Effects of Soil Compaction and Organic Carbon Content on Preferential Flow in Loamy Field Soils

Abstract: Preferential flow and transport through macropores affect plant water use efficiency and enhance leaching of agrochemicals and the transport of colloids, thereby increasing the risk for contamination of groundwater resources. The effects of soil compaction, expressed in terms of bulk density (BD), and organic carbon (OC) content on preferential flow and transport were investigated using 150 undisturbed soil cores sampled from 15 × 15–m grids on two field sites. Both fields had loamy textures, but one site had significantly higher OC content. Leaching experiments were conducted in each core by applying a constant irrigation rate of 10 mm h−1 with a pulse application of tritium tracer. Five percent tritium mass arrival times and apparent dispersivities were derived from each of the tracer breakthrough curves and correlated with texture, OC content, and BD to assess the spatial distribution of preferential flow and transport across the investigated fields. Soils from both fields showed strong positive correlations between BD and preferential flow. Interestingly, the relationships between BD and tracer transport characteristics were markedly different for the two fields, although the relationship between BD and macroporosity was nearly identical. The difference was likely caused by the higher contents of fines and OC at one of the fields leading to stronger aggregation, smaller matrix permeability, and a more pronounced pipe-like pore system with well-aligned macropores.

Bartholin's Gland Cysts: Management with Carbon-Dioxide Laser Vaporization

OBJETIVO: Avaliar a eficácia, a taxa de recorrência e as complicações da vaporização laser com CO2 no tratamento dos cistos da glândula de Bartholin. MÉTODOS: Estudo retrospectivo com 127 pacientes que apresentavam cistos sintomáticos da glândula de Bartholin submetidas à vaporização laser CO2 na nossa instituição de janeiro de 2005 a junho de 2011. Foram excluídas todas as pacientes com abcessos da glândula de Bartholin ou com suspeita de câncer. Todos os procedimentos foram realizados em regime ambulatorial, sob anestesia local. A coleta dos dados foi feita com base na consulta do processo clínico, tendo-se procedido à análise das características demográficas, dos parâmetros anatômicos, das complicações intra e pós-operatórias e dos dados de acompanhamento. Os dados foram armazenados e analisados no software Microsoft Excel® 2007, e os resultados foram apresentados como frequência (porcentagem) ou média±desvio padrão. As taxas de complicações, recorrência e cura foram calculadas. RESULTADOS: A idade média das pacientes foi de 37,3±9,5 anos (variando entre 18 e 61 anos). Setenta por cento(n=85) delas eram multíparas. A queixa mais frequente foi dor e 47,2% (n=60) das pacientes tinham antecedentes de tratamento médico e/ou cirúrgico por abcesso da glândula de Bartholin. A dimensão média dos cistos foi de 2,7±0,9 cm. Foram verificados três (2,4%) casos de hemorragia intraoperatória ligeira e 17 (13,4%) recorrências durante um período médio de 14,6 meses (variando entre 1 e 56 meses): dez abscessos da glândula de Bartholin e sete cistos recorrentes, que precisavam de uma nova intervenção cirúrgica. A taxa de cura após um único tratamento à laser foi de 86,6%. Dentre as cinco pacientes com doença recorrente que foram submetidas a um segundo procedimento com laser, a taxa de cura foi de 100%. CONCLUSÕES: Na presente instituição, a vaporização laser com CO2 parece ser uma opção terapêutica segura e eficaz no tratamento dos cistos da glândula de Bartholin.

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

Carbon monoxide, autophagy and cytoprotection in response to cerebral ischemia

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina

Catalytic hydrogenation of carbon dioxide to form methanol and methane

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Disclosing Carbon Monoxide Protection in Cerebral Ischemia: Insights into the cellular mechanisms

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biochemistry, Neurosciences

Experimental Gravimetric Adsorption Equilibrium of n-Alkanes and Alkenes, Carbon Dioxide and Nitrogen in MIL-53(Al) and Zeolite 5A

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Adsorption equilibria of flue gas components on activated carbon

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Carbon prices. Dynamic analysis of European and Californian markets

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Alterações Climáticas e Políticas de Desenvolvimento Sustentável

Bioinspired polyethersulfone-based hollow fiber membranes as the scaffolds in renal assist device for protein-bound toxins removal from blood

Dissertation for obtaining the Master degree in Membrane Engineering

Fiber functionalization for biomedical applications

Deep-eutectic solvents (DES) are considered novel renewable and biodegradable solvents, with a cheap and easy synthesis, without waste production. Later it was discovered a new subclass of DES that even can be biocompatible, since their synthesis uses primary metabolites such as amino acids, organic acids and sugars, from organisms. This subclass was named natural deep-eutectic solvents (NADES). Due to their properties it was tried to study the interaction between these solvents and biopolymers, in order to produce functionalized fibers for biomedical applications. In this way, fibers were produced by using the electrospinning technique. However, it was first necessary to study some physical properties of NADES, as well as the influence of water in their properties. It has been concluded that the water has a high influence on NADES properties, which can be seen on the results obtained from the rheology and viscosity studies. The fluid dynamics had changed, as well as the viscosity. Afterwards, it was tested the viability of using a starch blend. First it was tested the dissolution of these biopolymers into NADES, in order to study the viability of their application in electrospinning. However the results obtained were not satisfactory, since the starch polymers studied did not presented any dissolution in any NADES, or even in organic solvents. In this way it was changed the approach, and it was used other biocompatible polymers. Poly(ethylene oxide), poly(vinyl alcohol) and gelatin were the others biopolymers tested for the electrospinning, with NADES. All polymers show good results, since it was possible to obtain fibers. However for gelatin it was used only eutectic mixtures, containing active pharmaceutical ingredients (API’s), instead of NADES. For this case it was used mandelic acid (antimicrobial properties), choline chloride, ibuprofen (anti-inflammatory properties) and menthol (analgesic properties). The polymers and the produced fibers were characterized by scanning electron microscope (SEM), Transmission electron microscopy (TEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). With the help of these techniques it was possible to conclude that it was possible to encapsulate NADES within the fibers. Rheology it was also study for poly(ethylene oxide) and poly(vinyl alcohol), in a way to understand the influence of polymer concentration, on the electrospinning technique. For the gelatin, among the characterization techniques, it was also performed cytotoxicity and drug release studies. The gelatin membranes did not show any toxicity for the cells, since their viability was maintained. Regarding the controlled release profile experiment no conclusion could be drawn from the experiments, due to the rapid and complete dissolution of the gelatin in the buffer solution. However it was possible to quantify the mixture of choline chloride with mandelic acid, allowing thus to complete, and confirm, the information already obtained for the others characterization technique.

Carbon dots: nanopartículas de carbono fluorescentes para marcação e visualização de células

A imagiologia por fluorescência é uma técnica extremamente útil em investigação biomédica. Actualmente existe uma vasta gama de fluoróforos disponíveis para marcação por fluorescência. Contudo estes marcadores possuem limitações que condicionam a sua aplicação em sistemas biológicos. As nanopartículas de carbono fluorescentes (CNPs) constituem uma recente classe de marcadores fluorescentes com elevada biocompatibilidade. O objectivo deste trabalho consistiu em produzir de CNPs através de métodos simples, a sua caracterização e aplicação como marcadores celulares para visualização de células em microscopia de fluorescência. Inicialmente foram produzidas nanopartículas (NPs) seguindo métodos mencionados na literatura. Seguidamente foram produzidas CNPs a partir de PAA, por via hidrotérmica, e a partir da carbonização de grãos de cortiça para as quais foi feito um estudo do efeito da variável temperatura de carbonização. Das amostras produzidas, nove foram devidamente estudadas. A espectroscopia de absorção no UV-Vis revelou perfis de absorção característicos para este tipo de NPs. A emissão de fluorescência das CNPs caracterizadada por espectroscopia de fluorescência evidenciou comportamentos emissivos típicos destas NPs tais como dependência do máximo de emissão com o comprimento de onda de excitação. A intensidade da fluorescência das CNPs sintetizadas por via hidrotérmica é, em geral, maior com rendimentos quânticos de fluorescência a variar entre 4 e 11%. Os rendimentos quânticos das CNPs produzidas por carbonização variam entre 2 e 5%. As imagens de microscopia electrónica demonstram que as CNPs possuíam formas esféricas. Os tamanhos determinados por SEM, TEM e DLS revelaram que as dimensões das NPs caem entre os 2 e 150nm. Por DRX constatou-se que as CNPs possuem uma estrutura atómica desorganizada. A análise FTIR mostrou que as amostras de CNPs produzidas a partir de macromoléculas pelo método hidrotérmico possuíam uma grande quantidade de precursor não degradado. Para as restantes CNPs foi verificada a presença de grupos funcionais polares que lhes conferem solubilidade em meio aquoso. Com 1H-RMN verificou-se uma diminuição de grupos alifáticos e aumento de grupos aromáticos nas CNPs de cortiça carbonizada, com o aumento da temperatura de carbonização. O potencial ζ da amostra obtida com maior temperatura de carbonização foi -25,7mV. Nos estudos in vitro realizados apenas as NPs produzidas a partir de ácido cítrico e etilenodiamina por via hidrotérmica marcaram eficazmente as linhas celulares de osteoblastos e de fibroblastos. A eficiência da marcação aparenta ser dependente do tempo de incubação com CNPs.

Towards printed carbon nanotube transistors on paper substrates

This thesis reports the work performed in the optimization of deposition parameters of Multi – Walled Carbon Nanotubes (MWCNT) targeting the development of a Field Effect Transistors (FET) on paper substrates. The CNTs were dispersed in a water solution with sodium dodecyl sulphate (SDS) through ultrasonication, ultrasonic bath and a centrifugation to remove the supernatant and have a homogeneous solution. Several deposition tests were performed using different types of CNTs, dis-persants, papers substrates and deposition techniques, such as spray coating and inkjet printing. The characterization of CNTs was made by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Hall Effect. The most suitable CNT coatings able to be used as semiconductor in FETs were deposited by spray coat-ing on a paper substrate with hydrophilic nanoporous surface (FS2) at 100 ºC, 4 bar, 10 cm height, 5 second of deposition time and 90 seconds of drying between steps (4 layers of CNTs were deposited). Planar electrolyte gated FETs were produced with these layers using gold-nickel gate, source and drain electrodes. Despite the small current modulation (Ion/Ioff ratio of 1.8) one of these devices have p-type conduction with a field effect mobility of 1.07 cm2/V.s.

Characterization of molecular damage induced by UV photons and carbon ions on biomimetic heterostructures

The study of the effect of radiation on living tissues is a rather complex task to address mainly because they are made of a set of complex functional biological structures and interfaces. Particularly if one is looking for where damage is taking place in a first stage and what are the underlying reaction mechanisms. In this work a new approach is addressed to study the effect of radiation by making use of well identified molecular hetero-structures samples which mimic the biological environment. These were obtained by assembling onto a solid support deoxyribonucleic acid (DNA) and phospholipids together with a soft water-containing polyelectrolyte precursor in layered structures and by producing lipid layers at liquid/air interface with DNA as subphase. The effects of both ultraviolet (UV) radiation and carbon ions beams were systematically investigated in these heterostructures, namely damage on DNA by means vacuum ultraviolet (VUV), infrared (IR), X-Ray Photoelectron (XPS) and impedance spectroscopy. Experimental results revealed that UV affects furanose, PO2-, thymines, cytosines and adenines groups. The XPS spectrometry carried out on the samples allowed validate the VUV and IR results and to conclude that ionized phosphate groups, surrounded by the sodium counterions, congregate hydration water molecules which play a role of UV protection. The ac electrical conductivity measurements revealed that the DNA electrical conduction is arising from DNA chain electron hopping between base-pairs and phosphate groups, with the hopping distance equal to the distance between DNA base-pairs and is strongly dependent on UV radiation exposure, due loss of phosphate groups. Characterization of DNA samples exposed to a 4 keV C3+ ions beam revealed also carbon-oxygen bonds break, phosphate groups damage and formation of new species. Results from radiation induced damage carried out on biomimetic heterostructures having different compositions revealed that damage is dependent on sample composition, with respect to functional targeted groups and extent of damage. Conversely, LbL films of 1,2-dipalmitoyl-sn-Glycero-3-[Phospho-rac-(1-glycerol)] (Sodium Salt) (DPPG) liposomes, alternated with poly(allylamine hydrochloride) (PAH) revealed to be unaffected, even by prolonged UV irradiation exposure, in the absence of water molecules. However, DPPG molecules were damaged by the UV radiation in presence of water with cleavage of C-O, C=O and –PO2- bonds. Finally, the study of DNA interaction with the ionic lipids at liquid/air interfaces revealed that electrical charge of the lipid influences the interaction of phospholipid with DNA. In the presence of DNA in the subphase, the effects from UV irrladiation were seen to be smaller, which means that ionic products from biomolecules degradation stabilize the intact DPPG molecules. This mechanism may explain why UV irradiation does not cause immediate cell collapse, thus providing time for the cellular machinery to repair elements damaged by UV.

Nanostructuring silicon probes via electrodeposition: characterization of electrode coatings for acute in vivo neural recordings

Understanding how the brain works will require tools capable of measuring neuron elec-trical activity at a network scale. However, considerable progress is still necessary to reliably increase the number of neurons that are recorded and identified simultaneously with existing mi-croelectrode arrays. This project aims to evaluate how different materials can modify the effi-ciency of signal transfer from the neural tissue to the electrode. Therefore, various coating materials (gold, PEDOT, tungsten oxide and carbon nano-tubes) are characterized in terms of their underlying electrochemical processes and recording ef-ficacy. Iridium electrodes (177-706 μm2) are coated using galvanostatic deposition under different charge densities. By performing electrochemical impedance spectroscopy in phosphate buffered saline it is determined that the impedance modulus at 1 kHz depends on the coating material and decreased up to a maximum of two orders of magnitude for PEDOT (from 1 MΩ to 25 kΩ). The electrodes are furthermore characterized by cyclic voltammetry showing that charge storage capacity is im-proved by one order of magnitude reaching a maximum of 84.1 mC/cm2 for the PEDOT: gold nanoparticles composite (38 times the capacity of the pristine). Neural recording of spontaneous activity within the cortex was performed in anesthetized rodents to evaluate electrode coating performance.