Complex Interactions between Dioxin-Like and Non-Dioxin-Like Compounds for in Vitro Cellular Responses: Implications for the Identification of Dioxin Exposure Biomarkers

Despite considerable advances in reducing the production of dioxin-like toxicants in recent years, contamination of the food chain still occasionally occurs resulting in huge losses to the agri-food sector and risk to human health through exposure. Dioxin-like toxicity is exhibited by a range of stable and bioaccumulative compounds including polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) and dibenzofurans (PCDFs), produced by certain types of combustion, and man-made coplanar polychlorinated biphenyls (PCBs), as found in electrical transformer oils. While dioxinergic compounds act by a common mode of action making exposure detection biomarker based techniques a potentially useful tool, the influence of co-contaminating toxicants on such approaches needs to be considered. To assess the impact of possible interactions, the biological responses of H4IIE cells to challenge by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) in combination with PCB-52 and benzo-a-pyrene (BaP) were evaluated by a number of methods in this study. Ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) induction in TCDD exposed cells was suppressed by increasing concentrations of PCB-52, PCB-153, or BaP up to 10 mu M. BaP levels below 1 mu M suppressed TCDD stimulated EROD induction, but at higher concentrations, EROD induction was greater than the maximum observed when cells were treated with TCDD alone. A similar biphasic interaction of BaP with TCDD co-exposure was noted in the AlamarBlue assay and to a lesser extent with PCB-52. Surface enhanced laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry (SELDI-TOF) profiling of peptidomic responses of cells exposed to compound combinations was compared. Cells co-exposed to TCDD in the presence of BaP or PCB-52 produced the most differentiated spectra with a substantial number of non-additive interactions observed. These findings suggest that interactions between dioxin and other toxicants create novel, additive, and non-additive effects, which may be more indicative of the types of responses seen in exposed animals than those of single exposures to the individual compounds.

Validation of an ultra high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry method for detection and quantitation of 19 endocrine disruptors in milk

An endocrine disruptor (ED) is an exogenous compound that interferes with the body's endocrine system. Exposure to EDs may result in adverse health effects such as infertility and cancer. EDs are composed of a vast group of chemicals including compounds of natural origin such as phytoestrogens or mycotoxins and a wide range of man-made chemicals such as pesticides. Synthetic compounds may find their way into the food chain where a number of them can biomagnify. Additionally, processing activities and food contact materials may add further to the already existing pool of food contaminants. Thus, our diet is considered to be one of the main exposure routes to EDs. Some precautionary legislation has already been introduced to control production and/or application of some persistent organic pollutants with ED characteristics. However, newly emerging EDs with bioaccumulative properties have recently been reported to appear at lower tiers of the food chain but have not been monitored at the grander scale. Milk and dairy products are a major component of our diet, thus it is important to monitor them for EDs. However, most methods developed to date are devoted to one group of compounds at a time. The UHPLC-MS/MS method described here has been validated according to EC decision 2002/657/EC and allows simultaneous extraction, detection, quantitation and confirmation of 19 EDs in milk. The method calibration range is between 0.50 and 20.0 μg kg with coefficients of determination above 0.99 for all analytes. Precision varied from 4.7% to 23.4% in repeatability and reproducibility studies. Established CCα and CCβ values (0.11-0.67 μg kg) facilitate fast, reliable, quantitative and confirmatory analysis of sub μg kg levels of a range of EDs in milk.

Assessing the environmental fate of selected polybrominated diphenyl ethers in the region surrounding the Zhuoshui River of Taiwan based on an Equilibrium Constant fugacity model

Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) are a group of flame retardants that have been in use since the 1970s. They are included in the list of hazardous substances known as persistent organic pollutants (POPs) because they are extremely hazardous to the environment and human health. PBDEs have been extensively used in industry and manufacturing in Taiwan, thus its citizens are at high risk of exposure to these chemicals.
An assessment of the environmental fate of these compounds in the Zhuoshui river and Changhua County regions of western Taiwan, and also including the adjacent area of the Taiwan Strait, was conducted for three high risk congeners, BDE-47, -99 and -209, to obtain information regarding the partitioning, advection, transfer and long range transport potential of the PBDEs in order to identify the level of risk posed by the pollutants in this region.
The results indicate that large amounts of PBDEs presently reside in all model compartments – air, soil, water, and sediment – with particularly high levels found in air and especially in sediment. The high levels found in sediment, particularly for BDE-209, are significant, since there is the threat of these pollutants entering the food chain, either directly through benthic feeding, or through resuspension and subsequent feeding in the pelagic region of the water column which is a distinct possibility in the strong currents found within the Taiwan Strait. Another important result is that a substantial portion of emissions leave the model domain directly through advection, particularly for BDE-47 (58%) and BDE-209 (75%), thus posing a risk to adjacent communities.
Model results were generally in reasonable agreement with available measured concentrations. In air, model concentrations are in reasonably good agreement with available measured values. For both BDE-47 and -99, model concentrations are a factor of 2-3 higher and BDE-209 within the range of measured values. In soil, model results are somewhat less than measured values. In sediment, model results are at the high end of measured values.

A small predatory core genome in the divergent marine Bacteriovorax marinus SJ and the terrestrial Bdellovibrio bacteriovorus

Bacteriovorax marinus SJ is a predatory delta-proteobacterium isolated from a marine environment. The genome sequence of this strain provides an interesting contrast to that of the terrestrial predatory bacterium Bdellovibrio bacteriovorus HD100. Based on their predatory lifestyle, Bacteriovorax were originally designated as members of the genus Bdellovibrio but subsequently were re-assigned to a new genus and family based on genetic and phenotypic differences. B. marinus attaches to gram-negative bacteria, penetrates through the cell wall to form a bdelloplast, in which it replicates, as shown using microscopy. Bacteriovorax is distinct, as it shares only 30% of its gene products with its closest sequenced relatives. Remarkably, 34% of predicted genes over 500 nt in length were completely unique with no significant matches in the databases. As expected, Bacteriovorax shares several characteristic loci with the other delta-proteobacteria. A geneset shared between Bacteriovorax and Bdellovibrio that is not conserved among other delta-proteobacteria such as Myxobacteria (which destroy prey bacteria externally via lysis), or the non-predatory Desulfo-bacteria and Geobacter species was identified. These 291 gene orthologues common to both Bacteriovorax and Bdellovibrio may be the key indicators of host-interaction predatory-specific processes required for prey entry. The locus from Bdellovibrio bacteriovorus is implicated in the switch from predatory to prey/host-independent growth. Although the locus is conserved in B. marinus, the sequence has only limited similarity. The results of this study advance understanding of both the similarities and differences between Bdellovibrio and Bacteriovorax and confirm the distant relationship between the two and their separation into different families.

Bdellovibrio predation in the presence of decoys:Three-way bacterial interactions revealed by mathematical and experimental analyses

Bdellovibrio bacteriovorus is a small, gram-negative, motile bacterium that preys upon other gram-negative bacteria, including several known human pathogens. Its predation efficiency is usually studied in pure cultures containing solely B. bacteriovorus and a suitable prey. However, in natural environments, as well as in any possible biomedical uses as an antimicrobial, Bdellovibrio is predatory in the presence of diverse decoys, including live nonsusceptible bacteria, eukaryotic cells, and cell debris. Here we gathered and mathematically modeled data from three-member cultures containing predator, prey, and nonsusceptible bacterial decoys. Specifically, we studied the rate of predation of planktonic late-log-phase Escherichia coli S17-1 prey by B. bacteriovorus HD100, both in the presence and in the absence of Bacillus subtilis nonsporulating strain 671, which acted as a live bacterial decoy. Interestingly, we found that although addition of the live Bacillus decoy did decrease the rate of Bdellovibrio predation in liquid cultures, this addition also resulted in a partially compensatory enhancement of the availability of prey for predation. This effect resulted in a higher final yield of Bdellovibrio than would be predicted for a simple inert decoy. Our mathematical model accounts for both negative and positive effects of predator-prey-decoy interactions in the closed batch environment. In addition, it informs considerations for predator dosing in any future therapeutic applications and sheds some light on considerations for modeling the massively complex interactions of real mixed bacterial populations in nature.

Phytoremediation assessment of Gomphrena globosa and Zinnia elegans grown in arsenic-contaminated hydroponic conditions as a safe and feasible alternative to be applied in arsenic-contaminated soils of the Bengal Delta

Several agricultural fields show high contents of arsenic because of irrigation with arsenic- contaminated groundwater. Vegetables accumulate arse- nic in their edible parts when grown in contaminated soils. Polluted vegetables are one of the main sources of arsenic in the food chain, especially for people living in rural arsenic endemic villages of India and Bangladesh. The aim of this study was to assess the feasibility of floriculture in the crop rotation system of arsenic en- demic areas of the Bengal Delta. The effects of different arsenic concentrations (0, 0.5, 1.0, and 2.0 mg As L−1) and types of flowering plant (Gomphrena globosa and Zinnia elegans) on plant growth and arsenic accumula- tion were studied under hydroponic conditions. Total arsenic was quantified using atomic absorption spec- trometer with hydride generation (HG-AAS). Arsenic was mainly accumulated in the roots (72 %), followed by leaves (12 %), stems (10 %), and flowers (<1 %). The flowering plants studied did not show as high phytoremediation capacities as other wild species, suchas ferns. However, they behaved as arsenic tolerant plants and grew and bloomed well, without showing any phytotoxic signs. This study proves that floriculture could be included within the crop rotation system in arsenic-contaminated agricultural soils, in order to im- prove food safety and also food security by increasing farmer’s revenue.

Influence of phosphate addition on the arsenic uptake by wheat (Triticum Durum) grown in arsenic polluted soils

Arsenic (As) uptake and distribution in the roots, shoots, and grain of wheat (Triticum durum) grown in 2 As polluted soils (192 and 304 mg kg ^-1 respectively), and an uncontaminated soil (14 mg kg^-1 ), collected from Scarlino plain (Tuscany, Italy), was investigated with respect with phosphorus fertilization. Three different level of phosphorus (P) fertilization: PO [0 kg ha^-1], Pl [75 kg ha^-1], and P2 [150 kg ha^-1], as KH₂PO₄ of P, were applied. The presence of high concentrations of As in soils reduced plants growth, decreased grain yield and increased root, shoot and grain As concentrations, especially in the absence of P fertilization. The P fertilization decreased the As concentration in all the tissues as well as the translocation of As to the shoot and grain. This observation may be useful in certain areas of the world with high levels of As in soils, to reduce the potential risk posed to human health by As entering the food-chain. © by PSP.

Cadmium phytotoxicity and trophic transfer to isopods

O cádmio (Cd) é um metal não essencial e é considerado um poluente prioritário pela comunidade europeia. Este metal atinge o ambiente no decurso de várias actividades antropogénicas e tende a concentrar-se nos solos e sedimentos, onde está potencialmente disponível para as plantas, sendo posteriormente transferido através da cadeia trófica. Neste contexto, o principal objectivo da presente dissertação foi o estudo dos efeitos da assimilação e da acumulação de Cd em plantas e as suas consequências para animais consumidores. Numa primeira fase, foram estudados os principais efeitos fisiológicos e genotóxicos do Cd em plantas. As plantas de alface (Lactuca sativa L.) expostas a Cd apresentaram um decréscimo na eficiência fotossintética, aumento de peroxidação lipídica e alterações significativas na actividade de enzimas de stress oxidativo. Estas alterações culminaram num decréscimo do crescimento da parte aérea no final da exposição. As respostas obtidas pelos parâmetros bioquímicos sugerem que estes poderão ser utilizados como eventuais biomarcadores em testes ecotoxicológicos com Cd em abordagens integrantes em conjunto com parâmetros clássicos. Os efeitos mutagénicos de Cd foram avaliados através da determinação da instabilidade de microsatélites (IM). Não foi observada IM, nem nas folhas nem nas raízes de plantas de alface com 5 semanas de idade expostas a 100 μM Cd durante 14 dias, no entanto observou-se IM em raízes de alface exposta a 10 μM Cd durante 28 dias desde a germinação. A idade da planta e a maior acumulação de Cd nas raízes poderão explicar os resultados obtidos. A clastogenicidade de Cd foi analisada em três espécies vegetais com diferentes capacidades de destoxificação e acumulação de metais através de citometria de fluxo. Foram detectadas alterações significativas nos parâmetros analisados em raízes alface, mas não nas espécies Thlaspi caerulescens J & C Presl e Thlaspi arvense L. Estes resultados sugerem que o stress provocado pelo Cd originou clastogenicidade como consequência da perda de porções de cromossomas, uma vez que o conteúdo de ADN nuclear diminuiu. A transferência trófica através da cadeia alimentar permanece muito pouco estudada em termos ecotoxicológicos. A distribuição subcellular de metais num organismo pode ser utilizada para compreender a transferência trófica de um metal na cadeia alimentar. Como tal, numa última parte é estudado de que modo a distribuição subcellular do Cd em plantas com perfis de acumulação de Cd distintos afecta a biodisponibilidade e transferência trófica de Cd para isópodes. A distribuição de Cd entre as 4 fracções subcelulares obtidas através de centrifugação diferencial revelou a existência de diferenças significativas entre as espécies de plantas. Estes resultados em conjunto com a avaliação directa da eficiência de assimilação (EA) de Cd individual de cada uma das quatro fracções subcelulares das plantas em estudo, resultou em informação de grande relevância para a explicação das diferenças observadas na EA de Cd por parte de isópodes alimentados com folhas de diferentes espécies de plantas. Com base nos resultados obtidos, o Cd ligado a proteínas estáveis à temperatura (e.g. metaloteoninas e fitoquelatinas) é o menos biodisponível, sendo assim o que menos contribuiu para a transferência trófica, enquanto que o Cd ligado a proteínas desnaturadas pela temperatura foi a fracção mais disponível para transferência trófica de Cd ao isópode. Estes resultados realçam a relevância ecológica da distribuição subcelular de Cd em plantas que tem influência directa na tranferência trófica deste metal para os consumidores e ainda o facto de que alterações na distribuição subcelular de Cd em plantas devido a diferentes mecanismos de destoxificação poderá ter um impacto directo na transferência trófica de Cd para o animal consumidor.

Mercury (II) removal from aqueous solutions by microporous materials

O Mercúrio é um dos metais pesados mais tóxicos existentes no meio ambiente, é persistente e caracteriza-se por bioamplificar e bioacumular ao longo da cadeia trófica. A poluição com mercúrio é um problema à escala global devido à combinação de emissões naturais e emissões antropogénicas, o que obriga a políticas ambientais mais restritivas sobre a descarga de metais pesados. Consequentemente o desenvolvimento de novos e eficientes materiais e de novas tecnologias para remover mercúrio de efluentes é necessário e urgente. Neste contexto, alguns materiais microporosos provenientes de duas famílias, titanossilicatos e zirconossilicatos, foram investigados com o objectivo de avaliar a sua capacidade para remover iões Hg2+ de soluções aquosas. De um modo geral, quase todos os materiais estudados apresentaram elevadas percentagens de remoção, confirmando que são bons permutadores iónicos e que têm capacidade para serem utilizados como agentes descontaminantes. O titanossilicato ETS-4 foi o material mais estudado devido à sua elevada eficiência de remoção (>98%), aliada à pequena quantidade de massa necessária para atingir essa elevada percentagem de remoção. Com apenas 4 mg⋅dm-3 de ETS-4 foi possível tratar uma solução com uma concentração igual ao valor máximo admissível para descargas de efluentes em cursos de água (50 μg⋅dm-3) e obter água com qualidade para consumo humano (<1.0 μg⋅dm-3), de acordo com a legislação Portuguesa (DL 236/98). Tal como para outros adsorbentes, a capacidade de remoção de Hg2+ do ETS- 4 depende de várias condições experimentais, tais como o tempo de contacto, a massa, a concentração inicial de mercúrio, o pH e a temperatura. Do ponto de vista industrial as condições óptimas para a aplicação do ETS-4 são bastante atractivas, uma vez que não requerem grandes quantidades de material e o tratamento da solução pode ser feito à temperatura ambiente. A aplicação do ETS-4 torna-se ainda mais interessante no caso de efluentes hospitalares, de processos de electro-deposição com níquel, metalúrgica, extracção de minérios, especialmente ouro, e indústrias de fabrico de cloro e soda cáustica, uma vez que estes efluentes apresentam valores de pH semelhantes ao valor de pH óptimo para a aplicação do ETS-4. A cinética do processo de troca iónica é bem descrita pelo modelo Nernst-Planck, enquanto que os dados de equilíbrio são bem ajustados pelas isotérmicas de Langmuir e de Freundlich. Os parâmetros termodinâmicos, ΔG° and ΔH° indicam que a remoção de Hg2+ pelo ETS-4 é um processo espontâneo e exotérmico. A elevada eficiência do ETS-4 é confirmada pelos valores da capacidade de remoção de outros materiais para os iões Hg2+, descritos na literatura. A utilização de coluna de ETS-4 preparada no nosso laboratório, para a remoção em contínuo de Hg2+ confirma que este material apresenta um grande potencial para ser utilizado no tratamento de águas. ABSTRACT: Mercury is one of the most toxic heavy metals, exhibiting a persistent character in the environment and biota as well as bioamplification and bioaccumulation along the food chain. Natural inputs combined with the global anthropogenic sources make mercury pollution a planetary-scale problem, and strict environmental policies on metal discharges have been enforced. The development of efficient new materials and clean-up technologies for removing mercury from effluents is, thus, timely. In this context, in my study, several microporous materials from two families, titanosilicates and zirconosilicates were investigated in order to assess their Hg2+ sorption capacity and removal efficiency, under different operating conditions. In general, almost all microporous materials studied exhibited high removal efficiencies, confirming that they are good ion exchangers and have potential to be used as Hg2+ decontaminant agents. Titanosilicate ETS-4 was the material most studied here, by its highest removal efficiency (>98%) and lowest mass necessary to attain it. Moreover, according with the Portuguese legislation (DL 236/98) it is possible to attain drinking water quality (i.e. [Hg2+]< 1.0 μg⋅dm-3) by treating a solution with a Hg2+ concentration equal to the maximum value admissible for effluents discharges into water bodies (50 μg⋅dm-3), using only 4 mg⋅dm-3 of ETS-4. Even in the presence of major freshwater cations, ETS-4 removal efficiency remains high. Like for other adsorbents, the sorption capacity of ETS-4 for Hg2+ ions is strongly dependent on the operating conditions, such as contact time, mass, initial Hg2+ concentration and solution pH and, to a lesser extent, temperature. The optimum operating conditions found for ETS-4 are very attractive from the industrial point of view because the application of ETS-4 for the treatment of wastewater and/or industrial effluents will not require larges amounts of adsorbent, neither energy supply for temperature adjustments becoming the removal process economically competitive. These conditions become even more interesting in the case of medical institutions liquid, nickel electroplating process, copper smelter, gold ore tailings and chlor-alkali effluents, since no significant pH adjustments to the effluent are necessary. The ion exchange kinetics of Hg2+ uptake is successfully described by the Nernst-Planck based model, while the ion exchange equilibrium is well fitted by both Langmuir and Freundlich isotherms. Moreover, the feasibility of the removal process was confirmed by the thermodynamic parameters (ΔG° and ΔH°) which indicate that the Hg2+ sorption by ETS-4 is spontaneous and exothermic. The higher efficiency of ETS-4 for Hg2+ ions is corroborate by the values reported in literature for the sorption capacity of other adsorbents for Hg2+ ions. The use of an ETS-4 fixed-bed ion exchange column, manufactured in our laboratory, in the continuous removal of Hg2+ ions from solutions confirms that this titanosilicate has potential to be used in industrial water treatment.

Microphytobenthos vs Hydrobia: trophic coupling in estuarine environment

Os estuários são ambientes complexos, biologicamente diversos e muito importantes no que respeita à produtividade primária. As zonas intertidais destes ecossistemas são ocupadas por organismos que possuem uma elevada capacidade de sobrevivência e adaptação face às variadas e rápidas alterações nos factores ambientais (tais como temperatura, salinidade, conteúdo hídrico, etc.). As cadeias tróficas com origem no ecossistema estuarino bentónico são essencialmente herbívoras, regulando o fluxo de energia desde o fundo sedimentar e através do ecossistema. Nas áreas estuarinas intertidais a produção primária é essencialmente suportada pelo microfitobentos (MPB). Estas comunidades de microalgas bênticas constituem uma importante fonte de matéria orgânica e são por si só a principal fonte alimentar para as populações de Hydrobia. Neste contexto, a interacção MPB - Hydrobia é um modelo-chave na investigação da cadeia trófica estuarina de origem bentónica, actuando como um importante canal de transporte de energia para os níveis tróficos superiores, especialmente se considerarmos que Hydrobia é uma importante presa para peixes, aves e caranguejos. O presente estudo tem por objectivos gerais: i) a investigação do controlo ambiental (particularmente da luz e do teor em água do sedimento) e endógeno na migração vertical do MPB e ii) a identificação e potencial utilização de marcadores tróficos (pigmentos e ácidos gordos) úteis à investigação da interacção MPB – Hydrobia em laboratório e em condições naturais, considerando a existência de uma elevada plasticidade trófica por parte da Hydrobia e a elevada densidade populacional que estes organismos podem apresentar. A primeira fase de investigação resultou na comparação do papel dos estímulos ambientais e do controlo endógeno nos padrões de comportamento migratório vertical do microfitobentos, demonstrando a existência de um controlo essencialmente endógeno na formação e desintegração do biofilme superficial. A regulação e manutenção da biomassa à superfície do sedimento são claramente controladas pela variação dos factores ambientais, em especial da luz, cuja presença é essencial à formação total do biofilme microalgal à superfície do sedimento intertidal. Foi proposta uma nova abordagem metodológica com vista à estimativa nãodestrutiva do teor de água de sedimentos intertidais vasosos , possibilitando o estudo da influência da acção do vento no conteúdo hídrico dos sedimentos e o consequente impacto da dessecação na comunidade microfitobêntica. Observou-se que a dessecação provoca efeitos limitantes não só na biomassa superficial mas também na actividade fotossintética dos biofilmes microfitobênticos, conduzindo à diminuição da produtividade primária. No que respeita à dinâmica trófica da interacção MPB - Hydrobia foi estabelecido o uso do pigmento feoforbide a, quantificado nas partículas fecais da fauna, como marcador trófico que permite estimar a quantidade de biomassa de microalgas (clorofila a) incorporada pelos organismos animais.Para tal foi investigada e comprovada a existência de uma relação significativa entre a concentração de feopigmentos excretados e a concentração de clorofila a ingerida. Estes estudos foram desenvolvidos numa primeira fase à escala diária, considerando os efeitos dos ciclos sazonais, dia-noite e maré, e depois com a validação em condições naturais, numa escala mensal. A taxa de ingestão média de indivíduos de H. ulvae varia ao longo do dia, com o máximo em torno dos períodos diurnos de maré baixa, o que pode estar relacionado com a disponibilidade de MPB. As taxas de ingestão (TI) de H. ulvae variam ainda em função da estação do ano (TI verão > TI primavera) e em função da densidade de indivíduos (> densidade, < ingestão). Verificou-se um efeito negativo na concentração de clorofila disponível após herbívoria independentemente da densidade de indivíduos. Finalmente, a comparação dos perfis de ácidos gordos de H. ulvae provenientes de diferentes habitats com os perfis de potenciais fontes alimentares permitiu demonstrar que os ácidos gordos são ferramentas úteis na identificação do habitat ocupado por estes organismos. No entanto, apesar da ocupação de diferentes habitats e da integração de múltiplas fontes de produção primária na sua dieta foram sempre observados significativos níveis de ácidos gordos específicos de microalgas (em particular diatomáceas), reforçando o papel importante das comunidades de microalgas bênticas na dieta das populações de H. ulvae.

Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

Microbial community composition and mercury cycling in sediments of tagus estuary

Tese de doutoramento, Farmácia (Toxicologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2016

Environmental exposure to toxicants mixtures from a multi-purpose estuary: perspectives for a biomonitoring study in Portugal

This work was focused on a multi-purpose estuarine environment (river Sado estuary, SW Portugal) around which a number of activities (e.g., fishing, farming, heavy industry, tourism and recreational activities) coexist with urban centres with a total of about 200 000 inhabitants. Based on previous knowledge of the hazardous chemicals within the ecosystem and their potential toxicity to benthic species, this project intended to evaluate the impact of estuarine contaminants on the human and ecosystem health. An integrative methodology based on epidemiological, analytical and biological data and comprising several lines of evidence, namely, human contamination pathways, human health effects, consumption of local produce, estuarine sediments, wells and soils contamination, effects on commercial benthic organisms, and genotoxic potential of sediments, was used. The epidemiological survey confirmed the occurrence of direct and indirect (through food chain) exposure of the local population to estuarine contaminants. Furthermore, the complex mixture of contaminants (e.g., metals, pesticides, polycyclic aromatic hydrocarbons) trapped in the estuary sediments was toxic to human liver cells exposed in vitro, causing cell death, oxidative stress and genotoxic effects that might constitute a risk factor for the development of chronic-degenerative diseases, on the long term. Finally, the integration of data from several endpoints indicated that the estuary is moderately impacted by toxicants that affect also the aquatic biota. Nevertheless, the human health risk can only be correctly assessed through a biomonitoring study including the quantification of contaminants (or metabolites) in biological fluids as well as biomarkers of early biological effects (e.g., biochemical, genetic and omics-based endpoints) and genetic susceptibility in the target population. Data should be supported by a detailed survey to assess the impact of the contaminated seafood and local farm products consumption on human health and, particularly, on metabolic diseases or cancer development.

Climatic patterns and physical controls of chlorophyll-a in the Northeast Atlantic

Tese de Doutoramento, Física, 17 de Dezembro de 2013, Universidade dos Açores.

Quantificação de metais potencialmente tóxicos em mexilhão dourado (Limnoperna fortunei) por espectrometria de absorção atômica com fonte contínua e alta resolução empregando amostragem direta de sólidos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)