Challenging conventional risk assessment with respect to human exposure to multiple food contaminants in food: A case study using maize

Mycotoxins and heavy metals are ubiquitous in the environment and contaminate many foods. The widespread use of pesticides in crop production to control disease contributes further to the chemical contamination of foods. Thus multiple chemical contaminants threaten the safety of many food commodities; hence the present study used maize as a model crop to identify the severity in terms of human exposure when multiple contaminants are present. High Content Analysis (HCA) measuring multiple endpoints was used to determine cytotoxicity of complex mixtures of mycotoxins, heavy metals and pesticides. Endpoints included nuclear intensity (NI), nuclear area (NA), plasma membrane permeability (PMP), mitochondrial membrane potential (MMP) and mitochondrial mass (MM). At concentrations representing legal limits of each individual contaminant in maize (3. ng/ml ochratoxin A (OTA), 1. μg/ml fumonisin B1 (FB1), 2. ng/ml aflatoxin B1 (AFB1), 100. ng/ml cadmium (Cd), 150. ng/ml arsenic (As), 50. ng/ml chlorpyrifos (CP) and 5. μg/ml pirimiphos methyl (PM), the mixtures (tertiary mycotoxins plus Cd/As) and (tertiary mycotoxins plus Cd/As/CP/PM) were cytotoxic for NA and MM endpoints with a difference of up to 13.6% (. p≤. 0.0001) and 12% (. p≤. 0.0001) respectively from control values. The most cytotoxic mixture was (tertiary mycotoxins plus Cd/As/CP/PM) across all 4 endpoints (NA, NI, MM and MMP) with increases up to 61.3%, 23.0%, 61.4% and 36.3% (. p≤. 0.0001) respectively. Synergy was evident for two endpoints (NI and MM) at concentrations contaminating maize above legal limits, with differences between expected and measured values of (6.2-12.4% (. p≤. 0.05-. p≤. 0.001) and 4.5-12.3% (. p≤. 0.05-. p≤. 0.001) for NI and MM, respectively. The study introduces for the first time, a holistic approach to identify the impact in terms of toxicity to humans when multiple chemical contaminants are present in foodstuffs. Governmental regulatory bodies must begin to contemplate how to safeguard the population when such mixtures of contaminants are found in foods and this study starts to address this critical issue.

What defines a geochemical map? Implications for environmental assessment.

The environmental quality of land is often assessed by the calculation of threshold values which aim to differentiate between concentrations of elements based on whether the soils are in residential or industrial sites. In Europe, for example, soil guideline values exist for agricultural and grazing land. A threshold is often set to differentiate between concentrations of the element that naturally occur in the soil and concentrations that result from diffuse anthropogenic sources. Regional geochemistry and, in particular, single component geochemical maps are increasingly being used to determine these baseline environmental assessments. The key question raised in this paper is whether the geochemical map can provide an accurate interpretation on its own. Implicit is the thought that single component geochemical maps represent absolute abundances. However,because of the compositional (closed) nature of the data univariate geochemical maps cannot be compared directly with one another.. As a result, any interpretation based on them is vulnerable to spurious correlation problems. What does this mean for soil geochemistry mapping, baseline quality documentation, soil resource assessment or risk evaluation? Despite the limitation of relative abundances, individual raw geochemical maps are deemed fundamental to several applications of geochemical maps including environmental assessments. However, element toxicity is related to its bioavailable concentration, which is lowered if its source is mixed with another source. Elements interact, for example under reducing conditions with iron oxides, its solid state is lost and arsenic becomes soluble and mobile. Both of these matters may be more adequately dealt with if a single component map is not interpreted in isolation to determine baseline and threshold assessments. A range of alternative compositionally compliant representations based on log-ratio and log-contrast approaches are explored to supplement the classical single component maps for environmental assessment. Case study examples are shown based on the Tellus soil geochemical dataset, covering Northern Ireland and the results of in vitro oral bioaccessibility testing carried out on a sub-set of archived Tellus Survey shallow soils following the Unified BARGE (Bioaccessibility Research Group of Europe).

High-temperature stability study of 1 nm Al2O3 deposited on InAs surfaces investigated by synchrotron radiation based photoemission spectroscopy

High-resolution soft x-ray photoemission spectroscopy (SXPS) has been used to study the high-temperature thermal stability of ultra-thin atomic layer deposited (ALD) Al2O3 layers (~1 nm) on sulfur passivated and native oxide covered InAs surfaces. While the arsenic oxides were removed from both interfaces following a 600 °C anneal, a residual indium oxide signal remained. No significant differences were observed between the sulfur passivated and native oxide surfaces other than the thickness of the interfacial oxide layer while the Al2O3 stoichiometry remained unaffected by the anneals. The energy band offsets were determined for the Al2O3 on the sulfur passivated InAs surface using both valence band edge and shallow core-level photoemission measurements.

Compositonal Analysis of Potentially harmful Elements in Soils: Implications for Epidemiology and Kidney Disease

A substantial proportion of aetiological risks for many cancers and chronic diseases remain unexplained. Using geochemical soil and stream water samples collected as part of the Tellus Project studies, current research is investigating naturally occurring background levels of potentially toxic elements (PTEs) in soils and stream sediments and their possible relationship with progressive chronic kidney disease (CKD). The Tellus geological mapping project, Geological Survey Northern Ireland, collected soil sediment and stream water samples on a grid of one sample site every 2 km2 across the rural areas of Northern Ireland resulting in an excess of 6800 soil sampling locations and more than 5800 locations for stream water sampling. Accumulation of several PTEs including arsenic, cadmium, chromium, lead and mercury have been linked with human health and implicated in renal function decline. The hypothesis is that long-term exposure will result in cumulative exposure to PTEs and act as risk factor(s) for cancer and diabetes related CKD and its progression. The ‘bioavailable’ fraction of total PTE soil concentration depends on the ‘bioaccessible’ proportion through an exposure pathway. Recent work has explored this bioaccessible fraction for a range of PTEs across Northern Ireland. In this study the compositional nature of the multivariate geochemical PTE variables and bioaccessible data is explored to augment the investigation into the potential relationship between PTEs, bioaccessibility and disease data.

Geochemical study of the rehabilitation of a shallow anoxic reservoir, in volcanic terrains, under semi-arid climate, in Cape Verde Archipelago

Poilão dam reservoir (Cape Verde Archipelago) is in critical conditions, owing the excessive silting up, the high concentration of nitrates and the pronounced anoxia all over the lake. Considering that the most suitable remediation strategy is the removal of the bottom sediments where nutrients are preferentially concentrated, we have done a geochemical study, in order of evaluating their suitability to agricultural use. Analyses indicate that sediments are rich in a few key nutrients, when compared with parent soils. Thus, adding suitable sediments to nearby degraded soils can improve food crops for smallholder farmers living in close proximity to this system.

Arsénio em águas subterrâneas em Portugal

Da totalidade da água existente na Terra, somente 1% diz respeito à água subterrânea, recurso finito e essencial para a sobrevivência do Homem. A composição química das águas subterrâneas é influência não só pela actividade humana, mas também pelas características químicas do substrato geológico. As rochas e os sedimentos funcionam como meio de transporte e armazém desse tipo de águas e a presença de certos minerais pode originar a contaminação natural das águas subterrâneas em elementos prejudiciais para o Homem. Um desses elementos é o arsénio. Uma vez que a concentração máxima admitida de arsénio para água consumo humano diminuiu dos anteriores 50 mg.l-1 para os actuais 10 mg.l-1,a probabilidade de encontrar concentrações naturais em arsénio em águas subterrâneas acima desse limite aumentou. Este trabalho visa estudar e compreender, através de ensaios laboratoriais, a interacção água/rocha em termos químicos e a mobilidade/comportamento do arsénio em seis zonas de Portugal Continental com contextos geológicos diferentes (Vila Flor – Formação Filito-Quartzítica, Baião – granitos, Cacia – sedimentos do Cretácico, Mamodeiro – sedimentos do Neogénico, Escusa – calcários dolomíticos e Beja - gabros). Para o efeito, nas zonas de estudo mencionadas foram colhidas amostras de rocha ou sedimento e de água subterrânea que foram analisadas para 36 e 76 elementos, respectivamente. A componente mineralógica e as fases suporte do As foram estudadas recorrendo à análise por difracção de raios X, microssonda electrónica e à aplicação da extracção química selectiva sequencial. A mobilização do As foi avaliada através da realização de ensaios de coluna e de agitação com hidrocarbonetos derivados do petróleo. No primeiro ensaio, a circulação de diferentes soluções com diferentes velocidades lineares no interior de colunas de vidro cheias de rocha moída, avaliou a presença de As associado a fases hidrossolúveis e biodisponíveis. No segundo, a agitação de rocha moída com água e hidrocarbonetos derivados do petróleo pretendeu avaliar o comportamento do As quando um aquífero apresenta uma contaminação com aquele tipo de hidrocarbonetos.

Tributyltin (TBT) resistance in Aeromonas molluscorum Av27

O tributilestanho (TBT) é considerado um dos xenobióticos mais tóxicos, produzidos e deliberadamente introduzidos no meio ambiente pelo Homem. Tem sido usado numa variedade de processos industriais e subsequentemente descarregado no meio ambiente. O tempo de meia-vida do TBT em águas marinhas é de várias semanas, mas em condições de anóxia nos sedimentos, pode ser de vários anos, devido à sua degradação mais lenta. Embora o TBT tenha sido descrito como sendo tóxico para eucariotas e procariotas, muitas bactérias podem ser resistentes a este composto. O presente trabalho teve como objetivo principal elucidar o mecanismo de resistência ao TBT em bactérias. Para além disso, pretendeu-se desenvolver um biorepórter para detectar TBT no ambiente. Para atingir estes objetivos foram delineadas várias tarefas cujos principais resultados obtidos se apresentam a seguir. Várias bactérias resistentes ao TBT foram isoladas de sedimento e água do Porto de Pesca Longínqua (PPL) na Ria de Aveiro, Portugal. Entre estas, Aeromonas molluscorum Av27 foi selecionada devido à sua elevada resistência a este composto (concentrações até 3 mM), à sua capacidade de degradar o TBT em compostos menos tóxicos (dibutilestanho, DBT e monobutilestanho, MBT) e também por usar o TBT como fonte de carbono. A. molluscorum Av27 foi caracterizada genotipica e fenotipicamente. Os fatores de virulência estudados mostraram que esta estirpe i) possui atividade lipolítica; ii) não é citotóxica para células de mamíferos, nomeadamente para células Vero; iii) não possui integrões de classe I e II e iv) possui cinco plasmídeos com aproximadamente 4 kb, 7 kb, 10 kb, 100 kb e mais de 100 kb. Estes resultados mostraram que a estirpe Av27 não é tóxica, aumentando assim o interesse nesta bactéria para futuras aplicações, nomeadamente na bioremediação. Os testes de toxicidade ao TBT mostraram que este composto tem um impacto negativo no crescimento desta estirpe, bem como, na densidade, no tamanho e na atividade metabólica das células e é responsável pela formação de agregados celulares. Assim, o TBT mostrou ser bastante tóxico para as bactérias interferindo com a atividade celular geral. O gene Av27-sugE, que codifica a proteína SugE pertencente à família das “small multidrug resistance proteins” (SMR), foi identificado como estando envolvido na resistência ao TBT nesta estirpe. Este gene mostrou ser sobreexpresso quando as células crescem na presença de TBT. O promotor do gene Av27-sugE foi utilizado para construir um bioreporter para detetar TBT, contendo o gene da luciferase do pirilampo como gene repórter. O biorepórter obtido reúne as características mais importantes de um bom biorepórter: sensibilidade (intervalo de limite de detecção de 1-1000 nM), rapidez (3 h são suficientes para a deteção de sinal) e, possivelmente, não é invasivo (pois foi construído numa bactéria ambiental). Usando sedimento recolhido no Porto de Pesca Longínqua da Ria de Aveiro, foi preparada uma experiência de microcosmos com o intuito de avaliar a capacidade de Av27 para bioremediar o TBT, isoladamente ou em associação com a comunidade bacteriana indígena. A análise das amostras de microcosmos por PCR-DGGE e de bibliotecas de 16S rDNA revelaram que a comunidade bacteriana é relativamente estável ao longo do tempo, mesmo quando Av27 é inoculada no sedimento. Para além disso, o sedimento estuarino demonstrou ser dominado por bactérias pertencentes ao filo Proteobacteria (sendo mais abundante as Delta e Gammaproteobacteria) e Bacteroidetes. Ainda, cerca de 13% dos clones bacterianos não revelaram nenhuma semelhança com qualquer dos filos já definidos e quase 100% afiliou com bactérias não cultiváveis do sedimento. No momento da conclusão desta tese, os resultados da análise química de compostos organoestânicos não estavam disponíveis, e por essa razão não foi possível tirar quaisquer conclusões sobre a capacidade desta bactéria remediar o TBT em sedimentos. Esses resultados irão ajudar a esclarecer o papel de A. molluscorum Av27 na remediação de TBT. Recentemente, a capacidade da estirpe Av27 remediar solo contaminado com TBT foi confirmada em bioensaios realizados com plantas, Brassica rapa e Triticum aestivum (Silva 2011a), e também com invertebrados Porcellionides pruinosus (Silva 2011B). Assim, poder-se-á esperar que a bioremediação do sedimento na experiência de microcosmos também tenha ocorrido. No entanto, só a análise química dos compostos organostânicos deverá ser conclusiva. Devido à dificuldade em realizar a análise analítica de organoestânicos, um método de bioensaio fácil, rápido e barato foi adaptado para avaliar a toxicidade do TBT em laboratório, antes de se proceder à análise química das amostras. O método provou a sua utilidade, embora tenha mostrado pouca sensibilidade quando se usam concentrações de TBT baixas. Em geral, os resultados obtidos contribuíram para um melhor entendimento do mecanismo de resistência ao TBT em bactérias e mostraram o potencial biotecnológico de A. molluscorum Av27, nomeadamente, no que refere à sua possível aplicação na descontaminação de TBT no ambiente e também no desenvolvimento de biorepórteres.

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.

Metais em águas e sedimentos da plataforma dos Açores

A presente tese tem por objetivo principal contribuir para o conhecimento da geoquímica sedimentar da zona oceânica da crista da Terceira e montanhas submarinas a sul (região entre 29-39ºN e 27-32ºW), integrando também a caraterização dos metais e nutrientes na coluna de água e propondo concentrações para servirem de referência nesta região do Atlântico Central. Para o efeito foram realizadas amostragens na coluna de água em sete locais e de sedimento em cinco locais, durante a campanha oceanográfica designada por EMEPC/AÇORES/G3/2007 a bordo do navio SV Kommandor Jack, no âmbito do projeto da Estrutura de Missão para a Extensão da Plataforma Continental (EMEPC). Os perfis de CTD da coluna de água na região estudada revelam a presença de massas de água distintas: a Western North Atlantic Central Water (WNACW), a Eastern North Atlantic Central Water tropical (ENACWt), a Eastern North Atlantic Central Water polar (ENACWp), a Mediterranean Overflow Water (MOW), a Deep Mediterranean Water (DMW) e a North Eastern Atlantic Deep Water (NEADW). Observou-se nos perfis de temperatura e salinidade, referentes aos primeiros 200 m da coluna de água, um gradiente meridional negativo entre as estações localizadas na crista da Terceira e as estações localizadas mais a sul. Observou-se nas águas superficiais valores de oxigénio dissolvido de 93% e de pH de 8,1, assim como que as concentrações dos nutrientes NOx, PO4 e SiO2 variam de acordo com a atividade biológica, tendo-se registado concentrações medianas mais baixas, respetivamente de 6,5, 0,23 e 1,3 mol L-1, que aumentam com a profundidade devido à ausência de produção primária (respetivamente 31, 1,4 e 22 mol L-1). As concentrações de NH4 e de SO4 não variam significativamente nas massas de água, sendo os valores medianos mínimos e máximos de 0,69 a 0,79 mol L-1 para o NH4 e de 30 a 32 mol L-1 para o SO4. São propostas concentrações de referência para as massas de água, para os elementos cobre, cádmio, chumbo e arsénio. Os perfis de sedimento analisados permitem distinguir os sedimentos na crista da Terceira (core A) dos restantes (cores B a E). A grande variabilidade textural encontrada no core A, que contrasta com os outros cores analisados, deve-se a importantes contribuições terrígenas, originadas pela erosão sub-aérea e pela atividade vulcânica das ilhas próximas. iv resumo (continuação) A análise mineralógica, efetuada à fração areia e à fração fina (< 63 μm), confirma que os sedimentos do core A derivam de rochas vulcânicas formadas maioritariamente por piroxenas, olivinas, anfíbolas, biotite, alterites e ainda calcite, plagióclase e magnetite, tendo-se identificado ao microscópio a glauconite e o vidro vulcânico. De acordo com a composição química destes minerais o core A apresenta valores mais elevados de Al, Fe, K, P, Mg, Si, Na, Zn, V, Cr e Mn relativamente aos cores B a E. Os cores B a E apresentam grandes quantidades de calcite (>80%) formada maioritariamente por foraminíferos e nanoplâncton calcário (cocolitóforos). A fração areia confirma a composição maioritariamente carbonatada com grande abundância de material biogénico formado por oozes de foraminíferos (planctónicos e bentónicos) com raras espículas de espongiários e restos de conchas. Os cores B a E apresentam valores muito mais elevados que o core A para os elementos Ca e Sr. Os resultados para o Al, Fe, K, P, Si, Na, As, Cu, Ni, Zn, V, Cr, Li, Pb, Cd e Co presentes nos locais B, C, D e E sugerem que estes cores são comparáveis aos sedimentos de fundo carbonatados. Propõe-se concentrações de referência para a região do Atlântico compreendida entre 29-39ºN e 27-32ºW considerando a primeira camada colhida em cada core. Para o core A as concentrações são normalizadas a 5% de Al e CaCO3, enquanto que para os cores B a E são normalizadas a 2% de Al e CaCO3. Assim as concentrações de referência para o core A são: As – 18 mg kg-1, Cr – 91 mg kg-1, Cu – 127 mg kg-1, Ni – 84 mg kg-1, Pb – 41 mg kg-1, Hg – 41 ng g-1 e Zn – 482 mg kg-1. Para os cores B a E as concentrações de referência são: As – 3 mg kg-1, Cr – 10 mg kg-1, Cu – 36 mg kg-1 Ni – 12 mg kg -1, Hg – 3 ng g-1 e Zn – 20 mg kg-1. Para os restantes metais as concentrações de referência para o core A são: Al – 9%, Si – 25%, Fe – 6%, Ca – 13%, K – 2%, Mg – 2%, Na – 3%, P – 0,4%, Sr – 900 mg kg-1, Li – 10 mg kg-1, Mn – 1200 mg kg-1, Ba – 700 mg kg-1 e V – 140 mg kg-1. Para os cores B a E as concentrações de referência são: Al – 0,9%, Si – 2%, Fe – 0,2%, Ca – 95%, K – 0,3%, Mg – 0,4%, Na – 0,3%, P – 0,04%, Sr – 2600 mg kg-1, Li – 5 mg kg-1, Mn – 240 mg kg-1, Ba – 345 mg kg-1, Co – 2 mg kg-1 e V – 6 mg kg-1. Os resultados da presente tese constituem um contributo para a caraterização geoquímica da região e podem servir de referência à monitorização futura do mar dos Açores e montes submarinos a sul.

Metais em plantas e algas : acumulação e potencial aplicação em processos de remediação

The present work reports the study of the bioaccumulation of potentially toxic elements (cadmium, lead and mercury) by marine macroalgae (Ulva lactuca, Fucus vesiculosus and Gracilaria gracilis), abundant in the coast and estuarine systems worldwide. These organisms proved to be capable of withstanding moderate multi-metallic contamination (environmentally relevant concentrations), incorporating high amounts of metal in their tissues. The high removal percentages achieved, in particular for mercury (99%), demonstrate the potential of these algae as a basis for a new biotechnological treatment of saline waters contaminated with metals (more efficient, cost-effective and environmentally friendly than conventional methods). U. lactuca was considered the most promising due to the better performance presented. The comparison between the bioaccumulation and biosorption processes suggested that in some cases the use of the living organism will have advantages over the application of biomass, due to the simplicity of the overall process, and the lower residual concentration of metal achieved in the solution (especially for Cd). The transfer and accumulation of Hg by terrestrial plants (Brassica juncea and Lolium perenne) in agricultural fields near a contaminated industrial area was also studied. Despite the low bioaccumulation factors found (<1), there were high Hg content in plants (up to 84 mg kg-1 in roots and up 6.9 mg kg-1 in shoots, dry weight). Daily intake estimates for grazing animals (cows and sheep) pointed to the potential risk to human health derived from consumption of their meat. The results highlighted the important role that plants and algae may have in protection, risk assessment and remediation of environmental systems contaminated with metals.

Salt removing species

Dissertação de Mestrado, Gestão da Água e da Costa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2007

Nanoporous carbons from sisal residues and their application in hybrid TiO2/carbon photocatalysts for the removal and degradation of phenol in solution

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

Sources and transport of surface sediment and metals in B.C. fjord, Tahsis Inlet

Senior thesis written for Oceanography 445

Modular Form as a Curatorial Practice

This article discusses a curatorial approach to authorship as a model for thinking about what I describe as an iterative modular poem, a poetic text composed of appropriated segments. As a response to contemporary proliferation of literary and artistic works created by iterative means, i.e. through acts of appropriation, remixing and remediation, the article is an attempt at putting forward ‘the curatorial’ as an emerging paradigm of writing for the twenty-first century. The article approaches established paradigms of authorship, creativity and originality as inadequate with respect to contemporary experimental poetic practices to suggest a shift from creating to collecting and curating as a possible alternative model for thinking about instances of iterative creative writing. The argument focuses on Robert Fitterman’s Holocaust Museum (2011) as an example of an iterative modular poem and a text emblematic of such curatorial approach to authorship.

Biocomplementation of SVE to achieve clean-up goals in soils contaminated with toluene and xylene

Soil vapor extraction (SVE) and bioremediation (BR) are two of the most common soil remediation technologies. Their application is widespread; however, both present limitations, namely related to the efficiencies of SVE on organic soils and to the remediation times of some BR processes. This work aimed to study the combination of these two technologies in order to verify the achievement of the legal clean-up goals in soil remediation projects involving seven different simulated soils separately contaminated with toluene and xylene. The remediations consisted of the application of SVE followed by biostimulation. The results show that the combination of these two technologies is effective and manages to achieve the clean-up goals imposed by the Spanish Legislation. Under the experimental conditions used in this work, SVE is sufficient for the remediation of soils, contaminated separately with toluene and xylene, with organic matter contents (OMC) below 4 %. In soils with higher OMC, the use of BR, as a complementary technology, and when the concentration of contaminant in the gas phase of the soil reaches values near 1 mg/L, allows the achievement of the clean-up goals. The OMC was a key parameter because it hindered SVE due to adsorption phenomena but enhanced the BR process because it acted as a microorganism and nutrient source.