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.

Sensori resistivi per un microsistema di monitoraggio ambientale

Panoramica sui sensori resistivi, scelta di alcuni di essi per un progetto di monitoraggio ambientale, e poi realizzazione del PCB con i sensori.

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.

Realizzazione di un sistema di misura miniaturizzato per monitoraggio ambientale

L'elaborato affronta in primo luogo la progettazione e il design CAD del sistema di misura impedenziometrico ad alta risoluzione. La seconda parte tratta un'upgrade del software per implementare una funzione di risparmio energetico.

Stato tossicologico di esemplari di foca monaca (Monachus monachus, Hermann 1779) della Grecia, specie "critically endangered" del Mar Mediterraneo.

La foca monaca (Monachus monachus, Hermann 1779) è il pinnipede più a rischio d’estinzione del mondo e pochi sono gli studi che hanno indagato l’impatto antropico dato dagli inquinanti chimici su questa specie. Questo studio si propone di analizzare la pressione che elementi in traccia, organoclorurati (OC) e, per la prima volta, idrocarburi policiclici aromatici (IPA) hanno sulla specie, studiando una della popolazioni più numerose presenti nel Mar Mediterraneo, ossia quella greca. Sono stati utilizzati campioni di 59 esemplari deceduti provenienti da diverse colonie residenti in Grecia, di ambedue i sessi, appartenenti a diverse classi d’età e riferibili ad un arco temporali di quasi 20 anni (1994-2013). Per i contaminanti organici (PCB, DDT ed IPA), caratterizzati da un comportamento lipofilico, sono stati utilizzati esclusivamente campioni di tessuto adiposo, mentre per l’analisi di elementi in traccia (essenziali: Fe, Co, Cu, Se, Zn, Mg; tossici: Cr, Ni, As, Cd, Pb, Hg) sono state impiegate diverse matrici, quali fegato, rene, muscolo, adipe, milza, polmone, cuore e pelo. I risultati evidenziano un’importante contaminazione dai OC (125.896,69±289.934,27 ng/g p.s.), in cui DDT e PCB sono presenti rispettivamente al 48,5% e 51,5%, mentre, tra i metalli considerati tossici (As, Cd, Pb, Hg, Cr, Ni), As e Hg sono gli elementi che destano maggiori preoccupazioni per la salute di Monachus monachus, presenti rispettivamente al 36,44% e 12,83%. IPA ed altri elementi in traccia analizzati invece non raggiungono di per sé concentrazioni di rischio per la specie, ma non si escludono possibili effetti sinergici tra i vari inquinanti. L’elaborazione del fingerprint tossicologico ha evidenziato un’eterogeneità nella pressione data dai contaminanti in studio, manifestando che alcune colonie di foca monaca in Grecia sono maggiormente soggette all’azione negativa di organoclorurati, idrocarburi policiclici aromatici o elementi in traccia tossici a seconda del caso.

Design of a GNSS receiver for the ESEO mission

This thesis was carried out inside the ESA's ESEO mission and focus in the design of one of the secondary payloads carried on board the spacecraft: a GNSS receiver for orbit determination. The purpose of this project is to test the technology of the orbit determination in real time applications by using commercial components. The architecture of the receiver includes a custom part, the navigation computer, and a commercial part, the front-end, from Novatel, with COCOM limitation removed, and a GNSS antenna. This choice is motivated by the goal of demonstrating the correct operations in orbit, enabling a widespread use of this technology while lowering the cost and time of the device’s assembly. The commercial front-end performs GNSS signal acquisition, tracking and data demodulation and provides raw GNSS data to the custom computer. This computer processes this raw observables, that will be both transferred to the On-Board Computer and then transmitted to Earth and provided as input to the recursive estimation filter on-board, in order to obtain an accurate positioning of the spacecraft, using the dynamic model. The main purpose of this thesis, is the detailed design and development of the mentioned GNSS receiver up to the ESEO project Critical Design Review, including requirements definition, hardware design and breadboard preliminary test phase design.

Design and prototyping of electronic PCBs for the study of the atmosphere in harsh environmental conditions

Progettazione, test e creazione di schede elettroniche per lo studio dell'atmosfera in condizioni ambientali difficili.

Progetto di un circuito di condizionamento del segnale per sistemi di analisi reologica

L'elaborato riguarda il progetto di un circuito di condizionamento del segnale per sistemi di misura reologica. Il circuito è stato studiato per essere interfacciato con un sistema di misura in fase di studio all'Università di Bologna, sebbene il suo utilizzo nei sistemi di analisi nel dominio delle frequenze sia del tutto generale. Il sistema di misura esistente compie un'analisi chimico-fisica di alimenti, generalmente liquidi, in modo da caratterizzare nel dominio delle frequenze la risposta elettrica ad uno stimolo sinusoidale a frequenza variabile. In particolare, il sistema genera due segnali X(f) ed Y(f). Tuttavia, in molti casi di interesse la dinamica del segnale risulta molto piccola rispetto al range massimo del segnale. Lo scopo del circuito di condizionamento è quello di aumentare la dinamica dei segnali X(f) ed Y(f) in modo da rendere i grafici più leggibili. Tale obiettivo è stato ottenuto mediante la progettazione di un opportuno stadio di amplificazione a guadagno programmabile. Il sistema è controllato da un microcontrollore dotato di interfaccia USB con cui comunica con un PC. Le misure effettuate mostrano che il circuito progettato è in grado di amplificare correttamente la dinamica dei segnali acquisiti nel range 0-VDD.

Progetto e realizzazione di un sistema di test per sensori a effetto hall a banda larga

Un ambito di largo interesse nel campo dell’elettronica, è quello delle misure di corrente a larga banda, in cui la richiesta per sistemi a basso costo è aumentata sensibilmente nel corso del tempo. La causa di questo interessamento è dovuto al più frequente utilizzo di sistemi switched power ad alta frequenza, che necessitano di sensori di correnti isolati e ad alte prestazioni. L’intero lavoro prende in considerazione un sensore di nuova generazione per le misure di corrente, capace di raggiungere prestazioni oltre lo stato dell’arte. L’elaborato presentato vede, quindi, come obiettivo la creazione di un setup stabile per effettuare misure sui chip prodotti. Partendo dallo studio di fattibilità, della componentistica necessaria e dei compromessi per mantenere i costi, si giunge ad una soluzione flessibile e adatta alle misurazioni richieste. L’elaborato partirà con una introduzione sugli effetti fisici e la descrizione del componente fondamentale, passando a test funzionali effettuati su setup provvisori atti a ottenere informazioni basilari per la prosecuzione del lavoro. Infine verranno concepite e realizzate due schede a circuiti stampati per rispondere alle esigenze di progetto.

Progetto di un sistema di collaudo per un tag RFID uwb integrato

La tesi è incentrata sul progetto di un PCB in grado di testare il corretto funzionamento del chip GRETA, un integrato dedicato, che implementa un nodo intelligente basato su harvesting RF. L'integrato implementa un sistema innovativo di comunicazione per RFID, che sfrutta la metodologia Green Tagging, per la trasmissione di sequenze RF. Vengono elaborate le diverse fasi di progettazione e di design pcb attraverso un programma di cad. Lo scopo è quello di realizzare un unico sistema perfettamente controllabile dall'utente, che attraverso i componenti messi a disposizione dalla scheda di testing, permetta di ricevere, inviare o escludere i segnali che afferiscono ai pin di Input/output del chip integrato. E' stata introdotta la possibilità di pilotare/testare separatamente le sottoparti interne al chip, con lo scopo di isolare eventuali malfunzionamenti.

Caratterizzazione e testing di Sensori Hall Commerciali

Questa Tesi di Laurea si prefigge gli obiettivi di riuscire a caratterizzare i Sensori Hall e di testare un Sensore Hall di Asahi-Kasei, il CQ-3300, di cui l’Università di Bologna è in possesso. Per questa ragione si può dividere il processo di realizzazione della tesi in 2 fasi ben distinte: • Una prima fase dedicata interamente allo studio dell’argomento e alla ricerca online di Sensori Hall presenti sul mercato. Si è dunque approfondito il fenomeno fisico su cui essi basano il proprio funzionamento, le loro caratteristiche principali e le loro applicazioni. Se ne sono poi scelti due, oltre al CQ-3300, tra quelli presenti sul mercato per poterli caratterizzare e confrontare con il suddetto. • Una seconda fase dedicata ai test sul Sensore nel laboratorio di elettronica. Durante questa fase è stato montato su PCB (Printed Circuit Board) il sensore Hall CQ-3300 e sono stati realizzati dei circuiti di prova con lo scopo di verificare il corretto funzionamento del Sensore e l’effettiva banda di funzionamento. I tests in corrente alternata sono stati effettuati grazie all’ausilio di un generatore di corrente in grado di convertire un segnale in tensione in un segnale in corrente. Questo generatore di corrente però non può erogare un segnale in corrente di ampiezza maggiore a 1 Ampere, ragione per cui si è preferito tenersi alla larga da tale valore. L’Università di Bologna ritiene necessario testare questo sensore in termini di banda, in quanto ha progettato un Sensore Hall dalle caratteristiche simili in termini di banda di lavoro al componente in questione, il che rende importante capire se quest’ultimo tiene fede alla banda di lavoro che viene indicata sul suo datasheet, ovvero 1 MHz.

Caratterizzazione di sistemi di misura di corrente basati su sensori a Effetto Hall

Elaborato di tesi con lo scopo principale di creare una scheda di test migliorata per la caratterizzazione di sistemi di misura di corrente su sensori a Effetto Hall.