Effect of monovalent cations on the kinetics of hypoxic conformational change of mitochondrial complex i

Mitochondrial complex I is a large, membrane-bound enzyme central to energy metabolism, and its dysfunction is implicated in cardiovascular and neurodegenerative diseases. An interesting feature of mammalian complex I is the so-called A/D transition, when the idle enzyme spontaneously converts from the active (A) to the de-active, dormant (D) form. The A/D transition plays an important role in tissue response to ischemia and rate of the conversion can be a crucial factor determining outcome of ischemia/reperfusion. Here, we describe the effects of alkali cations on the rate of the D-to-A transition to define whether A/D conversion may be regulated by sodium.At neutral pH (7–7.5) sodium resulted in a clear increase of rates of activation (D-to-A conversion) while other cations had minor effects. The stimulating effect of sodium in this pH range was not caused by an increase in ionic strength. EIPA, an inhibitor of Na+/H+antiporters, decreased the rate of D-to-A conversion and sodium partially eliminated this effect of EIPA. At higher pH (> 8.0), acceleration of the D-to-A conversion by sodium was abolished, and all tested cations decreased the rate of activation, probably due to the effect of ionic strength.The implications of this finding for the mechanism of complex I energy transduction and possible physiological importance of sodium stimulation of the D-to-A conversion at pathophysiological conditions in vivo are discussed.

Relationship between plant phosphorus status and the kinetics of arsenate influx in clones of deschampsia cespitosa (L.) beauv. that differ in their tolerance to arsenate

Uptake kinetics of arsenate were determined in arsenate tolerant and non-tolerant clones of the grass Deschampsia cespitosa under differing root phosphorus status to investigate the mechanism controlling the suppression of arsenate influx observed in tolerant clones. Influx was always lower in tolerants compared to non-tolerants. Short term influx of arsenate by the high affinity uptake system in both tolerant clones was relatively insensitive to root phosphorus status. This was in contrast to the literature where the regulation of the phosphate (arsenate) uptake system is normally much more responsive to plant phosphorus status. The low affinity uptake system in both tolerant and non-tolerant clones, unlike the high affinity uptake system, was more closely regulated by root phosphate status and was repressed to a much greater degree under increasing root phosphorus levels than the high affinity system. © 1994 Kluwer Academic Publishers.

Biomass allocation, phosphorus nutrition and vesicular-arbuscular mycorrhizal infection in clones of Yorkshire Fog, Holcus lanatus L. (Poaceae) that differ in their phosphate uptake kinetics and tolerance to arsenate

Biomass and phosphorus allocation were determined in arsenate tolerant and non-tolerant clones of the grass Holcus lanatus L. in both solution culture and in soil. Arsenate is a phosphate analogue and is taken up by the phosphate uptake system. Tolerance to arsenate in this grass is achieved by suppression of arsenate (and phosphate) influx. When clones differing in their arsenate tolerance were grown in solution culture with a range of phosphate levels, a tolerant clone did not fare as well as a non-tolerant at low levels of phosphate nutrition in that it had reduced shoot biomass production, increased biomass allocation to the roots and lower shoot phosphorus concentration. At a higher level of phosphate nutrition there was little or no difference in these parameters, suggesting that differences at lower levels of phosphate nutrition were due solely to differences in the rates of phosphate accumulation. In experiments in sterile soil (potting compost) the situation was more complicated with tolerant plants having lower growth rates but higher phosphorus concentrations. The gene for arsenate tolerance is polymorphic in arsenate uncontaminated populations. When phosphorus concentration of tolerant phenotypes was determined in one such population, again tolerants had a higher phosphorus status than non-tolerants. Tolerants also had higher rates of vesicular-arbuscular mycorrhizal (VAM) infection. The ecological implications of these results are that it appears that suppression of the high affinity uptake system, is at least in part, compensated by increased mycorrhizal infection. © 1994 Kluwer Academic Publishers.

Improving antimicrobial release kinetics from hydrophobic polymer implants via ion pairing to combat biomedical-device related infection

Purpose The aim of this study is to improve the drug release properties of antimicrobial agents from hydrophobic biomaterials using using an ion pairing strategy. In so doing antimicrobial agents may be eluted and maintained over a sufficient time period thereby preventing bacterial colonisation and subsequent biofilm formation on medical devices. Methods The model antimicrobial agent was chlorhexidine and the selected fatty acid counter ions were capric acid, myristic acid and stearic acid. The polymethyl methacrylate films were loaded with 2% of fatty acid:antimicrobial agent at the following molar ratios; 0.5:1M, 1:1M and 2:1M and thermally polymerized using azobisisobutyronitrile initiator. Drug release experiments were subsequently performed over a 3-month period and the mass of drug released under sink conditions (pH 7.0, 37oC) quantified using a validated HPLC-UV method. Results In all platforms, a burst of chlorhexidine release was observed over the initial 24-hour period. Similar release kinetics were observed between the formulations during the initial 28 days. However, as time progressed, the chlorhexidine baseline plateaued after 56 days whereas formulations containing the counterions appeared to continuously elute linearly with time. As can be observed in figure 1, the rank order of total chlorhexidine release in the presence of 0.5M fatty acid was myristic acid (40%) > capric acid (35%) > stearic acid (30%)> chlorhexidine baseline (15%). Conclusion The incorporation of fatty acids within the formulation significantly improved chlorhexidine solubility within both the monomer and the polymer and enhanced the drug release kinetics over the period of study. This is attributed to the greater diffusivity of chlorhexidine through PMMA in the presence of fatty acids. In th absence of fatty acids, chlorhexidine release was facilitated by dissolution of surface associated drug particles. This study has illustrated the ability of fatty acids to modulate chlorhexidine release from a model biomaterial through enhanced diffusivity. This strategy may prove advantageous for improved medical devices with enhanced resistance to infection.

In situ catalyst activity control in a novel membrane reactor-Reaction driven wireless electrochemical promotion of catalysis

A dual chamber membrane reactor was used in order to study the effect of macroscopically applied oxygen chemical potential differences to a platinum catalyst supported on a mixed oxygen ion and electronic conducting membrane. It is believed that the oxygen chemical potential difference imposed by the use of an oxygen sweep in one of the reactor chambers causes the back-spillover of oxygen species from the support onto the catalyst surface, resulting in the modification of the catalytic activity. The use of different sweep gases, such as ethylene and hydrogen was investigated as the means to reverse the rate modification by removing the spilt over species from the catalyst surface and returning the system to its initial state. Oxygen sweep in general had a positive effect on the reaction rate with rate increases up to 20% measured. Experimental results showed that hydrogen is a more potent sweep gas than ethylene in terms of the ability to reverse rate modification. A 10% rate loss was observed when using an ethylene sweep as compared with an almost 60% rate decrease when hydrogen was used as the sweep gas. © 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Plasmid DNA damage following exposure to atmospheric pressure non-thermal plasma: kinetics and influence of oxygen admixture

The nature and kinetics of plasmid DNA damage after DNA exposure to a kHz-driven atmospheric pressure nonthermal plasma jet has been investigated. Both single-strand break (SSB) and double-strand break (DSB) processes are reported here. While SSB had a higher rate constant, DSB is recognized to be more significant in living systems, often resulting in loss of viability. In a helium-operated plasma jet, adding oxygen to the feed gas resulted in higher rates of DNA DSB, which increased linearly with increasing oxygen content, up to an optimum level of 0.75% oxygen, after which the DSB rate decreased slightly, indicating an essential role for reactive oxygen species in the rapid degradation of DNA.

The application of a novel fluidised photo reactor under UV-Visible and natural solar irradiation in the photocatalytic generation of hydrogen

With advancements in the development of visible light responsive catalysts for H2 production frequently being reported, photocatalytic water splitting has become an attractive method as a potential ‘solar fuel generator’. The development of novel photo reactors which can enhance the potential of such catalyst, however, is rarely reported. This is particularly important as many reactor configurations are mass transport limited, which in term limits the efficiency of more effective photocatalysts in larger scale applications. This paper describes the performance of a novel fluidised photo reactor for the production of H2 over two catalysts under UV-Visible light and natural solar illumination. Catalysts Pt-C3N4 and NaTaO3.La were dispersed in the reactor and the rate of H2 was determined by GC-TCD analysis of the gas headspace. The unit was an annular reactor constructed from stainless steel 316 and quartz glass with a propeller located in the base to control fluidisation of powder catalysts. Reactor properties such as propeller rotational speed were found to enhance the photo activity of the system through the elimination of mass transport limitations and increasing light penetration. The optimum conditions for H2 evolution were found to be a propeller rotational speed of 1035 rpm and 144 W of UV-Visible irradiation, which produced a rate of 89 µmol h-1 g-1 over Pt-C3N4. Solar irradiation was provided by the George Ellery Hale Solar Telescope, located at the California Institute of Technology.

Kinetics of methylene blue (MB) photocatalyzed reduction and dark regeneration in a colorimetric oxygen sensor

Performance data for a dye based, regenerable oxygen sensor (Mills and Lawrie [1], Mills et al. [2]) are analyzed to develop useful kinetic models for sensor photoactivation (dye reduction) and dark, oxygen detection (dye oxidation). The titania loaded, thin film sensor exhibits an apparent first order photoactivation of the dye, which we demonstrate (Section 3.2 and Fig. 4) is due to a kinetic disguise of a zero order photoreaction occurring through a non-uniformly illuminated sensor film. The observed zero order, slow recovery due to dye oxidation by dioxygen (O2 detection) appears best rationalized by a model assuming a near O2-impermeable skin developing on the sensor surface as solvent is evaporatively removed following sensor film casting and curing.

Biological phosphorus removal during high-rate, low-temperature, anaerobic digestion of wastewater.

We report, for the first time, extensive biologically-mediated phosphate removal from wastewater during high-rate anaerobic digestion (AD). A hybrid sludge bed/fixed-film (packed pumice stone) reactor was employed for low-temperature (12°C) anaerobic treatment of synthetic sewage wastewater. Successful phosphate removal from the wastewater (up to 78% of influent phosphate) was observed, mediated by biofilms in the reactor. Scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray analysis revealed the accumulation of elemental phosphorus (~2%) within the sludge bed and fixed-film biofilms. 4’, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) staining indicated phosphorus accumulation was biological in nature and mediated through the formation of intracellular inorganic polyphosphate (polyP) granules within these biofilms. DAPI staining further indicated that polyP accumulation was rarely associated with free cells. Efficient and consistent chemical oxygen demand (COD) removal was recorded, throughout the 732-day trial, at applied organic loading rates between 0.4-1.5 kg COD m-3 d-1 and hydraulic retention times of 8-24 hours, while phosphate removal efficiency ranged from 28-78% on average per phase. Analysis of protein hydrolysis kinetics and the methanogenic activity profiles of the biomass revealed the development, at 12˚C, of active hydrolytic and methanogenic populations. Temporal microbial changes were monitored using Illumina Miseq analysis of bacterial and archaeal 16S rRNA gene sequences. The dominant bacterial phyla present in the biomass at the conclusion of the trial were the Proteobacteria and Firmicutes and the dominant archaeal genus was Methanosaeta. Trichococcus and Flavobacterium populations, previously associated with low temperature protein degradation, developed in the reactor biomass. The presence of previously characterised polyphosphate accumulating organisms (PAOs) such as Rhodocyclus, Chromatiales, Actinobacter and Acinetobacter was recorded at low numbers. However, it is unknown as yet if these were responsible for the luxury polyP uptake observed in this system. The possibility of efficient phosphate removal and recovery from wastewater during AD would represent a major advance in the scope for widespread application of anaerobic wastewater treatment technologies.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Produção de um agente de controlo biológico de doenças pós-colheita, em reactor biológico, a partir de resíduos de alfarroba. Estudos de transferência de massa.

Dissertação mest., Engenharia Biológica, Universidade do Algarve, 2009

Caracterização reológica e hidrodinâmica de uma suspensão de células vegetais de Centaurea calcitrapa em reactor biológico

Tese de dout., Ciências Biotecnológicas, Faculdade de Engenharia e de Recursos Naturais, Univ. do Algarve, 2003

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química