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.

Studio di geometrie di antenne su pcb per trasmissione wireless ultra-wideband

La presente tesi tratta la progettazione e la simulazione via software di geometrie di antenne da realizzare direttamente su Printed Circuit Board (PCB) per schede di trasmissione dati wireless Ultra Wide Band. L’obiettivo principale di questo studio è la realizzazione di un prototipo per impieghi biomedici umani (ad esempio trasmissione di dati provenienti da un ECG). Lo scopo del lavoro svolto è quello di trovare la miglior soluzione di integrazione per un’antenna il più possibile compatta da realizzare poi direttamente sul substrato dove verrà stampato il circuito del trasmettitore stesso. L’antenna verrà quindi realizzata esclusivamente attraverso microstrisce conduttrici (le medesime che formeranno i collegamenti tra i vari componenti del circuito) prendendo in considerazione le grandezze parassite di ogni conduttore, quali resistenza, induttanza, capacità ecc. In conclusione, il circuito di trasmissione wireless completo di antenna sopra descritto è attualmente in fase di realizzazione e nel prossimo futuro verrà testato in laboratorio.

Progetto PCB di un nodo sensore ultra-low power

Lo scopo della tesi è la realizzazione di un circuito PCB di un nodo sensore wireless ultra low power per il monitoraggio della temperatura. Una volta individuati tutti i componenti si è proseguito con l'implementazione del layout del circuito, che poi potrà eventualmente essere posto in produzione

Progetto di una scheda PCB per applicazioni di Energy Harvesting a bassissime tensioni

Progetto di una scheda PCB per applicazioni di Energy Harvesting a bassissime tensioni. Il circuito è in grado di avviarsi, autosostenersi e alimentare un piccolo carico.

Progetto PCB di un circuito convertitore di micro-potenze

Introduzione alla tecnologia PCB. Introduzione software design Circuit Maker Conversione circuito per micro-potenze con CircuitMaker

Single-Molecule Junctions Based on Nitrile-Terminated Biphenyls: A Promising New Anchoring Group

We present a combined experimental and theoretical study of the electronic transport through single-molecule junctions based on nitrile-terminated biphenyl derivatives. Using a scanning tunneling microscope-based break-junction technique, we show that the nitrile-terminated compounds give rise to well-defined peaks in the conductance histograms resulting from the high selectivity of the N-Au binding. Ab initio calculations have revealed that the transport takes place through the tail of the LUMO. Furthermore, we have found both theoretically and experimentally that the conductance of the molecular junctions is roughly proportional to the square of the cosine of the torsion angle between the two benzene rings of the biphenyl core, which demonstrates the robustness of this structure-conductance relationship.

Concentrations of metals and POPs in liver tissue of wild sea bird chicks from the Norwegian arctic region

Lysosomal membrane stability, lipofuscin (LF), malondialdehyde (MDA), neutral lipid (NL) levels, as well as halogenated organic compounds (HOCs), Cr, Cd, Pb and Fe concentrations were analyzed in liver of black-legged kittiwake (BK), herring gull (HG), and northern fulmar (NF) chicks. There were significant species differences in the levels of NL, LF and lysosomal membrane stability. These parameters were not associated with the respective HOC concentrations. LF accumulation was associated with increasing Cr, Cd and Pb concentrations. HG presented the lowest lysosomal membrane stability and the highest. LF and NL levels, which indicated impaired lysosomes in HG compared to NF and BK. Lipid peroxidation was associated with HOC and Fe2+ levels. Specific HOCs showed positive and significant correlations with MDA levels in HG. The study indicates that contaminant exposure can affect lysosomal and lipid associated parameters in seabird chicks even at low exposure levels. These parameters may be suitable markers of contaminant induced stress in arctic seabirds.

(Table 1) Body condition and plasma POP concentrations of glaucous gulls from Bjørnøya, Svalbard archipelago

Behavioural field observations are increasingly being used in ecotoxicological research to identify potential adverse effects of exposure to persistent organic pollutants (POPs). We investigated thermal conditions inside the nest and parental behaviour of glaucous gulls, Larus hyperboreus, breeding in the Norwegian Arctic in relation to the concentrations of major classes of POPs (organochlorines, brominated flame retardants and metabolically derived products) accumulated in their blood. Most notably, nest temperature was negatively correlated with the concentrations of the sum of DDT, sum of PCB and several quantitatively minor POP classes within the incubating parent. To investigate the relationship between incubation ability and parental POP exposure further, we experimentally increased the costs of incubation by artificially increasing the clutch size from two to four eggs. Clutch enlargement was followed by a decrease in nest temperature, but this drop in temperature was not associated with POP concentrations within the incubating parent. However, males, which had higher POP concentrations and lower white blood cell counts than females, seemed less able to maintain nest temperature. There was virtually no evidence to suggest that the sum of PCB or DDT were associated with changes in the time a bird spent incubating. However, there was some indication that nest site attendance by nonincubating males was negatively related to the sum of DDT, suggesting that nest protection may have been compromised. The results suggest that adverse effects of parental POP exposure may occur through suboptimal thermal conditions for embryo development and possibly increased egg predation risk.

(Table 1) Lipid content and organohalogen contaminant concentration in captive sledge dogs (Canis familiaris) and wild female polar bears (Ursus maritimus) from Greenland

The limited knowledge and/or the inability to control physiological condition parameters that influence the fate of organohalogen contaminants (OHCs) has been the foremost confounding aspect in monitoring programs and health risk assessments of wild top predators in the Arctic such as the polar bear (Ursus maritimus). In the present comparative study, we used a potential surrogate Canoidea species for the East Greenland polar bear, the captive sledge dog (Canis familiaris), to investigate some factors that may influence the bioaccumulation and biotransformation of major chlorinated and brominated OHCs in adipose tissue and blood (plasma) of control (fed commercial pork fat) and exposed (fed West Greenland minke whale (Balaenoptera acutorostrata) blubber) adult female sledge dogs. Furthermore, we compared the patterns and concentrations of OHCs and their known or suggested hydroxylated (OH) metabolites (e.g., OH-PCBs) in sledge dogs with those in adipose tissue and blood (plasma) of East Greenland adult female polar bears, and blubber of their main prey species, the ringed seal (Pusa hispida). The two-year feeding regime conducted with sledge dogs led to marked differences in overall adipose tissue (and plasma) OHC residue accumulation between the control and exposed groups. Characteristic prey-to-predator OHC bioaccumulation dynamics for major PCB and PBDE congeners (patterns and concentrations) and biotransformation capacity with respect to PCB metabolite formation and OH-PCB retention distinguished, to some extent, captive sledge dogs and wild polar bears. Based on the present findings, we conclude that the use of surrogate species in toxicological investigations for species in the Canoidea family should be done with great caution, although they remain essential in the context of contaminants research with sensitive arctic top carnivore species such as the polar bear.

Compilation of measurements from two interdisciplinary STAR-shaped surveys in the North Sea: The ZISCH - Dataset

The measurements were obtained during two North Sea wide STAR-shaped cruises during summer 1986 and winter 1987, which were performed to investigate the circulation induced transport and biologically induced pollutant transfer within the interdisciplinary research in the project "ZISCH - Zirkulation und Schadstoffumsatz in der Nordsee / Circulation and Contaminant Fluxes in the North Sea (1984-1989)". The inventory presents parameters measured on hydrodynamics, nutrient dynamics, ecosystem dynamics and pollutant dynamics in the pelagic and benthic realm. The research program had the objective of quantifying fluxes of major budgets, especially contaminants in the North Sea. In spring 1986, following the phytoplankton spring bloom, and in late winter 1987, at minimum primary production activity, the North Sea ecosystem was investigated on a station net covering the whole North Sea. The station net was shaped like a star. Sampling started in the centre, followed by the northwest section and moving counter clockwise around the North Sea following the residual currents. By this strategy, a time series was measured in the central North Sea and more synoptic data sets were obtained in the individual sections. Generally advection processes have to be considered when comparing the data from different stations. The entire sampling period lasted for more than six weeks in each cruise. Thus, a time-lag should be considered especially when comparing the data from the eastern and the western part of the central and northern North Sea, where samples were taken at the beginning and at the end of the campaign. The ZISCH investigations represented a qualitatively and quantitatively new approach to North Sea research in several respects. (1) The first simultaneous blanket coverage of all important biological, chemical and physical parameters in the entire North Sea ecosystem; (2) the first simultaneous measurements of major contaminants (metals and organohaline compounds) in the different ecosystem compartments; (3) simultaneous determinations of atmospheric inputs of momentum, energy and matter as important ecosystem boundary conditions; (4) performance of the complex measurement program during two seasons, namely the spring plankton bloom and the subsequent winter period of minimal biological activity; and (5) support of data analysis and interpretation by oceanographic and meteorological numerical models on the same scales.

Contaminant concentrations in ivory gull (Pagophila eburnea) eggs from Svalbard and the Russian Arctic (2006-2007)

We found high levels of contaminants, in particular organochlorines, in eggs of the ivory gull Pagophila eburnea, a high Arctic seabird species threatened by climate change and contaminants. An 80% decline in the ivory gull breeding population in the Canadian Arctic the last two decades has been documented. Because of the dependence of the ivory gull on sea ice and its high trophic position, suggested environmental threats are climate change and contaminants. The present study investigated contaminant levels (organochlorines, brominated flame retardants, perfluorinated alkyl substances, and mercury) in ivory gull eggs from four colonies in the Norwegian Svalbard) and Russian Arctic (Franz Josef Land and Severnaya Zemlya). The contaminant levels presented here are among the highest reported in Arctic seabird species, and we identify this as an important stressor in a species already at risk due to environmental change.

Concentrations of persistant organic pollutants in Great skua eggs (Stercorarius skua) from Shetland 1980 and 2008

Concentrations of POPs in Great skua eggs from Shetland are among the highest in North Atlantic seabirds, with up to 11,600 µg/kg (ww) DDE and up to 17,900 µg/kg ww SumPCB. Concentrations of legacy POPs were significantly lower in 2008 than 1980. Decreases were greatest for least persistent compounds. Median SumPBDEs increased from 99 µg/kg ww in 1980 to 173 µg/kg ww in 2008. There were changes in Great skua breeding season diet, with more adult Herring and Mackerel and less Sandeel. These changes increase exposure to POPs, since Herring and Mackerel accumulate more POPs than Sandeels. In both years, eggs with higher d15N had higher POP concentrations. In 1980, birds feeding more on demersal discard fish from trawl fisheries and less on Sandeels, had higher POP levels in eggs. In 2008, individuals feeding more on Herring and Mackerel, and less on discards, had higher POP levels in eggs.

Concentration of persistant organic pollutants and mercury in seabird eggs collected in Norway

The main objective of this study was to investigate possible temporal trends of persistent organic pollutants (POPs) and mercury in eggs of herring gulls (Larus argentatus), black-legged kittiwakes (Rissa tridactyla), common guillemots (Uria aalge) and Atlantic puffins (Fratercula arctica) in Northern Norway. Eggs were collected in 1983, 1993 and 2003. Egg concentrations of POPs (PCB congeners IUPAC numbers: CB-28, 74, 66, 101, 99, 110, 149, 118, 153, 105, 141, 138, 187, 128, 156, 157, 180, 170, 194, 206, HCB, alph-HCH, beta-HCH, gamma-HCH, oxychlordane, trans-chlordane, cis-chlordane, trans-nonachlor, cis-nonachlor, p,p'-DDE, o,p'-DDD, p,p'-DDD, o,p'-DDT and p,p'-DDT) and mercury were quantified. Generally, POP levels decreased between 1983 and 2003 in all species. No significant temporal trend in mercury levels was found between 1983 and 2003.

(Table 1) Concentrations of neutral and phenolic organohalogen compounds in adipose tissue, blood, brain and liver of polar bears (Ursus maritimus) from East Greenland

The tissue-specific composition of sum classes of brominated and chlorinated contaminants and metabolic/degradation byproducts was determined in adult male and female polar bears from East Greenland. Significantly (p < 0.05) higher concentrations of SUM-PCBs, various other organochlorines such as SUM-CHL, p,p'-DDE, SUM-CBz, SUM-HCHs, octachlorostyrene (OCS),SUM-mirex, dieldrin, the flame retardants SUM-PBDEs, and total-(R)-hexabromocyclododecane (HBCD), SUM-methylsulfonyl (MeSO2)-PCBs and 3-MeSO2-p,p'-DDE, were found in the adipose and liver tissues relative to whole blood and brain. In contrast, SUM-hydroxyl (OH)-PCB, 4-OH-heptachlorostyrene and SUM-OH-PBDE concentrations were significantly highest (p < 0.05) in whole blood, whereas the highest concentrations of SUM-OH-PBBs were found in the adipose tissue. Based on the total concentrations of all organohalogens in all three tissues and blood, the combined body burden was estimated to be 1.34 ± 0.12 g, where >91% of this amount was accounted for by the adipose tissue alone, followed by the liver, whole blood, and brain. These results show that factors such as protein association and lipid solubility appear to be differentially influencing the toxicokinetics, in terms of tissue composition/localization and burden, of organohalogen classes with respect to chemical structure and properties such as the type of halogenation (e.g., chlorination or bromination), and the presence or absence of additional phenyl group substituents (e.g., MeO and OH groups). The tissue- and blood-specific accumulation (or retention) among organohalogen classes indicates that exposure and any potential contaminant-mediated effects in these polar bears are likely tissue or blood specific.