Sviluppo dei materiali innovativi e studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici

Nell’ambito della Chimica Sostenibile e dell’applicazione dei suoi principi per la salvaguardia dell’ambiente, il progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di materiali innovativi e lo studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici. In particolare l’attività si è focalizzata sulla sintesi di liquidi ionici ed indagini delle interazioni con membrane cellulari e sull’utilizzo ed isolamento di molecole da fonti rinnovabili. I liquidi ionici sono sali organici liquidi a temperature inferiori ai 100 °C; sono considerati promettenti solventi a ridotta tossicità, ma vanno chiarite a pieno le modalità di interazione con i sistemi biologici ed i meccanismi di tossicità. A questo scopo è stata impiegata una batteria di test bio-chimici, con saggi di fluorescenza e colorimetrici, che hanno permesso di discriminare le diverse tipologie di interazioni con varie strutture di membrana. Le informazioni raccolte sono servite per progettare sostanze meno dannose per le strutture cellulari, al fine di scegliere le funzionalità molecolari che consentano ai liquidi ionici di mantenere la loro attività ma di essere meno dannosi per l’ambiente. Per quanto riguarda l’utilizzo ed isolamento di molecole da fonte rinnovabili, si è utilizzata la tecnica della pirolisi per l’ottenimento di starting materials ed il loro impiego nella sintesi di chemicals in alternativa a composti derivanti da fonti fossili. La pirolisi tradizionale della cellulosa fornisce una molecola interessante, per semplicità denominata LAC, in quantità insufficienti ad un uso applicativo. Nell’ambito delle ricerche svolte è stato scoperto che la pirolisi condotta in presenza di catalizzatori meso-strutturati (MCM-41) drogati con metalli di transizione, fornisce buone quantità di LAC. LAC si è dimostrato promettente sia per la produzione di nuove molecole con possibili applicazioni nella chimica fine e farmaceutica, che come monomero per nuovi polimeri (copolimero ed omopolimero).

Hybrid portable systems for bio-nanosensors

The promising development in the routine nanofabrication and the increasing knowledge of the working principles of new classes of highly sensitive, label-free and possibly cost-effective bio-nanosensors for the detection of molecules in liquid environment, has rapidly increased the possibility to develop portable sensor devices that could have a great impact on many application fields, such as health-care, environment and food production, thanks to the intrinsic ability of these biosensors to detect, monitor and study events at the nanoscale. Moreover, there is a growing demand for low-cost, compact readout structures able to perform accurate preliminary tests on biosensors and/or to perform routine tests with respect to experimental conditions avoiding skilled personnel and bulky laboratory instruments. This thesis focuses on analysing, designing and testing novel implementation of bio-nanosensors in layered hybrid systems where microfluidic devices and microelectronic systems are fused in compact printed circuit board (PCB) technology. In particular the manuscript presents hybrid systems in two validating cases using nanopore and nanowire technology, demonstrating new features not covered by state of the art technologies and based on the use of two custom integrated circuits (ICs). As far as the nanopores interface system is concerned, an automatic setup has been developed for the concurrent formation of bilayer lipid membranes combined with a custom parallel readout electronic system creating a complete portable platform for nanopores or ion channels studies. On the other hand, referring to the nanowire readout hybrid interface, two systems enabling to perform parallel, real-time, complex impedance measurements based on lock-in technique, as well as impedance spectroscopy measurements have been developed. This feature enable to experimentally investigate the possibility to enrich informations on the bio-nanosensors concurrently acquiring impedance magnitude and phase thus investigating capacitive contributions of bioanalytical interactions on biosensor surface.

Molecular and functional characterization of the chemotactic genes in the PCBs-degrader Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707

Although bacteria represent the simplest form of life on Earth, they have a great impact on all living beings. For example the degrader bacterium Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 is used in bioremediation procedures for the recovery of polluted sites. Indeed, KF707 strain is know for its ability to degrade biphenyl and polychlorinated biphenyls - to which is chemotactically attracted - and to tolerate the oxydative stress due to toxic metal oxyanions such as tellurite and selenite. Moreover, in bioremediation processes, target compounds can be easily accessible to KF707 through biofilm formation. All these considerations suggest that KF707 is such a unique microorganism and this Thesis work has been focused on determining the molecular nature of some of the peculiar physiological traits of this strain. The genome project provided a large set of informations: putative genes involved in the degradation of aromatic and toxic compounds and associated to stress response were identified. Notably, multiple chemotactic operons and cheA genes were also found. Deleted mutants in the cheA genes were constructed and their role in motility, chemotaxis and biofilm formation were assessed and compared to those previously attributed to a cheA1 gene in a KF707 mutant constructed by a mini-Tn5 transposon insertion and which was impaired in motility and biofilm development. The results of this present Thesis work, taken together, were interpreted to suggest that in Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 strain, multiple factors are involved in these networks and they might play different roles depending on the environmental conditions. The ability of KF707 strain to produce signal molecules possibly involved in cell-to-cell communication, was also investigated: lack of a lux-like QS system - which is conversely widely present in Gram negative bacteria – keeps open the question about the actual molecular nature of KF707 quorum sensing mechanism.

La costruzione della città medievale. Archeologia dell'edilizia storica e topografia urbana a Pistoia.

Pistoia rientra a buon diritto, nel quadro della Toscana medievale, in quella rete di centri urbani di antica origine e tradizione diocesana che riuscirono a costruire, nella dialettica fra città e territorio, un organismo politico autonomo, il comune cittadino. La ricerca prende in considerazione i resti materiali delle strutture conservate nel tessuto urbano attuale, in particolare l'edilizia civile, prediligendo la cosiddetta “edilizia minore”, ovvero gli edifici residenziali non monumentali che, proprio per questo motivo, sono generalmente poco conosciuti. Le strutture, censite ed inserite in una piattaforma GIS (Arpenteur), sono analizzate con metodo archeologico al fine di distinguere le diverse fasi costruttive, medievali e post-medievali, con cui sono giunte fino ad oggi. L'analisi stratigrafica, effettuata su rilievi realizzati mediante modellazione 3D (Photomodeler), ha permesso di costruire un primo “atlante” delle tipologie murarie medievali della città: i tipi murari assumono quindi la funzione di indicatori cronologici degli edifici analizzati. I dati stratigrafici, uniti al dato topologico dei complessi architettonici (localizzati prevalentemente nel centro storico, all'interno del circuito murario della metà del XII secolo), hanno fornito informazioni sia per quanto riguarda l'aspetto materiale degli edifici di abitazione (forma, dimensioni, materiali) sia per quanto riguarda temi di topografia storica (viabilità maggiore e minore, formazione dei borghi, orizzonte sociale degli abitanti, distribuzione della proprietà), nel periodo della “parabola” della Pistoia comunale (XII-XIII secolo). In conclusione, la ricerca vuole essere sia uno strumento di analisi per la storia delle trasformazioni delle città nel periodo comunale, sia uno strumento di conoscenza e tutela di un patrimonio storico-archeologico che, per la sua natura non-monumentale spesso sfugge all'attenzione di amministratori ed urbanisti.

Per un atlante dei castelli dell’Emilia Romagna: Rubiera, Salvaterra, Dinazzano e la difesa del confine orientale

Il lavoro è stato strutturato in due parti distinte. La prima riguarda il riordino delle informazioni contenute nella Banca Dati sui Castelli dell’Emilia Romagna ultimata nel 2004, arricchendo le informazioni con nuove fonti sia edite che inedite e fotografie, mettendo poi tutti i dati online sul sito Geologia Storia Turismo della Regione Emilia Romagna. La seconda parte ha riguardato invece l’analisi dell’area reggiana e, in particolare, di tre castelli: Rubiera, Salvaterra e Dinazzano che, a partire dalla fine del XII secolo, hanno costituito quella che è stata definita la Cintura sul Secchia, una vera e propria catena difensiva costruita dal comune di Reggio Emilia a protezione del suo confine orientale, quello con Modena. Nella prima parte si è predisposto l’avvio di un Atlante dei castelli esistenti e scomparsi dell’Emilia Romagna, strutturato provincia per provincia, con corredo di piante e grafici che indicano la consistenza del fenomeno nelle diverse aree della Regione; poi, per l’area reggiana, si è completata la disamina con una serie di grafici che mettono in luce la dislocazione per aree, la localizzazione sicura dei castelli in rapporto alla loro condizione attuale e la densità per aree del fenomeno. Infine si sono inserite informazioni ricavate da materiale inedito per verificare possibili sviluppi della Banca Dati. La seconda parte ha ricostruito non solo le vicende storico-costruttive dei castelli di Rubiera, Salvaterra e Dinazzano, ma ha approfondito anche la genesi e l’evoluzione di questo progetto di difesa territoriale: studiare questo progetto significa capire come il comune di Reggio Emilia, nell’arco di oltre un secolo, ha governato i propri castelli, come ne ha organizzato la difesa e la manutenzione e come ne ha progettato il popolamento.

Complex chemical dynamics through engineering-like methods

Most of the problems in modern structural design can be described with a set of equation; solutions of these mathematical models can lead the engineer and designer to get info during the design stage. The same holds true for physical-chemistry; this branch of chemistry uses mathematics and physics in order to explain real chemical phenomena. In this work two extremely different chemical processes will be studied; the dynamic of an artificial molecular motor and the generation and propagation of the nervous signals between excitable cells and tissues like neurons and axons. These two processes, in spite of their chemical and physical differences, can be both described successfully by partial differential equations, that are, respectively the Fokker-Planck equation and the Hodgkin and Huxley model. With the aid of an advanced engineering software these two processes have been modeled and simulated in order to extract a lot of physical informations about them and to predict a lot of properties that can be, in future, extremely useful during the design stage of both molecular motors and devices which rely their actions on the nervous communications between active fibres.

Enhancement of Trajectory Determination of Orbiter Spacecraft by Using Pairs of Planetary Optical Images

The subject of the present thesis is about the enhancement of orbiter spacecraft navigation capabilities obtained by the standard radiometric link, taking advantage of an imaging payload and making use of a novel definition of optical measurements. An ESA Mission to Mercury called BepiColombo, was selected as a reference case for this study, and in particular its Mercury Planetary Orbiter (MPO), because of the presence of SIMBIO-SYS, an instrument suite part of the MPO payload, capable of acquiring high resolution images of the surface of Mercury. The use of optical measurements for navigation, can provide complementary informations with respect to Doppler, for enhanced performances or a relaxation of the radio tracking requisites in term of ground station schedule. Classical optical techniques based on centroids, limbs or landmarks, were the base to a novel idea for optical navigation, inspired by concepts of stereoscopic vision. In brief, the relation between two overlapped images acquired by a nadir pointed orbiter spacecraft at different times, was defined, and this information was then formulated into an optical measurement, to be processed by a navigation filter. The formulation of this novel optical observable is presented, moreover the analysis of the possible impact on the mission budget and images scheduling is addressed. Simulations are conducted using an orbit determination software already in use for spacecraft navigation in which the proposed optical measurements were implemented and the final results are given.

Il monitoraggio della qualità di vita e dei bisogni di pazienti oncologici e caregiver: il caso ANT

La Fondazione ANT rappresenta una delle più ampie esperienze al mondo di assistenza socio-sanitaria gratuita a domicilio ai malati di tumore, tramite équipe di specialisti costituite da medici, psicologi e infermieri. La patologia oncologica ha un enorme impatto sul benessere dei pazienti. Un modo per raggruppare i diversi sintomi di disagio psicologico è utilizzare il concetto di distress, che sarebbe importante monitorare in modo semplice e veloce. Primo studio: 66 pazienti oncologici (40% uomini; età media 54 anni) in cure palliative domiciliari. Il 79% dei pazienti ha mostrato livelli clinicamente significativi di distress. Il 55% dei partecipanti allo studio ha riportato alti livelli di ansia, e l'81% dei pazienti ha riportato alti livelli di depressione. Dall'analisi delle curve ROC il singolo item del Distress Thermometer, con un cut-off maggiore o uguale a 4, è stato in grado di rilevare il 97% dei soggetti con punteggi clinici di ansia e depressione, quindi può essere utilizzato anche come uno strumento di screening precoce rapido ed affidabile per i disturbi dell'umore. I familiari sono la prima risorsa dei malati di tumore, e l'identificazione dei loro bisogni è utile per individuare chi ha maggiore necessità di aiuto ed in quali aree. Secondo studio: 115 caregiver di pazienti oncologici (37% uomini; età media 52 anni). Di seguito i bisogni più frequenti. Salute psicofisica: “preoccupazioni circa il/la paziente” (72%), ansia (53%) e rabbia (52%). Informazioni: “come prendersi cura del paziente” (64%), “terapie alternative e/o complementari” (64%) e “come gestire lo stress” (57%). Servizi e strutture sanitarie: “un operatore di riferimento”, (65%), “cure infermieristiche a domicilio” (62%), “indicazioni su servizi ospedalieri” (57%), ed “assistenza per caregiver, ad esempio consulenza psicologica” (55%). Il monitoraggio dei bisogni consentirebbe un'ottimizzazione dell'assistenza, prevenendo situazioni che potrebbero compromettere il benessere della famiglia e la qualità dell'assistenza fornita al paziente.

Stream sediments analysis for geochemical mapping of Romagna Apennines (Northern Italy): monitoring and management tool of environmental resources at various scales

Geochemical mapping is a valuable tool for the control of territory that can be used not only in the identification of mineral resources and geological, agricultural and forestry studies but also in the monitoring of natural resources by giving solutions to environmental and economic problems. Stream sediments are widely used in the sampling campaigns carried out by the world's governments and research groups for their characteristics of broad representativeness of rocks and soils, for ease of sampling and for the possibility to conduct very detailed sampling In this context, the environmental role of stream sediments provides a good basis for the implementation of environmental management measures, in fact the composition of river sediments is an important factor in understanding the complex dynamics that develop within catchment basins therefore they represent a critical environmental compartment: they can persistently incorporate pollutants after a process of contamination and release into the biosphere if the environmental conditions change. It is essential to determine whether the concentrations of certain elements, in particular heavy metals, can be the result of natural erosion of rocks containing high concentrations of specific elements or are generated as residues of human activities related to a certain study area. This PhD thesis aims to extract from an extensive database on stream sediments of the Romagna rivers the widest spectrum of informations. The study involved low and high order stream in the mountain and hilly area, but also the sediments of the floodplain area, where intensive agriculture is active. The geochemical signals recorded by the stream sediments will be interpreted in order to reconstruct the natural variability related to bedrock and soil contribution, the effects of the river dynamics, the anomalous sites, and with the calculation of background values be able to evaluate their level of degradation and predict the environmental risk.

La tutela del contribuente nello scambio di informazioni tra Stati Membri UE

Questo elaborato analizza nella dimensione Eurounitaria ed Internazionale il tema della cooperazione amministrativa tributaria attuata tramite lo scambio di informazioni tra Stati Membri UE. La prospettiva presa in considerazione, tema centrale della presente studio, è quella del contribuente coinvolto nello scambio informativo transnazionale, con lo scopo di stabilire se all’interno delle norme internazionali ed europee che regolano lo strumento e negli ordinamenti nazionali, a cui esse rimandano, esista una effettiva tutela del contribuente. L’attenzione viene necessariamente posta all’ambito applicativo delle norme Europee ed Internazionali che disciplinano lo scambio di informazioni, evidenziandone in primis la struttura, la “fisiologia” e successivamente l’aspetto “patologico” discendente dall’imprescindibile esigenza informativa, con riguardo alle fattispecie tributarie, degli Stati Sovrani nel nuovo contesto globale. Questa ricerca si propone di individuare i vuoti giuridici e le carenze di tutele insite nelle procedure di scambio di informazioni e contestualmente di appurare l’esistenza nell’ordinamento Tributario Europeo, grazie al contributo interpretativo della Giurisprudenza della Corte di Giustizia ed ai principi sanciti dalla Carta dei diritti Fondamentali dell’Unione Europea nonché dalla convenzione CEDU, di un insieme di “diritti europei del contribuente” invocabili nel contesto collaborativo tra Stati Membri UE attuato tramite lo scambio di informazioni.

Using national FADN database to describe Italian farms and arable fields. A comparison of sustainability level between organic versus conventional regimes.

The study defines a new farm classification and identifies the arable land management. These aspects and several indicators are taken into account to estimate the sustainability level of farms, for organic and conventional regimes. The data source is Italian Farm Account Data Network (RICA) for years 2007-2011, which samples structural and economical information. An environmental data has been added to the previous one to better describe the farm context. The new farm classification describes holding by general informations and farm structure. The general information are: adopted regime and farm location in terms of administrative region, slope and phyto-climatic zone. The farm structures describe the presence of main productive processes and land covers, which are recorded by FADN database. The farms, grouped by homogeneous farm structure or farm typology, are evaluated in terms of sustainability. The farm model MAD has been used to estimate a list of indicators. They describe especially environmental and economical areas of sustainability. Finally arable lands are taken into account to identify arable land managements and crop rotations. Each arable land has been classified by crop pattern. Then crop rotation management has been analysed by spatial and temporal approaches. The analysis reports a high variability inside regimes. The farm structure influences indicators level more than regimes, and it is not always possible to compare the two regimes. However some differences between organic and conventional agriculture have been found. Organic farm structures report different frequency and geographical location than conventional ones. Also different connections among arable lands and farm structures have been identified.