration ranges with an increasing amount of additive (always <100% ionophore). The sensors were independent from the pH of test solutions within 2–7. The sensors displayed fast response, always <15 s. In general, a good discriminating ability was found in real sample environment. The sensors were successfully applied to the fast screening of SDZ in real waters samples from aquaculture fish farms. The method offered the advantages of simplicity, accuracy, and automation feasibility. The sensing membrane may contribute to the development of small devices allowing in locus measurements of sulfadiazine or parent-drugs.

Electrochemical sensor for simultaneous determination of herbicide MCPA and its metabolite 4-chloro-2-methylphenol. Application to photodegradation environmental monitoring

The development and application of a polyaniline/carbon nanotube (CNT) cyclodextrin matrix (PANI-β-CD/MWCNT)-based electrochemical sensor for the quantitative determination of the herbicide 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA) and its main transformation product 4-chloro-2-methylphenol in natural waters are described. A simple cyclic voltammetry-based electrochemical methodology, in phosphate buffer solution at pH 6.0, was used to develop a method to determine both MCPA and 4-chloro-2-methylphenol, without any previous extraction or derivatization steps. A linear concentration range (10 to 50 μmol L−1) and detection limits of 1.1 and 1.9 μmol L−1, respectively, were achieved using optimized cyclic voltammetric parameters. The proposed method was successfully applied to the determination of MCPA and 4-chloro-2-methylphenol in natural water samples with satisfactory recoveries (94 to 107 %) and in good agreement with the results obtained by an established high-performance liquid chromatography technique, no significant differences being found between the methods. Interferences from ionic species and other herbicides used for broad-leaf weed control were shown to be small. The newly developed methodology was also successfully applied to MCPA photodegradation environmental studies.

Remediação Ambiental

A agricultura é uma das atividades mais antigas realizadas pelo Homem, sendo de grande importância para a obtenção tanto de bens alimentares como de bens para outros fins. No entanto desde o início constatou-se que as culturas eram afetadas por pragas e doenças que levavam à perda das colheitas. Este motivo deu origem à necessidade de nesses termos surgiu a aplicação de substâncias com o objetivo de proteger as colheitas. Os pesticidas são substâncias naturais ou sintéticas, aplicadas com o objetivo de proteger as plantas eliminando pragas e doenças. Para além da potencial toxicidade destas substâncias, em alguns casos a sua degradação no meio ambiente por microrganismos, hidrólise, radiação solar, etc. dá origem a produtos de degradação tanto ou mais tóxicos que os próprios pesticidas. A utilização deste tipo de substâncias acarreta problemas, visto a sua aplicação ser feita de forma a compensar perdas que ocorrem por meio de degradação, lixiviação, entre outros processos. Este tipo de aplicação leva a que haja contaminação do meio ambiente por parte dos pesticidas, pondo em risco tanto a saúde humana como os restantes seres vivos. A utilização de ciclodextrinas no encapsulamento destes compostos tem como objetivo aumentar a estabilidade do composto e promover a sua libertação de forma controlada. No presente trabalho pretende-se efetuar um estudo comparativo sobre a fotodegradação do herbicida terbutilazina e do fungicida pirimetanil livres e quando encapsulados com 2- hidroxipropil-β- ciclodextrina. De forma a quantificar os pesticidas ao longo do estudo foi utilizado o método analítico de HPLC de fase reversa. Os resultados permitiram constatar que a terbutilazina é fotoquimicamente estável, nas condições aplicadas, visto que ao fim de 75 dias de as soluções de pesticida livre em água desionizada e em água do rio apresentarem ainda 98% do pesticida inicial e as soluções de pesticida encapsulado em água desionizada e em água do rio apresentarem ainda 98% do pesticida inicial. Neste caso particular não foi possível, no intervalo de tempo considerado, avaliar a influência do encapsulamento no processo de fotodegradação da terbutilazina. Dada a baixa fotodegradação observada optou-se pela adição de peróxido de hidrogénio às soluções de controlo e 35 mM de HP-β-CD e acetona às soluções de 0 mM e 17,5 mM de HP-β-CD, para tentar promover a degradação do pesticida. Através dos resultados obtidos constatou-se que particularmente para as soluções onde foi adicionada acetona houve um aumento da velocidade de degradação no entanto esta ainda ocorria de forma lenta e muito semelhante quer para o pesticida livre quer para o encapsulado. Relativamente ao estudo da fotodegradação do pirimetanil verificou-se que ao fim de 4 dias de irradiação as soluções de pesticida livre apresentavam já alguma degradação do pesticida e tendo o período de irradiação uma duração de 53 dias foi possível para este pesticida determinar os parâmetros cinéticos em algumas das soluções. Quanto as soluções de água desionizada e água do rio com pirimetanil livre ambas apresentaram degradação do pesticida verificando-se uma cinética de reação de 1ª ordem com constantes de 0,0018 dias-1 e de 0,0060 dias-1 respetivamente. Para a solução de água desionizada com pirimetanil encapsulado não foi detetada degradação do pesticida, já para a solução com pirimetanil encapsulado em água do rio verificou-se a existência de degradação que correspondeu a uma cinética de degradação de 1ª ordem com uma constante de 0,0013 dias-1. Através dos resultados obtidos pode-se concluir que o encapsulamento do pirimetanil com 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina é vantajoso visto diminuir a quantidade de pesticida utilizado e aumentar a eficácia do controlo das pragas.

Processos Oxidativos Avançados para Remediação de Águas Contaminadas por Pesticidas

Este trabalho teve como objectivo inicial o estudo de processos oxidativos avançados de forma a remediar e tratar águas contaminadas por pesticidas. No entanto, ao longo do trabalho experimental, constatou-se que os produtos resultantes da degradação de pesticidas são muitas vezes mais tóxicos do que os compostos que lhes deram origem e que, por isso, degradar um composto nem sempre é o melhor para o ambiente. Assim, neste trabalho, procurou-se estudar o processo de degradação com o objectivo de minimizar o impacto ambiental dos pesticidas na água e no ambiente em geral. A parte experimental deste trabalho foi dividida em duas etapas, sendo que, em ambas, a voltametria de onda quadrada e a espectrofotometria de UV/Vis foram os métodos de análise utilizados, para acompanhar o processo de fotodegradação. Na primeira etapa estudou-se a relação entre a estrutura química dos pesticidas MCPA, MCPP, 2.4-D e Dicloroprop e a sua fotodegradação. Soluções aquosas dos pesticidas enunciados foram submetidas a irradiação UV/vis, com incrementos variáveis de tempo de irradiação. Os resultados obtidos, nesta etapa, permitiram constatar diferenças na percentagem de degradação dos diferentes pesticidas. Dos pesticidas estudados verificou-se uma maior fotodegradação para o MCPA e MCPP seguido do Dicloroprop e finalmente o 2.4-D que se degradou menos. Os dados obtidos sugerem que a fotodegradação destes pesticidas está intimamente ligada com a estrutura das moléculas. A presença de um maior número de grupos cloro ligados ao anel aromático nos pesticidas 2,4-D e Dicloroprop faz com que estes sejam mais estáveis e por isso se degradam menos que o MCPA e o MCPP. Por outro lado, o facto de o 2,4-D apresentar um potencial de oxidação mais elevado do que o Dicloroprop, faz com que este seja mais difícil de degradar, o que justifica a diferença entre os dois. Desta forma, foi possível concluir que a estrutura dos pesticidas condiciona o processo de degradação, como esperado. Na segunda etapa, estudou-se a estabilização dos pesticidas MCPA e MCPP após encapsulação, com 2-hidroxipropil-β-ciclodextrina (HP-β-CD), em água desionizada e em água do rio. Para tal, submeteram-se as soluções aquosas dos pesticidas com e sem ciclodextrina, a irradiação UV/vis, também com incrementos variáveis de tempo. No caso do MCPA verificou-se que, tanto para água desionizada como para água do rio, que este herbicida encapsulado se degrada bastante menos do que o MCPA livre. O encapsulamento permitiu reduzir quase para metade a taxa de fotodegradação. Assim, confirmou-se que a HP-β-CD permite estabilizar este pesticida, tornando-o mais resistente à fotodegradação. Desta forma, originam-se menos produtos de degradação, os quais podem ser mais tóxicos, e reduz-se de o impacto ambiental deste herbicida. Verificou-se também que o MCPA livre se degrada mais em água do rio do que em água desionizada, provavelmente devido à matéria orgânica presente nesta água, que promove o processo de degradação. No que respeita ao MCPP também se constatou que este herbicida se degrada menos encapsulado do que livre, em água desionizada e em água do rio. Neste caso, conseguiu-se reduzir pouco a taxa de fotodegradação, mas, ainda assim se verifica uma estabilização deste pesticida através do encapsulamento. No entanto, tornou-se mais evidente a estabilização do MCPP após encapsulação em água do rio, já que apresenta uma taxa de fotodegradação menor. Este facto demonstra que a HP-β-CD permite estabilizar também este pesticida, tornando-o mais resistente à fotodegradação, e reduzindo seu impacto ambiental.

Redução do Impacto Ambiental de Poluentes Orgânicos Persistentes

Nos dias de hoje a contaminação dos solos e águas subterrâneas com pesticidas através da agricultura tornou-se um problema. Problema este, considerado ainda maior nas áreas onde o abastecimento de água potável é quase totalmente à base de água subterrânea, causando deste modo risco para a saúde humana devido à exposição directa de possíveis resíduos de pesticidas na água potável. É certo que a persistência dos pesticidas no solo é importante para obter um bom controlo sob as ervas daninhas durante a sua época de crescimento, contudo o uso desses pesticidas contamina não só o solo como as águas superficiais. As questões acerca do uso de pesticidas na actualidade continuarão a persistir, uma vez que existem muitos factores e características inerentes a este processo que necessitam de ser abordadas e mais importante que isso estudadas, como por exemplo a sua degradação e toxicidade. Neste trabalho efectuou-se o encapsulamento de pesticidas em moléculas de β – ciclodextrina (β-CD). O que se pretende com este encapsulamento, é aumentar a hidrofilicidade do pesticida de forma a garantir que este persista o tempo suficiente permitindo um bom controlo das ervas daninhas, tendo sempre em conta as preocupações inerentes ao uso dos pesticidas, como por exemplo a dificuldade de biodegradação. O estudo centrou-se em torno de dois dos pesticidas mais utilizados em Portugal: MCPA e Bentazona. Estes herbicidas foram encapsulados individualmente na β-CD formando assim complexos, mais solúveis e eventualmente mais estáveis quimicamente garantindo uma redução dos efeitos dos pesticidas no meio ambiente. Este estudo foi dividido essencialmente em duas partes: a síntese e caracterização dos complexos pesticida-β-CD e posteriormente a avaliação da estabilidade química em solução aquosa e da solubilidade dos complexos formados. A utilização de diversas técnicas analíticas nomeadamente DSC, FTIR, Espectrofotometria de UV, HPLC e Electroquímica permitiram concluir que o pesticida MCPA encapsula pela acção da β-CD aquando do complexo formado em solução etanólica e numa proporção estequiométrica MCPA:β-CD de 1:2 respectivamente. Obteve-se para as várias soluções estudadas, todas elas com concentrações diferentes de β-CD, uma constante de estabilidade de 102,4. No caso da Bentazona, os resultados preliminares obtidos indiciam claramente a formação de um complexo com a β-CD para o complexo formado em solução etanólica.