Methodological approaches to estimate human population exposure to chemical substances

The public awareness that chemical substances are present ubiquitously in the environment, can be assumed through the diet and can exhibit various health effects, is very high in Europe and Italy. National and international institutions are called to provide figures on the magnitude, frequency, and duration of the population exposure to chemicals, including both natural or anthropogenic substances, voluntarily added to consumers’ good or accidentally entering the production chains. This thesis focuses broadly on how human population exposure to chemicals can be estimated, with particular attention to the methodological approaches and specific focus on dietary exposure assessment and biomonitoring. From the results obtained in the different studies collected in this thesis, it has been pointed out that when selecting the approach to use for the estimate of the exposure to chemicals, several different aspects must be taken into account: the nature of the chemical substance, the population of interest, clarify if the objective is to assess chronic or acute exposure, and finally, take into account the quality and quantity of data available in order to specify and quantify the uncertainty of the estimate.

Geomorphological and statistical analysis on Ravenna dune fields changes, based on Terrestrial Laser Technology

Coastal sand dunes represent a richness first of all in terms of defense from the sea storms waves and the saltwater ingression; moreover these morphological elements constitute an unique ecosystem of transition between the sea and the land environment. The research about dune system is a strong part of the coastal sciences, since the last century. Nowadays this branch have assumed even more importance for two reasons: on one side the born of brand new technologies, especially related to the Remote Sensing, have increased the researcher possibilities; on the other side the intense urbanization of these days have strongly limited the dune possibilities of development and fragmented what was remaining from the last century. This is particularly true in the Ravenna area, where the industrialization united to the touristic economy and an intense subsidence, have left only few dune ridges residual still active. In this work three different foredune ridges, along the Ravenna coast, have been studied with Laser Scanner technology. This research didn’t limit to analyze volume or spatial difference, but try also to find new ways and new features to monitor this environment. Moreover the author planned a series of test to validate data from Terrestrial Laser Scanner (TLS), with the additional aim of finalize a methodology to test 3D survey accuracy. Data acquired by TLS were then applied on one hand to test some brand new applications, such as Digital Shore Line Analysis System (DSAS) and Computational Fluid Dynamics (CFD), to prove their efficacy in this field; on the other hand the author used TLS data to find any correlation with meteorological indexes (Forcing Factors), linked to sea and wind (Fryberger's method) applying statistical tools, such as the Principal Component Analysis (PCA).

Physiological studies to optimize algal biomass production in phytoremediation processes

Nowadays microalgae are studied, and a number of species already mass-cultivated, for their application in many fields: food and feed, chemicals, pharmaceutical, phytoremediation and renewable energy. Phytoremediation, in particular, can become a valid integrated process in many algae biomass production systems. This thesis is focused on the physiological and biochemical effects of different environmental factors, mainly macronutrients, lights and temperature on microalgae. Microalgal species have been selected on the basis of their potential in biotechnologies, and nitrogen occurs in all chapters due to its importance in physiological and applicative fields. There are 5 chapters, ready or in preparation to be submitted, with different specific matters: (i) to measure the kinetic parameters and the nutrient removal efficiencies for a selected and local strain of microalgae; (ii) to study the biochemical pathways of the microalga D. communis in presence of nitrate and ammonium; (iii) to improve the growth and the removal efficiency of a specific green microalga in mixotrophic conditions; (iv) to optimize the productivity of some microalgae with low growth-rate conditions through phytohormones and other biostimulants; and (v) to apply the phyto-removal of ammonium in an effluent from anaerobic digestion. From the results it is possible to understand how a physiological point of view is necessary to provide and optimize already existing biotechnologies and applications with microalgae.

Ricerca e applicazione di metodologie ecotossicologiche nel monitoraggio di ambienti marino-costieri: Sviluppo di nuovi bioassay e biomarker

Obiettivo del lavoro è stato lo sviluppo e la validazione di nuovi bioassay e biomarker quali strumenti da utilizzare in un approccio ecotossicologico integrato per il biomonitoraggio di ambienti marino-costieri interessati da impatto antropico negli organismi che vivono in tali ambienti. L’ambiente reale impiegato per l’applicazione in campo è la Rada di Augusta (Siracusa, Italia). Una batteria di bioassay in vivo e in vitro è stata indagata quale strumento di screening per la misura della tossicità dei sedimenti. La batteria selezionata ha dimostrato di possedere i requisiti necessari ad un applicazione di routine nel monitoraggio di ambienti marino costieri. L’approccio multimarker basato sull’impiego dell’organismo bioindicatore Mytilus galloprovincialis in esperimenti di traslocazione ha consentito di valutare il potenziale applicativo di nuovi biomarker citologici e molecolari di stress chimico parallelamente a biomarker standardizzati di danno genotossico ed esposizione a metalli pesanti. I mitili sono stati traslocati per 45 giorni nei siti di Brucoli (SR) e Rada di Augusta, rispettivamente sito di controllo e sito impattato. I risultati ottenuti supportano l’applicabilità delle alterazioni morfometriche dei granulociti quale biomarker di effetto, direttamente correlato allo stato di salute degli organismi che vivono in un dato ambiente. Il significativo incremento dell’area dei lisosomi osservato contestualmente potrebbe riflettere un incremento dei processi degradativi e dei processi autofagici. I dati sulla sensibilità in campo suggeriscono una valida applicazione della misura dell’attività di anidrasi carbonica in ghiandola digestiva come biomarker di stress in ambiente marino costiero. L’utilizzo delle due metodologie d’indagine (bioassay e biomarker) in un approccio ecotossicologico integrato al biomonitoraggio di ambienti marino-costieri offre uno strumento sensibile e specifico per la valutazione dell’esposizione ad inquinanti e del danno potenziale esercitato dagli inquinanti sugli organismi che vivono in un dato ambiente, permettendo interventi a breve termine e la messa a punto di adeguati programmi di gestione sostenibile dell’ambiente.

Neural network modelling of the wave-structure interaction processes

This thesis presents a new Artificial Neural Network (ANN) able to predict at once the main parameters representative of the wave-structure interaction processes, i.e. the wave overtopping discharge, the wave transmission coefficient and the wave reflection coefficient. The new ANN has been specifically developed in order to provide managers and scientists with a tool that can be efficiently used for design purposes. The development of this ANN started with the preparation of a new extended and homogeneous database that collects all the available tests reporting at least one of the three parameters, for a total amount of 16’165 data. The variety of structure types and wave attack conditions in the database includes smooth, rock and armour unit slopes, berm breakwaters, vertical walls, low crested structures, oblique wave attacks. Some of the existing ANNs were compared and improved, leading to the selection of a final ANN, whose architecture was optimized through an in-depth sensitivity analysis to the training parameters of the ANN. Each of the selected 15 input parameters represents a physical aspect of the wave-structure interaction process, describing the wave attack (wave steepness and obliquity, breaking and shoaling factors), the structure geometry (submergence, straight or non-straight slope, with or without berm or toe, presence or not of a crown wall), or the structure type (smooth or covered by an armour layer, with permeable or impermeable core). The advanced ANN here proposed provides accurate predictions for all the three parameters, and demonstrates to overcome the limits imposed by the traditional formulae and approach adopted so far by some of the existing ANNs. The possibility to adopt just one model to obtain a handy and accurate evaluation of the overall performance of a coastal or harbor structure represents the most important and exportable result of the work.

Identificazione di possibili unita' di stock di Anguilla anguilla mediante analisi microchimica e morfometrica degli otoliti

L’anguilla europea, è una specie eurialina catadroma con un complesso ciclo biologico: l’area di riproduzione, unica, si trova molto distante da quella di distribuzione. La specie necessita di una gestione dello stock a fini conservazionistici. Il problema è europeo: lo stock è unico, distribuito in Europa e nell’Africa settentrionale, si riproduce in Atlantico ed è panmittico. C’è preoccupazione per il declino del reclutamento e delle catture di adulti. Lo scopo del progetto è di individuare possibili unità di stock nella penisola italiana. La ricerca è basata sullo studio degli otoliti mediante analisi morfometrica e microchimica. I contorni degli otoliti sono sottoposti ad analisi ellittica di Fourier per individuare eventuali gruppi. Gli otoliti sono stati levigati per effettuare: letture d’età, indagini microstrutturali al SEM delle fasi larvali, analisi microchimiche LA-ICP-MS del nucleo, studiarne l’origine e valutare l’ambiente di sviluppo. Le indagini morfometriche mostrano evidenti pattern ontogenetici, ma non legati ocorrelati alla località, sesso o anno di nascita. Le indagini microstrutturali hanno evidenziano l’alto contenuto organico nucleare, un pattern comune di crescita ed eventi chiave delle fasi larvali, con una media di 212 anelli giornalieri. La microchimica rivela che le larve si sviluppano in acque salate fino alla metamorfosi, poi migrano verso acque meno salate. Le analisi su campioni nati nello stesso anno, evidenziano due gruppi: individui di rimonta naturale e individui di ripopolamento. I profili nucleo bordo evidenziano la permanenza a salinità intermedie degli adulti. L’attività di ricerca si è dimostrata proficua dal punto di vista tecnico con la messa a punto di protocolli innovativi e con forti ricadute sulla riduzione dei tempi e costi d’analisi. Il debole segnale di possibili unità di stock andrà verificato in futuro mediante analisi più dettagliate discriminando meglio la storia di ogni singolo individuo.

Biochar characterization for its environmental and agricultural utilization. Occurrence, distribution and fate of labile organic carbon and polycyclic aromatic hydrocarbons

In this thesis the potential risks associated to the application of biochar in soil as well the stability of biochar were investigated. The study was focused on the potential risks arising from the occurrence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in biochar. An analytical method was developed for the determination of the 16 USEPA-PAHs in the original biochar and soil containing biochar. The method was successfully validated with a certified reference material for the soil matrix and compared with methods in use in other laboratories during a laboratory exercise within the EU-COST TD1107. The concentration of 16 USEPA-PAHs along with the 15 EU-PAHs, priority hazardous substances in food, was determined in a suite of currently available biochars for agricultural field applications derived from a variety of parent materials and pyrolysis conditions. Biochars analyzed contained the USEPA and some of the EU-PAHs at detectable levels ranging from 1.2 to 19 µg g-1. This method allowed investigating changes in PAH content and distribution in a four years study following biochar addition in soils in a vineyard (CNR-IBIMET). The results showed that biochar addition determined an increase of the amount of PAHs. However, the levels of PAHs in the soil remained within the maximum acceptable concentration for European countries. The vineyard soil performed by CNR-IBIMET was exploited to study the environmental stability of biochar and its impact on soil organic carbon. The stability of biochar was investigated by analytical pyrolysis (Py-GC-MS) and pyrolysis in the presence of hydrogen (HyPy). The findings showed that biochar amendment significantly influence soil stable carbon fraction concentration during the incubation period. Moreover, HyPy and Py-GC-MS were applied to biochars deriving from three different feedstock at two different pyrolysis temperatures. The results evidenced the influence of feedstock type and pyrolysis conditions on the degree of carbonisation.

La sanità mediata: il rapporto medico-paziente dentro e fuori lo schermo televisivo

L’obiettivo di questa tesi è rilevare se e quanto i medical dramas abbiano contribuito a ridefinire conoscenze, aspettative e pratiche dei telespettatori/pazienti rispetto a questioni concernenti la salute e il loro ruolo all’interno della relazione medico-paziente. Grazie ad un lavoro di campo, fatto di questionari e interviste con utenti, operatori della sanità di Centro e Nord Italia e studenti di Medicina, sono state poi registrate le modalità di interazione che i protagonisti della scena della cura dichiarano di sperimentare quotidianamente. Ciò ha permesso di rendere conto delle trasformazioni più recenti della professione medica e di come viene elaborato oggi il sapere sulla malattia da parte dei soggetti implicati, fra tecnicismi, atteggiamenti difensivi, sfiducia e affidamento. La tesi restituisce anche alcune modalità sperimentali di interazione fra pazienti e medici, messe in atto in contesti locali, che testimoniano l’esigenza di approdare a un sapere partecipato delle relazioni di cura. Infine, raccogliendo la sfida posta dalle medical humanities, immagina un utilizzo del medical drama nella formazione degli studenti di medicina per l’apprendimento di competenze narrative necessarie ad una pratica medica più umana e efficace.

Superfici rigate

Intuitivamente una superficie S è rigata se è un'unione di rette o, equivalentemente, se per ogni punto di essa passa una retta che giace interamente sulla superficie. La superficie si dice doppiamente rigata se per ogni suo punto passano due rette della superficie. Gli esempi più comuni e facili da visualizzare sono i piani, i coni e i cilindri. Scopo di questo elaborato è lo studio delle superfici rigate dello spazio affine reale tridimensionale e delle loro proprietà geometriche locali e globali, con particolare attenzione allo studio delle superfici sviluppabili e delle quadriche rigate. Si considereranno poi le rigate nello spazio proiettivo tridimensionale complesso per arrivare ad un risultato classico sulle superfici algebriche rigate luogo delle rette che si appoggiano a tre curve dello spazio. Nonostante le rigate siano tra le superfici più semplici, il loro studio può essere effettuato da diversi punti di vista: quello della geometria analitica elementare, della geometria differenziale e della geometria proiettiva. La proprietà di una superficie di essere rigata o doppiamente rigata si conserva per trasformazioni affini e per trasformazioni proiettive, e questo le ha rese largamente utilizzate in architettura, come mostra l’ampia letteratura al riguardo.

Stress abiotici e trattamenti ultra-diluiti: effetti fisiologici e molecolari sulla crescita in vitro di frumento

Gli stress abiotici determinando modificazioni a livello fisiologico, biochimico e molecolare delle piante, costituiscono una delle principali limitazioni per la produzione agricola mondiale. Nel 2007 la FAO ha stimato come solamente il 3,5% della superficie mondiale non sia sottoposta a stress abiotici. Il modello agro-industriale degli ultimi cinquant'anni, oltre ad avere contribuito allo sviluppo economico dell'Europa, è stato anche causa di inquinamento di acqua, aria e suolo, mediante uno sfruttamento indiscriminato delle risorse naturali. L'arsenico in particolare, naturalmente presente nell'ambiente e rilasciato dalle attività antropiche, desta particolare preoccupazione a causa dell'ampia distribuzione come contaminante ambientale e per gli effetti di fitotossicità provocati. In tale contesto, la diffusione di sistemi agricoli a basso impatto rappresenta una importante risorsa per rispondere all'emergenza del cambiamento climatico che negli anni a venire sottoporrà una superficie agricola sempre maggiore a stress di natura abiotica. Nello studio condotto è stato utilizzato uno stabile modello di crescita in vitro per valutare l'efficacia di preparati ultra diluiti (PUD), che non contenendo molecole chimiche di sintesi ben si adattano a sistemi agricoli sostenibili, su semi di frumento preventivamente sottoposti a stress sub-letale da arsenico. Sono state quindi condotte valutazioni sia a livello morfometrico (germinazione, lunghezza di germogli e radici) che molecolare (espressione genica valutata mediante analisi microarray, con validazione tramite Real-Time PCR) arricchendo la letteratura esistente di interessanti risultati. In particolare è stato osservato come lo stress da arsenico, determini una minore vigoria di coleptile e radici e a livello molecolare induca l'attivazione di pathways metabolici per proteggere e difendere le cellule vegetali dai danni derivanti dallo stress; mentre il PUD in esame (As 45x), nel sistema stressato ha indotto un recupero nella vigoria di germoglio e radici e livelli di espressione genica simili a quelli riscontrati nel controllo suggerendo un effetto "riequilibrante" del metabolismo vegetale.

Perdite aeree prolungate dopo resezione polmonare

Il tumore del polmone e una delle neoplasie più diagnosticate dal 1985 e rimane ancora oggi la causa più frequente di morte cancro-correlata nel mondo. Una resezione polmonare anatomica completa continua ad essere il cardine della terapia per il tumore non a piccole cellule. Perdite aeree prolungate (PAL) sono la più comune complicanza dopo una chirurgia polmonare e sono state riportate con un’incidenza compresa tra il 3-26%, simile sia nelle resezioni polmonari per via toracotomica sia in quelle per via toracoscopica. Fattori di rischio descritti sono scissure interlobari incomplete, patologie polmonari sottostanti (come enfisema, fibrosi, tubercolosi o neoplasie), aderenze pleuriche, pazienti anziani (>75 anni) e bassa capacita di diffusione. Lo sviluppo di strumentazione all’avanguardia e di nuove tecniche chirurgiche ha contribuito a ridurre l’incidenza di queste complicanze. Considerando l’alto impatto clinico e socio-economico di queste problematiche, e stata inoltre sviluppata una varietà di complementari naturali e materiali sintetici molti utili nella gestione delle perdite aeree.

Studio ed implementazione di algoritmi per la navigazione inerziale di velivoli autonomi ad ala rotante

I sistemi di navigazione inerziale, denominati INS, e quelli di navigazione inerziale assistita, ovvero che sfruttano anche sensori di tipo non inerziale come ad esempio il GPS, denominati in questo caso INS/GPS, hanno visto un forte incremento del loro utilizzo soprattutto negli ultimi anni. I filtri complementari sfruttano segnali in ingresso che presentano caratteristiche complementari in termine di banda. Con questo lavoro di tesi mi sono inserito nel contesto del progetto SHERPA (Smart collaboration between Humans and ground-aErial Robots for imProving rescuing activities in Alpine environments), un progetto europeo, coordinato dall'Università di Bologna, che prevede di mettere a punto una piattaforma robotica in grado di aiutare i soccorritori che operano in ambienti ostili, come quelli del soccorso alpino, le guardie forestali, la protezione civile. In particolare è prevista la possibilità di lanciare i droni direttamente da un elicottero di supporto, per cui potrebbe essere necessario effettuare l'avvio del sistema in volo. Ciò comporta che il sistema di navigazione dovrà essere in grado di convergere allo stato reale del sistema partendo da un grande errore iniziale, dal momento che la fase di inizializzazione funziona bene solo in condizioni di velivolo fermo. Si sono quindi ricercati, in special modo, schemi che garantissero la convergenza globale. Gli algoritmi implementati sono alla base della navigazione inerziale, assistita da GPS ed Optical Flow, della prima piattaforma aerea sviluppata per il progetto SHERPA, soprannominata DreamDroneOne, che include una grande varietà di hardware appositamente studiati per il progetto, come il laser scanner, la camera termica, ecc. Dopo una panoramica dell'architettura del sistema di Guida, Navigazione e Controllo (GNC) in cui mi sono inserito, si danno alcuni cenni sulle diverse terne di riferimento e trasformazioni, si descrivono i diversi sensori utilizzati per la navigazione, si introducono gli AHRS (Attitude Heading Rference System), per la determinazione del solo assetto sfruttando la IMU ed i magnetometri, si analizza l'AHRS basato su Extended Kalman Filter. Si analizzano, di seguito, un algoritmo non lineare per la stima dell'assetto molto recente, e il sistema INS/GPS basato su EKF, si presenta un filtro complementare molto recente per la stima di posizione ed assetto, si presenta un filtro complementare per la stima di posizione e velocità, si analizza inoltre l'uso di un predittore GPS. Infine viene presentata la piattaforma hardware utilizzata per l'implementazione e la validazione, si descrive il processo di prototipazione software nelle sue fasi e si mostrano i risultati sperimentali.

Sintesi e caratterizzazione di film nanoparticellari di biossido di titanio drogato con vanadio

Il lavoro di questa tesi è incentrato sulla sintesi di film nanoparticellari di TiO2 con drogaggio di vanadio e analisi delle loro proprietà, prodotti tramite la tecnica IGC. Lo studio è finalizzato ad ottenere un materiale idoneo per la costruzione di fotoelettrodi da utilizzare per la produzione di idrogeno tramite la fotoelettrolisi dell'acqua. Si è impiegata la titania perché è uno dei materiali più promettenti grazie alla sua facilità di fabbricazione, il basso costo, la resistenza alla corrosione in soluzioni elettrolitiche e alla fotocorrosione e alle sue buone proprietà fotocatalitiche. Il drogaggio di vanadio rappresenta una possibile soluzione dei principali problemi che affliggono il materiale, come lo scarso assorbimento del range visibile e la rapida ricombinazione dei portatori di carica. Nel primo capitolo è presente una breve descrizione teorica del processo di produzione di idrogeno tramite split fotocatalitico dell'acqua all'interno di PEC nelle quali la TiO2 è utilizzata come fotoanodo. Nel secondo capitolo è presente una breve digressione sulle proprietà morfologico-strutturali, cristalline, elettroniche e sulla stabilità e le trasformazioni di fase dei principali polimorfi della TiO2. Infine una descrizione del sistema Titanio-Vanadio. Nel terzo capitolo viene presentato il sistema di crescita sia illustrando la teoria che sta dietro alla tecnica che descrivendo nei dettagli l'apparato IGC. Vengono infine presentati i campioni sintetizzati durante questo lavoro di tesi. Nel quarto capitolo vengono presentati i risultati delle indagini condotte per determinare le proprietà dei nostri campioni. E' stata dapprima effettuata un'analisi morfologica con un SEM e una semi-quantitativa con l'EDX. Sono state determinate le proprietà strutturali e la presenza delle fasi cristalline, a diversi trattamenti termici, con l'XRD. Si sono poi testate le proprietà ottiche e in particolare dell'assorbimento con misure di trasmittanza spettrale. Infine si è caratterizzata la struttura locale elettronica e cristallina tramite XAS e le dinamiche di rilassamento dei portatori di carica con TR-XAS.

Ingegnerizzazione di sostituti del tessuto cartilagineo

Questa tesi compilativa prende in esame la cartilagine, partendo dalla composizione dei suoi diversi tipi rappresentati nel corpo umano e delle funzioni qui svolte, per descrivere i metodi utilizzati per riprodurla artificialmente mediante cellule staminali, fattori di crescita e scaffold dedicati coltivati in ambiente controllato. La cartilagine è un tessuto molto particolare perché, diversamente dagli altri tessuti, non possiede una rete di capillari e quindi riceve un limitati apporto di ossigeno e sostanze nutritive, che spiega la sua poverissima capacità intrinseca di riparazione. La cartilagine è però un tessuto soggetto a numerosi stress di vario tipo e quindi è soggetta a traumi che possono essere di natura sportiva o accidentale (soprattutto la cartilagine di tipo articolare) ed è anche colpita da malattie degenerative. Questo ha stimolato gli studi che intendono ingegnerizzare un tessuto artificiale in grado di aumentare la capacità di riparare la zona colpita. In quest’ottica, vengono attivamente condotti esperimenti in grado di definire protocolli che inducano cellule staminali al differenziamento in cellule di tipo cartilagineo. Tali cellule, seminate su supporti (scaffolds) 3D biocompatibili di diversa natura, naturali o sintetici, eventualmente bioattivi, possono essere coltivate in ambienti dedicati, detti bioreattori, che utilizzino stimoli fisici (p. es. vibrazionali, microgravità, ultrasonici, regolazione della tensione di ossigeno, sforzi di taglio, compressione dinamica e compressione idrostatica ciclica) che si sono dimostrati utili per indurre l’appropriato fenotipo cellulare, valutabile attraverso una batteria di approcci di misura morfologica e funzionale.

Massima estensione della soluzione di Schwarzschild e diagrammi di Penrose

Il punto di partenza dell'elaborato riguarda il modo in cui si giunge, a partire dalla relatività ristretta, a quella generale. Quest'ultima viene poi identificata come una teoria della gravitazione in cui si ottengono le equazioni di campo. Da qui si discute la soluzione delle equazioni di Einstein trovata da Schwarzschild evidenziandone i limiti. Si procede alla estensione di questa soluzione introducendo dapprima le coordinate di Eddington-Finkelstein e poi l'estensione massima data da Kruskal. Infine viene mostrato come è possibile compattificare l'infinito spaziotempo in una regione finita senza alterare la struttura causale. Questo viene fatto tramite delle trasformazioni particolari: le trasformazioni conformi. I diagrammi spaziotemporali che si ottengono dopo la compattificazione conforme sono conosciuti come i digrammi di Penrose e qui si vede come ottenere quelli dello spaziotempo di Minkowski e quelli dello spaziotempo della soluzione di Schwarzschild.