Dealogenazione riduttiva dei policlorobifenili (PCB) in sedimenti anaerobici marini della laguna di Venezia: arricchimento e identificazione dei microrganismi dealogenanti

I policlorobifenili (PCB) sono inquinanti tossici e fortemente recalcitranti che contaminano suoli e sedimenti di acqua dolce e marini. Le tecnologie attualmente impiegate per la loro rimozione (dragaggio e trattamento chimoco-fisico o conferimento in discarica) sono molto costose, poco efficaci o ad alto impatto ambientale. L’individuazione di strategie alternative, di natura biologica, consentirebbe lo sviluppo di un processo alternativo più sostenibile. Nel processo di declorurazione riduttiva i congeneri di PCB a più alto grado di clorurazione, che sono i più tossici, recalcitranti e maggiormente tendenti al bioaccumulo, vengono utilizzati da alcuni microrganismi anaerobici come accettori finali di elettroni nella catena respiratoria e bioconvertiti in congeneri a minor grado di clorurazione, meno pericolosi, che possono essere mineralizzati da parte di batteri aerobi. La declorurazione riduttiva dei PCB è stata spesso studiata in colture anaerobiche di arricchimento in terreno minerale ottenute a partire da sedimenti di acqua dolce; questi studi hanno permesso di dimostrare che batteri del phylum dei Chloroflexi e appartenenti al genere Dehalococcoides o filogeneticamente facenti parte del gruppo dei Dehalococcoides-like sono i decloruranti. Sono tuttavia scarse le informazioni riguardanti l'occorrenza della declorurazione dei PCB in ambienti marini, nei quali l'alta salinità e concentrazione di solfati influenzano diversamente l'evoluzione delle popolazioni microbiche. In sedimenti contaminati della laguna di Venezia è stata osservata declorurazione sia dei PCB preesistenti che di congeneri esogeni; questi studi hanno permesso l'ottenimento di colture di arricchimento fortemente attive nei confronti di 5 congeneri di PCB coplanari. In questa tesi, a partire dalle colture capaci di declorurare i PCB coplanari, sono stati allestiti nuovi passaggi di arricchimento su Aroclor®1254, una miscela di PCB più complessa e che meglio rappresenta la contaminazione ambientale. Le colture sono state allestite come microcosmi anaerobici in fase slurry, preparati risospendendo il sedimento nell'acqua superficiale, ricreando in tal modo in laboratorio le stesse condizioni biogeochimiche presenti in situ; gli slurry sterili sono stati inoculati per avviare le colture. Per favorire la crescita dei microrganismi decloruranti e stimolare così la decloruraazione dei PCB sono stati aggiunti inibitori selettivi di metanogeni (Bromoetansulfonato o BES) e solfato-riduttori (molibdato), sono state fornite fonti di carbonio ed energia (eD), quali acidi grassi a corta catena e idrogeno, utilizzate di batteri decloruranti noti, e per semplificare la comunità microbica sono stati aggiunti antibiotici cui batteri decloruranti del genere Dehalococcoides sono resistenti. Con questo approccio sono stati allestiti passaggi di arricchimento successivi e le popolazioni microbiche delle colture sono state caratterizzate con analisi molecolari di fingerprinting (DGGE). Fin dal primo passaggio di arricchimento nei microcosmi non ammendati ha avuto luogo un'estesa declorurazione dell'Aroclor®1254; nei successivi passaggi si è notato un incremento della velocità del processo e la scomparsa della fase di latenza, mentre la stessa stereoselettività è stata mantenuta a riprova dell’arricchimento degli stessi microrganismi decloruranti. Le velocità di declorurazione ottenute sono molto alte se confrontate con quelle osservate in colture anaerobiche addizionate della stessa miscela descritte in letteratura. L'aggiunta di BES o molibdato ha bloccato la declorurazione dei PCB ma in presenza di BES è stata riscontrata attività dealogenante nei confronti di questa molecola. La supplementazione di fonti di energia e di carbonio ha stimolato la metanogenesi e i processi fermentativi ma non ha avuto effetti sulla declorurazione. Ampicillina e vancomicina hanno incrementato la velocità di declorurazione quando aggiunte singolarmente, insieme o in combinazione con eD. E' stato però anche dimostrato che la declorurazione dei PCB è indipendente sia dalla metanogenesi che dalla solfato-riduzione. Queste attività respiratorie hanno avuto velocità ed estensioni diverse in presenza della medesima attività declorurante; in particolare la metanogenesi è stata rilevata solo in dipendenza dall’aggiunta di eD alle colture e la solfato-riduzione è stata inibita dall’ampicillina in microcosmi nei quali un’estesa declorurazione dei PCB è stata osservata. La caratterizzazione delle popolazioni microbiche, condotte mediante analisi molecolari di fingerprinting (DGGE) hanno permesso di descrivere le popolazioni batteriche delle diverse colture come complesse comunità microbiche e di rilevare in tutte le colture decloruranti la presenza di una banda che l’analisi filogenetica ha ascritto al batterio m-1, un noto batterio declorurante in grado di dealogenare un congenere di PCB in colture di arricchimento ottenute da sedimenti marini appartenente al gruppo dei Dehalococcoides-like. Per verificare se la crescita di questo microrganismo sia legata alla presenza dei PCB, l'ultimo passaggio di arricchimento ha previsto l’allestimento di microcosmi addizionati di Aroclor®1254 e altri analoghi privi di PCB. Il batterio m-1 è stato rilevato in tutti i microcosmi addizionati di PCB ma non è mai stato rilevato in quelli in cui i PCB non erano presenti; la presenza di nessun altro batterio né alcun archebatterio è subordinata all’aggiunta dei PCB. E in questo modo stato dimostrato che la presenza di m-1 è dipendente dai PCB e si ritiene quindi che m-1 sia il declorurante in grado di crescere utilizzando i PCB come accettori di elettroni nella catena respiratoria anche in condizioni biogeochimiche tipiche degli habitat marini. In tutte le colture dell'ultimo passaggio di arricchimento è stata anche condotta una reazione di PCR mirata alla rilevazione di geni per dealogenasi riduttive, l’enzima chiave coinvolto nei processi di dealogenazione. E’ stato ottenuto un amplicone di lughezza analoga a quelle di tutte le dealogenasi note in tutte le colture decloruranti ma un tale amplificato non è mai stato ottenuto da colture non addizionate di PCB. La dealogenasi ha lo stesso comportamento di m-1, essendo stata trovata come questo sempre e solo in presenza di PCB e di declorurazione riduttiva. La sequenza di questa dealogenasi è diversa da tutte quelle note sia in termini di sequenza nucleotidica che aminoacidica, pur presentando due ORF con le stesse caratteristiche e domini presenti nelle dealogenasi note. Poiché la presenza della dealogenasi rilevata nelle colture dipende esclusivamente dall’aggiunta di PCB e dall’osservazione della declorurazione riduttiva e considerato che gran parte delle differenze genetiche è concentrata nella parte di sequenza che si pensa determini la specificità di substrato, si ritiene che la dealogenasi identificata sia specifica per i PCB. La ricerca è stata condotta in microcosmi che hanno ricreato fedelmente le condizioni biogeochimiche presenti in situ e ha quindi permesso di rendere conto del reale potenziale declorurante della microflora indigena dei sedimenti della laguna di Venezia. Le analisi molecolari condotte hanno permesso di identificare per la prima volta un batterio responsabile della declorurazione dei PCB in sedimenti marini (il batterio m-1) e una nuova dealogenasi specifica per PCB. L'identificazione del microrganismo declorurante permette di aprire la strada allo sviluppo di tecnologie di bioremediation mirata e il gene della dealogenasi potrà essere utilizzato come marker molecolare per determinare il reale potenziale di declorurazione di miscele complesse di PCB in sedimenti marini.

Bioremediation of PCB-contaminated marine sediments: From identification of indigenous dehalorespirers to enhancement of microbial reductive dechlorination

Marine sediments are the main accumulation reservoir of organic recalcitrant pollutants such as polychlorinated biphenyls (PCBs). In the anoxic conditions typical of these sediments, anaerobic bacteria of the phylum Chloroflexi are able to attack these compounds in a process called microbial reductive dechlorination. Such activity and members of this phylum were detected in PCB-impacted sediments of the Venice Lagoon. The aim of this work was to investigate microbial reductive dechlorination and design bioremediation approaches for marine sediments of the area. Three out of six sediment cultures from different sampling areas exhibited dechlorination activities in the same conditions of the site and two phylotypes (VLD-1 and VLD-2) were detected and correlated to this metabolism. Biostimulation was tested on enriched dechlorinating sediment cultures from the same site using five different electron donors, of which lactate was the best biostimulating agent; complementation of microbial and chemical dechlorination catalyzed by biogenic zerovalent Pd nanoparticles was not effective due to sulfide poisoning of the catalyst. A new biosurfactant-producing strain of Shewanella frigidimarina was concomitantly obtained from hydrocarbon-degrading marine cultures and selected because of the low toxicity of its product. All these findings were then exploited to develop bioremediation lab-scale tests in shaken reactors and static microcosms on real sediments and water of the Venice lagoon, testing i) a bioaugmentation approach, with a selected enriched sediment culture from the same area, ii) a biostimulation approach with lactate as electron donor, iii) a bioavailability enhancement with the supplementation of the newly-discovered biosurfactant, and iv) all possible combinations of the afore-mentioned approaches. The best bioremediation approach resulted to be a combination of bioaugmentation and bioremediation and it could be a starting point to design bioremediation process for actual marine sediments of the Venice Lagoon area.

Analisi del profilo tossicologico e cancerogeno di contaminanti ambientali e identificazione dei rischi per la salute umana correlati all'esposizione

L’attenta analisi della letteratura scientifica su argomenti riguardanti i contaminanti ambientali oggetto di studio (i policlorodifenili) ha permesso di raccogliere dati utili riguardanti le proprietà di queste molecole, la loro diffusione e la loro pericolosità. Oggetto della ricerca è stato lo studio in vitro del potenziale citotossico e trasformante dei PCB, utilizzando come riferimento una miscela commerciale di PCB, l’Aroclor 1260, e di un MIX di 18 congeneri ricostituito in laboratorio. Il lavoro è proseguito con la valutazione degli effetti di queste miscele e di due congeneri singoli (PCB 118 e PCB 153) su linee cellulari diverse in test di vitalità a breve termine. L’utilizzo di test specifici ha poi permesso la valutazione di un possibile potenziale estrogenico. Una volta ottenuto un quadro generale sui possibili effetti delle miscele grazie ai risultati dei test funzionali, è stata valutata la modulazione, da parte delle molecole e/o di miscele delle stesse, dell’espressione di geni coinvolti nella risposta ad estrogeni o a composti diossino simili, andando ad effettuare un’analisi di tipo molecolare con Real-Time PCR (RT-PCR) e analizzando nello specifico marcatori di pathway dell’Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR) o dell’Estrogen Receptor (ER). In ultima analisi al fine di verificare l’applicabilità di biomarkers di espressione a situazioni di contaminazioni reali, ci si è focalizzati su campioni estratti da matrici ambientali, ed in particolare linee cellulari di interesse sono state esposte a estratti di sedimenti provenienti da siti inquinati. L’approccio scelto è stato di tipo molecolare, con lo scopo di individuare pathway da valutare in un secondo momento in test funzionali specifici. L’attività di ricerca si è avvalsa della tecnica del DNA-microarray per valutare la modulazione dell’espressione genica in risposta all’esposizione a contaminanti ambientali. In questo modo è possibile definire i profili di espressione genica che sottendono a risposte biologiche complesse nell’intento di individuare biomarcatori in grado di predire il rischio per l’uomo, e di consentire la stima di una relazione diretta tra esposizione ed effetti possibili.

Intensificazione di processi biologici per la Bioremediation aerobica di suoli contaminati

Enzyveba, a partially characterized complex consortium of not-adapted microorganisms developed through prolonged stabilization of organic wastes, was found to markedly intensify the aerobic remediation of aged PAH- and PCB-contaminated soil by acting as a source of exogenous specialized microorganisms and nutrients. Thus, Enzyveba was tested in the bioremediation of Diesel (G1) and HiQ Diesel (G2) contaminated soils under aerobic slurry-phase conditions by means of a chemical, microbiological, ecotoxicological integrated analytical procedure. The addition of Enzyveba resulted in a higher availability of cultivable specialized bacteria and fungi but this resulted in a slight intensification of soil remediation, probably because of the high content of nutrients and specialized microorganisms of the soil. In many cases, the biotreatability of soils impacted by diesel fuel is limited by their poor content of autochthonous pollutant-degrading microorganisms. Thus, bioaugmentation with stable and reproducible cultures with the required broad substrate specificity might be the solution for a successful remediation. Two microbial consortia, ENZ-G1 and ENZ-G2, were enriched from Enzyveba on G1 and G2. Both consortia consist of a similar composition of bacterial and fungal species. They exhibited a comparable and significant biodegradation capability by removing about 90% of 1 g/l of diesel fuel under liquid culture conditions. Given their remarkable biodegradation potential, richness of quite diverse microbes, stability and resistance after cryopreservation at -20 °C for several months, both consortia appear very interesting candidates for bioaugmentation on site. The mycoflora of a soil historically contaminated by high concentration of PCBs was characterised before, at the beginning and at the end of the biotreatment mentioned above. Several mitosporic fungi isolated from soil grew in presence of a mixture of three PCBs congeners when also glucose was provided. This is the first study in which 5 strains of mitosporic species able to biodegrade PCB are reported in the literature.

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.

Parametri emato-biochimici e contaminanti ambientali in Tartarughe e Chirotteri

La biochimica clinica dei rettili e dei cheloni in particolare, non ha ottenuto al momento lo stesso livello di attenzione rivolto ai mammiferi. Con il presente lavoro viene proposta la valutazione dei più importanti parametri ematologici e biochimici in campioni di sangue di Testudo hermanni al fine di facilitare l'interpretazione dei dati di laboratorio e la diagnosi di eventuali patologie. A questo scopo, sono stati calcolati gli intervalli di riferimento di questi parametri in individui clinicamente sani e sono state analizzate le influenze di fattori ambientali e fisiologici. Sono state inoltre determinate le concentrazioni di alcuni importanti elementi chimici sia essenziali che non essenziali. Su campioni di chirottero del genere Tadarida teniotis sono state determinate le concentrazioni di PCB DL, PCB NDL, PCDD/F, PFAS e di elementi chimici essenziali e non, al fine di valutare: il possibile livello di contaminazione in relazione alla specie e all’habitat, la prevalenza e/o il rapporto delle classi di composti nel caso di una possibile contaminazione, la eventuale fonte di contaminazione. A quanto ci risulta, il nostro lavoro rappresenta il primo tentativo di analizzare su vasta scala le concentrazioni di questi inquinanti in una popolazione di pipistrelli residenti in un’area urbana. Tra i vari contaminanti esaminanti in questo studio, il Pb e le diossine possono costituire un serio problema per Tadarida teniotis.

Design and Fabrication of Bond Wire Micro-Magnetics

This thesis presents a new approach for the design and fabrication of bond wire magnetics for power converter applications by using standard IC gold bonding wires and micro-machined magnetic cores. It shows a systematic design and characterization study for bond wire transformers with toroidal and race-track cores for both PCB and silicon substrates. Measurement results show that the use of ferrite cores increases the secondary self-inductance up to 315 µH with a Q-factor up to 24.5 at 100 kHz. Measurement results on LTCC core report an enhancement of the secondary self-inductance up to 23 µH with a Q-factor up to 10.5 at 1.4 MHz. A resonant DC-DC converter is designed in 0.32 µm BCD6s technology at STMicroelectronics with a depletion nmosfet and a bond wire micro-transformer for EH applications. Measures report that the circuit begins to oscillate from a TEG voltage of 280 mV while starts to convert from an input down to 330 mV to a rectified output of 0.8 V at an input of 400 mV. Bond wire magnetics is a cost-effective approach that enables a flexible design of inductors and transformers with high inductance and high turns ratio. Additionally, it supports the development of magnetics on top of the IC active circuitry for package and wafer level integrations, thus enabling the design of high density power components. This makes possible the evolution of PwrSiP and PwrSoC with reliable highly efficient magnetics.