Proton transfers at the air-water interface

Proton transfer reactions at the interface of water with hydrophobic media, such as air or lipids, are ubiquitous on our planet. These reactions orchestrate a host of vital phenomena in the environment including, for example, acidification of clouds, enzymatic catalysis, chemistries of aerosol and atmospheric gases, and bioenergetic transduction. Despite their importance, however, quantitative details underlying these interactions have remained unclear. Deeper insight into these interfacial reactions is also required in addressing challenges in green chemistry, improved water quality, self-assembly of materials, the next generation of micro-nanofluidics, adhesives, coatings, catalysts, and electrodes. This thesis describes experimental and theoretical investigation of proton transfer reactions at the air-water interface as a function of hydration gradients, electrochemical potential, and electrostatics. Since emerging insights hold at the lipid-water interface as well, this work is also expected to aid understanding of complex biological phenomena associated with proton migration across membranes.

Based on our current understanding, it is known that the physicochemical properties of the gas-phase water are drastically different from those of bulk water. For example, the gas-phase hydronium ion, H₃O⁺(g), can protonate most (non-alkane) organic species, whereas H₃O⁺(aq) can neutralize only relatively strong bases. Thus, to be able to understand and engineer water-hydrophobe interfaces, it is imperative to investigate this fluctuating region of molecular thickness wherein the ‘function’ of chemical species transitions from one phase to another via steep gradients in hydration, dielectric constant, and density. Aqueous interfaces are difficult to approach by current experimental techniques because designing experiments to specifically sample interfacial layers (< 1 nm thick) is an arduous task. While recent advances in surface-specific spectroscopies have provided valuable information regarding the structure of aqueous interfaces, but structure alone is inadequate to decipher the function. By similar analogy, theoretical predictions based on classical molecular dynamics have remained limited in their scope.

Recently, we have adapted an analytical electrospray ionization mass spectrometer (ESIMS) for probing reactions at the gas-liquid interface in real time. This technique is direct, surface-specific,and provides unambiguous mass-to-charge ratios of interfacial species. With this innovation, we have been able to investigate the following:

1. How do anions mediate proton transfers at the air-water interface?

2. What is the basis for the negative surface potential at the air-water interface?

3. What is the mechanism for catalysis ‘on-water’?

In addition to our experiments with the ESIMS, we applied quantum mechanics and molecular dynamics to simulate our experiments toward gaining insight at the molecular scale. Our results unambiguously demonstrated the role of electrostatic-reorganization of interfacial water during proton transfer events. With our experimental and theoretical results on the ‘superacidity’ of the surface of mildly acidic water, we also explored implications on atmospheric chemistry and green chemistry. Our most recent results explained the basis for the negative charge of the air-water interface and showed that the water-hydrophobe interface could serve as a site for enhanced autodissociation of water compared to the condensed phase.

Aplicação da calibração multivariada de ordem superior na resolução de espectros de fluorescência molecular para a quantificação de levofloxacino

Levofloxacino é uma fluorquinolona sintética de 3 geração. É eficaz contra uma variedade de infecções, incluindo o trato respiratório superior e inferior, trato urinário, obstétrico, ginecológico, e infecções dermatológicas. Com o objetivo de quantificar o levofloxacino em medicamentos e amostras de pacientes saudáveis e ter a resolução de seu espectro, foram realizados estudos preliminares em medicamento utilizando espectrofluorescência molecular com concentrações na faixa de 28,8 108 ng/mL e cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) na faixa de concentração de 2,9 10,8 g/mL; e também quantificação em urina de paciente em tratamento com o medicamento, usando os dois métodos citados. Após isso, foram feitos estudos conclusivos utilizando espectrofluorescência molecular e os métodos univariado e PLS para determinação de levofloxacino na faixa de concentração de 0 250 ng/mL e PARAFAC combinado com o método da adição de padrão, para quantificação de levofloxacino em urina de paciente saudável, na faixa de concentração de 0 150 ng/mL, com diluição da amostra em três níveis (100 x, 500 x e 1000x). O método de ordem zero se mostrou mais eficiente na determinação de levofloxacino em medicamento que o de primeira ordem, seus desvios padrão foram 2,0% e 7,9%, respectivamente. Já o PARAFAC com o método de adição de padrão apresentou melhores resultados com a urina, pois possibilitou a quantificação do antibiótico em uma amostra complexa, de forma mais precisa e exata com o aumento da diluição da urina, sem necessidade de tratamento prévio.

Recent progress in the identification and determination of freshwater phytoplankton in the natural environment

The biomass of the phytoplankton and its composition is one of the most important factors in water quality control. Determination of the phytoplankton assemblage is usually done by microscopic analysis (Utermöhl's method). Quantitative estimations of the biovolume, by cell counting and cell size measurements, are time-consuming and normally are not done in routine water quality control. Several alternatives have been tried: computer-based image analysis, spectral fluorescence signatures, flow cytometry and pigment fingerprinting aided by high performance liquid chromatography (HPLC). The latter method is based on the fact that each major algal group of taxa contains a specific carotenoid which can be used for identification and relative quantification of the taxa in the total assemblage. This article gives a brief comparative introduction to the different techniques available and presents some recent results obtained by HPLC-based pigment fingerprinting, applied to three lakes of different trophic status. The results show that this technique yields reliable results from different lake types and is a powerful tool for studying the distribution pattern of the phytoplankton community in relation to water depth. However, some restrictions should be taken into account for the interpretation of routine data.

Desenvolvimento de metodologia para a determinação de aflatoxinas em amostras de amendoim usando espectrofluorimetria e análise dos fatores paralelos (PARAFAC)

Desenvolvimento de metodologia para a determinação de aflatoxinas em amostras de amendoim usando espectrofluorimetria e análise dos fatores paralelos (PARAFAC). 2012. 92 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro , Rio de Janeiro, 2012. Neste trabalho de pesquisa são descritos dois estudos de caso que se baseiam na determinação de aflatoxinas B1, B2, G1 e G2 em amostras de amendoim, utilizando a técnica de espectroscopia de fluorescência molecular. O primeiro estudo tem o objetivo de avaliar a metodologia empregada para a quantificação de aflatoxinas totais em amendoins, utilizando o método clássico de validação fazendo-se o uso da calibração univariada. Os principais parâmetros de desempenho foram avaliados visando certificar a possibilidade de implementação desta metodologia em laboratórios. O segundo estudo está focado na separação e quantificação destas aflatoxinas com a aplicação combinada da espectrofluorimetria e de um método quimiométrico de segunda ordem (PARAFAC) utilizando a calibração multivariada. Esta técnica pode ser empregada como uma alternativa viável para a determinação de aflatoxinas B1, B2, G1 e G2 isoladamente, tradicionalmente é feito por cromatografia líquida de alta eficiência com detector de fluorescência. Porém, como estes analitos apresentam uma larga faixa de sobreposição espectral e as aflatoxinas (B1 e G1) possuem intensidade de sinal de fluorescência bem abaixo das demais, a separação e quantificação das quatro aflatoxinas foi inviável. O estudo foi retomado com a utilização das aflatoxinas B2 e G2 e os resultados alcançados foram satisfatórios. O método utilizado para a quantificação de aflatoxinas totais apresentou bons resultados, mostrando-se como uma importante ferramenta para a determinação destes analitos. Alem disso, comtempla perfeitamente o que é requerido pela legislação brasileira para a análise de aflatoxinas B1, B2, G1 e G2, que tem como exigência em laudos finais de análise a declaração do somatório, em g/kg, destas aflatoxinas, ou seja, sem a necessidade de quantifica-las separadamente

Desenvolvimento e avaliação de novas abordagens de modelagem de processos de separação em leito móvel simulado

O Leito Móvel Simulado (LMS) é um processo de separação de compostos por adsorção muito eficiente, por trabalhar em um regime contínuo e também possuir fluxo contracorrente da fase sólida. Dentre as diversas aplicações, este processo tem se destacado na resolução de petroquímicos e principalmente na atualidade na separação de misturas racêmicas que são separações de um grau elevado de dificuldade. Neste trabalho foram propostas duas novas abordagens na modelagem do LMS, a abordagem Stepwise e a abordagem Front Velocity. Na modelagem Stepwise as colunas cromatográficas do LMS foram modeladas com uma abordagem discreta, onde cada uma delas teve seu domínio dividido em N células de mistura interligadas em série, e as concentrações dos compostos nas fases líquida e sólida foram simuladas usando duas cinéticas de transferência de massa distintas. Essa abordagem pressupõe que as interações decorrentes da transferência de massa entre as moléculas do composto nas suas fases líquida e sólida ocorram somente na superfície, de forma que com essa suposição pode-se admitir que o volume ocupado por cada molécula nas fases sólida e líquida é o mesmo, o que implica que o fator de residência pode ser considerado igual a constante de equilíbrio. Para descrever a transferência de massa que ocorre no processo cromatográfico a abordagem Front Velocity estabelece que a convecção é a fase dominante no transporte de soluto ao longo da coluna cromatográfica. O Front Velocity é um modelo discreto (etapas) em que a vazão determina o avanço da fase líquida ao longo da coluna. As etapas são: avanço da fase líquida e posterior transporte de massa entre as fases líquida e sólida, este último no mesmo intervalo de tempo. Desta forma, o fluxo volumétrico experimental é utilizado para a discretização dos volumes de controle que se deslocam ao longo da coluna porosa com a mesma velocidade da fase líquida. A transferência de massa foi representada por dois mecanismos cinéticos distintos, sem (tipo linear) e com capacidade máxima de adsorção (tipo Langmuir). Ambas as abordagens propostas foram estudadas e avaliadas mediante a comparação com dados experimentais de separação em LMS do anestésico cetamina e, posteriormente, com o fármaco Verapamil. Também foram comparados com as simulações do modelo de equilíbrio dispersivo para o caso da Cetamina, usado por Santos (2004), e para o caso do Verapamil (Perna 2013). Na etapa de caracterização da coluna cromatográfica as novas abordagens foram associadas à ferramenta inversa R2W de forma a determinar os parâmetros globais de transferência de massa apenas usando os tempos experimentais de residência de cada enantiômero na coluna de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Na segunda etapa os modelos cinéticos desenvolvidos nas abordagens foram aplicados nas colunas do LMS com os valores determinados na caracterização da coluna cromatográfica, para a simulação do processo de separação contínua. Os resultados das simulações mostram boa concordância entre as duas abordagens propostas e os experimentos de pulso para a caracterização da coluna na separação enantiomérica da cetamina ao longo do tempo. As simulações da separação em LMS, tanto do Verapamil quando da Cetamina apresentam uma discrepância com os dados experimentais nos primeiros ciclos, entretanto após esses ciclos iniciais a correlação entre os dados experimentais e as simulações. Para o caso da separação da cetamina (Santos, 2004), a qual a concentração da alimentação era relativamente baixa, os modelos foram capazes de predizer o processo de separação com as cinéticas Linear e Langmuir. No caso da separação do Verapamil (Perna, 2013), onde a concentração da alimentação é relativamente alta, somente a cinética de Langmuir representou o processo, devido a cinética Linear não representar a saturação das colunas cromatográficas. De acordo como o estudo conduzido ambas as abordagens propostas mostraram-se ferramentas com potencial na predição do comportamento cromatográfico de uma amostra em um experimento de pulso, assim como na simulação da separação de um composto no LMS, apesar das pequenas discrepâncias apresentadas nos primeiros ciclos de trabalho do LMS. Além disso, podem ser facilmente implementadas e aplicadas na análise do processo, pois requer um baixo número de parâmetros e são constituídas de equações diferenciais ordinárias.

Estudo do impacto do descarte dos comprimidos de captopril no meio ambiente

O Captopril é um dos medicamentos anti-hipertensivos mais consumidos no Brasil. Constitui-se em um pó cristalino, branco ou levemente amarelado, com leve odor característico de sulfeto, facilmente solúvel em água, etanol, clorofórmio e metanol. Em soluções aquosas, o captopril sofre reação de oxidação, formando em quantidade crescente como produto de degradação o dímero dissulfeto de captopril. Além disso, no período de 24 horas, mais de 95% da dose absorvida é eliminada pela urina, sendo 40 a 50% na forma inalterada, e o restante na forma do dímero dissulfeto de captopril e de outros metabólitos, os quais são encaminhados para o esgoto, podendo assim atingir os corpos dágua. O presente trabalho foi planejado de maneira a estudar o impacto e o comportamento do medicamento e do seu produto de degradação em águas ambientais. Para isso, foi feita a validação do método analítico escolhido, cromatografia líquida de alta eficiência, que foi a ferramenta adequada para garantir a confiabilidade dos dados analíticos do método. Foi monitorada também a estabilidade do fármaco na forma de comprimidos e em solução aquosa, ao longo de 144 dias. Os resultados mostraram que quando os comprimidos de captopril são armazenados em sua embalagem original, nesse caso blister, a uma temperatura controlada igual a 40o C e umidade controlada igual a 75 %, eles permaneceram estáveis. A concentração de captopril apresentou uma média igual a 97,4 %. Por outro lado, quando diluído e armazenado nas mesmas condições de temperatura e umidade citadas anteriormente para a obtenção de uma solução aquosa na concentração igual a 1 mg/mL, a substância captopril chegou a variar de 95,7% a 68,5%. Já o seu produto de degradação, dissulfeto de captopril, atingiu um aumento na concentração de 1,7 para 31,1%, ambos em 144 dias

Avaliação de carbonilas na atmosfera interior e exterior de salas de aula de escolas públicas

Compostos carbonílicos representam uma das principais classes de poluentes atmosféricos e são frequentemente reportados em estudos de poluição atmosférica de interiores. São emitidos para a atmosfera a partir de uma variedade de fontes naturais e antropogênicas. Em projeto empreendido em 2011 pela Secretaria de Estado de Educação do Estado do Rio de Janeiro,foi implementada a climatização em todas as salas de aula de todas as escolas da rede pública estadual. A escala de exposição de ocupantes à climatização, em salas de aula, não apresenta precedentes em nosso estado e representa uma tendência de todo o país. Como é um projeto recente, não há dados a respeito da qualidade do ar interior nesses ambientes e, portanto, das consequências na saúde dos ocupantes. Os procedimentos foram baseados na metodologia TO-11A da U.S.EPA. A técnica de amostragem foi por via seca com reação química, empregando-se cartuchos de sílica revestidos de octadecil (SiO2-C18) impregnados com 2,4-dinitrofenilhidrazina. As carbonilas foram analisados através de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência com detecção por UV. Foram encontradas concentrações de formaldeído na faixa de 3,59 a 26,62 μg m-3 (interior) e 0,74 a 23,47 μg m-3 (exterior), acetaldeído na faixa de 0,19 a 259,47 μg m-3 (interior) e 1,19 a 127,51 μg m-3 (exterior), acetona+acroleína na faixa de 0,00 a 48,45 μg m-3 (interior) e 0,00 a 37,00 μg m-3 (exterior). Os valores encontrados geralmente não ultrapassaram os limites determinados por organismos internacionais

Avaliação in vitro da incorporação de clorexidina nas propriedades físico-químicas de resinas macias

A incorporação do diacetato de clorexidina em resinas macias para reembasamento de próteses pode se tornar uma boa alternativa na terapia com antimicrobianos usados para candidíase oral, uma vez que é independente da cooperação do paciente. Este trabalho teve como objetivo analisar a hipótese que a incorporação de diacetato de clorexidina em resinas macias não alteraria as suas propriedades físico-químicas. Foram analisadas duas resinas macias, uma à base de polimetilmetacrilato (PMMA) e outra à base de polietilmetacrilato (PEMA), com a incorporação de 0,5%, 1,0% e 2,0% de diacetato de clorexidina, além do grupo controle sem diacetato de clorexidina. Os espécimes foram armazenadas em água destilada a 37 durante 2hrs, 48 hrs, 7, 14, 21 e 28 dias e analisados quanto a cristalinidade do polímero através da difração de Raios X, a dureza mensurada com durômetro na escala shore A, o grau de conversão dos monômeros pela Espectroscopia de Infravermelho Transformada de Fourier (FTIR), a lixiviação de monômeros residuais e a liberação da clorexidina por Cromatografia Líquida de Alta Performace (HPLC). Os resultados mostraram que quanto à cristalinidade dos polímeros nas resinas macias à base de PMMA e de PEMA não alteraram após a incorporação de clorexidina, o que está relacionado à dureza Shore A, que aumentou ao longo do tempo, mas sem alteração significativa para nenhuma das concentrações de diacetato de clorexidina testadas. Já quanto ao grau de conversão, após a incorporação de clorexidina, a resina macia à base de PMMA não apresentou diferença estatisticamente significativa (р>0,05), porém a resina macia à base de PEMA apresentou diminuição significativa do grau de conversão (p<0,05), o que refletiu no aumento significativo da lixiviação de monômeros residuais nas concentrações 0,5% e 1,0% de clorexidina (p<0,05), principalmente nas primeiras 48 horas nessa resina. A resina macia à base de PMMA não apresentou alterações do padrão de lixiviação desses monômeros (р>0,05) e para ambas as resinas a cinética de liberação de clorexidina foi relacionada à lixiviação de monômeros residuais, que para a resina macia à base de PEMA foi maior significativamente nas primeiras 48 horas (p<0,05) e para a resina macia à base de PMMA não teve alteração estatisticamente significativa (р>0,05) se mantendo até o último dia de análise. Desse modo, conclui-se que a incorporação do diacetato de clorexidina não afetou a cristalinidade dos polímeros, inalterando a dureza nas duas resinas, porém o grau de conversão sofreu diminuição após a incorporação de diacetato de clorexidina na resina macia à base de PEMA, o que levou ao aumento da lixiviação de monômeros residuais e curta liberação de clorexidina; enquanto que a resina macia à base de PMMA, devido a não alteração significativa do seu grau de conversão, ocorreu menor lixiviação de monômeros residuais e liberação prolongada de clorexidina.

Avaliação da presença de metilparabeno e propilparabeno no ambiente aquático e seus potenciais estrogênicos e a toxicidade aguda.

Atualmente no cenário mundial a qualidade da água tem gerado muitas preocupações, pois milhares de produtos sintéticos são produzidos para facilitar muitas práticas industriais, domésticas e pessoais e com isso diversas substâncias químicas utilizadas para esses fins são introduzidas no meio ambiente. Os parabenos são substâncias químicas utilizadas pelas indústrias farmacêuticas, de alimentos e cosméticos e que cuja função é a conservação, sendo que há muitos questionamentos em relação a sua segurança, pois alguns relatórios têm mostrado que a exposição a esses parabenos pode modular ou perturbar o sistema endócrino e com isso gerar consequências prejudiciais à saúde humana e aos ambientes aquáticos. Esse estudo teve como objetivo avaliar a presença dos Parabenos Metilparabeno e Propilparabeno no ambiente aquático e os seus potenciais estrogênicos e a toxicidade aguda. A metodologia se desenvolveu a partir do ensaio in vitro YES para a determinação da atividade estrogênica, ensaios de toxicidade aguda em Daphnia similis e em Aliivibrio fischeri e a quantificação dos parabenos na água do Rio Maracanã-RJ através da cromatografia líquida acoplada ao espectrômetro de massa. Os resultados obtidos para a CE50 dos MP e PP, a partir do ensaio in vitro YES, foi de 18,91 mgL-1 e 7 mgL-1 e a magnitude da resposta foi de 10-5 e 10-4 menos potente que 17ß-estradiol para o MP e o PP, respectivamente. A partir do ensaio de toxicidade aguda, os valores de CE50 obtidos em Daphnia similis, foi de 29,42 mgL-1 e 9,94 mgL-1e em Aliivibrio fischeri foi de 3,047 mgL-1 e 1,946 mgL-1, respectivamente, com isso observou-se que o PP é mais tóxicos em todos os organismos testados, sendo mais tóxicos para um e menos para outros. A água do Rio Maracanã não foi tóxica para a Daphnia similis em nenhum dos dois pontos, já para o Aliivibrio fischeri foi tóxica em apenas um ponto. As concentrações encontradas de MP e PP foram maiores no ponto onde, de acordo com os parâmetros físico-químicos, a qualidade da água não está dentro dos padrões exigidos pela legislação, sendo quantificados na ordem de ngL-1, contudo é válido ressaltar que os DEs não são encontrados no meio ambiente separados, eles interagem entre si e provocam efeitos aditivos ou sinérgicos, sendo muito difícil de prever qual o efeito, por isso é importante o conhecimento do potencial estrogênico das substâncias simples, pois em um estudo com uma matriz ambiental, pode-se observar se houve algum efeito aditivo ou sinérgico de outras substâncias.

Avaliação do comportamento físico e microbiológico da incorporação de diacetato de clorexidina a resinas acrílicas a base de PMMA

Neste trabalho, objetivou-se avaliar as propriedades físicas e microbiológicas de resinas acrílicas a base de polimetilmetacrilato após a incorporação de sal de diacetato de clorexidina (CDA) às mesmas. Para tal, foram confeccionados corpos de prova (CDPs) com as resinas VIPI COR e Duralay, sem e com incorporação de 0,5%; 1,0% e 2,0% de CDA, totalizando 8 grupos. A cromatografia líquida foi utilizada para mensurar a liberação de CDA pelas resinas acrílicas, e ainda, mensurar sua lixiviação de monômeros residuais.Para isso, os CDPs foram armazenados individualmente em placas para cultura celular de 24 poços contendo 1 ml de água destilada estéril em cada poço. Após tempo de armazenagem de 2 horas, 7 dias, 14 dias, 21 dias e 28 dias, a 37oC, a solução foi retirada e a liberação de clorexidina ou monômeros residuais foi avaliada utilizando-se HPLC associado a espectrometria ultravioleta. A atividade antifúngica para C. albicans foi avaliada utilizando teste de difusão em ágar, no qual os CDPs foram colocados em placas de BHI previamente inoculadas com C. albicans, com medição do halo de inibição após 48 horas de incubação a 37C. A análise do grau de conversão das resinas se deu através da técnica de espectroscopia de infravermelho transformada de Fourier FTIR utilizando-se uma amostra de resina não polimerizada de cada grupo e realizados 4 scans de absorbância. Para a mensuração da sorção de água por parte das resinas contendo CDA, foram confeccionados 10 corpos de prova para cada grupo, que foram posicionados em suporte dentro de dessecador a 37C para remoção de umidade intrínseca (m1) e depois imersos em 100 ml de água deionizada por 7 dias a 37C, tendo a água trocada diariamente. Após este intervalo, os corpos foram secos para obter a nova massa da resina (m2). As massas obtidas foram incluídas em fórmula matemática para obtenção do grau de sorção. Após obtenção dos resultados, quando comparou-se o halo inibição entre os grupos testados e de mesma marca, apenas as análises entre grupo CDA 2% x grupo CDA 1% e entre CDA 1% x CDA 0,5% não apresentaram diferenças significantes. Quanto a liberação de CDA, a análise de variância demonstrou que dois dos três fatores avaliados (concentração do fármaco e tempo de armazenagem) alteram de maneira significativa a taxa de liberação da clorexidina (p<0,0001), entretanto a marca do material pareceu não influenciar de maneira significativa na liberação do fármaco. Quanto ao grau de conversão, os valores obtidos não foram significantes e apresentou-se menor apenas nos grupos com CDA 2% . Para ambas a sorção de água aumentou conforme a incorporação do sal cresceu e houve aumento significativo nas concentrações de 1.0% e 2.0%. Podemos concluir que a incorporação da clorexidina às resinas a base de PMMA: é capaz de inibir o crescimento de C. albicans; não alterou o grau de conversão das resinas testadas; não altera a liberação de monômeros residuais; e, altera a sorção de água das resinas acrílicas a base de PMMA quando concentrações maiores de CDA são adicionadas.

Monitoramento de desreguladores endócrinos no rio Arroio Fundo na bacia de Jacarepaguá, RJ.

Os desreguladores endócrinos são compostos micropoluentes de ação deletéria que causam efeitos aos animais e aos seres humanos. Estes vêm trazendo a várias décadas, problemas relacionados à má formação ou ainda infertilidade de várias espécies. A presença destes compostos na ordem de ng L-1 já é capaz de gerar efeitos nocivos ao sistema endócrino. Este trabalho visou à determinação da presença e quantidade de alguns destes compostos como 17α-etinilestradiol, bisfenol A e estrona entre outros, nas águas do rio Arroio Fundo, localizado em Jacarepaguá no RJ que possui um índice de qualidade de água ruim. A primeira etapa deste trabalho foi a implementação e validação de metodologia para determinação do 17α-etinilestradiol por cromatografia líquida acoplada a detector de fluorescência onde foram estabelecido limite de detecção, de quantificação e linearidade conforme orientação do Inmetro (2010). Além da avaliação das amostras ambientais através da metodologia estabelecida. Na etapa subsequente foram realizados os experimentos relativos à determinação dos desreguladores endócrinos através da espectrometria de massas por detector tipo tandem quadrupolo, onde também foram realizados os procedimentos de validação e determinação dos compostos bisfenol A e estrona que não foram suscetíveis a efeito de matriz durante a ionização, que acabou impedindo a determinação de outros desreguladores endócrinos. Os resultados indicam que não há redução da presença dos desreguladores endócrinos detectados, e de outros compostos orgânicos também detectados, mas não identificados, entre os pontos a montante e a jusante da Unidade de Tratamento do Rio Arroio Fundo. Todavia em função do grande efeito de matriz oriundo do fato da amostra ser de extrema complexidade, não foi possível realizar uma identificação e quantificação de todos os compostos alvos.

Avaliação do potencial fotoprotetor de extratos de musgos e investigação de seus riscos toxicológicos

A radiação ultravioleta (UV) induz diversos efeitos nocivos nos organismos e a quantidade desta radiação que atinge a biosfera é afetada pela concentração de ozônio, latitude, altitude, clima e reflexão especular. As respostas de briófitas em relação aos efeitos da radiação UV e a presença de compostos que absorvem esta radiação têm sido estudadas. Sanionia uncinata, Holomitriopsis laevifolia e Leucobryum laevifolium são espécies de musgos encontrados em locais expostos a alta incidência de radiação UV e com habitats distintos. Considerando que as respostas de musgos contra os efeitos da radiação UV e seus mecanismos de proteção ainda são pouco caracterizados, o objetivo deste estudo foi investigar o potencial fotoprotetor e possíveis riscos toxicológicos associados aos extratos dos musgos S. uncinata, proveniente da Antártica e H. laevifolia e L. laevifolium, proveniente do Amazonas. Seus extratos metanólico (EM), aquoso (EA), hidroalcoólico (EH) e etanólico (EE) foram estudados com a caracterização química por absorção ao UV e visível e pela cromatografia líquida de alta eficiência; quantificação do índice total de compostos fenólicos; determinação da capacidade captadora do radical 2,2-difenil-1-picril-hidrazila a fim de avaliar as atividades antioxidantes; avaliação do potencial de fotoproteção cutânea pela determinação do fator de proteção solar; avaliações do potencial mutagênico e citototóxico, através do ensaio de Salmonella/microssoma, utilizando as cepas TA97, TA98, TA100, TA102 e TA104; do potencial fotomutagênico através do ensaio de fotomutagenicidade, usando as cepas TA102 e TA104; e investigação dos efeitos genotóxicos e fotogenotóxicos, pelo ensaio de micronúcleo e fotomicronúcleo, respectivamente, usando diferentes linhagens celulares estabelecidas. Foram encontradas atividades fotoprotetoras e antioxidantes e observou-se que os extratos se apresentaram singulares devido a sua composição química. Os resultados fotoprotetores, além dos mutagênicos/fotomutagênicos, genotóxicos/fotogenotóxicos e suas respectivas avaliações citotóxicas também permitiram selecionar extratos e suas concentrações, como promissores candidatos em fotoproteção Assim, os EA e EH de H. laevifolia e L. laevifolium apresentam, no geral, os resultados mais significativos, tornando-se potenciais para avaliações refinadas em fotoproteção e na separação de componentes que possam levar a futuras aplicações como antioxidantes e protetores solares ou como adjuvantes.

雪莲细胞培养物中黄酮类物质代谢调控及其生物活性成份分析

水母雪莲（Saussurea medusa Maxim.）和新疆雪莲（Saussurea involucrata Karel. et Kir.）是我国珍稀的药用植物资源，具有清热解毒、止痉镇痛、敛伤、消肿及治疗热病、风湿等多种功效。雪莲的主要药用成份为紫丁香甙（Syringin）、芦丁(Rutin)、高车前素（Hispidulin）和Jaceosidin等苯基丙酸类（phenylpropanoid）和黄酮类（flavonoids）物质。最新的药理研究表明，上述物质还具有抗菌消炎、保肝降压、延缓衰老和抑制癌细胞增殖等重要的研发价值。 雪莲生境恶劣，生长缓慢，人工引种困难，加上长期掠夺性采挖，已使雪莲处于灭绝的边缘。为了保存国家珍稀植物品种，保护生态环境，满足临床上对雪莲药物的需求，本研究在雪莲组织培养的基础上，应用诱导子添加技术和毛状根培养技术对雪莲中具有重要药用价值的次生代谢物质进行调控，并对雪莲MYB类转录因子的功能进行了初步探索，为保护珍稀植物资源、维护生态环境、开发野生雪莲替代产品、缩短雪莲药用成份的生产周期奠定了基础。另外，分析了野生雪莲和雪莲培养物中主要生物活性成份的种类及含量，为今后雪莲药理药效研究及品质评价奠定了基础。 为了提高雪莲黄酮的产量，满足工业化生产的需要，在细胞培养水平上，通过添加茉莉酸甲酯（MJ），对雪莲黄酮类物质的代谢进行调控。研究了诱导子的添加时间、添加浓度对水母雪莲红色系悬浮细胞的生物量和总黄酮产量的影响。发现在细胞培养的指数期（第9天）添加5.0 µmol/L的MJ，可以使总黄酮产量提高2.4倍（1134.5 ± 63.86 mg/L），而雪莲细胞干重（dw）仅比对照提高23.8 %（20.4 ±0.27 g/L）。另外，细胞中苯丙氨酸裂解酶（PAL）的活性分析表明，MJ添加后PAL活性的增加与雪莲总黄酮含量增长之间存在相关性。 在器官培养水平上，对雪莲毛状根的诱导频率及其培养条件进行了研究。结果表明，选择发根农杆菌R1601侵染预培养2天的新疆雪莲根段外植体，毛状根的诱导效率可达到83 %。毛状根的冠瘿碱检测、PCR和Southern分析表明，Ri质粒中的T-DNA已整合到植物基因组中并稳定表达。以新疆雪莲毛状根为外植体，能够容易地获得再生芽。在含有1.0 mg/L 6-BA的MS固体培养基上，其再生频率高达91 ± 5.9 %，是其正常根的2.4倍。而水母雪莲在该培养条件下，仅有少量的畸形芽出现。进而对毛状根的培养条件进行初步研究，结果表明在无激素附加的MS液体培养基中，新疆雪莲的HR1601根系在一个培养周期内（32 天），其生物量能够达到接种量的16倍，而紫丁香甙含量（43.5 ± 1.13 mg/g dw）能够达到野生雪莲的83倍。从而显示了雪莲毛状根培养体系的优良特性。 在基因水平上，对雪莲黄酮类物质代谢调控的研究已经展开。玉米P基因编码的Myb类转录因子能够调节黄酮类物质代谢途径关键酶基因的表达。根据P基因的保守序列设计引物，从雪莲细胞培养物中获得了SmP基因。核酸序列分析表明，SmP基因与烟草中涉及苯丙素类物质代谢途径的LBM 1、LBM 3和MybAS 1基因具有较高的一致性，分别为66 %、60 %和61 %。因此为了研究雪莲SmP基因的功能，构建了正义表达载体，并与先前构建好的反义表达载体分别导入烟草，分析了转基因植株的形态特征及黄酮类物质的含量变化。其中，约有30 %转反义SmP基因的株系表现叶片皱缩、叶脉紊乱、主侧脉角度缩小、叶片、花瓣失去对称性以及花粉败育等性状。 另外，通过正交试验设计优化了雪莲提取工艺的条件，并对雪莲细胞提取物进行了分离纯化。正交试验设计结果表明，温度对雪莲黄酮提取效率的影响极为显著，而分批多次提取比一次性浸提，能够收到较好的提取效果。考虑到工业生产中的实际问题，推荐在60 ℃水浴条件下，采用50 %乙醇对雪莲样品连续浸提2次的方案。对雪莲提取物的纯化研究表明，雪莲成份复杂，仅依靠单一的分离手段，往往难以奏效。另外，野生雪莲及雪莲培养物中生物活性成份的比色法、HPLC（High Performance Liquid Chromatography）、LC-ESI-MS（Liquid Chromotagraphy Electrospray Ionization Mass Spectrometry）分析表明，传统的NaNO2-AlCl3 法测定雪莲总黄酮的含量，结果偏高，不利于雪莲黄酮的实验室研究分析与今后工业化生产的质量监控。而AlCl3 法的显色反应较为特异，今后有望取代NaNO2-AlCl3 法，作为雪莲类药材品质评价的标准。而HPLC-DAD结合LC-ESI-MS可以对雪莲中的主要生物活性成份进行较为准确的定性分析，从而解决了由于缺乏相应的雪莲化合物标准品而难以对雪莲中的成份进行定性定量分析及比较的难题。最后综合利用上述分析方法，对雪莲细胞培养物中的花素类物质进行了分析。结果表明，雪莲细胞中至少含有7种花色素类物质，分别为矢车菊素-3-O-葡萄糖甙及其衍生物、天竺葵素糖甙衍生物和芍药色素糖甙衍生物。

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制分析

Ⅰ 虎杖聚酮类化合物生物合成相关基因的克隆及功能分析 虎杖 (Polygonum cuspidatum Sieb. et Zucc) 属于蓼科蓼属多年生草本植物，在中国和日本民间曾被广泛用于动脉粥样硬化、高血压、咳嗽、化脓性皮肤炎以及淋病的治疗，具有祛风利湿、散瘀定痛、止咳化痰等功效。而在现代医学上最令人瞩目和具有发展前景的是其在抗肿瘤、心血管保护、抗氧化方面的作用，相关疗效主要来自于虎杖中结构迥异、种类丰富的聚酮化合物及其衍生物资源。这些聚酮类化合物主要包括蒽醌、大黄素、大黄素-甲醚、大黄酚、芪类以及类黄酮化合物等。其中，大部分聚酮类化合物生物合成途径机制尚不明确，但可以肯定的是植物类型III聚酮合酶type III polyketide synthases (PKSs) 在这些聚酮化合物的生物合成起始反应中行使着关键的作用。因此，除了我们所熟悉的类黄酮化合物、芪类化合物之外，进一步分离和分析虎杖中其它重要聚酮类化合物生物合成所涉及的类型III聚酮合酶基因的是非常值得期待的。 目前，已经有14个植物类型III PKS基因被克隆和功能分析。植物类型III PKS的共同特征包括基因结构、序列相似性、保守的活性中心、酶学性质以及共同的催化机制等。显花植物（裸子植物和被子植物）中，植物类型III PKS的基因结构绝对保守，除了一个早期报道的金鱼草（Antirrhinum majus）查尔酮合酶chalcone synthase (CHS) 含有第二个内含子外，迄今为止所有已知的植物类型III PKS基因均含有一个内含子且该内含子位置保守。有趣的是，在本研究中，两个含有3个内含子的类型III PKS基因从虎杖中被分离，且两个基因3个内含子的位置完全保守，这是三内含子类型III PKS基因首次得到分离。除了新奇的基因结构外，体外功能分析显示上述两个基因还具有特殊的酶学性质和功能。 本论文围绕上述2个三内含子基因开展了以下工作： 虎杖中一个由三内含子基因编码的新型类型III聚酮合酶 一个类型III PKS的cDNA及其相应的基因（PcPKS2）从药用植物虎杖中被克隆。序列分析结果表明，PcPKS2的开放阅读框被3个内含子分隔，这是一个出人意料的发现，因为截至到目前为止，除了金鱼草一个CHS基因外，所有已知的类型III PKS基因均在固定位置上含有一个内含子。除了特殊的基因结构外，PcPKS2显示了一些有趣的特性：(i) CHS“守卫”苯丙氨酸——Phe215和Phe265在PcPKS2中双双缺失，它们分别被亮氨酸和半胱氨酸取代;(ii) 体外功能分析结果表明，当酶促反应体系的pH值为6.5-8.5时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS2高效地合成丁烯酮非环化产物——4-香豆酰甘油酸内酯（4-coumaroyltriacetic acid lactone (CTAL)）为主产物，而丙烯酮非环化产物bis-noryangonin (BNY) 以及苯亚甲基丙酮为副产物;而当酶促反应体系的pH值为9.0时，PcPKS2高效地合成苯亚甲基丙酮为主产物，而CTAL、BNY为副产物。另外，除了上述3种产物外，在不同的pH条件下，还有痕量的柚皮素查尔酮能被检测到。此外，在4-香豆酰辅酶A（4-coumaroyl-CoA）的类似化合物中，除了4-香豆酰辅酶A外，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS2接受作为起始底物。PcPKS2不接受脂肪酰辅酶A——异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS2基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，在根茎和幼叶中，PcPKS2表达量很高，而在根中无表达。叶中的PcPKS2的表达受病原菌诱导，但不受伤诱导。 虎杖中一个编码双功能类型III聚酮合酶的三内含子基因的鉴定 显花植物中，所有已知的类型III PKS 基因均含有一个内含子且位置绝对保守。本研究中，综合运用PCR技术，从富含聚酮类化合物的植物虎杖中克隆得到一个类型III PKS 基因（PcPKS1）及其cDNA。序列分析结果表明，PcPKS1含有3个内含子。系统发育分析结果表明，PcPKS1与其它植物的CHSs归为一类。然而，体外功能分析结果表明，当酶促反应体系pH值为7.0时，大肠杆菌中过表达的重组PcPKS1高效地合成柚皮素查尔酮（naringenin）为单一产物;而当pH值为9.0时，苯亚甲基丙酮（p-hydroxybenzalacetone）几乎为重组PcPKS1的唯一产物。后续的研究表明，与典型的CHSs相比，PcPKS1具有另外一些不同的特点：在pH值为9.0时（PcPKS1的苯亚甲基丙酮合成活性最适pH值），在4-香豆酰辅酶A的类似化合物中，只有feruloyl-CoA能够被PcPKS1接受作为起始底物。与CHSs展现出的对脂肪酰辅酶A宽泛的底物特异性不同，在不同的pH条件下，PcPKS1不接受异丁酰基辅酶A（isobutyryl-CoA）、异戊酰基辅酶A（isovaleryl-CoA）以及乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为起始底物。以上数据指出重组PcPKS1是一个具有查尔酮合酶（CHS）和苯亚甲基丙酮合酶（BAS）活性的双功能酶。Southern blot杂交结果表明，在虎杖基因组中存在2-4个PcPKS1基因的拷贝。Northern blot杂交结果表明，PcPKS1可能在防御病原菌和草食动物方面起着重要作用。PcPKS1和PcPKS2共同从虎杖中被分离的事实极有可能暗示了苯丁烷类化合物（phenylbutanoid）及其衍生物存在于虎杖中。 Ⅱ 高山红景天酪醇生物合成代谢途径机制研究 高山红景天（Rhodiola sachalinensis A. Bor）是景天科（Crassulaceae）红景天属多年生草本植物，作为一种适应原性中草药在中国的应用史已经超过800年。最近红景天提取物作为一种重要的商业药用制剂资源，其应用遍及欧洲、亚洲和美国，其主要治疗范围包括抗变应性和消炎，提高心理机敏性等。目前已经非常明确，红景天甙（salidroside）和甙元酪醇（tyrosol）是红景天属植物的主要功效成分，主要分布于这类植物的根中并且具有抗缺氧、抗疲劳、延缓衰老、预防紫外线辐射伤害等功效。红景天甙为酪醇8-O-β-D葡萄糖甙，是酪醇在葡萄糖基转移酶UDP-glucosyltransferase (UGT) 的催化下糖基化后形成的，可以认为是酪醇在植物体内的贮存形式。酪醇作为一种重要的活性分子，同样存在于橄榄树和葡萄酒中。 虽然已经非常明确酪醇来自于莽草酸代谢途径，然而其具体的生物合成途径及其调控仍不明确。总结以往的报道，在酪醇的生物合成上主要存在两种观点：一是酪醇可能来自于苯丙烷代谢途径产生的4-香豆酸（4-coumaric acid）前体;二是来自于酪氨酸的酪胺（tyramine）可能是酪醇生物合成的直接前体。我们的工作兴趣主要围绕着鉴别高山红景天中的酪醇生物合成途径展开： 高山红景天内源苯丙氨酸解氨酶PALrs1的过表达对红景天甙积累的影响 红景天甙是来自于药用植物高山红景天的一种适应原性新型药物，其生物合成途径可能起始于苯丙氨酸或酪氨酸。由于高山红景天野生植物资源的匮乏和相对含量很低，阐明红景天甙的生物合成途径对于增加红景天甙的供给至关重要。在我们以前的工作中，运用cDNA末端快速扩增技术（RACE），一个编码苯丙氨酸解氨酶phenylalanine ammonia-lyase (PAL)的cDNA从高山红景天中被克隆，命名为PALrs1。在本研究中，PALrs1置于35S启动子+Ω增强子序列的控制下通过农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）介导法转化回高山红景天。PCR 和 PCR–Southern blot分析结果表明，PALrs1已经整合到了转基因植物的基因组上。Northern blot杂交结果表明，PALrs1已经获得在转录水平上的高水平表达。与预期的结果相同，高效液相色谱High-performance liquid chromatography (HPLC)测定结果显示PALrs1的过表达引起4-香豆酸含量增长3.3倍。然而，与之相反的是，酪醇和红景天甙含量与对照相比反而分别下降4.7和7.7倍。此外，我们发现PALrs1的过表达造成酪氨酸含量下降2.6倍。这些数据暗示着PALrs1的过表达和4-香豆酸的积累并不能促进酪醇的生物合成。酪醇，作为一种苯乙烷类衍生物并非来自苯丙氨酸，而酪氨酸含量的下降则极有可能是酪醇生物合成和红景天甙积累大规模下降的直接原因。