Enhancement of whole cell dioxygenase biotransformations of haloarenes by toxic ionic liquids

Accessing chirally pure cis-diols from arenes using micro-organisms over-expressing toluene dioxygenase (TDO) is now well established, but the conversions remain low for the more toxic and volatile substrates. For such arenes, improved production has already been achieved in the presence of hydrophobic non-toxic ionic liquids (ILs) acting in the form of a reservoir for the arene substrate. Yet, the costs associated with such ILs require extensive process development to render them viable. Herein, we show that optimization of the hydrophobic IL's cationic moiety and of the IL's concentration are key to enhanced conversion yielding between a 2-5 fold yield increase in the conversion of four haloarenes (Ph-X; X = F, Cl, Br, I). Additionally, we report that hydrophilic imidazolium-based ILs offer opportunities to achieve similarly high yielding biotransformations, with further improved reaction rates (<6 h), and this at very low ILs' concentrations (0.0015 V_IL/V_aq). We also demonstrate that the increased biotransformations are due to these ILs being inhibitors of cellular respiration processes and thus favoring the shunting of NADH and O₂ towards the overexpressed biocatalytic process. © 2014 the Partner Organisations.

Monitoring a toxic bloom of Alexandrium minutum using novel microarray and multiplex surface plasmon resonance biosensor technology

Blooms of Alexandrium occur annually during the summer months in the North Channel of Cork Harbour on the south coast of Ireland. This study monitored an extensive bloom of the toxin producing Alexandrium minutum during the summer of 2011 with the use of the MIDTAL (Microarrays for the Detection of Toxic Algae) microarray and a prototype multiplex surface plasmon resonance (multi SPR) biosensor. Microarray signal intensities and toxin results from three testing platforms of the prototype multi SPR biosensor, commercial (CER) enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and high performance liquid chromatography (HPLC) were compared against light microscopy counts. The main aim was to demonstrate the use of these methodologies to support national monitoring agencies by providing a faster and more accurate means of identifying and quantifying the harmful phytoplankton community and their toxins in natural water samples. Both the microarray signals and multi SPR biosensor results followed a significant trend with light microscopy results and both techniques indicated detection limits of <4000 cells of A. minutum in natural seawater samples.

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.

Novos métodos de síntese de 4-quinolonas e benzo[b]acridonas

As 4-quinolonas e as acridonas são duas importantes famílias de compostos heterocíclicos azotados naturais que apresentam uma variedade de importantes aplicações biológicas. As 4-quinolonas têm sido objecto de extensos estudos devido às suas potenciais aplicações como fortes agentes citotóxicos, antimitóticos e anti-plaquetários e como protectores cardiovasculares, mas o seu uso é principalmente como antibióticos de largo espectro. As acridonas são conhecidas por apresentarem importante actividade antiviral, antiparasitária, contra a leishmania e a malária, e anticancerígena. A variedade de importantes aplicações biológicas das 4-quinolonas e das acridonas e a contínua procura pela comunidade científica de novas substâncias com actividades biológicas atractivas destaca estes compostos como alvos interessantes para a preparação de novos derivados e/ou para o desenvolvimento de novos métodos de síntese destas duas famílias de compostos. No primeiro capítulo desta dissertação descreve-se a síntese dos compostos de partida que tiveram de ser previamente preparados para o desenvolvimento das novas rotas de síntese apresentadas nos capítulos seguintes. A 4-cloro-3- formilquinolina foi obtida através da reacção de Vilsmeier-Haack da 2’-aminoacetofenona enquanto que a 3-formilquinolin-4(1H)-ona foi facilmente preparada por hidrólise ácida da anterior. Foi necessário proteger o grupo amina da quinolin-4(1H)-ona para evitar reacções secundárias e foram descritas as reacções de protecção com o grupo metilo, etoxicarbonilo e ptoluenossulfonilo. Os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofeno, necessários para o estudo das reacções de Diels-Alder, não se encontram disponíveis comercialmente e a sua síntese é também descrita. No segundo capítulo reporta-se uma nova e eficiente rota de síntese de (Z)- e (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas a partir da reacção de Wittig da 4-cloro-3- formilquinolina e de 3-formilquinolin-4(1H)-onas com benzilidenotrifenilfosforanos. As (Z)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram obtidas com elevada diastereoselectividade a partir da reacção das 3-formilquinolin- 4(1H)-onas N-protegidas enquanto que as (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram preparadas através da reacção de Wittig da 4-cloro-3-formilquinolina seguida da hidrólise ácida das respectivas (Z)- e (E)-4-cloro-3-estirilquinolinas obtidas. Ambas as rotas sintéticas são eficientes, independentemente dos substituintes dos benzilidenotrifenilfosforanos. No terceiro capítulo, descreve-se um novo método de síntese de novas benzo[b]acridonas a partir da reacção de Diels-Alder de 3-formilquinolin-4(1H)- onas N-protegidas, que actuam como dienófilos, com dienos altamente reactivos, os orto-benzoquinodimetanos, preparados in situ através da extrusão térmica do dióxido de enxofre dos respectivos 2,2-dióxidos de 1,3-dihidrobenzo[ c]tiofeno. A reacção de cicloadição das 3-formilquinolin-4(1H)-onas N-protegidas com orto-benzoquinodimetanos origina as benzo[b]-1,6,6a,12atetra- hidroacridin-12(7H)-onas esperadas, que são o resultado da referida cicloadição seguida de desformilação in situ, e mostrou ser eficiente apenas quando o grupo amina está derivatizado com um grupo sacador de electrões. A desidrogenação destas benzo[b]-1,6,6a,12a-tetra-hidroacridin-12(7H)-onas em dimetilsulfóxido utilizando uma quantidade catalítica de iodo foi também descrita e originou como produto principal as benzo[b]acridin-12(7H)-onas N-desprotegidas. Todos os compostos novos sintetizados foram caracterizados por diversas técnicas analíticas, especialmente por estudos espectroscópicos de ressonância magnética nuclear (RMN), incluindo espectros de 1H e 13C, bidimensionais de correlação espectroscópica homonuclear e heteronuclear e de efeito nuclear de Overhauser (NOESY). Foram também efectuados, sempre que possível, espectros de massa (EM) e análises elementares ou espectros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os compostos novos sintetizados. O tautomerismo da 3-formil- e 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e as isomerizações (E) (Z) e rotacional das 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e das 4-cloro-3-estirilquinolinas foram estudados através de ressonância magnética nuclear experimental (RMN 1H e 13C) e teórica [B3LYP/6-311++G(d,p)].

Síntese e reatividade de benzo-e pirroloporfirinas

O trabalho descrito nesta dissertação envolve estudos de funcionalização de uma pirrolo[3,4-b]porfirina através de reações do tipo cicloadição [4+2]. A metodologia de cicloadição usada permitiu sintetizar duas grandes famílias de compostos: benzoporfirinas e 1,3-dioxopirroloporfirinas. Este documento é composto por três partes distintas. Na primeira parte são tecidas considerações gerais sobre síntese, propriedades e aplicações de porfirinas. Na segunda parte é apresentado o trabalho desenvolvido no âmbito de síntese e reatividade de benzoporfirinas. Numa primeira fase é feita uma revisão bibliográfica sobre síntese de benzoporfirinas e ftalimidas, uma vez que o trabalho prático descrito apresenta compostos contendo estas duas unidades estruturais. Numa segunda fase é descrito o trabalho desenvolvido para a obtenção de uma benzoporfirina derivatizada com uma unidade de ácido ftálico fundida em posições β-pirrólicas, partindo da reação de Diels-Alder entre uma N-metilpirrolo[3,4- b]porfirina e o acetilenodicarboxilato de dimetilo e posterior hidrólise básica do diéster obtido. Seguem-se os estudos que visaram a obtenção de um anidrido porfirínico a partir do ácido ftálico anterior. Esta plataforma sintética foi usada para diversas transformações com diferentes aminas. Destas reações resultaram diferentes unidades benzoporfirínicas, que serão descritas em pormenor. Face às distintas cores apresentadas pelos diferentes compostos sintetizados, foi ainda feita uma análise pormenorizada dos espectros de UV-vis de alguns dos compostos obtidos. Na terceira parte, é apresentado o trabalho realizado no âmbito da síntese de uma 1,3-dioxopirroloporfirina, partindo da reação de Diels-Alder entre a N-metilpirrolo[ 3,4-b]porfirina e oxigénio singleto (1O2). Primeiramente é feita uma revisão bibliográfica sobre o papel do 1O2 em síntese orgânica e sobre reações de oxidação de isoindóis, compostos possuindo uma analogia estrutural com pirroloporfirinas. Segue-se a descrição da síntese de uma N-metil1,3- dioxopirroloporfirina, em que se começa por apresentar a descrição sistemática de todas as experiências levadas a cabo no sentido de otimizar o rendimento do composto em questão, tirando partido da reação com 1O2. Seguidamente expõemse as diferentes abordagens conduzidas para proceder à funcionalização da 1,3- dioxopirroloporfirina obtida. São apresentadas reações de hidrólise e reações com diferentes aminas. As reações com aminas conduziram à formação de porfirina- 2,3-dicarboxamidas e posteriormente às 1,3-dioxopirroloporfirinas correspondentes. Também neste caso foi feita uma análise pormenorizada dos espectros de UV-vis da marioria dos derivados obtidos. De forma a avaliar a potencialidade de alguns dos macrociclos sintetizados em terapia fotodinâmica (PDT), são apresentados os ensaios biológicos de PDT in vitro conduzidos com alguns dos macrociclos sintetizados. Estes ensaios envolveram a avaliação da viabilidade celular após tratamento fotodinâmico, estudos de localização celular e morfologia.

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.