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.

Intestinal microbiome in chronic intestinal failure and associations with intestinal failure associated liver disease

Background and Aims: Intestinal dysbiosis has been described in children with chronic intestinal failure (CIF) and in adults with short bowel syndrome (SBS), mostly with jejunocolic anastomosis (SBS-2) and jejuno-ileal anastomosis (SBS-3), linked to generic data with the pathogenesis of Intestinal Failure Associated Liver Disease (IFALD). Little is known about gut microbiome of adults with end-jejunostomy (SBS-1) and in CIF other than SBS and any specific associations with the onset of IFALD. We aimed to describe the fecal microbiome of adult patients with different mechanisms of CIF and any possible associations with the development of IFALD. Material and methods: Fecal samples from 61 patients with benign CIF. Phylogenetic characterization of the microbiome by amplification of the hypervariable regions V3 and V4 of the bacterial gene encoding 16S rRNA, and subsequent grouping of sequences in amplicon sequence variants (ASVs). Patient samples comparison to microbiome sequences from 61 healthy subjects, matched for sex and age, selected from the healthy subjects library of the Laboratory of the Microbial Ecology of Health Unit, Department of Pharmacy and Biotechnology, of the University of Bologna. IFALD was assessed by the diagnostic criteria of IFALD-cholestasis, IFALD-steatosis, IFALD-fibrosis. Results: Decreased bacterial α-diversity in CIF patients (increase of Proteobacteria and Actinobacteria and decrease in Bacteroidetes). Identification of microbial family-level signatures specific for CIF mechanisms (increase in Actinomycetaceae and Streptococcaceae in SBS-1, Bifidobacteriaceae and Lactobacillaceae in SBS-2, Bacteroidaceae and Porphyromonadaceae in dysmotility). Abundance of Lactobacillus and Lactobacillaceae strongly associated with IFALD-cholestasis and IFALD–fibrosis for SBS-1; Peptostreptococcus, Prevotellaceae (Prevotella) and Pasteurellaceae (Haemophilus) significantly increased in IFALD-fibrosis for other CIF mechanisms. Conclusions: CIF patients had a marked intestinal dysbiosis with microbial family-level signatures specific to the pathophysiological mechanism. Specific characteristics of microbiome may contribute to the pathogenesis of IFALD. Intestinal microbiome could become a therapeutic target in patients with CIF.

Growth performance, gut health, and metabolism of broilers under thermoneutral and heat stress conditions: multidisciplinary studies on the effects of nutritional strategies and genotype

This PhD project aimed to (i) investigate the effects of three nutritional strategies (supplementation of a synbiotic, a muramidase, or arginine) on growth performance, gut health, and metabolism of broilers fed without antibiotics under thermoneutral and heat stress conditions and to (ii) explore the impacts of heat stress on hypothalamic regulation of feed intake in three broiler lines from diverse stages of genetic selection and in the red jungle fowl, the ancestor of domestic chickens. Synbiotic improved feed efficiency and footpad health, increased Firmicutes and reduced Bacteroidetes in the ceca of birds kept in thermoneutral conditions, while did not mitigate the impacts of heat stress on growth performance. Under optimal thermal conditions, muramidase increased final body weight and reduced cumulative feed intake and feed conversion ratio in a dose-dependent way. The highest dose reduced the risk of footpad lesions, cecal alpha diversity, the Firmicutes to Bacteroidetes ratio, and butyrate producers, increased Bacteroidaceae and Lactobacillaceae, plasmatic levels of bioenergetic metabolites, and reduced the levels of pro-oxidant metabolites. The same dose, however, failed to reduce the effects of heat stress on growth performance. Arginine supplementation improved growth rate, final body weight, and feed efficiency, increased plasmatic levels of arginine and creatine and hepatic levels of creatine and essential amino acids, reduced alpha diversity, Firmicutes, and Proteobacteria (especially Escherichia coli), and increased Bacteroidetes and Lactobacillus salivarius in the ceca of thermoneutral birds. No arginine-mediated attenuation of heat stress was found. Heat stress altered protein metabolism and caused the accumulation of antioxidant and protective molecules in oxidative stress-sensitive tissues. Arginine supplementation, however, may have partially counterbalanced the effects of heat stress on energy homeostasis. Stable gene expression of (an)orexigenic neuropeptides was found in the four chicken populations studied, but responses to hypoxia and heat stress appeared to be related to feed intake regulation.