Thesis (DTech (Biomedical Technology))--Cape Peninsula University of Technology, 2008. / Bibliography: leaves 208-236. Also available online.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:28:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseMCSM.pdf: 986946 bytes, checksum: da4d284b74d25fb84babcad1d732fd24 (MD5) Previous issue date: 2003-06-25 / In the last decades the increase in the amount of nutrients, particularly nitrogen and phosphorus, introduced into the sea, has brought an accelerated eutrophication of the coastal marine ecosystems, and great changes in water, sediment and biotic communities. Nutrient enrichment is usually associated to other pollutants, as the heavy metals. The use of macroalgae and heterotrophic bacteria has been considered an efficient tool in environmental diagnosis when focusing these two types of pollution. The aim of the present study was to compare the biomass of bacteria in the water column, attached to the macroalgae and in the sediment of Praia da Baleia (Angra dos Reis/RJ), a region used as control and of Praia de Boa Viagem (Niterói/RJ), a region where the main impact is from domestic sewage effluents evaluating the effect of the eutrophication associated to different concentrations of zinc on Champia parvula and accompanying microorganisms by using laboratory experimentation. Methods involved filtration of samples on nuclepore filters, detachment of bacteria by mechanical shaking and ultrasounding, then cell enumeration by epifluorescence and the use of conversion factors to calculate biomass as organic carbon. The highest bacteria biomass in the water, sediment and macroalgae was obtained for in Praia de Boa Viagem. The evaluation of bacteria biomass in different substrates has shown a direct correlation with the trophic state of the environment, with mean values of 0,198 µgC.cm-3 in the water; of 1,29 µgC.cm-3 in sediment and 0,038 µgC.cm-3 in the macroalgae at the area impacted, values higher than those found in the control area. Chronic and semi-estatic toxicity tests were also performed along 15 days in order to determine growth rates, mortality, and morphological changes in the fronds of the macroalgae Champia parvula, grown on different combinations of nutrients levels, zinc concentrations and presence or absence of bacteria. Laboratory experiments evidenced that zinc and nutrient concentrations interfere with growth, mortality and morphology of C. parvula and also that macronutrients and bacteria probably influenced the accumulation of zinc by the macroalgae, thus influencing its growth. / Nas áreas costeiras um aumento na quantidade de nutrientes, particularmente nitrogênio e fósforo, tem levando à eutrofização com alterações pronunciadas nos ecossistemas. O enriquecimento por nutrientes nos ambientes costeiros é freqüentemente acompanhado pela entrada de poluentes, como os metais pesados. A utilização de macroalgas e de bactérias heterótrofas para diagnósticos ambientais abordando as alterações causada pela interação de nutrientes e metais pesados, tem mostrado ser uma ferramenta eficiente fornecendo informações altamente relevantes para o controle da poluição. O presente estudo teve como objetivos comparar a biomassa bacteriana presente na coluna d'água e aderida ao talo demacroalgas e ao sedimento da Praia da Baleia, Angra dos Reis/RJ (região controle) e da Praia de Boa Viagem, Niterói/RJ (região impactada) que tem como principal impacto o aporte de esgoto doméstico, e avaliar os efeitos da eutrofização associados a diferentes concentrações de zinco em Champia parvula e na microbiota acompanhante, através de experimentos de laboratório. A biomassa bacteriana foi determinada por filtração em membrana nuclepore, por desagregação com agitação mecânica e por sonificação. Os experimentos de laboratório foram crônicos, semi-estáticos, com renovação da solução teste a cada 72 horas e tiveram duração de 15 dias. Foram realizados experimentos em que a biomassa bacteriana natural presente na coluna d'água e na macroalga foi mantida e experimentos em que esta biomassa bacteriana foi removida pela aplicação de antibiótico. Ao término dos experimentos a taxa de crescimento, a mortalidade e a alteração morfológica das frondes da macroalga, nas diferentes concentrações de nutrientes e zinco, foram avaliadas e comparadas com o controle (meio padrão). A biomassa bacteriana, nos testes de laboratório, foi avaliada na coluna d'água e nos talos da macroalga no início e após 72 horas de experimentação. Os maiores valores estimados de biomassa bacteriana das amostras de água, sedimento e macroalgas foram observados na Praia de Boa Viagem. A avaliação da biomassa bacteriana nos diferentes substratos indicou uma relação direta com o estado trófico do ambiente, sendo registrados nas amostras de água (0,198 µgC.cm-3), sedimento (1,29 µgC.cm-3) e macroalgas (0,038 µgC.cm-3) da área impactada, valores superiores ao da área controle. Nos experimentos de laboratório, as concentrações de zinco e dos nutrientes interferiram no crescimento, mortalidade e morfologia de C. parvula e, assim como os macronutrientes, as bactérias influenciaram a acumulação de zinco pela macroalga, afetando o seu crescimento.

Submitted by (edna.saturno@ufrpe.br) on 2016-06-17T16:31:52Z No. of bitstreams: 1 Fernando Scherner.pdf: 1240338 bytes, checksum: f5d748da0f0317493176e1e0823d858f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-17T16:31:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernando Scherner.pdf: 1240338 bytes, checksum: f5d748da0f0317493176e1e0823d858f (MD5) Previous issue date: 2013-06-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Human activities have been causing environmental alterations with consequences to marine biological communities. These changes have been occurring at local scale, such as urbanization and coastal pollution, and globally, throught climate change and ocean acidification caused by higher CO2 concentrations in the atmosphere. Coastal urbanization is rapidly expanding worlwide. This phenomenon has been leading to the contamination of the marine environment by a variety of pollutants, such as heavy metals. However, the effects of coastal urbanization on marine macroalgae communities still need further studies that consider their latitudinal limits of distribution. Likewise, studies on the effects of climate change, such as temperature increases and ocean acidification, on macroalgal communities are recent and still relatively limited. Thus, the aims of the present study were: 1) Evaluate the impacts of urbanization on marine macroalgae communities within different phycogeographycal regions along the Brazilian coast; 2) Assess the physiological effects of heavy metal contamination at concentrations observed in polluted regions within the temperature ranges of distribution of the seaweed Halimeda cuneata Hering in the SW Atlantic; 3) Evaluate the effects of increased temperatures and CO2 driven ocean acidification on the photosynthesis of marine macroalgae. For the first, a significant fraction of the Brazilian coast was studied, including sampling areas on the three phycogeographycal regions (warm temperate, tranzition zone, and tropical) where the structure and composition of the communities were determined in urban and reference areas. For the second, an experiment of metal enrichment was performed in laboratory, assessing the effects of metals at temperatures that occur within the limits of distribution of H. cuneata on the Brazilian coast and its recovery potential at the different temperatures. The third consisted of performing experiments in a reef mesocosms in a tropical region on the Brazilian coast, using calcified macroalgae species, evaluating the effects of temperature increases and CO2 driven acidification on the macroalgae photosynthetic performance. The results are presented here in three chapters. The first shows that urbanization leads to substantial declines in species number and causes drastic changes on marine macroalgae communities. The second provides evidence of the negative effects of heavy metals on the physiology of H. cuneata, which showed no photosynthetic recover at temperatures that occur on its limit of distribution in the south Atlantic. The third indicates a high photosynthetic adaptability of the studied macroalgae in face of temperature increases and acidification, which can be related to the possibilities of utilization of different inorganic carbon species by these algae. / As atividades humanas têm causado alterações ambientais com consequências sobre comunidades biológicas marinhas. Essas alterações vêm ocorrendo em escala local, como é o caso da urbanização e poluição costeira, e global, por meio das mudanças climáticas e acidificação dos oceanos causado por maiores concentrações de CO2 na atmosfera. A urbanização costeira está se expandindo rapidamente no mundo todo. Este fenômeno tem levado à contaminação do ambiente marinho por diversos poluentes, entre eles os metais pesados. Os efeitos da referida urbanização sobre as comunidades de macroalgas ainda necessitam de estudos que considerem os limites de distribuição latitudinal destes organismos. Semelhantemente, estudos sobre os potenciais efeitos das mudanças climáticas, como o aumento da temperatura e acidificação oceânica, sobre comunidades macroalgais, são recentes e ainda relativamente escassos. Nesse contexto, esse estudo teve como objetivos: 1) Avaliar os impactos da urbanização sobre comunidades de macroalgas marinhas nas diferentes províncias ficogeográficas do litoral brasileiro; 2) Compreender os mecanismos fisiológicos da contaminação do ambiente marinho por metais pesados sobre a alga pantropical Halimeda cuneata Hering em temperaturas que ocorrem em seus limites de distribuição no sudoeste do Atlântico; 3) Avaliar os efeitos do aumento de temperatura e da acidificação oceânica por adição de CO2 sobre a fotossíntese de macroalgas marinhas. Para o primeiro, uma fração significativa do litoral brasileiro foi estudada, incluindo áreas amostrais nas três províncias ficogeográficas brasileiras (Temperada quente, Zona de transição e Tropical) onde a estrutura e composição das comunidades foram determinadas em áreas urbanizadas e áreas referências. Para o segundo, um experimento com enriquecimento por metais foi realizado em laboratório, avaliando o efeito de metais em temperaturas que ocorrem dentro dos limites de distribuição de H. cuneata na costa brasileira e o seu potencial de recuperação nas diferentes temperaturas. Com relação ao terceiro, experimentos foram realizados em mesoscosmos recifal em região tropical no litoral brasileiro, utilizando espécies de macroalgas calcificadas, avaliando o efeito de aumentos de temperatura e da acidificação da água por adição de CO2 sobre a performance fotossintética das macroalgas. Os resultados são apresentados aqui em três capítulos. O primeiro mostra que a urbanização leva a diminuições substanciais no número de espécies e causa alterações profundas em comunidades macroalgais marinhas. O segundo evidencia os efeitos deletérios de metais pesados sobre as funções fisiológicas de H. cuneata, com destaque para a ausência de recuperação fotossintética em temperaturas que ocorrem no seu limite de distribuição no Atlântico sul. O terceiro indica uma alta adaptabilidade fotossintética das macroalgas estudadas diante de elevações de temperatura e acidificação, o que pode estar relacionado às possibilidades de utilização de diferentes espécies de carbono inorgânico por estas algas.

Portos e terminais portuÃrios sÃo importantes para a economia mundial, entretanto suas atividades de operaÃÃo tÃm sido consideradas altamente impactantes aos ecossistemas costeiros, em especial por representarem fontes significativas de contaminaÃÃo. Os sedimentos constituem o principal destino para os contaminantes, porÃm quando contaminados, passam a atuar como fonte secundÃria de contaminaÃÃo para o ambiente aquÃtico, prejudicando a saÃde dos ecossistemas e afetando algumas atividades econÃmicas, como a pesca e as dragagens. O objetivo do presente estudo foi avaliar a qualidade de sedimentos de trÃs Ãreas portuÃrias do litoral brasileiro, do ponto de vista ecotoxicolÃgico e ecolÃgico, atravÃs de testes de toxicidade e anÃlise da comunidade bentÃnica. Foram selecionados o Porto do Mucuripe e o Terminal PortuÃrio do PecÃm, ambos no litoral do estado do Cearà (CE), e o Porto de Santos, no estado de SÃo Paulo (SP). Os sedimentos foram caracterizados quanto à granulometria, teores de carbonatos, matÃria orgÃnica, carbono orgÃnico, nitrogÃnio e fÃsforo total. Os testes de toxicidade foram conduzidos com o anfÃpodo Tiburonella viscana, para sedimento integral, e embriÃes de ouriÃo do mar Lytechinus variegatus, para interface sedimento-Ãgua, e fases liquidas extraÃdas (Ãgua intersticial e elutriatos). A comunidade bentÃnica foi avaliada quanto à composiÃÃo taxonÃmica, sendo utilizados alguns descritores, como densidade (D - nÃmero de organismos), densidade de poliquetos, densidade de peracarida e os descritores ecolÃgicos: riqueza (S) e diversidade de Shannon-Weaner (Hâ). Os resultados mostraram toxicidade nos sedimentos das trÃs Ãreas estudadas, tanto sobre os anfÃpodos quanto sobre o desenvolvimento larval dos ouriÃos do mar. Os Ãndices de densidade de organismos, riqueza e diversidade foram considerados baixos, indicando que as comunidades bentÃnicas encontram-se sob stress. A integraÃÃo dos resultados apontou que tanto fatores naturais, como o hidrodinamismo, a presenÃa de diferentes massas dâÃgua e a composiÃÃo do sedimento, quanto a toxicidade, a qual à a expressÃo integrada da contaminaÃÃo, exercem influÃncia na composiÃÃo da fauna bentÃnica. Os resultados mostram que os mÃtodos aplicados podem ser usados como uma importante ferramenta para subsidiar a avaliaÃÃo da qualidade de sedimentos, sobretudo em Ãreas sujeitas à dragagem. / Ports are important for the world economy; however, the activities related to them are considered very harmful the coastal systems, in special due to the contaminant inputs to the aquatic environment. Sediments constitute the main fate for the contaminants, and when contaminated, they may become a secondary source of contamination to the environment, threatening the health of ecosystems and affecting some economic activities, as fishing and dredging and disposal of dredged material. The objective of this study was to evaluate the quality of sediments from 3 port areas influenced by ports, by the ecotoxicological and ecological perspectives. Three Brazilian ports were selected: Ports of Mucuripe PecÃm, both on the coast of Cearà State (Northeast of Brazil) and the Port of Santos, on the coast of SÃo Paulo State (Southeast of Brazil). Sediments were characterized as to grain size distribution, content of carbonates, organic matter, total organic carbon, nitrogen and total phosphorus. The ecotoxicity assays employed the amphipod Tiburonella viscana (for wholes sediment) and embryos of the sea urchin Lytechinus variegates, for sedimentwater interface and the liquid phases extracted from the sediments (porewater and elutriates). The benthic community was evaluated for taxonomic composition and for some ecological descriptors, as total density (D - number of organisms), density of polychaetes, and the density of peracarida, richness (S) and Shannon-Weaner diversity (Hâ). Toxicity was found in sediments of the three areas, as to the amphipods as to L. variegatus larval development. The density, richness, abundance and diversity indices were considered low, indicating that the benthic communities are under stress. The integrative analysis indicated that as the natural factors, such as hydrodynamic, different water masses, and sediment composition, as the toxicity of the sediments, which is the ultimate integrated expression of the contamination, influenced on the benthic fauna composition. The results showed that the applied methods may be used as a tool to subsidize the sediment quality assessment and the management of dredged materials.

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[pt] Os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA) são compostos orgânicos de origem petrogênica e pirogênica, ubíquos, persistentes, bioacumuláveis em tecidos adiposos e comprovadamente carcinogênicos. O Monumento Natural do Arquipélago das Ilhas Cagarras (MONA) é uma unidade de conservação de proteção integral localizada a 4,5 km da cidade do Rio de Janeiro, cujas potenciais fontes de HPA para o local incluem o Emissário Ipanema, a Baía de Guanabara, o trânsito de grandes e pequenas embarcações, e a deposição atmosférica proveniente do alto trânsito de veículos e emissões industriais. Considerando que moluscos bivalves são biomonitores efetivos da exposição aos HPA, em fev/22 (C1) e jul/22 (C2) coletou-se cerca de 240 mexilhões da espécie Perna perna em três ilhas do MONA para avaliar o aporte de HPA oriundos de atividades antrópicas. Amostras compostas (3-5 animais) foram extraídas em triplicata utilizando extração acelerada por solvente (ASE) com purificação na célula, e purificação adicional por cromatografia em coluna. A fração de HPA foi determinada por cromatógrafo a gás acoplado a um espectrômetro de massas (GC-MS). As concentrações de (Somatório)39HPA variaram de 236 a 1378 ng g-1 , com os maiores valores encontrados em C1, níveis semelhantes aos de estudos anteriores com P. perna na região da Baía de Guanabara e algumas das ilhas do MONA (68-6271 ng g-1), sendo caracterizado, no entanto, aumento no aporte ao longo dos últimos 10 anos. O perfil geral dos contaminantes demonstra uma mistura de fontes pirolíticas e petrogênicas na região do MONA, sendo fontes prováveis a queima de combustíveis fósseis na região metropolitana e o aporte crônico de óleo, incluindo vazamentos irregulares, pelo trânsito constante de embarcações e fundeios próximos ao MONA. As concentrações de benzo[a]pireno, o (Somatório)4HPA – benz[a]antraceno, benzo[a]pireno, criseno e benzo[b]fluoranteno – e o Quociente de Equivalência Tóxica de Benz[a]pireno (TEQ BaPy) ficaram abaixo dos limiares de 5 ng g-1, 30 ng g-1 e 18 ng g-1, respectivamente, porém mais altos na amostragem realizada no verão, sugerindo um risco potencial para a qualidade de frutos do mar (moluscos) e da população humana. O cenário fornecido por um conjunto de dados limitado (apenas duas amostragens) reforça a necessidade de um programa de biomonitoramento no MONA Cagarras que inclua HPA e outras classes de contaminantes orgânicos, como as bifenilas policloradas (PCB) e pesticidas. / [en] Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are organic compounds of petrogenic and pyrogenic origin that are ubiquitous, persistent, bioaccumulative in adipose tissue, and proven to be carcinogenic. The Cagarras Islands Natural Monument (MONA) is a protected area located 4,5 km from the city of Rio de Janeiro, whose potential sources of PAH to the site include the Ipanema Outfall, Guanabara Bay, the transit of large and small vessels, and atmospheric deposition from high traffic of vehicles and industrial emissions. Considering that bivalve mollusks are effective biomonitoring organisms of exposure to PAH, in Feb/22 (C1) and Jul/22 (C2), approximately 240 mussels of the species Perna perna were collected from three MONA islands to assess the input of PAHs from anthropogenic activities. Composite samples (3-5 animals) were extracted in triplicate using accelerated solvent extraction (ASE) with purification in the cell, and additional purification by column chromatography. The PAH fraction was determined by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The concentrations of (summation)39PAH ranged from 236 to 1378 ng g-1, with the highest values found in C1, similar to previous studies with P. perna in the region of Guanabara Bay and some of the MONA islands (68-6271 ng g-1), but characterized by an increase in input over the last 10 years. The general profile of contaminants demonstrates a mixture of pyrolytic and petrogenic sources in the MONA region, with probable sources being fossil fuel combustion in the metropolitan region and chronic oil input, including irregular leaks, from the constant traffic of vessels and anchoring near the MONA. The concentrations of Benzo[a]pyrene, the (summation)4PAH – benzo[a]anthracene, chrysene, benz[b]fluoranthene, and benzo[a]pyrene – and the Toxic Equivalent Quotient of Benzo[a]pyrene (TEQ BaPy) were below the thresholds of 5 ng g-1, 30 ng g-1, and 18 ng g-1, respectively, but higher in the sampling performed in summer, suggesting a potential risk to the quality of seafood (mollusks) and the human population. The scenario provided by a limited data set (only two samplings) reinforces the need for a biomonitoring program in the Cagarras Islands Natural Monument that includes PAHs and other classes of organic contaminants, such as polychlorinated biphenyls (PCBs) and pesticides.

The South African coastal and marine environment is an essential ecologic and economic asset. Its associated services and products are substantially contributing to economic growth and sustainable development of the country. However, it is internationally and nationally recognised that land-based marine pollution (LBMP) is the most important single risk to the health and sustainability of coastal and marine waters and the associated ecosystems. The regulation of LBMP at the national level is still difficult and challenging. The issue of LBMP management has only recently been introduced in South Africa with the development of the National Programme of Action to Protect Marine Environment from Land-based Activities, 2008. South Africa is only starting to consider the question of LBMP regulation. This thesis aims to conduct a critical analysis of the South African regulatory framework pertaining to LBMP in comparison to international best practice and the French regulatory framework, in order to identify the key South African challenges in this regard and to make recommendations to address them. In order to do so, this research commences by providing an analysis of LBMP and the theoretical foundations associated with LBMP regulation, as promoted by international best practice. The study identifies and assesses the main regulatory features to be considered in the development, implementation and/or assessment of a regulatory framework pertaining to LBMP. These features will form the methodological framework to conduct the comparative legal assessment between the French and South African regulatory frameworks pertaining to LBMP. This thesis then provides a detailed and thorough legal analysis of the French and South African regulatory frameworks pertaining to LBMP using the methodological framework developed using guidance from international best practice. Finally, based on lessons learnt from the comparative legal study, this study concludes with a set of recommendations for the South African context. / Thesis (LL.D.)--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

The South African coastal and marine environment is an essential ecologic and economic asset. Its associated services and products are substantially contributing to economic growth and sustainable development of the country. However, it is internationally and nationally recognised that land-based marine pollution (LBMP) is the most important single risk to the health and sustainability of coastal and marine waters and the associated ecosystems. The regulation of LBMP at the national level is still difficult and challenging. The issue of LBMP management has only recently been introduced in South Africa with the development of the National Programme of Action to Protect Marine Environment from Land-based Activities, 2008. South Africa is only starting to consider the question of LBMP regulation. This thesis aims to conduct a critical analysis of the South African regulatory framework pertaining to LBMP in comparison to international best practice and the French regulatory framework, in order to identify the key South African challenges in this regard and to make recommendations to address them. In order to do so, this research commences by providing an analysis of LBMP and the theoretical foundations associated with LBMP regulation, as promoted by international best practice. The study identifies and assesses the main regulatory features to be considered in the development, implementation and/or assessment of a regulatory framework pertaining to LBMP. These features will form the methodological framework to conduct the comparative legal assessment between the French and South African regulatory frameworks pertaining to LBMP. This thesis then provides a detailed and thorough legal analysis of the French and South African regulatory frameworks pertaining to LBMP using the methodological framework developed using guidance from international best practice. Finally, based on lessons learnt from the comparative legal study, this study concludes with a set of recommendations for the South African context. / Thesis (LL.D.)--North-West University, Potchefstroom Campus, 2011.

Le transport maritime a connu, ces trente dernières années, une forte croissance qui a des conséquences sur le milieu marin sensible aux pollutions. Le droit maritime s'inscrit généralement dans une démarche attentiste construite en réaction aux catastrophes écologiques successives, et liée à la nécessaire conciliation des intérêts économiques des armateurs et de l'urgence des enjeux environnementaux. Le poids économique du transport maritime influe fortement sur les schémas décisionnels des Etats qui, dans leur triple fonction d'Etat côtier, Etat du port et/ou Etat du pavillon, sont souvent amenés à construire des régimes de complaisance en matières fiscale, économique, sociale et environnementale. Des mesures pourraient être proposées pour établir un équilibre au sein de l'OMI, et restaurer un lien substantiel et transparent entre les Etats, les flottes et les armateurs. De fait, le droit maritime moderne laisse place à d'autres acteurs qui interviennent dans les modes de gouvernance présidant à l'édiction et l'application du droit, notamment à travers les outils du lobbying. L'ouverture plus large du processus normatif et des voies de sanction/réparation à l'ensemble des parties prenantes pourrait garantir une meilleure intégration de la norme environnementale dans le droit du transport maritime. Si le dialogue avec les collectivités locales est rendu complexe par leur statut, à la fois victimes, acteurs et entraves au droit, la place accrue des ONG, aujourd'hui limitée dans le cadre juridictionnel international, serait le gage de la réalisation de ces objectifs, et notamment d'une meilleure effectivité du droit. / Sea transport has seen strong growth over the past 30 years, which impacts on the marine environment, an environment sensitive to pollution. Maritime law generally adheres to a wait-and-see approach, developed as a reaction to successive environmental disasters, and arising from a much-needed reconciliation of shipowners' economic interests and the pressing nature of environmental issues. The States' decision making process is strongly influenced by the economic importance of sea transport who, in their triple function of coastal State, port State and/or flag State are often driven to make legislations of convenience in tax, economic, social and environmental matters. Measures could be proposed to develop laws in order to establish a balance within the IMO, and restore a transparent and genuine link between States, fleets and shipowners. In fact, modern maritime law allows room, in particular through lobbying tools, for other parties who intervene on the enactment and implementation of the law ruled by governance procedures. This widening of the normative process and avenues for sanction/redress to all stakeholders could ensure a better integration of environmental standards in maritime law. If the dialogue with local authorities is complicated by their status, at the same time victims, actors and obstruction of rights, the development of NGOs, currently limited in the international jurisdictional framework, would guarantee these objectives are achieved, including a better effectiveness of the law. The experience gained in the field of a CIFRE thesis, within the legal department of Surfrider Foundation Europe illustrates and establishes these avenues of improvement.

A ativação do oxigênio molecular em suas espécies reativas é uma constante ameaça aos organismos fotossintéticos, uma vez que os cloroplastos são compartimentos celulares altamente susceptíveis ao estresse oxidativo. Sob condições normais, a geração de ERO nestas organelas é lenta e controlada, embora possa ser exacerbada pela exposição a xenobióticos e outros fatores de estresse ambiental. Como a intoxicação por metals poluentes é uma importante fonte de estresse oxidativo em sistemas biológicos, a resistência de organismos fotossintéticos ao estresse metálico deve ser dependente de adaptações bioquímicas que previnam o insulto oxidativo em seus cloroplastos. Com o intuito de investigar esta hipótese, os níveis de antioxidantes cloroplásticos e os padrões de indução da enzima SOD foram estudados no dinoflagelado marinho G. polyedra, sob diferentes modelos de estresse metálico. Primeiramente, os efeitos dos metals poluentes Hg2+, Cd2+, Pb2+ e Cu2+, sobre alguns aspectos fisiológicos deste dinoflagelado, foram avaliados por bioensaios de toxicidade. G. polyedra se mostrou altamente sensível a estes metals, os quais causaram aumentos significativos de mortalidade celular, alta frequência de flashes bioluminescentes e formação de cistos assexuais, em concentrações relativamente baixas. A escala de toxicidade encontrada foi Hg2+> Cu2+>Cd2+> Pb2+, de acordo com seus respectivos valores de CE50. O encistamento parece ser uma importante estratégia celular de resistência à toxicidade de metals, em particular a Pb2+ e Cu2+, uma vez que as células tratadas com estes metals foram capazes de retomar, parcial ou completamente, o estado fisiológico normal quando inoculadas em meio livre de metals tóxicos. Com base nos bioensaios de toxicidade, dois modelos de estresse metálico, crônico e agudo, foram estabelecidos e o balanço oxidativo, em cloroplastos isolados de G. polyedra, avaliado nestas condições experimentais. Diferentes respostas antioxidantes foram verificadas de acordo com o metal e o modelo de estresse aplicado. Em geral, células cronicamente expostas a metals exibiram aumentos de atividade das enzimas antioxidantes SOD e Apx, alto poder redutor e níveis reduzidos do carotenóide peridinina, enquanto nenhuma alteração foi observada quanto aos níveis de β-caroteno. Em contraste, células submetidas a estresse metálico agudo exibiram níveis dobrados de β-caroteno, embora nenhuma alteração significativa tenha sido observada para os demais antioxidantes. A correlação entre o tratamento agudo e a instalação de estresse oxidativo foi inferida pelo consumo de oxigênio exacerbado e menor poder redutor, observados em células expostas aos metals. Em decorrência do estado pró-oxidante, aumentos de lesões oxidativas sobre lipídeos e proteínas cloroplásticas foram detectados predominantemente em células sob tratamento agudo. Respostas específicas da enzima SOD também foram estudadas, observando-se um aumento dose-dependente em sua atividade, que ocorreu nas primeiras horas de exposição aos metals. Das três isoformas detectadas em G. polyedra, apenas FeSOD e MnSOD foram induzidas pelos metals, enquanto os níveis celulares de CuZnSOD não variaram significativamente, nas mesmas condições experimentais. Além da indução por metals, estas duas isoformas também mostraram ser sintetizadas circadianamente em G. polyedra. A isoforma FeSOD foi detectada em cloroplastos deste dinoflagelado e a clonagem parcial do seu cDNA codificador, realizada por técnicas baseadas em PCR. Análises preliminares de filogenia molecular com esta isoforma cloroplástica de G. polyedra indicaram uma alta similaridade com FeSOD cianobacteriana, corroborando a teoria endosimbiôntica para a origem dos cloroplastos modernos. Induções de FeSOD, por exposição aos metals poluentes, incluíram aumentos nos seus níveis de mRNA, revelando um controle transcricional positivo, inédito em G. polyedra. Com relação à oscilação circadiana desta isoforma cloroplástica, níveis constantes de transcritos de FeSOD foram detectados ao longo de 24 h, evidenciando um controle circadiano distinto, ao nível traducional. A partir das informações obtidas nesta tese, conclui-se que os metals poluentes avaliados são extremamente tóxicos a G. polyedra e capazes de induzir um estresse oxidativo em seus cloroplastos, especialmente sob condições agudas de exposição. Durante o estresse metálico crônico, entretanto, a manutenção de uma alta capacidade antioxidante, incluindo o aumento imediato da expressão da FeSOD, é uma estratégia relevante na atenuação das lesões oxidativas em lipídeos e proteínas, prevenindo possíveis danos estruturais e perda de funções cloroplásticas. Esta modulação de antioxidantes cloroplásticos sugere que a adaptação bioquímica de G. polyedra inclui respostas rápidas e específicas ao sítio subcelular onde o estresse oxidativo é instalado, processo este importante na resistência deste dinoflagelado à exposição a metals poluentes. As diferentes possibilidades de regulação da FeSOD, reveladas neste trabalho, salientam ainda a importância desta isoforma na manutenção do equilíbrio oxidativo cloroplástico durante adversidades ambientais e lançam novas perspectivas a respeito do controle de expressão gênica, em G. polyedra. O presente trabalho contribui, portanto, para o entendimento dos componentes bioquímicos e moleculares de processos adaptativos em algas. / Oxygen activation to reactive species is a constant threat to photosynthetic organisms since chloroplasts are cell compartments highly susceptible to oxidative stress. Although moderate at normal conditions, the ROS generating-processes in such organelles can be highly accelerated by xenobiotics and some other environmental factors. Because the intoxication with pollutant metals is an important source of oxidative stress in biological systems, resistance of photosynthetic organisms to metal stress might be dependent on biochemical adaptations that prevent oxidative insult within their plastids. To investigate such hypothesis, the oxidative balance of chloroplasts and the induction pattern of the antioxidant enzyme SOD were evaluated in the marine dinoflagellate G. polyedra, under different conditions of metal stress. At first, toxicity bioassays based on survival were carried out with G. polyedra cells exposed to the pollutant metals Hg2+, Cd2+, Pb2+ and Cu2+. Cell viability significantly decreased under exposure to these metals, which were also able to stimulate the frequency of bioluminescent flashes and induce encystment of this dinoflagellate. The toxicity scale found to G. polyedra was Hg2+> Cu2+>Cd2+> Pb2+, based on the EC50 values of each metal. Induction of resting cysts appears to be an important strategy for cell survival, particularly during Pb2+ and Cu2+ treatments, since cells partially or completely excysted within 96 h after metal removal from the media, respectively. Chronic and acute models of metal stress were applied, based on the toxicity bioassays, and the oxidative balance in isolated chloroplasts of G. polyedra examined. Different antioxidant responses were verified according to the metal and model of stress. Cells chronically exposed to metals exhibited high activity of the antioxidant enzymes SOD and Apx, high GSH content and reduced peridinin levels, whereas no significant changes were detected in the β-carotene content. In contrast, cells subjected to acute metal stress displayed twice as much β-carotene but only slight variation in SOD, Apx and peridinin levels. The correlation of acute metal treatment and oxidative stress was inferred from the higher oxygen uptake and decreased GSH pool found in treated cells. In addition, increased oxidative damage to proteins and lipids occurred mainly in cells under acute stress. The specific responses of SOD to pollutant metal stress were also examined. A dose-dependent induction of SOD activity was found in the first hours of metal treatment. Among the three SOD isoforms detected in crude extracts of G. polyedra, FeSOD and MnSOD were the inducible ones, while non-significant changes in CuZnSOD levels were verified. Furthermore, both isoforms displayed a circadian rhythm of synthesis in this dinoflagellate. The FeSOD isoform was detected in chloroplasts of G. polyedra, and the partial sequence of its cDNA obtained by PCR-based cloning techniques. Preliminary analysis of molecular phylogeny indicated that dinoflagellate and other plastid FeSOD are highly similar to cyanobacterial FeSOD, reinforcing the theory for the endosymbiotic origin of modem chloroplasts. Induction of FeSOD by metal exposure included increases in its mRNA levels, revealing a novel mechanism of positive transcriptional regulation in G. polyedra. In contrast, the mRNA levels of FeSOD remained constant through out the circadian cycle, indicating a distinct circadian control at the translational level. We described here that the pollutant metals analyzed are extremely toxic and able to induce oxidative stress in chloroplasts of G. polyedra, particularly under acute conditions. However, under chronic conditions of metal stress, the maintenance of a high antioxidant capacity, with increased FeSOD expression, is a relevant strategy to prevent structural damage and loss of chloroplastic functions as a consequence of oxidative insult. Such antioxidant modulation within chloroplasts suggests that biochemical adaptation in G. polyedra involve immediate and specific responses at the subcellular site where oxidative stress is triggered. This adaptive process could contribute to the overall resistance of this dinoflagellate to pollutant metal stress. Moreover, the distinct levels of regulation found for FeSOD indicate the important role of this isoform in the oxidative balance of chloroplasts, and provide new insight on gene regulation in G. polyedra. The present work provides the first steps in the elucidation of the biochemical and molecular components of adaptive processes in algae.