Weiterentwicklung einer GC/AFD-Methode zur Bestimmung von Methylquecksilberverbindungen in der Umwelt und deren Anwendung in anthropogen beeinflussten und unbeeinflussten Regionen

Zusammenfassung Quecksilber kommt in der Natur in seinen vier umweltrelevanten Spezies Hg0, Hg2+, Me2Hg, MeHg+ vor. Die methylierten Spezies wurden dabei in der Vergangenheit aufgrund ihres relativ geringen Anteils am Gesamtquecksilber oft vernachlässigt. Me2Hg und MeHg+ spielen aber eine wichtige Rolle als intermediäre Transportspezies im Quecksilberkreislauf, und eine richtige Analytik dieser Verbindungen ist daher notwendig. Die GC/AFD-Methode (Gaschromatographie/Atomfluoreszenzdetektion) in Verbindung mit einem Purge&Trap-Probenaufgabesystem ermöglicht eine nachweisstarke Analytik dieser Verbindungen in Umweltproben. Dabei müssen die ionischen Quecksilberverbindungen MeHg+ und Hg2+ derivatisiert werden, um sie einer gaschromatographischen Trennung zugänglich zu machen.Das bestehende Verfahren wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe einer alternativen Derivatisierungsmethode verbessert. Das optimierte Verfahren erlaubt auch eine Analyse von MeHg+-Gehalten in Proben mit hoher Chloridbelastung. Solche Proben konnten mit der herkömmlichen Ethylierung als Derivatisierungsmethode nicht analysiert werden, da während der Derivatisierung eine Umwandlung des MeHg+ zu Hg0 auftritt. Bei der Propylierung findet keine solche Transformation statt und sie ist daher eine hervorragende Ergänzung der bestehenden Methode.Die GC/AFD-Methode wurde zur Quecksilberspeziation in der Antarktis als Beispiel für ein anthropogen unbeeinflusstes Gebiet verwendet. Dabei konnten methylierte Quecksilberverbindungen im Meerwasser, in der Atmosphäre und erstmals im antarktischen Schnee nachgewiesen werden und somit die bedeutende Rolle der methylierten Quecksilberspezies am biogeochemischen Stoffkreislauf des Quecksilbers in dieser Region gezeigt werden. Vergleiche mit einer kontinentalen Region zeigten, dass dort MeHg+ und Me2Hg wesentlich weniger produziert bzw. schneller abgebaut werden.

Charakterisierung der Vinorin-Synthase aus Rauvolfia serpentina durch Reinigung, Expression, Mutation und Kristallisation

ABSTRACTDie vorliegende Arbeit befasste sich mit der Reinigung,heterologen Expression, Charakterisierung, molekularenAnalyse, Mutation und Kristallisation des EnzymsVinorin-Synthase. Das Enzym spielt eine wichtige Rolle inder Ajmalin-Biosynthese, da es in einerAcetyl-CoA-abhängigen Reaktion die Umwandlung desSarpagan-Alkaloids 16-epi-Vellosimin zu Vinorin unterBildung des Ajmalan-Grundgerüstes katalysiert. Nach der Reinigung der Vinorin-Synthase ausHybrid-Zellkulturen von Rauvolfia serpentina/Rhazya strictamit den fünf chromatographischen TrennmethodenAnionenaustauschchromatographie an SOURCE 30Q, HydrophobeInteraktionen Chromatographie an SOURCE 15PHE,Chromatographie an MacroPrep Ceramic Hydroxyapatit,Anionenaustauschchromatographie an Mono Q undGrößenausschlußchromatographie an Superdex 75 konnte dieVinorin-Synthase aus 2 kg Zellkulturgewebe 991fachangereichert werden.Das nach der Reinigung angefertigte SDS-Gel ermöglichte eineklare Zuordnung der Protein-Bande als Vinorin-Synthase.Der Verdau der Enzymbande mit der Endoproteinase LysC unddie darauffolgende Sequenzierung der Spaltpeptide führte zuvier Peptidsequenzen. Der Datenbankvergleich (SwissProt)zeigte keinerlei Homologien zu Sequenzen bekannterPflanzenenzyme. Mit degenerierten Primern, abgeleitet voneinem der erhaltenen Peptidfragmente und einer konserviertenRegion bekannter Acetyltransferasen gelang es, ein erstescDNA-Fragment der Vinorin-Synthase zu amplifizieren. Mit derMethode der RACE-PCR wurde die Nukleoidsequenzvervollständigt, was zu einem cDNA-Vollängenklon mit einerGröße von 1263 bp führte, der für ein Protein mit 421Aminosäuren (46 kDa) codiert.Das Vinorin-Synthase-Gen wurde in den pQE2-Expressionsvektorligiert, der für einen N-terminalen 6-fachen His-tagcodiert. Anschließend wurde sie erstmals erfolgreich in E.coli im mg-Maßstab exprimiert und bis zur Homogenitätgereinigt. Durch die erfolgreiche Überexpression konnte dieVinorin-Synthase eingehend charakterisiert werden. DerKM-Wert für das Substrat Gardneral wurde mit 20 µM, bzw.41.2 µM bestimmt und Vmax betrug 1 pkat, bzw. 1.71 pkat.Nach erfolgreicher Abspaltung des His-tags wurden diekinetischen Parameter erneut bestimmt (KM- Wert 7.5 µM, bzw.27.52 µM, Vmax 0.7 pkat, bzw. 1.21 pkat). Das Co-Substratzeigt einen KM- Wert von 60.5 µM (Vmax 0.6 pkat). DieVinorin-Synthase besitzt ein Temperatur-Optimum von 35 °Cund ein pH-Optimum bei 7.8.Homologievergleiche mit anderen Enzymen zeigten, dass dieVinorin-Synthase zu einer noch kleinen Familie von bisher 10Acetyltransferasen gehört. Alle Enzyme der Familie haben einHxxxD und ein DFGWG-Motiv zu 100 % konserviert. Basierendauf diesen Homologievergleichen und Inhibitorstudien wurden11 in dieser Proteinfamilie konservierte Aminosäuren gegenAlanin ausgetauscht, um so die Aminosäuren einer in derLiteratur postulierten katalytischen Triade(Ser/Cys-His-Asp) zu identifizieren.Die Mutation aller vorhandenen konservierten Serine undCysteine resultierte in keiner Mutante, die zumvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms führte. Nur dieMutationen H160A und D164A resultierten in einemvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms. Dieses Ergebniswiderlegt die Theorie einer katalytischen Triade und zeigte,dass die Aminosäuren H160A und D164A exklusiv an derkatalytischen Reaktion beteiligt sind.Zur Überprüfung dieser Ergebnisse und zur vollständigenAufklärung des Reaktionsmechanismus wurde dieVinorin-Synthase kristallisiert. Die bis jetzt erhaltenenKristalle (Kristallgröße in µm x: 150, y: 200, z: 200)gehören der Raumgruppe P212121 (orthorhombisch primitiv) anund beugen bis 3.3 Å. Da es bis jetzt keine Kristallstruktureines zur Vinorin-Synthase homologen Proteins gibt, konntedie Struktur noch nicht vollständig aufgeklärt werden. ZurLösung des Phasenproblems wird mit der Methode der multiplenanomalen Dispersion (MAD) jetzt versucht, die ersteKristallstruktur in dieser Enzymfamilie aufzuklären.

Untersuchungen zur mikrobiellen Methylquecksilberbildung in Termiten und im Faulschlamm

Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine in vivo Methylierung von Quecksilber in Insekten nachgewiesen. Des Weiteren wurde die Kinetik der Quecksilbermethylierung im Faulschlamm untersucht und eine Identifizierung der für die Methylierung verantwortlichen Bakteriengruppe durchgeführt. Die Methylquecksilberbestimmung erfolgte mittels Purge&Trap Gaschromatographie-Atomfluoreszenzspektrometrie nach einer sauren Phasenextraktion. Zur Untersuchung einer in vivo Methylquecksilberbildung in Insekten wurde die australischen Termite Mastotermes darwiniensis als Modellorganismus verwandt. Den Tieren wurde über einen Zeitraum von vierzehn Tagen Quecksilber(II)chlorid in unterschiedlichen Konzentrationen mit der Nahrung zugeführt und anschließend die Methylquecksilberkonzentration in den Termiten bestimmt. Mit zunehmender Quecksilberkonzentration in der Nahrung (0 µg bis 150 µg Hg2+/g) stieg die Methylquecksilberkonzentration von ca. 5 ng auf 53,8 ng pro g Termite Trockengewicht. Bei höheren Quecksilberkonzentrationen in der Nahrung wurde kein weiterer Anstieg in der Methylquecksilberkonzentration in den Termiten festgestellt. Die Untersuchung der Methylquecksilberbildung im Faulschlamm des Klärwerks Mainz-Mombach zeigte, dass die Methylquecksilberkonzentration zu Beginn der Inkubationsphase rasch anstieg und mit zunehmender Inkubationsdauer eine Sätti-gung erreichte. Nach 164 Stunden waren insgesamt 2,6 % des eingesetzten Quecksilbers zu Methylquecksilber umgesetzt. Anhand von Hemmstoffversuchen wurden Sulfat-reduzierende Bakterien als hauptverantwortliche Organismengruppe für die Quecksilbermethylierung identifiziert.

Untersuchungen zur biotischen Bildung von Methylquecksilber aus anorganischem Quecksilber durch intestinale Sulfat-reduzierende Bakterien und die Bestimmung alkylierter Quecksilberverbindungen mittels GC-ICP-MS und Isotopenverdünnungsanalyse

Alkylierte Quecksilberspezies sind hundertfach toxischer als anorganisches Quecksilber (Hg) und werden in der Nahrungskette mit zunehmender Trophieebene im Gewebe von Tieren und dem Menschen akkumuliert. Aufgrund der Relevanz für die Umwelt und den Effekt auf die menschliche Gesundheit kommt der biotischen Transformation von anorganischem Hg zu Monomethylquecksilber (MeHg) eine große Bedeutung zu. Es ist bekannt, dass Sulfat-reduzierende Bakterien zu den Hauptproduzenten von MeHg gehören. Darüber hinaus gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen über die biologischen Mechanismen und die Zusammenhänge in terrestrischen und insbesondere in intestinalen Systemen. Die vorliegende Arbeit leistet daher einen wichtigen Beitrag zur Abschätzung des Potentials zur Hg-Methylierung durch intestinale Bakterien und vertieft die Kenntnisse zu der damit verbundenen Akkumulation der organischen Schwermetallverbindung im Gewebe des Kompostwurms Eisenia foetida (E. foetida). rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals unter Anwendung der Gas Chromatographie mit induktiv gekoppelter Massenspektrometrie (GC-ICP-MS) und Isotopenverdünnungsanalyse verschiedene Kulturen intestinaler Sulfat-reduzierender Bakterien auf die Bildung von organischem Monomethylquecksilber aus Hg(II) untersucht. Da in komplexen bakteriellen Nährlösungen mit hohem Sulfidgehalt Matrixeffekte auftreten und die Analyse von MeHg im Ultraspurenbereich erschweren können, erfolgte die Probenvorbereitung mittels der Methanol-Kaliumhydroxid-Extraktion unter Verwendung eines Maskierungsreagenzes und der Derivatisierung mit Natriumtetrapropylborat. Das Detektionslimit für MeHg in bakteriellen Nährlösungen betrug 0,03 ng/mL. Die Wiederfindung von zertifiziertem Referenzmaterial ERM® CE-464 Tuna Fish war sehr gut und lag in einem Bereich zwischen 98 – 105%. rnDie Resultate der Untersuchung von 14 verschiedenen Rein- und Anreicherungskulturen Sulfat-reduzierender Bakterien zeigten, dass neun Kulturen innerhalb von 12 h nach einer Inkubation mit 0,1 mg/L Hg2+ im Durchschnitt 100 bis 1200 pg/mL MeHg produzierten. Darunter waren zwei Desulfovibrio sp. Stämme, die Spezies Desulfovibrio piger, Desulfovibrio giganteus, Desulfovibrio termitidis, Desulfotomaculum ruminis, Desulfobulbus propionicus sowie Anreicherungskulturen aus dem Intestinaltrakt einer Zygoptera-Larve Zy1 und E. foetida EF4. Die Fähigkeit zur Hg-Methylierung durch eine Spezies der Ordnung Desulfotomaculum aus der Gruppe der Gram-positiven Firmicutes wurde hiermit erstmals beobachtet.rnWeiterhin wurde gezeigt, dass im Intestinaltrakt von E. foetida im Gegensatz zu mikrobiellen Bodenproben eine signifikante biotische Methylierung von Hg(II) durchgeführt wird. Dass diese Transformationen in hohem Maße von der intestinalen Region ausgeht und somit zur Akkumulation von MeHg im Gewebe beiträgt, konnte durch weiterführende Experimente mittels Laserablations-ICP-MS an histologischen Gefrierschnitten des Invertebraten darge-stellt werden. rn

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.

Characterization of the stable L-arginine-derived relaxing factor released from cytokine-stimulated vascular smooth muscle cells as an NG-hydroxyl-L-arginine-nitric oxide adduct.

The nature of an L-arginine-derived relaxing factor released from vascular smooth muscle cells cultured on microcarrier beads and stimulated for 20 h with interleukin 1 beta was investigated. Unlike the unstable relaxation elicited by authentic nitric oxide (NO) in a cascade superfusion bioassay system, the effluate from vascular smooth muscle cells induced a stable relaxation that was susceptible to inhibition by oxyhemoglobin. Three putative endogenous NO carriers mimicked this stable relaxing effect: S-nitroso-L-cysteine, low molecular weight dinitrosyl-iron complexes (DNICs), and the adduct of NG-hydroxy-L-arginine (HOArg) with NO. Inactivation of S-nitroso-L-cysteine by Hg2+ ions or trapping of DNICs with agarose-bound bovine serum albumin abolished their relaxing effects, whereas that of the vascular smooth muscle cell effluate remained unaffected. In addition, neither S-nitrosothiols nor DNICs were detectable in the effluate from these cells, as judged by UV and electron spin resonance (ESR) spectroscopy. The HOArg-NO adduct was instantaneously generated upon reaction of HOArg with authentic NO under bioassay conditions. Its pharmacological profile was indistinguishable from that of the vascular smooth muscle cell effluate, as judged by comparative bioassay with different vascular and nonvascular smooth muscle preparations. Moreover, up to 100 nM HOArg was detected in the effluate from interleukin 1 beta-stimulated vascular smooth muscle cells, suggesting that sufficient amounts of HOArg are released from these cells to spontaneously generate the HOArg-NO adduct. This intercellular NO carrier probably accounts for the stable L-arginine-derived relaxing factor released from cytokine-stimulated vascular smooth muscle cells and also from other NO-producing cells, such as macrophages and neutrophils.

Ultrastructure, aggregation-state, and crystal growth of biogenic nanocrystalline sphalerite and wurtzite

In this study, we investigated the size, submicrometer-scale structure, and aggregation state of ZnS formed by sulfate-reducing bacteria (SRB) in a SRB-dominated biofilm growing on degraded wood in cold (Tsimilar to8degreesC), circumneutral-pH (7.2-8.5) waters draining from an abandoned, carbonate-hosted Pb-Zn mine. High-resolution transmission electron microscope (HRTEM) data reveal that the earliest biologically induced precipitates are crystalline ZnS nanoparticles 1-5 nm in diameter. Although most nanocrystals have the sphalerite structure, nanocrystals of wurtzite are also present, consistent with a predicted size dependence for ZnS phase stability. Nearly all the nanocrystals are concentrated into 1-5 mum diameter spheroidal aggregates that display concentric banding patterns indicative of episodic precipitation and flocculation. Abundant disordered stacking sequences and faceted, porous crystal-aggregate morphologies are consistent with aggregation-driven growth of ZnS nanocrystals prior to and/or during spheroid formation. Spheroids are typically coated by organic polymers or associated with microbial cellular surfaces, and are concentrated roughly into layers within the biofilm. Size, shape, structure, degree of crystallinity, and polymer associations will all impact ZnS solubility, aggregation and coarsening behavior, transport in groundwater, and potential for deposition by sedimentation. Results presented here reveal nanometer- to micrometer-scale attributes of biologically induced ZnS formation likely to be relevant to sequestration via bacterial sulfate reduction (BSR) of other potential contaminant metal(loid)s, such as Pb2+, Cd2+, As3+ and Hg2+, into metal sulfides. The results highlight the importance of basic mineralogical information for accurate prediction and monitoring of long-term contaminant metal mobility and bioavailability in natural and constructed bioremediation systems. Our observations also provoke interesting questions regarding the role of size-dependent phase stability in biomineralization and provide new insights into the origin of submicrometer- to millimeter-scale petrographic features observed in low-temperature sedimentary sulfide ore deposits.

Genotoxicity of inorganic mercury salts based on disturbed microtubule function

This study investigated the hypothesis that the chromosomal genotoxicity of inorganic mercury results from interaction(s) with cytoskeletal proteins. Effects of Hg2+ salts on functional activities of tubulin and kinesin were investigated by determining tubulin assembly and kinesin-driven motility in cell-free systems. Hg2+ inhibits microtubule assembly at concentrations above 1 muM, and inhibition is complete at about 10 muM. In this range, the tubulin assembly is fully ( up to 6 muM) or partially (similar to 6 - 10 muM) reversible. The inhibition of tubulin assembly by mercury is independent of the anion, chloride or nitrate. The no-observed-effect-concentration for inhibition of microtubule assembly in vitro was 1 muM Hg2+, the IC50 5.8 muM. Mercury(II) salts at the IC50 concentrations partly inhibiting tubulin assembly did not cause the formation of aberrant microtubule structures. Effects of mercury salts on the functionality of the microtubule motility apparatus were studied with the motor protein kinesin. By using a gliding assay'' mimicking intracellular movement and transport processes in vitro, HgCl2 affected the gliding velocity of paclitaxel-stabilised microtubules in a clear dose-dependent manner. An apparent effect is detected at a concentration of 0.1 muM and a complete inhibition is reached at 1 muM. Cytotoxicity of mercury chloride was studied in V79 cells using neutral red uptake, showing an influence above 17 muM HgCl2. Between 15 and 20 muM HgCl2 there was a steep increase in cell toxicity. Both mercury chloride and mercury nitrate induced micronuclei concentration-dependently, starting at concentrations above 0.01 muM. CREST analyses on micronuclei formation in V79 cells demonstrated both clastogenic (CREST-negative) and aneugenic effects of Hg2+, with some preponderance of aneugenicity. A morphological effect of high Hg2+ concentrations ( 100 muM HgCl2) on the microtubule cytoskeleton was verified in V79 cells by immuno-fluorescence staining. The overall data are consistent with the concept that the chromosomal genotoxicity could be due to interaction of Hg2+ with the motor protein kinesin mediating cellular transport processes. Interactions of Hg2+ with the tubulin shown by in vitro investigations could also partly influence intracellular microtubule functions leading, together with the effects on the kinesin, to an impaired chromosome distribution as shown by the micronucleus test.

Cobalt complexes of tripodal hexadentate ligands: Electrochemically driven rearrangements

The Co-III complexes of the hexadentate tripodal ligands HOsen (3-(2'-aminoethylamino)-2,2-bis((2 ''-aminoethylamino) methyl) propan-1-ol) and HOten (3-(2'-aminoethylthia)-2,2-bis((2 ''-aminoethylthia) methyl) propan-1-ol) have been synthesized and fully characterized. The crystal structures of [Co(HOsen)]Cl-3 center dot H2O and [Co(HOten)](ClO4)Cl-2 are reported and in both cases the ligands coordinate as tripodal hexadentate N-6 and N3S3 donors, respectively. Cyclic voltammetry of the N3S3 coordinated complex [Co(HOten)](3+) is complicated and electrode dependent. On a Pt working electrode an irreversible Co-III/II couple ( formal potential - 157 mV versus Ag-AgCl) is seen, which is indicative of dissociation of the divalent complex formed at the electrode. The free HOten released by the dissociation of [Co(HOten)](2+) can be recaptured by Hg as shown by cyclic voltammetry experiments on a static Hg drop electrode ( or in the presence of Hg2+ ions), which leads to the formation of an electroactive Hg-II complex of the N3S3 ligand (formal potential + 60 mV versus Ag-AgCl). This behaviour is in contrast to the facile and totally reversible voltammetry of the hexaamine complex [Co(HOsen)](3+) ( formal potential (Co-III/II) - 519 mV versus Ag-AgCl), which is uncomplicated by any coupled chemical reactions. Akinetic and thermodynamic analysis of the [Co(HOten)](2+)/[Hg(HOten)](2+) system is presented on the basis of digital simulation of the experimental voltammetric data.

System-on-a-Chip (SOC) based environmental monitoring platform for the detection of hazardous materials

The purpose of this research is design considerations for environmental monitoring platforms for the detection of hazardous materials using System-on-a-Chip (SoC) design. Design considerations focus on improving key areas such as: (1) sampling methodology; (2) context awareness; and (3) sensor placement. These design considerations for environmental monitoring platforms using wireless sensor networks (WSN) is applied to the detection of methylmercury (MeHg) and environmental parameters affecting its formation (methylation) and deformation (demethylation). ^ The sampling methodology investigates a proof-of-concept for the monitoring of MeHg using three primary components: (1) chemical derivatization; (2) preconcentration using the purge-and-trap (P&T) method; and (3) sensing using Quartz Crystal Microbalance (QCM) sensors. This study focuses on the measurement of inorganic mercury (Hg) (e.g., Hg2+) and applies lessons learned to organic Hg (e.g., MeHg) detection. ^ Context awareness of a WSN and sampling strategies is enhanced by using spatial analysis techniques, namely geostatistical analysis (i.e., classical variography and ordinary point kriging), to help predict the phenomena of interest in unmonitored locations (i.e., locations without sensors). This aids in making more informed decisions on control of the WSN (e.g., communications strategy, power management, resource allocation, sampling rate and strategy, etc.). This methodology improves the precision of controllability by adding potentially significant information of unmonitored locations.^ There are two types of sensors that are investigated in this study for near-optimal placement in a WSN: (1) environmental (e.g., humidity, moisture, temperature, etc.) and (2) visual (e.g., camera) sensors. The near-optimal placement of environmental sensors is found utilizing a strategy which minimizes the variance of spatial analysis based on randomly chosen points representing the sensor locations. Spatial analysis is employed using geostatistical analysis and optimization occurs with Monte Carlo analysis. Visual sensor placement is accomplished for omnidirectional cameras operating in a WSN using an optimal placement metric (OPM) which is calculated for each grid point based on line-of-site (LOS) in a defined number of directions where known obstacles are taken into consideration. Optimal areas of camera placement are determined based on areas generating the largest OPMs. Statistical analysis is examined by using Monte Carlo analysis with varying number of obstacles and cameras in a defined space. ^

METAMATERIAL DEVICE AND USES THEREOF

The present invention relates to a logic gate, comprising a metamaterial surface enhanced Raman scattering (MetaSERS) sensor, comprising (a) alphabetical metamaterials in the form of split ring resonators operating in the wavelength range of from 560 to 2200 nm; and (b) a guanine (G) and thymine (T)-rich oligonucleotide that can, upon presence of potassium cations (K+), fold into a G-quadruplex structure, and in presence of Hg2+, form a T-Hg2+-T hairpin complex that inhibits or disrupts the G-quadruplex structure formed in presence of K+, as well as methods of operating and using such a logic gate.

Síntese de compostos multiporfirínicos covalentes

Nesta tese descreve-se a síntese de compostos multiporfirínicos covalentes bem como a avaliação da potencial utilização destes compostos como quimiossensores de iões metálicos e para a construção de estruturas supramoleculares com fulerenos. No capítulo 1 desta tese é feita uma introdução à química, propriedades e aplicações das porfirinas e sistemas multiporfirínicos. Relativamente aos sistemas multiporfirínicos é feita uma revisão bibliográfica acerca das estratégias de síntese e abordagem geral à química supramolecular de sistemas porfirina-fulereno. No capítulo 2 são apresentados os resultados referentes à síntese e caracterização dos vários sistemas multiporfirínicos desenvolvidos neste trabalho. De um modo geral, a síntese desses compostos envolveu reações de substituição aromática nucleofílica. Para esse efeito foi necessário preparar porfirinas de partida contendo grupos nucleofílicos nas posições meso (-C6H4OH e -C6H4NH2). Os sistemas multiporfirínicos foram obtidos por reações entre as porfirinas de partida e hexafluorobenzeno ou 5,10,15,20tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Descreve-se também a síntese de uma díade porfirina-C60 e de uma pentíade contendo quatro unidades de porfirina e uma de C60, envolvendo reações de cicloadição 1,3-dipolar e de substituição aromática nucleofílica. Os estudos efetuados ao nível da aplicação de alguns dos novos sistemas multiporfirínicos sintetizados e de um dos seus precursores, a 5-[4(pentafluorofeniloxi)fenil]-10,15,20-trifenilporfirina, como sensores de iões metálicos encontram-se descritos no capítulo 3. Neste capítulo, a título introdutório, é feita uma breve abordagem aos quimiossensores colorimétricos e de fluorescência, apresentando também alguns exemplos de porfirinas como quimiossensores de iões metálicos já descritos na literatura científica. A caracterização fotofísica dos compostos em estudo também é descrita neste capítulo. Os compostos estudados mostraram capacidade de interagir com vários iões metálicos, verificando-se um aumento da seletividade para o ião Hg2+ com o aumento do número de unidades porfirínicas constituintes dos sistemas multiporfirínicos. Os resultados referentes aos estudos de complexação de alguns dos sistemas multiporfirínicos sintetizados com fulerenos encontram-se descritos no capítulo 4. Neste capítulo descreve-se também a caracterização fotofísica dos compostos em estudo. Os estudos realizados com os sistemas multiporfirínicos mostraram uma fraca interação com os fulerenos C60 e C70. No entanto, os valores das constantes de afinidade obtidos com 1-metil-2-(4piridil)[60]fulero[c]pirrolidina mostraram que os sistemas multiporfirínicos apresentam capacidade para formar complexos com este derivado de C60 por coordenação axial e por interações π-π. No capítulo 5 é discutido o trabalho que envolveu o desenvolvimento de novos métodos na síntese de derivados tetrapirrólicos do tipo pirrolo[3,4-b]porfirinas contendo um grupo NH livre no anel exocíclico. A estratégia de síntese requereu a preparação de uma clorina fundida com um anel pirrolina seguida da redução do anel pirrolina. Deste modo obteve-se uma nova clorina fundida com um anel pirrolidina contendo um grupo NH livre. Esta nova clorina foi usada na preparação de uma díade clorina-porfirina por reação de N-arilação com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. A estrutura cristalina da nova díade foi resolvida por difração de raios-X de cristal único. A estrutura dos compostos sintetizados foi estabelecida recorrendo a diversas técnicas espectroscópicas nomeadamente ressonância magnética nuclear (RMN de 1H, 13C e 19F), espectrometria de massa e espectrofotometria de UVvis. No último capítulo desta tese descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efetuadas, incluindo os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados bem como as medições espectrofotométricas e espectrofluorimétricas.

Desenvolvimento de método para determinação de espécies de mercúrio empregando MSPD e GC-MS

Neste trabalho é proposto pela primeira vez, o desenvolvimento e validação de um método analítico baseado no emprego da dispersão da matriz em fase sólida (MSPD) modificada, para extração das espécies CH3Hg+ e Hg2+ em amostras de peixe e determinação por cromatografia em fase gasosa acoplada à espectrometria de massas (GC-MS). O método de extração utilizando a MSPD combina o rompimento da estrutura física da amostra, através da maceração e do uso de SiO2 como suporte sólido, com o método da extração ácida, utilizando uma solução de HCl 4,2 mol L-1 e NaCl 0,5 mol L-1. Para otimização da MSPD, foram avaliados parâmetros como massa de amostra, massa de suporte sólido, concentração de HCl, concentração de NaCl, tipo de suporte sólido e o tempo de agitação, com auxílio da metodologia de superfície de resposta. Além disso, a etapa de derivatização e a separação cromatográfica também foram otimizadas na determinação de CH3Hg+ e Hg2+ por GC-MS. O método mostrouse adequado para extração e determinação de espécies de mercúrio através da aplicação em materiais de referência certificados de fígado de peixe (DOLT-3) e músculo de peixe (DORM-2), apresentando boas concordâncias com os valores certificados e desvio padrão relativo inferior a 9,5%. Os limites de detecção foram de 0,06 e 0,12 µg g-1 para CH3Hg+ e Hg2+, respectivamente. Além disso, foi observado um significativo efeito de matriz e, por isso, a calibração foi feita com curvas preparadas com o extrato da MSPD. O método mostrou boa concordância na comparação entre a soma da concentração das espécies e a concentração de mercúrio total determinada por espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado com geração de vapor frio (CVG-ICP-MS), após digestão assistida por micro-ondas (MAD) em peixes do tipo atum (Thunnus thynnus), cação anjo (Squatina squatina) e cação viola (Rhinobatos blochii.).

Metals and linear alkylbenzene sulphonate as inhibitors of the algae Pseudokirchneriella subcapitata acid phosphatase activity.

Sewage sludge applied to soils as a fertilizer often contains metals and linear alkylbenzene sulphonate (LAS) as contaminants. These pollutants can be transported to the aquatic environment where they can alter the phosphatase activity in living organisms. The acid phosphatase of algae plays important roles in metabolism such as decomposing organic phosphate into free phosphate and autophagic digestive processes. The order of in vitro inhi- bition of Pseudokirchneriella subcapitata acid phosphatase at the highest concentration tested was LAS[Hg2? = Al 3?[Se4? = Pb2?[Cd2?. A non-competitive inhibi- tion mechanism was obtained for Hg2? (Ki = 0.040 mM) and a competitive inhibition for LAS (Ki = 0.007 mM). In vivo studies with treated algae cultures showed that the inhibition of specific activity was observed in algae exposed during 7 days, in contrast to short term (24 h) treatments with both these chemicals. Our results suggest that the inhibition parameters in vitro did not markedly differ between the two chemicals. On the other hand, in vivo evaluations showed strong differences between both pollu- tants regarding the concentration values and the degree of response.