Analisi degli aspetti di qualità nella gestione dei sistemi di drenaggio urbano attraverso modellazione numerica e indagini di campo

In order to protect river water quality, highly affected in urban areas by continuos as intermittent immissions, it is necessary to adopt measures to intercept and treat these polluted flows. In particular during rain events, river water quality is affected by CSOs activation. Built in order to protect the sewer system and the WWTP by increased flows due to heavy rains, CSOs divert excess flows to the receiving water body. On the basis of several scientific papers, and of direct evidences as well, that demonstrate the detrimental effect of CSOs discharges, also the legislative framework moved towards a stream standard point of view. The WFD (EU/69/2000) sets new goals for receiving water quality, and groundwater as well, through an integrated immission/emissions phylosophy, in which emission limits are associated with effluent standards, based on the receiving water characteristics and their specific use. For surface waters the objective is that of a “good” ecological and chemical quality status. A surface water is defined as of good ecological quality if there is only slight departure from the biological community that would be expected in conditions of minimal anthropogenic impact. Each Member State authority is responsible for preparing and implementing a River Basin Management Plan to achieve the good ecological quality, and comply with WFD requirements. In order to cope with WFD targets, and thus to improve urban receiving water quality, a CSOs control strategy need to be implemented. Temporarily storing the overflow (or at least part of it) into tanks and treating it in the WWTP, after the end of the storm, showed good results in reducing total pollutant mass spilled into the receiving river. Italian State Authority, in order to comply with WFD statements, sets general framework, and each Region has to adopt a Water Remediation Plan (PTA, Piano Tutela Acque), setting goals, methods, and terms, to improve river water quality. Emilia Romagna PTA sets 25% reduction up to 2008, and 50% reduction up to 2015 fo total pollutants masses delivered by CSOs spills. In order to plan remediation actions, a deep insight into spills dynamics is thus of great importance. The present thesis tries to understand spills dynamics through a numerical and an experimental approach. A four months monitoring and sampling campaign was set on the Bologna sewer network, and on the Navile Channel, that is the WWTP receiving water , and that receives flows from up to 28 CSOs during rain events. On the other hand, the full model of the sewer network, was build with the commercial software InfoWorks CS. The model was either calibrated with the data from the monitoring and sampling campaign. Through further model simulations interdependencies among masses spilled, rain characteristics and basin characteristics are looked for. The thesis can be seen as a basis for further insighs and for planning remediation actions.

Technological processes study for high value health ingredients and foods production

This PhD thesis describes set up of technological models for obtaining high health value foods and ingredients that preserve the final product characteristics as well as enrich with nutritional components. In particular, the main object of my research has been Virgin Olive Oil (VOO) and its important antioxidant compounds which differentiate it from all other vegetables oils. It is well known how the qualitative and quantitative presence of phenolic molecules extracted from olives during oil production is fundamental for its oxidative and nutritional quality. For this purpose, agronomic and technological conditions of its production have been investigated. It has also been examined how this fraction can be better preserved during storage. Moreover, its relation with VOO sensorial characteristics and its interaction with a protein in emulsion foods have also been studied. Finally, an experimental work was carried out to determine the antioxidative and heat resistance properties of a new antioxidant (EVS-OL) when used for high temperature frying such as is typically employed for the preparation of french fries. Results of the scientific research have been submitted for a publication and some data has already been published in national and international scientific journals.

Quality and safety of oils and fats obtained as co-products or by-products of the food chain and destined to animal production

The aim of the first part of this thesis was to evaluate the effect of trans fatty acid- (TFA), contaminant, polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)- and oxidation productenriched diets on the content of TFA and conjugated linoleic acid (CLA) isomers in meat and liver of both poultry and rabbit. The enriched feedings were prepared with preselected fatty co-and by-products that contained low and high levels of TFA (low, palm fatty acid distillate; high, hydrogenated palm fatty acid distillate), environmental contaminants (dioxins and PCBs) (two different fish oils), PAH (olive oil acid oils and pomace olive oil from chemical refining, for low and high levels) and oxidation products (sunflower-olive oil blend before and after frying), so as to obtain single feedings with three enrichment degrees (high, medium and low) of the compound of interest. This experimental set-up is a part of a large, collaborative European project (http://www.ub.edu/feedfat/), where other chemical and health parameters are assessed. Lipids were extracted, methylated with diazomethane, then transmethylated with 2N KOH/methanol and analyzed by GC and silver-ion TLC-GC. TFA and CLA were determined in the fats, the feedings, meat and liver of both poultry and rabbit. In general, the level of TFA and CLA in meat and liver mainly varied according to those originally found in the feeding fats. It must be pointed out, though, that TFA and CLA accumulation was different for the two animal species, as well as for the two types of tissues. The TFA composition of meat and liver changes according to the composition of the oils added to the feeds with some differences between species. Chicken meat with skin shows higher TFA content (2.6–5.4 fold) than rabbit meat, except for the “PAH” trial. Chicken liver shows higher TFA content (1.2–2.1 fold) than rabbit liver, except for the “TRANS” and “PAH” trials. In both chicken and rabbit meats, the TFA content was higher for the “TRANS” trial, followed by the “DIOXIN” trial. Slight differences were found on the “OXIDATION” and “PAH” trends in both types of meats. In both chicken and rabbit livers, the TFA content was higher for the “TRANS” trial, followed by those of the “PAH”, “DIOXIN” and “OXIDATION” trials. This trend, however, was not identical to that of feeds, where the TFA content varied as follows: “TRANS” > “DIOXIN” >“PAH” > “OXIDATION”. In chicken and rabbit meat samples, C18:1 TFA were the most abundant, followed by C18:2 TFA and C18:3 TFA, except for the “DIOXIN” trial where C18:3 TFA > C18:2 TFA. In chicken and rabbit liver samples of the “TRANS” and “OXIDATION” trials, C18:1 TFA were the most abundant, followed by C18:2 TFA and C18:3 TFA, whereas C18:3 TFA > C18:2 in the “DIOXIN” trial. Slight differences were found on the “PAH” trend in livers from both species. The second part of the thesis dealt with the study of lipid oxidation in washed turkey muscle added with different antioxidants. The evaluation on the oxidative stability of muscle foods found that oxidation could be measured by headspace solid phase microestraction (SPME) of hexanal and propanal. To make this method effective, an antioxidant system was added to stored muscle to stop the oxidative processes. An increase in ionic strength of the sample was also implemented to increase the concentration of aldehydes in the headspace. This method was found to be more sensitive than the commonly used thiobarbituric acid reactive substances (TBARs) method. However, after antioxidants were added and oxidation was stopped, the concentration of aldehydes decreased. It was found that the decrease in aldehyde concentration was due to the binding of the aldehydes to muscle proteins, thus decreasing the volatility and making them less detectable.

Dati geochimici ed ecologici di foraminiferi planctonici. Implicazioni paleoceanografiche in due aree chiave: Oceano Meridionale e Mare Mediterraneo.

La studio della distribuzione spaziale e temporale della associazioni a foraminiferi planctonici, campionati in zone con differente regime idrografico, ha permesso di comprendere che molte specie possono essere diagnostiche della presenza di diverse masse d’acqua superficiali e sottosuperficiali e di diversi regimi di nutrienti nelle acque oceaniche. Parte di questo lavoro di tesi si basa sullo studio delle associazioni a foraminiferi planctonici attualmente viventi nel Settore Pacifico dell’Oceano Meridionale (Mare di Ross e Zona del Fronte Polare) e nel Mare Mediterraneo (Mar Tirreno Meridionale). L’obiettivo di questo studio è quello di comprendere i fattori (temperatura, salinità, nutrienti etc.) che determinano la distribuzione attuale delle diverse specie al fine di valutarne il valore di “indicatori” (proxies) utili alla ricostruzione degli scenari paleoclimatici e paleoceanografici succedutisi in queste aree. I risultati documentano che la distribuzione delle diverse specie, il numero di individui e le variazioni nella morfologia di alcuni taxa sono correlate alle caratteristiche chimico-fisiche della colonna e alla disponibilità di nutrienti e di clorofilla. La seconda parte del lavoro di tesi ha previsto l’analisi degli isotopi stabili dell’ossigeno e del rapporto Mg/Ca in gusci di N. pachyderma (sin) prelevati da pescate di micro zooplancton (per tarare l’equazione di paleo temperatura) da un box core e da una carota provenienti dalla zona del Fronte Polare (Oceano Pacifico meridionale), al fine di ricostruire le variazioni di temperatura negli ultimi 13 ka e durante la Mid-Pleistocene Revolution. Le temperature, dedotte tramite i valori degli isotopi stabili dell’ossigeno, sono coerenti con le temperature attuali documentate in questa zona e il trend di temperatura è paragonabile a quelli riportati in letteratura anche per eventi climatici come lo Younger Dryas e il mid-Holocene Optimum. I valori del rapporto Mg/Ca misurato tramite due diverse tecniche di analisi (laser ablation e analisi in soluzione) sono risultati sempre molto più alti dei valori riportati in letteratura per la stessa specie. La laser ablation sembra carente dal punto di vista del cleaning del campione e da questo studio emerge che le due tecniche non sono comparabili e che non possono essere usate indifferentemente sullo stesso campione. Per quanto riguarda l’analisi dei campioni in soluzione è stato migliorato il protocollo di cleaning per il trattamento di campioni antartici, che ha permesso di ottenere valori veritieri e utili ai fini delle ricostruzioni di paleotemperatura. Tuttavia, rimane verosimile l’ipotesi che in ambienti particolari come questo, con salinità e temperature molto basse, l’incorporazione del Mg all’interno del guscio risenta delle condizioni particolari e che non segua quindi la relazione esponenziale con la temperatura ampiamente dimostrata ad altre latitudini.

Application of different instrumental techniques to the selective evaluation of bio-sensible compounds in foodstuff of animal and vegetable origin

This PhD thesis describes the application of some instrumental analytical techniques suitable to the study of fundamental food products for the human diet, such as: extra virgin olive oil and dairy products. These products, widely spread in the market and with high nutritional values, are increasingly recognized healthy properties although their lipid fraction might contain some unfavorable components to the human health. The research activity has been structured in the following investigations: “Comparison of different techniques for trans fatty acids analysis” “Fatty acids analysis of outcrop milk cream samples, with particular emphasis on the content of Conjugated Linoleic Acid (CLA) and trans Fatty Acids (TFA), by using 100m high-polarity capillary column” “Evaluation of the oxidited fatty acids (OFA) content during the Parmigiano-Reggiano cheese seasoning” “Direct analysis of 4-desmethyl sterols and two dihydroxy triterpenes in saponified vegetal oils (olive oil and others) using liquid chromatography-mass spectrometry” “Quantitation of long chain poly-unsatured fatty acids (LC-PUFA) in base infant formulas by Gas Chromatography, and evaluation of the blending phases accuracy during their preparation” “Fatty acids composition of Parmigiano Reggiano cheese samples, with emphasis on trans isomers (TFA)”

NMR, Metabonomics and Molecular Profiles: Applications to the Quality Assessment of Foodstuffs

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a branch of spectroscopy that is based on the fact that many atomic nuclei may be oriented by a strong magnetic field and will absorb radiofrequency radiation at characteristic frequencies. The parameters that can be measured on the resulting spectral lines (line positions, intensities, line widths, multiplicities and transients in time-dependent experi-ments) can be interpreted in terms of molecular structure, conformation, molecular motion and other rate processes. In this way, high resolution (HR) NMR allows performing qualitative and quantitative analysis of samples in solution, in order to determine the structure of molecules in solution and not only. In the past, high-field NMR spectroscopy has mainly concerned with the elucidation of chemical structure in solution, but today is emerging as a powerful exploratory tool for probing biochemical and physical processes. It represents a versatile tool for the analysis of foods. In literature many NMR studies have been reported on different type of food such as wine, olive oil, coffee, fruit juices, milk, meat, egg, starch granules, flour, etc using different NMR techniques. Traditionally, univariate analytical methods have been used to ex-plore spectroscopic data. This method is useful to measure or to se-lect a single descriptive variable from the whole spectrum and , at the end, only this variable is analyzed. This univariate methods ap-proach, applied to HR-NMR data, lead to different problems due especially to the complexity of an NMR spectrum. In fact, the lat-ter is composed of different signals belonging to different mole-cules, but it is also true that the same molecules can be represented by different signals, generally strongly correlated. The univariate methods, in this case, takes in account only one or a few variables, causing a loss of information. Thus, when dealing with complex samples like foodstuff, univariate analysis of spectra data results not enough powerful. Spectra need to be considered in their wholeness and, for analysing them, it must be taken in consideration the whole data matrix: chemometric methods are designed to treat such multivariate data. Multivariate data analysis is used for a number of distinct, differ-ent purposes and the aims can be divided into three main groups: • data description (explorative data structure modelling of any ge-neric n-dimensional data matrix, PCA for example); • regression and prediction (PLS); • classification and prediction of class belongings for new samples (LDA and PLS-DA and ECVA). The aim of this PhD thesis was to verify the possibility of identify-ing and classifying plants or foodstuffs, in different classes, based on the concerted variation in metabolite levels, detected by NMR spectra and using the multivariate data analysis as a tool to inter-pret NMR information. It is important to underline that the results obtained are useful to point out the metabolic consequences of a specific modification on foodstuffs, avoiding the use of a targeted analysis for the different metabolites. The data analysis is performed by applying chemomet-ric multivariate techniques to the NMR dataset of spectra acquired. The research work presented in this thesis is the result of a three years PhD study. This thesis reports the main results obtained from these two main activities: A1) Evaluation of a data pre-processing system in order to mini-mize unwanted sources of variations, due to different instrumental set up, manual spectra processing and to sample preparations arte-facts; A2) Application of multivariate chemiometric models in data analy-sis.

Valutazione dell'evoluzione della componente fenolica di Olea Europaea durante l'intero ciclo di maturazione del frutto

This PhD thesis is related to the evolution of phenolic composition of olive fruit to demonstrate the relationship between the raw material sources and the compounds responsible for the healthy and sensory properties of virgin olive oil, and to investigate the mechanisms involved in the synthesis and/or in the degradation of the phenolic fraction. On the basis of phenolic compositions of twelve Italian olive cultivars (Bianchella, Canino, Coratina, Dolce di Andria, Dritta, Frantoio, Leccino, Moraiolo, Nocellara del Belice, Nocellara Etnea, Rosciola and Tendellone) analysed, some significative qualitative and quantitative differences were observed. The main results were utilized, during the following analysis of the genetic expressions of olive cultivars, to determine the genes directly involved in the synthesis and the degradation of the phenolic fraction during the different fruit ripening stages. On the basis of the results about the evolution of phenolic compounds of olive drupes a research program aimed to identify the genes involved in the biosynthesis pathways of fruit secoiridoids, was developed by the CNR-Institute of Plant Genetics, Perugia.

Empirical and fundamental mechanical tests in the evaluation of dough and bread rheological properties

Bread dough and particularly wheat dough, due to its viscoelastic behaviour, is probably the most dynamic and complicated rheological system and its characteristics are very important since they highly affect final products’ textural and sensorial properties. The study of dough rheology has been a very challenging task for many researchers since it can provide numerous information about dough formulation, structure and processing. This explains why dough rheology has been a matter of investigation for several decades. In this research rheological assessment of doughs and breads was performed by using empirical and fundamental methods at both small and large deformation, in order to characterize different types of doughs and final products such as bread. In order to study the structural aspects of food products, image analysis techniques was used for the integration of the information coming from empirical and fundamental rheological measurements. Evaluation of dough properties was carried out by texture profile analysis (TPA), dough stickiness (Chen and Hoseney cell) and uniaxial extensibility determination (Kieffer test) by using a Texture Analyser; small deformation rheological measurements, were performed on a controlled stress–strain rheometer; moreover the structure of different doughs was observed by using the image analysis; while bread characteristics were studied by using texture profile analysis (TPA) and image analysis. The objective of this research was to understand if the different rheological measurements were able to characterize and differentiate the different samples analysed. This in order to investigate the effect of different formulation and processing conditions on dough and final product from a structural point of view. For this aim the following different materials were performed and analysed: - frozen dough realized without yeast; - frozen dough and bread made with frozen dough; - doughs obtained by using different fermentation method; - doughs made by Kamut® flour; - dough and bread realized with the addition of ginger powder; - final products coming from different bakeries. The influence of sub-zero storage time on non-fermented and fermented dough viscoelastic performance and on final product (bread) was evaluated by using small deformation and large deformation methods. In general, the longer the sub-zero storage time the lower the positive viscoelastic attributes. The effect of fermentation time and of different type of fermentation (straight-dough method; sponge-and-dough procedure and poolish method) on rheological properties of doughs were investigated using empirical and fundamental analysis and image analysis was used to integrate this information throughout the evaluation of the dough’s structure. The results of fundamental rheological test showed that the incorporation of sourdough (poolish method) provoked changes that were different from those seen in the others type of fermentation. The affirmative action of some ingredients (extra-virgin olive oil and a liposomic lecithin emulsifier) to improve rheological characteristics of Kamut® dough has been confirmed also when subjected to low temperatures (24 hours and 48 hours at 4°C). Small deformation oscillatory measurements and large deformation mechanical tests performed provided useful information on the rheological properties of samples realized by using different amounts of ginger powder, showing that the sample with the highest amount of ginger powder (6%) had worse rheological characteristics compared to the other samples. Moisture content, specific volume, texture and crumb grain characteristics are the major quality attributes of bread products. The different sample analyzed, “Coppia Ferrarese”, “Pane Comune Romagnolo” and “Filone Terra di San Marino”, showed a decrease of crumb moisture and an increase in hardness over the storage time. Parameters such as cohesiveness and springiness, evaluated by TPA that are indicator of quality of fresh bread, decreased during the storage. By using empirical rheological tests we found several differences among the samples, due to the different ingredients used in formulation and the different process adopted to prepare the sample, but since these products are handmade, the differences could be account as a surplus value. In conclusion small deformation (in fundamental units) and large deformation methods showed a significant role in monitoring the influence of different ingredients used in formulation, different processing and storage conditions on dough viscoelastic performance and on final product. Finally the knowledge of formulation, processing and storage conditions together with the evaluation of structural and rheological characteristics is fundamental for the study of complex matrices like bakery products, where numerous variable can influence their final quality (e.g. raw material, bread-making procedure, time and temperature of the fermentation and baking).

Analisi dei parametri vegetazionali e dei caratteri funzionali di specie guida come strumenti di studio di comunità prative

Lo studio condotto si propone l’approfondimento delle conoscenze sui processi di evoluzione spontanea di comunità vegetali erbacee di origine secondaria in cinque siti all’interno di un’area protetta del Parco di Monte Sole (Bologna, Italia), dove, come molte aree rurali marginali in Italia e in Europa, la cessazione o riduzione delle tradizionali pratiche gestionali negli ultimi cinquant’anni, ha determinato lo sviluppo di fitocenosi di ridotto valore floristico e produttivo. Tali siti si trovano in due aree distinte all’interno del parco, denominate Zannini e Stanzano, selezionate in quanto rappresentative di situazioni di comunità del Mesobrometo. Due siti appartenenti alla prima area e uno appartenente alla seconda, sono gestiti con sfalcio annuale, i rimanenti non hanno nessun tipo di gestione. Lo stato delle comunità erbacee di tali siti è stato valutato secondo più punti di vista. E’ stata fatta una caratterizzazione vegetazionale dei siti, mediante rilievo lineare secondo la metodologia Daget-Poissonet, permettendo una prima valutazione relativa al numero di specie presenti e alla loro abbondanza all’interno della comunità vegetale, determinando i Contributi Specifici delle famiglie principali e delle specie dominanti (B. pinnatum, B. erectus e D. glomerata). La produttività è stata calcolata utilizzando un indice di qualità foraggera, il Valore Pastorale, e con la determinazione della produzione di Fitomassa totale, Fitomassa fotosintetizzante e Necromassa. A questo proposito sono state trovate correlazioni negative tra la presenza di Graminacee, in particolare di B. pinnatum, e i Contributi Specifici delle altre specie, soprattutto a causa dello spesso strato di fitomassa e necromassa prodotto dallo stesso B. pinnatum che impedisce meccanicamente l’insediamento e la crescita di altre piante. E’ stata inoltre approfonditamente sviluppata un terza caratterizzazione, che si propone di quantificare la diversità funzionale dei siti medesimi, interpretando le risposte della vegetazione a fattori globali di cambiamento, sia abiotici che biotici, per cogliere gli effetti delle variazioni ambientali in atto sulla comunità, e più in generale, sull’intero ecosistema. In particolare, nello studio condotto, sono stati proposti alcuni caratteri funzionali, cosiddetti functional traits, scelti perché correlati all’acquisizione e alla conservazione delle risorse, e quindi al trade-off dei nutrienti all’interno della pianta, ossia: Superficie Fogliare Specifica, SLA, Tenore di Sostanza Secca, LDMC, Concentrazione di Azoto Fogliare, LNC, Contenuto in Fibra, LFC, separato nelle componenti di Emicellulosa, Cellulosa, Lignina e Ceneri. Questi caratteri sono stati misurati in relazione a tre specie dominanti: B. pinnatum, B. erectus e D. glomerata. Si tratta di specie comunemente presenti nelle praterie semi-mesofile dell’Appennino Settentrionale, ma caratterizzate da differenti proprietà ecologiche e adattative: B. pinnatum e B. erectus sono considerati competitori stress-toleranti, tipicamente di ambienti poveri di risorse, mentre D. glomerata, è una specie più mesofila, caratteristica di ambienti produttivi. Attraverso l’analisi dei traits in riferimento alle diverse strategie di queste specie, sono stati descritti specifici adattamenti alle variazioni delle condizioni ambientali, ed in particolare in risposta al periodo di stress durante l’estate dovuto a deficit idrico e in risposta alla diversa modalità di gestione dei siti, ossia alla pratica o meno dello sfalcio annuale. Tra i caratteri funzionali esaminati, è stato identificato LDMC come il migliore per descrivere le specie, in quanto più facilmente misurabile, meno variabile, e direttamente correlato con altri traits come SLA e le componenti della fibra. E’ stato quindi proposto il calcolo di un indice globale per caratterizzare i siti in esame, che tenesse conto di tutti questi aspetti, riunendo insieme sia i parametri di tipo vegetativo e produttivo, che i parametri funzionali. Tale indice ha permesso di disporre i siti lungo un gradiente e di cogliere differenti risposte in relazione a variazioni stagionali tra primavera o autunno e in relazione al tipo di gestione, valutando le posizioni occupate dai siti stessi e la modalità dei loro eventuali spostamenti lungo questo gradiente. Al fine di chiarire se le variazioni dei traits rilevate fossero dovute ad adattamento fenotipico dei singoli individui alle condizioni ambientali, o piuttosto fossero dovute a differenziazione genotipica tra popolazioni cresciute in siti diversi, è stato proposto un esperimento in condizioni controllate. All’interno di un’area naturale in UK, le Chiltern Hills, sono stati selezionati cinque siti, caratterizzati da diverse età di abbandono: Bradenham Road MaiColtivato e Small Dean MaiColtivato, di cui non si conosce storia di coltivazione, caratterizzati rispettivamente da vegetazione arborea e arbustiva prevalente, Butterfly Bank 1970, non più coltivato dal 1970, oggi prateria seminaturale occasionalmente pascolata, Park Wood 2001, non più coltivato dal 2001, oggi prateria seminaturale mantenuta con sfalcio annuale, e infine Manor Farm Coltivato, attualmente arato e coltivato. L’esperimento è stato condotto facendo crescere i semi delle tre specie più comuni, B. sylvaticum, D. glomerata e H. lanatus provenienti dai primi quattro siti, e semi delle stesse specie acquistati commercialmente, nei cinque differenti tipi di suolo dei medesimi siti. Sono stati misurati quattro caratteri funzionali: Massa Radicale Secca (DRM), Massa Epigea Secca (DBM), Superficie Fogliare Secca (SLA) e Tenore di Sostanza Secca (LDMC). I risultati ottenuti hanno evidenziato che ci sono significative differenze tra le popolazioni di una stessa specie ma con diversa provenienza, e tra individui appartenenti alla stessa popolazione se fatti crescere in suoli diversi. Tuttavia, queste differenze, sembrano essere dovute ad adattamenti locali legati alla presenza di nutrienti, in particolare N e P, nel suolo piuttosto che a sostanziali variazioni genotipiche tra popolazioni. Anche per questi siti è stato costruito un gradiente sulla base dei quattro caratteri funzionali analizzati. La disposizione dei siti lungo il gradiente ha evidenziato tre gruppi distinti: i siti più giovani, Park Wood 2001 e Manor Farm Coltivato, nettamente separati da Butterfly Bank 1970, e seguiti infine da Small Dean MaiColtivato e Bradenham Road MaiColtivato. L’applicazione di un indice così proposto potrebbe rivelarsi un utile strumento per descrivere ed indagare lo stato della prateria e dei processi evolutivi in atto, al fine di meglio comprendere e dominare tali dinamiche per proporre sistemi di gestione che ne consentano la conservazione anche in assenza delle tradizionali cure colturali.

Ottimizzazione dei processi depurativi di reflui ad elevato carico organico a fini di recupero energetico

L’attuale condizione che caratterizza il settore energetico richiede un necessario processo di riconversione che, oltre a favorire il risparmio energetico, riduca la dipendenza dai combustibili fossili ed accresca l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, dando un contributo fondamentale alla riduzione delle emissioni di gas serra come diversi accordi internazionali richiedono. Si rende pertanto necessario accelerare i processi che da alcuni anni stanno favorendo l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili. Tra queste, le fonti legate ai processi di trattamento biologico dei reflui stanno avendo un interessante sviluppo. Esistono numerosi processi biologici che consentono la produzione di energia in maniera indiretta, quali ad esempio i processi di digestione anaerobica finalizzati alla produzione di biogas e/o produzione biologica di idrogeno. In tale contesto si inserisce la tecnologia delle Microbial Fuel Cell, che consente la produzione diretta di energia elettrica, finalizzata al recupero energetico inteso al miglioramento dell’efficienza energetica e alla riduzione dei costi d’esercizio di impianti di trattamento biologico dei reflui. Il presente lavoro di Tesi di Dottorato sperimentale, svoltosi in collaborazione al laboratorio PROT.-IDR. della sede ENEA di Bologna, riporta i risultati dell’attività di ricerca condotta su una MFC (Microbial Fuel Cell) a doppio stadio biologico per il trattamento di reflui ad elevato carico organico e produzione continua di energia elettrica. E’ stata provata l’applicabilità della MFC con entrambi i comparti biotici utilizzando elettrodi di grafite non trattata ottenendo, con un carico organico in ingresso di circa 9 gd-1, valori di potenza massima prodotta che si attestano su 74 mWm-2, corrente elettrica massima generata di 175 mAm-2 ad una tensione di 421 mV, ed una conversione di COD in elettricità pari a 1,2 gCODm-2d-1. I risultati sono stati molto positivi per quanto riguarda le prestazioni depurative ottenute dalla MFC. L’efficienza di depurazione misurata ha raggiunto un valore massimo del 98% di rimozione del COD in ingresso, mentre e la concentrazione di azoto ammoniacale nell’effluente raccolto all’uscita del sedimentatore è sempre stata inferiore a 1 mgN-NH4+l-1. Tra gli obiettivi posti all’inizio della sperimentazione si è rivelata di notevole interesse la valutazione del possibile utilizzo della MFC come sistema per il monitoraggio on-line del COD e degli acidi grassi volatili (VFA) prodotti all’interno di un digestore anaerobico, attraverso la definizione di una correlazione tra i dati elettrici registrati in continuo e le concentrazioni di CODanaer e VFA misurate in diversi periodi della sperimentazione. L’analisi DGGE della biomassa catodica ha fornito uno strumento analitico utile allo studio della diversità della comunità microbica sospesa ed adesa al catodo e ha confermato la forte similarità delle specie batteriche riconosciute nei campioni analizzati. In particolare, le bande di sequenziamento ottenute sono affiliate ai gruppi batterici Firmicutes, -Proteobacteria,  -Proteobacteria, -Proteobacteria e Bacteroidetes. Da quanto emerso dalla sperimentazione condotta si può pertanto concludere che ad oggi le MFC sono in fase di evoluzione rispetto ai primi prototipi utilizzati per lo studio delle comunità microbiali e per la comprensione dei meccanismi di trasferimento elettronico. Sfruttarne la potenza prodotta in maniera commerciale diviene una grande sfida per il futuro, ed è opinione comune che le prime applicazioni pratiche delle MFC saranno come fonte di recupero energetico per i dispositivi utilizzati per il monitoraggio dell’ambiente e per il trattamento delle acque reflue.

Il monitoraggio suolo-pianta per la valutazione dell'inquinamento da metalli pesanti nell'ambiente urbano

Il lavoro di tesi è incentrato sulla valutazione del degrado del suolo dovuto a fenomeni di inquinamento da metalli pesanti aerodispersi, ovvero apportati al suolo mediante deposizioni atmosferiche secche ed umide, in ambiente urbano. Lo scopo della ricerca è legato principalmente alla valutazione dell’efficienza del metodo di monitoraggio ideato che affianca al campionamento e all’analisi pedologica l’utilizzo di bioindicatori indigeni, quali il muschio, il cotico erboso, le foglie di piante arboree e il materiale pulverulento depositatosi su di esse. Una semplice analisi pedologica infatti non permette di discriminare la natura dei contaminanti in esso ritrovati. I metalli pesanti possono raggiungere il suolo attraverso diverse vie. In primo luogo questi elementi in traccia si trovano naturalmente nei suoi; ma numerose sono le fonti antropiche: attività industriali, traffico veicolare, incenerimento dei rifiuti, impianti di riscaldamento domestico, pratiche agricole, utilizzo di acque con bassi requisiti di qualità, ecc. Questo fa capire come una semplice analisi del contenuto totale o pseudo - totale di metalli pesanti nel suolo non riesca a rispondere alla domanda su quale si la fonte di provenienza di queste sostanze. Il metodo di monitoraggio integrato suolo- pianta è stato applicato a due diversi casi di studio. Il primo denominato “Progetto per il monitoraggio e valutazione delle concentrazioni in metalli pesanti e micro elementi sul sistema suolo - pianta in aree urbane adibite a verde pubblico dell’Emilia – Romagna” ha permesso di valutare l’insorgenza di una diminuzione della qualità dell’ecosistema parco urbano causata dalla ricaduta di metalli pesanti aerotrasportati, in tre differenti realtà urbane dell’Emilia Romagna: le città di Bologna, Ferrara e Cesena. Le città presentano caratteristiche pedologiche, ambientali ed economico-sociali molto diverse tra loro. Questo ha permesso di studiare l’efficienza del metodo su campioni di suolo e di vegetali molto diversi per quanto riguarda le aliquote di metalli pesanti riscontrate. Il secondo caso di studio il “Monitoraggio relativo al contenuto in metalli pesanti e microelementi nel sistema acqua-suolo-pianta delle aree circostanti l’impianto di termovalorizzazione e di incenerimento del Frullo (Granarolo dell’Emilia - BO)” è stato invece incentrato sulla valutazione della qualità ambientale delle aree circostanti l’inceneritore. Qui lo scenario si presentava più omogeneo dal punto di vista pedologico rispetto al caso di studio precedente, ma molto più complesso l’ecosistema di riferimento (urbano, extra-urbano ed agricolo). Seppure il metodo suolo-pianta abbia permesso di valutare gli apporti di metalli pesanti introdotti per via atmosferica, non è stato possibile imputarne l’origine alle sole emissioni prodotte dall’inceneritore.

Calcolo della posizione di reti di stazioni permanenti

Con il trascorrere del tempo, le reti di stazioni permanenti GNSS (Global Navigation Satellite System) divengono sempre più un valido supporto alle tecniche di rilevamento satellitare. Esse sono al tempo stesso un’efficace materializzazione del sistema di riferimento e un utile ausilio ad applicazioni di rilevamento topografico e di monitoraggio per il controllo di deformazioni. Alle ormai classiche applicazioni statiche in post-processamento, si affiancano le misure in tempo reale sempre più utilizzate e richieste dall’utenza professionale. In tutti i casi risulta molto importante la determinazione di coordinate precise per le stazioni permanenti, al punto che si è deciso di effettuarla tramite differenti ambienti di calcolo. Sono stati confrontati il Bernese, il Gamit (che condividono l’approccio differenziato) e il Gipsy (che utilizza l’approccio indifferenziato). L’uso di tre software ha reso indispensabile l’individuazione di una strategia di calcolo comune in grado di garantire che, i dati ancillari e i parametri fisici adottati, non costituiscano fonte di diversificazione tra le soluzioni ottenute. L’analisi di reti di dimensioni nazionali oppure di reti locali per lunghi intervalli di tempo, comporta il processamento di migliaia se non decine di migliaia di file; a ciò si aggiunge che, talora a causa di banali errori, oppure al fine di elaborare test scientifici, spesso risulta necessario reiterare le elaborazioni. Molte risorse sono quindi state investite nella messa a punto di procedure automatiche finalizzate, da un lato alla preparazione degli archivi e dall’altro all’analisi dei risultati e al loro confronto qualora si sia in possesso di più soluzioni. Dette procedure sono state sviluppate elaborando i dataset più significativi messi a disposizione del DISTART (Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento del Territorio - Università di Bologna). E’ stato così possibile, al tempo stesso, calcolare la posizione delle stazioni permanenti di alcune importanti reti locali e nazionali e confrontare taluni fra i più importanti codici scientifici che assolvono a tale funzione. Per quanto attiene il confronto fra i diversi software si è verificato che: • le soluzioni ottenute dal Bernese e da Gamit (i due software differenziati) sono sempre in perfetto accordo; • le soluzioni Gipsy (che utilizza il metodo indifferenziato) risultano, quasi sempre, leggermente più disperse rispetto a quelle degli altri software e mostrano talvolta delle apprezzabili differenze numeriche rispetto alle altre soluzioni, soprattutto per quanto attiene la coordinata Est; le differenze sono però contenute in pochi millimetri e le rette che descrivono i trend sono comunque praticamente parallele a quelle degli altri due codici; • il citato bias in Est tra Gipsy e le soluzioni differenziate, è più evidente in presenza di determinate combinazioni Antenna/Radome e sembra essere legato all’uso delle calibrazioni assolute da parte dei diversi software. E’ necessario altresì considerare che Gipsy è sensibilmente più veloce dei codici differenziati e soprattutto che, con la procedura indifferenziata, il file di ciascuna stazione di ciascun giorno, viene elaborato indipendentemente dagli altri, con evidente maggior elasticità di gestione: se si individua un errore strumentale su di una singola stazione o se si decide di aggiungere o togliere una stazione dalla rete, non risulta necessario il ricalcolo dell’intera rete. Insieme alle altre reti è stato possibile analizzare la Rete Dinamica Nazionale (RDN), non solo i 28 giorni che hanno dato luogo alla sua prima definizione, bensì anche ulteriori quattro intervalli temporali di 28 giorni, intercalati di sei mesi e che coprono quindi un intervallo temporale complessivo pari a due anni. Si è così potuto verificare che la RDN può essere utilizzata per l’inserimento in ITRF05 (International Terrestrial Reference Frame) di una qualsiasi rete regionale italiana nonostante l’intervallo temporale ancora limitato. Da un lato sono state stimate le velocità ITRF (puramente indicative e non ufficiali) delle stazioni RDN e, dall’altro, è stata effettuata una prova di inquadramento di una rete regionale in ITRF, tramite RDN, e si è verificato che non si hanno differenze apprezzabili rispetto all’inquadramento in ITRF, tramite un congruo numero di stazioni IGS/EUREF (International GNSS Service / European REference Frame, SubCommission for Europe dello International Association of Geodesy).

Bioactive and toxic compounds in different foodstuffs: analytical techniques and sensory analysis

Foods that provide medical and health benefits or have a role in disease risk prevention are termed functional foods. The functionality of functional foods is derived from bioactive compounds that are extranutritional constituents present in small quantities in food. Bioactive components include a range of chemical compounds with varying structures such as carotenoids, flavonoids, plant sterols, omega-3 fatty acids (n-3), allyl and diallyl sulfides, indoles (benzopyrroles), and phenolic acids. The increasing consumer interest in natural bioactive compounds has brought about a rise in demand for these kinds of compounds and, in parallel, an increasing number of scientific studies have this type of substance as main topic. The principal aim of this PhD research project was the study of different bioactive and toxic compounds in several natural matrices. To achieve this goal, chromatographic, spectroscopic and sensorial analysis were performed. This manuscript reports the main results obtained in the six activities briefly summarized as follows: • SECTION I: the influence of conventional packaging on lipid oxidation of pasta was evaluated in egg spaghetti. • SECTION II: the effect of the storage at different temperatures of virgin olive oil was monitored by peroxide value, fatty acid activity, OSI test and sensory analysis. • SECTION III: the glucosinolate and phenolic content of 37 rocket salad accessions were evaluated, comparing Eruca sativa and Diplotaxis tenuifolia species. Sensory analysis and the influence of the phenolic and glucosinolate composition on sensory attributes of rocket salads has been also studied. • SECTION IV: ten buckwheat honeys were characterised on the basis of their pollen, physicochemical, phenolic and volatile composition. • SECTION V: the polyphenolic fraction, anthocyanins and other polar compounds, the antioxidant capacity and the anty-hyperlipemic action of the aqueous extract of Hibiscus sabdariffa were achieved. • SECTION VI: the optimization of a normal phase high pressure liquid chromatography–fluorescence detection method for the quantitation of flavanols and procyanidins in cocoa powder and chocolate samples was performed.

Functional components and lipid quality assessment in vegetable foods: analytical and technological approaches

Lipids are important components that contribute very significantly to nutritional and technological quality of foods because they are the least stable macro-components in foods, due to high susceptibility to oxidation. When rancidity take place, it makes food unhealthy and unacceptable for consumers. Thus, the presence of antioxidants, naturally present of added to foods, is required to enhance shelf life of foods. Moreover, antioxidant like phenolic compounds play an important role in human health enhancing the functionality of foods. The aim of this PhD project was the study of lipid quality and lipid oxidation in different vegetable foods focusing on analytical and technological aspects in order to figure out the effects of lipid composition and bioactive compounds (phenolic compounds, omega-3 fatty acids and dietary fiber) addition on their shelf life. In addition, bioavailability and antioxidant effects of phenolic compounds in human and animals, respectively, were evaluated after consumption of vegetable foods. The first section of the work was focused on the evaluation of lipid quality impact on technological behaviour of vegetable foods. Because of that, cocoa butter with different melting point were evaluated by chromatographic techniques (GC, TLC) and the sample with the higher melting point showed the presence of fatty acids, triglycerides, 2-monoglycerides and FT-IR profile different from genuine cocoa butter, meaning an adding of foreign fat (lauric-fat) not allowed by the law. Looking at lipid quality of other vegetable foods, an accelerated shelf life test (OXITEST®), was used to evaluate of lipid stability to oxidation in tarallini snacks made up using different lipid matrices (sunflower oil, extravirgin olive oil and a blend of extravirgin olive oil and lard). The results showed a good ability of OXITEST® to discriminate between lipid unsaturation and different cooking times, without any samples fat extraction. In the second section, the role of bioactive compounds on cereal based food shelf life was studied in different bakeries by GC, spectrophotometric methods and capillary electrophoresis. It was examined the relationships between phenolic compounds, added with flour, and lipid oxidation of tarallini and frollini. Both products showed an increase in lipid oxidation during storage and antioxidant effects on lipid oxidation were not as expected. Furthermore, the influence of enrichment in polyunsaturated fatty acids on lipid oxidation of pasta was evaluated. The results proved that LC n-3 PUFA were not significantly implicated in the onset of oxidation in spaghetti stored under daylight and accelerated oxidation in a laboratory heater. The importance of phenolic compounds as antioxidant in humans and rats was also studied, by HPLC/MS in the latter section. For this purpose, apigenin and apigenin glycosides excretion was investigated in six women’s urine in a 24 hours study. After a single dose of steamed artichokes, both aglicone and glucuronide metabolites were recovered in 24 h urine. Moreover, the effect of whole grain durum wheat bread and whole grain Kamut® khorasan bread in rats were evaluated. Both cereals were good sources of antioxidants but Kamut® bread fed animals had a better response to stress than wheat durum fed, especially when a sourdough bread was supplied.

Il contributo del telerilevamento multi ed iperspettrale per la caratterizzazione del territorio e la sostenibilità ambientale

L’evoluzione dei sensori multispettrali e la prospettiva di sviluppo dei sensori iperspettrali nel campo del telerilevamento ottico offrono nuovi strumenti per l’indagine del territorio e rinnovano la necessità di ridefinire potenzialità, limiti e accuratezza delle metodologie tradizionali. Nel caso delle immagini iperspettrali, in particolare, l’elevatissima risoluzione spettrale apre nuove possibilità di sviluppo di modelli fisicamente basati per correlare grandezze radiometriche con indicatori fisico-chimici caratteristici delle superfici osservate, a prezzo però di maggiori oneri nella gestione del dato. Il presente lavoro mira appunto ad esaminare, per alcune applicazioni di carattere ambientale e attraverso casi di studio specifici, le criticità del problema del rilevamento da remoto nel suo complesso: dai problemi di correzione radiometrica delle immagini, all'acquisizione di dati di calibrazione sul campo, infine all'estrazione delle informazioni di interesse dal dato telerilevato. A tal fine sono stati sperimentati diversi modelli di trasferimento radiativo ed è stata sviluppata un’interfaccia per la gestione del modello 6SV. Per quest’ultimo sono state inoltre sviluppate routine specifiche per il supporto dei sensori Hyperion e World View 2. La ricerca svolta intende quindi offrire un contributo alla definizione di procedure operative ripetibili, per alcune applicazioni intimamente connesse all’indagine conoscitiva ed al monitoraggio dei processi in atto sul territorio. Nello specifico, si è scelto il caso di studio dell’oasi del Fayyum, in Egitto, per valutare il contenuto informativo delle immagini satellitari sotto tre diversi profili, soltanto in apparenza distinti: la classificazione della litologia superficiale, la valutazione dello stato di qualità delle acque ed il monitoraggio delle opere di bonifica. Trattandosi di un’oasi, le aree coltivate del Fayyum sono circondate dai suoli aridi del deserto libico. La mancanza di copertura vegetale rappresenta una condizione privilegiata per l’osservazione della litologia superficiale da remoto, auspicabile anche per la scarsa accessibilità di alcune aree. Il fabbisogno idrico dell’oasi è garantito dall’apporto di acque del fiume Nilo attraverso una rete di irrigazione che ha, come recettore finale, il lago Qarun, situato nella porzione più depressa dell’oasi. Questo lago, privo di emissari, soffre enormi problemi di salinizzazione, visto il clima iper-arido in cui si trova, e di inquinamento da fertilizzanti agricoli. Il problema della sostenibilità ambientale dello sfruttamento agricolo intensivo dell’oasi è un problema di deterioramento della qualità dell’acqua e della qualità dei suoli. È un problema che richiede una adeguata conoscenza del contesto geologico in cui questi terreni sono inseriti ed una capacità di monitoraggio degli interventi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto; entrambe conoscenze necessarie alla definizione di un piano di sviluppo economico sostenibile. Con l’intento di contribuire ad una valutazione delle effettive potenzialità del telerilevamento come strumento di informazione territoriale, sono state sperimentate tecniche di classificazione di immagini multispettrali ASTER ed iperspettrali Hyperion di archivio per discriminare la litologia superficiale sulle aree adiacenti al lago Qarun nell’oasi del Fayyum. Le stesse immagini Hyperion di archivio più altre appositamente acquisite sono state utilizzate, assieme ad immagini multispettrali ALI, per la valutazione qualitativa e quantitativa di parametri di qualità delle acque, attraverso l’applicazione di modelli empirici di correlazione. Infine, per valutare l’ipotesi che il deterioramento della qualità delle acque possa essere correlato ai processi di bonifica ed estensione delle coltivazioni in atto negli ultimi decenni, le immagini dell’archivio Landsat sono state utilizzate per analisi di change detection. Per quanto riguarda il problema della validazione dei risultati, si è fatto uso di alcuni dati di verità a terra acquisiti nel corso di un survey preliminare effettuato nell’Ottobre 2010. I campioni di roccia prelevati e le misure di conducibilità elettrica delle acque del lago, benché in numero estremamente limitato per la brevità della missione e le ovvie difficoltà logistiche, consentono alcune valutazioni preliminari sui prodotti ottenuti dalle elaborazioni. Sui campioni di roccia e sabbie sciolte, in particolare, sono state effettuate misure di riflettività in laboratorio ed analisi mineralogiche dettagliate. Per la valutazione della qualità delle acque, più precisamente delle concentrazioni di clorofilla, la metodologia utilizzata per il caso di studio egiziano è stata applicata anche sul tratto costiero adriatico antistante le foci dei fiumi Tronto e Salinello. In questo sito sono state effettuate misure in situ di conducibilità elettrica ed il prelievo di campioni di acqua per la determinazione in laboratorio delle concentrazioni di clorofilla. I risultati ottenuti hanno evidenziato le potenzialità offerte dall’informazione spettrale contenuta nelle immagini satellitari e consentono l’individuazione di alcune pratiche operative. D’altro canto hanno anche messo in luce le carenze dei modelli attualmente esistenti, nonché le criticità legate alla correzione atmosferica delle grandezze radiometriche rilevate.