An arsenic-contaminated field trial to assess the uptake and translocation of arsenic by genotypes of rice

Compared to other cereals, rice has particular strong As accumulation. Therefore, it is very important to understand As uptake and translocation among different genotypes. A field study in Chenzhou city, Hunan province of China, was employed to evaluate the effect of arsenic-contaminated soil on uptake and distribution in 34 genotypes of rice (including unpolished rice, husk, shoot, and root). The soil As concentrations ranged from 52.49 to 83.86 mg kg-1, with mean As concentration 64.44 mg kg-1. The mean As concentrations in rice plant tissues were different among the 34 rice genotypes. The highest As concentrations were accumulated in rice root (196.27-385.98 mg kg-1 dry weight), while the lowest was in unpolished rice (0.31-0.52 mg kg-1 dry weight). The distribution of As in rice tissue and paddy soil are as follows root » soil > shoot > husk > unpolished rice. The ranges of concentrations of inorganic As in all of unpolished rice were from 0.26 to 0.52 mg kg-1 dry weight. In particular, the percentage of inorganic As in the total As was more than 67 %, indicating that the inorganic As was the predominant species in unpolished rice. The daily dietary intakes of inorganic As in unpolished rice ranged from 0.10 to 0.21 mg for an adult, and from 0.075 to 0.15 mg for a child. Comparison with tolerable daily intakes established by FAO/WHO, inorganic As in most of unpolished rice samples exceeded the recommended intake values. The 34 genotypes of rice were classified into four clusters using a criteria value of rescaled distance between 5 and 10. Among the 34 genotypes, the genotypes II you 416 (II416) with the lowest enrichment of As and the lowest daily dietary intakes of inorganic As could be selected as the main cultivar in As-contaminated field.

Antioxidant Activity of Sesame (Seasamum indicum L.) Cake Extract for the Stabilization of Olein Based Butter

This study investigated the effect of ethanolic sesame cake extract on oxidative stabilization of olein based butter. Fractionation of cream was performed by the dry fractionation technique at 10 °C, ethanolic sesame cake extract (SCE) was incorporated into olein butter at three different concentrations; 50, 100, 150 ppm (T1, T2, T3) and compared with a control. The total phenolic content of SCE was 1.72 (mg gallic acid equivalent g−1 dry weight). The HPLC characterization of ethanolic sesame cake revealed the presence of antioxidant substances viz. sesamol, sesamin and sesamolin in higher extents. The DPPH free radical scavenging activity of SCE was 83 % as compared to 64 and 75 % in BHA and BHT. Fractionation of milk fat at 10 °C significantly (p < 0.05) influenced the fatty acid profile of olein and stearin fractions from the parent milk fat. Concentration of oleic acid and linoleic acid in olein fraction was 29.62 and 33.46 % greater than the parent milk fat. The loss of C18:1 in 90 days stored control and T3 was 24.37 and 3.58 %, respectively, 58 % C18:2 was broken down into oxidation products over 8.55 % loss in T3. The peroxide value of control, T1, T2, BHT and T3 in the Schaal oven test was 8.59, 8.12, 5.34, 4.52 and 2.49 (mequiv O2/kg). The peroxide value and anisidine value of 3 months stored control and T3 were 1.21, 0.42 (mequiv O2/kg) and 27.25, 13.25, respectively. The concentration of conjugated dienes in T3 was substantially less than the control. The induction period of T3 was considerably higher than BHT with no difference in sensory characteristics (p > 0.05). Ethanolic SCE can be used for the long-term preservation of olein butter, with acceptable sensory characteristics.

Arsenic Bioaccessibility in Cooked Rice as Affected by Arsenic in Cooking Water

Rice can easily accumulate arsenic (As) into its grain and is known to be the highest As-containing cereal. In addition, the As burden in rice may increase during its processing (such as when cooking using As-polluted water). The health risk posed by the presence of As in cooked rice depends on its release from the matrix along the digestive system (bioaccessibility). Two types of white polished long-grain rice, namely, nonparboiled and parboiled (total As: 202 and 190 mu g As kg(-1), respectively), were cooked in excess of water with different levels of As (0, 10, 47, 222, and 450 mu g As L-1). The bioaccessibility of As from these cooked rice batches was evaluated with an in vitro dynamic digestion process. Rice cooked with water containing 0 and 10 mu g As L-1 showed lower As concentrations than the raw (uncooked) rice. However, cooking water with relatively high As content (>= 47 mu g As L-1) significantly increased the As concentration in the cooked rice up to 8- and 9-fold for the nonparboiled and parboiled rice, respectively. Parboiled rice, which is most widely consumed in South Asia, showed a higher percentage of As bioaccessibility (59% to 99%) than nonparboiled rice (36% to 69%) and most of the As bioaccessible in the cooked rice (80% to 99%) was released easily during the first 2 h of digestion. The estimation of the As intake through cooked rice based on the As bioaccessibility highlights that a few grams of cooked rice (less than 25 g dry weight per day) cooked with highly As contaminated water is equivalent to the amount of As from 2 L water containing the maximum permissible limit (10 mu g As L-1).

Arsenic in Rice Grown in Low-Arsenic Environments in Bangladesh

It has previously been reported that rice grown in regions of Bangladesh with low-arsenic (As) concentrations in irrigation water can have relatively high concentrations of As within their grains. This study aims to determine how widespread this issue is, and determine the seasonal variation in grain As in these regions. Levels of As were measured in shallow tube well (STW) water, soils, and rice grains collected during the Boro (dry) and Aman (wet) seasons from six Upazilas (sub-districts) of Bangladesh where As levels in groundwater were known to be low. In all the Upazilas, the As concentrations in STW water were <50 mu g L-1. The As levels in soil samples collected from the Upazilas ranged between 0.2-4.0 mgkg(-1) in the sam-ples collected during the Boro season, and 0.4-5.7 mg kg(-1) in the samples collected in the Aman season. Levels of As in both Boro and Aman rice grain varied widely: in Boro 0.02-0.45 mg kg(-1), and in Aman 0.01-0.29 mg kg(-1). Additionally, a household survey of dietary habits was also conducted in one Upazila by estimating As ingestion by 15 head female members. On average, the women consumed 3.1 L of water, 1.1 kg of cooked rice, and 42 g dry weight of curry per day. The total As ingestion rates ranged from 31.1-129.3 mu g day(-1) (mean 63.5 mu g kg(-1)). These findings indicate that the major route of As ingestion in low groundwater As areas of Bangladesh is rice, followed by curry and then water.

Concomitant osmotic and chaotropicity-induced stresses in Aspergillus wentii: compatible solutes determine the biotic window

Whereas osmotic stress response induced by solutes has been well-characterized in fungi, less is known about the other activities of environmentally ubiquitous substances. The latest methodologies to define, identify and quantify chaotropicity, i.e. substance-induced destabilization of macromolecular systems, now enable new insights into microbial stress biology (Cray et al. in Curr Opin Biotechnol 33:228–259, 2015a, doi:10.​1016/​j.​copbio.​2015.​02.​010; Ball and Hallsworth in Phys Chem Chem Phys 17:8297–8305, 2015, doi:10.​1039/​C4CP04564E; Cray et al. in Environ Microbiol 15:287–296, 2013a, doi:10.​1111/​1462-2920.​12018). We used Aspergillus wentii, a paradigm for extreme solute-tolerant fungal xerophiles, alongside yeast cell and enzyme models (Saccharomyces cerevisiae and glucose-6-phosphate dehydrogenase) and an agar-gelation assay, to determine growth-rate inhibition, intracellular compatible solutes, cell turgor, inhibition of enzyme activity, substrate water activity, and stressor chaotropicity for 12 chemically diverse solutes. These stressors were found to be: (i) osmotically active (and typically macromolecule-stabilizing kosmotropes), including NaCl and sorbitol; (ii) weakly to moderately chaotropic and non-osmotic, these were ethanol, urea, ethylene glycol; (iii) highly chaotropic and osmotically active, i.e. NH4NO3, MgCl2, guanidine hydrochloride, and CaCl2; or (iv) inhibitory due primarily to low water activity, i.e. glycerol. At ≤0.974 water activity, Aspergillus cultured on osmotically active stressors accumulated low-M r polyols to ≥100 mg g dry weight−1. Lower-M r polyols (i.e. glycerol, erythritol and arabitol) were shown to be more effective for osmotic adjustment; for higher-M r polyols such as mannitol, and the disaccharide trehalose, water-activity values for saturated solutions are too high to be effective; i.e. 0.978 and 0.970 (25 ºC). The highly chaotropic, osmotically active substances exhibited a stressful level of chaotropicity at physiologically relevant concentrations (20.0–85.7 kJ kg−1). We hypothesized that the kosmotropicity of compatible solutes can neutralize chaotropicity, and tested this via in-vitro agar-gelation assays for the model chaotropes urea, NH4NO3, phenol and MgCl2. Of the kosmotropic compatible solutes, the most-effective protectants were trimethylamine oxide and betaine; but proline, dimethyl sulfoxide, sorbitol, and trehalose were also effective, depending on the chaotrope. Glycerol, by contrast (a chaotropic compatible solute used as a negative control) was relatively ineffective. The kosmotropic activity of compatible solutes is discussed as one mechanism by which these substances can mitigate the activities of chaotropic stressors in vivo. Collectively, these data demonstrate that some substances concomitantly induce chaotropicity-mediated and osmotic stresses, and that compatible solutes ultimately define the biotic window for fungal growth and metabolism. The findings have implications for the validity of ecophysiological classifications such as ‘halophile’ and ‘polyextremophile’; potential contamination of life-support systems used for space exploration; and control of mycotoxigenic fungi in the food-supply chain.

Concentration effects of 1,2-dichlorobenzene on soil microbiology

The effect of increasing concentrations (65, 130, 325, 1,300, and 3,250 μg/g soil dry weight) of 1,2-dichlorobenzene (1,2-DCB) on the microbial biomass, metabolic potential, and diversity of culturable bacteria was investigated using soil microcosms. All doses caused a significant (p < 0.05) decrease in viable hyphal fungal length. Bacteria were more tolerant, only direct total counts in soils exposed to 3,250 μg/g were significantly (p < 0.05) lower than untreated controls, and estimates of culturable bacteria showed no response. Pseudomonads counts were stimulated by 1,2-DCB concentrations of up to 325 μg/g; above this level counts were similar to controls. Fatty acid methyl ester analysis of taxonomic bacterial composition reflected the differential response of specific genera to increasing 1,2-DCB concentrations, especially the tolerance of Bacillus to the highest concentrations. The shifts in community composition were reflected in estimates of metabolic potential assessed by carbon assimilation (Biolog) ability. Significantly fewer (p < 0.05) carbon sources were utilized by communities exposed to 1,2-DCB concentrations greater than 130 μg/g (<64 carbon sources utilized) than control soils (83); the ability to assimilate individual carbohydrates sources was especially compromised. The results of this study demonstrate that community diversity and metabolic potential can be used as effective bioindicators of pollution stress and concentration effects.

Response of soil microbial biomass to 1,2-dichlorobenzene addition in the presence of plant residues

The impact of 1,2-dichlorobenzene on soil microbial biomass in the presence and absence of fresh plant residues (roots) was investigated by assaying total vital bacterial counts, vital fungel hyphal length, total culturable bacterial counts, and culturable fluorescent pseudomonads. Diversity of the fluorescent pseudomonads was investigated using fatty acid methyl ester (FAME) characterization in conjunction with metabolic profiling of the sampled culturable community (Biolog). Mineralization of [¹⁴C]1,2- dichlorobenzene was also assayed. Addition of fresh roots stimulated 1,2- dichlorobenzene mineralization by over 100%, with nearly 20% of the label mineralized in root-amended treatments by the termination of the experiment. Presence of roots also buffered any impacts of 1,2-dichlorobenzene on microbial numbers. In the absence of roots, 1,2-dichlorobenzene greatly stimulated total culturable bacteria and culturable pseudomonads in a concentration-dependent manner. 1,2-Dichlorobenzene, up to concentrations of 50 μg/g soil dry weight had little or no deleterious effects on microbial counts. The phenotypic diversity of the fluorescent pseudomonad population was unaffected by the treatments, even though fluorescent pseudomonad numbers were greatly stimulated by both roots and 1,2-dichlorobenzene. The presence of roots had no detectable impact on the bacterial community composition. No phenotypic shifts in the natural population were required to benefit from the presence of roots and 1,2-dichlorobenzene. The metabolic capacity of the culturable bacterial community was altered in the presence of roots but not in the presence of 1,2-dichlorobenzene. It is argued that the increased microbial biomass and shifts in metabolic capacity of the microbial biomass are responsible for enhanced degradation of 1,2-dichlorobenzene in the presence of decaying plant roots.

Edaphic factors affecting the toxicity and accumulation of arsenate in the earthworm Lumbricus terrestris

The toxicity and accumulation of arsenate was determined in the earthworm Lumbricus terrestris in soil from different layers of a forest profile. Toxicity increased fourfold between 2 and 10 d. Edaphic factors (pH, soil organic matter, and depth in soil profile) also affected toxicity with a three fold decrease in the concentration that causes 50% mortality with increasing depth in soil (from 0-70 mm to 500-700 mm). In a 4-d exposure study, there was no evidence of arsenic bioconcentration in earthworm tissue, although bioaccumulation was occurring. There was a considerable difference in tissue residues between living and dead earthworms, with dead worms having higher concentrations. This difference was dependent on both soil arsenate concentration and on soil type. Over a wide range of soil arsenate concentrations, earthworm arsenic residues are homeostatically maintained in living worms, but this homeostasis breaks down during death. Alternatively, equilibration with soil residues may occur via accumulation after death. In long-term accumulation studies in soils dosed with a sublethal arsenate concentration (40 μg/g dry weight), bioconcentration of arsenate did not occur until day 12, after which earthworm concentrations rose steadily above the soil concentration, with residues in worms three fold higher than soil concentrations by the termination of the study (23 d). This bioconcentration only occurred in depurated worms over the time period of the study. Initially, depurated worms had lower arsenic concentrations than undepurated until tissue concentrations were equivalent to the soil concentration. Once tissue concentration was greater than soil concentration, depurated worms had higher arsenic residues than undepurated.

Response of soil microbial communities to single and multiple doses of an organic pollutant

The effect of 100 μg 1,2-dichlorobenzene (1,2-DCB) g^-1 dry weight (dw) of soil introduced either as a single dose or multiple (10 fortnightly) doses of 10 μg g^-1 dw, on the microbial biomass, diversity of culturable bacterial community and the rate of 1,2-DCB mineralisation, were compared. After 22 weeks exposure both application regimes significantly reduced total bacterial counts and viable fungal hyphal length. The single dose had the greatest overall inhibitory effect, although the extent of inhibition varied throughout the study. Total culturable bacterial counts, determined after 22 weeks exposure showed little response to 1,2-DCB, but pseudomonad counts in single and multiple treatments were reduced to 9.7 and 0.147%, respectively, of the numbers detected in the control soil. The effect of 1,2-DCB application on the taxonomic composition of the culturable bacteria community was determined by fatty acid methyl ester (FAME) analysis. Compared to control soils, the single dose treatment had a lower percentage of Arthrobacter and Micrococcus. Multiple applications had a significant effect upon pseudomonad abundance, which represented only 2% of the identified community, compared to 45.6% in the control. The multi-dosed soils contained a high percentage of bacilli (> 25%). The effects of 1,2-DCB applications on the metabolic potential of the soil microbial community was determined by BIOLOG profiling. The number of carbon compounds utilised by the community in the multi-dosed soils (49 positives) was significantly less (P < 0.05) than detected in the single dose treatment (76) and control (66). The rate of 1,2-DCB mineralisation, determined by ¹⁴CO₂ production from radiolabelled [UL-¹⁴C] 1,2-DCB, declined throughout the study, and after 22 weeks was slightly but significantly (P < 0.05) lower in the multiply- than the singly-dosed soils. The differential response to 1,2-DCB treatments was attributed to its reduced bioavailability in soils after a single exposure, compared to multiple applications.

Determinant factors for the use of imposex in TBT pollution monitoring

Os compostos de tributilestanho (TBT) foram utilizados como biocidas em tintas antivegetativas (AV) e amplamente aplicados, durante décadas, de forma a evitar a bioincrustação em superfícies submersas, principalmente em cascos de embarcações. Os seus efeitos deletérios em organismos não-alvo tornaram-se evidentes após o aparecimento de gastrópodes prosobrâquios com imposex – sobreposição de caracteres sexuais masculinos sobre o tracto reprodutivo das fêmeas. Desde então, a expressão do imposex em prosobrânquios tem sido amplamente utilizada como biomarcador da poluição por TBT. Um dos objectivos da presente tese é avaliar se as mais recentes restrições legais na utilização das tintas AV com compostos organoestânicos (OTs) resultaram numa redução da poluição pelos mesmos na costa continental Portuguesa. Para tal, foi levada a cabo a análise da variação temporal do imposex como biomarcador dos níveis ambientais de TBT e a validação de procedimentos, de modo a seguir de forma precisa a evolução da intensidade deste fenómeno ao longo do tempo. O trabalho de investigação teve início no momento em que a ineficácia da legislação anterior (Directiva 89/677/CEE) na redução da poluição por TBT no litoral Português era reportada na literatura e quando estavam já agendados instrumentos decisivos para a diminuição definitiva deste tipo de poluição: o Regulamento (CE) N.º 782/2003 do Parlamento e do Conselho da União Europeia (UE) que bania as tintas AV baseadas em TBT na sua frota a partir de 1 de Julho de 2003; a "Convenção Internacional sobre o Controlo de Sistemas Antivegetativos Nocivos em Navios” (Convenção AFS), adoptada em 2001 pela Organização Marítima Internacional (OMI), que procurava erradicar os OTs da frota mundial até 2008. Os níveis de imposex e as concentrações de OTs nos tecidos de fêmeas de Nucella lapillus foram medidos em 17 locais de amostragem ao longo da costa Portuguesa em 2003, a fim de se avaliarem os impactos do TBT nas populações desta espécie e de se criar uma base de dados para seguir a sua evolução futura. O índice da sequência do vaso deferente (VDSI), o índice do tamanho relativo do pénis (RPSI) e a percentagem de fêmeas afectadas por imposex (%I) foram utilizados na medição da intensidade deste fenómeno em cada local de amostragem e os seus valores variaram entre 0,20-4,04, 0,0- 42,2% e 16,7-100,0%, respectivamente. Foram encontradas fêmeas estéreis em 3 locais de amostragem, com percentagens a variar entre 4,0 e 6,2%. As concentrações de TBT e dibutilestanho (DBT) nas fêmeas variaram respectivamente entre 23-138 e <10-62 ng Sn.g-1 de peso seco, e o conteúdo em TBT nos tecidos revelou-se significativamente correlacionado com o imposex (nomeadamente com o RPSI e o VDSI). Os níveis de expressão do fenómeno e o conteúdo em OTs nos tecidos, foram superiores na proximidade de portos, confirmando as conclusões obtidas anteriormente por outros autores de que os navios e a actividade dos estaleiros são as principais fontes destes compostos no litoral Português. As infra-estruturas associadas ás principais fontes de OTs – portos, estaleiros e marinas – estão geralmente localizadas no interior de estuários, motivo pelo qual estas áreas têm vindo a ser descritas como as mais afectadas por estes poluentes. Por esta razão, foi levado a cabo o estudo pormenorizado da poluição por TBT na Ria de Aveiro, como caso de estudo representativo da poluição por estes compostos num sistema estuarino em Portugal continental. N. lapillus foi usada como bioindicador para avaliar a tendência temporal da poluição por TBT nesta área entre 1997 e 2007. Foi registada uma diminuição da intensidade do imposex após 2003, embora as melhorias mais evidentes tenham sido observadas entre 2005 e 2007, provavelmente devido à implementação do Regulamento (CE) N.º 782/2003 que proibiu a aplicação de tintas AV com TBT em navios com a bandeira da UE. Apesar desses progressos, as análises ao conteúdo em OTs nos tecidos de fêmeas de N. lapillus e em amostras de água colhidas em 2006 indicaram contaminação recente por TBT na área de estudo, evidenciando assim a permanência de fontes de poluição. A utilização de N. lapillus como bioindicador da poluição por TBT na Ria de Aveiro apresenta algumas limitações uma vez que a espécie não ocorre nas áreas mais interiores da Ria e não vive em contacto com sedimentos. Assim, a informação obtida a partir da sua utilização como bioindicador é fundamentalmente relativa aos níveis de TBT na coluna de água. Foi então necessário recorrer a um bioindicador complementar – Hydrobia ulvae – para melhor avaliar a evolução temporal da poluição por TBT no interior deste sistema estuarino e estudar a persistência de TBT nos sedimentos. Não foi registada uma diminuição dos níveis de imposex em H. ulvae na Ria de Aveiro entre 1998 e 2007, apesar da aplicação do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Pelo contrário, houve um aumento global significativo da percentagem de fêmeas afectadas por imposex e um ligeiro aumento do VDSI, contrastando com o que tem sido descrito para outros bioindicadores na Ria de Aveiro no mesmo período. Estes resultados mostram que a diferente biologia/ecologia das espécies indicadoras determina vias distintas de acumulação de TBT, apontando a importância da escolha do bioindicador dependendo do compartimento a ser monitorizado (sedimento versus água). A ingestão de sedimento como hábito alimentar em H. ulvae foi discutida como sendo a razão para a escolha da espécie como indicadora da contaminação dos sedimentos por TBT. Foram também estudados os métodos mais fiáveis para reduzir a influência de variáveis críticas na medição dos níveis de imposex em H. ulvae. As comparações de parâmetros do imposex baseados em medições do pénis devem ser sempre realizadas sob condições de narcotização bem standardizadas uma vez que este procedimento provoca um aumento significativo do comprimento do pénis (PL) em ambos os sexos. O VDSI, a % e o PL em ambos os sexos revelaram ser fortemente influenciados pelo tamanho dos espécimes: a utilização de fêmeas mais pequenas conduz à subestimação do VDSI, da %I e do PL, enquanto que diferenças no tamanho dos machos provocam variações no índice do comprimento relativo do pénis (RPLI), independentemente dos níveis de poluição por TBT. Existe, portanto, a necessidade de controlar algumas variáveis envolvidas na análise do imposex que mostraram afectar a fiabilidade dos resultados. Uma vez que N. lapillus é o principal bioindicador dos efeitos biológicos específicos do TBT para a área da OSPAR, foi também estudada a influência de algumas variáveis na avaliação dos níveis de imposex nesta espécie, especificamente as relacionadas com o ciclo reprodutor e o tamanho dos espécimes. O estudo do ciclo reprodutor e a variação sazonal/espacial do comprimento do pénis do macho (MPL) incidiu num único local no litoral Português (Areão – região de Aveiro) de forma a avaliar se o RPSI varia sazonal e espacialmente na mesma estação de amostragem e se tais variações influenciam os resultados obtidos em programas de monitorização do imposex. Nos meses de Dezembro de 2005 a Junho de 2007, foram encontrados espécimes de N. lapillus sexualmente maturos e potencialmente aptos para a reprodução. Contudo, foi também evidente um padrão sazonal do ciclo reprodutor – o estado de desenvolvimento da gametogénese nas fêmeas variou sazonalmente e ocorreu uma diminuição do volume da glândula da cápsula e do factor de condição no final do Verão / início do Outono. Contrariamente, a gametogénese nos machos não apresentou variação sazonal significativa, embora os valores mais baixos do factor de condição, do comprimento do pénis e dos volumes de esperma e da próstata tenham também sido registados no final do Verão / início do Outono. Além disso, o MPL mostrou variar, no mesmo local de amostragem, inversamente com a distância aos ninhos de cápsulas ovígeras; um aumento dos valores do MPL foi também observado em espécimes de maior tamanho. Todas estas variações no MPL introduzem desvios nos resultados da avaliação do imposex quando é usado o RPSI. A magnitude do erro envolvido foi quantificada e revelou-se superior em locais com níveis mais elevados de poluição por TBT. Apesar do RPSI ser um índice que fornece informação importante sobre os níveis de poluição por TBT, a sua interpretação deve ser cuidadosa e realizada complementarmente com os outros índices, destacando-se o VDSI como índice mais fiável e com significado biológico mais expressivo. Novas campanhas de monitorização do imposex em N. lapillus foram realizadas ao longo da costa Portuguesa em 2006 e 2008, e os resultados subsequentemente comparados com a base de dados criada em 2003,de forma a avaliar a evolução da poluição por TBT no litoral Português naquele período. Nestes estudos foram aplicados novos procedimentos na monitorização e tratamento dos dados, de forma a minimizar a variação nos índices de avaliação do imposex induzida pelos factores acima descritos, para seguir com maior consistência a tendência da poluição por TBT entre 2003 e 2008. Foi observado um declínio global significativo na intensidade de imposex na área de estudo durante o referido período e a qualidade ecológica da costa Portuguesa, segundo os termos definidos pela Comissão OSPAR, revelou melhorias notáveis após 2003 confirmando a eficácia do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Não obstante, as populações de N. lapillus revelaram-se ainda amplamente afectadas por imposex, tendo sido detectadas emissões de TBT na água do mar ao longo da costa em 2006, apesar da restrição anteriormente referida. Estes inputs foram atribuídos principalmente aos navios que à data ainda circulavam com tintas AV com TBT aplicadas antes de 2003, uma vez que a sua utilização nas embarcações foi apenas proibida em 2008. Considerando que o Regulamento (CE) N.º 782/2003 constitui uma antecipação da proibição global da OMI que entrou em vigor em Setembro de 2008, prevê-se, por analogia, que haja uma rápida diminuição da poluição por TBT à escala mundial num futuro próximo. Na sequência desta previsão, é apresentada uma discussão teórica preliminar relativamente ás possíveis estratégias usadas por N. lapillus na recolonização de locais onde, no passado, as populações terão aparentemente sido extintas devido a níveis extremamente elevados de TBT. Estes locais são tipicamente zonas abrigadas junto de infra-estruturas portuárias, cuja recolonização por esta espécie será provavelmente muito lenta dada a mobilidade reduzida dos adultos e o ciclo de vida não apresentar fase larvar pelágica. Foram então equacionadas duas hipotéticas vias de recolonização de zonas abrigadas por espécimes provenientes de populações de costa aberta/exposta: a migração de adultos e/ou a dispersão de juvenis. No entanto, em ambos os casos, estaria implicada a transposição de um problema amplamente descrito na bibliografia: as populações de N. lapillus de costa aberta podem apresentar um fenótipo muito diferente das de zonas abrigadas, podendo inclusivamente variar no número de cromossomas. A recolonização pode portanto não ter sucesso pelo simples facto dos novos recrutas não estarem bem adaptados aos locais a recolonizar. Para analisar este problema, foram estudados tanto a forma da concha de espécimes de N. lapillus ao longo da costa Portuguesa como o respectivo número de cromossomas. Embora a forma da concha tenha revelado diferenças, de acordo com o grau de hidrodinamismo entre as populações de N. lapillus avaliadas, o cariótipo 2n = 26, típico de zonas expostas, foi registado em todos os locais amostrados. Por outro lado, foi também testada em laboratório a possível mortalidade de juvenis em dispersão no interior menos salino dos estuários. Foi então verificada a ocorrência de mortalidade elevada de juvenis expostos a salinidades baixas (=100% após 1 hora a salinidades ≤9 psu), o que também pode comprometer a recolonização de zonas estuarinas menos salinas por esta via. Mesmo assim, os juvenis mostraram um comportamento de flutuação à superfície da água em condições laboratoriais, que pode ser considerado um benefício específico na colonização de áreas mais internas dos estuários, se tal facto vier a ser confirmado em estudos de campo. As conclusões deste estudo contribuem certamente para a descrição do final da “história do TBT” dado que, uma vez controlados alguns factores determinantes no uso do imposex como biomarcador, a avaliação do declínio da poluição por estes compostos, agora esperado à escala global, se torna mais rigorosa.

Assessment of higher plant species suitability for ecological restoration following major disturbance

O presente trabalho é constituído por uma revisão bibliográfica e uma série de estudos científicos experimentais visando a melhoria do conhecimento da ecologia de germinação e resposta ao estresse hídrico em arbustos autóctones. Estes estudos pretendem contribuir para o conhecimento da ecologia de espécies autóctones na fase de germinação e estabelecimento inicial das plântulas através da comparação da resposta de sementes de diferentes proveniências. Os primeiros três capítulos focam-se no estudo dos efeitos de pré-tratamentos na germinação de espécies arbustivas com diferentes estratégias de regeneração e dormência da semente, enquanto os dois últimos capítulos incidem sobre o efeito de diferentes condições de disponibilidade de água na germinação e estabelecimento inicial de plântulas com potencial para restauro ecológico. Este estudo procura abordar aspetos importantes para o estudo e validação do uso de espécies alvo para o restauro ecológico em zonas Mediterrânicas, contribuindo deste modo para a melhoria do conhecimento da ecologia destas espécies. A germinação foi estimulada por pré-tratamentos de calor em quatro das cinco espécies cuja época de dispersão da semente na primavera-verão. As sementes provenientes do sul tenderam a germinar melhor, sendo ao mesmo tempo mais pequenas. Por outro lado, a germinação em espécies cuja dispersão da semente ocorre no outono-inverno variou de acordo com o tipo de dormência da semente. A germinação foi em geral favorecida pela estratificação a frio na espécie apresentando dormência fisiológica mas foi negativamente afetada na espécie que não apresenta dormência. Esta resposta não foi, no entanto, inequívoca pois foi dependente da proveniência estudada. O efeito da estratificação a frio teve em geral um efeito mais positivo ou menos negativo nas sementes provenientes do norte em comparação com as outras proveniências. O stress-osmótico teve um efeito negativo consistente na germinação de Pistacia lentiscus e outro fator que também afetou significativamente a germinação foi a variabilidade intra-populacional entre plantas mãe. As duas proveniências apresentaram diferentes graus de associação entre a germinação e/ou caracteres morfológicos da semente ou planta mãe. Quanto à fase de estabelecimento inicial, o baixo conteúdo em água teve um claro efeito negativo no investimento relativo em biomassa acima do solo e um efeito positivo no investimento relativo em biomassa abaixo do solo em Arbutus unedo. Esta resposta não foi inequívoca, uma vez que as proveniências diferiram em adaptações morfológicas ao baixo conteúdo em água. As plântulas da proveniência mais húmida revelaram uma taxa de crescimento relativo superior mas, ao mesmo tempo, uma fraca adaptação às condições de baixa disponibilidade de água, quando comparadas com as outras proveniências. Ao contrário, as plântulas da proveniência seca com verão mais quente apresentaram semelhantes diâmetro do colo da raiz, peso seco de folhas e performance fisiológica sob os dois regimes de irrigação. Os resultados obtidos revelam diferenças significativas na germinação e desenvolvimento inicial entre as distintas proveniências que poderão estar relacionadas com adaptações ao clima dos locais de origem. Os desenvolvimentos futuros do estudo dos mecanismos subjacentes às adaptações observadas poderiam contribuir para a melhoria das previsões de sucesso do estabelecimento inicial em diferentes populações de plantas, permitindo aumentar a confiança e efetividade de custos nas decisões relacionadas com ações de restauro ecológico em cenários de alterações climáticas.

Biovalorização de soro de queijo por processos anaeróbios/aeróbios

Este trabalho abordou a valorização de um subproduto da indústria de lacticínios (soro de queijo) através da alteração do funcionamento de processos habitualmente utilizados no contexto do tratamento biológico. Foi avaliada a fermentação acidogénica deste subproduto para maximizar a conversão do seu elevado teor de matéria orgânica em ácidos orgânicos voláteis (AOV) que actualmente são produtos com elevada procura, nomeadamente para produção de polihidroxialcanoatos (PHA). Em ensaios descontínuos e semi-contínuos foi caracterizada a produção e composição de AOV a partir de soro de queijo variando a razão food-to-microorganism (F/M) e a concentração de alcalinidade. Recorrendo à modelação dos resultados através de superfícies de resposta, demonstrou-se que condições de F/M = 4 gCQO g-1SSV combinadas com uma adição elevada de alcalinidade (8 g L-1 expresso como CaCO3) resultaram na conversão de 72% da CQO alimentada em AOV. O acetato e o butirato foram os AOV predominantes (60%), mas elevadas razões F/M combinadas com elevadas alcalinidades promoveram o alongamento da cadeia carboxílica, tendo sido produzidos AOV de maior massa molecular (iso-valerato e n-caproato). O processo de fermentação acidogénica foi posteriormente desenvolvido em modo contínuo num reactor MBBR acidogénico operado a longo prazo. Cargas orgânicas entre 30 e 50 gCQO L-1d-1 permitiram obter um grau de acidificação máximo de 68% no efluente fermentado. Foi ainda demonstrado que uma adição dinâmica de alcalinidade (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) nestas condições estimulou a produção de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) até 42%. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi usado como substrato em reactores SBR operados para selecção de culturas microbianas mistas acumuladoras de PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica em condições aeróbias (“fartura-fome”). Estes sistemas operaram também a longo prazo, e demonstraram ser capazes de remover mais de 96% da CQO alimentada e simultaneamente convertê-la em PHA, até 36% do peso celular seco. A velocidade de remoção de substrato (valor máximo de 1,33 gCQO g-1SSV h-1) foi proporcional ao teor de polímero acumulado, evidenciando o estabelecimento de uma fase de “fome” prolongada que estimulou a selecção de microrganismos com elevada capacidade de acumulação de PHA. Além disso, o teor molar de hidroxivalerato (HV) no copolímero produzido [P(HB-co-HV)] foi directamente proporcional ao teor de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) presente no soro fermentado que serviu de substrato. Uma estratégia de operação do reactor SBR com variação da carga orgânica, aliada ao regime “fartura-fome” estabelecido, permitiu ainda simular a realidade dos processos de tratamento biológico de efluentes, nos quais a composição e concentração inicial de matéria orgânica variam frequentemente. Este modo de operação do sistema estimulou notavelmente o processo de selecção de culturas acumuladoras de PHA tendo resultado num aumento da acumulação de PHA de 7% para 36%. Os resultados demonstraram com sucesso a possibilidade de valorização do soro de queijo através de eco-biotecnologia, contribuindo para uma mudança de paradigma no tratamento convencional de efluentes: ao invés de serem eliminados enquanto poluentes, os componentes orgânicos presentes neste subproduto industrial podem assim ser convertidos em materiais de valor acrescentado.

Metais em plantas e algas : acumulação e potencial aplicação em processos de remediação

The present work reports the study of the bioaccumulation of potentially toxic elements (cadmium, lead and mercury) by marine macroalgae (Ulva lactuca, Fucus vesiculosus and Gracilaria gracilis), abundant in the coast and estuarine systems worldwide. These organisms proved to be capable of withstanding moderate multi-metallic contamination (environmentally relevant concentrations), incorporating high amounts of metal in their tissues. The high removal percentages achieved, in particular for mercury (99%), demonstrate the potential of these algae as a basis for a new biotechnological treatment of saline waters contaminated with metals (more efficient, cost-effective and environmentally friendly than conventional methods). U. lactuca was considered the most promising due to the better performance presented. The comparison between the bioaccumulation and biosorption processes suggested that in some cases the use of the living organism will have advantages over the application of biomass, due to the simplicity of the overall process, and the lower residual concentration of metal achieved in the solution (especially for Cd). The transfer and accumulation of Hg by terrestrial plants (Brassica juncea and Lolium perenne) in agricultural fields near a contaminated industrial area was also studied. Despite the low bioaccumulation factors found (<1), there were high Hg content in plants (up to 84 mg kg-1 in roots and up 6.9 mg kg-1 in shoots, dry weight). Daily intake estimates for grazing animals (cows and sheep) pointed to the potential risk to human health derived from consumption of their meat. The results highlighted the important role that plants and algae may have in protection, risk assessment and remediation of environmental systems contaminated with metals.

NAA and STS effects on bract survival time, carbohydrate content, respiration rate and carbohydrate balance of potted Bougainvillea spectabilis Willd

The aims of this work were to deepen the knowledge on the physiology of bract abscission in Bougainvillea spectabilis ‘Killie Campbell’ plants, in what relates to respiration and carbon balance. Using the effects induced by Silver Thiosulphate (STS) and/or Naphtalene Acetic Acid (NAA, at high concentration: 500 mg.l-1) on bract abscission under interior conditions, the relationship between bract survival time (longevity) and, respiration rate or carbohydrate levels, was investigated. Treatments that included NAA were the ones that reduced significantly bract abscission. Unexpectedly, the higher the levels of bract soluble and total carbohydrates, measured at day 10 postproduction (PP), the higher the abscission of bracts. These results show, for the first time, that abscission can positively correlate with non structural carbohydrates levels in the organ that abscise. Bract respiration rate was significantly affected by treatment and postproduction day (PP). Treatments that had higher bract respiration rates (WATER and STS) also had higher levels of non structural carbohydrates in the bracts. Bract respiration rate decreased from day 10 to day 17 PP by approximately 50% (on average of all treatments) and was negatively correlated with bract survival time. In the carbon balance per gram of bract dry weight, the treatments WATER and STS, showed the largest decrease in the content of total carbohydrates and had the highest consumption of carbohydrates through respiration. So, these were the bracts that needed to import a higher amount of carbohydrates per gram of bract dry weight. In the carbon balance for the whole mass of bracts and adjacent stems in an average plant, the treatments WATER and STS continued to allow for the largest decreases in total carbohydrate during postproduction. However, and contradicting the results per gram of bract dry weight, the highest total consumption of carbohydrates by respiration was obtained for the NAA and STS+NAA treatments. It makes sense that bracts that last longer have lower individual carbon consumption while, at the plant level, the increased number of remaining bracts causes a higher overall expenditure. Respiration rate has been used as an indicator of flower longevity, this correlation is here extended for the flower+bract system. Plants that had higher bract respiration rates, most probably, had a higher flow of carbohydrates through the bracts (and flowers), which, in the end, was sensed as a higher carbohydrate level.

Forest resources in Graciosa Island (Azores) : biomass availability for sustainable energetic use

Dissertação de Mestrado em Ambiente, Saúde e Segurança.