A contaminação de solos por derivados de petróleo é freqüente no Estado de São Paulo. Nesta tese estudaram-se dois métodos de remediação de solo contaminado por derivados de petróleo: a oxidação química e a biorremediação, em condições in-situ. Usou-se o benzeno como hidrocarboneto modelo em ensaios em laboratório. Nos tratamentos oxidativos comparou-se a ação dos reagentes oxidantes permanganato de potássio, peróxido de hidrogênio, reagente de Fenton (H2O2/ Fe+2) e pseudo-reagente de Fenton (H2O2/ solução de nutrientes) sobre o benzeno, e quando em contaminação conjunta com etanol, chumbo e cádmio. Os resultados mostraram que os tratamentos oxidativos foram mais efetivos que o processo espontâneo e que a capacidade dos reagentes testados de degradar benzeno foi equivalente. O tempo total para a degradação de benzeno em solo normal foi de cinco dias e no solo contaminado com metais o tempo foi de seis dias. O etanol retardou a degradação de benzeno no primeiro dia de aplicação dos oxidantes em todos os casos, sem alterar o tempo total para a degradação do benzeno. Os tratamentos oxidativos alteraram a lixiviação dos metais adicionados ao solo: aumentaram a lixiviação do chumbo, sendo quatro vezes maior para reagente de Fenton e reduziram a lixiviação do cádmio em cerca de 50 % em todos os casos. Para a biorremediação, procurou-se avaliar o efeito da concentração do contaminante sobre o tempo de tratamento. Foram estudadas concentrações de benzeno entre 4500 e 25000 ppm. Atingiu-se a biorremediação em no máximo 19 dias para todos os ensaios com adição de nutrientes. A adição de nutrientes foi considerada etapa essencial para a biorremediação. A constante de velocidade de biodegradação do benzeno em solo variou em função da concentração de benzeno inicial, mantendo-se aparentemente constante para concentrações abaixo 15000 ppm e com menor valor para 25000 ppm. / Soil contamination by oil and its derivatives is found at many sites in São Paulo, Brazil. Two remediation methods soil contaminated by benzene were studied in this Thesis. Firstly, the chemical oxidation and secondly bioremediation, both simulating in-situ conditions. Tests were carried out under laboratory conditions. In the oxidation tests a comparison among the efficiency of potassium permanganate, hydrogen peroxide, Fenton?s reagent (H2O2/ Fe+2) and pseudo Fenton?s reagent (H2O2/ nutrient solution) on the benzene oxidation was performed. Benzene oxidation was also studied varying the concentration of ethanol, lead and cadmium in the soil. Results indicated that reactants improved the oxidation rate of benzene in comparison to natural conditions. The oxidizing agents presented the same efficiency to oxidize benzene. The benzene was degraded under oxidizing conditions in five days, and when the soil was contaminated with metals this time was six days. In all tests, ethanol delayed the degradation of benzene in the first day, but the overall time to degrade benzene was not affected. Under the imposed oxidizing conditions lead in the lecheate increased in TLCP tests. Using the Fenton?s reagent the increase of lead concentration in the lecheate was 4 times greater under natural conditions. On the other hand, cadmium presented the opposite behavior, e.g., Cadmium concentration in the lecheate was decreased 50% for all oxidizing conditions. In the bioremediation tests the effect of benzene initial concentration over bioremediation process was investigated. Benzene concentration in the soil varied in the range of 4500 to 25000 ppm. In all tests using nutrient additions, benzene degradation was achieved in a period of 19 days at maximum. Consequenty the feed of nutrients to the soil was considered an important step in the bioremediation process. The benzene degradation constant rate did not changed using initial benzene concentrations up to 15000 ppm. A decrease in the benzene degradation constant rate was observed when the initial benzene concentration raised to 25000 ppm.

A exposição das plantas a estresses bióticos e abióticos pode levar ao aumento dos níveis de espécies ativas de oxigênio (EAOs) nas células, gerando estresse oxidativo. Dentre os causadores de estresses abióticos mais estudados, estão a salinidade e o cádmio (Cd). A salinidade pode causar um desequilíbrio de íons nas células, resultando estresse osmótico. Já o Cd gera distúrbios nutricionais, estruturais e bioquímicos, levando ao aumento de EAOs. Para combater este excesso, as plantas desenvolveram um complexo sistema de defesa que inclui mecanismos enzimáticos e não enzimáticos de desintoxicação. Os hormônios vegetais, como o etileno, controlam importantes vias do metabolismo celular, fazendo com que as plantas respondam de diferentes maneiras às condições de estresse. Fatores de estresse distintos podem resultar em respostas diferenciadas por parte das células e dos diferentes tecidos das plantas. O presente trabalho utilizou o tomateiro cv. Micro-Tom e seu mutante hormonal para etileno Never ripe (Nr) cultivados em solução nutritiva e submetidos aos estresses por 100 mM de NaCl e 0,5 mM de CdCl2 em coletas distintas (sete, 20 e 36 dias). Neste trabalho, as respostas das enzimas superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), glutationa redutase (GR), ascorbato peroxidase (APX) e guaiacol peroxidase (GPOX) foram analisadas. Além disso, outros parâmetros importantes como quantificação de Cd e Na, peroxidação lipídica, peróxido de hidrogênio (H2O2), análise do perfil protéico por SDS-PAGE e teor de clorofila foram avaliados. De acordo com os resultados, o Cd acumulou-se mais nas raízes, e o Na foi absorvido pela plantas e transportado até as folhas e frutos. O estresse provocado pelo Cd foi mais prejudicial ao desenvolvimento do MT, aumentando os níveis de H2O2 e MDA, assim como a atividade das enzimas antioxidantes. Alterações nos perfis protéicos dos tecidos submetidos aos tratamentos com Cd e Na também foram observadas. A absorção de Na pelos frutos foi elevada, alterando a atividade das enzimas antioxidantes. A enzima que mais apresentou aumento de atividade foi a GR, tanto em folhas quanto em raízes, nos três períodos analisados, sugerindo que essa enzima pode estar associada à síntese de fitoquelatinas (PCs) nos tecidos. Isso mostra que as enzimas antioxidantes agem de maneira particular, conforme o período de estresse ao qual as plantas estão submetidas, de maneira que a resposta antioxidante é dinâmica e particular a cada tecido da planta. / Plant exposure to abiotic and biotic stresses can lead to enhanced production of Reactive Oxygen Species (ROS) in cells, causing oxidative stress. Cadmium (Cd) and salt (NaCl) are among the most studied abiotic stresses. Salinity can cause ion disturb in the cell, resulting in osmotic stress. In the case of Cd, it can induce nutritional, structural and biochemistry changes, leading to increased ROS levels. Plants have developed efficient antioxidant systems to act against ROS, including a series of enzymatic and non-enzymatic detoxification mechanisms. Plant hormones, such as ethylene, can control important pathways, which may result in different manners for the plant to respond to stressful conditions. Different stress factors can result in different responses depending of plant cells and tissues. This work used the miniature tomato Micro-Tom and its hormonal mutant to ethylene counterpart, Never ripe (Nr), which were maintained in nutritional solution and submitted to 100 mM of Na Cl and 0.5 mM of CdCl2 for 7, 20 and 36 days. Antioxidant enzymes responses mainly by changes in activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), gluthathione reductase (GR), ascorbate peroxidase (APX) and guaiacol peroxidase (GPOX) were analyzed. Moreover, others important evaluation parameters such as Cd and Na quantification, lipid peroxidation, level of H2O2, SDS-PAGE and chlorophyll amount, were assessed. According to the results, Cd accumulated in roots while Na was uptaked and translocated to the leaves and fruits. The stress caused by Cd was the most damaging to MT plant development, increasing H2O2 and lipid peroxidation, as well as antioxidant enzymes activities. Alterations in SDS-PAGE protein profiles were also observed. The uptake of Na in fruits was high, modifying antioxidant enzymes activities. GR was the enzyme that exhibited the highest increase in activity in leaves and roots during all periods analyzed, suggesting that this enzyme can be related to phytochelatin synthesis (PCs) in tissues and/or increased glutathione synthesis. The results confirmed that the enzymes may respond differently depending on the tissue, organ, time length of exposure and concentrations of the stressful agent.

Neste trabalho realizamos um programa de seqüenciamento em larga escala de cDNAs obtidos de bibliotecas construídas a partir de mRNA de células de B. emersonii submetidas ao choque térmico e ao estresse por cádmio. Obtivemos 6350 seqüências expressas (ESTs) de alta qualidade, que representam 2326 seqüências únicas putativas (unigenes) do fungo. Destes unigenes putativos, 1282 genes foram classificados em pelo menos uma das categorias do Consórcio Gene Ontology (GO). A análise do transcriptoma parcial de B. emersonii determinado até o momento permitiu a identificação de 78 unigenes codificando chaperones moleculares de todas as famílias conhecidas. Para avaliarmos a expressão global dos genes em resposta a estresses ambientais, como o choque térmico e o cádmio, realizamos ensaios de microarranjos de DNA nestas condições de estresse. Observamos que em resposta ao choque térmico, B. emersonii induz a expressão de genes que codificam proteínas relacionadas com o enovelamento de proteínas e com a proteólise, o que seria esperado em condições de temperaturas elevadas, assim como genes que codificam proteínas com propriedades antioxidantes, além de proteínas envolvidas no metabolismo de nucleotídeos e no metabolismo de carboidratos. Em resposta ao estresse por cádmio, verificou-se a indução de genes que codificam principalmente proteínas com propriedades antioxidantes, proteínas envolvidas no metabolismo de aminoácidos, proteínas relacionadas com o transporte celular e proteínas envolvidas no enovelamento de proteínas e proteólise. Uma das conseqüências do estresse por cádmio é o aumento do estresse oxidativo e proteínas antioxidantes têm um papel fundamental na resposta a este tipo de estresse. Dentre os genes observados durante o seqüenciamento das ESTs de B. emersonii, observamos dez genes codificando proteínas distintas da família Hsp70. Nove genes hsp70 são expressos em pelo menos um dos estágios do desenvolvimento do fungo e sete apresentam uma indução significativa após o choque térmico. Estes dados sugerem que estes genes desempenham um papel importante durante o desenvolvimento e em resposta ao estresse térmico em B. emersonii. Outro dado interessante obtido neste trabalho foi o enriquecimento de ESTs que continham íntrons em sua seqüência nas bibliotecas de estresse. Portanto, o choque térmico e o estresse por cádmio em B. emersonii diminuem a eficiência de processamento dos íntrons permitindo sua caracterização. O cDNA da proteína Hsp17 foi o que apresentou o maior número de ESTs seqüenciadas nas bibliotecas de estresse. Experimentos de Northern blot indicaram que o gene hsp17 possui um nível de expressão muito baixo durante o ciclo de vida de B. emersonii, no entanto, como esperado sua expressão aumenta drasticamente quando as células de esporulação ou germinação são submetidas a choque térmico. Os níveis da proteína Hsp17 acompanham os níveis do seu mRNA, indicando que o controle da expressão do gene hsp17 deve ocorrer em nível de transcrição. / In this work we realized a large scale, sequencing program of cDNAs libraries obtained from mRNA of B. emersonii cells submitted to heat shock and cadmium stress. A total of 6350 high quality expressed sequence tags (ESTs) were obtained, representing 2326 unique putative genes (unigenes) of this fungus. From these putative unigenes, 1282 genes were classified at least in one of the three Gene Ontology Consortium (GO) categories. The analysis of the partial transcriptome of B. emersonii, determined until now, allowed the identification of 78 unigenes encoding molecular chaperones of all known protein families. To evaluate the global expression of the genes in response to environmental stresses, such as heat shock and cadmium, DNA microarray assays were performed. We observed that in response to heat shock B. emersonii induces the expreession of genes encoding proteins related to protein folding and proteolysis, as expected under high temperature conditions, as well as genes encoding proteins with antioxidant properties and proteins involved in nucleotide and carbohydrate metabolism. In response to cadmium stress, we mainly verified the induction of genes for proteins with antioxidant properties, proteins involved in amino acid metabolism, proteins related to cellular transport and proteins related to protein folding and proteolysis. One of the consequences of the exposure to cadmium is the increase of oxidative stress, and antioxidant proteins have a fundamental role in the response to this kind of injury. Amongst the genes observed during the B. emersonii EST sequencing program, ten genes encoding distinct proteins from the Hsp70 family were observed. Nine of them are expressed at least in one stage of the fungus development and seven genes presented a significant induction during heat shock treatment. These data suggest that the hsp70 genes perform an important role during development and in response to heat stress in B. emersonii. Another interesting result from this work was the enrichment of ESTs containing introns in the stress libraries. Thus, heat shock and cadmium stress decrease the efficiency of intron processing in B. emersonii, allowing for intron characterization. The cDNA for the Hsp17 protein presented the highest number of ESTs sequenced from the stress libraries. Northern blot experiments indicated that the hsp17 gene is expressed at very low levels throughout the life cycle of B. emersonii, however, as expected its expression increases drastically when sporulation or germination cells are submitted to heat shock. Hsp17 protein levels accompany its mRNA levels, indicating that the control of expression of the hsp17 gene occurs at a transcriptional level.

Este trabalho apresenta a pesquisa de interação de organismos aquáticos com metais, especificamente cobre e cádmio assim como da combinação deles. Para tanto, descreve-se um protocolo baseado em ensaios de toxicidade com tilápias Oreochromis niloticus, desenvolvido com a finalidade de estabelecer a concentração letal 50 (CL50) 96h. Como recurso adicional, focando a translocação de metais, foram utilizadas soluções enriquecidas isotopicamente de 65Cu (99,7%) e 111Cd (95,5%), as quais foram aplicadas através de injeções intraperitoneais. As concentrações dos metais nos tecidos e nas frações citosólicas do fígado, brânquias e músculo foram determinadas a partir dos extratos preparados em solução tampão tris-HCl 50 mmolL-1, agentes redutores e antiproteolíticos, na proporção 3:1 (m/v). Adicionalmente, foram determinados os teores de proteínas totais seguidos da etapa de isolamento das metalotioneínas. As concentrações letais (CL50) 96h calculadas pelo método Trimmed Spearman-Karber (95% de confiança), foram iguais a 20,13, 3,53 e 1,36 mg L-1 para cádmio, cobre e cobre+cádmio respectivamente. Estes valores indicam uma significativa diferença na sensibilidade dos organismos aos diferentes tratamentos. Observou-se uma redução na bioconcentração dos metais em função da concentração do metal e do tecido analisado, esta é maior para o Cu do que para o Cd e menor para o musculo em relação a brânquia e ao fígado. Os teores de proteínas totais nos tecidos foram determinados e os valores encontrados estiveram entre 3,25 mg/mL para fígados e 11,83 mg/mL para músculo. A presença de MTs nos diferentes tecidos e respectivos tratamentos, foi pesquisada empregando-se eletroforese capilar e separação de proteínas utilizando a eletroforese em gel de poliacrilamida. Por ambas as técnicas eletroforéticas foi possível identificar as metalotioneínas. Contudo, as análises dos extratos dos tecidos por espectrometria de massas, MALDI-TOF/TOF (matrix-assisted laser desorption/ionization) e ESI-MS (electrospray tandem mass spectrometry ) não mostraram-se adequadas para identificação de metalotioneínas / This paper discuss the interactions of Cd, Cu and it mixture upon aquatic organisms. To reach for these goals lethal 50 (LC50) acute toxicity 96h assays were carried out. In order to assess for the metals translocation in fish, isotopically enriched solutions of 65Cu (99,7%) and 111Cd (95,5%), were used, through an intra-peritoneal injections. Metals concentrations in tissue and in the citossolic fractions of liver, and muscular tissue were analysed in the 50 mmol-1 tris-HCl buffer solutions, reducing and un-proteolitic (3:1) solutions. In addition the total protein content were determinate, followed by the metalothyonein isolation. Lethal concentrations were calculated by the Spearman-Karber method at 95% confidence interval, as 20.13, 3.53 and 1.36 mgL-1 for Cd, Cu and Cd+Cu respectively, which denote differences in organisms sensitivity according to the treatment. Metal bio-concentration was reduced depending on the analyte concentration and kind of tissue, being higher to Cu than to Cd. Total protein concentration varied from 3.35 mg L-1 for liver to 11.83 mg L-1 in the muscular tissue. The occurrence of MTs in tissues and in all treatments were investigated by using both, capillary electrophoresis and gel of polyacrilamide. In all situations the occurrence and identification of Mts were verified, but even with MALDI-TOF/TOF (matrix-assisted laser desorption/ionization) and ESI-MS (electronspray tandem mass spectrometry), or actual instrumental facilities no satisfactory results were obtained, being not possible the identification of MTs in the analysed samples

Os fungos endofíticos são microrganismos que vivem no interior de tecidos ou órgãos dos vegetais, sem causar danos aos seus hospedeiros. Dentre as inúmeras características desses microrganismos está o seu potencial biorremediador Este trabalho teve como objetivo a avaliação do potencial biorremediador do endófito Mucor sp. isolado de Eichhornia crassipes (Mart.) (Pontederiaceae), verificando a tolerância e capacidade de absorção do metal pesado cádmio (Cd), os efeitos desse metal na morfologia celular e no sistema de defesa antioxidante do fungo, e também o comportamento da planta modelo Solanum lycopersicum cultivar Calabash Rouge, inoculada com o endófito na presença do metal cádmio. Os resultados apresentados indicaram que um fungo endofítico do gênero Mucor, isolado da macrófita aquática E. crassipes, oriunda de uma lagoa contaminada com metais pesados, apresentou resistência a altas concentrações do metal cádmio. Este fungo apresentou uma modificação na sua morfologia em altas concentrações do metal, além de possuir a capacidade de reter este metal, tanto no interior do seu citoplasma, quanto em sua parede celular, o que pode estar ligada a mecanismos de desintoxicação e sequestro de metais relacionados à formação de complexos Cd-GSH. O mesmo fungo também apresentou um aumento na relação GSH/GSSG nos tratamentos com o metal. Os resultados ainda demonstraram que o estresse causado pelo metal induziu a ativação de enzimas antioxidantes SOD, CAT e GR no isolado endofitico. Além disso, este endófito, quando inoculado em plantas de tomate (Solanum lycopersicum), aumentou a capacidade de absorção do metal na parte aérea desta planta, além de promover crescimento da mesma, nos tratamentos sem o metal, Desta forma o isolado endofítico (CM3) Mucor sp. mostrou um potencial biorremediador, podendo ser utilizado como ferramenta para diminuir os danos causados a saúde humana e ao meio ambiente pelos metais pesados, principalmente o metal cadmio, e também na promoção de crescimento de plantas / Endophytic fungi live in the interior of plant tissues or organs, without causing harm to their hosts. Among several interesting characteristics of these microorganisms, some of them present a good potential for bioremediation. This study aimed at assessing the bioremediation potential of endophytic fungus Mucor sp. isolated from a Eichhornia crassipes (Mart.) (Pontederiaceae), analyzing chemical absorption ability and fungal tolerance to the heavy metal cadmium (Cd), besides testing the effects of cadmium on the cell morphology, the antioxidant defense system of the fungus, and the behavior of model plant (Solanum lycopersicum) variety Calabash Rouge inoculated with a spore suspension of Mucor sp. in the presence of cadmium. The results indicated that the endophytic fungus isolated from a Eichhornia crassipes (Mart.) plant located in a lagoon contaminated with heavy metals showed resistance to high concentrations of cadmium. The isolated fungus was identified as Mucor sp. The morphology studies demonstrated the occurrence of modifications on the fungus when in high concentrations of the metal. Furthermore, it was possible to verify that the fungus has a capacity to retain metal, both in the cytoplasm and cell wall. This aspect can be linked to detoxification and sequestration mechanisms of metals related to formation of Cd-GSH complexes, since this fungus also presented increase of GSH/GSSG ratio in the treatments with metal. The results also demonstrated that the stress caused by cadmium induces the activation of antioxidant enzymes SOD, CAT and GR in Mucor sp.. Moreover, the inoculation of this fungus in tomato plants increased the biosorption capacity of the cadmium in aerial parts of the plant, besides promoting its growth in the treatments without the metal. Thus the endophytic isolate (CM3) Mucor sp. presented a promising potential as a bioremediator, which can be used as a tool for reducing the damage caused by heavy metals, especially cadmium, to human health and environment

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Pfaffia glomerata (Spreng) Pedersen, also known as Brazilian ginseng, has been used in popular medicine due to its important medicinal qualities. This study aims to characterize the nutrient needs of P. glomerata, (Chapter 1) as well as to assess the tolerance of this plant to high levels of cadmium in the substrate (Chapter 2). P. glomerata plants produced in vitro and acclimatized ex vitro were used as initial material. In Chapter 1, three (3) experiments are described. In the first experiment, under greenhouse conditions, young plants of P. glomerata were cultivated in Paleudalf soil with different treatments for fertilization: control (without fertilization), complete fertilization (with macro and micronutrients) and the individual omissions of N, P, K, Ca, Mg, S and micronutrients (Zn, B, Cu, Fe, Mn and Mo). In the second experiment, in greenhouse, the plants were submitted to twenty-seven (27) treatments of fertilization in complete trifactorial system (3x3x3), represented by a combination of three levels (40, 80 e 120 mg kg-1) of N, P and K in the fertilization, using the same soil as substrate. In the third experiment, under open field conditions, six (6) treatments involving the combination of two levels (50 e 100 kg ha-1) of N, P and K in the fertilization in two periods of cultivation, sixteen (16) and six (6) months, were evaluated respectively. It was observed in the fertilization in the experiment with the missing nutrient technique that the young plants of P. glomerata showed great decrease in biomass growth as well as in the macro and micronutrients by the omission of the nutrients N, K, S and P. In the second experiment, in greenhouse, the production of biomass by different organs of the plant responded differently to the triple interaction of NPK fertilizations, in which the dosages of maximum technical efficiency estimated (DMET) to the fertilizations of N, P and K in the production of total biomass of the plant were 60, 120 and 80 mg kg-1 respectively. In the open field, the NPK fertilization affected the production of biomass of the organs of the plants in different ways in 16 months of cultivation. In order to have a greater accumulation of mineral nutrients in the tissues of P. glomerata and a possible relation to the accumulation of active principles of medicinal interests, the plants should be collected after six (6) months of field cultivation. In the study described in Chapter 2, an experiment with seedlings of Pfaffia glomerata cultivated under the hydroponic system with five levels of cadmium (Cd) (0, 20, 40, 60 e 80 μm) was carried out during seven days. Those plants demonstrated an increase in the content of Cd in the roots and shoots. The total biomass was reduced significantly in 80 μM of Cd. The activity of the ALA-D (delta-aminolevulinic acid dehydratase) and AP (acid phosphatase) was reduced with the levels of Cd. The reduction in the activity of ALA-D was accompanied by the content of chlorophyll. Enzymatic antioxidants, such as catalase and ascorbate peroxidase, as well as non-enzymatic antioxidants like ascorbic acid and non-protein thiol groups had an important role in the detoxification of effects induced by Cd in the roots and shoot of the seedlings of P. glomerata. / A Pfaffia glomerata (Spreng) Pedersen, conhecida como ginseng brasileiro, tem sido utilizada na medicina popular em função de suas importantes qualidades medicinais. O estudo teve por objetivo caracterizar as necessidades nutricionais da P. glomerata (Capítulo 1), bem como avaliar a tolerância dessa planta a altos níveis de cádmio no substrato (Capítulo 2). Plantas de P. glomerata produzidas in vitro e aclimatizadas ex vitro foram usadas como material inicial. No estudo referente ao Capítulo 1, três experimentos foram realizados. No primeiro experimento, sob condições de casa de vegetação, plantas jovens de P. glomerata foram cultivadas em Argissolo Vermelho distrófico arênico com diferentes tratamentos de adubação: controle (sem adubação), adubação completa (com macro e micronutrientes) e as omissões individuais de N, P, K, Ca, Mg, S e dos micronutrientes (Zn, B, Cu, Fe, Mn e Mo). No segundo experimento, ainda em casa de vegetação, plantas foram submetidas a 27 tratamentos de adubação, em esquema trifatorial completo (3x3x3), representados pela combinação de três níveis (40, 80 e 120 mg kg-1) de N, de P e de K na adubação, utilizando o mesmo solo como substrato. No terceiro experimento, sob condições de cultivo a campo foram avaliados seis tratamentos constituídos da combinação de dois níveis (50 e 100 kg ha-1) de N, de P e de K na adubação, em duas épocas de cultivo, 16 e 6 meses, respectivamente. No experimento com a técnica do nutriente faltante, verificou-se que plantas jovens de P. glomerata apresentaram maior redução em biomassa, bem como nos teores de macro e micronutrientes, pela omissão de N, K, S e P. No segundo experimento, ainda em casa de vegetação, a produção de biomassa pelos diferentes órgãos da planta respondeu distintamente à interação tripla das adubações NPK, onde as doses de máxima eficiência técnica estimada com as adubações de N, P e K e a produção de biomassa total da planta, foram de, respectivamente, 60, 120 e 80 mg kg-1. No cultivo a campo, a adubação NPK afetou distintamente a produção de biomassa dos órgãos das plantas com 16 meses de cultivo. Para uma maior acumulação de nutrientes minerais nos tecidos de P. glomerata e uma possível relação com o acúmulo de princípios ativos de interesse medicinal, as plantas devem ser coletadas após os 6 meses de cultivo a campo. No estudo referente ao Capítulo 2, um experimento foi realizado com plântulas de Pfaffia glomerata cultivadas sob sistema hidropônico, com cinco níveis de cádmio (Cd) (0, 20, 40, 60 e 80 μM), durante 7 dias. Essas plantas apresentaram aumento no conteúdo de Cd nas raízes e parte aérea. A biomassa total foi apenas reduzida significativamente a 80μM de Cd. A atividade da ALA-D (Ácido delta aminolevulínico desidratase) e da AP (fosfatase ácida) foram reduzidas com os níveis de Cd. A redução na atividade da ALA-D foi acompanhada pelo conteúdo de clorofila. Os antioxidantes enzimáticos, como a catalase e a ascorbato peroxidase, bem como antioxidantes não enzimáticos, como o ácido ascórbico e os grupos tióis não protéicos, tiveram um papel chave na destoxificação de efeitos induzidos pelo Cd nas raízes e parte aérea das plântulas de P. glomerata.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work demonstrates the determination of the crystalline/molecular structure of three cadmium (II) complexes with monocatenated triazenes ligands previously deprotonated and the structures crystalline/molecular of two free triazenes compounds. The complex Cd[FC6H4NNNC6H4F]2(C5H5N)2 (1) crystallizes in orthorrombic system, space group Iba2 with cell parameters a = 9.835(3)Å , b = 19.229(2)Å, c = 16.750(6)Å; V = 3167.6(15) Å3; Z = 4. The refinement of this structure converge to the discordance indexes R1 = 0.0214, wR2 = 0.0498. Two deprotonated triazenes ligands and two pyridine molecules form the coordination sphere of cadmium (II) ion. Intermolecular interactions type C−H...F are observed in this structure given rise molecular chains at the [001] crystallographic direction. The complex [CdFC6H4NNNC6H4NO2)2(C5H5N)2] (2) crystallizes in monoclinic system, space group P21/c with cell parameters a = 9.87830(10) Å, b =15.9648(2) Å, c = 22.0289(4) Å, β = 98.4200(5)°; V = 3436.62(8) Å3; Z = 4. The refinement of this structure converge to the discordance indexes R1 = 0.0281, wR2 = 0.0671. The coordination sphere of cadmium ion is similar to the complex (1). The molecules of (2) develop a tridimensional polymeric chains binding by intermolecular non-classics hydrogen bonds type C−H...O. The complex {Cd[O2NC6H4NNNC6H4NO2]2[(CH3)2NCHO]2} (3) crystallizes in triclinic system, space group P1, with cell parameters a = 10.7478(10)Å, b = 12.2886(2)Å, c = 13.9390(2)Å, α = 84.2884(5)°, β = 83.0651(5)°, γ = 87.2919(8)°; V = 1817.30(4) Å3; Z = 2. The refinement of the structure converge to the follow discordance indexes R1 = 0.0216, wR2 = 0.0528. We observe in this complex a similar coordination sphere to complexes (1) and (2) but the pyridine molecules are substituted by two molecules of dimethylformamide. The molecules of the complexes form molecular chains developing a extended tridimensional supramolecular arrangement (3D) binding by intermolecular non-classics hydrogen bonds C−H...O. The triazene compound CH3CH2O(CO)C6H4N(H)NN-C6H4F (4) crystallizes in monoclinic system, space group C2/c, with cell parameters a = 11.229(2) Å, b = 11.737(3) Å, c = 22.173(4) Å, β = 98.410(16)°; V = 2890.9(10) Å3; Z = 8. The refinement of the structure converge to the discordance indexes R1 =0.0528, wR2 = 0.1348. The crystalline structure of (4) shows molecular chains binding by classics hydrogen bonds N−H...O, which related by operations of symmetry given rise a bidimensional supramolecular arrangement (2D) by non-classics hydrogen bonds C−H...O. The triazene compound C6H5NNN(OH)C6H4(CO)O-CH2CH3 (5) crystallizes in orthorrombic system, space group Pbca, with cell parameters a = 12.287(2) Å, b = 11.499(2) Å, c = 19.762(4) Å; V = 2792.1(9) Å3; Z = 8. The refinement of the structure converge to the discordance indexes R1 = 0.0425, wR2 = 0.0998. In a similar way that the previous structure (4), the triazene (5) shows molecular chains binding by classics hydrogen bonds N−H...O and non-classics hydrogen bonds C−H...O which related by operations of symmetry arising a bidimensional supramolecular arrangement (2D). / Este trabalho apresenta a determinação da estrutura cristalina/molecular de três complexos de cádmio(II) com ligantes triazenos monocatenados previamente desprotonados e as estruturas cristalinas/moleculares de dois compostos triazenos livres. O complexo Cd[FC6H4NNNC6H4F]2(C5H5N)2 (1) cristaliza no sistema ortorrômbico, grupo espacial Iba2 com parâmetros de cela a = 9,835(3)Å , b = 19,229(2)Å, c = 16,750(6)Å; V = 3167,6(15) Å3; Z = 4. O refinamento desta estrutura convergiu aos índices de discordância R1 = 0,0214, wR2 = 0,0498. A esfera de coordenação do íon cádmio(II) é formada por dois ligantes triazenos desprotonados e duas moléculas de piridina. Interações intermoleculares do tipo C−H...F são observadas nesta estrutura originando cadeias de moléculas orientadas na direção cristalográfica [001]. O complexo [Cd(FC6H4NNNC6H4NO2)2(C5H5N)2] (2) cristaliza no sistema monoclínico, grupo espacial P21/c com parâmetros de cela a = 9,87830(10) Å, b = 15,9648(2) Å, c = 22,0289(4) Å, β = 98.4200(5)°; V = 3436,62(8) Å3; Z = 4. O refinamento desta estrutura convergiu aos índices de discordância R1 = 0,0281, wR2 = 0,0671. A esfera de coordenação do íon cádmio(II) é semelhante a do complexo (1). As moléculas de (2) originam cadeias poliméricas tridimensionais através de ligações de hidrogênio intermoleculares não-clássicas do tipo C−H...O. O complexo {Cd[O2NC6H4NNNC6H4NO2]2[(CH3)2NCHO]2} (3) cristaliza no sistema triclínico, grupo espacial P1, com parâmetros de cela a = 10,7478(10)Å, b = 12,2886(2)Å, c = 13,9390(2)Å, α = 84,2884(5)°, β = 83,0651(5)°, γ =87,2919(8)°; V = 1817,30(4) Å3; Z = 2. O refinamento da estrutura convergiu aos índices de discordância R1 = 0,0216, wR2 = 0,0528. A esfera de coordenação do íon cádmio(II) assemelha-se as dos complexos (1) e (2), porém as moléculas de piridina são substituídas por duas moléculas de dimetilformamida. As moléculas do complexo formam cadeias moleculares originando um arranjo supramolecular tridimensional estendido (3D) através de ligações de hidrogênio não-clássicas intermoleculares C−H...O. O composto triazeno CH3CH2O(CO)C6H4N(H)NN-C6H4F (4) cristaliza no sistema monoclínico, grupo espacial C2/c, com parâmetros de cela a = 11,229(2) Å, b = 11,737(3) Å, c = 22,173(4) Å, β = 98,410(16)°; V = 2890,9(10) Å3; Z = 8. O refinamento da estrutura convergiu aos índices de discordância R1 =0,0528, wR2 = 0,1348. A estrutura cristalina de (4) revela cadeias moleculares unidas por ligações de hidrogênio clássicas N−H...O, que se relacionam por operações de simetria formando um arranjo supramolecular bidimensional (2D) em função das ligações de hidrogênio não-clássicas C−H...O. O composto triazeno C6H5NNN(OH)C6H4(CO)O-CH2CH3 (5) cristaliza no sistema ortorrômbico, grupo espacial Pbca, com parâmetros de cela a = 12,287(2) Å, b = 11,499(2) Å, c = 19,762(4) Å; V = 2792,1(9) Å3; Z = 8. O refinamento da estrutura convergiu aos índices de discordância R1 = 0,0425, wR2 = 0,0998. De forma semelhante à estrutura anterior (4), o composto (5) forma cadeias moleculares unidas por ligações de hidrogênio clássicas N−H...O e não-clássicas C−H...O que se relacionam por operações de simetria formando um arranjo supramolecular bidimensional (2D).

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No. of bitstreams: 1 TeseAEM.pdf: 3699711 bytes, checksum: 3b2fdf705faaa9314eeacec123aa76fd (MD5) Previous issue date: 2017-06-09 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / In aquatic environments, phytoplankton consists mostly of photosynthetic microorganisms that serve as the basis of food chains. However, besides photoautotrophy, it is widely reported in the literature that many microalgae can take up dissolved organic matter present in the environment concomitantly with the photosynthesis, a metabolic pathway known as mixotrophy. Little is known about the ecophysiology of mixotrophy in microalgae, and almost all studies are focused on the use of this metabolic pathway to increase the production of algal biomass and stimulate the production of specific biomolecules. Another important issue, considering the current anthropic activity, is that most of the contaminants eliminated in aquatic environments, such as metals and nanoparticles, affect the phytoplankton. However, so far, no ecotoxicological study involving mixotrophic metabolism was found in the literature. To better understand mixotrophy in microalgae, this work chose the chlorophycean freshwater Chlorella sorokiniana as test organism. We divided the study into two parts: the first focused on the physiological/biotechnological interest through the study of growth, photosynthetic parameters, changes in cellular volume, and production of biomolecules (proteins, carbohydrates and lipids); the second part focused on the ecotoxicological effects of cadmium (Cd) and titanium dioxide nanoparticles (NPs-TiO2). To stimulate mixotrophy, glucose (1.0 g.L-1 or 5 x 10-3 mol.L-1) was used as the organic carbon source. The results showed that during mixotrophy, the microalga C. sorokiniana presented higher population growth and production of biomolecules, such as chlorophyll a and lipids, when compared to photoautotrophic cultures. It was also observed that the photosynthetic parameters were affected by mixotrophy, although they did not interfere in the growth of the microalga, and that the presence of bacteria in the cultures acted as a stimulant factor in the production of algal biomass. Regarding the ecotoxicological effects of contaminants, microalgae in mixotrophy were more resistant to both Cd and NPs-TiO2 than those in photoautotrophy, but with changes in the biochemical composition what can affected the energy transfer in the environment. In general, we can conclude that mixotrophy should be considered in studies with phytoplankton, since aquatic environments present a myriad of organic carbon that can be used by these microorganisms. As general conclusions, we can mention that organic carbon acted as an extra source of structural carbon and energy for microalgae, not necessarily relying solely on photosynthesis to survive, so stimulating the growth and production of biomolecules of biotechnological interest, and increased cellular viability in environments contaminated with metals and nanoparticles. This study is a contribution to the understanding of mixotrophy and photoautotrophy metabolisms in a freshwater Chlorophyta with biotechnological potential. / Nos ambientes aquáticos, o fitoplâncton é formado basicamente de microrganismos fotossintetizantes que servem como base das cadeias alimentares. Entretanto, além da fotoautotrofia, é vastamente citado na literatura que muitas microalgas alimentam-se de matéria orgânica dissolvida presente no ambiente concomitantemente à realização da fotossíntese, uma via metabólica conhecida como mixotrofia. Sabe-se pouco sobre a ecofisiologia em metabolismo mixotrófico nas microalgas, sendo os estudos, em sua quase totalidade, voltados ao uso dessa via metabólica para aumentar a produção de biomassa algal e estimular a produção de biomoléculas específicas. Outra questão importante, considerando a atividade antrópica atual, é que a maioria dos contaminantes eliminados nos ambientes aquáticos, como metais e nanopartículas, são estudados em fitoplâncton sob metabolismo fotoautotrófico, não sendo encontrados trabalhos ecotoxicológicos envolvendo o metabolismo mixotrófico na literatura. Para entender melhor o metabolismo algal em mixotrofia, este trabalho escolheu a microalga Chlorophyta de água doce Chlorella sorokiniana como organismo-teste. Para melhor organizá-lo, foi dividido em duas partes: a primeira focou no interesse fisiológico/biotecnológico através do estudo do crescimento, parâmetros fotossintéticos, volume celular, e produção de biomoléculas (proteínas, carboidratos e lipídeos); a segunda parte focou nos efeitos ecotoxicológicos de cádmio (Cd) e de nanopartículas de dióxido de titânio (NPs-TiO2). Para estimular a mixotrofia, glicose (1.0 g.L-1 ou 5 x 10-3 mol.L-1) foi utilizada como fonte de carbono orgânico. Os resultados mostraram que durante a mixotrofia, a microalga C. sorokiniana apresentou maiores crescimento populacional e produção de biomoléculas, como clorofila a e lipídeos, quando comparada com as culturas em fotoautotrofia. Também foi observado que os parâmetros fotossintéticos foram afetados em mixotrofia, porém não interferindo no crescimento da microalga, e que a presença de bactérias pode ter atuado como fator estimulante na produção de biomassa algal. Em relação aos efeitos ecotoxicológicos dos contaminantes, as microalgas em mixotrofia foram mais resistentes tanto ao Cd quanto às NPs-TiO2 do que em fotoautotrofia, porém com mudanças na composição bioquímica, podendo afetar a transferência de energia nos ecossistemas aquáticos. De modo geral, podemos concluir que a mixotrofia deve ser considerada em estudos com fitoplâncton, visto que os ambientes aquáticos apresentam uma miríade de fontes de carbono orgânico para esses microrganismos. Na mixotrofia, o carbono orgânico funciona como uma fonte extra de carbono estrutural e de energia para as microalgas, não dependendo obrigatoriamente somente da fotossíntese para sobreviver, estimulando o crescimento e produção de biomoléculas de interesse biotecnológico, além de aumentar a viabilidade celular em ambientes contaminados tanto com Cd quanto com NPs-TiO2. Este estudo é uma contribuição ao entendimento dos metabolismos mixotróficos e fotoautotróficos em uma Chlorophyta de água doce com potencial biotecnológico. / CNPq: 302175/2015-6 / FAPESP: 2014/15894-0

A poluição ambiental por metais pesados tem aumentado muito devido às ações antropogênicas tais como as atividades industriais e o uso de fertilizantes fosfatados na agricultura. Entre os metais tóxicos encontrados no meio ambiente, o cádmio (Cd) é um dos que apresenta maior interesse clínico, uma vez que as intoxicações por esse metal são de difícil tratamento. O Cd pode afetar vários órgãos como o fígado, rins, pulmões, ovários, ossos, testículos e cérebro. A toxicologia do Cd é extremamente complexa e tem sido amplamente estudada, mas ainda não está completamente esclarecida. Sendo assim, o objetivo da presente tese foi investigar os efeitos da intoxicação por Cd sobre parâmetros comportamentais e memória, bioquímicos, hematológicos e a bioacumulação desse metal em diferentes tipos celulares de ratos expostos ao cloreto de Cd (CdCl2) ou ao Cd proveniente de batatas contaminadas, e ainda utilizar o antioxidante N-acetilcisteína (NAC) no tratamento deste tipo de intoxicação buscandose avaliar o seu possível efeito protetor. Para tal, foram realizados dois experimentos: a) ratos machos Wistar adultos foram expostos oralmente a 2 mg/kg de Cd e/ou 150 mg/kg de NAC, um dia sim e outro não, durante um período experimental de 30 dias; b) ratos machos Wistar recém desmamados ingeriram, durante 5 meses, dieta a base de bolo contendo 1, 5 ou 25 mg/kg de CdCl2 ou Cd presente em tubérculos de batatas crescidas na presença de 10 μM de CdCl2. A partir desses experimentos pode-se concluir que: a) A intoxicação por CdCl2 causa aumento na concentração de Cd nas estruturas cerebrais (cerebelo, estriado, hipotálamo, hipocampo e córtex cerebral), nos níveis de peroxidação lipídica e na atividade da enzima AChE nas diferentes estruturas cerebrais estudadas ocasionando prejuízos à memória dos ratos. Além disso, a NAC é capaz de diminuir os níveis de peroxidação lipídica e subsequentemente restaurar a atividade da AChE modulando assim, a neurotransmissão colinérgica e melhorando os processos cognitivos. Sendo assim, sugere-se que a NAC possa ser um fármaco promissor em terapias alternativas contra a neurotoxicidade induzida pelo Cd; b) A exposição ao CdCl2 promove um aumento na concentração de Cd no plasma, baço e timo, causa danos hematológicos, não altera a atividade da enzima NTPDase em linfócitos, diminui a atividade da AChE em linfócitos e sangue total bem como da BChE em soro de ratos. Além disso, a NAC foi eficaz em diminuir os efeitos danosos do Cd provavelmente por diminuir os níveis de Cd nos órgãos linfóides, reverter ou amenizar os danos hematológicos e relacionados aos leucócitos mesmo sem alterar a atividade das enzimas colinesterases; c) O CdCl2 aumenta a hidrólise de nucleotídeos de adenina em sinaptossomas de córtex cerebral e diminui em plaquetas de ratos. Provavelmente, o aumento na atividade das enzimas NTPDase e 5’-nucleotidase no SNC causado pelo Cd seja uma resposta compensatória do organismo uma vez que a rápida hidrólise de ATP e ADP favorece a produção de adenosina, uma molécula neuroprotetora. Por outro lado, em plaquetas o Cd causou uma diminuição na atividade da NTPDase e, não alterou a atividade da 5’-nucleotidase sugerindo que a possível elevação no nível de ATP e ADP conduza a um estado hipercoagulável nos ratos intoxicados por esse metal. Além disso, a NAC restaura a atividade dessas enzimas no SNC, mas não apresenta interferência sobre elas em plaquetas; d) A dieta prolongada com CdCl2 ou com Cd proveniente de batatas contaminadas ocasiona aumento no comportamento de ansiedade e prejuízo à memória de ratos o que provavelmente, seja resultado de uma concentração aumentada de Cd e de uma atividade aumentada da AChE e diminuída da Na+,K+-ATPase em diferentes estruturas cerebrais devido a esse metal. Em linhas gerais, os resultados obtidos na presente tese demonstram que apesar de todos os mecanismos propostos pelos quais o Cd poderia afetar o comportamento continuarem a gerar controvérsia, é evidente que a exposição ao CdCl2 tanto a curto quanto a longo prazo, bem como ao Cd proveniente de batatas contaminadas interfere nas funções cerebrais aumentando a concentração de Cd, diminuindo ou aumentando a atividade da AChE, aumentando a lipoperoxidação bem como diminuindo a atividade da Na+,K+-ATPase em diferentes estruturas cerebrais, consequentemente sendo prejudicial ao comportamento animal, como memória e ansiedade. O Cd afeta sistematicamente o organismo dos animais estando presente tanto no plasma, quanto nos órgãos linfóides e no encéfalo alterando, assim, a atividade das enzimas NTPDase, 5’-nucleotidase, AChE e BChE de diferentes tipos celulares. Além disso, a NAC é capaz de reverter ou amenizar vários efeitos danosos causados pelo Cd sugerindo que este fármaco possa ser considerado após estudos adicionais um importante aliado em terapias contra a intoxicação por esse metal. / The environmental pollution by heavy metals has increased greatly due to anthropogenic activities such as industrial activities and the use of phosphate fertilizers in agriculture. Among the toxic metals found in the environment, cadmium (Cd) is a metal that presents the greatest clinical interest, since poisoning by this metal is difficult to treat. Cd may affect various organs such as liver, kidneys, lungs, ovaries, bones, testes and brain. The toxicology of Cd is extremely complex and has been widely studied, but it is not yet fully elucidated. Therefore, the objective of this thesis was to investigate the effects of Cd intoxication on memory as well as behavioral, biochemical, hematological and bioaccumulation parameters of this metal in different cell types of rats exposed to Cd chloride (CdCl2) or Cd from contaminated potatoes. Also, we investigated the antioxidant N-acetylcysteine (NAC) in the treatment of this type of poisoning seeking to evaluate its possible protective effect. Two experiments were performed: i) adult male Wistar rats were exposed orally to 2 mg/kg Cd and/or 150 mg/kg NAC, every other day for 30 days; ii) weaned male Wistar rats fed for 5 months, cake-based diet containing 1, 5 or 25 mg/kg CdCl2 or Cd present in tubers of potatoes grown in the presence of 10 μM of CdCl2. From these experiments we conclude: Firstly, CdCl2 intoxication caused an increase in the Cd concentration in brain structures (cerebellum, striatum, hypothalamus, hippocampus and cerebral cortex), in the levels of lipid peroxidation, and in the AChE activity of different brain structures studied causing damage to memory of rats. NAC was able to reduce the levels of lipid peroxidation and subsequently restore the AChE activity, modulating thereby the cholinergic transmission and improving the cognitive processes. Thus, NAC may be a promising drug for alternative therapies against neurotoxicity induced by Cd. Secondly, the exposure to CdCl2 increased the Cd concentration in plasma, spleen and thymus, caused damages in the hematological parameters, did not alter the NTPDase activity in lymphocytes as well as decreased the AChE activity in lymphocytes and whole blood and the BChE activity in serum of rats. NAC was effective in reducing the harmful effects of Cd probably by decreasing the levels of Cd in the lymphoid organs, reversing or minimizing the hematological damage and related to leukocytes even without changing the activity of cholinesterases. Thirdly, CdCl2 increases the hydrolysis of adenine nucleotides in synaptosomes of cerebral cortex and decreases in platelets of rats. The increase in the NTPDase and 5'-nucleotidase activities in CNS caused by Cd could be a compensatory response of the organism since the rapid hydrolysis of ATP and ADP favors the production of adenosine, a neuroprotective molecule. On the other hand, Cd decreased the NTPDase activity and did not alter 5'-nucleotidase activity in platelets suggesting that the possible increase in the ATP and ADP levels could lead to a hypercoagulable state in rats intoxicated with this metal. NAC restores the activity of these enzymes in the CNS, but had no interference in platelets. Finally, the prolonged diet with CdCl2 or Cd from contaminated potatoes resulted in an increased anxiety-like behavior and damaged memory of rats which was likely to be a result of the increased concentration of Cd, the increased AChE activity and decreased Na+,K+-ATPase activity in the different brain structures studied. In general, the results obtained in this thesis show that despite all the proposed mechanisms by which Cd could affect the behavior still generate controversy, it is clear that the exposure to CdCl2 at both short and long terms as well as to Cd from contaminated potatoes interferes the brain function by increasing Cd concentration, decreasing or increasing the AChE activity, increasing lipid peroxidation and decreasing Na+,K+-ATPase activity in several brain structures, thus being detrimental to the animal behavior influencing memory and anxiety. Cd affected systematically the animal body since it is present in plasma, lymphoid organs and brain, changing the activity of the enzymes NTPDase, 5'-nucleotidase, AChE and BChE of different cell types. In addition, NAC was able to reverse or ameliorate several deleterious effects caused by Cd suggesting that this drug may be, after additional studies, considered an important factor in therapies against intoxication by this metal.