Aquaponics and its potential aquaculture wastewater treatment and human urine treatment

The main objective of this thesis is to study the developing fields of aquaponics and its potential for aquaculture wastewater treatment and human urine treatment. Aquaponics is a food production system which combines fish farming (aquaculture) with soilless crop farming (hydroponics). In this thesis the concept of aquaponics and the underlying processes are explained. Research on aquaculture wastewater and human urine wastewater is reviewed and its potential application with aquaponic systems is studied. An overview of the different types of aquaponic systems and current research on the field is also presented. A case study was conducted in a farm in Askeröd, Sweden, which involved building two aquaponic systems (System 1 and System 2) and a human urine-based aquaponic system (System 3), with different degrees of component complexity and sizes. The design, building and monitoring of System 1, System 2 and System 3 was documented and described in detail. Four day experiments were conducted which tested the evolution in concentration of Total Ammonia Nitrogen (NH4+/NH3), Nitrite (NO2-), Nitrate (NO3-), Phosphate (PO43-), and Dissolved Oxygen (O2) after an initial nutrient input. The goal was to assess the concentrations of these parameters after four days and compare them with relevant literature examples in the aquaculture industry and in source-separated urine research. Neither of the two aquaponic systems (System 1 and System 2) displayed all of the parameter concentrations in the last day of testing below reference values found in literature. The best performing of the aquaponic systems was the more complex system (System 2) combining the hydroponic Nutrient Film Technique with a Deep Water Culture component, with a Total Ammonia Nitrogen concentration of 0,20 mg/L, a Nitrite concentration of 0,05 mg/L, a Nitrate concentration of 1,00-5,00 mg/L, a Phosphate concentration of <0,02 mg/L and a Dissolved Oxygen concentration of 8,00 mg/L. The human urine-based aquaponic system (System 3) underperformed in achieving the reference concentration values in literature for most parameters. The removal percentage between the higher recorded values after the input addition and the final day of testing was calculated for two literature examples of separated urine treatment and System 3. The system had a removal percentage of 75% for Total Ammonia Nitrogen, 98% for Nitrite, 25% for Nitrate and 50% for Phosphate. These percentages still underperformed literature examples in most of the tested parameters. The results gathered allowed to conclude that while aquaculture wastewater treatment and human urine treatment is possible with aquaponics systems, overall these did not perform as well as some examples found in recirculating aquaculture systems and source-separated urine treatment literature. However, better measuring techniques, longer testing periods and more research is recommended in this field in order to draw an improved representative conclusion.

Brucelose na Província do Namibe, Angola, 2012 : prevalências humana (profissionais da pecuária) e animal, factores de risco, conhecimento e práticas

RESUMO - Enquadramento: A Brucelose é uma antropozoonose prevalente no Mundo e é uma das mais negligenciadas. A sua transmissão ao ser humano é directa e indirecta, e acontece por via de contacto com animal infectado, o consumo de leite e seus derivados não pasteurizados e a não observância de uso de equipamentos de protecção individual e colectiva, entre outros factores. O conhecimento da prevalência e incidência da brucelose animal e humana no Namibe, uma província de Angola, é muito escasso sendo poucos os estudos que evidenciam esta doença no seio dos profissionais da pecuária expostos: trabalhadores de matadouros, veterinários e criadores de gado. É assim pertinente, com base em estudos científicos específicos, caracterizar esta situação. Objectivos: Caracterizar os ambientes dos profissionais (matadouro, talhos e salas municipais de abate e explorações); estimar a seroprevalência da brucelose humana em profissionais da pecuária (trabalhadores de matadouros e criadores de gado bovino) na província do Namibe, Angola em 2012; determinar a associação da presença da brucelose humana com variáveis sócio-demográficas, de conhecimento, de práticas e de características das explorações; determinar a prevalência da Brucelose em animais e em explorações; caracterizar os factores associados à presença da Brucelose em explorações bovinas; caracterizar o conhecimento e práticas sobre a Brucelose dos profissionais da pecuária e analisar a relação entre as prevalências nas explorações (infectadas versus não infectadas) e nos criadores (infectados versus não infectados). Métodos e materiais: estudos observacional e transversal seroepidemiológico em 131 trabalhadores de talhos, salas de abate e matadouro e 192 criadores amostrados aleatoriamente em toda província do Namibe. Os dados foram obtidos através da colheita de sangue e da aplicação de um questionário. Os testes laboratoriais utilizados foram o Rosa de Bengala (RBT) e a Aglutinação Lenta em Tubos (SAT). O estudo de conhecimento foi principalmente centrado na pergunta “Já ouviu falar de Brucelose” e nas questões relativas ao nível de conhecimento e práticas (indicadores baseados nas percentagens de respostas correctas ou práticas adequadas) dos factores de risco da Brucelose. Também foram investigados 1344 animais (em 192 explorações) com recurso ao método de diagnóstico laboratorial RBT para análise de soro sanguíneo e, complementarmente, foi aplicado um questionário aos respectivos criadores. Em termos de análise estatística, para além da abordagem descritiva, foram utilizados os testes de Independência do Quiquadrado, Fisher, Teste não paramétrico de Mann-Whitney, Teste de correlação de Spearman. Adicionalmente, com base em modelos de regressão logística, foram determinados odds ratio e os respectivos intervalos de confiança utilizando um nível de significância de 5%. Resultados: os ambientes dos profissionais (matadouro, talhos e salas municipais de abate e explorações) não reuniram as condições higio-sanitárias definidas internacionalmente como adequadas. Nos profissionais a infecção geral ponderada da Brucelose foi de 15.56% (IC95% : 13.61-17.50), sendo 5.34% em trabalhadores e 16.66% (IC95% : 11.39-21.93) em criadores. A significância estatística foi observada entre a seroprevalência humana e a categoria (trabalhador e criador) (p< 0.001) e o nível de instrução (p= 0.032), início de actividade (p= 0.079) e local de serviço (p= 0.055). Num contexto multivariado o factor positivamente associado à brucelose em profissionais foi a categoria profissional (OR = 3.54, IC95%: 1.57-8.30, relativo aos criadores em relação a trabalhadores). As taxas gerais aparentes de prevalência em animais e explorações foram respectivamente de 14.96% (IC 95%, 12.97-17.19) e de 40.10% (IC 95%, 32.75-47.93). Encontrou-se uma correlação positiva moderada entre o número de animais infectados por exploração com a média do número de abortos na exploração = 0.531, p< 0.001). Em média os profissionais tiveram um conhecimento global muito insuficiente (16.1%), tendo os trabalhadores apresentado valores mais elevados que os criadores (20.2% e 13.8%), diferença não estatisticamente significativa (p= 0.170). As perguntas “o leite in natura é fervido antes do consumo humano?”, “contacto com materiais fetais animais?”, “contacto com aerossóis no local de trabalho?” e “já fez alguma vez o teste de Brucelose humana?” (relacionadas com práticas) e as perguntas “já ouviu falar da Brucelose?”, “Brucelose é doença zoonótica/só animal/só humana? e “como a Brucelose se transmite aos humanos?” apresentaram níveis médios de práticas adequadas e conhecimentos correctos inferiores a 20%. Nas explorações infectadas, 39% dos criadores foram positivos (infectados) e nas não infectadas apenas 1.7%. O risco de um criador ser infectado estando numa exploração infectada foi significativamente mais elevado (OR= 36, IC95%: 8.28-157.04). Conclusões: os ambientes dos profissionais (matadouros, salas municipais de abate e talhos e explorações) propiciam o risco à brucelose. O estudo permite aferir que a Brucelose humana em profissionais da pecuária e a Brucelose animal são prevalentes na província do Namibe. Os níveis de seroprevalência detectados são elevados comparandoos com outros encontrados em algumas localidades africanas que possuem condições similares às do Namibe. Perto de duas em cada cinco (40.10%) explorações estão infectadas por esta doença. O número de abortos (média) está claramente relacionado com as explorações infectadas. O conhecimento geral dos profissionais da pecuária sobre a Brucelose é muito insuficiente, tendo os trabalhadores mostrado um maior conhecimento em relação aos criadores, mas ambos com níveis alarmantes. Os criadores infectados estão relacionados com as explorações infectadas. Há necessidade de controlar a doença e de informar e educar os profissionais sobre a brucelose, sendo fundamental que os serviços provinciais de veterinária reforcem acções de divulgação e de fiscalização.

Automated quantitative analysis of MCC-IMS spectra

Ion Mobility Spectrometry coupled with Multi Capillary Columns (MCC -IMS) is a fast analytical technique working at atmospheric pressure with high sensitivity and selectivity making it suitable for the analysis of complex biological matrices. MCC-IMS analysis generates its information through a 3D spectrum with peaks, corresponding to each of the substances detected, providing quantitative and qualitative information. Sometimes peaks of different substances overlap, making the quantification of substances present in the biological matrices a difficult process. In the present work we use peaks of isoprene and acetone as a model for this problem. These two volatile organic compounds (VOCs) that when detected by MCC-IMS produce two overlapping peaks. In this work it’s proposed an algorithm to identify and quantify these two peaks. This algorithm uses image processing techniques to treat the spectra and to detect the position of the peaks, and then fits the data to a custom model in order to separate the peaks. Once the peaks are separated it calculates the contribution of each peak to the data.

The cellular basis of a congenital heart defect Drosophila

RESUMO: Mutações em genes envolvidos na formação do coração e anomalias em qualquer etapa deste processo causam frequentemente malformações cardíacas, que representam o tipo mais comum de defeitos em neonatais, afetando cerca de 1% dos nascimentos por ano. Assim, estima-se que 20 milhões de pessoas sejam portadoras de um defeito cardíaco congénito. O coração da Drosophila melanogaster (mosca-da-fruta), denominado vaso dorsal, é um órgão relativamente simples que actua como uma bomba muscular, contraindo automaticamente para permitir a circulação da hemolinfa através do corpo. A formação do vaso dorsal na mosca é muito semelhante ao desenvolvimento do coração em vertebrados, representando por isso, um poderoso modelo para estudar a rede de genes e os padrões regulatórios relacionados com o desenvolvimento deste órgão. Anteriormente, nós identificámos um gene em Drosophila, darhgef10, fortemente expresso no coração em desenvolvimento e cuja deleção induz anormalidades cardíacas subtis mas prevalentes. Os mutantes para darhgef10 são viáveis e férteis no ambiente controlado de laboratório. Este trabalho teve como objectivos caracterizar fenotipicamente os mutantes nulos para darhgef10, determinar a localização subcelular da proteína dArhgef10 e investigar a base celular subjacente ao defeito no alinhamento dos cardioblastos observado nos mutantes. Os nossos resultados revelaram que a deleção de darhgef10 provoca uma severa redução da viabilidade, sem no entanto comprometer o tempo de desenvolvimento e a longevidade. Por outro lado, o aumento da expressão de darhgef10 em músculos, glândulas salivares e no disco imaginal do olho afeta drasticamente a integridade destes tecidos. A expressão ectópica de darhgef10 in vitro e in vivo revelou que a proteína está localiza no citoplasma com enriquecimento junto à membrana celular, com associação à actina F. Live imaging de embriões mutantes para darhgef10 revelou que os defeitos observados no coração podem estar associados a um defeito na adesão dos músculos alary e/ou das células pericardiais ao vaso dorsal. O homólogo humano de darhgef10, ARHGEF10, também é expresso no coração e está associação a uma maior susceptibilidade para a ocorrência de acidentes vasculares cerebrais aterotrombóticos, sugerindo que o que aprendemos sobre darhgef10 em Drosophila pode ter implicações do ponto de vista clínico para a saúde humana. ----------------------------- ABSTRACT: Mutations in genes controlling heart development and abnormalities in any of its steps frequently cause cardiac malformations, the most common type of birth defects in humans, affecting nearly 1% of births per year. Hence around 20 million adults are expected to live with a congenital heart defect. The Drosophila melanogaster heart, called dorsal vessel, is a relatively simple organ that acts as a muscular pump contracting automatically to allow the circulation of hemolymph. Drosophila heart formation shares many similarities with heart development in vertebrates providing a powerful system to study gene networks and regulatory pathways involved in heart development. We have previously identified a Drosophila gene, darhgef10, which is strongly expressed in the developing heart and when deleted, leads to flies with highly prevalent yet subtle heart abnormalities, compatible with unchallenged life in the laboratory. Our aims were to phenotypically characterize homozygous null darhgef10 mutants, characterize the subcellular localization of dArhgef10 and to study the cellular basis of the misaligned cardioblasts defect. We found that about half of darhgef10 mutants die during development. However, the survivors surprisingly have a nearly normal developmental time, adult locomotor behavior and total lifespan. Detection of transgene-derived dArhgef10 protein in vitro and in vivo using custom antibodies revealed a cytosolic protein slightly enriched in the cellular membranes and associated with F-actin. Tissue-specific darhgef10 expression disrupts the normal morphology of developing muscles, salivary glands and the eye. Live imaging of darhgef10 mutant embryos revealed that heart defect could be caused by a reduced capacity of attachment of pericardial cells and/or alary muscle to dorsal vessel. The human homolog of darhgef10 is also expressed in the heart and is a susceptibility gene for atherothrombotic stroke, suggesting that what we learn about the function of this gene and its phenotypes in Drosophila could have implications to human health.

Minimal computation structures for visual information applications based on printed electronics

In the early nineties, Mark Weiser wrote a series of seminal papers that introduced the concept of Ubiquitous Computing. According to Weiser, computers require too much attention from the user, drawing his focus from the tasks at hand. Instead of being the centre of attention, computers should be so natural that they would vanish into the human environment. Computers become not only truly pervasive but also effectively invisible and unobtrusive to the user. This requires not only for smaller, cheaper and low power consumption computers, but also for equally convenient display solutions that can be harmoniously integrated into our surroundings. With the advent of Printed Electronics, new ways to link the physical and the digital worlds became available. By combining common printing techniques such as inkjet printing with electro-optical functional inks, it is starting to be possible not only to mass-produce extremely thin, flexible and cost effective electronic circuits but also to introduce electronic functionalities into products where it was previously unavailable. Indeed, Printed Electronics is enabling the creation of novel sensing and display elements for interactive devices, free of form factor. At the same time, the rise in the availability and affordability of digital fabrication technologies, namely of 3D printers, to the average consumer is fostering a new industrial (digital) revolution and the democratisation of innovation. Nowadays, end-users are already able to custom design and manufacture on demand their own physical products, according to their own needs. In the future, they will be able to fabricate interactive digital devices with user-specific form and functionality from the comfort of their homes. This thesis explores how task-specific, low computation, interactive devices capable of presenting dynamic visual information can be created using Printed Electronics technologies, whilst following an approach based on the ideals behind Personal Fabrication. Focus is given on the use of printed electrochromic displays as a medium for delivering dynamic digital information. According to the architecture of the displays, several approaches are highlighted and categorised. Furthermore, a pictorial computation model based on extended cellular automata principles is used to programme dynamic simulation models into matrix-based electrochromic displays. Envisaged applications include the modelling of physical, chemical, biological, and environmental phenomena.

Study of gold nanoparticle assisted neuron stimulation

The unique proprieties exhibited by nanoscale particles compared to their macro size counterparts allow for the creation of novel neural activity manipula-tion procedures. In this sense, gold nanoparticles (AuNPs) can be used to stimu-late the electrical activity of neuron by converting light into heat. During this dissertation, AuNPs are synthesized by the citrate reduction method, resulting in a hydrodynamic diameter of approximately 16 nm and an absorbance peak of 530 nm. A system to control a 532 nm laser and measure the temperature variation was custom built from scratch specifically for this project. Temperature is then measured with recourse to a thermocouple and through changes in impedance. The built system had in consideration the necessities pre-sented by in vivo tests. Trials were performed by measuring the temperature rise of colloidal AuNP solutions, having the temperature variation reached a maximum of ap-proximately 18 ºC relative to control trials; successfully showing that light is ef-fectively transduced into heat when AuNPs are present. This novel approach enables an alternative to optogenetics, which require the animal to be genetically modified in order to allow neuron stimulation.