Ottimizzazione dei processi depurativi di reflui ad elevato carico organico a fini di recupero energetico

L’attuale condizione che caratterizza il settore energetico richiede un necessario processo di riconversione che, oltre a favorire il risparmio energetico, riduca la dipendenza dai combustibili fossili ed accresca l’impiego di fonti energetiche rinnovabili, dando un contributo fondamentale alla riduzione delle emissioni di gas serra come diversi accordi internazionali richiedono. Si rende pertanto necessario accelerare i processi che da alcuni anni stanno favorendo l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili. Tra queste, le fonti legate ai processi di trattamento biologico dei reflui stanno avendo un interessante sviluppo. Esistono numerosi processi biologici che consentono la produzione di energia in maniera indiretta, quali ad esempio i processi di digestione anaerobica finalizzati alla produzione di biogas e/o produzione biologica di idrogeno. In tale contesto si inserisce la tecnologia delle Microbial Fuel Cell, che consente la produzione diretta di energia elettrica, finalizzata al recupero energetico inteso al miglioramento dell’efficienza energetica e alla riduzione dei costi d’esercizio di impianti di trattamento biologico dei reflui. Il presente lavoro di Tesi di Dottorato sperimentale, svoltosi in collaborazione al laboratorio PROT.-IDR. della sede ENEA di Bologna, riporta i risultati dell’attività di ricerca condotta su una MFC (Microbial Fuel Cell) a doppio stadio biologico per il trattamento di reflui ad elevato carico organico e produzione continua di energia elettrica. E’ stata provata l’applicabilità della MFC con entrambi i comparti biotici utilizzando elettrodi di grafite non trattata ottenendo, con un carico organico in ingresso di circa 9 gd-1, valori di potenza massima prodotta che si attestano su 74 mWm-2, corrente elettrica massima generata di 175 mAm-2 ad una tensione di 421 mV, ed una conversione di COD in elettricità pari a 1,2 gCODm-2d-1. I risultati sono stati molto positivi per quanto riguarda le prestazioni depurative ottenute dalla MFC. L’efficienza di depurazione misurata ha raggiunto un valore massimo del 98% di rimozione del COD in ingresso, mentre e la concentrazione di azoto ammoniacale nell’effluente raccolto all’uscita del sedimentatore è sempre stata inferiore a 1 mgN-NH4+l-1. Tra gli obiettivi posti all’inizio della sperimentazione si è rivelata di notevole interesse la valutazione del possibile utilizzo della MFC come sistema per il monitoraggio on-line del COD e degli acidi grassi volatili (VFA) prodotti all’interno di un digestore anaerobico, attraverso la definizione di una correlazione tra i dati elettrici registrati in continuo e le concentrazioni di CODanaer e VFA misurate in diversi periodi della sperimentazione. L’analisi DGGE della biomassa catodica ha fornito uno strumento analitico utile allo studio della diversità della comunità microbica sospesa ed adesa al catodo e ha confermato la forte similarità delle specie batteriche riconosciute nei campioni analizzati. In particolare, le bande di sequenziamento ottenute sono affiliate ai gruppi batterici Firmicutes, -Proteobacteria,  -Proteobacteria, -Proteobacteria e Bacteroidetes. Da quanto emerso dalla sperimentazione condotta si può pertanto concludere che ad oggi le MFC sono in fase di evoluzione rispetto ai primi prototipi utilizzati per lo studio delle comunità microbiali e per la comprensione dei meccanismi di trasferimento elettronico. Sfruttarne la potenza prodotta in maniera commerciale diviene una grande sfida per il futuro, ed è opinione comune che le prime applicazioni pratiche delle MFC saranno come fonte di recupero energetico per i dispositivi utilizzati per il monitoraggio dell’ambiente e per il trattamento delle acque reflue.

Studio genetico ed epidemiologico su Erysiphe necator agente eziologico dell'Oidio della vite

The objective was to analyse population structure and to determine genetic diversity of Erysiphe necator (syn. Uncinula necator) populations obtained from some vineyards located in the South-East Po valley (Italy). Powdery mildew is one of the most important fungal diseases of grapes (Vitis vinifera L.) throughout the world. The causal agent is the haploid, heterothallic ascomycete E. necator. It is an obligate biotrophic fungus and it can be found only on green organs of plants belonging to the family Vitaceae. For this pathogen, two sympatric populations (groups A and B) have been described in Europe and Australia. The two genetic groups differ at multiple genetic loci and previous studies reported a lack of interfertility among isolates of the two groups. There are now several well documented examples of plant pathogen species, such as Leptosphaeria maculans, Gaeumannomyces graminis var. tritici, Botrytis cinerea and Erysiphe syringae, which are indeed composed of genetically differentiated clades, that have led to the description of new groups or even new species. Several studies have suggested that genetic E. necator group A and B correlated with ecological features of the pathogen; some researchers proposed that group A isolates over-winter as resting mycelium within dormant buds, and in spring originate infected shoots, known as Flag shoots, while group B isolates would survive as ascospores in overwintering cleistothecia. However, the association between genetic groups and mode of over-wintering has been challenged by recent studies reporting that flag-shoot may be originated indifferently by group A or group B isolate. Previous studies observed a strong association between the levels of disease severity at the end of the growing season and the initial compositions of E. necator populations in commercial vineyards. The frequencies of E. necator genetic groups vary considerably among vineyards, and the two groups may coexist in the same vineyard. This finding suggests that we need more information on the genetics and epidemiology of E. necator for optimize the crop management In this study we monitored E. necator populations in different vineyards in Emilia – Romagna region (Italy), where the pathogen overwinters both as flagshoots and as cleistothecia. During the grape growing season, symptomatic leaves were sampled early in the growing season and both leaves and berries later during the epidemic growth of the disease. From each sample, single-conidial isolate was obtained. Each isolates was grown on V. vinifera leaf cv. Primitivo and after harvesting the mycelium, the DNA was purified and used as template for PCR amplification with SCAR primers (Sequences Characterised Amplified Region ), -tubulin, IGS sequences and Microsatellite markers (SSR). Amplified DNA from b-tubulin and IGS loci was digested with AciI and XhoI restriction enzymes, respectively, to show single-nucleotide polymorphisms specific for the two genetic groups. The results obtained indicated that SCAR primers are not useful to study the epidemiology. of E. necator conversely the b-tubulin IGS sequences and SSR. Summarize the results obtained with b-tubulin, IGS sequences, in treated vineyards we have found individuals of group B along all grape growing season, whereas in the untreated vineyard individuals of the two genetic groups A and B coexisted throughout the season, with no significant change of their frequency. DNA amplified from ascospores of single cleistothecia showed the presence of markers diagnostic for either groups A and B and were seldom observed also the coexistence of both groups within a claistothecium. These results indicate that individuals of the two groups mated in nature and were able to produced ascospores. With SSR we showed the possibility of recombination between A and B groups in field isolates. During winter, cleistothecia were collected repeatedly in the same vineyards sampling leaves fallen on ground, exfoliating bark from trunks, and from soil. From each substrate, was assess the percentage of cleistothecia containing viable ascospores. Our results confirmed that cleisthotecia contained viable ascospores, therefore they have the potential to be an additional and important source of primary inoculum in Emilia-Romagna vineyards.

Come città dell'infanzia. Architettura, educazione e immagine in due colonie per i figli degli Italiani all'estero a Cattolica e Tirrenia

The present doctoral dissertation deals with two significant case studies of Italian holiday camps which appear as interesting architectural experiences that reflect both the pedagogic and educational programmes of the fascist regime, and the discussion on the constructive and expressive principles that characterize the Italian architecture during the Thirties. The research explains the colony "XXVIII October for the sons of the Italian workers living abroad", today known as "Le Navi" ("The Ships"), built in Cattolica in 1934 and projected by the Roman architect Clemente Busiri Vici, and the feminine colony "for the sons of the Italian workers living abroad" built in 1934 in Tirrenia and projected by the architects Mario Paniconi and Giulio Pediconi. These holiday camps are the sole buildings commissioned directly by the Department in the Italian Foreign Office with the aim of offering a seaside stay to the sons of the Italians living in the colonies who, probably, could visit Italy only one time in their life. Firstly, the work illustrates the most relevant themes concerning these holiday camps, such as the representative intents that the buildings evoked to the children attending the places. Sun-bathing and group gymnastics were some of the rituals in the communal life, where order and discipline gave a precise internal organization to the spaces. Over the correspondence to practical functions, the figures and the forms of the different spaces of the buildings involve the children in an educational dimension. Subsequently, the function of the Department in the Italian Foreign Office and the planning and constructive ideas of the two colonies will be introduced. These colonies were conceived by a precise social project with educational, welfare and therapeutic aims. The elements, the spaces and the volumes create a fixed and theatrical scene of the life, full of ideological, political and celebratory overtones. Finally, the research shows that the relation between the architectural shape of the buildings and the rituals performed by fascist tutors produces an ideal space, extraneous to the external world that could influence the behavior of the children. The plan is to transmit to the children an image of Italy that will remain engraved in their minds once they have returned to their countries. In these projects there is the intent to transmit the image of "italianity" abroad. The way to do this was to plan for them a scenery which contains all the architectural elements of Italian cities. The holiday camps are proposed a sort of microcosm that appears as an "evocation" of the places and the spaces of Italian cities. The buildings appear as veritable "cities of childhood".

Attività catalitica ed espressione genica di enzimi antiossidanti nei mitili, Mytilus galloprovincialis esposti ai farmaci fluoxetina e propranololo ed alla loro miscela.

E’ stimato che circa 4.000 sostanze diverse vengano utilizzate nella medicina umana, fra cui soprattutto analgesici, antinfiammatori, contraccettivi, antibiotici, beta-bloccanti, regolatori lipidici, composti neuroattivi e molti altri. Inoltre un elevato numero di farmaci, spesso simili a quelli umani tra cui antibiotici e antinfiammatori, viene usato nella medicina veterinaria. L’uso può essere diverso nei diversi Paesi ma farmaci quali l’ibuprofene, la carbamazepina, o i beta-bloccanti vengono consumati in quantità di tonnellate per anno. Le analisi chimiche hanno riscontrato la presenza dei residui dei farmaci nelle acque reflue dai depuratori, nei fiumi e nei laghi in maniera ubiquitaria a concentrazioni nell’intervallo di 10-1000 ng/L. Come ci si aspetta, i farmaci sono molto concentrati nelle acque reflue degli ospedali, tuttavia la percentuale di farmaci provenienti dagli ospedali è stata valutata complessivamente non oltre il 20% del quantitativo totale. L’origine preponderante dei farmaci proviene dall’uso domiciliare, per cui gli impianti municipali di raccolta delle acqua di rifiuto sono la maggiore via di ingresso in ambiente. Una volta ingeriti e metabolizzati, i farmaci vengono escreti via urine o feci e introdotti nella rete fognaria fino alle sedi di trattamento delle acque. Altra sorgente è rappresentata dalle manifatture dei farmaci, dalle quali possono derivare scarichi illegali o accidentali. Una sorgente importante di farmaci, soprattutto di antibiotici, è rappresentata dagli allevamenti animali, sia in ambienti interni che al pascolo, e dall’acquacoltura. Nel primo caso in particolare vengono prodotti e raccolti una grande quantità di rifiuti, che di solito sono accumulati temporaneamente e poi dispersi sui suoli agricoli. I farmaci presenti nei suoli possono essere trasportati alle acque sotterranee, o dilavati a livello superficiale contribuendo ad aumentare il livello di farmaci nei corsi d’acqua oppure una volta sciolti nell’acqua interstiziale possono essere assunti dai vegetali. Gli impianti di depurazione attuali non sono pianificati per eliminare microinquinanti altamente polari come i farmaci, e in relazione alle differenti molecole la eliminazione può essere in percentuale diversa, spesso anche molto bassa. I test ecotossicologici di tipo acuto utilizzati per molto tempo per valutare la tossicità dei farmaci ambientali hanno riportato effetti soltanto a concentrazioni superiori a quelle ambientali; nei 2-3 anni più recenti tuttavia è stato messo in luce come, già a basse concentrazioni, alcuni farmaci modifichino le attività riproduttive o il metabolismo di pesci e molluschi. Da qui è nata l’esigenza di studiare quale sia la possibile interazione dei residui dei farmaci con la fauna acquatica a concentrazioni compatibili con quelle ambientali, e valutare il meccanismo d’azione sfruttando per quanto possibile le conoscenze disponibili per i farmaci messi in commercio. I farmaci infatti sono composti disegnati per avere effetti terapeutici attraverso specifici meccanismi d’azione. Negli organismi non bersaglio che risultano esposti ai residui dei farmaci in ambiente, queste sostanze potrebbero però indurre effetti simili a quelli specifici nel caso i bersagli molecolari siano stati conservati durante l’evoluzione. Inoltre, i farmaci manifestano effetti collaterali, in genere se usati a dosi elevate o per lungo tempo, e molto spesso si tratta di effetti ossidanti. E’ possibile che tali effetti siano indotti dai farmaci ambientali nei molluschi o nei pesci, magari a basse dosi se questi animali sono più sensibili dell’uomo. Lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare nei mitili Mytilus galloprovincialis i potenziali effetti indotti dalla fluoxetina (farmaco antidepressivo), dal propranololo (farmaco β-bloccante), o dalla loro miscela con riferimento a quelli classificati come collaterali nell’uomo. In particolare, è stata studiata l’espressione di geni che codificano per gli enzimi antiossidanti catalasi (CAT), glutatione S transferasi (GST) e superossido dismutasi (SOD), mediatori della risposta allo stress ossidativo. I possibili effetti dei farmaci sono stati valutati dopo esposizione dei mitili Mytilus galloprovincialis per 7 giorni a fluoxetina (FX) e propranololo (PROP) ad un range di concentrazioni che comprendono quelle misurate in ambiente, e alla loro miscela alla concentrazione di 0,3 ng/l, scelta perché rappresentativa delle dosi inferiori dei due farmaci riscontrate in ambiente acquatico. I risultati hanno dimostrato che FX causa una generale diminuzione dell’espressione dei geni CAT, mentre per i geni codificanti per GST e SOD si osservano variazioni significative soltanto ad una concentrazione di FX, 300 e 3 ng/L rispettivamente. La riduzione dei livelli di espressione di CAT non sempre accompagnata dalla significativa variazione dei livelli di espressione di SOD e GST, può indicare che il sistema anti-ossidante non è in grado di adattarsi in modo efficiente all’alterazione indotta dall’esposizione a FX, portando ad un progressivo aumento dei livelli di stress. Per quanto riguarda gli effetti del PROP, i risultati ottenuti mostrano che nei mitili esposti a concentrazioni crescenti del farmaco i geni CAT e SOD risultano progressivamente sovra-espressi rispetto al controllo, anche se in maniera non significativa mentre i livelli di espressione di GST non sono significativamente alterati. I dati ottenuti esponendo i mitili alla miscela dei due farmaci, indicano che FX e PROP possono avere effetti interattivi sulla regolazione dei tre geni coinvolti nella risposta antiossidante. In presenza della miscela si osserva infatti una riduzione significativa dell’espressione del gene CAT, del gene GST mentre non ci sono effetti sul gene SOD. In conclusione, concentrazioni di PROP e FX nell’intervallo di quelle misurate in ambiente possono generare significativi effetti sui geni CAT, GST, e SOD. Come riscontrato nella precedente letteratura, l’attività o l’espressione degli enzimi antiossidanti risente molto dello stato fisiologico dei mitili e della stagionalità, quindi il ruolo degli enzimi antiossidanti come biomarker deve essere interpretato all’interno di batterie più ampie di risposte subletali degli organismi sentinella. Nel laboratorio questi dati sono stati ottenuti in precedenti lavoro di Tesi (Tosarelli, Tesi Magistrale in Biologia Marina, A.A. 2011; Inzolia, Tesi Magistrale in Biologia Marina, A.A. 2011). Le alterazioni ottenute a concentrazioni circa 1.000 volte inferiori rispetto a quelle efficaci nei test ecotossicologici acuti, dimostrano comunque che i farmaci possono avere effetti sugli organismi anche a concentrazioni molto basse come quelle ambientali. In particolare, poiché gli effetti ossidativi sono i più comuni effetti collaterali dei farmaci nell’Uomo che ne assuma elevate quantità o somministrazioni prolungate nel tempo, possiamo affermare che questi hanno luogo anche negli organismi non-target, a concentrazioni basse e dopo soli 7 giorni di esposizione. I dati della tesi non dimostrano che propranololo e fluoxetina hanno effetti deleteri sulle popolazioni o le comunità dei molluschi, ma debbono essere considerati come indicatori della vulnerabilità degli animali a questi composti.

Studio degli eventi erosivi in quattro aree campione della costa emiliano-romagnola

Il progetto di tesi ha analizzato i processi erosivi in atto in quattro aree della costa emilianoromagnola settentrionale, situate davanti a importanti foci fluviali: Volano, Reno, F. Uniti e Savio. Il lavoro di tesi si colloca all’interno di un progetto più ampio, che prevede la collaborazione tra la Regione Emilia Romagna, Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli e l’Istituto di Scienze Marine ISMAR-CNR, sede di Bologna. Quest’ultimo ha acquisito, durante la campagna ERO2010, 210 km di profili sismici ad alta risoluzione in un’area sotto-costa, posta tra i 2 e gli 8 metri di profondità. Il lavoro di tesi ha usufruito di una nuova strategia di analisi, la sismica ad alta risoluzione (Chirp sonar), che ha permesso di identificare ed esaminare l’architettura geologica riconoscibile nei profili ed approfondire la conoscenza dell’assetto sub-superficiale dei depositi, ampliando le conoscenze di base riguardanti la dinamica dei litorali. L’interpretazione dei dati disponibili è avvenuta seguendo differenti fasi di studio: la prima, più conoscitiva, ha previsto l’identificazione delle evidenze di erosione nelle aree in esame mediante l’analisi della variazione delle linee di riva, l’osservazione delle opere poste a difesa del litorale e lo studio dell’evoluzione delle principali foci. Nella fase successiva le facies identificate nei profili sismici sono state interpretate in base alle loro caratteristiche geometriche ed acustiche, identificando le principali strutture presenti e interpretando, sulla base delle informazioni storiche apprese e delle conoscenze geologiche a disposizione, i corpi sedimentari riconosciuti. I nuovi profili Chirp sonar hanno consentito la ricostruzione geologica mediante la correlazione dei dati a mare (database ISMAR-CNR, Bologna, Carta geologica dei mari italiani 1:250.000) con quelli disponibili a terra, quali Carta dell’evoluzione storica dei cordoni costieri (Servizio Geologico e Sismico dei Suoli, Bo) e Carta geologica 1:50.000 (Servizio Geologico d’Italia e Progetto CARG). La conoscenza dei termini naturali e antropici dello stato fisico dei sistemi costieri è il presupposto necessario per l'esecuzione di studi ambientali atti a una corretta gestione integrata della costa. L’analisi approfondita della geologia superficiale fornisce un’opportunità per migliorare il processo decisionale nella gestione dei litorali e nella scelta degli interventi da attuare sulla costa, che devono essere fatti consapevolmente considerando l’assetto geologico e prevedendo una strategia di manutenzione della costa a medio termine. Un singolo intervento di ripascimento produce effetti di breve durata e non sufficienti a sanare il problema e a mitigare il rischio costiero. Nei tratti costieri scarsamente alimentati, soggetti a persistenti fenomeni erosivi, occorre, pertanto, mettere in atto ripetuti interventi di ripascimento accompagnati da un idoneo piano di monitoraggio.

Sviluppo di algoritmi per l'automazione di misure industriali

Oggi, grazie al continuo progredire della tecnologia, in tutti i sistemi di produzione industriali si trova almeno un macchinario che permette di automatizzare determinate operazioni. Alcuni di questi macchinari hanno un sistema di visione industriale (machine vision), che permette loro di osservare ed analizzare ciò che li circonda, dotato di algoritmi in grado di operare alcune scelte in maniera automatica. D’altra parte, il continuo progresso tecnologico che caratterizza la realizzazione di sensori di visione, ottiche e, nell’insieme, di telecamere, consente una sempre più precisa e accurata acquisizione della scena inquadrata. Oggi, esigenze di mercato fanno si che sia diventato necessario che macchinari dotati dei moderni sistemi di visione permettano di fare misure morfometriche e dimensionali non a contatto. Ma le difficoltà annesse alla progettazione ed alla realizzazione su larga scala di sistemi di visione industriali che facciano misure dimensioni non a contatto, con sensori 2D, fanno sì che in tutto il mondo il numero di aziende che producono questo tipo di macchinari sia estremamente esiguo. A fronte di capacità di calcolo avanzate, questi macchinari necessitano dell’intervento di un operatore per selezionare quali parti dell’immagine acquisita siano d’interesse e, spesso, anche di indicare cosa misurare in esse. Questa tesi è stata sviluppata in sinergia con una di queste aziende, che produce alcuni macchinari per le misure automatiche di pezzi meccanici. Attualmente, nell’immagine del pezzo meccanico vengono manualmente indicate le forme su cui effettuare misure. Lo scopo di questo lavoro è quello di studiare e prototipare un algoritmo che fosse in grado di rilevare e interpretare forme geometriche note, analizzando l’immagine acquisita dalla scansione di un pezzo meccanico. Le difficoltà affrontate sono tipiche dei problemi del “mondo reale” e riguardano tutti i passaggi tipici dell’elaborazione di immagini, dalla “pulitura” dell’immagine acquisita, alla sua binarizzazione fino, ovviamente, alla parte di analisi del contorno ed identificazione di forme caratteristiche. Per raggiungere l’obiettivo, sono state utilizzate tecniche di elaborazione d’immagine che hanno permesso di interpretare nell'immagine scansionata dalla macchina tutte le forme note che ci siamo preposti di interpretare. L’algoritmo si è dimostrato molto robusto nell'interpretazione dei diametri e degli spallamenti trovando, infatti, in tutti i benchmark utilizzati tutte le forme di questo tipo, mentre è meno robusto nella determinazione di lati obliqui e archi di circonferenza a causa del loro campionamento non lineare.