Variations in the Processing of DNA Double-Strand Breaks Along 60-MeV Therapeutic Proton Beams

PURPOSE: To investigate the variations in induction and repair of DNA damage along the proton path, after a previous report on the increasing biological effectiveness along clinically modulated 60-MeV proton beams.

METHODS AND MATERIALS: Human skin fibroblast (AG01522) cells were irradiated along a monoenergetic and a modulated spread-out Bragg peak (SOBP) proton beam used for treating ocular melanoma at the Douglas Cyclotron, Clatterbridge Centre for Oncology, Wirral, Liverpool, United Kingdom. The DNA damage response was studied using the 53BP1 foci formation assay. The linear energy transfer (LET) dependence was studied by irradiating the cells at depths corresponding to entrance, proximal, middle, and distal positions of SOBP and the entrance and peak position for the pristine beam.

RESULTS: A significant amount of persistent foci was observed at the distal end of the SOBP, suggesting complex residual DNA double-strand break damage induction corresponding to the highest LET values achievable by modulated proton beams. Unlike the directly irradiated, medium-sharing bystander cells did not show any significant increase in residual foci.

CONCLUSIONS: The DNA damage response along the proton beam path was similar to the response of X rays, confirming the low-LET quality of the proton exposure. However, at the distal end of SOBP our data indicate an increased complexity of DNA lesions and slower repair kinetics. A lack of significant induction of 53BP1 foci in the bystander cells suggests a minor role of cell signaling for DNA damage under these conditions.

Towards generalized Doherty power amplifier design for multiband operation

This paper presents a new variant of broadband Doherty power amplifier that employs a novel output combiner. A new parameter ∝ is introduced to permit a generalized analysis of the recently reported Parallel Doherty power amplifier (PDPA),and hence offer design flexibility. The circuit prototype of the new DPA fabricated using GaN devices exhibits maximum drain efficiency of 85% at 43-dBm peak power and 63% at 6-dB backoff power (BOP). Measured drain efficiency of >60% at peak power across 500-MHz frequency range and >50% at 6-dB BOP across 480-MHz frequency range were achieved, confirming the  theoretical wideband characteristics of the new DPA.

Rapid-bTB: a novel lateral flow test able to differentiate Mycobacterium bovis from Mycobacterium tuberculosis in sputum

Background: A novel lateral flow, immunochromatographic assay (LFD) specific for Mycobacterium bovis, the cause of bovine tuberculosis and zoonotic TB, was recently developed at Queen’s University Belfast. The LFD detects whole M. bovis cells, in contrast to other commercially available LFD tests (BD MGITTM TBc ID, SD Bioline TB Ag MPT 64, Capilia TB-Neo kit) which detect MPT64 antigen secreted during growth. The new LFD test has been evaluated in the veterinary context, and its specificity for M. bovis in the broadest sense (i.e. subsp. bovis, subsp. caprae and BCG) and sensitivity to detect M. bovis in positive MGIT™ liquid cultures was demonstrated comprehensively.
Methods: Preliminary work was carried out by researchers at Queen’s University Belfast to optimise sputum sample preparation, estimate the limit of detection (LOD) of the LFD with M. bovis-spiked sputum samples, and check LFD specificity by testing a broad range of non-tuberculous Mycobacterium spp. (NTM) and other bacterial genera commonly encountered in sputum samples (Haemophilus, Klebsiella, Pseudomonas, Staphylococcus). In the Cameroon laboratory direct detection of M. bovis in human sputa was attempted, and 50 positive sputum MGIT™ cultures and 33 cultures of various Mycobacterium spp. originally isolated from human sputa were tested.
Results: Sputum sample preparation consisted of digestion with 1% NALC for 30 min, centrifugation at 3000g for 20 min, PBS wash, centrifugation again, and pellet resuspended in KPL blocking buffer before 100 µl was applied to the LFD. The LOD of the LFD applied to M. bovis-spiked sputum was estimated to be 104 CFU/ml. A small number of confirmed Ziehl-Neelsen ‘3+’ M. bovis positive sputum samples were tested directly but no positive LFD results were obtained. All of the sputum MGIT™ cultures and mycobacterial cultures (including M. tuberculosis, M. africanum, M. bovis, M. intracellulare, M. scrofulaceum, M. fortuitum, M. peregrinum, M. interjectum) tested LFD negative when read after 15 min except for the M. bovis cultures, thereby confirming specificity of LFD for M. bovis in the clinical microbiology context.
Conclusions: Results indicate that the ‘Rapid-bTB’ LFD is a very specific test, able to differentiate M. bovis from M. tuberculosis, M. africanum, and a range of NTM isolated from human sputa in MGITTM liquid cultures. However, the LFD lacks sufficient sensitivity to be applied earlier in the diagnostic process to directly test human sputa.

Generation of cluster states in optomechanical quantum systems

We consider an optomechanical quantum system composed of a single cavity mode interacting with N mechanical resonators. We propose a scheme for generating continuous-variable graph states of arbitrary size and shape, including the so-called cluster states for universal quantum computation. The main feature of this scheme is that, differently from previous approaches, the graph states are hosted in the mechanical degrees of freedom rather than in the radiative ones. Specifically, via a 2N-tone drive, we engineer a linear Hamiltonian which is instrumental to dissipatively drive the system to the desired target state. The robustness of this scheme is assessed against finite interaction times and mechanical noise, confirming it as a valuable approach towards quantum state engineering for continuous-variable computation in a solid-state platform.

Impact of fractionation on out-of-field survival and DNA damage responses following exposure to intensity modulated radiation fields

To limit toxicity to normal tissues adjacent to the target tumour volume, radiotherapy is delivered using fractionated regimes whereby the total prescribed dose is given as a series of sequential smaller doses separated by specific time intervals. The impact of fractionation on out-of-field survival and DNA damage responses was determined in AGO-1522 primary human fibroblasts and MCF-7 breast tumour cells using uniform and modulated exposures delivered using a 225 kVp x-ray source. Responses to fractionated schedules (two equal fractions delivered with time intervals from 4 h to 48 h) were compared to those following acute exposures. Cell survival and DNA damage repair measurements indicate that cellular responses to fractionated non-uniform exposures differ from those seen in uniform exposures for the investigated cell lines. Specifically, there is a consistent lack of repair observed in the out-of-field populations during intervals between fractions, confirming the importance of cell signalling to out-of-field responses in a fractionated radiation schedule, and this needs to be confirmed for a wider range of cell lines and conditions.

SN 2011dh: DISCOVERY OF A TYPE IIb SUPERNOVA FROM A COMPACT PROGENITOR IN THE NEARBY GALAXY M51

On 2011 May 31 UT a supernova (SN) exploded in the nearby galaxy M51 (the Whirlpool Galaxy). We discovered this event using small telescopes equipped with CCD cameras and also detected it with the Palomar Transient Factory survey, rapidly confirming it to be a Type II SN. Here, we present multi-color ultraviolet through infrared photometry which is used to calculate the bolometric luminosity and a series of spectra. Our early-time observations indicate that SN 2011dh resulted from the explosion of a relatively compact progenitor star. Rapid shock-breakout cooling leads to relatively low temperatures in early-time spectra, compared to explosions of red supergiant stars, as well as a rapid early light curve decline. Optical spectra of SN 2011dh are dominated by H lines out to day 10 after explosion, after which He I lines develop. This SN is likely a member of the cIIb (compact IIb) class, with progenitor radius larger than that of SN 2008ax and smaller than the eIIb (extended IIb) SN 1993J progenitor. Our data imply that the object identified in pre-explosion Hubble Space Telescope images at the SN location is possibly a companion to the progenitor or a blended source, and not the progenitor star itself, as its radius (~1013 cm) would be highly inconsistent with constraints from our post-explosion spectra.

Fast Mining of Interesting Phrases from Subsets of Text Corpora

We address the problem of mining interesting phrases from subsets of a text corpus where the subset is specified using a set of features such as keywords that form a query. Previous algorithms for the problem have proposed solutions that involve sifting through a phrase dictionary based index or a document-based index where the solution is linear in either the phrase dictionary size or the size of the document subset. We propose the usage of an independence assumption between query keywords given the top correlated phrases, wherein the pre-processing could be reduced to discovering phrases from among the top phrases per each feature in the query. We then outline an indexing mechanism where per-keyword phrase lists are stored either in disk or memory, so that popular aggregation algorithms such as No Random Access and Sort-merge Join may be adapted to do the scoring at real-time to identify the top interesting phrases. Though such an approach is expected to be approximate, we empirically illustrate that very high accuracies (of over 90%) are achieved against the results of exact algorithms. Due to the simplified list-aggregation, we are also able to provide response times that are orders of magnitude better than state-of-the-art algorithms. Interestingly, our disk-based approach outperforms the in-memory baselines by up to hundred times and sometimes more, confirming the superiority of the proposed method.

ANRIL Variants and Aggressive Periodontitis in European and African Populations

Introduction: The chromosome 9p21 locus has been identified as a marker of coronary artery disease. In this locus studies have focused on variations in the ANRIL gene that has also been identified as a strong candidate for association with aggressive periodontitis (AgP).
Objective: To investigate possible associations between gene variants of ANRIL and AgP in European and African populations.
Methods: European AgP cases (n= 213) and age-matched periodontally healthy controls (n= 81) were recruited from centres in the United Kingdom (Belfast, Glasgow, Newcastle and London). African AgP cases (n= 95) and controls (n= 105) were recruited in Khartoum, Sudan. Five single nucleotide polymorphisms (SNPs) in ANRIL were genotyped using Sequenom and analysed using Haploview with permutation testing to correct for multiple candidates. Odds ratios (OR) and 95% confidence intervals (95%CI) were calculated.
Results: In the European subjects there was a significant association between rs518394 (p=0.0013; OR = 1.81, 95%CI 1.26-2.61) and rs1333049 (p=0.0028; OR = 1.75, 95%CI 1.21-2.52) and AgP. These associations remained significant after permutation testing. In addition there was an association between rs 1360590 (p=0.035) and AgP in females. In the African subjects there was a significant association between only one SNP rs1537415 and AgP (p=0.036; OR = 1.59, 95%CI 1.04-2.43), however, this was not significant following permutation testing. There were no significant associations with rs3217992 in either population.
Conclusions: SNP variants in the ANRIL locus were shown to be significantly associated with AgP in a European population and for the first time in an African population confirming this as the best replicated locus for aggressive periodontitis.

Antecedents and outcomes of downstream environmental logistics practices

This paper considers the antecedents and outcomes of downstream environmental logistics practices within green supply chain management amongst a sample of respondents based in the UK food industry. Framed through the conceptual lens of the natural resource-based view (NRBV) this research specifically considers (i) whether environmentally proactive companies implement environmental practices downstream in their supply chains as an extension of internal environmental practices and (ii) whether such downstream environmental practices influence performance, particularly when there has been engagement with key stakeholders in their implementation. The paper begins by developing a theoretical model grounded in the NRBV. This model and associated hypotheses are tested using Multivariate Ordinary Least Square (OLS) regression analysis using data from a sample of 149 firms within the UK food industry. The results provide support for a number of the assumptions implicit in the NRBV confirming the link between environmental proactivity and downstream environmental logistics and the important role of internal environmental practices in facilitating this link. The findings also support a direct link between downstream environmental logistics and both environmental and cost performance, which may be enhanced in the presence of high levels of environmental engagement with customers.

Nonlinearity as a resource for nonclassicality in anharmonic systems

Nonclassicality is a key ingredient for quantum enhanced technologies and experiments involving macro- scopic quantum coherence. Considering various exactly-solvable quantum-oscillator systems, we address the role played by the anharmonicity of their potential in the establishment of nonclassical features. Specifically, we show that a monotonic relation exists between the the entropic nonlinearity of the considered potentials and their ground state nonclassicality, as quantified by the negativity of the Wigner function. In addition, in order to clarify the role of squeezing--which is not captured by the negativity of the Wigner function--we focus on the Glauber-Sudarshan P-function and address the nonclassicality/nonlinearity relation using the entanglement potential. Finally, we consider the case of a generic sixth-order potential confirming the idea that nonlinearity is a resource for the generation of nonclassicality and may serve as a guideline for the engineering of quantum oscillators.

Using the fluorescent properties of STO-609 as a tool to assist structure-function analyses of recombinant CaMKK2

Calcium/calmodulin-dependent kinase kinase 2 (CaMKK2) has been implicated in the regulation of metabolic activity in cancer and immune cells, and affects whole-body metabolism by regulating ghrelin-signalling in the hypothalamus. This has led to efforts to develop specific CaMKK2 inhibitors, and STO-609 is the standardly used CaMKK2 inhibitor to date. We have developed a novel fluorescence-based assay by exploiting the intrinsic fluorescence properties of STO-609. Here, we report an in vitro binding constant of KD ∼17 nM between STO-609 and purified CaMKK2 or CaMKK2:Calmodulin complex. Whereas high concentrations of ATP were able to displace STO-609 from the kinase, GTP was unable to achieve this confirming the specificity of this association. Recent structural studies on the kinase domain of CaMKK2 had implicated a number of amino acids involved in the binding of STO-609. Our fluorescent assay enabled us to confirm that Phe(267) is critically important for this association since mutation of this residue to a glycine abolished the binding of STO-609. An ATP replacement assay, as well as the mutation of the 'gatekeeper' amino acid Phe(267)Gly, confirmed the specificity of the assay and once more confirmed the strong binding of STO-609 to the kinase. In further characterising the purified kinase and kinase-calmodulin complex we identified a number of phosphorylation sites some of which corroborated previously reported CaMKK2 phosphorylation and some of which, particularly in the activation segment, were novel phosphorylation events. In conclusion, the intrinsic fluorescent properties of STO-609 provide a great opportunity to utilise this drug to label the ATP-binding pocket and probe the impact of mutations and other regulatory modifications and interactions on the pocket. It is however clear that the number of phosphorylation sites on CaMKK2 will pose a challenge in studying the impact of phosphorylation on the pocket unless the field can develop approaches to control the spectrum of modifications that occur during recombinant protein expression in E. coli.

Envolvimento dos estudantes na escola e perceção de suporte social: um estudo com alunos dos 2º e 3º ciclos do ensino básico

O envolvimento dos estudantes na escola tem ganho relevância no âmbito da comunidade científica. Apesar de não existir um consenso face à sua definição, todas apontam para o facto do envolvimento se relacionar com a forma como os estudantes se identificam e valorizam os resultados escolares, bem como, a sua participação em atividades escolares curriculares e extracurriculares. O suporte social visto como a perceção que o indivíduo tem de ser valorizado e aceite pelos outros contidos na sua rede social. A investigação tem demonstrado a relação existente entre estes dois conceitos. A existência de suporte social, mais especificamente o estabelecimento de relações positivas com o grupo de pares parece estar relacionada com um maior envolvimento dos estudantes na escola. O objetivo do presente estudo é compreender a relação entre o envolvimento dos estudantes na escola e a perceção de suporte social. O mesmo foi realizado numa escola em Évora, com alunos do 2º e 3º ciclos do ensino básico (335 alunos). Foram utilizados dois questionários: o QEEE – Questionário acerca do Envolvimento dos Estudantes na Escola e o QPSS – Questionário de Percepção de Suporte Social. Os resultados do presente estudo apontam para correlações estatisticamente significativas entre o suporte social e o envolvimento dos estudantes na escola, corroborando assim investigações já realizadas; ABSTRACT: Students engagement with school has won relevance within the scientific community. Although there is no consensus over its definition, all point to the fact that the engagement relate to how the students to identify and value the school results as well as their participation in curricular and extracurricular activities. The social support seen as the perception that the individual must be valued and accepted by others contained in your social network. The research has demonstrated the relationship between these both. The existence of social support, specifically the establishment of good relations with the peer group seems to be related to greater student engagement with school. The aim of this study is to understand the link between student engagement with school and perceived social support. It was conducted in a school in Évora, with students from 2nd and 3th cycles of middle school (335 students). We used two questionnaires: QEEE – Questionnaire about the Student Engagement with School and QPSS – Questionnaire for Perceived Social Support. The results of this study show statistically significant correlations between social support and students engagement with school, thus confirming previous research.

Determinant factors for the use of imposex in TBT pollution monitoring

Os compostos de tributilestanho (TBT) foram utilizados como biocidas em tintas antivegetativas (AV) e amplamente aplicados, durante décadas, de forma a evitar a bioincrustação em superfícies submersas, principalmente em cascos de embarcações. Os seus efeitos deletérios em organismos não-alvo tornaram-se evidentes após o aparecimento de gastrópodes prosobrâquios com imposex – sobreposição de caracteres sexuais masculinos sobre o tracto reprodutivo das fêmeas. Desde então, a expressão do imposex em prosobrânquios tem sido amplamente utilizada como biomarcador da poluição por TBT. Um dos objectivos da presente tese é avaliar se as mais recentes restrições legais na utilização das tintas AV com compostos organoestânicos (OTs) resultaram numa redução da poluição pelos mesmos na costa continental Portuguesa. Para tal, foi levada a cabo a análise da variação temporal do imposex como biomarcador dos níveis ambientais de TBT e a validação de procedimentos, de modo a seguir de forma precisa a evolução da intensidade deste fenómeno ao longo do tempo. O trabalho de investigação teve início no momento em que a ineficácia da legislação anterior (Directiva 89/677/CEE) na redução da poluição por TBT no litoral Português era reportada na literatura e quando estavam já agendados instrumentos decisivos para a diminuição definitiva deste tipo de poluição: o Regulamento (CE) N.º 782/2003 do Parlamento e do Conselho da União Europeia (UE) que bania as tintas AV baseadas em TBT na sua frota a partir de 1 de Julho de 2003; a "Convenção Internacional sobre o Controlo de Sistemas Antivegetativos Nocivos em Navios” (Convenção AFS), adoptada em 2001 pela Organização Marítima Internacional (OMI), que procurava erradicar os OTs da frota mundial até 2008. Os níveis de imposex e as concentrações de OTs nos tecidos de fêmeas de Nucella lapillus foram medidos em 17 locais de amostragem ao longo da costa Portuguesa em 2003, a fim de se avaliarem os impactos do TBT nas populações desta espécie e de se criar uma base de dados para seguir a sua evolução futura. O índice da sequência do vaso deferente (VDSI), o índice do tamanho relativo do pénis (RPSI) e a percentagem de fêmeas afectadas por imposex (%I) foram utilizados na medição da intensidade deste fenómeno em cada local de amostragem e os seus valores variaram entre 0,20-4,04, 0,0- 42,2% e 16,7-100,0%, respectivamente. Foram encontradas fêmeas estéreis em 3 locais de amostragem, com percentagens a variar entre 4,0 e 6,2%. As concentrações de TBT e dibutilestanho (DBT) nas fêmeas variaram respectivamente entre 23-138 e <10-62 ng Sn.g-1 de peso seco, e o conteúdo em TBT nos tecidos revelou-se significativamente correlacionado com o imposex (nomeadamente com o RPSI e o VDSI). Os níveis de expressão do fenómeno e o conteúdo em OTs nos tecidos, foram superiores na proximidade de portos, confirmando as conclusões obtidas anteriormente por outros autores de que os navios e a actividade dos estaleiros são as principais fontes destes compostos no litoral Português. As infra-estruturas associadas ás principais fontes de OTs – portos, estaleiros e marinas – estão geralmente localizadas no interior de estuários, motivo pelo qual estas áreas têm vindo a ser descritas como as mais afectadas por estes poluentes. Por esta razão, foi levado a cabo o estudo pormenorizado da poluição por TBT na Ria de Aveiro, como caso de estudo representativo da poluição por estes compostos num sistema estuarino em Portugal continental. N. lapillus foi usada como bioindicador para avaliar a tendência temporal da poluição por TBT nesta área entre 1997 e 2007. Foi registada uma diminuição da intensidade do imposex após 2003, embora as melhorias mais evidentes tenham sido observadas entre 2005 e 2007, provavelmente devido à implementação do Regulamento (CE) N.º 782/2003 que proibiu a aplicação de tintas AV com TBT em navios com a bandeira da UE. Apesar desses progressos, as análises ao conteúdo em OTs nos tecidos de fêmeas de N. lapillus e em amostras de água colhidas em 2006 indicaram contaminação recente por TBT na área de estudo, evidenciando assim a permanência de fontes de poluição. A utilização de N. lapillus como bioindicador da poluição por TBT na Ria de Aveiro apresenta algumas limitações uma vez que a espécie não ocorre nas áreas mais interiores da Ria e não vive em contacto com sedimentos. Assim, a informação obtida a partir da sua utilização como bioindicador é fundamentalmente relativa aos níveis de TBT na coluna de água. Foi então necessário recorrer a um bioindicador complementar – Hydrobia ulvae – para melhor avaliar a evolução temporal da poluição por TBT no interior deste sistema estuarino e estudar a persistência de TBT nos sedimentos. Não foi registada uma diminuição dos níveis de imposex em H. ulvae na Ria de Aveiro entre 1998 e 2007, apesar da aplicação do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Pelo contrário, houve um aumento global significativo da percentagem de fêmeas afectadas por imposex e um ligeiro aumento do VDSI, contrastando com o que tem sido descrito para outros bioindicadores na Ria de Aveiro no mesmo período. Estes resultados mostram que a diferente biologia/ecologia das espécies indicadoras determina vias distintas de acumulação de TBT, apontando a importância da escolha do bioindicador dependendo do compartimento a ser monitorizado (sedimento versus água). A ingestão de sedimento como hábito alimentar em H. ulvae foi discutida como sendo a razão para a escolha da espécie como indicadora da contaminação dos sedimentos por TBT. Foram também estudados os métodos mais fiáveis para reduzir a influência de variáveis críticas na medição dos níveis de imposex em H. ulvae. As comparações de parâmetros do imposex baseados em medições do pénis devem ser sempre realizadas sob condições de narcotização bem standardizadas uma vez que este procedimento provoca um aumento significativo do comprimento do pénis (PL) em ambos os sexos. O VDSI, a % e o PL em ambos os sexos revelaram ser fortemente influenciados pelo tamanho dos espécimes: a utilização de fêmeas mais pequenas conduz à subestimação do VDSI, da %I e do PL, enquanto que diferenças no tamanho dos machos provocam variações no índice do comprimento relativo do pénis (RPLI), independentemente dos níveis de poluição por TBT. Existe, portanto, a necessidade de controlar algumas variáveis envolvidas na análise do imposex que mostraram afectar a fiabilidade dos resultados. Uma vez que N. lapillus é o principal bioindicador dos efeitos biológicos específicos do TBT para a área da OSPAR, foi também estudada a influência de algumas variáveis na avaliação dos níveis de imposex nesta espécie, especificamente as relacionadas com o ciclo reprodutor e o tamanho dos espécimes. O estudo do ciclo reprodutor e a variação sazonal/espacial do comprimento do pénis do macho (MPL) incidiu num único local no litoral Português (Areão – região de Aveiro) de forma a avaliar se o RPSI varia sazonal e espacialmente na mesma estação de amostragem e se tais variações influenciam os resultados obtidos em programas de monitorização do imposex. Nos meses de Dezembro de 2005 a Junho de 2007, foram encontrados espécimes de N. lapillus sexualmente maturos e potencialmente aptos para a reprodução. Contudo, foi também evidente um padrão sazonal do ciclo reprodutor – o estado de desenvolvimento da gametogénese nas fêmeas variou sazonalmente e ocorreu uma diminuição do volume da glândula da cápsula e do factor de condição no final do Verão / início do Outono. Contrariamente, a gametogénese nos machos não apresentou variação sazonal significativa, embora os valores mais baixos do factor de condição, do comprimento do pénis e dos volumes de esperma e da próstata tenham também sido registados no final do Verão / início do Outono. Além disso, o MPL mostrou variar, no mesmo local de amostragem, inversamente com a distância aos ninhos de cápsulas ovígeras; um aumento dos valores do MPL foi também observado em espécimes de maior tamanho. Todas estas variações no MPL introduzem desvios nos resultados da avaliação do imposex quando é usado o RPSI. A magnitude do erro envolvido foi quantificada e revelou-se superior em locais com níveis mais elevados de poluição por TBT. Apesar do RPSI ser um índice que fornece informação importante sobre os níveis de poluição por TBT, a sua interpretação deve ser cuidadosa e realizada complementarmente com os outros índices, destacando-se o VDSI como índice mais fiável e com significado biológico mais expressivo. Novas campanhas de monitorização do imposex em N. lapillus foram realizadas ao longo da costa Portuguesa em 2006 e 2008, e os resultados subsequentemente comparados com a base de dados criada em 2003,de forma a avaliar a evolução da poluição por TBT no litoral Português naquele período. Nestes estudos foram aplicados novos procedimentos na monitorização e tratamento dos dados, de forma a minimizar a variação nos índices de avaliação do imposex induzida pelos factores acima descritos, para seguir com maior consistência a tendência da poluição por TBT entre 2003 e 2008. Foi observado um declínio global significativo na intensidade de imposex na área de estudo durante o referido período e a qualidade ecológica da costa Portuguesa, segundo os termos definidos pela Comissão OSPAR, revelou melhorias notáveis após 2003 confirmando a eficácia do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Não obstante, as populações de N. lapillus revelaram-se ainda amplamente afectadas por imposex, tendo sido detectadas emissões de TBT na água do mar ao longo da costa em 2006, apesar da restrição anteriormente referida. Estes inputs foram atribuídos principalmente aos navios que à data ainda circulavam com tintas AV com TBT aplicadas antes de 2003, uma vez que a sua utilização nas embarcações foi apenas proibida em 2008. Considerando que o Regulamento (CE) N.º 782/2003 constitui uma antecipação da proibição global da OMI que entrou em vigor em Setembro de 2008, prevê-se, por analogia, que haja uma rápida diminuição da poluição por TBT à escala mundial num futuro próximo. Na sequência desta previsão, é apresentada uma discussão teórica preliminar relativamente ás possíveis estratégias usadas por N. lapillus na recolonização de locais onde, no passado, as populações terão aparentemente sido extintas devido a níveis extremamente elevados de TBT. Estes locais são tipicamente zonas abrigadas junto de infra-estruturas portuárias, cuja recolonização por esta espécie será provavelmente muito lenta dada a mobilidade reduzida dos adultos e o ciclo de vida não apresentar fase larvar pelágica. Foram então equacionadas duas hipotéticas vias de recolonização de zonas abrigadas por espécimes provenientes de populações de costa aberta/exposta: a migração de adultos e/ou a dispersão de juvenis. No entanto, em ambos os casos, estaria implicada a transposição de um problema amplamente descrito na bibliografia: as populações de N. lapillus de costa aberta podem apresentar um fenótipo muito diferente das de zonas abrigadas, podendo inclusivamente variar no número de cromossomas. A recolonização pode portanto não ter sucesso pelo simples facto dos novos recrutas não estarem bem adaptados aos locais a recolonizar. Para analisar este problema, foram estudados tanto a forma da concha de espécimes de N. lapillus ao longo da costa Portuguesa como o respectivo número de cromossomas. Embora a forma da concha tenha revelado diferenças, de acordo com o grau de hidrodinamismo entre as populações de N. lapillus avaliadas, o cariótipo 2n = 26, típico de zonas expostas, foi registado em todos os locais amostrados. Por outro lado, foi também testada em laboratório a possível mortalidade de juvenis em dispersão no interior menos salino dos estuários. Foi então verificada a ocorrência de mortalidade elevada de juvenis expostos a salinidades baixas (=100% após 1 hora a salinidades ≤9 psu), o que também pode comprometer a recolonização de zonas estuarinas menos salinas por esta via. Mesmo assim, os juvenis mostraram um comportamento de flutuação à superfície da água em condições laboratoriais, que pode ser considerado um benefício específico na colonização de áreas mais internas dos estuários, se tal facto vier a ser confirmado em estudos de campo. As conclusões deste estudo contribuem certamente para a descrição do final da “história do TBT” dado que, uma vez controlados alguns factores determinantes no uso do imposex como biomarcador, a avaliação do declínio da poluição por estes compostos, agora esperado à escala global, se torna mais rigorosa.

Mercury (II) removal from aqueous solutions by microporous materials

O Mercúrio é um dos metais pesados mais tóxicos existentes no meio ambiente, é persistente e caracteriza-se por bioamplificar e bioacumular ao longo da cadeia trófica. A poluição com mercúrio é um problema à escala global devido à combinação de emissões naturais e emissões antropogénicas, o que obriga a políticas ambientais mais restritivas sobre a descarga de metais pesados. Consequentemente o desenvolvimento de novos e eficientes materiais e de novas tecnologias para remover mercúrio de efluentes é necessário e urgente. Neste contexto, alguns materiais microporosos provenientes de duas famílias, titanossilicatos e zirconossilicatos, foram investigados com o objectivo de avaliar a sua capacidade para remover iões Hg2+ de soluções aquosas. De um modo geral, quase todos os materiais estudados apresentaram elevadas percentagens de remoção, confirmando que são bons permutadores iónicos e que têm capacidade para serem utilizados como agentes descontaminantes. O titanossilicato ETS-4 foi o material mais estudado devido à sua elevada eficiência de remoção (>98%), aliada à pequena quantidade de massa necessária para atingir essa elevada percentagem de remoção. Com apenas 4 mg⋅dm-3 de ETS-4 foi possível tratar uma solução com uma concentração igual ao valor máximo admissível para descargas de efluentes em cursos de água (50 μg⋅dm-3) e obter água com qualidade para consumo humano (<1.0 μg⋅dm-3), de acordo com a legislação Portuguesa (DL 236/98). Tal como para outros adsorbentes, a capacidade de remoção de Hg2+ do ETS- 4 depende de várias condições experimentais, tais como o tempo de contacto, a massa, a concentração inicial de mercúrio, o pH e a temperatura. Do ponto de vista industrial as condições óptimas para a aplicação do ETS-4 são bastante atractivas, uma vez que não requerem grandes quantidades de material e o tratamento da solução pode ser feito à temperatura ambiente. A aplicação do ETS-4 torna-se ainda mais interessante no caso de efluentes hospitalares, de processos de electro-deposição com níquel, metalúrgica, extracção de minérios, especialmente ouro, e indústrias de fabrico de cloro e soda cáustica, uma vez que estes efluentes apresentam valores de pH semelhantes ao valor de pH óptimo para a aplicação do ETS-4. A cinética do processo de troca iónica é bem descrita pelo modelo Nernst-Planck, enquanto que os dados de equilíbrio são bem ajustados pelas isotérmicas de Langmuir e de Freundlich. Os parâmetros termodinâmicos, ΔG° and ΔH° indicam que a remoção de Hg2+ pelo ETS-4 é um processo espontâneo e exotérmico. A elevada eficiência do ETS-4 é confirmada pelos valores da capacidade de remoção de outros materiais para os iões Hg2+, descritos na literatura. A utilização de coluna de ETS-4 preparada no nosso laboratório, para a remoção em contínuo de Hg2+ confirma que este material apresenta um grande potencial para ser utilizado no tratamento de águas. ABSTRACT: Mercury is one of the most toxic heavy metals, exhibiting a persistent character in the environment and biota as well as bioamplification and bioaccumulation along the food chain. Natural inputs combined with the global anthropogenic sources make mercury pollution a planetary-scale problem, and strict environmental policies on metal discharges have been enforced. The development of efficient new materials and clean-up technologies for removing mercury from effluents is, thus, timely. In this context, in my study, several microporous materials from two families, titanosilicates and zirconosilicates were investigated in order to assess their Hg2+ sorption capacity and removal efficiency, under different operating conditions. In general, almost all microporous materials studied exhibited high removal efficiencies, confirming that they are good ion exchangers and have potential to be used as Hg2+ decontaminant agents. Titanosilicate ETS-4 was the material most studied here, by its highest removal efficiency (>98%) and lowest mass necessary to attain it. Moreover, according with the Portuguese legislation (DL 236/98) it is possible to attain drinking water quality (i.e. [Hg2+]< 1.0 μg⋅dm-3) by treating a solution with a Hg2+ concentration equal to the maximum value admissible for effluents discharges into water bodies (50 μg⋅dm-3), using only 4 mg⋅dm-3 of ETS-4. Even in the presence of major freshwater cations, ETS-4 removal efficiency remains high. Like for other adsorbents, the sorption capacity of ETS-4 for Hg2+ ions is strongly dependent on the operating conditions, such as contact time, mass, initial Hg2+ concentration and solution pH and, to a lesser extent, temperature. The optimum operating conditions found for ETS-4 are very attractive from the industrial point of view because the application of ETS-4 for the treatment of wastewater and/or industrial effluents will not require larges amounts of adsorbent, neither energy supply for temperature adjustments becoming the removal process economically competitive. These conditions become even more interesting in the case of medical institutions liquid, nickel electroplating process, copper smelter, gold ore tailings and chlor-alkali effluents, since no significant pH adjustments to the effluent are necessary. The ion exchange kinetics of Hg2+ uptake is successfully described by the Nernst-Planck based model, while the ion exchange equilibrium is well fitted by both Langmuir and Freundlich isotherms. Moreover, the feasibility of the removal process was confirmed by the thermodynamic parameters (ΔG° and ΔH°) which indicate that the Hg2+ sorption by ETS-4 is spontaneous and exothermic. The higher efficiency of ETS-4 for Hg2+ ions is corroborate by the values reported in literature for the sorption capacity of other adsorbents for Hg2+ ions. The use of an ETS-4 fixed-bed ion exchange column, manufactured in our laboratory, in the continuous removal of Hg2+ ions from solutions confirms that this titanosilicate has potential to be used in industrial water treatment.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.