Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de contaminantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos contaminantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por contaminantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três contaminantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como contaminantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se usou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (526 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L).

Integration of sediment contamination with multi–biomarker responses in a novel bioindicator candidate (Sepia officinalis) for risk assessment in impacted estuaries

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente

Contribuição para o estudo da presença de disruptores endócrinos em lamas de ETAR

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente – Perfil Engenharia Sanitária

Analysis of the interaction of polycyclic aromatic compounds in a model organism: integration of genotoxic and histopathological effects

Due to their toxicity, especially their carcinogenic potential, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) became priority pollutants in biomonitoring programmes and environmental policy, such as the European Water Framework Directive. The model substances tested in this study, namely benzo[b]fluoranthene (B[b]F), considered potentially carcinogenic to humans and an effector carcinogenic PAH to wildlife, and phenanthrene (Phe), deemed a non-carcinogenic PAH, are common PAHs in coastal waters, owning distinct properties reflected in different, albeit overlapping, mechanisms of toxicity. Still, as for similar PAHs, their interaction effects remain largely unknown. In order to study the genotoxic effects of caused by the interaction of carcinogenic and non-carcinogenic PAHs, and their relation to histopathological alterations, juvenile sea basses, Dicentrarchus labrax, a highly ecologically- and economically-relevant marine fish, were injected with different doses (5 and 10 μg.g-1 fish ww) of the two PAHs, isolated or in mixture, and incubated for 48 h. Individuals injected with B[b]F and the PAH mixture exhibited higher clastogenic/aneugenic effects and DNA strand breakage in blood cells, determined through the erythrocytic nuclear abnormalities (ENA) and Comet assays, respectively. Also, hepatic histopathological alterations were found in all animals, especially those injected with B[b]F and the PAH mixture, relating especially to inflammation. Still, Phe also exhibited genotoxic effects in sea bass, especially in higher doses, revealing a very significant acute effect that was accordant with the Microtox test performed undergone in parallel. Overall, sea bass was sensitive to B[b]F (a higher molecular weight PAH), likely due to efficient bioactivation of the pollutant (yielding genotoxic metabolites and reactive oxygen species), when compared to Phe, the latter revealing a more significant acute effect. The results indicate no significant additive effect between the substances, under the current experimental conditions. The present study highlights the importance of understanding PAH interactions in aquatic organisms, since they are usually present in the aquatic environment in complex mixtures.

Toxicity of carcinogenic and non-carcinogenic Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and their mixtures to aquatic organisms under ecologically-relevant scenarios

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous priority pollutants that tend to be trapped in aquatic sediments due to their high hydrophobicity. Nonetheless, the differential toxicological effects and mechanisms between the various classes of PAHs and their mixtures, as they invariably occur in the environment, are scarcely known, especially under ecologically-relevant scenarios. This thesis aimed at establishing a bridge between the study of mechanistic pathways and environmental monitoring of carcinogenic and non-carcinogenic PAHs, by introducing ecological-relevance in the research with model PAHs. A first bioassay conducted in situ with the mussel Mytilus edulis demonstrated that, dredging operations in harbours increase PAH bioavailability, eliciting genotoxicity, and showed that established environmental guidelines underestimate risk. Subsequent ex situ bioassays were performed with the carcinogenic benzo[b]fluoranthene (B[b]F) and non-carcinogenic phenantrene (Phe), selected following preceding results, and revealed that low-moderate concentrations of these PAHs in spiked sediments induce genotoxic effects to the clam Ruditapes decussatus, therefore contradicting the general notion that bivalves are less sensitive to PAHs than vertebrates due to inefficient bioactivation. Also, it was demonstrated that passive samplers permit inferring on PAH bioavailability but not on bioaccumulation or toxic effects. On the other hand, sea basses (Dicentrarchus labrax), yielded a complex pattern of effects and responses, relatively to genotoxicity, oxidative stress and production of specific metabolites, especially when exposed to mixtures of the PAHs which led to additive, if not synergistic, effects. It was shown that Phe may elicit significant genotoxicity especially in presence of B[b]F, even though the low, albeit realistic, exposure concentrations diluted dose- and time-independent relationships. The present work demonstrated that environmental quality guidelines underestimate the effects of PAHs in realistic scenarios and showed that the significant genotoxic and histopathological effects caused by mixed PAHs may not be reflected by oxidative stress- or CYP-related biomarkers. Besides important findings on the metabolism of PAH mixtures, the work calls for the need to re-evaluate the criteria for assessing risk and for the disclosure of more efficient indicators of toxicological hazard.

Persistent organic chemicals of emerging environmental concern

The use of chemicals and chemical derivatives in agriculture and industry has contributed to their accumulation and persistence in the environment. Persistent organic pollutants (POPs) are among the environmental pollutants of most concern since, when improperly handled and disposed, they can persist in the environment, bioaccumulate through the food web, and may create serious public health and environmental problems. Development of an effective degradation process has become an area of intense research. The physical/chemical methods employed, such as volatilization, evaporation, photooxidation, adsorption, or hydrolysis, are not always effective, are very expensive, and, sometimes, lead to generation/disposal of other contaminants. Biodegradation is one of the major mechanisms by which organic contaminants are transformed, immobilized, or mineralized in the environment. A clear understanding of the major processes that affect the interactions between organic contaminants, microorganisms, and environmental matrix is, thus, important for determining persistence of the compounds, for predicting in situ transformation rates, and for developing site remediation. Information on their risks and impact and occurrence in the different environmental matrices is also important, in order to attenuate their impact and apply the appropriate remediation process. This chapter provides information on the fate of pesticides and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), their impact, bioavailability, and biodegradation. © Springer Science+Business Media Dordrecht 2014.

The use of forensic polycyclic aromatic hydrocarbon signatures and Compound Ratio Analysis Techniques (CORAT) for the source characterisation of petrogenic/pyrogenic environmental releases.

This study utilised recent developments in forensic aromatic hydrocarbon fingerprint analysis to characterise and identify specific biogenic, pyrogenic and petrogenic contamination. The fingerprinting and data interpretation techniques discussed include the recognition of: The distribution patterns of hydrocarbons (alkylated naphthalene, phenanthrene, dibenzothiophene, fluorene, chrysene and phenol isomers), • Analysis of “source-specific marker” compounds (individual saturated hydrocarbons, including n-alkanes (n-C5 through 0-C40) • Selected benzene, toluene, ethylbenzene and xylene isomers (BTEX), • The recalcitrant isoprenoids; pristane and phytane and • The determination of diagnostic ratios of specific petroleum / non-petroleum constituents, and the application of various statistical and numerical analysis tools. An unknown sample from the Irish Environmental Protection Agency (EPA) for origin characterisation was subjected to analysis by gas chromatography utilising both flame ionisation and mass spectral detection techniques in comparison to known reference materials. The percentage of the individual Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAIIs) and biomarker concentrations in the unknown sample were normalised to the sum of the analytes and the results were compared with the corresponding results with a range of reference materials. In addition, to the determination of conventional diagnostic PAH and biomarker ratios, a number of “source-specific markers” isomeric PAHs within the same alkylation levels were determined, and their relative abundance ratios were computed in order to definitively identify and differentiate the various sources. Statistical logarithmic star plots were generated from both sets of data to give a pictorial representation of the comparison between the unknown sample and reference products. The study successfully characterised the unknown sample as being contaminated with a “coal tar” and clearly demonstrates the future role of compound ratio analysis (CORAT) in the identification of possible source contaminants.

Anàlisi dels contaminants orgànics persistents en Citharus linguatula en el litoral català

S’ha estudiat la bioacumulació de contaminants orgànics persistents en el múscul d’una espècie de peix en dos punts del litoral català: al Port de Barcelona i a la costa de Blanes. Citharus linguatula ha estat escollida per les seves característiques d’hàbitats (està més exposada a la contaminació al ser una espècie bentònica). La metodologia emprada consisteix en la homogeneïtzació amb sulfat de sodi i una extracció assistida amb microones amb n-hexà-acetona(1:1 v/v) durant 20 minuts. Els extractes es netegen i es fraccionen amb una columna cromatogràfica d’alúmina que permet la separació dels extractes en dos fraccions: un amb la majoria dels compostos organoclorats (hexaclorbenzè, DDTs, ciclodiens clorats i policlorbifenils) i l’altre amb els isòmers hexaclorciclohexans i els PAHs. Aquestes dos fraccions són posteriorment analitzades en el GC-MS. S’ha pogut corroborar l’elevada presència de PCBs a Barcelona, així com que en aquest punt de mostreig les espècies estan més exposades a la contaminació per organoclorats. S’ha identificat la presència de DDTs en els dos llocs estudiats. Pel que fa als PAHs s’ha pogut observar que a Barcelona també hi ha més presència d’aquests. Cal destacar que la concentració obtinguda dels compostos no es pot donar com a vàlida per l’existència d’indicis d’errors experimentals o d’injecció.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Analisi de compostos orgànics persistents i estudi de la procedència d'hidrocarburs en sediments del mar Mediterrani català

Els sediments del fons marí són molt importants en els ecosistemes aquàtics. Aquests sediments són considerats absorbents naturals, ja que s’hi acumulen moltes substàncies nocives, com ara metalls pesants i contaminants orgànics persistents (COPs). En aquest estudi s’han analitzat mostres de sediments del mar Mediterrani amb la finalitat d’examinar els COPs i la possible procedència d’hidrocarburs derivats del petroli. Les mostres han estat extretes davant de la desembocadura del riu Besòs (se n’ha fet una extracció a 8 km i una altra a 54 km de distància respecte la costa) i davant del municipi català anomenat Vilanova i la Geltrú (se n’ha fet, també, una extracció a 8-10 km i una altra a 30-40 km de distància respecte la costa). D’aquestes mostres, obtingudes per perforació, se n’han analitzat el primer i segon centímetres. S’han quantificat els hidrocarburs aromàtics policíclics (PAHs), els bifenils policlorats (PCBs) i els compostos organoclorats (OCPs) utilitzats antigament com a pesticides. S’ha posat de manifest que en les zones més properes a la costa, les concertacions COPs són més elevades a la regió més meridional, tot i estar davant de la desembocadura del riu Besòs. Segurament això és degut a la influència de la deriva litoral (corrent costaner marí en direcció NE-SW). Finalment, l’índex Phytane/Pristane, l’índex de preferència de carboni o, en anglès Carbon Preference Index (CPI) i la barreja complexa sense resoldre o, en anglès, Unresolved Complex Mixture (UCM) apunten a la conclusió que l’origen dels hidrocarburs analitzats (n-alcans) podria ser petrogènic.

Indoor air quality in a public building following smoking bans

Introduction: Exposure to environmental tobacco smoke (ETS) is a major environmental risk factor. Indoor contaminants come from a variety of sources, which can include inadequate ventilation, volatile organic compounds (VOCs), biological agents, combustion products, and ETS. Because ETS is one of the most frequent causes of IAQ complaints as well as the high mortality of passive smoking, in June 2004 the University of Geneva made the decision to ban smoking inside the so called "Uni-Mail" building, the biggest Swiss University human science building of recent construction, and the ordinance was applied beginning in October 2004. This report presents the finding related to the IAQ of the "Uni-Mail" building before and after smoking bans using nicotine, suspended dust, condensate and PAHs level in air as tracers to perform an assessment of passive tobacco exposure for non-smokers inside the building. Methods: Respirable particles (RSP) A real time aerosol monitor (model DataRAM)was place at sampling post 1, level ground floor. Condensate It consists in extracting any organic matter taken on the glass fibre filters by MeOH, and then measuring the total absorbent of the MeOH extract to the UV wavelength of 447 nm. Nicotine Nicotine was taken by means of cartridges containing of XAD-4 to the fixed flow of 0.5 L/min. The analytical method used for the determination of nicotine is based on gas chromatography with Nitrogen selective detector GC-NPD. Results: Figure 1 shows the box plot density display of 3 parameters before and after smoking bans for all 7 sampling posts: dust, condensate and nicotine in air in μg/m3. Conclusion: Before the smoking ban, the level of the concentrations of respirable particles (RSP) is raised more, average of the day 320 μg/m3, with peaks of more than 1000 μg/m3, compared with the values of the surrounding air between 22 and 30 μg/m3. The nicotine level is definitely more important (average 5.53 μg/m3, field 1.5 to 17.9 μg/m3). Once the smoking bans inside the building were applied, one notes a clear improvement in terms of concentrations of pollutants. For dust, the concentration fell by 3 times (average: 130 μg/m3, range: 40 to 160 μg/m3) and that of nicotine by 10 times (average: 0.53 μg/m3, range: 0 to 1.69 μg/m3) compared to that found before smoking bans. The outdoor air RSP concentration was 22 μg/m3 or 10 times lower. Nicotine seems to be the best tracer for ETS free of interference, independent of location or season.

Development of a multistrain bacterial bioreporter platform for the monitoring of hydrocarbon contaminants in marine environments.

Petroleum hydrocarbons are common contaminants in marine and freshwater aquatic habitats, often occurring as a result of oil spillage. Rapid and reliable on-site tools for measuring the bioavailable hydrocarbon fractions, i.e., those that are most likely to cause toxic effects or are available for biodegradation, would assist in assessing potential ecological damage and following the progress of cleanup operations. Here we examined the suitability of a set of different rapid bioassays (2-3 h) using bacteria expressing the LuxAB luciferase to measure the presence of short-chain linear alkanes, monoaromatic and polyaromatic compounds, biphenyls, and DNA-damaging agents in seawater after a laboratory-scale oil spill. Five independent spills of 20 mL of NSO-1 crude oil with 2 L of seawater (North Sea or Mediterranean Sea) were carried out in 5 L glass flasks for periods of up to 10 days. Bioassays readily detected ephemeral concentrations of short-chain alkanes and BTEX (i.e., benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes) in the seawater within minutes to hours after the spill, increasing to a maximum of up to 80 muM within 6-24 h, after which they decreased to low or undetectable levels. The strong decrease in short-chain alkanes and BTEX may have been due to their volatilization or biodegradation, which was supported by changes in the microbial community composition. Two- and three-ring PAHs appeared in the seawater phase after 24 h with a concentration up to 1 muM naphthalene equivalents and remained above 0.5 muM for the duration of the experiment. DNA-damage-sensitive bioreporters did not produce any signal with the oil-spilled aqueous-phase samples, whereas bioassays for (hydroxy)biphenyls showed occasional responses. Chemical analysis for alkanes and PAHs in contaminated seawater samples supported the bioassay data, but did not show the typical ephemeral peaks observed with the bioassays. We conclude that bacterium-based bioassays can be a suitable alternative for rapid on-site quantitative measurement of hydrocarbons in seawater.

Building energy saving techniques and indoor air quality : a dilemma

In European countries and North America, people spend 80 to 90% of time inside buildings and thus breathe indoor air. In Switzerland, special attention has been devoted to the 16 stations of the national network of observation of atmospheric pollutants (NABEL). The results indicate a reduction in outdoor pollution over the last ten years. With such a decrease in pollution over these ten years the question becomes: how can we explain an increase of diseases? Indoor pollution can be the cause. Indoor contaminants that may create indoor air quality (IAQ) problems come from a variety of sources. These can include inadequate ventilation, temperature and humidity dysfunction, and volatile organic compounds (VOCs). The health effects from these contaminants are varied and can range from discomfort, irritation and respiratory diseases to cancer. Among such contaminants, environmental tobacco smoke (ETS) could be considered the most important in terms of both health effects and engineering controls of ventilation. To perform indoor pollution monitoring, several selected ETS tracers can be used including carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), respirable particles (RSP), condensate, nicotine, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nitrosamines, etc. In this paper, some examples are presented of IAQ problems that have occurred following the renewal of buildings and energy saving concerns. Using industrial hygiene sampling techniques and focussing on selected priority pollutants used as tracers, various problems have been identified and solutions proposed. [Author]

Double-tagged fluorescent bacterial bioreporter for the study of polycyclic aromatic hydrocarbon diffusion and bioavailability.

Bacterial degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), ubiquitous contaminants from oil and coal, is typically limited by poor accessibility of the contaminant to the bacteria. In order to measure PAH availability in complex systems, we designed a number of diffusion-based assays with a double-tagged bacterial reporter strain Burkholderia sartisoli RP037-mChe. The reporter strain is capable of mineralizing phenanthrene (PHE) and induces the expression of enhanced green fluorescent protein (eGFP) as a function of the PAH flux to the cell. At the same time, it produces a second autofluorescent protein (mCherry) in constitutive manner. Quantitative epifluorescence imaging was deployed in order to record reporter signals as a function of PAH availability. The reporter strain expressed eGFP proportionally to dosages of naphthalene or PHE in batch liquid cultures. To detect PAH diffusion from solid materials the reporter cells were embedded in 2 cm-sized agarose gel patches, and fluorescence was recorded over time for both markers as a function of distance to the PAH source. eGFP fluorescence gradients measured on known amounts of naphthalene or PHE served as calibration for quantifying PAH availability from contaminated soils. To detect reporter gene expression at even smaller diffusion distances, we mixed and immobilized cells with contaminated soils in an agarose gel. eGFP fluorescence measurements confirmed gel patch diffusion results that exposure to 2-3 mg lampblack soil gave four times higher expression than to material contaminated with 10 or 1 (mg PHE) g(-1).

Exposure to solute stress affects genome-wide expression but not the polycyclic aromatic hydrocarbon-degrading activity of Sphingomonas sp. strain LH128 in biofilms.

Members of the genus Sphingomonas are important catalysts for removal of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soil, but their activity can be affected by various stress factors. This study examines the physiological and genome-wide transcription response of the phenanthrene-degrading Sphingomonas sp. strain LH128 in biofilms to solute stress (invoked by 450 mM NaCl solution), either as an acute (4-h) or a chronic (3-day) exposure. The degree of membrane fatty acid saturation was increased as a response to chronic stress. Oxygen consumption in the biofilms and phenanthrene mineralization activities of biofilm cells were, however, not significantly affected after imposing either acute or chronic stress. This finding was in agreement with the transcriptomic data, since genes involved in PAH degradation were not differentially expressed in stressed conditions compared to nonstressed conditions. The transcriptomic data suggest that LH128 adapts to NaCl stress by (i) increasing the expression of genes coping with osmolytic and ionic stress such as biosynthesis of compatible solutes and regulation of ion homeostasis, (ii) increasing the expression of genes involved in general stress response, (iii) changing the expression of general and specific regulatory functions, and (iv) decreasing the expression of protein synthesis such as proteins involved in motility. Differences in gene expression between cells under acute and chronic stress suggest that LH128 goes through changes in genome-wide expression to fully adapt to NaCl stress, without significantly changing phenanthrene degrading activity.