Silicon, the silver bullet for mitigating biotic and abiotic stress, and improving grain quality, in rice?

Adequate silicon fertilization greatly boosts rice yield and mitigates biotic and abiotic stress, and improves grain quality through lowering the content of cadmium and inorganic arsenic. This review on silicon dynamics in rice considers recent advances in our understanding of the role of silicon in rice, and the challenges of maintaining adequate silicon fertility within rice paddy systems. Silicon is increasingly considered as an element required for optimal plant performance, particularly in rice. Plants can survive with very low silicon under laboratory/glasshouse conditions, but this is highly artificial and, thus, silicon can be considered as essential for proper plant function in its environment. Silicon is incorporated into structural components of rice cell walls were it increases cell and tissue rigidity in the plant. Structural silicon provides physical protection to plants against microbial infection and insect attack as well as reducing the quality of the tissue to the predating organisms. The abiotic benefits are due to silicon's effect on overall organ strength. This helps protect against lodging, drought stress, high temperature (through efficient maintenance of transpiration), and photosynthesis by protecting against high UV. Furthermore, silicon also protects the plant from saline stress and against a range of toxic metal stresses (arsenic, cadmium, chromium, copper, nickel and zinc). Added to this, silicon application decreases grain concentrations of various human carcinogens, in particular arsenic, antimony and cadmium. As rice is efficient at stripping bioavailable silicon from the soil, recycling of silicon rich rice straw biomass or addition of inorganic silicon fertilizer, primarily obtained from iron and steel slag, needs careful management. Silicon in the soil may be lost if the silicon-cycle, traditionally achieved via composting of rice straw and returning it to the land, is being broken. As composting of rice straw and incorporation of composted or non-composted straw back to land are resource intensive activities, these activities are declining due to population shifts from the countryside to cities. Processes that accelerate rice straw composting, therefore, need to be identified to aid more efficient use of this resource. In addition, rice genetics may help address declining available silicon in paddy soils: for example by selecting for characteristics during breeding that lead to an increased ability of roots to access recalcitrant silicon sources from soil and/or via selection for traits that aid the maintenance of a high silicon status in shoots. Recent advances in understanding the genetic regulation of silicon uptake and transport by rice plants will aid these goals.

Genetic mapping of the rice ionome in leaves and grain:Identification of QTLs for 17 elements including arsenic, cadmium, iron and selenium

Research into the composition of cereal grains is motivated by increased interest in food quality. Here multi-element analysis is conducted on leaves and grain of the Bala x Azucena rice mapping population grown in the field. Quantitative trait loci (QTLs) for the concentration of 17 elements were detected, revealing 36 QTLs for leaves and 41 for grains. Epistasis was detected for most elements. There was very little correlation between leaf and grain element concentrations. For selenium, lead, phosphorus and magnesium QTLs were detected in the same location for both tissues. In general, there were no major QTL clusters, suggesting separate regulation of each element. QTLs for grain iron, zinc, molybdenum and selenium are potential targets for marker assisted selection to improve seed nutritional quality. An epistatic interaction for grain arsenic also looks promising to decrease the concentration of this carcinogenic element. © Springer Science+Business Media B.V. 2009.

Toxic effects of cadmium and zinc on ectomycorrhizal colonization of scots pine (Pinus sylvestris L.) from soil inoculum

Scots pine seedlings colonized by ectomycorrhizal (ECM) fungi from natural soil inoculum were exposed to a range of Cd or Zn concentrations to investigate the effects of metals on ECM fungi-Scots pine associations in a realistic soil environment. Experiments focused on the relationship between the sensitivity of ECM fungi and their host plants, the influence of metals on ECM community dynamics on Scots pine roots, and the effects of metal exposure on ECM colonization from soil-borne propagules. Ectomycorrhizal colonization was inhibited by Cd and Zn, with a decrease in the proportion of ECM-colonized root tips. Shoot and root biomass, total root length, and total root-tip density, however, were unaffected by Cd or Zn. A decrease in the diversity of ECM morphotypes also occurred, which could have a negative effect on tree vigor. Overall, colonization by ECM fungi was more sensitive than seedling growth to Cd and Zn, and this could have serious implications for successful tree establishment on metal-contaminated soils.

Cadmium phytotoxicity and trophic transfer to isopods

O cádmio (Cd) é um metal não essencial e é considerado um poluente prioritário pela comunidade europeia. Este metal atinge o ambiente no decurso de várias actividades antropogénicas e tende a concentrar-se nos solos e sedimentos, onde está potencialmente disponível para as plantas, sendo posteriormente transferido através da cadeia trófica. Neste contexto, o principal objectivo da presente dissertação foi o estudo dos efeitos da assimilação e da acumulação de Cd em plantas e as suas consequências para animais consumidores. Numa primeira fase, foram estudados os principais efeitos fisiológicos e genotóxicos do Cd em plantas. As plantas de alface (Lactuca sativa L.) expostas a Cd apresentaram um decréscimo na eficiência fotossintética, aumento de peroxidação lipídica e alterações significativas na actividade de enzimas de stress oxidativo. Estas alterações culminaram num decréscimo do crescimento da parte aérea no final da exposição. As respostas obtidas pelos parâmetros bioquímicos sugerem que estes poderão ser utilizados como eventuais biomarcadores em testes ecotoxicológicos com Cd em abordagens integrantes em conjunto com parâmetros clássicos. Os efeitos mutagénicos de Cd foram avaliados através da determinação da instabilidade de microsatélites (IM). Não foi observada IM, nem nas folhas nem nas raízes de plantas de alface com 5 semanas de idade expostas a 100 μM Cd durante 14 dias, no entanto observou-se IM em raízes de alface exposta a 10 μM Cd durante 28 dias desde a germinação. A idade da planta e a maior acumulação de Cd nas raízes poderão explicar os resultados obtidos. A clastogenicidade de Cd foi analisada em três espécies vegetais com diferentes capacidades de destoxificação e acumulação de metais através de citometria de fluxo. Foram detectadas alterações significativas nos parâmetros analisados em raízes alface, mas não nas espécies Thlaspi caerulescens J & C Presl e Thlaspi arvense L. Estes resultados sugerem que o stress provocado pelo Cd originou clastogenicidade como consequência da perda de porções de cromossomas, uma vez que o conteúdo de ADN nuclear diminuiu. A transferência trófica através da cadeia alimentar permanece muito pouco estudada em termos ecotoxicológicos. A distribuição subcellular de metais num organismo pode ser utilizada para compreender a transferência trófica de um metal na cadeia alimentar. Como tal, numa última parte é estudado de que modo a distribuição subcellular do Cd em plantas com perfis de acumulação de Cd distintos afecta a biodisponibilidade e transferência trófica de Cd para isópodes. A distribuição de Cd entre as 4 fracções subcelulares obtidas através de centrifugação diferencial revelou a existência de diferenças significativas entre as espécies de plantas. Estes resultados em conjunto com a avaliação directa da eficiência de assimilação (EA) de Cd individual de cada uma das quatro fracções subcelulares das plantas em estudo, resultou em informação de grande relevância para a explicação das diferenças observadas na EA de Cd por parte de isópodes alimentados com folhas de diferentes espécies de plantas. Com base nos resultados obtidos, o Cd ligado a proteínas estáveis à temperatura (e.g. metaloteoninas e fitoquelatinas) é o menos biodisponível, sendo assim o que menos contribuiu para a transferência trófica, enquanto que o Cd ligado a proteínas desnaturadas pela temperatura foi a fracção mais disponível para transferência trófica de Cd ao isópode. Estes resultados realçam a relevância ecológica da distribuição subcelular de Cd em plantas que tem influência directa na tranferência trófica deste metal para os consumidores e ainda o facto de que alterações na distribuição subcelular de Cd em plantas devido a diferentes mecanismos de destoxificação poderá ter um impacto directo na transferência trófica de Cd para o animal consumidor.

Phytochelatin signal tranduction and cadmium chelation in plants

As plantas utilizam diversas estratégias de sinalização para reconhecer e responder aos stresses ambientais. A maioria das vias de transdução de sinais partilham um sinal genérico, normalmente a modulação dos níveis intracelulares de Ca2+. Esta por sua vez pode iniciar uma cascata de fosforilação proteica que finalmente afecta as proteínas directamente envolvidas na protecção celular ou culmina em factores de transcrição que vão determinar a resposta fisiológica ao stresse. A percepção destes sinais e a compreensão de como estes podem activar as respostas adaptativas são factores-chave para a tolerância das plantas a stresses abióticos. Um dos principais stresses abóticos que restrigem o crescimento das plantas é a presença de metais pesados. A produção de fitoquelatinas e a subsequente quelação dos metais é o mecanismo mais conhecido de tolerância ao stresse metálico em plantas. Fitoquelatinas (PCs) são péptidos com grupos tiol que são sintetizados através da transpeptidação da glutationa (GSH), pela acção da enzima fitoquelatina sintase (PCS). No entanto, até ao momento, as vias de sinalização que levam à síntese de fitoquelatinas e à percepção do stresse metálico são pouco compreendidas. Dentro deste contexto, o presente trabalho foi elaborado com o intuito de elucidar a via de sinalização através da qual o cádmio é detectado pelas células vegetais e induz a síntese de PCs. Quase todos, os estudos de stresses abióticos em plantas apontam para o facto de a sua sinalização se basear nos mesmos tipos de sinais moleculares, nomeadamente a sinalização por cálcio, a fosforilação proteica e a indução de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Trabalhos recentes sugerem que a sinalização de PCs poderá envolver todos estes parâmetros. Assim, uma primeira abordagem foi efectuada para compreender a síntese de PCs na espécie Arabidopsis thaliana, através da monitorizaçção da actividade de enzimas relacionadas, a γ-EC sintetase, GSH sintetase e a PC sintase (PCS), assim como o tempo necessário para o elongamento das PCs e a sua acumulação. Seguidamente, ao longo deste processo foi analisada a expressão de sinais específicos, associados com sinais de cálcio, fosforilação proteica e sinalização por ROS. A importância destes factores na síntese de PCs foi também avaliada através do uso de moduladores farmacológicos de cálcio e fosfatases proteicas e também pela indução de stresse oxidativo. Os resultados demonstraram novos dados sobre o papel do cálcio e da fosforilação proteica na produção de PCs e na síntese de GSH, revelando que a actvidade da PCS é regulada por fosforilação e que a sinalização de cálcio pode mediar a síntese de GSH. O envolvimento da sinalização de ROS na síntese de GSH, atráves de crosstalk com a sinalização de cálcio também foi proposta. Assim, os resultados aqui apresentados descrevem uma possível via de sinalização de cádmio nas plantas e da indução de fitoquelatinas. Este trabalho poderá ser portanto muito útil na implementação de novas metodologias de agricultura sustentável e práticas de fitorremediação em solos contaminados com metais pesados.

Influence of speciation in the bioavailability of cadmium to an isopod

Devido às actividades antropogénicas várias substâncias químicas têm sido introduzidas no meio ambiente em concentrações que de outro modo não ocorreriam de forma tão elevada naturalmente. Assim, o conhecimento acerca das características de um químico, tais como, o potencial para se acumular em diferentes níveis tróficos, a sua mobilidade dentro do ecossistema, a toxicidade específica e a bioacumulação, é fundamental para compreender os seus efeitos nos ecossistemas. Esta tese investiga a influência de especiação, na biodisponibilidade do cádmio (Cd) para o isópode Porcellio dilatatus, incluindo os efeitos de especiação do metal: (i) na assimilação do Cd, (ii) no modo como o Cd se distribui internamente no organismo, e (iii) como a sobrevivência e a reprodução são afectadas em isópodes terrestres. Num primeiro ensaio laboratorial avaliou-se a importância da transferência trófica na assimilação do Cd em P. dilatatus. Para tal analisou-se a eficiência de assimilação (EA) do Cd em isópodes, adicionado superficialmente ao alimento (alface) na forma de Cd(NO3)2 e contaminando o meio de crescimento da alface. A hipótese era de que a alface contaminada biologicamente através do cultivo em meio hidropónico contaminado teria uma maior proporção de complexos com proteína ou conjugado na forma de Cd (ex. Cd cisteína). A EA de Cd foi maior entre os isópodes que foram alimentados com o sal (71%, SE = 7%), do que entre os isópodes que se alimentaram de alface contaminada biologicamente (52%, SE = 5%), demonstrando-se assim num teste laboratorial que é provável que a especiação do Cd influencie a taxa de assimilação e acumulação do Cd. Na experiência alimentar que se seguiu, estudou-se em detalhe a especiação do metal comparando as EA do Cd conjugado com cisteína (Cd(Cys)2) e na forma de Cd(NO3)2, com os quais se contaminou gelatina com alface. A utilização de Cd-cisteína, proporcionou uma forma experimental para explorar a biodisponibilidade do Cd complexado dentro do tecido biológico. Como esperado, a EA de Cd em isópodes alimentados com nitrato de Cd (64%, SE = 5%) foi maior do que no caso de isópodes alimentados com o conjugado de cisteína (20%, SE = 3%). De seguida estudou-se a distribuição subcelular das espécies de Cd assimilado através de um processo de fraccionamento. Supunha-se que as diferenças de especiação de Cd reflectiria diferentes estratégias de compartimentalização, com consequências ao nível da detoxificação, armazenamento celular e distribuição subcelular do metal. O “sequestro” na forma de metal biologicamente detoxificado (BDM = proteínas estáveis ao calor - HSP e grânulos ricos em metal - RMG) foi maior nos isópodes alimentados com Cd(NO3)2, sugerindo que são mais eficientes na detoxificação de Cd (22%) do que quando alimentados com Cd(Cys)2 (15%). Foi também demonstrado que os isópodes alimentados com Cd(Cys)2 possuíam níveis de armazenamento de Cd superior nas fracções sensíveis ao metal (MSF = organelos e proteínas desnaturadas pelo calor - HDP) consideradas fracções potencialmente vulneráveis e afectando os isópodes em termos de toxicidade. As diferentes distribuições internas que se seguiram à assimilação e detoxificação das diferentes espécies de Cd foram finalmente avaliadas em termos da sobrevivência e reprodução dos isópodes. O tratamento com Cd(Cys)2 teve maior mortalidade, provavelmente devido à maior disponibilidade de Cd ingerido com implicações ao nível dos processos fisiológicos. Os isópodes alimentados com Cd(NO3)2 armazenaram o Cd nos MRG, como estratégia de detoxificação, sendo mais eficientes a detoxificar o Cd ainda que aumentando a concentração total do metal que se tornou menos tóxico para o isópode. Desta forma, o Cd nos grânulos não estava disponível para os processos fisiológicos e deixou de ser tóxico. Isso poderia estar relacionado com a resistência e tolerância aos metais devido à capacidade dos isópodes compartimentalizarem o Cd no hepatopâncreas, que actua como um mecanismo de detoxificação e contribui para a tolerância a altos níveis de cádmio. Em termos de parâmetros reprodutivos, observou-se uma redução de gestações e duração da gestação na presença de ambas as espécies de metal, mas no caso do Cd(Cys)2 as gravidezes não se concluíram. O número de jovens produzido por fêmeas alimentadas com Cd(NO3)2 foi menor do que no controlo, mas os pesos dos juvenis foram superiores. Finalmente sugere-se assim que esta abordagem seja considerada em estudos do movimento trófico de metais nas cadeias alimentares dado que se espera que a especiação de metais implique diferentes fluxos, dentro de uma dada cadeia trófica.

Aplicação de cortiça em dois tipos de reatores para tratamento de água

A qualidade da água degradou-se de forma relevante nas últimas décadas e os processos de sorção têm vindo a ser investigados como métodos promissores para o tratamento de águas contaminadas. Neste trabalho avaliou-se a capacidade de dois tipos de cortiça para a remoção de diversos contaminantes, em reatores de vaso fechado e de leito fixo. Os ensaios realizados em reatores de vaso fechado permitiram (i) avaliar o efeito do pH e da granulometria na eficiência dos sorventes na remoção de mercúrio e (ii) avaliar a afinidade dos sorventes para outros contaminantes, nomeadamente arsénio, cádmio, níquel e chumbo. Estruturalmente as duas cortiças estudadas aparentam ser semelhantes, com uma pequena diferença de comportamento ácido-base e não apresentam diferenças estatisticamente significativas na remoção de mercúrio. Os resultados obtidos permitiram constatar que o processo de remoção é independente do pH, tendo-se obtido percentagens de remoção da ordem dos 80% e de concentrações de mercúrio na cortiça na ordem dos 117 μg/g. As cortiças estudadas revelaram-se menos eficazes no tratamento de água com os restantes contaminantes, atingindo percentagens de remoção máximas de 0% para As, 11% para Cd, 35% para Ni e 69% para Pb. Os ensaios em leito fixo, mesmo sem terem sido otimizados, revelam que é possível obter uma eficácia de remoção de mercúrio superior a 90% nas primeiras 40 horas de trabalho, sendo a concentração de mercúrio no leito de 680 μg/g. Relativamente aos mecanismos de sorção, os resultados experimentais indicam que estes são possivelmente de natureza química e que as interações eletrostáticas têm pouca importância.

Development of polyaniline microarray electrodes for cadmium analysis

Disposable screen-printed electrodes (SPCE) were modified using a cosmetic product to partially block the electrode surface in order to obtain a microelectrode array. The microarrays formed were electropolymerized with aniline. Scanning electron microscopy was used to evaluate the modified and polymerized electrode surface. Electrochemical characteristics of the constructed sensor for cadmium analysis were evaluated by cyclic and square-wave voltammetry. Optimized stripping procedure in which the preconcentration of cadmium was achieved by depositing at –1.20 V (vs. Ag/AgCl) resulted in a well defined anodic peak at approximately –0.7 V at pH 4.6. The achieved limit of detection was 4 × 10−9 mol dm−3. Spray modified and polymerized microarray electrodes were successfully applied to quantify cadmium in fish sample digests.

Trace Elements in Ambient Air at Porto Metropolitan Area—Checking for Compliance with New European Union (Eu) Air Quality Standards

Because of the scientific evidence showing that arsenic (As), cadmium (Cd), and nickel (Ni) are human genotoxic carcinogens, the European Union (EU) recently set target values for metal concentration in ambient air (As: 6 ng/m3, Cd: 5 ng/m3, Ni: 20 ng/m3). The aim of our study was to determine the concentration levels of these trace elements in Porto Metropolitan Area (PMA) in order to assess whether compliance was occurring with these new EU air quality standards. Fine (PM2.5) and inhalable (PM10) air particles were collected from October 2011 to July 2012 at two different (urban and suburban) locations in PMA. Samples were analyzed for trace elements content by inductively coupled plasma–mass spectrometry (ICP-MS). The study focused on determination of differences in trace elements concentration between the two sites, and between PM2.5 and PM10, in order to gather information regarding emission sources. Except for chromium (Cr), the concentration of all trace elements was higher at the urban site. However, results for As, Cd, Ni, and lead (Pb) were well below the EU limit/target values (As: 1.49 ± 0.71 ng/m3; Cd: 1.67 ± 0.92 ng/m3; Ni: 3.43 ± 3.23 ng/m3; Pb: 17.1 ± 10.1 ng/m3) in the worst-case scenario. Arsenic, Cd, Ni, Pb, antimony (Sb), selenium (Se), vanadium (V), and zinc (Zn) were predominantly associated to PM2.5, indicating that anthropogenic sources such as industry and road traffic are the main source of these elements. High enrichment factors (EF > 100) were obtained for As, Cd, Pb, Sb, Se, and Zn, further confirming their anthropogenic origin.

Cadmium hyperaccumulation and genetic differentiation of Thlaspi caerulescens populations

Although the knowledge on heavy metal hyperaccumulation mechanisms is increasing, the genetic basis of cadmium (Cd) hyperaccurnulation remains to be elucidated. Thlaspi caerulescens is an attractive model since Cd accumulation polymorphism observed in this species suggests genetic differences between populations with low versus high Cd hyperaccumulation capacities. In our study, a methodology is proposed to analyse at a regional scale the genetic differentiation of T. caerulescens natural populations in relation to Cd hyperaccumulation capacity while controlling for different environmental, soil, plant parameters and geographic origins of populations. Twenty-two populations were characterised with AFLP markers and cpDNA polymorphism. Over all loci, a partial Mantel test showed no significant genetic structure with regard to the Cd hyperaccumulation capacity. Nevertheless, when comparing the marker variation to a neutral model, seven AFLP fragments (9% of markers) were identified as presenting particularly high genetic differentiation between populations with low and high Cd hyperaccurnulation capacity. Using simulations, the number of outlier loci was showed to be significantly higher than expected at random. These loci presented a genetic structure linked to Cd hyperaccumulation capacity independently of the geography, environment, soil parameters and Zn, Pb, Fe and Cu concentrations in plants. Using a canonical correspondence analysis, we identified three of them as particularly related to the Cd hyperaccumutation capacity. This study demonstrates that populations with low and high hyperaccurnulation capacities can be significantly distinguished based on molecular data. Further investigations with candidate genes and mapped markers may allow identification and characterization of genomic regions linked to factors involved in Cd hyperaccumulation.

Determination of the thermal parameters of high-power batteries by local heat

A new approach to the determination of the thermal parameters of high-power batteries is introduced here. Application of local heat flux measurement with a gradient heat flux sensor (GHFS) allows determination of the cell thermal parameters in di_erent surface points of the cell. The suggested methodology is not cell destructive as it does not require deep discharge of the cell or application of any charge/discharge cycles during measurements of the thermal parameters of the cell. The complete procedure is demonstrated on a high-power Li-ion pouch cell, and it is verified on a sample with well-known thermal parameters. A comparison of the experimental results with conventional thermal characterization methods shows an acceptably low error. The dependence of the cell thermal parameters on state of charge (SoC) and measurement points on the surface was studied by the proposed measurement approach.