Accessory minerals and potentially toxic elements in Tanzanian vermiculites with respect to agricultural applications

The study assessed accessory minerals and metals in Tanzanian vermiculites with respect to their potential suitability for agricultural applications. Mineral and chemical analyses were involved. Pot experiments were also conducted to assess plant uptake of metals from soil with vermiculites. Fibrous sepiolite and amphiboles were minerals of health concern found in some samples. The sepiolite fibers had aspect ratios similar to those of asbestos minerals, which cause respiratory disorders and lung cancer when inhaled and thus pose a potential health risk to animals and humans. The amphibole fibers were thicker than 10 μm and are unlikely to be inhaled. Chromium (Cr) and nickel (Ni) concentrations in some samples were greater than the limits permitted in agricultural soils, but the elements are not highly plant available and do not inhibit the uptake of essential macronutrients. Heating vermiculites at 400-600° C enhanced extractability of Cr and Ni and should preferably be avoided. © Taylor & Francis Group, LLC.

Toxic effects of cadmium and zinc on ectomycorrhizal colonization of scots pine (Pinus sylvestris L.) from soil inoculum

Scots pine seedlings colonized by ectomycorrhizal (ECM) fungi from natural soil inoculum were exposed to a range of Cd or Zn concentrations to investigate the effects of metals on ECM fungi-Scots pine associations in a realistic soil environment. Experiments focused on the relationship between the sensitivity of ECM fungi and their host plants, the influence of metals on ECM community dynamics on Scots pine roots, and the effects of metal exposure on ECM colonization from soil-borne propagules. Ectomycorrhizal colonization was inhibited by Cd and Zn, with a decrease in the proportion of ECM-colonized root tips. Shoot and root biomass, total root length, and total root-tip density, however, were unaffected by Cd or Zn. A decrease in the diversity of ECM morphotypes also occurred, which could have a negative effect on tree vigor. Overall, colonization by ECM fungi was more sensitive than seedling growth to Cd and Zn, and this could have serious implications for successful tree establishment on metal-contaminated soils.

Toxic interactions of metal ions (Cd2+, Pb2+, Zn2+ and Sb3- on in vitro biomass production of ectomycorrhizal fungi

A number of ectomycorrhizal (ECM) fungi, from sites uncontaminated by toxic metals, were investigated to determine their sensitivity to Cd^2-, Pb²⁺, Zn²⁺ and Sb^3-, measured as an inhibition of fungal biomass production. Isolates were grown in liquid media amended with the metals, individually (over a range of concentrations) and in combination (at single concentrations) to determine any significant interactions between the metals. Significant interspecific variation in sensitivity to Cd²⁺ and Zn²⁺ was recorded, while Pb²⁺ and Sb^3- individually had little effect. The presence of Pb²⁺ and Sb^3- in the media did however, ameliorate Cd²⁺ and Zn²⁺ toxicity in some circumstances. Interactions between Cd²⁺ and Zn²⁺ were investigated further over a range of concentrations. Zn²⁺ was found to significantly ameliorate the toxicity of Cd²⁺ to three of the four isolates tested. The influence of Zn²⁺ varied between ECM species and with the concentrations of metals tested.

Do ectomycorrhizal fungi exhibit adaptive tolerance to potentially toxic metals in the environment?

The effects of potentially toxic metals on ectomycorrhizal (ECM) fungi and their higher plant hosts are examined in this review. Investigations at a species and community level have revealed wide inter- and intraspecific variation in sensitivity to metals. Adaptive and constitutive mechanisms of ECM tolerance are proposed and discussed in relation to proven tolerance mechanisms in bacteria, yeasts and plants. Problems with methodology and research priorities are highlighted. These include the need for a detailed understanding of the genetic basis of tolerance in the ECM symbiosis, and for studies of ECM community dynamics in polluted sites.

Exposure modelling to traffic-related air toxic pollutants

Atualmente, a poluição atmosférica constitui uma das principais causas ambientais de mortalidade. Cerca de 30% da população europeia residente em áreas urbanas encontra-se exposta a níveis de poluição atmosférica superiores aos valores- limite de qualidade do ar legislados para proteção da saúde humana, representando o tráfego rodoviário uma das principais fontes de poluição urbana. Além dos poluentes tradicionais avaliados em áreas urbanas, os poluentes classificados como perigosos para a saúde (Hazard Air Pollutants - HAPs) têm particular relevância devido aos seus conhecidos efeitos tóxicos e cancerígenos. Neste sentido, a avaliação da exposição tornase primordial para a determinação da relação entre a poluição atmosférica urbana e efeitos na saúde. O presente estudo tem como principal objetivo o desenvolvimento e implementação de uma metodologia para avaliação da exposição individual à poluição atmosférica urbana relacionada com o tráfego rodoviário. De modo a atingir este objetivo, foram identificados os parâmetros relevantes para a quantificação de exposição e analisados os atuais e futuros potenciais impactos na saúde associados com a exposição à poluição urbana. Neste âmbito, o modelo ExPOSITION (EXPOSure model to traffIc-relaTed aIr pOllutioN) foi desenvolvido baseado numa abordagem inovadora que envolve a análise da trajetória dos indivíduos recolhidas por telemóveis com tecnologia GPS e processadas através da abordagem de data mining e análise geoespacial. O modelo ExPOSITION considera também uma abordagem probabilística para caracterizar a variabilidade dos parâmetros microambientais e a sua contribuição para exposição individual. Adicionalmente, de forma a atingir os objetivos do estudo foi desenvolvido um novo módulo de cálculo de emissões de HAPs provenientes do transporte rodoviário. Neste estudo, um sistema de modelação, incluindo os modelos de transporteemissões- dispersão-exposição, foi aplicado na área urbana de Leiria para quantificação de exposição individual a PM2.5 e benzeno. Os resultados de modelação foram validados com base em medições obtidas por monitorização pessoal e monitorização biológica verificando-se uma boa concordância entre os resultados do modelo e dados de medições. A metodologia desenvolvida e implementada no âmbito deste trabalho permite analisar e estimar a magnitude, frequência e inter e intra-variabilidade dos níveis de exposição individual, bem como a contribuição de diferentes microambientes, considerando claramente a sequência de eventos de exposição e relação fonte-recetor, que é fundamental para avaliação dos efeitos na saúde e estudos epidemiológicos. O presente trabalho contribui para uma melhor compreensão da exposição individual em áreas urbanas, proporcionando novas perspetivas sobre a exposição individual, essenciais na seleção de estratégias de redução da exposição à poluição atmosférica urbana, e consequentes efeitos na saúde.

Bio-removal of toxic metals by metal resistant anaerobic bacteria: molecular characterization and performance studies

Tese de dout., Ciências Biotecnológicas (Biotecnologia Ambiental), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Characterization of the toxic potential of nanomaterials using in vitro cell models

Os nanomateriais são estruturas com uma ou mais dimensões inferiores a 100 nanómetros. Devido à sua pequena dimensão, as nanopartículas apresentam atributos únicos, tais como a sua elevada área superficial relativamente à sua massa, reactividade ou força tênsil. Estas características influenciam grandemente algumas das propriedades dos nanomateriais, como a sua hidrofobicidade, carga ou toxicidade. As propriedades das nanopartículas tornam-nas também muito úteis para o Homem, sendo aplicadas em medicina, farmácia, electrónica, cosmética, vestuário e biotecnologia, entre outras. O aumento de produção e utilização de nanomateriais tem vindo a aumentar também a possibilidade de exposição humana a este tipo de partículas, levando a preocupações relativas ao risco de toxicidade aguda ou crónica. A exposição humana pode ocorrer por diversas vias, sendo as mais relevantes a via inalatória, ingestão ou contacto com a pele. Dependendo do material e do órgão-alvo, a exposição a nanomateriais pode conduzir a diferentes consequências biológicas: a nível dos órgãos, os nanomateriais podem levar a inflamação ou a supressão do sistema imunitário e, a nível celular e molecular, a perturbações na estrutura e integridade do genoma, assim como a interacções com moléculas biológicas e inibição da actividade proteica, entre outras consequências. Um dos nanomateriais mais utilizados são os nanotubos de carbono. Estes são constituídos por grafite cilíndrica disposta numa única camada (designados nanotubos de carbono de parede simples) ou em várias (nanotubos de carbono de parede múltipla). Os nanotubos de carbono apresentam propriedades como resistência e condutividade que os tornam muito úteis em aplicações como aparelhos electrónicos, vestuário ou biomedicina; cada vez mais, portanto, se torna provável a exposição ocupacional ou ambiental a este material. A semelhança estrutural destas partículas com fibras de amianto conduziu a questões relativas à sua segurança, pelo que já foram elaborados diversos estudos relativos aos seus efeitos biológicos. Alguns trabalhos sugerem que os nanotubos de carbono têm a capacidade de produzir toxicidade associada a lesões físicas, à produção de danos oxidativos por interacção com mecanismos celulares, ou a morte celular. Outros trabalhos defendem que estas partículas não causam toxicidade relevante. O projecto de dimensão europeia “NANoREG” surgiu da necessidade de ser desenvolvida legislação e regulamentação apoiadas em conhecimento científico e adequadas à produção e ao uso actual de nanomateriais. Este trabalho teve como objectivos principais a determinação do potencial cito- e genotóxico de um conjunto de nanotubos de carbono de parede múltipla (designados NM-400 a NM-403), e a consequente tentativa de associar este potencial às características físico-químicas dos nanomateriais. Com este objectivo, a exposição por via inalatória foi analisada, pelo uso de duas linhas celulares in vitro provenientes de tecidos do tracto respiratório: epitélio pulmonar (células A549) e epitélio brônquico (células BEAS-2B). A citotoxicidade dos nanotubos de carbono foi analisada com base em três parâmetros. Em primeiro lugar, as células foram contadas após a exposição aos nanomateriais utilizando o corante azul de tripanao para excluir as células inviáveis; a contagem foi realizada 3 e 24 horas após a exposição das células aos nanotubos. Os resultados deste ensaio apontam para a ausência de citotoxicidade após a exposição mais curta, e dados inconsistentes após a mais longa. Em segundo lugar, foi realizado o ensaio clonogénico, que se baseia na capacidade das células de se dividirem após a exposição ao agente em estudo. Este ensaio só foi realizado nas células A549 pois as BEAS-2B não permitem a formação de colónias. Os resultados apontam para uma citotoxicidade após a exposição a todos os nanomateriais, cuja intensidade se relaciona directamente com o tamanho das partículas, assim como ao seu diâmetro e área de superfície. Em terceiro lugar, foram calculados dois índices de viabilidade no ensaio dos Micronúcleos, cujo objectivo é avaliar se as células se dividiram durante a exposição aos nanomateriais em comparação com o controlo, e cujos resultados apresentam incoerências em relação aos outros já referidos. Estes dados podem ser justificados pelas diferenças existentes entre os ensaios, como o tempo de exposição ou a densidade celular. Os efeitos genotóxicos dos nanomateriais foram avaliados com recurso aos ensaios do cometa e dos micronúcleos. O primeiro detecta lesões pequenas e reversíveis nas cadeias de DNA, ao passo que o segundo detecta efeitos irreversíveis ao nível cromossómico, tais como quebras ou perdas de cromossomas. Os resultados do ensaio do cometa sugerem que nenhum dos nanomateriais testados é genotóxico, uma vez que em ambas as linhas celulares e em ambos os tempos de exposição, os resultados são negativos. O ensaio dos micronúcleos, por outro lado, aponta para existência de genotoxicidade de dois dos nanomateriais (NM-401 e NM-402) nas células A549, mas não em células BEAS-2B. Uma possível explicação para estes dados aparentemente contraditórios pode residir na hipótese de estes nanotubos de carbono serem compostos com efeitos aneugénicos, mas não clastogénicos: o ensaio dos micronúcleos permite a detecção de ambos os mecanismos de acção, ao passo que o ensaio do cometa só revela a quebra de cadeias de DNA. Outra justificação para os resultados é a possível influência da perda de viabilidade das células analisadas. Com base nos dados do ensaio clonogénico, estas partículas apresentam elevada citotoxicidade, pelo que os resultados dos ensaios de genotoxicidade, em particular do Ensaio do Cometa, poderão ser afectados por estes efeitos. O meio de cultura usado para expor as células aos nanomateriais também é um parâmetro muito relevante na sua toxicidade. Neste trabalho, foram usados meios de cultura com proteínas, que podem ser adsorvidas pelas partículas e formar uma “corona” em seu redor; este processo pode alterar propriedades importantes dos nanomateriais, entre os quais o seu potencial efeito biológico. Também o método usado para conseguir uma dispersão homogénea de nanomateriais pode conduzir a diferenças nos resultados dos ensaios de toxicidade. Neste estudo, foram observados alguns problemas relativos à perda de homogeneidade das dispersões de nanotubos de carbono, o que pode ter conduzido a que as células fossem expostas a massas de partículas de grandes dimensões conjuntamente com partículas individualizadas. O período durante o qual as células são expostas ao nanomaterial é também um aspecto essencial na produção de efeitos tóxicos. Resumindo, este projecto forneceu informações relativas à toxicidade dos nanotubos de carbono que, complementadas pelas conclusões dos restantes parceiros do projecto europeu, poderão contribuir significativamente para a avaliação de risco e criação de legislação relativamente à utilização de nanomateriais. Na linha celular BEAS-2B, nenhum destes nanomateriais parece produzir efeitos tóxicos, quer a nível de célula, quer a nível de genoma, nas condições experimentais utilizadas. Nas células A549, por outro lado, os três nanomateriais testados parecem ser acentuadamente citotóxicos, e dois deles (NM-401 e NM-402) são também genotóxicos. Em relação a perspectivas futuras, pode-se concluir que nem todos os ensaios de toxicidade existentes actualmente são adequados à análise de nanopartículas, pelo que novas metodologias devem ser desenvolvidas e complementadas por ensaios in vivo. Todos os estudos envolvendo nanomateriais deverão também descrever as características físico-químicas dos materiais usados, de forma a se poderem comparar os resultados com os de outros trabalhos.

Assessment of direct radiological risk and indirect associated toxic risks originated by Coal-Fired Power Plants

Over the past few decades there has been some discussion concerning the increase of the natural background radiation originated by coal-fired power plants, due to the uranium and thorium content present in combustion ashes. The radioactive decay products of uranium and thorium, such as radium, radon, polonium, bismuth and lead, are also released in addition to a significant amount of 40K. Since the measurement of radioactive elements released by the gaseous emissions of coal power plants is not compulsory, there is a gap of information concerning this situation. Consequently, the prediction of dispersion and mobility of these elements in the environment, after their release, is based on limited data and the radiological impact from the exposure to these radioactive elements is unknown. This paper describes the methodology that is being developed to assess the radiological impact due to the raise in the natural background radiation level originated by the release and dispersion of the emitted radionuclides. The current investigation is part of a research project that is undergoing in the vicinity of Sines coal-fired power plant (south of Portugal) until 2013. Data from preliminary stages are already available and possible of interpretation.

Identification of atmospheric pollutants control mechanisms during co-combustion of coal and non-toxic wastes

Doctoral dissertation for Ph.D. degree in Sustainable Chemistry

New insights on nevirapine use: A mechanistic perspective of its toxic events

Introdução: A nevirapina (NVP) é um fármaco amplamente utilizado para o tratamento da infecção pelo vírus da imunodeficiência humana de tipo 1 (VIH-1), no entanto, a sua utilização na terapêutica crónica tem sido associada à toxicidade hepática e cutânea. O sexo feminino é um factor de risco para o desenvolvimento destes eventos tóxicos, mas as razões para essa diferença entre o sexo feminino e masculino não estão completamente esclarecidas. Diferenças na biotransformação da NVP e na formação de metabolitos tóxicos podem ser as causas subjacentes. O presente trabalho teve como objectivo explorar as diferenças entre homens e mulheres na biotransformação da NVP, como um potencial factor de toxicidade induzida por este fármaco anti-retroviral. Materiais e Métodos: Todos os indivíduos incluídos no presente estudo eram adultos com infecção por VIH-1 confirmada, tratados com 400 mg de NVP uma vez ao dia, durante pelo menos 1 mês. Foram colhidas amostras de sangue e os níveis de NVP e dos metabolitos de fase I foram determinados por cromatografia líquida de alta performance. Os dados antropométricos e clínicos e os perfis de metabolitos foram avaliados de forma a averiguar possíveis diferenças relacionadas com o sexo dos indivíduos. Resultados: Foram incluídos 52 doentes (63% do sexo masculino). O peso corporal foi inferior nas mulheres (p = 0.028) e o sexo feminino foi associado a maiores níveis de fosfatase alcalina (p = 0.036) e lactato desidrogenase (p = 0.037). Os níveis plasmáticos de NVP (p = 0.030) e 3-hidroxi-NVP (p = 0.035), assim como as proporções de 12-hidroxi-NVP (p = 0.037) e 3-hidroxi-NVP (p = 0.001) foram maiores nas mulheres, quando ajustados pelo peso corporal dos indivíduos. Discussão: Existem diferenças na biotransformação da NVP entre homens e mulheres, particularmente na formação de 12-hidroxi-NVP e 3-hidroxi-NVP. Estes resultados apontam para uma formação de metabolitos reactivos, que é dependente do sexo e que pode contribuir para o perfil de dimorfismo sexual associado às reacções tóxicas induzidas pela NVP.

Toxic substances in blood: an analysis of current recommendations under a Bayesian (decision) approach

This article extends existing discussion in literature on probabilistic inference and decision making with respect to continuous hypotheses that are prevalent in forensic toxicology. As a main aim, this research investigates the properties of a widely followed approach for quantifying the level of toxic substances in blood samples, and to compare this procedure with a Bayesian probabilistic approach. As an example, attention is confined to the presence of toxic substances, such as THC, in blood from car drivers. In this context, the interpretation of results from laboratory analyses needs to take into account legal requirements for establishing the 'presence' of target substances in blood. In a first part, the performance of the proposed Bayesian model for the estimation of an unknown parameter (here, the amount of a toxic substance) is illustrated and compared with the currently used method. The model is then used in a second part to approach-in a rational way-the decision component of the problem, that is judicial questions of the kind 'Is the quantity of THC measured in the blood over the legal threshold of 1.5 μg/l?'. This is pointed out through a practical example.