Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Efectes del procés de compostatge en la toxicitat per a organismes del sòl d'adobs derivats de fangs de depuradora

Aquest estudi està vinculat al projecte que desenvolupa el CREAF-UAB, destinat a estudiar la degradació i toxicitat dels nonilfenols (contaminant orgànic) presents en els fangs de depuradora i el seu comportament en el sòl. Mitjançant l’aplicació del tractament de compostatge s’aconsegueix millorar les propietats del fang residual, així com degradar els contaminants orgànics més persistents. La idea de l’estudi sorgeix de la determinació de l’eficàcia del procés de compostatge en l’estabilització dels fangs, avaluant la variació dels paràmetres fisicoquímics del fang i el nivell de toxicitat pels organismes del sòl. La metodologia d’estudi es basa en la utilització al laboratori de bioassaigs ecotoxicològics amb espècies representatives del sòl L’objectiu principal de l’estudi és determinar els efectes del procés de compostatge en la millora de la toxicitat dels fangs de depuradora utilitzats com a fertilitzant orgànic en camps agrícoles. Un segon objectiu és determinar la quantitat de fang de depuradora i de compost aplicats als sòls agrícoles sense implicacions sobre els organismes representatius del sòl.

The use of pulse amplitude modulated fluorescence techniques for metal toxicity assessment in fluvial biofilms

Metal pollution in rivers is in great concern with human activities in the fluvial watershed. This thesis aims to investigate the potential use of chl-a fluorescence parameters as biomarkers of metal toxicity, and to find cause-effect relationships between metal exposures, other environmental factor (i.e. light), and functional and structural biofilm responses. This thesis demonstrates that the use of chl-a fluorescence parameters allows detect early effects on biofilms caused by zinc toxicity, both in the laboratory as in polluted rivers. In microcosm experiments, the use of chl-a fluorescence parameters allows evaluates structural changes on photosynthetic apparatus and in algal groups’ composition of biofilms long-term exposed to zinc. In order to evaluate the effects of chronic metal pollution in rivers, it is recommended the use of biofilm translocation experiments and the use of a multi-biomarker approach.

Anàlisi de la composició en metalls pesants de sòls adjacents a carreteres per fluorescència de raigs X portàtil

L’objectiu del present estudi és la caracterització i avaluació del grau de contaminació per metalls pesants dels sòls adjacents a una carretera de l’àrea metropolitana de Barcelona. Aquesta caracterització inclou la comparació dels valors mesurats amb els nivells màxims legals i la determinació de l’origen antropogènic o litogènic dels metalls mitjançant mètodes estadístics. Per a assolir aquest objectiu, s’emprarà la tècnica de la fluorescència de raigs X portàtil (FPXRF), de manera que l’estudi també inclourà la validació dels resultats obtinguts mitjançant aquesta tècnica per comparació amb un mètode de referència, així com l’estudi de la principal limitació que presenta la tècnica, que és la presència d’humitat a les mostres.

Fate and effects of copper in fluvial ecosystems: the role of periphyton

L'activitat humana és una de les majors causes d'elevades concentracions de nutrients i substàncies tòxiques en els ecosistemes fluvials. Entre la gran varietat de factors que alteren aquests ecosistemes, l'eutrofització i la contaminació per metalls pesants són dos dels principals problemes ambientals en països desenvolupats. Els biofilms fluvials (també anomenats comunitats perifítiques) representen una eina valuosa per avaluar els efectes dels contaminants (ex. nutrients i metalls) en els ecosistemes aquàtics. Aquest treball pretén investigar el destí i els efectes del Cu en els ecosistemes fluvials centrant-se en les comunitats perifítiques. Diferents metodologies han estat desenvolupades i/o adaptades per investigar específicament la dinàmica del Cu, la seva toxicitat i bioacumulació en comunitats perifítiques naturals, i la interacció entre l'eutrofització i la toxicitat del Cu en aquests ecosistemes.

Diagnosi ambiental del a riera d’Osor

Amb aquesta diagnosi es plantegen quatre objectius: determinar l’origen de la contaminació per metalls pesant, diagnosi de l’estat actual en relació a la contaminació, relacionant tots els components que formen l’ecosistema fluvial, valorar la percepció social sobre l’estat de la riera i proporcionar una visió global i integradora amb la qual es puguin preveure situacions futures i conduir possibles mesures de gestió.

Estudio de una nueva metodología de α-hidroxilación directa de β-cetoésteres catalizada por iterbio

Aquesta memòria recull l'estudi realitzat sobre els paràmetres que influeixen en la α-hidroxilació directa de β-cetoesters catalitzada per metalls amb l'objectiu d'assolir una transformació més eficaç. Es van estudiar els paràmetres com la temperatura, metall, dissolvent, atmosfera, oxidant i additius. Es va estudiar l'abast del la reacció amb els paràmetres optimitzats utilitzant diferents β-cetoesters comercials o sintetitzats prèviament. Es va estudiar l'ee de la reacció utilitzant diferents β-cetoesters i complexos metàl•lics amb lligands quirals mitjançant HPLC.

Diagnosi ambiental del a riera d’Osor

Amb aquesta diagnosi es plantegen quatre objectius: determinar l’origen de la contaminació per metalls pesant, diagnosi de l’estat actual en relació a la contaminació, relacionant tots els components que formen l’ecosistema fluvial, valorar la percepció social sobre l’estat de la riera i proporcionar una visió global i integradora amb la qual es puguin preveure situacions futures i conduir possibles mesures de gestió.

Estudi de la mobilitat i biodisponibilitat de pol·luents en la zona minera del camp de Cartagena

Gran part del districte miner Cartagena-La Unión es troba ocupat per residus provinents d'activitats mineres actualment abandonades. Aquestes activitats, desenvolupades històricament en les muntanyes situades en la costa sud de la llacuna costanera del mar Menor, han provocat la contaminació per metalls dels sediments d'aquesta llacuna. La investigació que es presenta en aquesta tesi es centra en l'avaluació de la contaminació i disponibilitat metàl·lica deguda a diferents activitats antropogèniques dutes a terme en l'entorn del mar Menor. Amb aquest objectiu s'han investigat diferents matrius ambientals en la zona d'estudi.

Síntesi i Reactivitat de nous Macrocicles Nitrogenats Poliinsaturats

En aquesta tesi s'han sintetitzat macrocicles nitrogenats poliinsaturats de diferents mides i s'ha estudiat la seva reactivitat. S'han preparat macrocicles de quinze i setze baules triacetilènics i de quinze baules contenint dos triples i un doble enllaç a l'estructura. S'ha estudiat la ciclotrimerització [2+2+2] d'aquests macrocicles catalitzada per metalls de transició en dissolvents orgànics convencionals o en sals foses. S'han sintetitzat complexos de rodi contenint un lligand carbènic N-heterocíclic per tal d'utilitzar-los com a catalitzadors alternatius al complex de Wilkinson en les reaccions de ciclotrimerització dels macrocicles poliinsaturats i d'altres anàlegs oberts. Els complexos carbènics sintetitzats han presentat una eficiència lleugerament superior a la del catalitzador de Wilkinson. També s'ha iniciat un estudi mecanístic de la cicloisomerització d'aquests macrocicles induïda tèrmicament. Finalment, s'han preparat macrocicles de catorze i dinou baules contenint un nucli endiínic a més d'altres insaturacions i s'ha estudiat la corresponent ciclació de Bergman en estat sòlid.

Synthesis, structure and reactivity of novel CuI, CuII and CuIII complexes containing triaza and hexaaza macrocyclic ligands

El treball de tesi s'emmarca dins del camp de la bioinorgànica, disciplina que estudia les propietats estructurals i de reactivitat dels centres actius dels enzims, servint-se de models síntètics de baix pes molecular per tal d'intentar reproduïr la reactivitat presentada per l'enzim i conèixer els mecanismes de reacció a nivell molecular que tenen lloc en els processos biològics.1 Més concretament el treball posa especial èmfasi en els processos d'activació d'oxigen molecular que tenen lloc en les metaloproteïnes de Coure del Tipus 3, com són l'hemocianina i la tirosinasa, ambdues presentant un complex dinuclear de Cu(I)) en el centre actiu de la forma reduïda, capaç d'activar l'O2 cap a espècies de tipus peròxid.2 Un altre camp d'interès ha estat l'estudi dels processos d'activació d'enllaços C-H no activats en hidrocarburs, tant per la seva importàcia a nivell industrial com per comprendre els mecanismes intrínsecs d'aquesta activació a través de metalls de trancisió.3,4 Durant el treball de tesi presentat s'ha desenvolupat la síntesi de nous complexes de Coure(I), Coure(II) y Cu(III) utilitzant lligands macrocíclics de tipus triaza i hexaaza, i s'han estudiat la seves propietats estructurals així com la seva reactivitat. La reacció dels lligands triazacíclics H32m, H2Me33m i H33m amb sals de coure(II) dóna lloc a una reacció de desproporció de Cu(II) per obtenir-se en quantitats equimolars un complex organometàl·lic de Cu(III) i un complex de Cu(I). La caracterizació estructural exhaustiva dels complexes del tipus aryl-Cu(III) evidencia la formació d'un enllaç organometàl·lic entre l'àtom de Cu(III) i el carboni més próxim de l'anell aromàtic del lligand. Aquesta reacció, a més de representar una nova forma de desproporció en la química del Cu, suposa l'activació d'un enllaç C-H aromàtic a temperatura ambient que, mitjançant l'estudi cinètic d'aquesta desproporció per espectroscòpia UV-Vis, dels càlcul de l'efecte cinètic isotòpic utilitzant el lligand deuterat en el C-H de l'anell, juntament amb el recolzament teòrics dels càlculs DFT per a la optimització de geometries d'intermedis de reacció, ens permeten proposar un mecanisme de reacció pel nostre sistema, on l'activació de l'enllaç C-H aromàtic transcorre per la formació d'un enllaç de tipus agòstic C-H ? Cu(II),5 seguit de la desprotonació del C-H aromàtic per acció d'una base i posterior transferència electrònica per obtenir el complex organometàlic de Cu(III) i el complex de de Cu(I). En quant a la reactivitat d'aquests complexes organometàl·lics aryl-Cu(III) s'ha observat que una base en medi aquós causa la inestabilitat d'aquests compostos, evolucionant cap a la inserció d'un àtom d'oxigen sobre la posició activada de l'anell aromàtic, per a donar lloc a un complex dinuclear de Cu(II) amb dos grups fenoxo actuant de pont entre els àtoms metàl·lics. La reacció transcorre per un intermedi colorejat, caracteritzat com el complex ayl-Cu(III) monodesprotonat en una de les seves amines benzíliques, els quals s'observen igualment en la reacció dels correponents complexos de Cu(I) amb oxigen molecular (O2). És en els nostres sistemes en els quals es descriu per primera vegada la participació d'intermedis organometàl·lics Cu(III)-C en processos d'hidroxilació aromàtica, tals com el desenvolupat per l'enzim tirosinasa o per alguns dels seus models químics de síntesi.6,7,8 S'han estudiat les propietats magnètiques dels quatre bis(fenoxo)complexes de Cu(II) descrits, obtenint-se uns acoplaments de tipus antiferromagnètic o ferromagnètic de diversa magnitud, depenent del solapament orbitalari a l'enllaç Cu-O, a través del qual es produeix el superintercanvi. Nous complexos de Cu(I) sintetitzats amb lligands hexaazamacrocíclics han estat estudiats, i posant especial èmfasi a la seva reactivitat respecta a l'activació d'oxigen molecular (O2). S'ha observat una reactivitat diferenciada segons la concentració de complex de Cu(I) utilitzada, de manera que a altes concentracions s'obté un carbonato complex tetranuclear de Cu(II) per fixació de CO2 atmosfèric, mentre que a baixes concentracions s'observa la hidroxilació aromàtica intramolecular d'un dels anells benzílics del lligand, reacció que presumiblement transcorre per atac electrofílic d'un peroxo complex intermedi sobre el sistema ? de l'anell.6 Els resultats obtinguts en aquest treball ens mostren la facilitat per activar enllaços C-H aromàtics per metalls de transició de la primera sèrie (Cu, Ni) quan aquests estan suficientment pròxims a l'enllaç C-H, en unes condicions de reacció molt suaus (1atm., temperatura ambient). Els nous complexos organometàl·lics Aryl-Cu(III) són el producte d'una nova reacció de desproporció de Cu(II), així com un posició aromàtica activada que podria ser el punt de partida per l'estudi de funcionalització selectiva d'aquests grups aromàtics.

El Suro modificat, bescanviador iònic per l'adsorció de metalls preciosos (pal·ladi i platí)

El present treball, com a projecte final de carrera, té com objectiu estudiar la viabilitat del suro com a material alternatiu a compostos sintètics, com per exemple bescanviadors iònics convencionals. Està centrat al cas particular de la recuperació de Pal·ladi i Platí, metalls nobles d’alt valor econòmic i per tant amb un alt interès per la seva recuperació un cop usats.

Establiment de bases científiques per al desenvolupament d'una estratègia integrada per avaluar toxicitat en reproducció

Report for the scientific sojourn at the National Institute for Public Health and the Environment (RIVM), Netherlands, from 2006 to 2008. This project aimed at creating scientific elements that could help deriving an integrated testing strategy for reproductive toxicity. Part of the project focused on the use of alternative tests for regulatory purposes. An in vitro-in vivo extrapolation method for embryotoxicity was proposed and evaluated. In vitro and in vivo dose descriptors were correlated; however, the scatter in the correlation was too large to allow an accurate estimation of an in vivo dose from an in vitro dose. The in vitro-in vivo extrapolation method together with toxicokinetic data was also applied to a category of substances (phthalates). Although based on a limited number of substances, the results suggested that in vitro-in vivo extrapolation for embryotoxicity is possible within a category of compounds if adequate toxicokinetic data is available. Because of the limitations that still remain in the use of alternative tests for reproductive toxicicity, other approaches to reduce animal testing were explored. Thus, a database of reproductive toxicity studies was created to retrospectively evaluate the comparative value of some studies or elements in a particular study. When compared to the subchronic toxicity study, the rat two-generation reproductive toxicity study had a considerable impact on the identification of hazard for reproductive toxicity, but not on the overall NOAEL. Among the two-generation studies included in our database, the second generation affected neither the overall NOAEL nor the critical effect. The rat and the rabbit developmental toxicity studies were, on average, similarly sensitive. However, for certain substances the developmental study in either one of the two species appeared to be more sensitive than in the other species.

Avaluació de la tècnica de fitoextracció per a la reducció de concentracions de metalls pesants en sòls contaminats per la indústria minera

L’explotació minera, especialment la mineria metàl•lica, ha estat sempre associada ariscos de contaminació ambiental de sòls, aigües i vegetació, originats per l’activitatextractiva, les operacions de concentració dels minerals i pels emplaçaments de residusminers sense una gestió adequada. En molts casos els residus miners s’abocavendirectament a rius i rierols o s’acumulaven en piles pròximes a centres habitats iactivitats agrícoles. Concretament s’estudia els cas de les mines d’Osor. Donada la possible presència de quantitats elevades de metalls pesants en aquests sòlses decideix avaluar una tècnica de remediació de sòls lleugera com la fitoextracció. Lafitoextracció es basa en l’ús de plantes bioacumuladores que absorbeixen metalls delsòl. Aquesta tècnica permet una descontaminació del sòl no agressiva i de baix cost peròrequereix un tractament de llarga durada

Determinació d'hidrocarburs aromàtics policíclics (PAHs) en mostres de sòls per cromatografia de gasos acoblada a l'espectrometria de masses (GC/MS)

La importància dels Hidrocarburs Aromàtics Policíclics (PAHs) com a contaminants ha estat sempre en debat. Des del moment en què no compleixen els requeriments de persistència, toxicitat i transport a llargues distàncies, no es consideren contaminants orgànics persistents (POPs). En conseqüència, no es troben inclosos dins la llista dels dirty dozen de la Convenció d’Estocolm sobre POPs. A més, ja que el seu alliberament no és intencionat, algunes veus han plantejat la possibilitat d’eliminar o reduir la quantitat d’aquests compostos a l’atmosfera i que arriben també, per deposició, al sòl, sediments, aigües, etc. Tanmateix, segons el Protocol firmat pel Comitè Estats Units-Europa (UNECE), els PAHs haurien d’haver estat inclosos a aquesta llista ja que són productes químics les emissions dels quals haurien de ser minimitzades o previngudes. És per això i l’interès pel medi ambient que dins el projecte Estudi de la influència de contaminants orgànics (BTEX i PAHs) en la mobilitat de metalls pesants en sòls, al qual es vol entendre quin és el mecanisme de transport dels metalls pesants en presència d’aquests contaminants, enfocat sobretot als marges de les carreteres per la combustió de gasolines i l’exhaust dels vehicles, que es justifica aquest treball de recerca. Aquest treball de recerca es basa en la posta a punt d’un mètode d’anàlisi de PAHs mitjançant la Cromatografia de Gasos acoblada a l’Espectrometria de Masses (GC/MS). Cadascun dels mètodes seguits estan reportats a la Environmental Protection Agency dels Estats Units (US EPA), però tot i així cal fer la optimització, realitzant o no, lleus modificacions d’aquests per ajustar-nos a les nostres necessitats específiques. En aquest treball de recerca s’exposen els diferents passos a realitzar un cop feta la presa de mostra fins l’expressió final dels resultats un cop identificats i quantificats els PAHs d’interès presents en una matriu de sòl. Això comprèn la seva extracció inicial mitjançant el Soxhlet, un cleanup posterior a partir tant de l’extracció en fase sòlida (SPE) amb una fase C18 com la cromatografia en columna utilitzant gel de sílice com a adsorbent. Finalment, s’han determinat els paràmetres influents en la separació, identificació i quantificació dels PAHs amb relació a la cromatografia de gasos i la seva detecció per espectrometria de masses.