Distribution of metals exposure and associations with cardiometabolic risk factors in the "Modeling the Epidemiologic Transition Study".

BACKGROUND: Metals are known endocrine disruptors and have been linked to cardiometabolic diseases via multiple potential mechanisms, yet few human studies have both the exposure variability and biologically-relevant phenotype data available. We sought to examine the distribution of metals exposure and potential associations with cardiometabolic risk factors in the "Modeling the Epidemiologic Transition Study" (METS), a prospective cohort study designed to assess energy balance and change in body weight, diabetes and cardiovascular disease risk in five countries at different stages of social and economic development. METHODS: Young adults (25-45 years) of African descent were enrolled (N = 500 from each site) in: Ghana, South Africa, Seychelles, Jamaica and the U.S.A. We randomly selected 150 blood samples (N = 30 from each site) to determine concentrations of selected metals (arsenic, cadmium, lead, mercury) in a subset of participants at baseline and to examine associations with cardiometabolic risk factors. RESULTS: Median (interquartile range) metal concentrations (μg/L) were: arsenic 8.5 (7.7); cadmium 0.01 (0.8); lead 16.6 (16.1); and mercury 1.5 (5.0). There were significant differences in metals concentrations by: site location, paid employment status, education, marital status, smoking, alcohol use, and fish intake. After adjusting for these covariates plus age and sex, arsenic (OR 4.1, 95% C.I. 1.2, 14.6) and lead (OR 4.0, 95% C.I. 1.6, 9.6) above the median values were significantly associated with elevated fasting glucose. These associations increased when models were further adjusted for percent body fat: arsenic (OR 5.6, 95% C.I. 1.5, 21.2) and lead (OR 5.0, 95% C.I. 2.0, 12.7). Cadmium and mercury were also related with increased odds of elevated fasting glucose, but the associations were not statistically significant. Arsenic was significantly associated with increased odds of low HDL cholesterol both with (OR 8.0, 95% C.I. 1.8, 35.0) and without (OR 5.9, 95% C.I. 1.5, 23.1) adjustment for percent body fat. CONCLUSIONS: While not consistent for all cardiometabolic disease markers, these results are suggestive of potentially important associations between metals exposure and cardiometabolic risk. Future studies will examine these associations in the larger cohort over time.

Heavy metal ions are potent inhibitors of protein folding.

Environmental and occupational exposure to heavy metals such as cadmium, mercury and lead results in severe health hazards including prenatal and developmental defects. The deleterious effects of heavy metal ions have hitherto been attributed to their interactions with specific, particularly susceptible native proteins. Here, we report an as yet undescribed mode of heavy metal toxicity. Cd2+, Hg2+ and Pb2+ proved to inhibit very efficiently the spontaneous refolding of chemically denatured proteins by forming high-affinity multidentate complexes with thiol and other functional groups (IC(50) in the nanomolar range). With similar efficacy, the heavy metal ions inhibited the chaperone-assisted refolding of chemically denatured and heat-denatured proteins. Thus, the toxic effects of heavy metal ions may result as well from their interaction with the more readily accessible functional groups of proteins in nascent and other non-native form. The toxic scope of heavy metals seems to be substantially larger than assumed so far.

Structures of ethylenediaminetetraacetato (3-) metal complexes. I complexes with Co, Mg and Cd metals

(I): Hexaaquacobalt(II) aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]cobaltate(II) dihydrate, [Co(H2O)6][Co(C10H13N2O8)(H2O)]2.2H2O (Ibis): Hexaaquamagnesium(II) aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]magnesiate(II) dihydrate, [Mg(H2O)6][Mg(C10H13N2O8)(H2O)]2.2H2O (II):Tetraaquabis{aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]cadmium(II)-O-O'}Cadmium(II) tetrahydrate

Structures of ethylenediaminetetraacetato (3-) metal complexes. I complexes with Co, Mg and Cd metals

(I): Hexaaquacobalt(II) aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]cobaltate(II) dihydrate, [Co(H2O)6][Co(C10H13N2O8)(H2O)]2.2H2O (Ibis): Hexaaquamagnesium(II) aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]magnesiate(II) dihydrate, [Mg(H2O)6][Mg(C10H13N2O8)(H2O)]2.2H2O (II):Tetraaquabis{aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]cadmium(II)-O-O'}Cadmium(II) tetrahydrate

Structures of ethylenediaminetetraacetato (3-) metal complexes. I complexes with Co, Mg and Cd metals

(I): Hexaaquacobalt(II) aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]cobaltate(II) dihydrate, [Co(H2O)6][Co(C10H13N2O8)(H2O)]2.2H2O (Ibis): Hexaaquamagnesium(II) aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]magnesiate(II) dihydrate, [Mg(H2O)6][Mg(C10H13N2O8)(H2O)]2.2H2O (II):Tetraaquabis{aqua[ethylenediaminetetraacetato(3-)]cadmium(II)-O-O'}Cadmium(II) tetrahydrate

Intracellular thiol-mediated modulation of epithelial sodium channel activity.

The epithelial sodium channel ENaC is physiologically important in the kidney for the regulation of the extracellular fluid volume, and in the lungs for the maintenance of the appropriate airway surface liquid volume that lines the pulmonary epithelium. Besides the regulation of ENaC by hormones, intracellular factors such as Na(+) ions, pH, or Ca(2+) are responsible for fast adaptive responses of ENaC activity to changes in the intracellular milieu. In this study, we show that ENaC is rapidly and reversibly inhibited by internal sulfhydryl-reactive molecules such as methanethiosulfonate derivatives of different sizes, the metal cations Cd(2+) and Zn(2+), or copper(II) phenanthroline, a mild oxidizing agent that promotes the formation of disulfide bonds. At the single channel level, these agents applied intracellularly induce the appearance of long channel closures, suggesting an effect on ENaC gating. The intracellular reducing agent dithiothreitol fully reverses the rundown of ENaC activity in inside-out patches. Our observations suggest that changes in intracellular redox potential modulate ENaC activity and may regulate ENaC-mediated Na(+) transport in epithelia. Finally, substitution experiments reveal that multiple cysteine residues in the amino and carboxyl termini of ENaC subunits are responsible for this thiol-mediated inhibition of ENaC.

Sputum containing zinc enhances carbapenem resistance, biofilm formation and virulence of Pseudomonas aeruginosa.

Pseudomonas aeruginosa chronic lung infections are the leading cause of mortality in cystic fibrosis patients, a serious problem which is notably due to the numerous P. aeruginosa virulence factors, to its ability to form biofilms and to resist the effects of most antibiotics. Production of virulence factors and biofilm formation by P. aeruginosa is highly coordinated through complex regulatory systems. We recently found that CzcRS, the zinc and cadmium-specific two-component system is not only involved in metal resistance, but also in virulence and carbapenem antibiotic resistance in P. aeruginosa. Interestingly, zinc has been shown to be enriched in the lung secretions of cystic fibrosis patients. In this study, we investigated whether zinc might favor P. aeruginosa pathogenicity using an artificial sputum medium to mimic the cystic fibrosis lung environment. Our results show that zinc supplementation triggers a dual P. aeruginosa response: (i) it exacerbates pathogenicity by a CzcRS two-component system-dependent mechanism and (ii) it stimulates biofilm formation by a CzcRS-independent mechanism. Furthermore, P. aeruginosa cells embedded in these biofilms exhibited increased resistance to carbapenems. We identified a novel Zn-sensitive regulatory circuit controlling the expression of the OprD porin and modifying the carbapenem resistance profile. Altogether our data demonstrated that zinc levels in the sputum of cystic fibrosis patients might aggravate P. aeruginosa infection. Targeting zinc levels in sputum would be a valuable strategy to curb the increasing burden of P. aeruginosa infections in cystic fibrosis patients.

Pyridyyliryhmän sisältävien erotusmateriaalien ominaisuudet ja soveltaminen hydrometallurgiassa

Diplomityössä tutkittiin silikarunkoisen, pyridyyliryhmän sisältävän erotusmateriaalin kykyä erottaa selektiivisesti kuparia, nikkeliä, kobolttia ja kadmiumia sinkkisulfaattiliuoksista. Erotuskykyä verrattiin kolonnikokein toiseen kaupalliseen polystyreenidivinyylibentseenirunkoiseen (PS-DVB) erotusmate-riaaliin, jonka funktionaalinen ryhmä on samantyyppinen. Silikarunkoisen erotusmateriaalin happo-emäsominaisuuksia selvitettiin titrauksin. Metallien sitoutumisen kinetiikkaa ja eluointia verrattiin PS-DVB-runkoisen erotus-materiaalin kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Lisäksi määritettiin kummankin erotusmateriaalin partikkelikokojakaumat. Silikarunkoisen materiaalin havaittiin turpoavan noin 4 % muutettaessa se vapaastaemäsmuodosta happomuotoon. Turpoaminen oli huomattavasti vähäisempää kuin PS-DVB-runkoisella materiaalilla. Silikarunkoisen erotus-materiaalin titrauksen tuloksena voitiin todeta, että se oli heikosti emäksinen. Titrauskäyrä muistutti PS-DVB-runkoisen erotusmateriaalin titrauskäyrää, vaikka erotusmateriaalien protonoitumisalueet olivat hieman erilaiset. Tämä johtuu siitä, että silikarunkoisen materiaalin funktionaaliset ryhmät poikkeavat rakenteeltaan hieman PS-DVB-runkoisesta materiaalista. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoinen erotusmateriaali adsorboi tutkituista metalleista eniten kuparia ja nikkeliä ja vähiten sinkkiä. Kaikkien tutkittujen metallien eluointi silikarunkoisesta erotusmateriaalista onnistui rikkihapolla toisin kuin PS-DVB-runkoisesta erotusmateriaalista, jonka regenerointiin tarvitaan rikkihappoa tai ammoniumhydroksidia riippuen siitä, mitä metalleja siihen on ladattu.

A peroxisomal glutathione transferase of Saccharomyces cerevisiae is functionally related to sulfur amino acid metabolism

Saccharomyces cerevisiae cells contain three omega-class glutathione transferases with glutaredoxin activity (Gto1, Gto2, and Gto3), in addition to two glutathione transferases (Gtt1 and Gtt2) not classifiable into standard classes. Gto1 is located at the peroxisomes, where it is targeted through a PTS1-type sequence, whereas Gto2 and Gto3 are in the cytosol. Among the GTO genes, GTO2 shows the strongest induction of expression by agents such as diamide, 1-chloro-2,4-dinitrobenzene, tert-butyl hydroperoxide or cadmium, in a manner that is dependent on transcriptional factors Yap1 and/or Msn2/4. Diamide and 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (causing depletion of reduced glutathione) also induce expression of GTO1 over basal levels. Phenotypic analyses with single and multiple mutants in the S. cerevisiae glutathione transferase genes show that, in the absence of Gto1 and the two Gtt proteins, cells display increased sensitivity to cadmium. A gto1-null mutant also shows growth defects on oleic acid-based medium, which is indicative of abnormal peroxisomal functions, and altered expression of genes related to sulfur amino acid metabolism. As a consequence, growth of the gto1 mutant is delayed in growth medium without lysine, serine, or threonine, and the mutant cells have low levels of reduced glutathione. The role of Gto1 at the S. cerevisiae peroxisomes could be related to the redox regulation of the Str3 cystathionine -lyase protein. This protein is also located at the peroxisomes in S. cerevisiae, where it is involved in transulfuration of cysteine into homocysteine, and requires a conserved cysteine residue for its biological activity.

Epäpuhtaudet sinkin uutossa

Työssä tutkittiin metalli- ja anioniepäpuhtauksien myötäuuttautumista sinkin mukana di(2-etyyliheksyyli)fosforihappoalla (D2EHPA). Laboratoriokokeissa selvitettiin pH:n vaikutusta metalliepäpuhtauksien uuttautumiseen pH-alueella -O, l... 3 sekä pesujen vaikutusta sinkillä ladatun orgaanisen faasin metallipitoisuuksiin. Kokeita tehtiin sekä synteettisillä että autenttisilla prosessiliuoksilla. Anionikokeissa tutkittiin raudan ja sinkin vaikutusta kloridin ja fluoridin uuttautumiseen. Synteettisillä liuoksilla tehdyissä kokeissa tutkittiin kadmiumin, koboltin, nikkelin, kuparin sekä antimonin uuttautumista sinkkisulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin D2EHPA:n uuttavan sinkkiä selvästi em. metalleja paremmin. Sinkki uuttautui sulfaattiliuoksesta lähes täydellisesti tasapaino-pH:n ollessa yli 2,3. Sinkin jälkeen muista metalleista uuttautui eniten kadmium ja järjestyksessä sitten kupari, koboltti ja nikkeli. Epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista lisääntyi uuton tasapaino-pH:n kasvaessa ja väheni sinkkilatauksen kasvaessa. Kahdella peräkkäisellä pesuaskeleella, joissa ensimmäinen pesuliuos sisälsi 5 g/L rikkihappoa ja toinen sekä 15 g/L rikkihappoa että 5 g/L sinkkiä saatiin kaikkien epäpuhtausmetallien pitoisuudet jäämään alle 3 mg/L. Antimonin uuttokokeissa huomattiin antimonin uuttautuvan täydellisesti D2EHPA:lla pH:sta riippumatta pH-alueella0...3. Prosessiliuoksilla tehdyissä kokeissa todettiin D2EHPA:n pystyvän tehokkaasti erottamaan sinkin magnesiumista ßzn,Mg ˜107 ja kadmiumista ßzn,cd ˜106. Havaittiin myös, että mitä suurempi sinkki- ja rautalataus orgaanisessa faasissa on sitä vähemmän magnesiumia ja kadmiumia uuttautuu. Ensimmäisessä pesussa saatiin sekä kadmiumin että magnesiumin pitoisuudet putoamaan keskimäärin 0,1 mg/L eli 30 alkuperäisestä pitoisuudesta. Toisella pesuaskeleella ei enää ollut vaikutusta kadmiumin ja magnesiumin pitoisuuksiin orgaanisessa faasissa. Kokeissa havaittiin myös, että D2EHPA:n latausasteen ylittäessä 0,7 alkaa sinkki-D2EHPA-kompleksit polymeroitua ja faasit eivät enää selkeytyneet helposti. Anionikokeissa huomattiin, ettei D2EHPA uuttanut kloridi tai fluoridi sinkin tai raudan mukana. D2EHPA:n havaittiin myös itsessään sisältävän hieman kloridia.

Lentotuhkan fraktiointi sähkösuodattimella ja Ion Blast -menetelmällä

Diplomityö on osa YTI-tutkimuskeskuksessa vuosina 2002 - 2004 toteutettavaa Jätekompostit rakeiksi tuhkaseostuksella -käyttöarvon parantaminen -projektia. Työssä tutkittiin Etelä-Savon Energia Oy:n Pursialan voimalaitoksen lentotuhkan fraktioimista voimalaitoksen nykyisellä 3-kenttäisellä sähkösuodattimella ja pilot-mittakaavaisella Ion Blast -koelaitteistolla. Sähkösuodattimen koeajojen aikana muuteltiin sen ajotapaa mm. CBO -suhteen ja maksimijänniteasetuksen avulla. Ion Blast -koelaitteistolla tutkittiin mahdollisuuksia voimalaitoksen lentotuhkan puhdistamiseksi raskasmetalleista. Lentotuhkan hyötykäyttöä vaikeuttaa sen raskasmetallipitoisuuksien suuri vaihtelu. Ongelmallisin raskasmetalli puuperäisessä lentotuhkassa on kadmium, jonka lannoitelainsäädännön raja-arvo on tällä hetkellä 3 mg/kg. Sähkösuodattimella tehtyjen fraktiointikokeiden perusteella voidaan todeta raskasmetallipitoisuuksien olevan pienimmillään sähkösuodattimen 1-kentässä ja suurimmillaan 3-kentässä. Tämä johtuu siitä, että 1-kenttään kerääntyy hiukkaskooltaan suurimmat lentotuhkahiukkaset ja 3-kentässä on mukana enemmän pienhiukkasia sisältävää tuhkaa. Lannoitteeksi menevän tuhkan Cd-pitoisuutta voidaan vähentää parhaimmillaan jopa 70 % sähkösuodattimella fraktioimalla. Muiden raskasmetallien pitoisuudet eivät vähene aivan yhtä paljon. Sähkösuodattimella voidaan tulosten perusteella fraktioida lentotuhkaa. Sähkösuodattimella ei kuitenkaan voida varmasti saavuttaa alle 3 mg/kg Cd-pitoisuuksia polttoaineen laadunvaihtelun vuoksi. Ion Blast -koelaitteiston tulokset tukevat sähkösuodattimella tehtyjä kokeita. Erottimen jännitteen kasvaessa raskasmetalleja sisältävien hiukkasten erotusaste kasvaa. Ion Blast -laitteistolla tehdyissä kokeissa myös Cd-pitoisuus oli korkeimmillaan pienimmän raeluokan hiukkasissa ja laski sitten raeluokan suurentuessa. Ion Blast -laitteisto ei kuitenkaan sellaisenaan ole hyvä fraktiointiin. Se on liian tehokas, jolloin se puhdistaa tehokkaasti myös raskasmetalleja sisältävät pienhiukkaset. Jos laitetta aiotaan käyttää fraktiointiin, tulisi sen rakennetta muuttaa.

Assessing changes in Cd phytoavailability to tomato in amended calcareous soils.

A plot study was conducted to assess changes in Cd phytoavailability to a tomato cultivar in an agricultural soil in Southeastern Spain amended in two different ways (A and B), under controlled conditions. The experimental soil corresponded to a fine-loamy carbonatic thermic Calcidic Haploxeroll (Soil Survey Staff, 1998). A) Soil was amended with a single application of sewage sludge from a municipal source that had a total Cd concentration of 0.5 mg kg-1 at a rate that represented a final average concentration in the mixture of soil and sludge of less than 50 µg Cd kg-1. B) The amendment consisted of the addition of a mineral fertiliser with the same amount of NPK as in the sewage sludge application. The final levels of Cd were supposed to be negligible. A plot series without amendments was also performed (C). DTPA plus triethanolamine, and ammonium acetate extractable fractions in soils were analysed for all the plots. The time-dependent Cd accumulation in different parts of the tomato plants was studied by means of a Cd salt treatment. For each block (A, B, and C) four levels of Cd (0, 3, 30, 100 mg kg-1) were added as CdCl2. There was a significant increase in plant Cd after the initial cropping. Tomato stems, leaves and fruits were analysed separately for Cd determination. Differential Cd distribution and accumulation in tomato parts was detected.

Epäpuhtauksien poistaminen sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen selektiivisiä ioninvaihtimia

Diplomityössä on tutkittu kuparin, koboltin, nikkelin ja kadmiumin poistamista sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen uusia silikarunkoisia kelatoivia erotusmateriaaleja. Vertailukohteena on käytetty perinteisiä kaupallisia polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja. Laboratoriokokeissa selvitettiin erotusmateriaalien adsorptio- ja ioninvaihto-ominaisuuksia tasapaino- ja kolonnikokeilla. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittiin olosuhteissa, jotka vastaavat prosessisyklin eri vaiheita. Metallien adsorptiomekanismien selvittämiseksi erotusmateriaaleille tehtiin happo-emäs ja sulfaattititraukset. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla saatiin kupari erotettua väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja paremmin. Tutkituilla erotusmateriaaleilla ja ioninvaihtohartseilla ei havaittu merkittävää selektiivisyyttä koboltille, nikkelille tai kadmiumille sinkin ja kuparin läsnä ollessa. Kolonnikokeilla yritettiin löytää paras esikäsittely-lataus-eluointisykli kuparin talteenottoon väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla. Kolonnikokeissa esikäsittely tehtiin laimealla NaOH:lla, jonka jälkeen petiin syötettiin hapanta sinkkisulfaattiliuosta. Eluointi onnistui hyvin laimealla rikkihapolla. Kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että kupari on mahdollista erottaa väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittaessa havaittiin materiaalien kestävän hyvin happoja ja 60 oC:en lämpötilaa. Sitä vastoin alkaalisissa olosuhteissa tapahtui silikan liukenemista. Tutkituilla erotusmateriaaleilla havaittiin kuparin sitoutumista sekä ioninvaihtomekanismin avulla että sitoutuneena neutraalina suolana.

Metal dealing at the origin of the Chordata phylum: The metallothionein system and metal overload response in Amphioxus.

Non-vertebrate chordates, specifically amphioxus, are considered of the utmost interest for gaining insight into the evolutionary trends, i.e. differentiation and specialization, of gene/protein systems. In this work, MTs (metallothioneins), the most important metal binding proteins, are characterized for the first time in the cephalochordate subphylum at both gene and protein level, together with the main features defining the amphioxus response to cadmium and copper overload. Two MT genes (BfMT1 and BfMT2) have been identified in a contiguous region of the genome, as well as several ARE (antioxidant response element) and MRE (metal response element) located upstream the transcribed region. Their corresponding cDNAs exhibit identical sequence in the two lancelet species (B. floridae and B. lanceolatum), BfMT2 cDNA resulting from an alternative splicing event. BfMT1 is a polyvalent metal binding peptide that coordinates any of the studied metal ions (Zn, Cd or Cu) rendering complexes stable enough to last in physiological environments, which is fully concordant with the constitutive expression of its gene, and therefore, with a metal homeostasis housekeeping role. On the contrary, BfMT2 exhibits a clear ability to coordinate Cd(II) ions, while it is absolutely unable to fold into stable Cu (I) complexes, even as mixed species. This identifies it as an essential detoxification agent, which is consequently only induced in emergency situations. The cephalochordate MTs are not directly related to vertebrate MTs, neither by gene structure, protein similarity nor metal-binding behavior of the encoded peptides. The closest relative is the echinoderm MT, which confirm proposed phylogenetic relationships between these two groups. The current findings support the existence in most organisms of two types of MTs as for their metal binding preferences, devoted to different biological functions: multivalent MTs for housekeeping roles, and specialized MTs that evolve either as Cd-thioneins or Cu-thioneins, according to the ecophysiological needs of each kind of organisms.

Análise potenciométrica de redissolução com ultramicroeletrodos: fundamentos e aplicações na determinação de metais traços

The Potentiometric Stripping Analysis (PSA) is described with emphasis on ultramicroelectrode applications with a laboratory developed computer based instrumentation. The technique potentialities as compared with the voltammetric approach are pointed out based on the current literature. Some results of trace metals analysis including zinc, cadmium, lead and copper in vinegar and canned food samples are presented. The mainly advantage found in our laboratory was the technique capability to analyse natural samples with minimum matrix interference and the low level of noise found in our determinations.