An SmtB-like repressor from Synechocystis PCC 6803 regulates a zinc exporter

ORF slr0798, now designated ziaA, from Synechocystis PCC 6803 encodes a polypeptide with sequence features of heavy metal transporting P-type ATPases. Increased Zn2+ tolerance and reduced 65Zn accumulation was observed in Synechococcus PCC 7942, strain R2-PIM8(smt), containing ziaA and upstream regulatory sequences, compared with control cells. Conversely, reduced Zn2+ tolerance was observed following disruption of ziaA in Synechocystis PCC 6803, and ziaA-mediated restoration of Zn2+ tolerance has subsequently been used as a selectable marker for transformation. Nucleotide sequences upstream of ziaA, fused to a promoterless lacZ gene, conferred Zn2+-dependent β-galactosidase activity when introduced into R2-PIM8(smt). The product of ORF sll0792, designated ZiaR, is a Zn2+-responsive repressor of ziaA transcription. Reporter gene constructs lacking ziaR conferred elevated Zn2+-independent expression from the ziaA operator–promoter in R2-PIM8(smt). Gel retardation assays detected ZiaR-dependent complexes forming with the zia operator–promoter and ZiaR–DNA binding was enhanced by treatment with a metal-chelator in vitro. Two mutants of ZiaR (C71S/C73S and H116R) bound to, and repressed expression from, the ziaA operator–promoter but were unable to sense Zn2+. Metal coordination to His-imidazole and Cys-thiolate ligands at these residues of ZiaR is thus implicated in Zn2+-perception by Synechocystis PCC 6803.

Overexpression of Glutathione Synthetase in Indian Mustard Enhances Cadmium Accumulation and Tolerance1

An important pathway by which plants detoxify heavy metals is through sequestration with heavy-metal-binding peptides called phytochelatins or their precursor, glutathione. To identify limiting factors for heavy-metal accumulation and tolerance, and to develop transgenic plants with an increased capacity to accumulate and/or tolerate heavy metals, the Escherichia coli gshII gene encoding glutathione synthetase (GS) was overexpressed in the cytosol of Indian mustard (Brassica juncea). The transgenic GS plants accumulated significantly more Cd than the wild type: shoot Cd concentrations were up to 25% higher and total Cd accumulation per shoot was up to 3-fold higher. Moreover, the GS plants showed enhanced tolerance to Cd at both the seedling and mature-plant stages. Cd accumulation and tolerance were correlated with the gshII expression level. Cd-treated GS plants had higher concentrations of glutathione, phytochelatin, thiol, S, and Ca than wild-type plants. We conclude that in the presence of Cd, the GS enzyme is rate limiting for the biosynthesis of glutathione and phytochelatins, and that overexpression of GS offers a promising strategy for the production of plants with superior heavy-metal phytoremediation capacity.

Development, Characterization, and Application of a Cadmium-Selective Microelectrode for the Measurement of Cadmium Fluxes in Roots of Thlaspi Species and Wheat1

A Cd2+-selective vibrating microelectrode was constructed using a neutral carrier-based Cd ionophore to investigate ion-transport processes along the roots of wheat (Triticum aestivum L.) and two species of Thlaspi, one a Zn/Cd hyperaccumulator and the other a related nonaccumulator. In simple Cd(NO3)2 solutions, the electrode exhibited a Nernstian response in solutions with Cd2+ activities as low as 50 nm. Addition of Ca2+ to the calibration solutions did not influence the slope of the calibration curve but reduced the detection limit to a solution activity of 1 μm Cd2+. Addition of high concentrations of K+ and Mg2+ to the calibration solution to mimic the ionic composition of the cytoplasm affected neither the slope nor the sensitivity of the electrode, demonstrating the pH-insensitive electrode's potential for intracellular investigations. The electrode was assayed for selectivity and was shown to be at least 1000 times more selective for Cd2+ than for any of those potentially interfering ions tested. Flux measurements along the roots of the two Thlaspi species showed no differences in the pattern or the magnitude of Cd2+ uptake within the time frame considered. The Cd2+-selective microelectrode will permit detailed investigations of heavy-metal ion transport in plant roots, especially in the area of phytoremediation.

Mercuric ion reduction and resistance in transgenic Arabidopsis thaliana plants expressing a modified bacterial merA gene.

With global heavy metal contamination increasing, plants that can process heavy metals might provide efficient and ecologically sound approaches to sequestration and removal. Mercuric ion reductase, MerA, converts toxic Hg2+ to the less toxic, relatively inert metallic mercury (Hg0) The bacterial merA sequence is rich in CpG dinucleotides and has a highly skewed codon usage, both of which are particularly unfavorable to efficient expression in plants. We constructed a mutagenized merA sequence, merApe9, modifying the flanking region and 9% of the coding region and placing this sequence under control of plant regulatory elements. Transgenic Arabidopsis thaliana seeds expressing merApe9 germinated, and these seedlings grew, flowered, and set seed on medium containing HgCl2 concentrations of 25-100 microM (5-20 ppm), levels toxic to several controls. Transgenic merApe9 seedlings evolved considerable amounts of Hg0 relative to control plants. The rate of mercury evolution and the level of resistance were proportional to the steady-state mRNA level, confirming that resistance was due to expression of the MerApe9 enzyme. Plants and bacteria expressing merApe9 were also resistant to toxic levels of Au3+. These and other data suggest that there are potentially viable molecular genetic approaches to the phytoremediation of metal ion pollution.

Disponibilidade de níquel no sistema solo-planta: efeito de doses e saturações por bases

Por se tratar de um elemento essencial às plantas e um metal pesado ao mesmo tempo, o níquel requer atenção quanto aos aspectos da fisiologia de plantas e ambiental. Além disso, existe um intervalo estreito entre as exigências nutricionais e os teores tóxicos às plantas. Neste contexto, objetivou-se avaliar o efeito do Ni no sistema solo-planta, com foco no ciclo do N e a disponibilidade do elemento no solo, por meio de experimento em condições controladas, utilizando vasos distribuídos inteiramente ao acaso, utilizando-se esquema fatorial 2 x 5, com sete repetições cada tratamento. O primeiro fator foi constituído de duas saturações por base (50 e 70%) e o segundo de cinco doses de Ni (0; 0,1; 0,5; 1,0 e 10,0 mg dm-3 de solo). Os vasos foram preenchidos com 8 dm3 de terra e cultivados com soja [Glycine max (L.) Merrill] sucedida por girassol (Helianthus annuus L.). Os parâmetros qualitativos e quantitativos: altura de plantas (AP), diâmetro do caule (DC), número de nós (NN), estádio fenológico (EF), índice SPAD e, diâmetro do capítulo (DCap) (para girassol) foram avaliadas aos 30 e 60 dias após a emergência (d.a.e.) de cada cultivo. Plantas inteiras de soja, amostradas em quatro vasos de cada tratamento, foram coletadas no estádio R1. Na mesma ocasião foram coletadas amostras de solo da rizosfera. Em seguida, as plantas coletadas foram divididas em: folhas; raízes (nódulos na soja) e parte aérea. Foram determinados nas folhas utilizadas para diagnose em soja e girassol: os teores de macro e micronutrientes, as atividades da redutase do nitrato e da urease e as concentrações dos ácidos orgânicos: oxálico, malônico, succínico, málico, tartárico, fumárico, oxaloacético, cítrico e lático. Os mesmos ácidos orgânicos foram determinados em raízes secundárias de girassol e nódulos de soja. Foram realizadas avaliações ultraestruturais por meio de microscopia eletrônica de transmissão (MET) em raízes de girassol, e estruturais e de tonalidade em nódulos de soja, por meio de microscopia de luz. No solo, foram determinadas: atividade urease, desidrogenase, Ni total e fitodisponível pelos métodos: Mehlich-1, Mehlich-3 e DTPA. No período de maturidade fisiológica de cada cultura foi realizada a colheita das plantas dos vasos restantes para determinação de produção de grãos, teores de Ni na planta inteira e Ni e N nos grãos. Ao final dos dois experimentos foi realizada nova coleta de solo para extração sequencial de Ni. O índice SPAD em soja aos 60 d.a.e., a produção de massa seca da parte aérea da soja e da raiz de girassol foram influenciados pela saturação por bases, doses de níquel e pela a interação destes. Foram influenciados pelas saturações por base e doses de níquel (fatores isolados): para soja: AP aos 60 d.a.e., NN aos 30 e 60 d.a.e., SPAD aos 30 d.a.e.; para girassol: AP e NN aos 30 e 60 d.a.e., DC e SPAD aos 30 d.a.e. As demais variáveis avaliadas aos 30 e 60 d.a.e. foram influenciadas apenas pela saturação por bases, ou doses de Ni separadamente. As plantas de soja e girassol apresentaram maiores teores de Ni nos diferentes tecidos avaliados (exceto grãos) quando cultivadas sob V50%. A produção de grãos de soja e girassol não foi influenciada pelos tratamentos, porém o teor de N dos grãos de soja influenciado pelas doses de Ni na V70%. A atividade da enzima urease nas folhas de soja e girassol foi responsiva positivamente ao aumento das doses de Ni. Quatro dos ácidos orgânicos avaliados e o teor de N nas folhas e nos grãos foram maiores nas plantas cultivadas sob V70% com a dose de 0,5 mg dm-3 de Ni. As doses de Ni bem com as saturações por bases influenciaram diretamente o balanço de nutrientes das plantas. Os extratores Mehlich-1, Mehlich-3 e DTPA apresentaram elevado coefienciente de correlação entre a fração de Ni disponível no solo e a concentração do elemento nas plantas de soja e girassol, sendo o extrator DTPA o que apresentou maior coeficiente de correlação. O Ni apresentou distribuição variável entre as diferentes frações do solo em função dos tratamentos. Os solos dos tratamentos com saturação por bases de 70% apresentaram maior concentração de Ni ligado a carbonato, comparado aos tratamentos sob saturação por bases de 50%. A distribuição do Ni entre as frações do solo seguiu a seguinte orgem: ligado a carbonato < trocável < ligado a óxidos < matéria orgânica < residual. A saturação por bases exerceu efeito diferenciado para a atividade da urease no solo em função da cultura avaliada. Por sua vez, o Ni exerceu efeito diferenciado sobre a atividade de desidrogenase em função da cultura estudada

Estudo de equilíbrio e cinética da biossorção de cobre (II) por Rhizopus Microsporus.

A poluição relacionada a metais pesados tem recebido uma atenção especial devido a sua alta toxicidade, não biodegradabilidade e tendência de acumular-se na cadeia alimentar. Apesar disso, metais pesados também são considerados recursos valiosos, portanto a sua remoção em conjunto com a sua recuperação torna-se ainda mais importante. Este caso aplica-se aos rejeitos de mineração de cobre, os quais oferecem a possibilidade de recuperação do metal e de sua contenção de maneira segura do meio ambiente. Tais rejeitos se caracterizam por ocuparem enormes áreas inundadas e abrigarem soluções diluídas de cobre (II), porém, muitas vezes, acima dos limites seguros. Diversos processos tradicionais de tratamento mostram-se disponíveis para remover o cobre de tais soluções, no entanto, em certas aplicações eles podem ser ineficientes ou muito onerosos. Nesse contexto, a biossorção é uma alternativa interessante. Nesse processo, certos microrganismos, como fungos, bactérias e algas, ligam-se passivamente ao cobre na forma íons ou outras moléculas em soluções. No presente trabalho foi avaliado o potencial de biossorção de íons cobre (II) pela biomassa do fungo Rhizopus microsporus, coletado e isolado da área de rejeitos da Mina do Sossego, na região norte do Brasil. Isotermas de biossorção foram determinadas experimentalmente em bateladas sob temperatura de 25°C, agitação de 150 rpm, concentração de biomassa de 2,0 a 2,5 g/L e tempo de contato mínimo de 4 horas. O pH mostrou ser um fator importante no equilíbrio da biossorção, sendo o valor máximo da capacidade de biossorção de 33,12 mg de cobre / g biomassa encontrado em pH 6. Valores sucessivamente menores são encontrados pela acidificação da solução, sendo o pH 1 considerado adequado para o processo de dessorção, correspondendo a uma capacidade de biossorção de 1,95 mg/g. Modelos de adsorção de Langmuir e de Freundlich ajustaram-se adequadamente às isotermas tanto com pH controlado quanto não controlado. Foi constatado que a troca iônica é um dos mecanismos envolvidos na biossorção do cobre com Rhizopus microsporus. Tanto o modelo de pseudo-primeira ordem quanto o de pseudo-segunda ordem ajustaram-se aos dados cinéticos da biossorção, sendo que o equilíbrio ocorre em aproximadamente 4 horas. A biomassa conservou a capacidade de biossorção ao operar repetidamente em três ciclos de sorção-dessorção. A biomassa viável e a morta não apresentaram diferença estatisticamente significativa na capacidade de biossorção.

Nanoclay-based Pigments: synthesis, characterization and application

Nanoclay-based pigments are promising colorants. They enhance the colorimetric properties of the dye giving more intense and saturated colours. In addition, they act as reinforce additive when they are dispersed into polymers. They can be applied in a wide variety of substrates: printing inks, textiles, acrylic paints and concrete; and more applications are being developed. One important advantage of the nanoclay-based pigments is the fact that they can be considered an ecological alternative to contaminant colorants, in contrast to some traditional inorganic pigments that contend heavy metal in their structure.

Quantum Dot-Sensitized Solar Cells Based on Directly Adsorbed Zinc Copper Indium Sulfide Colloids

Heavy metal-based quantum dots (QDs) have demonstrated to behave as efficient sensitizers in QD-sensitized solar cells (QDSSCs), as attested by the countless works and encouraging efficiencies reported so far. However, their intrinsic toxicity has arisen as a major issue for the prospects of commercialization. Here, we examine the potential of environmentally friendly zinc copper indium sulfide (ZCIS) QDs for the fabrication of liquid-junction QDSSCs by means of photoelectrochemical measurements. A straightforward approach to directly adsorb ZCIS QDs on TiO2 from a colloidal dispersion is presented. Incident photon-to-current efficiency (IPCE) spectra of sensitized photoanodes show a marked dependence on the adsorption time, with longer times leading to poorer performances. Cyclic voltammograms point to a blockage of the channels of the mesoporous TiO2 film by the agglomeration of QDs as the main reason for the decrease in efficiency. Photoanodes were also submitted to the ZnS treatment. Its effects on electron recombination with the electrolyte are analyzed through electrochemical impedance spectroscopy and photopotential measurements. The corresponding results bring out the role of the ZnS coating as a barrier layer preventing electron leakage toward the electrolyte, as argued in other QD-sensitized systems. The beneficial effect of the ZnS coating is ultimately reflected on the power conversion efficiency of complete devices, reaching values of 2 %. In a more general vein, through these findings, we aim to call the attention to the potentiality of this quaternary alloy, virtually unexplored as a light harvester for sensitized devices.

Alleviation of Zn toxicity by low water availability

Heavy metal contamination and drought are expected to increase in large areas worldwide. However, their combined effect on plant performance has been scantly analyzed. This study examines the effect of Zn supply at different water availabilities on morpho-physiological traits of Quercus suber L. in order to analyze the combined effects of both stresses. Seedlings were treated with four levels of zinc from 3 to 150 µM and exposed to low watering (LW) or high watering (HW) frequency in hydroponic culture, using a growth chamber. Under both watering regimes, Zn concentration in leaves and roots increased with Zn increment in nutrient solution. Nevertheless, at the highest Zn doses, Zn tissue concentrations were almost twice in HW than in LW seedlings. Functional traits as leaf photosynthetic rate and root hydraulic conductivity, and morphological traits as root length and root biomass decreased significantly in response to Zn supply. Auxin levels increased with Zn concentrations, suggesting the involvement of this phytohormone in the seedling response to this element. LW seedlings exposed to 150 µM Zn showed higher root length and root biomass than HW seedlings exposed to the same Zn dose. Our results suggest that low water availability could mitigate Zn toxicity by limiting internal accumulation. Morphological traits involved in the response to both stresses probably contributed to this response.

Sources and transport of surface sediment and metals in B.C. fjord, Tahsis and Zeballos Inlets

Senior thesis written for Oceanography 445

Gene-environment interactions between adult lead exposure and Apolipoprotein E4 on adult hippocampal neurogenesis and cognitive behavior in mice

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06