Rilevamento Geomorfologico delle principali forme legate al processo solfureo acido (SAS) nei rami turistici della Grotta Grande del Vento, Frasassi (Marche, Italia)

Nell'elaborato svolto, dopo un'introduzione generale nella quale vengono illustrati i due processi principali che formano le grotte, quello epigenico ed ipogenico, viene descritta in dettaglio la parte turistica del complesso "Grotta del Fiume-Grotta Grande del Vento".Si analizzano le varie morfologie derivanti da una speleogenesi solfurea acida, spiegando come si sono formate. Vengono inoltre spiegati i metodi con i quali si è redotta la nuova carta geomorfologica del complesso (oggetto dell'elaborato), e dopo averla illustrata, viene fatto un confronto con la vecchia carta morfologica del 1990.

Nuovo copoliestere multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico contenente sequenze PEG-like per la realizzazione di film compostabili per il packaging flessibile ecosostenibile

La società civile pone oggi particolare attenzione al tema della sostenibilità ambientale, di qui la crescente necessità di progettare e sviluppare imballaggi ecosostenibili e/o biodegradabili con elevate prestazioni. I materiali polimerici, in particolare i poliesteri, presentano sicuramente una valida soluzione. Un monomero proveniente da fonti rinnovabili che consente la realizzazione di polimeri dalle eccellenti proprietà meccaniche e barriera è l'acido 2,5-furandicarbossilico. Tuttavia, i poliesteri furan-based non possiedono le caratteristiche di biodegradabilità desiderate, inoltre sono materiali duri e fragili e quindi non idonei per l’imballaggio flessibile. In tale contesto si inserisce il presente lavoro di tesi che ha come scopo la realizzazione di un nuovo poli(estere uretano) multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico, caratterizzato da proprietà migliorate rispetto all’omopolimero di partenza (poli(esametilene 2,5-furanoato)), il quale presenti una maggiore velocità di degradazione, combinata con un comportamento meccanico elastomerico, e eccellenti proprietà barriera. Per questo sono state prese in considerazione due diverse unità copolimeriche: una cosiddetta “hard” il poli(esametilene 2,5-furanoato) e l’altra “soft” il poli(trietilene 2,5-furanoato). L’alternanza di queste due porzioni ha permesso di realizzare un copolimero tenace, con un’elevata temperatura di fusione (dovuta all’elevato grado di cristallinità del segmento hard), e con un basso modulo elastico ed un elevato allungamento a rottura (tipici invece del segmento soft). I risultati ottenuti hanno evidenziato come la copolimerizzazione abbia aumentato la flessibilità del materiale, la velocità di degradazione, entrambi grazie al ridotto grado di cristallinità. Infine il copolimero presenta eccellenti proprietà barriera, grazie alla presenza di una fase bidimensionale ordinata (mesofase).

Micelle polimeriche stabilizzate con polidopamina e loro interazione con acido folico

In questo lavoro di tesi è stato sintetizzato un copolimero a blocchi con proprietà anfifiliche per un loro utilizzo nel campo del drug delivery. Si è partiti dalla sintesi di poli (glicidil metacrilato) mediante tecnica RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer), con il fine di ottenere un polimero con una distribuzione del peso molecolare ben definita. Il trattamento del polimero con un opportuno nucleofilo fornisce un materiale con caratteristiche differenti da quelle di partenza, con l’ottenimento di un polimero solubile in acqua in grado di autoassemblarsi, con formazione di micelle. Quest’ultime sono state sottoposte a trattamenti per aumentarne la stabilità fisica mediante reticolazione di polidopamina sulla superficie esterna della micella. Inoltre, nell'ottica di migliorare l’inglobamento delle micelle all'interno di cellule target, si è deciso di effettuare una funzionalizzazione del guscio esterno con acido folico. Infine, le micelle sono state marcate con un cromoforo fluorescente che ha permesso di poter verificare e comparare l’inglobamento delle micelle all'interno delle cellule attraverso microscopia confocale.

Nuovo copolimero multiblocco a base di acido polilattico e acido 2,5-furandicarbossilico 100% biobased e compostabile per packaging sostenibile

Questo progetto di tesi sperimentale è incentrato sulla sintesi di un copolimero multiblocco alifatico/aromatico a partire da reagenti aventi origine da fonti rinnovabili. L’applicazione proposta per il prodotto è nell’ambito del packaging sostenibile. E’ stato prima sintetizzato il poli(pentametilene furanoato) idrossil-terminato (PPeF-OH) a partire dall’acido 2,5-furandicarbossilico; esso è stato poi sottoposto ad una reazione di estensione di catena con acido poli-L-lattico (PLLA) parzialmente depolimerizzato. L’innovativa strategia di sintesi utilizzata è in linea con i principi della green chemistry, partendo da building block bio-based ed evitando l’uso di solventi. Il copolimero finale, definito P(LLA50PeF50)-CE, è stato caratterizzato dal punto di vista molecolare, strutturale e termico attraverso, rispettivamente, analisi NMR e GPC, WAXS, TGA e DSC. Sono state anche effettuate prove a trazione, test delle proprietà barriera e valutazione della compostabilità. I risultati dimostrano che la stabilità termica del PLLA è stata migliorata, determinando anche un allargamento della finestra di processabilità del materiale; la rigidità e la fragilità del PLLA sono state ridotte, rendendo il nuovo materiale idoneo alla realizzazione di film per imballaggi flessibili. La permeabilità all’ossigeno del PLLA è stata migliorata del 40% circa e un analogo miglioramento è stato riscontrato anche rispetto all’anidride carbonica. Infine, la compostabilità del PLLA non è stata compromessa.

Compatibilizzazione di blend di acido poli-lattico/poli-caprolattone mediante copolimeri a blocchi di poli-metilmetacrilato e poli-p-vinilfenolo

La ricerca verso lo sviluppo di materiali nuovi con proprietà ad hoc per determinati scopi è da sempre al centro della comunità scientifica, la cui attenzione attualmente è particolarmente viva per i polimeri. La messa a punto di nuovi polimeri con proprietà differenti e sempre migliori è però molto costosa e dispendiosa in termini di tempistiche, spesso quindi si cerca di ottimizzare quelli già noti grazie anche alla caratteristica dei polimeri di poter formare delle leghe, o blend. Se due polimeri riescono a mescolarsi rendendo indistinguibili le fasi relative ai costituenti allora si ottiene un nuovo materiale con proprietà differenti da quelle delle sue componenti, chiamato blend omogeneo. Molto interessanti sono le leghe polimeriche di acido poli-lattico (PLA) e poli-ε-caprolattone (PCL). Il PLA è un polimero biodegradabile molto versatile dalle buone proprietà meccaniche. Il maggiore limite del PLA è dato, però, proprio dalla sua rigidità strutturale che lo rende anche fragile e poco duttile. Il PCL è un polimero biodegradabile molto flessibile e duttile, per questo è studiato come possibile tenacizzante per il PLA. Il blend PLA/PCL risulta essere eterogeneo e le fasi costituenti si separano. È stata quindi volta l’attenzione agli agenti compatibilizzanti, molecole che aggiunte ad un blend eterogeneo riescono ad aumentare la reciproca miscibilità dei materiali costituenti, formando un materiale omogeneo detto compatibilizzato. I migliori agenti compatibilizzanti sono dei copolimeri a blocchi, in cui un blocco sia miscibile con uno dei componenti polimerici del blend ed il secondo blocco con la restante componente. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di sintetizzare possibili agenti compatibilizzanti che siano dei copolimeri costituiti da un blocco di unità ripetenti di metilmetacrilato e da uno di unità di p-vinilfenolo o di un suo derivato e verificarne l’efficacia nel compatibilizzare blend di PLA e PCL.

Produzione di un filamento a base di acido polilattico additivato con rinforzo di origine naturale per additive manufacturing

Scopo dell'elaborato è stato la produzione di un materiale bio-composito formato da PLA ed un rinforzo di origine naturale derivante dal settore agricolo, nell'ottica di diminuire i costi dei manufatti costituiti da tale materiale, riducendo il contenuto di PLA, e rivalorizzare lo scarto di farine in applicazioni di stampa 3D. Inizialmente le farine sono state studiate mediante analisi spettroscopiche (FT-ATR), osservazioni al microscopio ottico e analisi TGA. Dopodiché sono stati prodotti filamenti per stampa 3D di materiale composito al 10% e caratterizzati termicamente (DSC, TGA, Cp) e meccanicamente (DMA). Successivamente alla stampa 3D di questi filamenti, sono stati analizzati comportamenti termici (CTE, DSC) e meccanici (prove di trazione, DMA) dei provini stampati. Si è infine valutata l'influenza del trattamento termico di ricottura sui provini stampati mediante analisi DSC e DMA.

Ossidazione elettrocatalitica di glucosio su schiume di nickel per la produzione selettiva di acido gluconico e acido glucarico

The selective electro-oxidation of D-glucose represents a promising way for the synthesis of many platform molecules, currently produced from non-renewable fossil fuels. Electrocatalysis is gaining considerable interest as an alternative to the thermochemical process, since it allows the process to be sustainable by operating at room temperature and pressure as well as using green solvents and electricity produced from renewable sources. In this work, the activity of three electrocatalysts, based on open cell Ni foams, towards the electrochemical oxidation of glucose to gluconic acid and glucaric acid was initially compared: a Ni bare foam, and Ni foams calcined at 500 °C for one hour and electrodeposited with Ni NP nanoparticles. The calcined foam turned out to be the most efficient. Then, the performance of this Ni calcined electrocatalyst was studied varying the reaction conditions, such as the potential applied (from 0,5V to 1,0V vs SCE), D-glucose concentration (0,01M, 0,05M and 0,10M) and NaOH concentration (0,10M and 1,0M). The activity of the electrocatalysts was evaluated in terms of glucose conversion, gluconic and gluconic acid selectivity and faradic efficiency. The best results were obtained over a Ni calcined foam with a 0,05M solution of D-glucose and 0,10M of NaOH at a 0,80V vs SCE potential.

Nuovi copoliesteri statistici cicloalifatici contenenti acido canforico per applicazioni nel food packaging

Il presente progetto di Tesi ha come obiettivo il design di nuovi copolimeri statistici bio-based, caratterizzati da idonee proprietà meccaniche e barriera per impieghi come film sottili nell’imballaggio alimentare. I materiali sintetizzati appartengono alla classe dei poliesteri alifatici, caratterizzati dalla facilità di sintesi in assenza di solventi, relativamente economici, caratterizzati da proprietà modulabili in funzione della struttura chimica. Come omopolimero di partenza è stato scelto il poli(butilene trans-1,4-cicloesanoato) (PBCE), un poliestere potenzialmente bio-based con elevata resistenza ad alte temperature, umidità, radiazioni UV e buone proprietà meccaniche e barriera, e, benchè non ancora disponibile in commercio, molto interessante. Esso risulta troppo rigido per la realizzazione di film flessibili. Il PBCE è stato quindi copolimerizzato introducendo l’(1R,3S)-(+)-Acido Canforico, un monomero bio-based ottenibile dalla canfora. L’obiettivo del lavoro è modulare la cristallinità, le proprietà termiche, meccaniche e barriera dell’omopolimero di partenza. Dopo la sintesi, effettuata mediante policondensazione in massa a due stadi, tali copolimeri sono stati sottoposti a caratterizzazioni molecolari, termiche e meccaniche per valutare l’effetto dell’introduzione di comonomero nella catena macromolecolare del PBCE.

Valutazione degli impatti ambientali di un processo biobased nella produzione di acido crotonico

L’utilizzo di biomasse come fonte di chemicals nell’industria chimica mira a rendere più sostenibili i processi industriali e i materiali prodotti. In particolare, l’acido crotonico (AC), impiegato come building block nella produzione di vernici e rivestimenti, è prodotto tradizionalmente da fonti fossili. La domanda globale ammonta a circa 1000 tonnellate ed è in continuo aumento, rendendo prioritaria l’individuazione di una sintesi alternativa e sostenibile. In questo studio, l’analisi del ciclo di vita (life cycle assessment, LCA) è stata applicata per stimare la carbon footprint e la domanda cumulativa di energia relative ad una sintesi innovativa dell’AC, basata sulla conversione termica di un precursore derivato da biomasse di scarto. In particolare, il processo prevede l’applicazione di un trattamento termochimico a poli-idrossi-butirrati (PHB) prodotti da colture batteriche miste a valle del processo B-PLAS. Sono stati modellati due scenari comparativi con l’obiettivo di (i) valutare la sostenibilità ambientale della sintesi alternativa nella tecnologia B-PLAS, considerando una condizione “base” di processo (con un contenuto di PHB pari al 30% nello slurry in ingresso al processo) e una “ottimale” (con un contenuto di PHB pari al 60%); (ii) confrontare gli impatti ambientali del processo di sintesi alternativo per entrambi gli scenari con quelli di sintesi dell’AC da fonti fossili. I risultati dell’LCA mostrano che nel processo B-PLAS, giunti alla produzione dello slurry (fango) arricchito in PHB, si possono avere due strade equivalenti estraendo i PHB o convertendoli in AC con una lieve preferenza per il processo estrattivo (0.71MJ/kgslurry vs 1.11MJ/kgslurry) nella condizione di base e (0.69MJ/kgslurry vs 1.17MJ/kgslurry) in quella ottimale. Estendendo la comparazione alla produzione dell’AC da fonti fossili, quello bioderivato comporta un impatto ambientale ampiamente inferiore, stimato in 159.6 MJ/kgAC e 204.6 MJ/kgAC per gli scenari “base” e “ottimale”.

Determinazione delle barriere rotazionali di nuovi atropisomeri N-N: confronto tra metodi DFT e sperimentali.

Theoretical DFT calculations on rotational barriers of tetrasubstituted hydrazines were performed in order to synthesize new enantioenriched atropoisomers with chiral N-N axis. The molecules studied were chosen to be subsequently synthesized through asymmetric organocatalysis. New atropoisomers with chiral N-N axis were synthesized through organocatalysis methods via enamine or phase transfer. Cinchona alkaloid derivatives were used as catalysts. HPLC analyzes show that the three new synthesized molecules are atropoisomers at room temperature. Using an asymmetric procedure to synthesize the molecules studied, it was possible to generate enantiomeric excesses that remained unchanged for more than three weeks. The experimental rotational barrier of one of the three synthesized compounds was calculated. The experimental energy barrier at 25°C (ΔG^≠=25,7 kcal/mol) was lower than the DFT calculations and with a tendency to increase with temperature, due to a negative reaction entropy.

Indagini sperimentali per la determinazione di microplastiche nelle acque reflue e nei fanghi di depurazione

Le microplastiche (MP) rientrano nella categoria di contaminanti emergenti per la loro pericolosità e persistenza nell'ecosistema. Gli impianti di trattamento acque sono identificati come una fonte principale di MP per l’ambiente. A causa della mancanza di metodi di separazione standard per le MP da fanghi ed acque reflue, nel presente lavoro sperimentale, sono testati diversi metodi di separazione delle MP da campioni di fanghi e acque di due impianti reali. Tramite analisi allo stereomicroscopio e identificazione della struttura polimerica mediante spettroscopia infrarossa in riflettanza totale attenuata (FTIR-ATR) si sono ottenute delle prime stime sulle quantità di MP all’interno dei depuratori che andranno vagliate con successive prove. In generale c’è una grande variabilità associata al punto di prelievo, al periodo di campionamento e alle caratteristiche del refluo. I dati sperimentali confermano la presenza di MP sia nelle acque che nei fanghi. Per la linea acque sono esaminati un trattamento convenzionale a fanghi attivi di un piccolo impianto (1) e un trattamento terziario di filtrazione a sabbia con peracetico e UV di un impianto di potenzialità superiore (2). Seppure le efficienze di rimozione siano alte (93,37% per l’impianto 1 e 59,80% per il 2), i carichi di MP rilasciati in ambiente sono elevati a causa delle portate trattate. Il fatto che MP della stessa morfologia e colore si ritrovino in setacci di differenti dimensioni e che le concentrazioni aumentino al diminuire della dimensione, suggerisce che subiscano svariate frammentazioni a monte del campionamento. Per i fanghi sono testati 3 metodi di pretrattamento individuando il migliore in quello con pre-digestione con H2O2 e separazione per densità con NaI che verrà in seguito implementata. Nei fanghi tendono a concentrarsi le MP rimosse dalla linea acque che di solito sono quelle di densità maggiore, infatti si riscontra prevalenza di microparticelle.

Different dietary fibres included in the gestation and lactation diet shape sow's microbiota, modify colostrum and milk composition and affect piglet growth and health

This thesis reports three experimental studies that may contribute to understand how the sources or types of dietary fibres (DFs) included in sow diet with similar level of total DFs influence the composition of colostrum and milk and their related effects on offspring performance and gut microbiota. The first study showed that decreasing the level of hemicelluloses (HCs) in sow’s lactation diet increased the proportion of butyrate and the concentration of volatile fatty acids (VFAs), copper and threonine in milk. Simultaneously, the post-weaning growth of low birthweight piglets was improved, and the diarrhoea occurrence was reduced during the second week post-weaning. The second study showed that the level of HCs in the diet of lactating sows affected their faecal microbiota, modified the VFA profile in sow’s faeces during lactation and barely impacted the faecal microbiota of slow and fast growing piglets. The third study showed that replacing a source soluble DFs by one of insoluble DFs in sow’s diet during late gestation and lactation reduced farrowing duration, increased total VFAs and lactoferrin concentrations in colostrum, improved growth performance from birth to 1 day of lactation, during the post-weaning period and throughout the study, and reduced diarrhoea occurrence during the first week post-weaning. Finally, a fourth study proposed a workflow to analyse low biomass samples from the umbilical cord blood aiming at investigating the existence of a pre-birth microbiota with no substantial findings to confirm this hypothesis. Overall, the results of these studies confirmed that, besides the level of DFs, the sources, and the types of DFs included in the sow's diet shape the sow's microbiota, influence the composition of colostrum and milk, and improve offspring performance, but with limited impacts on the microbiota of piglets.

Pathogenetic mechanisms of gastrointestinal symptoms in a mouse model of Fabry disease: insights on the microbiota-gut-brain axis

Fabry disease (FD), X-linked metabolic disorder caused by a deficiency in α-galactosidase A activity, leads to the accumulation of glycosphingolipids, mainly Gb3 and lyso-Gb3, in several organs. Gastrointestinal (GI) symptoms are among the earliest and most common, strongly impacting patients’ quality of life. However, the origin of these symptoms and the exact mechanisms of pathogenesis are still poorly understood, thus the pressing need to improve their knowledge. Here we aimed to evaluate whether a FD murine model (α-galactosidase A Knock-Out) captures the functional GI issues experienced by patients. In particular, the potential mechanisms involved in the development and maintenance of GI symptoms were explored by looking at the microbiota-gut-brain axis involvement. Moreover, we sought to examine the effects of lyso-Gb3 on colonic contractility and the intestinal epithelium and the enteric nervous system, which together play important roles in regulating intestinal ion transport and fluid and electrolyte homeostasis. Fabry mice revealed visceral hypersensitivity and a diarrhea-like phenotype accompanied by anxious-like behavior and reduced locomotor activity. They reported also an imbalance of SCFAs and an early compositional and functional dysbiosis of the gut microbiota, which partly persisted with advancing age. Moreover, overexpression of TRPV1 was found in affected mice, and partial alteration of TRPV4 and TRPA1 as well, identifying them as possible therapeutic targets. The Ussing chamber results after treatment with lyso-Gb3 showed an increase in Isc (likely mediated by HCO3- ions movement) which affects neuron-mediated secretion, especially capsaicin- and partly veratridine-mediated. This first characterization of gut-brain axis dysfunction in FD mouse provides functional validation of the model, suggesting new targets and possible therapeutic approaches. Furthermore, lyso-Gb3 is confirmed to be not only a marker for the diagnosis and follow-up of FD but also a possible player in the alteration of the FD colonic ion transport process.

The predictive role of the human gut microbiota in covid-19: implications for disease severity and post-covid syndrome

The COVID-19 pandemic, sparked by the SARS-CoV-2 virus, stirred global comparisons to historical pandemics. Initially presenting a high mortality rate, it later stabilized globally at around 0.5-3%. Patients manifest a spectrum of symptoms, necessitating efficient triaging for appropriate treatment strategies, ranging from symptomatic relief to antivirals or monoclonal antibodies. Beyond traditional approaches, emerging research suggests a potential link between COVID-19 severity and alterations in gut microbiota composition, impacting inflammatory responses. However, most studies focus on severe hospitalized cases without standardized criteria for severity. Addressing this gap, the first study in this thesis spans diverse COVID-19 severity levels, utilizing 16S rRNA amplicon sequencing on fecal samples from 315 subjects. The findings highlight significant microbiota differences correlated with severity. Machine learning classifiers, including a multi-layer convoluted neural network, demonstrated the potential of microbiota compositional data to predict patient severity, achieving an 84.2% mean balanced accuracy starting one week post-symptom onset. These preliminary results underscore the gut microbiota's potential as a biomarker in clinical decision-making for COVID-19. The second study delves into mild COVID-19 cases, exploring their implications for ‘long COVID’ or Post-Acute COVID-19 Syndrome (PACS). Employing longitudinal analysis, the study unveils dynamic shifts in microbial composition during the acute phase, akin to severe cases. Innovative techniques, including network approaches and spline-based longitudinal analysis, were deployed to assess microbiota dynamics and potential associations with PACS. The research suggests that even in mild cases, similar mechanisms to hospitalized patients are established regarding changes in intestinal microbiota during the acute phase of the infection. These findings lay the foundation for potential microbiota-targeted therapies to mitigate inflammation, potentially preventing long COVID symptoms in the broader population. In essence, these studies offer valuable insights into the intricate relationships between COVID-19 severity, gut microbiota, and the potential for innovative clinical applications.

Identificazione dinamica della variazione di rigidezza flessionale in una trave metallica: indagini sperimentali e analisi numeriche

Un danneggiamento in una struttura altera le sue caratteristiche dinamiche quali frequenze naturali, indici di smorzamento e forme modali associate ad ogni frequenza naturale. In particolare, nel caso di travi, una variazione di rigidezza flessionale è in generale definibile danneggiamento se corrisponde ad una riduzione della stessa; tuttavia, anche un incremento altera i parametri dinamici della struttura. Il presente elaborato investiga l’applicazione del cambiamento nelle curvature modali per identificare un incremento di rigidezza flessionale in una trave metallica semplicemente appoggiata studiata presso il laboratorio LISG dell’Università di Bologna. Utilizzando le differenze centrali, le curvature modali sono state calcolate dalle forme modali ottenute sperimentalmente. Le modalità di calcolo utilizzate per identificare le forme modali della trave sono accomunate dall’utilizzo delle funzioni di trasferimento sperimentali ricavate sia dal rapporto tra le trasformate di output ed input, sia facendo uso della densità di potenza spettrale (PSD e CPSD). A supporto delle indagini sperimentali e per validare le modalità di calcolo utilizzate è stata modellata tramite elementi finiti una trave semplicemente appoggiata che simula la configurazione iniziale e quella irrigidita localmente in un suo tratto. I risultati numerici condotti validano le modalità utilizzate per la determinazione delle forme modali, evidenziando una forte sensibilità delle curvature modali all’irrigidimento locale. Come atteso, lato sperimentale le forme modali risultano meno accurate di quelle dedotte dalle esperienze numeriche. I risultati ottenuti evidenziano limiti e potenzialità dell’algoritmo di identificazione impiegato.