Allestimenti di reattori multistadio per la digestione anaerobica dei reflui agro-industriali e confronto con processo convenzionale

This study fits into the context of activities aim at waste bioremediation and valorization through the production of energy according to principles of environmental sustainability. The experimental work was carried out at the laboratories of the Department of Civil Engineering, Environmental and Materials (DICAM) of the Faculty of Engineering. The main objective was to enhance the treatment of high organic loading waste, such as manure and cheese whey, through advanced anaerobic digestion systems in order to obtain biogas rich in methane. On the basis of the premise that the environmental conditions pertaining in most anaerobic wastewater digesters are not optimal for both fermentative and methanogenic microorganisms, the research was particularly focused on the implementation of two-phase anaerobic digesters. In fact a two-phase process permits selection and enrichment of different bacteria in each digester by independently controlling the digester operating conditions. Thus, the first phase (acidogenesis) can be operated to optimize acidogenic growth and the second phase (methanogenesis) to optimize methanogenic growth. (Ince O. , 1998). Before reactors’ set up, , some lab scale experiments were carried out to identify the best manure and whey ratio and the best conditions of temperature, pH, hydraulic retention time of acidogenesis an methanogenic phases.

Machine learning methods for prediction of disulphide bonding states of cysteine residues in proteins

The goal of this thesis work is to develop a computational method based on machine learning techniques for predicting disulfide-bonding states of cysteine residues in proteins, which is a sub-problem of a bigger and yet unsolved problem of protein structure prediction. Improvement in the prediction of disulfide bonding states of cysteine residues will help in putting a constraint in the three dimensional (3D) space of the respective protein structure, and thus will eventually help in the prediction of 3D structure of proteins. Results of this work will have direct implications in site-directed mutational studies of proteins, proteins engineering and the problem of protein folding. We have used a combination of Artificial Neural Network (ANN) and Hidden Markov Model (HMM), the so-called Hidden Neural Network (HNN) as a machine learning technique to develop our prediction method. By using different global and local features of proteins (specifically profiles, parity of cysteine residues, average cysteine conservation, correlated mutation, sub-cellular localization, and signal peptide) as inputs and considering Eukaryotes and Prokaryotes separately we have reached to a remarkable accuracy of 94% on cysteine basis for both Eukaryotic and Prokaryotic datasets, and an accuracy of 90% and 93% on protein basis for Eukaryotic dataset and Prokaryotic dataset respectively. These accuracies are best so far ever reached by any existing prediction methods, and thus our prediction method has outperformed all the previously developed approaches and therefore is more reliable. Most interesting part of this thesis work is the differences in the prediction performances of Eukaryotes and Prokaryotes at the basic level of input coding when ‘profile’ information was given as input to our prediction method. And one of the reasons for this we discover is the difference in the amino acid composition of the local environment of bonded and free cysteine residues in Eukaryotes and Prokaryotes. Eukaryotic bonded cysteine examples have a ‘symmetric-cysteine-rich’ environment, where as Prokaryotic bonded examples lack it.

Pharmaceutical residues in aquatic systems: mode of action and effects on mussel physiology

Pharmaceutical residues contaminate aquatic ecosystems as a result of their widespread human and veterinary usage. Since continuously released and not efficiently removed, certain pharmaceuticals exhibit pseudo-persistence thus generating concerns for the health of aquatic wildlife. This work aimed at assessing on mussels Mytilus galloprovincialis, under laboratory conditions, the effects of three pharmaceuticals, carbamazepine (antiepileptic), propranolol (β-blocker) and oxytetracycline (antibiotic), to evaluate if the human-based mode of action of these molecules is conserved in invertebrates. Furthermore, in the framework of the European MEECE Programme, mussels were exposed to oxytetracycline and copper at increasing temperatures, simulating variations due to climate changes. The effects of these compounds were assessed evaluating a battery of biomarkers, the expression of HSP70 proteins and changes in cAMP-related parameters. A decrease in lysosomal membrane stability, induction of oxidative stress, alterations of cAMP-dependent pathway and the induction of defense mechanisms were observed indicating the development of a stress syndrome, and a worsening in mussels health status. Data obtained in MEECE Programme confirmed that the toxicity of substances can be enhanced following changes in temperature. The alterations observed were obtained after exposure to pharmaceuticals at concentrations sometimes lower than those detected in the aquatic environment. Hence, further research is advisable regarding subtle effects of pharmaceuticals on non-target organisms. Furthermore, results obtained during a research stay in the laboratories of Cádiz University (Spain) are presented. The project aimed at measuring possible effects of polluted sediments in Algeciras Bay (Spain) and in Cádiz Bay, by assessing different physiological parameters in caged crabs Carcinus maenas and clams Ruditapes decussatus exposed in situ for 28 days. The neutral red retention assay was adapted to these species and proved to be a sensitive screening tool for the assessment of sediment quality.

Produzione di enzimi da scarti agro-alimentari tramite Pleurotus ostreatus

Nel corso del tirocinio di tesi si sono studiate nuove metodologie per la produzione di enzimi idrolitici per matrici lignocellulosiche vegetali di scarto. In primis è stato valutato un nuovo metodo di produzione enzimatica utilizzando il fungo basidiomicete Pleurotus ostreatus all’interno di un fermentatore in stato solido (SSF) movimentando periodicamente il substrato mediante un'estrusione meccanica e confrontando i risultati con esperimenti analoghi ma privi di estrusione. In seguito si è valutata l’attività enzimatica prodotta dal fungo Agaricus bisporus (il comune Champignons) cresciuto tramite una fermentazione in stato solido priva di qualsiasi movimentazione. Infine gli estratti enzimatici ricavati dalle prove precedenti sono stati utilizzati allo scopo di idrolizzare matrici vegetali di scarto provenienti dall’industria cerealicola e viti-vinicola. I risultati del lavoro risultano promettenti e si osserva come sia gli estratti ricavati da fermentazioni su stato solido dinamiche (con Pleurotus) che quelle su stato solido statiche (con Agaricus) sono in grado di favorire l’idrolisi e la degradazione delle matrici vegetali favorendo la fuoriuscita di componenti di interesse come zuccheri riducenti e polifenoli.

Riconversione degli impianti saccariferi per la valorizzazione della filiera agro-energetica: analisi di impatto sul comprensorio agricolo

Il presente lavoro trae origine dagli obiettivi e dalle relative misure applicative della riforma dell’OCM zucchero del 2006 e nello specifico dal Piano nazionale per la razionalizzazione e riconversione della produzione bieticolo-saccarifera approvato dal MIPAF nel 2007. Lo studio riguarda la riconversione dello zuccherificio di Finale Emilia (MO), di appartenenza del Gruppo bieticolo-saccarifero Co.Pro.B, in un impianto di generazione di energia elettrica e termica che utilizza biomassa di origine agricola per la combustione diretta. L'alimentazione avviene principalmente dalla coltivazione dedicata del sorgo da fibra (Sorghum bicolor), integrata con risorse agro-forestali. Lo studio mostra la necessità di coltivazione di 4.400 ettari di sorgo da fibra con una produzione annua di circa 97.000 t di prodotto al 75% di sostanza secca necessari per l’alimentazione della centrale a biomassa. L’obiettivo é quello di valutare l’impatto della nuova coltura energetica sul comprensorio agricolo e sulla economia dell’impresa agricola. La metodologia adottata si basa sulla simulazione di modelli aziendali di programmazione lineare che prevedono l’inserimento del sorgo da fibra come coltura energetica nel piano ottimo delle aziende considerate. I modelli predisposti sono stati calibrati su aziende RICA al fine di riprodurre riparti medi reali su tre tipologie dimensionali rappresentative: azienda piccola entro i 20 ha, media da 20 a 50 ha e grande oltre i 50 ha. La superficie di entrata a livello aziendale, se rapportata alla rappresentatività delle aziende dell’area di studio, risulta insufficiente per soddisfare la richiesta di approvvigionamento dell’impianto a biomassa. Infatti con tale incremento la superficie di coltivazione nel comprensorio si attesta sui 2.500 ettari circa contro i 4.400 necessari alla centrale. Lo studio mostra pertanto che occorre un incentivo superiore, di circa 80-90 €/ha, per soddisfare la richiesta della superficie colturale a livello di territorio. A questi livelli, la disponibilità della coltura energetica sul comprensorio risulta circa 9.500 ettari.

Un modello multicriteriale di supporto alla pianificazione territoriale finalizzato alla classificazione del territorio rurale e alla caratterizzazione dell’Impronta Agro ambientale delle aree agricole periurbane.

La ricerca proposta si pone l’obiettivo di definire e sperimentare un metodo per un’articolata e sistematica lettura del territorio rurale, che, oltre ad ampliare la conoscenza del territorio, sia di supporto ai processi di pianificazione paesaggistici ed urbanistici e all’attuazione delle politiche agricole e di sviluppo rurale. Un’approfondita disamina dello stato dell’arte riguardante l’evoluzione del processo di urbanizzazione e le conseguenze dello stesso in Italia e in Europa, oltre che del quadro delle politiche territoriali locali nell’ambito del tema specifico dello spazio rurale e periurbano, hanno reso possibile, insieme a una dettagliata analisi delle principali metodologie di analisi territoriale presenti in letteratura, la determinazione del concept alla base della ricerca condotta. E’ stata sviluppata e testata una metodologia multicriteriale e multilivello per la lettura del territorio rurale sviluppata in ambiente GIS, che si avvale di algoritmi di clustering (quale l’algoritmo IsoCluster) e classificazione a massima verosimiglianza, focalizzando l’attenzione sugli spazi agricoli periurbani. Tale metodo si incentra sulla descrizione del territorio attraverso la lettura di diverse componenti dello stesso, quali quelle agro-ambientali e socio-economiche, ed opera una sintesi avvalendosi di una chiave interpretativa messa a punto allo scopo, l’Impronta Agroambientale (Agro-environmental Footprint - AEF), che si propone di quantificare il potenziale impatto degli spazi rurali sul sistema urbano. In particolare obiettivo di tale strumento è l’identificazione nel territorio extra-urbano di ambiti omogenei per caratteristiche attraverso una lettura del territorio a differenti scale (da quella territoriale a quella aziendale) al fine di giungere ad una sua classificazione e quindi alla definizione delle aree classificabili come “agricole periurbane”. La tesi propone la presentazione dell’architettura complessiva della metodologia e la descrizione dei livelli di analisi che la compongono oltre che la successiva sperimentazione e validazione della stessa attraverso un caso studio rappresentativo posto nella Pianura Padana (Italia).

Ottimizzazione della filiera agro-energetica per la valorizzazione degli scarti da potatura. Un esempio nella provincia di Trapani

Ottimizzazione della filiera agro-energetica per la valorizzazione degli scarti da potatura. Un esempio nella provincia di trapani

Fattori relazionali e di coordinamento nella filiera agro-alimentare: una valutazione della governance relazionale nel settore lattiero caseario sardo

Characteristics of modern food demand force retailers to acquire more information about product process along the food supply chain to ensure that product are in accordance with consumer preference. Therefore, the product process involves more information flows between buyer and supplier which requires collaborative efforts. These changes translate into several studies on the inter-organizational relationship in agri-food systems. Studies on inter-organizational relationships have been conducted in various academic disciplines, including sociology, psychology, law, economics, marketing, management, and combination of these. Inter-organizational relationships is an interaction between organizations which involved firms horizontally, as well as, vertically. In this study we deal with vertical, buyer-seller relationship which are sometimes referred to chain relationships. We define vertical business relationship in the agriculture-food based sector as “agri-food chain relationships”. The focus is on sustainable inter-organizational relationships in a way that they can be scientifically investigated. We study characteristics which ensure that a relationship is long-lasting and rewarding for all involved parties in the sardinian dairy. We test the theoretical model using structural equation modeling. The results suggest that the most important determinant for the relationships is technology and the price isn’t significant for the relationship governance.

Chemical, biochemical and microbiological indicators to assess soil quality in temperate agro-ecosystems

Soil is a critically important component of the earth’s biosphere. Developing agricultural production systems able to conserve soil quality is essential to guarantee the current and future capacity of soil to provide goods and services. This study investigates the potential of microbial and biochemical parameters to be used as early and sensitive soil quality indicators. Their ability to differentiate plots under contrasting fertilization regimes is evaluated based also on their sensitivity to seasonal fluctuations of environmental conditions and on their relationship with soil chemical parameters. Further, the study addresses some of the critical methodological aspects of microplate-based fluorimetric enzyme assays, in order to optimize assay conditions and evaluate their suitability to be used as a toll to asses soil quality. The study was based on a long-term field experiment established in 1966 in the Po valley (Italy). The soil was cropped with maize (Z. mays L.) and winter wheat (T. aestivum L.) and received no organic fertilization, crop residue or manure, in combination with increasing levels of mineral N fertilizer. The soil microbiota responded to manure amendment increasing it biomass and activity and changing its community composition. Crop residue effect was much more limited. Mineral N fertilization stimulated crop residue mineralization, shifted microbial community composition and influenced N and P cycling enzyme activities. Seasonal fluctuations of environmental factors affected the soil microbiota. However microbial and biochemical parameters seasonality did not hamper the identification of fertilization-induced effects. Soil microbial community abundance, function and composition appeared to be strongly related to soil organic matter content and composition, confirming the close link existing between these soil quality indicators. Microplate-based fluorimetric enzyme assays showed potential to be used as fast and throughput toll to asses soil quality, but required proper optimization of the assay conditions for a precise estimation of enzymes maximum potential activity.

Sistemi per la produzione di enzimi industriali finalizzati alla valorizzazione di scarti agroalimentari

La demolizione idrolitica delle pareti cellulari delle piante tramite enzimi lignocellulosici è quindi uno degli approcci più studiati della valorizzazione di scarti agricoli per il recupero di fitochimici di valore come secondary chemical building block per la chimica industriale. White rot fungi come il Pleurotus ostreatus producono una vasta gamma di enzimi extracellulari che degradano substrati lignocellulosici complessi in sostanze solubili per essere utilizzati come nutrienti. In questo lavoro abbiamo studiato la produzione di diversi tipi di enzimi lignocellulosici quali cellulase, xilanase, pectinase, laccase, perossidase e arylesterase (caffeoilesterase e feruloilesterase), indotte dalla crescita di Pleurotus ostreatus in fermentazione allo stato solido (SSF) di sottoprodotti agroalimentari (graspi d’uva, vinaccioli, lolla di riso, paglia di grano e crusca di grano) come substrati. Negli ultimi anni, SSF ha ricevuto sempre più interesse da parte dei ricercatori, dal momento che diversi studi per produzioni di enzimi, aromi, coloranti e altre sostanze di interesse per l' industria alimentare hanno dimostrato che SSF può dare rendimenti più elevati o migliorare le caratteristiche del prodotto rispetto alla fermentazione sommersa. L’utilizzo dei sottoprodotti agroalimentari come substrati nei processi SSF, fornisce una via alternativa e di valore, alternativa a questi residui altrimenti sotto/o non utilizzati. L'efficienza del processo di fermentazione è stato ulteriormente studiato attraverso trattamenti meccanici di estrusione del substrato , in grado di promuovere il recupero dell’enzima e di aumentare l'attività prodotta. Le attività enzimatiche prodotte dalla fermentazione sono strettamente dipendente della rimozione periodica degli enzimi prodotti. Le diverse matrici vegetali utilizzate hanno presentato diversi fenomeni induttivi delle specifiche attività enzimatiche. I processi SSF hanno dimostrato una buona capacità di produrre enzimi extracellulari in grado di essere utilizzati successivamente nei processi idrolitici di bioraffinazione per la valorizzazione dei prodotti agroalimentari.

The contribution of surface residues to membrane binding and ligand transfer by the -tocopherol transfer protein ( -TTP)

Previous work has shown that the -tocopherol transfer protein ( -TTP) can bind to vesicular or immobilized phospholipid membranes. Revealing the molecular mechanisms by which -TTP associates with membranes is thought to be critical to understanding its function and role in the secretion of tocopherol from hepatocytes into the circulation. Calculations presented in the Orientations of Proteins in Membranes database have provided a testable model for the spatial arrangement of -TTP and other CRAL-TRIO family proteins with respect to the lipid bilayer. These calculations predicted that a hydrophobic surface mediates the interaction of -TTP with lipid membranes. To test the validity of these predictions, we used site-directed mutagenesis and examined the substituted mutants with regard to intermembrane ligand transfer, association with lipid layers and biological activity in cultured hepatocytes. Substitution of residues in helices A8 (F165A and F169A) and A10 (I202A, V206A and M209A) decreased the rate of intermembrane ligand transfer as well as protein adsorption to phospholipid bilayers. The largest impairment was observed upon mutation of residues that are predicted to be fully immersed in the lipid bilayer in both apo (open) and holo (closed) conformations such as Phe165 and Phe169. Mutation F169A, and especially F169D, significantly impaired -TTP-assisted secretion of -tocopherol outside cultured hepatocytes. Mutation of selected basic residues (R192H, K211A, and K217A) had little effect on transfer rates, indicating no significant involvement of nonspecific electrostatic interactions with membranes.

Human TOP1 residues implicated in species specificity of HIV-1 infection are required for interaction with BTBD2, and RNAi of BTBD2 in old world monkey and human cells increases permissiveness to HIV-1 infection

Host determinants of HIV-1 viral tropism include factors from producer cells that affect the efficiency of productive infection and factors in target cells that block infection after viral entry. TRIM5 restricts HIV-1 infection at an early post-entry step through a mechanism associated with rapid disassembly of the retroviral capsid. Topoisomerase I (TOP1) appears to play a role in HIV-1 viral tropism by incorporating into or otherwise modulating virions affecting the efficiency of a post-entry step, as the expression of human TOP1 in African Green Monkey (AGM) virion-producing cells increased the infectivity of progeny virions by five-fold. This infectivity enhancement required human TOP1 residues 236 and 237 as their replacement with the AGM counterpart residues abolished the infectivity enhancement. Our previous studies showed that TOP1 interacts with BTBD1 and BTBD2, two proteins which co-localize with the TRIM5 splice variant TRIM5 in cytoplasmic bodies. Because BTBD1 and BTBD2 interact with one HIV-1 viral tropism factor, TOP1, and co-localize with a splice variant of another, we investigated the potential involvement of BTBD1 and BTBD2 in HIV-1 restriction.