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.

Synthesis and Characterisation of Functional Magnetic and Plasmonic Nanomaterials

The main aim of this thesis is the controlled and reproducible synthesis of functional materials at the nanoscale. In the first chapter, a tuning of morphology and magnetic properties of magnetite nanoparticles is presented. It was achieved by an innovative approach, which involves the use of an organic macrocycle (calixarene) to induce the oriented aggregation of NPs during the synthesis. This method is potentially applicable to the preparation of other metal oxide NPs by thermal decomposition of the respective precursors. Products obtained, in particular the multi-core nanoparticles, show remarkable magnetic and colloidal properties, making them very interesting for biomedical applications. The synthesis and functionalisation of plasmonic Au and Ag nanoparticles is presented in the second chapter. Here, a supramolecular approach was exploited to achieve a controlled and potentially reversible aggregation between Au and Ag NPs. This aggregation phenomena was followed by UV - visible spectroscopy and dynamic light scattering. In the final chapters, the conjugation of plasmonic and magnetic functionalities was tackled through the preparation of dimeric nanostructures. Au - Fe oxide heterodimeric nanoparticles were prepared and their magnetic properties thoroughly characterised. The results demonstrate the formation of FeO (wustite), together with magnetite, during the thermal decomposition of the iron precursor. By an oxidation process that preserves Au in the dimeric structures, wustite completely disappeared, with the formation of either magnetite and / or maghemite, much better from the magnetic point of view. The plasmon resonance of Au results damped by the presence of the iron oxide, a material with high refractive index, but it is still present if the Au domain of the nanoparticles is exposed towards the bulk. Finally, remarkable hyperthermia, also in vitro, was found for these structures.

Correlação entre microestrutura e comportamento de corrosão em duas ligas do sistema Al-Fe-Si produzidas pelos processos industriais de lingotamento contínuo e semi-contínuo.

As chapas de ligas de alumínio trabalháveis são produzidas atualmente por dois processos, o método de vazamento contínuo conhecido TRC (Twin Roll Continous Casting) ou pelo método tradicional de vazamento de placas DC (Direct Chill). A fabricação de ligas de alumínio pelos dois processos confere características microestruturais diferentes quando comparadas entre si, o que se reflete em suas propriedades. Além disto, ocorrem variações microestruturais ao longo da espessura, especialmente nas chapas produzidas pelo processo TRC. Neste sentido, é importante estudar a evolução microestrutural que ocorre durante o seu processamento e sua influência com relação à resistência à corrosão. Dessa forma foi realizado neste trabalho um estudo comparativo do comportamento de corrosão, bem como das microestruturas do alumínio de alta pureza AA1199 (99,995% Al) e das ligas de alumínio AA1050 (Fe+Si0,5%) e AA4006 (Fe+Si1,8%) produzidas pelos processos industriais de lingotamento contínuo e semi-contínuo. Os resultados obtidos evidenciaram que as microestruturas das ligas AA4006 DC e AA4006 TRC são distintas, sendo observada maior fração volumétrica dos precipitados na liga fabricada pelo processo TRC comparativamente ao DC. Para caracterizar o comportamento de corrosão foram realizados ensaios de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica e Polarização Potenciodinâmica, que mostraram a maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo TRC em comparação ao processo DC. Além disso, foi verificada, em ordem decrescente, uma maior resistência à corrosão do alumínio AA1050, seguida pela superfície da liga AA4006 e por fim, pelo centro da chapa desta última. Os resultados obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica para as ligas AA4006 fabricadas pelo processo TRC apresentaram melhor desempenho que o processo DC, principalmente em intervalos de 2 a 12 horas de imersão na solução de sulfato de sódio contaminada com íons cloreto. Para tempos de imersão acima de 4 horas foi observado comportamento indutivo em baixas frequências para os dois tipos de processamento investigados, o que foi associado à adsorção de espécies químicas, principalmente íons sulfato e oxigênio, na interface metal/óxido. As curvas de polarização anódica mostraram maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo viii TRC em comparação ao processo DC. Este comportamento foi associado às diferentes características microestruturais, observadas para liga AA4006 obtida pelos dois processos.

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.

Novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes for water electrolysis and electrocatalytic oxidation of organics

Mixed metal oxide (MMO) electrodes have been applied to different technologies including chlorine production, organic compounds oxidation, water electrolysis, electroplating, etc. due to their catalytic, optical and electronic properties. Most of the existing MMO electrodes contain either toxic metals or precious metals of the platinum group. The aim of this study was to develop environmentally friendly and cost-effective MMO electrodes for water and organic compounds oxidation. Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes of different nominal composition were prepared, and electrochemically and physically characterized. For water oxidation, Ti/SnO2 electrode with 5 at.% of Ta produced the highest electroactivity. Ti/SnO2 electrode with 7.5 at.% of Ta showed the best performance for the oxidation of methylene blue (MB). The electrocatalytic activity of the Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes increased with the number of active layers. The maximum current of water oxidation reached 3.5 mA at 2.5 V when the electrode was covered with ten layers of Ta2O5. In case of the oxidation of 0.1 mM MB, eight and ten active layers of Ta2O5 significantly increased the electrode activity. The prepared electrodes have been found applicable for both water electrolysis and organic compounds oxidation.

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.

(Bio)funcionalização de superfícies nanoestruturadas para eletrocatálise e desenvolvimento de biossensores eletroquímicos e óticos

Tese de doutoramento, Química (Química Física), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016