Novel precipitated zirconia-based DGT technique for high-resolution imaging of oxyanions in waters and sediments

Water-sediment exchange is a fundamental component of oxyanion cycling in the environment. Yet, many of the (im)mobilization processes overlay complex spatial and temporal redox regimes that occur within millimeters of the interface. Only a few methods exist that can reliably capture these porewater fluxes, with the most popular being high-resolution diffusive gradients in thin films (HR-DGT). However, functionality of HR-DGT is restricted by the availability of suitable analyte binding agents within the sampler, which must be simple to cast and homogeneously distributed in the binding layer, exhibit adequate sorption capacities, be resistive to chemical change, and possess a very fine particle size (≤10 μm). A novel binding layer was synthesized to meet these requirements by in situ precipitation of zirconia into a precast hydrogel. The particle diameter ≤0.2 μm of zirconia in this precipitated gel was uniform and at least 50-times smaller than the conventional molding approach. Further, this gel had superior binding and stability characteristics compared with the commonly used ferrihydrite HR-DGT technique and could be easily fabricated as an ultrathin gel (60 μm) for simultaneous oxygen imaging in conjunction with planar-optodes. Chemical imaging of anion and oxygen fluxes using the new sampler were evaluated on Lake Taihu sediments.

Lattice-based Encryption Over Standard Lattices in Hardware

Lattice-based cryptography has gained credence recently as a replacement for current public-key cryptosystems, due to its quantum-resilience, versatility, and relatively low key sizes. To date, encryption based on the learning with errors (LWE) problem has only been investigated from an ideal lattice standpoint, due to its computation and size efficiencies. However, a thorough investigation of standard lattices in practice has yet to be considered. Standard lattices may be preferred to ideal lattices due to their stronger security assumptions and less restrictive parameter selection process. In this paper, an area-optimised hardware architecture of a standard lattice-based cryptographic scheme is proposed. The design is implemented on a FPGA and it is found that both encryption and decryption fit comfortably on a Spartan-6 FPGA. This is the first hardware architecture for standard lattice-based cryptography reported in the literature to date, and thus is a benchmark for future implementations.
Additionally, a revised discrete Gaussian sampler is proposed which is the fastest of its type to date, and also is the first to investigate the cost savings of implementing with lamda_2-bits of precision. Performance results are promising in comparison to the hardware designs of the equivalent ring-LWE scheme, which in addition to providing a stronger security proof; generate 1272 encryptions per second and 4395 decryptions per second.

Novel DGT method with tri-metal oxide adsorbent for in situ spatiotemporal flux measurement of fluoride in waters and sediments

Natural mineral-water interface reactions drive ecosystem/global fluoride (F−) cycling. These small-scale processes prove challenging to monitoring due to mobilization being highly localized and variable; influenced by changing climate, hydrology, dissolution chemistries and pedogenosis. These release events could be captured in situ by the passive sampling technique, diffusive gradients in thin-films (DGT), providing a cost-effective and time-integrated measurement of F− mobilization. However, attempts to develop the method for F− have been unsuccessful due to the very restrictive operational ranges that most F−-absorbents function within. A new hybrid-DGT technique for F− quantification containing a three-phase fine particle composite (Fesingle bondAlsingle bondCe, FAC) adsorbent was developed and evaluated. Sampler response was validated in laboratory and field deployments, passing solution chemistry QC within ionic strength and pH ranges of 0–200 mmol L−1 and 4.3–9.1, respectively, and exhibiting high sorption capacities (98 ± 8 μg cm−2). FAC-DGT measurements adequately predicted up to weeklong averaged in situ F− fluvial fluxes in a freshwater river and F− concentrations in a wastewater treatment flume determined by high frequency active sampling. While, millimetre-scale diffusive fluxes across the sediment-water interface were modeled for three contrasting lake bed sediments from a F−-enriched lake using the new FAC-DGT platform.

Modelação molecular de associações entre aniões e receptores sintéticos

A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface.

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

Distribuição por tamanhos do aerosol atmosférico na Península Ibérica

Um dos principais fatores que afetam negativamente a qualidade do ambiente em muitas cidades em todo o mundo é o material particulado (PM). A sua presença na atmosfera pode ter impactos negativos na saúde humana, clima, património edificado e ecossistemas. Muitos dos estudos realizados em áreas urbanas focam apenas as frações respiráveis (PM10 e PM2,5). No entanto, os processos de formação, a identificação das fontes emissoras e os efeitos dependem muito da distribuição granulométrica das partículas. A atenção tem recaído na análise de hidrocarbonetos poliaromáticos (PAHs), devida à sua carcinogenicidade e a informação disponível sobre outros compostos é escassa. O presente estudo consistiu na obtenção do PM distribuído por diferentes frações de tamanho e na análise detalhada da sua composição química, em dois locais urbanos da Península Ibérica (Madrid e Lisboa). Dado que os veículos representam uma das principais fontes emissoras em ambientes urbanos, efetuou-se uma caracterização mais detalhada deste tipo de emissões, conduzindo uma campanha de amostragem num túnel rodoviário (Marquês de Pombal, Lisboa). As amostragens, em ambas as cidades, decorreram durante um mês, quer no verão quer no inverno, em dois locais urbanos distintos, um junto a uma via com influência de tráfego e outro numa área urbana de fundo. No túnel a amostragem foi realizada apenas durante uma semana. Em Madrid e no túnel, o PM foi recolhido utilizando um amostrador de elevado volume com impactor em cascata com quatro tamanhos: 10-2,5, 2,5-0,95, 0,95-0,49 e < 0,49 μm. Em Lisboa, foi utilizado um impactor em cascata com apenas dois tamanhos, 10- 2,5 e < 2,5 μm. As amostras foram quimicamente analisadas e determinadas as concentrações de compostos carbonados (OC, EC e carbonatos), iões inorgânicos solúveis em água (Cl−, NO3−, SO42−, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+),metais e compostos orgânicos. Em Madrid, as concentrações médias de PM10 foram 44 e 48% maiores nas amostras recolhidas junto à estrada do que as de fundo urbano no verão e inverno, respetivamente. A fração grosseira e o PM0,5 apresentaram concentrações mais elevadas no verão do que no inverno devido às condições climatéricas pouco usuais. No verão, as amostragens decorreram num mês em que as temperaturas foram muito elevadas e em que ocorreram vários episódios de intrusão de poeira africana. Durante o período de amostragem de inverno, as temperaturas foram muito baixas e registaram-se vários dias de precipitação quer sob a forma de chuva, quer sob a forma de neve. As situações meteorológicas sinóticas mais comuns, incluindo aquelas que causam o transporte de massas de ar com poeiras Africanas, foram identificadas em ambas as estações do ano. As concentrações mássicas de PM10, EC e OC foram encontrados predominantemente na fração de tamanho ultrafino em ambos os locais de amostragem e estações do ano. Nas restantes frações não se observou nenhuma tendência sazonal. O carbono orgânico secundário (SOC) mostrou um claro padrão sazonal, com concentrações muito mais elevadas no verão do que no inverno, em ambos os lugares. A partir do balanço mássico de iões, observou-se que, no verão, a formação de compostos inorgânicos secundários (SIC) conduziu a um enriquecimento pouco comum de Ca2+ na fração submicrométrica, quer nas amostras de tráfego, quer em fundo urbano. Os alcanos, PAHs, os álcoois e os ácidos foram as classes de compostos orgânicos identificados e quantificados no material particulado. Globalmente, representaram 0,26 e 0,11 μg m−3 no verão e inverno, respetivamente, no local de tráfego e 0,28 e 0,035 μg m−3 na área urbana de fundo. Os diferentes compostos orgânicos também apresentaram padrões sazonais, sugerindo fontes de emissão (e.g. escapes dos veículos e fontes biogénicas) ou processos de formação com contribuições variáveis ao longo do ano. As concentrações de benzoapireno equivalente foram menores que 1 ng m-3 e o risco carcinogénico estimado é baixo. No verão, os maiores enriquecimentos de metais ocorreram na fração submicrométrica, e no inverno na fração grosseira. No verão, os enriquecimentos foram ≥ 80% para o Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Sb e Co, no inverno, estes traçadores de emissões do tráfego foram menores, exceto para o Zn. Em Lisboa, a concentração média de PM10 foi de 48 μg m-3 no verão e de 44 μg m-3 no inverno, junto à estrada. Na área de fundo urbano, registaram-se níveis comparáveis nas duas estações (27 μg m-3 e 26 μg m-3). A média do rácio PM2,5/PM10 foi de 65% no verão e 44% no inverno na área de tráfego e 62% e 59% na área urbana de fundo. Estes resultados significam que o PM2,5 é um dos principais contaminantes que afetam a qualidade do ar no centro da cidade de Lisboa. A relação OC/EC, que reflete a composição das emissões de combustão dos veículos, variou entre 0,3 e 0,4 no interior do túnel. Os rácios de OC/EC mínimos obtidos junto às vias de tráfego em Madrid e em Lisboa encontram-se entre os do túnel e os registados em atmosferas urbanas de fundo, sugerindo que os valores mínimos habitualmente obtidos para este parâmetro em ambientes urbanos abertos sobrestimam as emissões diretas de OC pelo transporte rodoviário. Espera-se que os resultados deste trabalho contribuam para suprir, pelo menos em parte, as lacunas de informação quer sobre a composição de várias granulometrias de PM, quer sobre fontes e processos de formação em atmosferas urbanas. Como a exposição a poluentes do ar ultrapassa o controle dos indivíduos e exige ação das autoridades públicas a nível nacional, regional e até mesmo internacional, é importante propor medidas mitigadoras focadas nas principais fontes de emissão identificadas.

Ecological quality assessment in transitional systems

Estuaries are poles of attraction for human settlement which is a source of pressures to surface water bodies. The implementation of the European Water Framework Directive (WDF, 2000/60/EC) has increased the investigation in order to develop methodologies to assess the Ecological Quality Status (EQS) of aquatic ecosystems. Transitional systems are naturally stressed and characterized by highly dynamic physical, chemical and hydro-morphologic conditions and by species with a higher level of tolerance to change, being more difficult to develop suitable quality indicators for these systems. The general purpose of this study is to test the ability of synthesis descriptors, including primary (S, taxa richness) and derived biological variable (H’, Shannon-Wiener diversity), biotic indices (AMBI and M-AMBI), body size properties (abundance distribution by body size classes, length, weight and length-weight relationships) and non-taxonomic indices (ISS), as well as functional indicators related to the decomposition rates of various experimental substrates, a macrophyte (Phragmites australis) and an alga (Fucus vesiculosus), to evaluate the environmental quality in transitional systems. This study was carried out in one of the most pristine channels of the Ria the Aveiro, Mira Channel, along a full salinity gradient and in a metals and metalloid sediment contamination area, the Estarreja Channel, and two reference channels (Canelas and Salreu). In this study were used different sampling techniques, the leaf-bag technique and a hand-held corer. In Mira Channel, the alga and the macrophyte presented an opposite trend in the decomposition rate along the salinity gradient, with the decomposition rates of the alga always higher than those of the macrophyte. The decomposition rates of the macrophyte and the alga were higher in the mid estuary and in higher salinity areas, respectively, corresponding to the preferencial distribution areas of each species. The macrobenthic fauna associated with the decaying and an artificial substrate (control) showed equally well the benthic succession from the marine to the freshwater areas and, despite the strong differences in the decay rates, no significant differences were found between the benthic communities associated with the alga and the macrophyte. The body size properties of the macrobenthic fauna associated with the P. australis leaf-bag (1mm and 5mm) and corer samples were studied along the full salinity gradient. The dominant species of the sub-set of measured specimens were not the same of the original macrobenthic fauna sampled but, despite that, the sub-set of measured specimens was also able to show the benthic succession from the marine to the freshwater areas. The body size abundance distribution of the benthic macroinvertebrates according to the ISS size classes did not show a particular trend in any sampler along the salinity gradient. Significant differences were found in the length, weight and length-weight relationships of Annelids, , Molluscs and even some species along the salinity gradient. No significant differences were found in the AMBI, M-AMBI and ISS values along the salinity gradient for all the samplers. The EQS of the corer samples obtained using the M-AMBI was lower than that of the leaf-bags. The EQS obtained with the ISS was higher than that obtained with the M-AMBI in the leaf-bags but not in the corer samples. The ecological effects of contaminated sediments associated with the industrial chemical effluents discharged in the Estarreja Channel were studied a decade after ceasing the emissions, using the Sediment Quality Triad approach and two reference channels. The results showed that despite the emissions ceased in 2004, the sediment remains polluted with high levels of metals and metalloid, available to bioaccumulation and with severe consequences at the community level. The sediment contamination problem was also studied using the leaf-bag technique with a macrophyte, an alga and a control substrate. The results showed that the decay rates, the associated macrofauna and the application of the AMBI, M-AMBI and ISS indices to the mesh-bag samples were not able to identify the sediment contamination. Contrarily to the AMBI, the M-AMBI and the ISS showed significant differences between the contaminated and the reference channels for the corer samples. Although such statistical significance, the interest of using these complex biotic indices could be questioned, when much simple ones, like the S and H’ allow to reach the same conclusions.

Propriedades de lamas de salinas de Aveiro, tendo em vista aplicações dermoterapêuticas e dermocosméticas

Desde tempos históricos que diferentes tipos de lama são utilizados para aplicações externas no corpo humano, para fins terapêuticos e cosméticos. As lamas cuja beneficiação e caracterização físico-química são apresentadas nesta dissertação são formadas no ambiente hipersalino que existe nas salinas da Troncalhada e de São Tiago da Fonte, localizadas no estuário do rio Vouga, em Aveiro, Portugal. As salinas são constituídas por uma sequência de tanques onde, no período de verão, da água do mar e por evaporação natural, se produz sal marinho que precipita no último tanque (o cristalizador) do qual é extraído. Na base dos tanques ocorrem lamas que correspondem a sedimentos constituídos por material argiloso de cor preto-cinzento e que incorporam argila, silte, areia, bioclastos, sal, matéria orgânica e gás. A componente inorgânica da lama extraída do cristalizador foi estudada por Difracção de Raios-X (DRX) e Fluorescência de Raios-X (FRX), enquanto a componente orgânica da mesma lama foi estudada por Cromatografia de Gás- Espectrometria de Massa (GC-MS). Os estudos efectuados incidiram sobre amostras representativas de lama, obtidas antes e após refinação e beneficiação a que foi submetida a lama tal-qual colhida nas salinas. Foram utilizados métodos geofísicos para caracterizar e distinguir as lamas depositadas na época de safra e no período de interregno. Para o efeito, foram cravados tubos amostradores no sedimento que reveste o fundo dos tanques, tubos que seguidamente foram transportados para o laboratório para medição da condutividade eléctrica do topo até à base da coluna de sedimento amostrado. A refinação foi efectuada por elutriação de suspensões aquosas de lama utilizando um equipamento desenvolvido para o efeito e que permitiu concentrar a lama fina no overflow. Após floculação, sifonagem da água sobrenadante, dessalinização e centrifugação a lama refinada e beneficiada pôde ser incorporada em formulações com objectivos terapêuticos e cosméticos. O estudo microbiológico efectuado nas amostras de lama com sal e sem sal e na água das salinas permitiu identificar diversos tipos de bactérias e colónias presentes na lama e avaliar também os processos de esterilização testados. Concluiu-se que a lama hipersalina ou dessalinizada resultante do processamento a que foram submetidas, não deve ser aplicada ou incorporada em formulações tal-qual, pelo facto de em ambas terem sido identificadas bactérias como é o caso de Clostridium perfringens. Não obstante, se submetidas a esterilização utilizando autoclave a lama salina refinada e beneficiada poderá ser aplicada como peloide extemporâneo. Assim sendo foram desenvolvidas formulações dermoterapêuticas e dermocosméticas contendo lama beneficiada e dessalinizada e esterilizada termicamente.

Effects of active pharmaceutical ingredients in mussel mytilus galloprovincialis

More than 3000 types of active pharmaceutical ingredients (APIs) are applied in Human and veterinary medicine practice. These compounds are considered an emergent class of environmental contaminants with the ability to cause damage and unexpected effects to aquatic organisms, namely in species of high commercial value. APIs are ubiquitous in the environment being frequently detected in influents and effluents of waste water treatment plants (WWTPs), surface waters and more distressingly in the public tap water in concentrations ranging from ng to μg.L-1. Considering these premises, the present thesis focused on APIs detection in the Arade river water, the impact of summer period in APIs’ concentration alterations applying the passive sampler device, POCIS (polar organic compound integrative sampler), as well as, the assessment of the effects caused by non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAID) ibuprofen (IBU) and diclofenac (DCF) and antidepressant selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI) fluoxetine as single and mixture exposures along with a classical contaminant copper (Cu) on a non-target species, mussel Mytilus galloprovincialis. For this purpose, a multibiomarker approach was applied namely including biomarkers of oxidative stress (antioxidant enzymes activities of superoxide dismutase – SOD, catalase – CAT, glutathione reductase – GR and Phase II glutathione-S-transferase), damage - lipid peroxidation (LPO), neurotoxic effects (through the activity of acetylcholinesterase enzyme - AChE) and endocrine disruption (through vitellogenin-like proteins measurement applying the indirect method of alkali-labile phosphate - ALP) after exposure of mussel species’ to selected APIs at environmental relevant concentrations. The main results highlighted the occurrence of 19 APIs in the river Arade from several distinct therapeutic classes. Stimulant caffeine, antiasthmatic theophylline, NSAID ibuprofen and analgesic paracetamol presented the highest concentrations. Summer impact was inconclusive due to each API transient concentration in each month. The multibiomarker results revealed distinct responses towards each selected API (as single exposure or as mixtures) that were tissue and time dependent. Several multistressor interactions were proposed for each biomarker. The results also revealed APIs potential to induce oxidative stress, LPO, neurotoxicity and endocrine disruption even at extremely low concentrations on a species extremely vulnerable to APIs presence highlighting the urgency on the development of methodologies able to prevent its entrance in the aquatic environment.

Analysis of underwater acoustic data via 3-D segmentation

The analysis of seabed structure is important in a wide variety of scientific and industrial applications. In this paper, underwater acoustic data produced by bottom-penetrating sonar (Topas) are analyzed using unsupervised volumetric segmentation, based on a three dimensional Gibbs-Markov model. The result is a concise and accurate description of the seabed, in which key structures are emphasized. This description is also very well suited to further operations, such as the enhancement and automatic recognition of important structures. Experimental results demonstrating the effectiveness of this approach are shown, using Topas data gathered in the North Sea off Horten, Norway.

Relative Efficiencies of the Burkard 7-Day, Rotorod and Burkard Personal Samplers for Poaceae and Urticaceae Pollen under Field Conditions

Introduction: In aerobiological studies it is often necessary to compare concentration data recorded with different models of sampling instrument. Sampler efficiency typically varies from device to device, and depends on the target aerosol and local atmospheric conditions. To account for these differences inter-sampler correction factors may be applied, however for many pollen samplers and pollen taxa such correction factors do not exist and cannot be derived from existing published work. Materials and methods: In this study the relative efficiencies of the Burkard 7-Day Recording Volumetric Spore Trap, the Sampling Technologies Rotorod Model 20 and the Burkard Personal Volumetric Air Sampler were evaluated for Urticaceae and Poaceae pollen under field conditions, and the influence of wind speed and relative humidity on these efficiency relationships was assessed. Data for the two pollen taxa were collected during 2010 and 2011-12 respectively. Results: The three devices were found to record significantly different concentrations for both pollen taxa, with the exception of the 7-Day and Rotorod samplers for Poaceae pollen. Under the range of conditions present during the study wind speed was found to only have a significant impact on inter-sampler relationships involving the vertically orientated Burkard Personal sampler, whilst no interaction between relative efficiency and relative humidity was observed. Conclusions: Data collected with the three models of sampler should only be compared once the appropriate correction has been made, with wind speed taken into account where appropriate.

Forecasting Methodologies for Ganoderma Spore Concentration Using Combined Statistical Approaches and Model Evaluations

High concentration levels of Ganoderma spp. spores were observed in Worcester, UK, during 2006–2010.These basidiospores are known to cause sensitization due to the allergen content and their small dimensions. This enables them to penetrate the lower part of the respiratory tract in humans. Establishment of a link between occurring symptoms of sensitization to Ganoderma spp. and other basidiospores is challenging due to lack of information regarding spore concentration in the air. Hence, aerobiological monitoring should be conducted, and if possible extended with the construction of forecast models. Daily mean concentration of allergenic Ganoderma spp. spores in the atmosphere of Worcester was measured using 7-day volumetric spore sampler through five consecutive years. The relationships between the presence of spores in the air and the weather parameters were examined. Forecast models were constructed for Ganoderma spp. spores using advanced statistical techniques, i.e. multivariate regression trees and artificial neural networks. Dew point temperature along with maximumtemperature was the most important factor influencing the presence of spores in the air of Worcester. Based on these two major factors and several others of lesser importance, thresholds for certain levels of fungal spore concentration, i.e. low (0–49 s m−3), moderate(50–99 s m−3), high (100–149 s m−3) and very high (150

Potential Impact of Climate Change on Fungal Distributions: Analysis of 2 Years of Contrasting Weather in the UK

The impact of climate change on fungal growth and spore production is less well documented than for allergenic pollen grains, although similar implications for respiratory tract diseases in humans occur. Fungal spores are commonly described as either “dry” or “wet” according to the type of weather associated with their occurrence in the air. This study examined the distribution of selected fungal spores (Alternaria spp., Cladosporium spp., Didymella spp., Epicoccum spp., Leptosphaeria spp. and rusts) occurring in the West Midlands of UK during 2 years of contrasting weather. Spore specimens were collected using a 7-day volumetric air sampler and then analysed with the aid of light microscopy. Distributions of spores were then studied using normality tests and Mann–Whitney U test, while relationships with meteorological parameters were investigated using Spearman’s rank test and angular-linear correlation for wind direction analysis. Our results showed that so-called wet spores were more sensitive to the weather changes showing statistically significant differences between the 2 years of study, in contrast to “dry” spores. We predict that in following years we will observe accelerated levels in allergenic fungal spore production as well as changes in species diversity. This study could be a starting point to revise the grouping system of fungal spores as either “dry” or “wet” types and their response to climate change

An Analysis of Local Wind and Air Mass Directions and Their Impact on Cladosporium Distribution Using HYSPLIT and Circular Statistics

Ecological studies that examine species-environment relationships are often limited to several meteorological parameters, i.e. mean air temperature, relative humidity, precipitation, vapour pressure deficit and solar radiation. The impact of local wind, its speed and direction are less commonly investigated in aerobiological surveys mainly due to difficulties related to the employment of specific analytical tools and interpretation of their outputs. Identification of inoculum sources of economically important plant pathogens, as well as highly allergenic bioaerosols like Cladosporium species, has not been yet explored with remote sensing data and atmospheric models such as Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT). We, therefore, performed an analysis of 24 h intra-diurnal cycle of Cladosporium spp. spores from an urban site in connection with both the local wind direction and overall air mass direction computed by HYSPLIT. The observational method was a volumetric air sampler of the Hirst design with 1 h time resolution and corresponding optical detection of fungal spores with light microscopy. The atmospheric modelling was done using the on-line data set from GDAS with 1° resolution and circular statistical methods. Our results showed stronger, statistically significant correlation (p ≤ 0.05) between high Cladosporium spp. spore concentration and air mass direction compared to the local wind direction. This suggested that a large fraction of the investigated fungal spores had a regional origin and must be located more than a few kilometers away from the sampling point.

Comparisons of Fungal Spore Distributions Using Air Sampling at Worcester, England (2006-2010)

This study determined annual and monthly fluctuations in concentration of 20 fungal genera. The selection of taxa was made based upon their high frequency in the air as well as their well-known allergenic properties. Air samples were collected using a spore trap of Hirst design at an urban site where the trap continuously worked throughout a 5-year survey. Weather data were acquired from a meteorological station co-located with the air sampler. Influence of several meteorological parameters was then examined to reveal species–environment interactions and the potential location of fungal spore sources within the urban area. The maximum monthly sum of mean daily spore concentration varied between genera, and the earliest peaks were recorded for Pleospora sp. in April and Ustilago sp. in June. However, the majority of investigated spore types occurred in the greatest concentrations between August and September. Out of the 20 studied taxa, the most dominant genus was Cladosporium sp., which exceeded an allergenic threshold of 3000 s m-3 40 times during very rainy years and twice as much during dry years. A Spearman’s rank test showed that statistically significant (p B 0.05) relationships between spore concentration and weather parameters were mainly rs B 0.50. Potential sources of spores at Worcester were likely to be localised outside the city area.