Determination of pesticides in fruit and fruit juices by chromatographic methods. An overview

In order to combat a variety of pests, pesticides are widely used in fruits. Several extraction procedures (liquid extraction, single drop microextraction, microwave-assisted extraction, pressurized liquid extraction, supercritical fluid extraction, solid-phase extraction, solid-phase microextraction, matrix solid-phase dispersion, and stir bar sorptive extraction) have been reported to determine pesticide residues in fruits and fruit juices. The significant change in recent years is the introduction of the Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe (QuEChERS) methods in these matrices analysis. A combination of techniques reported the use of new extraction methods and chromatography to provide better quantitative recoveries at low levels. The use of mass spectrometric detectors in combination with liquid and gas chromatography has played a vital role to solve many problems related to food safety. The main attention in this review is on the achievements that have been possible because of the progress in extraction methods and the latest advances and novelties in mass spectrometry, and how these progresses have influenced the best control of food, allowing for an increase in the food safety and quality standards.

Comparison of Disposable Pipette Extraction and Dispersive Solid-Phase Extraction in the QuEChERS Method for Analysis of Pesticides in Strawberries

In this study, we sought to assess the applicability of GC–MS/MS for the identification and quantification of 36 pesticides in strawberry from integrated pest management (IPM) and organic farming (OF). Citrate versions of QuEChERS (quick, easy, cheap, effective, rugged and safe) using dispersive solid-phase extraction (d-SPE) and disposable pipette extraction (DPX) for cleanup were compared for pesticide extraction. For cleanup, a combination of MgSO4, primary secondary amine and C18 was used for both the versions. Significant differences were observed in recovery results between the two sample preparation versions (DPX and d-SPE). Overall, 86% of the pesticides achieved recoveries (three spiking levels 10, 50 and 200 µg/kg) in the range of 70–120%, with <13% RSD. The matrix effects were also evaluated in both the versions and in strawberries from different crop types. Although not evidencing significant differences between the two methodologies were observed, however, the DPX cleanup proved to be a faster technique and easy to execute. The results indicate that QuEChERS with d-SPE and DPX and GC–MS/MS analysis achieved reliable quantification and identification of 36 pesticide residues in strawberries from OF and IPM.

Electrochemical methods in pesticides control

The state of the art of voltammetric and amperometric methods used in the study and determination of pesticides in crops, food, phytopharmaceutical products, and environmental samples is reviewed. The main structural groups of pesticides, i.e., triazines, organophosphates, organochlorides, nitrocompounds, carbamates, thiocarbamates, sulfonylureas, and bipyridinium compounds are considered with some degradation products. The advantages, drawbacks, and trends in the development of voltammetric and amperometric methods for study and determination of pesticides in these samples are discussed.

Assessment of groundwater contamination in an agricultural peri-urban area (NW Portugal): an integrated approach

The excessive use of pesticides and fertilisers in agriculture has generated a decrease in groundwater and surface water quality in many regions of the EU, constituting a hazard for human health and the environment. Besides, on-site sewage disposal is an important source of groundwater contamination in urban and peri-urban areas. The assessment of groundwater vulnerability to contamination is an important tool to fulfil the demands of EU Directives. The purpose of this study is to assess the groundwater vulnerability to contamination related mainly to agricultural activities in a peri-urban area (Vila do Conde, NW Portugal). The hydrogeological framework is characterised mainly by fissured granitic basement and sedimentary cover. Water samples were collected and analysed for temperature, pH, electrical conductivity, chloride, phosphate, nitrate and nitrite. An evaluation of groundwater vulnerability to contamination was applied (GOD-S, Pesticide DRASTIC-Fm, SINTACS and SI) and the potential nitrate contamination risk was assessed, both on a hydrogeological GIS-based mapping. A principal component analysis was performed to characterised patterns of relationship among groundwater contamination, vulnerability, and the hydrogeological setting assessed. Levels of nitrate above legislation limits were detected in 75 % of the samples analysed. Alluvia units showed the highest nitrate concentrations and also the highest vulnerability and risk. Nitrate contamination is a serious problem affecting groundwater, particularly shallow aquifers, especially due to agriculture activities, livestock and cesspools. GIS-based cartography provided an accurate way to improve knowledge on water circulation models and global functioning of local aquifer systems. Finally, this study highlights the adequacy of an integrated approach, combining hydrogeochemical data, vulnerability assessments and multivariate analysis, to understand groundwater processes in peri-urban areas.

Low-loss austempered ductile iron gears: experimental evaluation comparing materials and lubricants

An experimental study to evaluate the power dissipation of gears was performed. Three low-loss gear models were manufactured using standard 20° pressure angle tools. Austempered ductile iron (ADI) and 20MnCr5 carburized steel gears were tested in an FZG gear test machine using mineral, ester and polyalphaolephine (PAO)-based oils. The results compare power dissipation, the influence of different tooth flank geometries, materials and lubricants. This work concludes that conventional power-transmission gears can be replaced by these improved and more efficient low–loss models, which can be produced using common tools and that steel gears can be successfully replaced by austempered ductile iron gears.

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.

Discrete fractional order system vibrations

A theory of free vibrations of discrete fractional order (FO) systems with a finite number of degrees of freedom (dof) is developed. A FO system with a finite number of dof is defined by means of three matrices: mass inertia, system rigidity and FO elements. By adopting a matrix formulation, a mathematical description of FO discrete system free vibrations is determined in the form of coupled fractional order differential equations (FODE). The corresponding solutions in analytical form, for the special case of the matrix of FO properties elements, are determined and expressed as a polynomial series along time. For the eigen characteristic numbers, the system eigen main coordinates and the independent eigen FO modes are determined. A generalized function of visoelastic creep FO dissipation of energy and generalized forces of system with no ideal visoelastic creep FO dissipation of energy for generalized coordinates are formulated. Extended Lagrange FODE of second kind, for FO system dynamics, are also introduced. Two examples of FO chain systems are analyzed and the corresponding eigen characteristic numbers determined. It is shown that the oscillatory phenomena of a FO mechanical chain have analogies to electrical FO circuits. A FO electrical resistor is introduced and its constitutive voltage–current is formulated. Also a function of thermal energy FO dissipation of a FO electrical relation is discussed.

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.

The development and optimization of a modified single-drop microextraction method for organochlorine pesticides determination by gas chromatography-tandem mass spectrometry

We have developed a new method for single-drop microextraction (SDME) for the preconcentration of organochlorine pesticides (OCP) from complex matrices. It is based on the use of a silicone ring at the tip of the syringe. A 5 μL drop of n-hexane is applied to an aqueous extract containing the OCP and found to be adequate to preconcentrate the OCPs prior to analysis by GC in combination with tandem mass spectrometry. Fourteen OCP were determined using this technique in combination with programmable temperature vaporization. It is shown to have many advantages over traditional split/splitless injection. The effects of kind of organic solvent, exposure time, agitation and organic drop volume were optimized. Relative recoveries range from 59 to 117 %, with repeatabilities of <15 % (coefficient of variation) were achieved. The limits of detection range from 0.002 to 0.150 μg kg−1. The method was applied to the preconcentration of OCPs in fresh strawberry, strawberry jam, and soil.

Development of a SPME-GC-ECD methodology for selected pesticides in must and wine samples

A method for the determination of some pesticide residues in must and wine samples was developed using solid-phase microextraction (SPME) and gas chromatography – electron capture detection (GC/ECD). The procedure only needs dilution as sample pre-treatment and is therefore simple, fast and solvent-free. Eight fungicides (vinclozolin, procymidone, iprodione, penconazole, fenarimol, folpet, nuarimol and hexaconazole), one insecticide (chlorpyriphos) and two acaricides (bromopropylate and tetradifon) can be quantified. Good linearity was observed for all the compounds in the range 5–100 µg/L. The reproducibility of the measurements was found acceptable (with RSD’s below 20%). Detection limits of 11 µg/L, on average, are sufficiently below the proposed maximum residue limits (MRL’s) for these compounds in wine. The analytical method was applied to the determination of these compounds in Portuguese must and wine samples from the Demarcated Region of Alentejo, where any residues could be detected.

Development and validation of a novel method for the analysis of chlorinated pesticides in soils using microwave-assisted extraction–headspace solid phase microextraction and gas chromatography–tandem mass spectrometry

A new procedure for determining eleven organochlorine pesticides in soils using microwave-assisted extraction (MAE) and headspace solid phase microextraction (HS-SPME) is described. The studied pesticides consisted of mirex, α- and γ-chlordane, p,p’-DDT, heptachlor, heptachlor epoxide isomer A, γ-hexachlorocyclohexane, dieldrin, endrin, aldrine and hexachlorobenzene. The HS-SPME was optimized for the most important parameters such as extraction time, sample volume and temperature. The present analytical procedure requires a reduced volume of organic solvents and avoids the need for extract clean-up steps. For optimized conditions the limits of detection for the method ranged from 0.02 to 3.6 ng/g, intermediate precision ranged from 14 to 36% (as CV%), and the recovery from 8 up to 51%. The proposed methodology can be used in the rapid screening of soil for the presence of the selected pesticides, and was applied to landfill soil samples.

Effects of Environmental Organochlorine Pesticides on Human Breast Cancer: Putative Involvement on Invasive Cell Ability

Human exposure to persistent organic pollutants (POPs) is a certainty, even to long banned pesticides like o,p′-dichlorodiphenyltrichloroethane (o,p′-DDT), and its metabolites p,p′-dichlorodiphenyldichloroethylene (p,p′-DDE), and p,p′-dichlorodiphenyldichloroethane (p,p′-DDD). POPs are known to be particularly toxic and have been associated with endocrine-disrupting effects in several mammals, including humans even at very low doses. As environmental estrogens, they could play a critical role in carcinogenesis, such as in breast cancer. With the purpose of evaluating their effect on breast cancer biology, o,p′-DDT, p,p′-DDE, and p,p′-DDD (50–1000 nM) were tested on two human breast adenocarcinoma cell lines: MCF-7 expressing estrogen receptor (ER) α and MDA-MB-231 negative for ERα, regarding cell proliferation and viability in addition to their invasive potential. Cell proliferation and viability were not equally affected by these compounds. In MCF-7 cells, the compounds were able to decrease cell proliferation and viability. On the other hand, no evident response was observed in treated MDA-MB-231 cells. Concerning the invasive potential, the less invasive cell line, MCF-7, had its invasion potential significantly induced, while the more invasive cell line MDA-MB-231, had its invasion potential dramatically reduced in the presence of the tested compounds. Altogether, the results showed that these compounds were able to modulate several cancer-related processes, namely in breast cancer cell lines, and underline the relevance of POP exposure to the risk of cancer development and progression, unraveling distinct pathways of action of these compounds on tumor cell biology.