Impact of ocean acidification on phytoplankton growth and aggregation

Since the industrial revolution, the ocean has absorbed around one third of the anthropogenic CO2, which induced a profound alteration of the carbonate system commonly known as ocean acidification. Since the preindustrial times, the average ocean surface water pH has fallen by 0.1 units, from approximately 8.2 to 8.1 and a further decrease of 0.4 pH units is expected for the end of the century. Despite their microscopic size, marine diatoms are bio-geo-chemically a very important group, responsible for the export of massive amount of carbon to deep waters and sediments. The knowledge of the potential effects of ocean acidification on the phytoplankton growth and on biological pump is still at its infancy. This study wants to investigate the effect of ocean acidification on the growth of the diatom Skeletonema marinoi and on its aggregation, using a mechanistic approach. The experiment consisted of two treatments (Present and Future) representing different pCO2 conditions and two sequential experimental phases. During the cell growth phase a culture of S. marinoi was inoculated into transparent bags and the effect of ocean acidification was studied on various growth parameters, including DOC and TEP production. The aggregation phase consisted in the incubation of the cultures into rolling tanks where the sinking of particles through the water column was simulated and aggregation promoted. Since few studies investigated the effect of pH on the growth of S. marinoi and none used pH ranges that are compatible with the OA scenarios, there were no baselines. I have shown here, that OA does not affect the cell growth of S. marinoi, suggesting that the physiology of this species is robust in respect to the changes in the carbonate chemistry expected for the end of the century. Furthermore, according to my results, OA does not affect the aggregation of S. marinoi in a consistent manner, suggesting that this process has a high natural variability but is not influenced by OA in a predictable way. The effect of OA was tested over a variety of factors including the number of aggregates produced, their size and sinking velocity, the algal, bacterial and TEP content. Many of these variables showed significant treatment effects but none of these were consistent between the two experiments.

Simulating the aggregation of DNA oligonucleotides

In this work we have studied, by means of Molecular Dynamics simulations, the process of denaturation and self-assembly of short oligonucleotides. Supramolecular ordering of DNA short strands is a promising field which is constantly enriched with new findings. Examples are provided by micellar and fibrils formations and due to the selectivity of DNA bindings, "intelligent" devices have been developed to perform simple logic operations. It is worth to notice that computer simulations of these DNA nanosystems would complement experiments with detailed insight into processes involved in self-assembly. In order to obtain an accurate description of the interactions involved in the complex structure of DNA we used oxDNA, a coarse-grained model developed by Ouldridge. We simulated the melting transition of 4, 6, and 8 base pair sequences. Sequence and length dependence were analyzed, specifically we compared thermodynamic parameters DeltaH, DeltaS and the melting temperature with literature results. Moreover, we have attempted to reproduce liquid crystal ordering of the ultrashort sequence GCCG at relatively high saline concentration, until now only experimentally observed in Bellini's works. We found that our simple model successfully reproduces the experimental phase sequence (isotropic, nematic, columnar) at T= 5 °C as a function of oligonucleotide concentration, and we fully characterized the microscopic structure of the three phases.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Mathematical models for cellular aggregation: the chemotactic instability and clustering formation

In this thesis we present a mathematical formulation of the interaction between microorganisms such as bacteria or amoebae and chemicals, often produced by the organisms themselves. This interaction is called chemotaxis and leads to cellular aggregation. We derive some models to describe chemotaxis. The first is the pioneristic Keller-Segel parabolic-parabolic model and it is derived by two different frameworks: a macroscopic perspective and a microscopic perspective, in which we start with a stochastic differential equation and we perform a mean-field approximation. This parabolic model may be generalized by the introduction of a degenerate diffusion parameter, which depends on the density itself via a power law. Then we derive a model for chemotaxis based on Cattaneo's law of heat propagation with finite speed, which is a hyperbolic model. The last model proposed here is a hydrodynamic model, which takes into account the inertia of the system by a friction force. In the limit of strong friction, the model reduces to the parabolic model, whereas in the limit of weak friction, we recover a hyperbolic model. Finally, we analyze the instability condition, which is the condition that leads to aggregation, and we describe the different kinds of aggregates we may obtain: the parabolic models lead to clusters or peaks whereas the hyperbolic models lead to the formation of network patterns or filaments. Moreover, we discuss the analogy between bacterial colonies and self gravitating systems by comparing the chemotactic collapse and the gravitational collapse (Jeans instability).