Photoreduction of carbon dioxide on zinc sulfide to give four-carbon and two-carbon acids

Aqueous solutions of CO₂ containing tetramethylammonium chloride were photolysed with visible light in the presence of colloidal ZnS to yield tartaric acid, glyoxylic acid, oxalic acid, formic acid and formaldehyde.

Cadmium and lead in vegetable and fruit produce selected from specific regional areas of the UK

Cadmium and lead were determined in fruit and vegetable produce (~1300 samples) collected from a field and market basket study of locally grown produce from the South-West of Britain (Devon and Cornwall). These were compared with similarly locally grown produce from the North-East of Britain (Aberdeenshire). The concentrations of cadmium and lead in the market basket produce were compared to the maximum levels (ML) set by the European Union (EU). For cadmium 0.2% of the samples exceeded the ML, and 0.6% of the samples exceeded the ML for lead. The location of cadmium and lead in potatoes was performed using laser ablation ICP-MS. All tested samples exhibited higher lead concentrations, and most exhibited increased concentrations of cadmium in the potato skin compared to the flesh. The concentrations of cadmium and lead found in fruits and vegetables sampled during this study do not increase concern about risk to human health.

Genetic mapping of the rice ionome in leaves and grain:Identification of QTLs for 17 elements including arsenic, cadmium, iron and selenium

Research into the composition of cereal grains is motivated by increased interest in food quality. Here multi-element analysis is conducted on leaves and grain of the Bala x Azucena rice mapping population grown in the field. Quantitative trait loci (QTLs) for the concentration of 17 elements were detected, revealing 36 QTLs for leaves and 41 for grains. Epistasis was detected for most elements. There was very little correlation between leaf and grain element concentrations. For selenium, lead, phosphorus and magnesium QTLs were detected in the same location for both tissues. In general, there were no major QTL clusters, suggesting separate regulation of each element. QTLs for grain iron, zinc, molybdenum and selenium are potential targets for marker assisted selection to improve seed nutritional quality. An epistatic interaction for grain arsenic also looks promising to decrease the concentration of this carcinogenic element. © Springer Science+Business Media B.V. 2009.

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.

A primer for the Environmental Impact Assessment of mining at seafloor massive sulfide deposits

Seafloor massive sulfides (SMS) contain commercially viable quantities of high grade ores, making them attractive prospect sites for marine mining. SMS deposits may also contain hydrothermal vent ecosystems populated by high conservation value vent-endemic species. Responsible environmental management of these resources is best achieved by the adoption of a precautionary approach. Part of this precautionary approach involves the Environmental Impact Assessment (EIA) of exploration and exploitative activities at SMS deposits. The VentBase 2012 workshop provided a forum for stakeholders and scientists to discuss issues surrounding SMS exploration and exploitation. This forum recognised the requirement for a primer which would relate concepts underpinning EIA at SMS deposits. The purpose of this primer is to inform policy makers about EIA at SMS deposits in order to aid management decisions. The primer offers a basic introduction to SMS deposits and their associated ecology, and the basic requirements for EIA at SMS deposits; including initial data and information scoping, environmental survey, and ecological risk assessment. © 2013 Elsevier Ltd.

A primer for use of genetic tools in selecting and testing the suitability of set-aside sites protected from deep-sea seafloor massive sulfide mining activities

Seafloor massive sulfide (SMS) mining will likely occur at hydrothermal systems in the near future. Alongside their mineral wealth, SMS deposits also have considerable biological value. Active SMS deposits host endemic hydrothermal vent communities, whilst inactive deposits support communities of deep water corals and other suspension feeders. Mining activities are expected to remove all large organisms and suitable habitat in the immediate area, making vent endemic organisms particularly at risk from habitat loss and localised extinction. As part of environmental management strategies designed to mitigate the effects of mining, areas of seabed need to be protected to preserve biodiversity that is lost at the mine site and to preserve communities that support connectivity among populations of vent animals in the surrounding region. These "set-aside" areas need to be biologically similar to the mine site and be suitably connected, mostly by transport of larvae, to neighbouring sites to ensure exchange of genetic material among remaining populations. Establishing suitable set-asides can be a formidable task for environmental managers, however the application of genetic approaches can aid set-aside identification, suitability assessment and monitoring. There are many genetic tools available, including analysis of mitochondrial DNA (mtDNA) sequences (e.g. COI or other suitable mtDNA genes) and appropriate nuclear DNA markers (e.g. microsatellites, single nucleotide polymorphisms), environmental DNA (eDNA) techniques and microbial metagenomics. When used in concert with traditional biological survey techniques, these tools can help to identify species, assess the genetic connectivity among populations and assess the diversity of communities. How these techniques can be applied to set-aside decision making is discussed and recommendations are made for the genetic characteristics of set-aside sites. A checklist for environmental regulators forms a guide to aid decision making on the suitability of set-aside design and assessment using genetic tools. This non-technical primer document represents the views of participants in the VentBase 2014 workshop.

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.

Phytochelatin signal tranduction and cadmium chelation in plants

As plantas utilizam diversas estratégias de sinalização para reconhecer e responder aos stresses ambientais. A maioria das vias de transdução de sinais partilham um sinal genérico, normalmente a modulação dos níveis intracelulares de Ca2+. Esta por sua vez pode iniciar uma cascata de fosforilação proteica que finalmente afecta as proteínas directamente envolvidas na protecção celular ou culmina em factores de transcrição que vão determinar a resposta fisiológica ao stresse. A percepção destes sinais e a compreensão de como estes podem activar as respostas adaptativas são factores-chave para a tolerância das plantas a stresses abióticos. Um dos principais stresses abóticos que restrigem o crescimento das plantas é a presença de metais pesados. A produção de fitoquelatinas e a subsequente quelação dos metais é o mecanismo mais conhecido de tolerância ao stresse metálico em plantas. Fitoquelatinas (PCs) são péptidos com grupos tiol que são sintetizados através da transpeptidação da glutationa (GSH), pela acção da enzima fitoquelatina sintase (PCS). No entanto, até ao momento, as vias de sinalização que levam à síntese de fitoquelatinas e à percepção do stresse metálico são pouco compreendidas. Dentro deste contexto, o presente trabalho foi elaborado com o intuito de elucidar a via de sinalização através da qual o cádmio é detectado pelas células vegetais e induz a síntese de PCs. Quase todos, os estudos de stresses abióticos em plantas apontam para o facto de a sua sinalização se basear nos mesmos tipos de sinais moleculares, nomeadamente a sinalização por cálcio, a fosforilação proteica e a indução de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Trabalhos recentes sugerem que a sinalização de PCs poderá envolver todos estes parâmetros. Assim, uma primeira abordagem foi efectuada para compreender a síntese de PCs na espécie Arabidopsis thaliana, através da monitorizaçção da actividade de enzimas relacionadas, a γ-EC sintetase, GSH sintetase e a PC sintase (PCS), assim como o tempo necessário para o elongamento das PCs e a sua acumulação. Seguidamente, ao longo deste processo foi analisada a expressão de sinais específicos, associados com sinais de cálcio, fosforilação proteica e sinalização por ROS. A importância destes factores na síntese de PCs foi também avaliada através do uso de moduladores farmacológicos de cálcio e fosfatases proteicas e também pela indução de stresse oxidativo. Os resultados demonstraram novos dados sobre o papel do cálcio e da fosforilação proteica na produção de PCs e na síntese de GSH, revelando que a actvidade da PCS é regulada por fosforilação e que a sinalização de cálcio pode mediar a síntese de GSH. O envolvimento da sinalização de ROS na síntese de GSH, atráves de crosstalk com a sinalização de cálcio também foi proposta. Assim, os resultados aqui apresentados descrevem uma possível via de sinalização de cádmio nas plantas e da indução de fitoquelatinas. Este trabalho poderá ser portanto muito útil na implementação de novas metodologias de agricultura sustentável e práticas de fitorremediação em solos contaminados com metais pesados.

Influence of speciation in the bioavailability of cadmium to an isopod

Devido às actividades antropogénicas várias substâncias químicas têm sido introduzidas no meio ambiente em concentrações que de outro modo não ocorreriam de forma tão elevada naturalmente. Assim, o conhecimento acerca das características de um químico, tais como, o potencial para se acumular em diferentes níveis tróficos, a sua mobilidade dentro do ecossistema, a toxicidade específica e a bioacumulação, é fundamental para compreender os seus efeitos nos ecossistemas. Esta tese investiga a influência de especiação, na biodisponibilidade do cádmio (Cd) para o isópode Porcellio dilatatus, incluindo os efeitos de especiação do metal: (i) na assimilação do Cd, (ii) no modo como o Cd se distribui internamente no organismo, e (iii) como a sobrevivência e a reprodução são afectadas em isópodes terrestres. Num primeiro ensaio laboratorial avaliou-se a importância da transferência trófica na assimilação do Cd em P. dilatatus. Para tal analisou-se a eficiência de assimilação (EA) do Cd em isópodes, adicionado superficialmente ao alimento (alface) na forma de Cd(NO3)2 e contaminando o meio de crescimento da alface. A hipótese era de que a alface contaminada biologicamente através do cultivo em meio hidropónico contaminado teria uma maior proporção de complexos com proteína ou conjugado na forma de Cd (ex. Cd cisteína). A EA de Cd foi maior entre os isópodes que foram alimentados com o sal (71%, SE = 7%), do que entre os isópodes que se alimentaram de alface contaminada biologicamente (52%, SE = 5%), demonstrando-se assim num teste laboratorial que é provável que a especiação do Cd influencie a taxa de assimilação e acumulação do Cd. Na experiência alimentar que se seguiu, estudou-se em detalhe a especiação do metal comparando as EA do Cd conjugado com cisteína (Cd(Cys)2) e na forma de Cd(NO3)2, com os quais se contaminou gelatina com alface. A utilização de Cd-cisteína, proporcionou uma forma experimental para explorar a biodisponibilidade do Cd complexado dentro do tecido biológico. Como esperado, a EA de Cd em isópodes alimentados com nitrato de Cd (64%, SE = 5%) foi maior do que no caso de isópodes alimentados com o conjugado de cisteína (20%, SE = 3%). De seguida estudou-se a distribuição subcelular das espécies de Cd assimilado através de um processo de fraccionamento. Supunha-se que as diferenças de especiação de Cd reflectiria diferentes estratégias de compartimentalização, com consequências ao nível da detoxificação, armazenamento celular e distribuição subcelular do metal. O “sequestro” na forma de metal biologicamente detoxificado (BDM = proteínas estáveis ao calor - HSP e grânulos ricos em metal - RMG) foi maior nos isópodes alimentados com Cd(NO3)2, sugerindo que são mais eficientes na detoxificação de Cd (22%) do que quando alimentados com Cd(Cys)2 (15%). Foi também demonstrado que os isópodes alimentados com Cd(Cys)2 possuíam níveis de armazenamento de Cd superior nas fracções sensíveis ao metal (MSF = organelos e proteínas desnaturadas pelo calor - HDP) consideradas fracções potencialmente vulneráveis e afectando os isópodes em termos de toxicidade. As diferentes distribuições internas que se seguiram à assimilação e detoxificação das diferentes espécies de Cd foram finalmente avaliadas em termos da sobrevivência e reprodução dos isópodes. O tratamento com Cd(Cys)2 teve maior mortalidade, provavelmente devido à maior disponibilidade de Cd ingerido com implicações ao nível dos processos fisiológicos. Os isópodes alimentados com Cd(NO3)2 armazenaram o Cd nos MRG, como estratégia de detoxificação, sendo mais eficientes a detoxificar o Cd ainda que aumentando a concentração total do metal que se tornou menos tóxico para o isópode. Desta forma, o Cd nos grânulos não estava disponível para os processos fisiológicos e deixou de ser tóxico. Isso poderia estar relacionado com a resistência e tolerância aos metais devido à capacidade dos isópodes compartimentalizarem o Cd no hepatopâncreas, que actua como um mecanismo de detoxificação e contribui para a tolerância a altos níveis de cádmio. Em termos de parâmetros reprodutivos, observou-se uma redução de gestações e duração da gestação na presença de ambas as espécies de metal, mas no caso do Cd(Cys)2 as gravidezes não se concluíram. O número de jovens produzido por fêmeas alimentadas com Cd(NO3)2 foi menor do que no controlo, mas os pesos dos juvenis foram superiores. Finalmente sugere-se assim que esta abordagem seja considerada em estudos do movimento trófico de metais nas cadeias alimentares dado que se espera que a especiação de metais implique diferentes fluxos, dentro de uma dada cadeia trófica.

Oxygen and hydrogen sulfide concentration of Nootka Sound bottom water

Senior thesis written for Oceanography 445

Development of polyaniline microarray electrodes for cadmium analysis

Disposable screen-printed electrodes (SPCE) were modified using a cosmetic product to partially block the electrode surface in order to obtain a microelectrode array. The microarrays formed were electropolymerized with aniline. Scanning electron microscopy was used to evaluate the modified and polymerized electrode surface. Electrochemical characteristics of the constructed sensor for cadmium analysis were evaluated by cyclic and square-wave voltammetry. Optimized stripping procedure in which the preconcentration of cadmium was achieved by depositing at –1.20 V (vs. Ag/AgCl) resulted in a well defined anodic peak at approximately –0.7 V at pH 4.6. The achieved limit of detection was 4 × 10−9 mol dm−3. Spray modified and polymerized microarray electrodes were successfully applied to quantify cadmium in fish sample digests.

Assessment of hydrogen sulfide removal from biogas using a field scale anoxic biotrickling filter.

Hydrogen sulphide is one of the most toxic and corrosive compound present in swine-derived biogas streams.In this study, afield scale biotrickling filter for the removal of hydrogen sulfide was investigated.A Biofilter packed with supporting biofilm materials was fed continuously with a proprietary nutrient solution and operatedfor over 73days. The system has been operating with a H2S inlet concentrations ranging from 1,000to 3,000 ppm.Significant removal efficiencies >95% was demonstrated. pH of the stock feeding solution decreased from 6.2 to as low as 3.5within couple days.The resulting drop in pH provided circumstantial evidence to support biological H2 Soxidation to sulphuric acid by sulfide-oxidizers. Sulfur precipitation was also observed to occur. The results suggested that H2S removal from biogas stream can be efficiently achieved using portable, low cost and maintenance free biotrickling filters.

Cadmium hyperaccumulation and genetic differentiation of Thlaspi caerulescens populations

Although the knowledge on heavy metal hyperaccumulation mechanisms is increasing, the genetic basis of cadmium (Cd) hyperaccurnulation remains to be elucidated. Thlaspi caerulescens is an attractive model since Cd accumulation polymorphism observed in this species suggests genetic differences between populations with low versus high Cd hyperaccumulation capacities. In our study, a methodology is proposed to analyse at a regional scale the genetic differentiation of T. caerulescens natural populations in relation to Cd hyperaccumulation capacity while controlling for different environmental, soil, plant parameters and geographic origins of populations. Twenty-two populations were characterised with AFLP markers and cpDNA polymorphism. Over all loci, a partial Mantel test showed no significant genetic structure with regard to the Cd hyperaccumulation capacity. Nevertheless, when comparing the marker variation to a neutral model, seven AFLP fragments (9% of markers) were identified as presenting particularly high genetic differentiation between populations with low and high Cd hyperaccurnulation capacity. Using simulations, the number of outlier loci was showed to be significantly higher than expected at random. These loci presented a genetic structure linked to Cd hyperaccumulation capacity independently of the geography, environment, soil parameters and Zn, Pb, Fe and Cu concentrations in plants. Using a canonical correspondence analysis, we identified three of them as particularly related to the Cd hyperaccumutation capacity. This study demonstrates that populations with low and high hyperaccurnulation capacities can be significantly distinguished based on molecular data. Further investigations with candidate genes and mapped markers may allow identification and characterization of genomic regions linked to factors involved in Cd hyperaccumulation.