Hysteresis in a system driven by either generalized force or displacement variables: martensitic phase transition in single-crystalline Cu-Zn-Al

We report on experiments aimed at comparing the hysteretic response of a Cu-Zn-Al single crystal undergoing a martensitic transition under strain-driven and stress-driven conditions. Strain-driven experiments were performed using a conventional tensile machine while a special device was designed to perform stress-driven experiments. Significant differences in the hysteresis loops were found. The strain-driven curves show reentrant behavior yield point which is not observed in the stress-driven case. The dissipated energy in the stress-driven curves is larger than in the strain-driven ones. Results from recently proposed models qualitatively agree with experiments.

Toxicity, accumulation and depuration of heavy metalsin the brown mussel perna indica

In this thesis certain important aspects of heavy metal toxicity have been worked out. Recent studies have clearly shown that when experimental media contained more than one heavy metals, such metals could conspicuously influence the toxic reaction of the animals both in terms of quantity and nature. The experimental results available on individual metal toxicity show that, in majority of such results, unrealistically high concentrations of dissolved metals are involved. A remarkable number of factors have been shown to influence metal toxicity such as various environmental factors particularly temperature and salinity, the condition of the organism and the ability of some of the marine organisms to adapt to metallic contamination. Further, some of the more sensitive functions like embryonic and larval development, growth and fecundity, oxygen utilization and the function of various enzymes are found to be demonstrably sensitive in the presence of heavy metals. However, some of the above functions could be compensated for by adaptive process. If it is assumed that the presence of a single metal in higher concentrations could affect the life function of marine animals, more than one metal in the experimental media should manifest such effects in a greater scale. Commonly known as synergism or more than additivity, majority of heavy metals bring about synergistic reaction .The work presented in this thesis comprises lethal and sublethal toxicities of different salt forms of copper and silver on the brown mussel Perna indica. during the present investigation sublethal concentrations of copper and silver in their dent effects on survival, oxygen consumption, filtration, accumulation and depuration on Perna indica. The results are presented under different sections to make the presentation meaningful .

Pyocyanin (5-methyl-1-hydroxyphenazine) produced by Pseudomonas aeruginosa as antagonist to vibrios in aquaculture: overexpression, downstream process and toxicity

Pyocyanin is a versatile and multifunctional phenazine, widely used as a bio-control agent. Besides its toxicity in higher concentration, it has been applied as bio-control agents against many pathogens including the Vibrio spp. in aquaculture systems. The exact mechanism of the production of pyocyanin in Pseudomonas aeruginosa is well known, but the genetic modification of pyocyanin biosynthetic pathways in P. aeruginosa is not yet experimented to improve the yield of pyocyanin production. In this context, one of the aims of this work was to improve the yield of pyocyanin production in P. aeruginosa by way of increasing the copy number of pyocyanin pathway genes and their over expression. The specific aims of this work encompasses firstly, the identification of probiotic effect of P. aeruginosa isolated from various ecological niches, the overexpression of pyocyanin biosynthetic genes, development of an appropriate downstream process for large scale production of pyocyanin and its application in aquaculture industries. In addition, this work intends to examine the toxicity of pyocyanin on various developmental stages of tiger shrimp (Penaeus monodon), Artemia nauplii, microbial consortia of nitrifying bioreactors (Packed Bed Bioreactor, PBBR and Stringed Bed Suspended Bioreactor, SBSBR) and in vitro cell culture systems from invertebrates and vertebrates. The present study was undertaken with a vision to manage the pathogenic vibrios in aquaculture through eco-friendly and sustainable management strategies with the following objectives: Identification of Pseudomonas isolated from various ecological niches and its antagonism to pathogenic vibrios in aquaculture.,Saline dependent production of pyocyanin in Pseudomonas aeruginosa originated from different ecological niches and their selective application in aquaculture,Cloning and overexpression of Phz genes encoding phenazine biosynthetic pathway for the enhanced production of pyocyanin in Pseudomonas aeruginosa MCCB117,Development of an appropriate downstream process for large scale production of pyocyanin from PA-pUCP-Phz++; Structural elucidation and functional analysis of the purified compoundToxicity of pyocyanin on various biological systems.

Chemical Evaluation of Selected Organics and Trace Metals in the Mangrove Macroflora Of Cochin

Mangroves are considered to play a significant role in global carbon cycling. Themangrove forests would fix CO2 by photosynthesis into mangrove lumber and thus decrease the possibility of a catastrophic series of events - global warming by atmospheric CO2, melting of the polar ice caps, and inundation of the great coastal cities of the world. The leaf litter and roots are the main contributors to mangrove sediments, though algal production and allochthonous detritus can also be trapped (Kristensen et al, 2008) by mangroves due to their high organic matter content and reducing nature are excellent metal retainers. Environmental pollution due to metals is of major concern. This is due to the basic fact that metals are not biodegradable or perishable the way most organic pollutants are. While most organic toxicants can be destroyed by combustion and converted into compounds such as C0, C02, SOX, NOX, metals can't be destroyed. At the most the valance and physical form of metals may change. Concentration of metals present naturally in air, water and soil is very low. Metals released into the environment through anthropogenic activities such as burning of fossils fuels, discharge of industrial effluents, mining, dumping of sewage etc leads to the development of higher than tolerable or toxic levels of metals in the environment leading to metal pollution. Of course, a large number of heavy metals such as Fe, Mn, Cu, Ni, Zn, Co, Cr, Mo, and V are essential to plants and animals and deficiency of these metals may lead to diseases, but at higher levels, it would lead to metal toxicity. Almost all industrial processes and urban activities involve release of at least trace quantities of half a dozen metals in different forms. Heavy metal pollution in the environment can remain dormant for a long time and surface with a vengeance. Once an area gets toxified with metals, it is almost impossible to detoxify it. The symptoms of metal toxicity are often quite similar to the symptoms of other common diseases such as respiratory problems, digestive disorders, skin diseases, hypertension, diabetes, jaundice etc making it all the more difficult to diagnose metal poisoning. For example the Minamata disease caused by mercury pollution in addition to affecting the nervous system can disturb liver function and cause diabetes and hypertension. The damage caused by heavy metals does not end up with the affected person. The harmful effects can be transferred to the person's progenies. Ironically heavy metal pollution is a direct offshoot of our increasing ability to mass produce metals and use them in all spheres of existence. Along with conventional physico- chemical methods, biosystem approachment is also being constantly used for combating metal pollution

“Assessment of Heavy Metals in the Environmental Compartments of the Central and Northern Coast of Kerala, India”

The nearshore marine ecosystem is a dynamic environment impacted by many activities, especially the coastal waters and sediments contiguous to major urban areas. Although heavy metals are natural constituents of the marine environment, inputs are considered to be conservative pollutants and are potentially toxic, accumulate in the sediment, are bioconcentrated by organisms and may cause health problems to humans via the food chain. A variety of metals in trace amounts are essential for biological processes in all organisms, but excessive levels can be detrimental by acting as enzyme inhibitors. Discharge of industrial wastewater, agriculture runoff and untreated sewage pose a particularly serious threat to the coastal environment of Kerala, but there is a dearth of studies in documenting the contaminant metals. This study aimed principally to assess such contamination by examining the results of heavy metal (Cu, Pb, Cr, Ni, Zn, Cd and Hg) analysis in seawater, sediment and benthic biota from a survey of five transects along the central and northern coast of Kerala in 2008 covering a 10.0 km stretch of near shore environment in each transect. Trophic transfer of metal contaminants from aquatic invertebrates to its predators was also assessed, by employing a suitable benthic food chain model in order to understand which all metals are undergoing biotransference (transfer of metals from a food source to consumer).The study of present contamination levels will be useful for potential environmental remediation and ecosystem restoration at contaminated sites and provides a scientific basis for standards and protective measures for the coastal waters and sediments. The usefulness of biomonitor proposed in this study would allow identification of different bioavailable metals as well as provide an assessment of the magnitude of metal contamination in the coastal marine milieu. The increments in concentration of certain metals between the predator and prey discerned through benthic food chain can be interpreted as evidence of biotransference.

Effect of preparation on magnetic properties of Mn-Zn ferrite

Mixed ferrites belonging to the type Mn0.9Zn0.1Fe2O4 have been prepared by the double sintering method and by the chemical co-precipitation for comparing their magnetic properties. Sintered and precipitated ferrites exhibit different characteristics, especially in their magnetic properties like magnetization (Ms), coercive field (Hc) and Curie temperature (Tc). The sintered particles were size reduced in order to compare with the nanosized co-precipitated particles. The effect of grinding has also been studied. Particles have been collected at regular intervals of grinding and their properties have been studied. The increase in the coercive field has been recorded by a hysteresis curve tracer confirming size reduction. X-ray diffraction studies confirmed the structure and consequent size reduction

Is Microtox R toxicity related to potentially harmful algae proliferation in Mediterranean salt marshes?

Mediterranean salt marshes are ecosystems that are highly influenced by sea changes and freshwater inputs from runoff. In these ecosystems, toxic and non-toxic algae blooms often produce large and unpredictable biomasses of phytoplankton. The Microtox R test has been described as a successful, quick method for detecting toxicity in various phytoplankton taxa. Ourstudy sought to test the efficiency of Microtox R in detecting toxic HAB in Mediterranean salt marshes. The results showed that the Microtox R test was able to detect toxic substances in the particulate matter of several lagoons in the Empordà salt marshes. This Microtox R toxicity coincided with periods when potentially harmful cyanobacteria, dinoflagellates and haptophytes had a high biomass. The results suggest that potentially harmful phytoplankton cannot be ruled out as a source of Microtox R

Fluvial biofilms: a pertinent tool to assess β-blockers toxicity

Among increasingly used pharmaceutical products, β-blockers have been commonly reported at low concentrations in rivers and littoral waters of Europe and North America. Little is known about the toxicity of these chemicals in freshwater ecosystems while their presence may lead to chronic pollution. Hence, in this study the acute toxicity of 3 β-blockers: metoprolol, propranolol and atenolol on fluvial biofilms was assessed by using several biomarkers. Some were indicative of potential alterations in biofilm algae (photosynthetic efficiency), and others in biofilm bacteria (peptidase activity, bacterial mortality). Propranolol was the most toxic β-blocker, mostly affecting the algal photosynthetic process. The exposure to 531 μg/L of propranolol caused 85% of inhibition of photosynthesis after 24 h. Metoprolol was particularly toxic for bacteria. Though estimated No-Effect Concentrations (NEC) were similar to environmental concentrations, higher concentrations of the toxic (503 μg/L metoprolol) caused an increase of 50% in bacterial mortality. Atenolol was the least toxic of the three tested β-blockers. Effects superior to 50% were only observed at very high concentration (707 mg/L). Higher toxicity of metoprolol and propranolol might be due to better absorption within biofilms of these two chemicals. Since β-blockers are mainly found in mixtures in rivers, their differential toxicity could have potential relevant consequences on the interactions between algae and bacteria within river biofilms

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

The use of pulse amplitude modulated fluorescence techniques for metal toxicity assessment in fluvial biofilms

Metal pollution in rivers is in great concern with human activities in the fluvial watershed. This thesis aims to investigate the potential use of chl-a fluorescence parameters as biomarkers of metal toxicity, and to find cause-effect relationships between metal exposures, other environmental factor (i.e. light), and functional and structural biofilm responses. This thesis demonstrates that the use of chl-a fluorescence parameters allows detect early effects on biofilms caused by zinc toxicity, both in the laboratory as in polluted rivers. In microcosm experiments, the use of chl-a fluorescence parameters allows evaluates structural changes on photosynthetic apparatus and in algal groups’ composition of biofilms long-term exposed to zinc. In order to evaluate the effects of chronic metal pollution in rivers, it is recommended the use of biofilm translocation experiments and the use of a multi-biomarker approach.

Síntesi i estructura de lligands hexaazamacrocíclics i dels seus complexos de Zn. Estudis de catàlisi i de fenòmens de reconeixement molecular amb substrats aniònics

Es realitza una breu introducció a la Química Supramolecular, la qual estudia les estructures i funcions de les associacions que resulten de la unió d'espècies moleculars a través d'enllaços intermoleculars, no covalents. El reconeixement molecular, reactivitat i transport són les funcions bàsiques de les espècies supramoleculars. El present treball tracta de la química supramolecular d'anions i del potential efecte catalític de complexos de Zinc amb lligands hexaazamacrocilics en reaccions de hidròlisis d'esters de fosfat. Els lligands descrits en aquest treball són lligands macrocíclics hexadentats formats per amines secundàries o terciàries enllaçades a cadenes alquíliques de dos o tres àtoms de carbonis formant dos braços, que estan unides per un espaiador, El conjunt de lligands que s'estudien permeten estudiar els diferents factors, geomètrics, electrònics i estèrics que controlen els fenòmens de reconeixement molecular. El treball descriu en detall els procediments de síntesi i la caracterització d'aquest conjunt de lligands. S'ha realitzat un estudi sistemàtic dels diferents factors que afecten als fenòmens de reconeixement molecular entre lligands macrocíclics (L), descrits anteriorment i substrats aniònics (S): fosfats, polifosfats i dicarboxilats. Els estudis s'han realitzat tant en dissolució aquosa, a partir de mesures potenciomètriques, com en estat sòlid per difracció de Raig-X a partir de la obtenció de les estructures cristal·lines dels complexos. La força de l'enllaç en els complexos ternaris H:L:S es racionalitza en termes d'enllaç per pont d'hidrogen, interaccions electrostàtiques i interaccions per -Stacking. Així mateix es racionalitza la importància de les dimensions i forma de la cavitat en el grau d'interacció. Actualment hi ha un gran interès en l'estudi del paper que juguen els ions metàl·lics en el centre actiu dels metal·loenzims hidrolítics tal com la carboxipeptidasa, que catalitza la hidròlisi d'aminoàcids C-terminals de substrats polipeptídics, l'anhidrasa carbònica, que catalitza la reacció d'hidratació del CO2 per donar hidrogencarbonat, la fosfatasa alcalina, que actua catalitzant la hidròlisi no específica de monoesters de fosfats a pH alcalí. El Zn(II) és un metall que es troba sovint formant part dels centres actius dels metal·loenzims i és el segon element de transició més abundant en els organismes vius. Per aquest motiu són útils els models sintètics que puguin actuar com a mimetitzadors de reaccions bioinorgàniques en les que els metal·loenzims juguen un paper com a catalitzadors. Els models sintètics són complexos de metalls de transició formats per un lligand o lligands en el seu entorn de coordinació més immediat que tinguin efectes electrònics i estèrics els més similar possible als que es produeixen en el centre actiu dels enzims. Donat la importància dels complexos de Zn(II) com a models biomimètics de metal·loenzims hidrolítics, s'han sintetitzat i caracteritzat complexos dinuclears de Zn(II) amb lligands hexaazamacrocíclics descrits anteriorment. S'ha realitzat un estudi de la seva activitat catalítica en la hidròlisi d'un ester activat, l'acetat de p-nitrofenil, un substrat característic que s'utilitza per analitzar l'activitat catalítica dels models biomimètics.

Contribution of antioxidant enzymes to toxicity assessment in fluvial biofilms

Per tal d’avaluar l’impacte de la contaminació en els ecosistemes aquàtics, aquesta tesi es centra en una aproximació multi-biomarcador en els biofilms. En complement dels biomarcadors clàssics, es va demostrar que les activitats dels enzims antioxidants (AEA): catalasa, ascorbat peroxidasa i glutatió reductasa eren biomarcardors d'estrès oxidatiu en els biofilms. Tot i que les AEA poden veure's influenciades amb la mateixa mesura per factors naturals (edat del biofilm, llum de colonització o d'exposició) i contaminants (herbicides i farmacèutics), aquestes AEA permeten entendre millor l'efecte dels contaminants. Cal remarcar que assajos de toxicitat aguda es poden utilitzar per comparar la capacitat antioxidant entre comunitats i conèixer la seva pre-exposició a l'estrès oxidatiu. Aquesta aproximació multi-biomarcador a nivell de comunitat és especialment interessant per avaluar la toxicitat dels contaminants emergents (β-blockers) sobre espècies no-diana. Per tal de millorar-la, també es va verificar la possibilitat de mesurar l'expressió gènica en biofilms.