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

On the solvation in lipid bilayers measured by pyrene fluorescence: thermal and molecular composition influence on equivalent polarity in lipidic mixtures

Phosphatidylcholine (PC), sphingomyelin (SM) and cholesterol (CHOL) are major constituents of mammalian cell membranes. DPPC/CHOL and DPPC/DMPC are well-known binary mixtures. POPC/CHOL, DOPC/CHOL, egg-SM/CHOL, egg-SM/POPC and egg-SM/DOPC are less studied, but also important for the comprehension of the POPC/egg-SM/CHOL mixtures. These provide complex media for which polarity is hard to access. It is mainly determined by the water penetrating the bilayer (unevenly distributed creating a polarity gradient), though the influence of the dipoles from phospholipids (e.g. –PO, –CO, –OH) and the double bond in the steroid ring of CHOL cannot be neglected. CHOL derivatives are an interesting tool to verify the influence of the double bonds in the polarization of its surroundings. Pyrene fluorescence was used to access an equivalent polarity (associated to the dielectric constant) near the lipid/water interface of lipid bilayers. POPC/CHOL and DOPC/CHOL have similar thermal behavior and variation with CHOL content, though for lower CHOL content the equivalent polarity is higher for the DOPC/CHOL mixtures. The studies with DPPC and DMPC showed that pyrene does not seem to have a marked preference for either ordered or disordered phases. For DPPC/CHOL and egg-SM/CHOL the highlight goes to the behavior of the mixtures at higher CHOL amounts, where there is a substantial change in the thermal behavior and polarity values especially for the egg-SM/CHOL mixture. Egg-SM/POPC and egg-SM/DOPC show different behavior depending on which phospholipid has a higher molar proportion. The ternary mixtures analyzed do not exhibit significant differences, though there is the indication of the existence of a more ordered environment at lower temperatures and a less ordered environment for higher temperatures. The presence of 7DHC or DCHOL in egg-SM bilayers showed a tendency for the same behavior detected upon mixing higher amounts of CHOL.

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.

Analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in atmospheric particulate samples by microwaveassisted extraction and liquid chromatography

A methodology based on microwave-assisted extraction (MAE) and LC with fluorescence detection (FLD) was investigated for the efficient determination of 15 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) regarded as priority pollutants by the US Environmental Protection Agency and dibenzo(a,l)pyrene in atmospheric particulate samples. PAHs were successfully extracted from real outdoor particulate matter (PM) samples with recoveries ranging from 81.4±8.8 to 112.0±1.1%, for all the compounds except for naphthalene (62.3±18.0%) and anthracene (67.3±5.7%), under the optimum MAE conditions (30.0 mL of ACN for 20 min at 110ºC). No clean-up steps were necessary prior to LC analysis. LOQs ranging from 0.0054 ng/m3 for benzo( a)anthracene to 0.089 ng/m3 for naphthalene were reached. The validated MAE methodology was applied to the determination of PAHs from a set of real world PM samples collected in Oporto (north of Portugal). The sum of particulate-bound PAHs in outdoor PM ranged from 2.5 and 28 ng/m3.

Air pollution from traffic emissions in Oporto, Portugal: health and environmental implications

Air pollution represents a serious risk not only to environment and human health, but also to historical heritage. In this study, air pollution of the Oporto Metropolitan Area and its main impacts were characterized. The results showed that levels of CO, PM10 and SO2 have been continuously decreasing in the respective metropolitan area while levels of NOx and NO2 have not changed significantly. Traffic emissions were the main source of the determined polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs; 16 PAHs considered by U.S. EPA as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene and benzo[j]fluoranthene) in air of the respective metropolitan area. The mean concentration of 18 PAHs in air was 69.9±39.7 ng m−3 with 3–4 rings PAHs accounting for 75% of the total ΣPAHs. The health risk analysis of PAHs in air showed that the estimated values of lifetime lung cancer risks considerably exceeded the health-based guideline level. Analytical results also confirm that historical monuments in urban areas act as passive repositories for air pollutants present in the surrounding atmosphere. FTIR and EDX analyses showed that gypsum was the most important constituent of black crusts of the characterized historical monument Monastery of Serra do Pilar classified as “UNESCO World Cultural Heritage”. In black crusts, 4–6 rings compounds accounted approximately for 85% of ΣPAHs. The diagnostic ratios confirmed that traffic emissions were the major source of PAHs in black crusts; PAH composition profiles were very similar for crusts and PM10 and PM2.5.

Influence of mixtures of acenaphthylene and benzo[a] anthracene on their degradation by Pleurotus ostreatus in sandy soil

Purpose Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a class of organic compounds commonly found as soil contaminants. Fungal degradation is considered as an environmentally friendly and cost-effective approach to remove PAHs from soil. Acenaphthylene (Ace) and Benzo[a]anthracene (BaA) are two PAHs that can coexist in soils; however, the influence of the presence of each other on their biodegradation has not been studied. The biodegradation of Ace and BaA, alone and in mixtures, by the white rot fungus Pleurotus ostreatus was studied in a sandy soil. Materials and methods Experimental microcosms containing soil spiked with different concentrations of Ace and BaAwere inoculated with P. ostreatus. Initial (t 0) and final (after 15 days of incubation) soil concentrations of Ace and BaA were determined after extraction of the PAHs. Results and discussion P. ostreatus was able to degrade 57.7% of the Ace in soil spiked at 30 mg kg−1 dry soil and 65.8% of Ace in soil spiked at 60 mg kg−1 dry soil. The degradation efficiency of BaA by P. ostreatus was 86.7 and 77.4% in soil spiked with Ace at 30 and 60 mg kg−1 dry soil, respectively. After 15 days of incubation, there were no significant differences in Ace concentration between soil spiked with Ace and soil spiked with Ace + BaA, irrespective of the initial soil concentration of both PAHs. There were also no differences in BaA concentration between soil spiked with BaA and soil spiked with BaA + Ace. Conclusions The results indicate that the fungal degradation of Ace and BaA was not influenced by the presence of each other’s PAH in sandy soil. Bioremediation of soils contaminated with Ace and BaA using P. ostreatus is a promising approach to eliminate these PAHs from the environment.

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.

Polycyclic aromatic hydrocarbons: levels and phase distributions in preschool microenvironment

This work aims to characterize levels and phase distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in indoor air of preschool environment and to assess the impact of outdoor PAH emissions to indoor environment. Gaseous and particulate (PM1 and PM2.5) PAHs (16 USEPA priority pollutants, plus dibenzo[a,l]pyrene, and benzo[j]fluoranthene) were concurrently sampled indoors and outdoors in one urban preschool located in north of Portugal for 35 days. The total concentration of 18 PAHs (ΣPAHs) in indoor air ranged from 19.5 to 82.0 ng/m3; gaseous compounds (range of 14.1–66.1 ng/m3) accounted for 85% ΣPAHs. Particulate PAHs (range 0.7–15.9 ng/m3) were predominantly associated with PM1 (76% particulate ΣPAHs) with 5-ring PAHs being the most abundant. Mean indoor/outdoor ratios (I/O) of individual PAHs indicated that outdoor emissions significantly contributed to PAH indoors; emissions from motor vehicles and fuel burning were the major sources.

Deciding Kleene Algebra Terms Equivalence in Coq

This paper presents a mechanically verified implementation of an algorithm for deciding the equivalence of Kleene algebra terms within the Coq proof assistant. The algorithm decides equivalence of two given regular expressions through an iterated process of testing the equivalence of their partial derivatives and does not require the construction of the corresponding automata. Recent theoretical and experimental research provides evidence that this method is, on average, more efficient than the classical methods based on automata. We present some performance tests, comparisons with similar approaches, and also introduce a generalization of the algorithm to decide the equivalence of terms of Kleene algebra with tests. The motivation for the work presented in this paper is that of using the libraries developed as trusted frameworks for carrying out certified program verification.

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.

The career indecision profile : measurement equivalence in two international samples

This study tested for the measurement equivalence of a four-factor measure of career indecision (Career Indecision Profile-65 [CIP-65]) between a U.S. sample and two international samples; one composed of French-speaking young adults from France and Switzerland and the other of Italian ado- lescents. Previous research had supported the four-factor structure of the CIP-65 in both the United States and Iceland but also showed that items on two of the four scales may be interpreted differently by young adults growing up in these two countries. This study extends previous research by testing whether the four CIP-65 factors are measured equivalently in two additional international samples. Results largely supported the configural and metric invariance of the CIP-65 in the United States and international samples, but several scales showed a lack of scalar invariance. Some explanations are offered for these findings along with suggestions for future research and implications for practice.