Seltenerdkomplexe als Einkomponenten-Initiatoren für die Polymerisation polarer und unpolarer Monomere

Es wird eine Reihe von dimeren Seltenerdhydriden der Zusammensetzung [Ln(C5Me4NCMe2R)(THF)(H)]2 mit Ln= Y,Tb,Er,Lu und R= Me,Et auf ihre Eigenschaften als Polymerisationsinitiatoren untersucht.Die kontrollierte Polymerisation von Styrol ist nach der Bildung der Monoinsertionsprodukte von 1-Olefinen möglich. Dabei ist die Menge des im System verbleibenden THF von entscheidender Bedeutung. Die Insertion des ersten Styrolmoleküls verläuft selektiv sekundär.Es wird eine Korrelation der Polymerisationsgeschwindigkeit mit dem Ionenradius des verwendeten Metalls beobachtet.Die Erzeugung von Blockcopolymeren aus Styrol und tert.-Butylacrylat sowie anderen polaren Monomeren ist auf diesem Weg möglich und wird untersucht. Während die Länge des Polystyrolblocks eingestellt werden kann, verläuft die Polymerisation des Acrylats unkontrolliert. Es bilden sich Blockcopolymere mit einem Blocklängenverhältnis von etwa 1:1sowie Homopoly(tert.-Butylacrylat).Darüber hinaus wird das Verhalten der genannten Hydride sowie mehrerer anderer Seltenerdkompexe (u. a. mit Schiff-Base-Liganden) in der Polymerisation von rac.-beta-Butyrolacton untersucht. Die Hydride polymerisieren rac.-beta-Butyrolacton zu Polymeren mit Molekulargewichten von 10000-20000 g/mol. Gelbildung und Umesterungsreaktionentreten auf. Unter Kühlung ist eine bessere Kontrolle der Reaktion möglich. Die erhaltenen Polymere weisen eine syndiotaktisch angereicherte Mikrostruktur auf.Die Synthese der Schiff-Base-Komplexe erfolgt durch Umsetzung von R(-)-2,2'-Bis(6-tert.-butyl-4-ethylsalicylidenimin)-1,1'-binaphthyl ('LigH2') bzw. (1R,2R)-(-)-1,2-Cyclohexandiamino-N,N'-bis(3,5-di-tert.-butylsalicyliden)('(R,R)-Jacobsen-Ligand') mit Y(N(SiHMe2)2)3(THF)2. Die resultierenden Verbindungen sowie Y(CH2(SiMe3))3(THF)2 sind Initiatoren für die Polymerisation von rac.-beta-Butyrolacton und Lactid. Es wird keine kontrollierte Polymerisation beobachtet. Mit dem Schiff-Base-KomplexLigY(N(SiHMe2)2)(THF) wird bei der Polymerisation von rac.-beta-Butyrolacton eine syndiotaktische Anreicherung von bis zu 75 % s-Diaden erreicht.

New polymeric materials for vascular surgery

The dramatic impact that vascular diseases have on human life quality and expectancy nowadays is the reason why both medical and scientific communities put great effort in discovering new and effective ways to fight vascular pathologies. Among the many different treatments, endovascular surgery is a minimally-invasive technique that makes use of X-ray fluoroscopy to obtain real-time images of the patient during interventions. In this context radiopaque biomaterials, i.e. materials able to absorb X-ray radiation, play a fundamental role as they are employed both to enhance visibility of devices during interventions and to protect medical staff and patients from X-ray radiations. Organic-inorganic hybrids are materials that combine characteristics of organic polymers with those of inorganic metal oxides. These materials can be synthesized via the sol-gel process and can be easily applied as thin coatings on different kinds of substrates. Good radiopacity of organic-inorganic hybrids has been recently reported suggesting that these materials might find applications in medical fields where X-ray absorption and visibility is required. The present PhD thesis aimed at developing and characterizing new radiopaque organic-inorganic hybrid materials that can find application in the vascular surgery field as coatings for the improvement of medical devices traceability as well as for the production of X-ray shielding objects and garments. Novel organic-inorganic hybrids based on different polyesters (poly-lactic acid and poly-ε-caprolactone) and polycarbonate (poly-trimethylene carbonate) as the polymeric phase and on titanium oxide as the inorganic phase were synthesized. Study of the phase interactions in these materials allowed to demonstrate that Class II hybrids (where covalent bonds exists between the two phases) can be obtained starting from any kind of polyester or polycarbonate, without the need of polymer pre-functionalization, thanks to the occurrence of transesterification reactions operated by inorganic molecules on ester and carbonate moieties. Polyester based hybrids were successfully coated via dip coating on different kinds of textiles. Coated textiles showed improved radiopacity with respect to the plain fabric while remaining soft to the touch. The hybrid was able to coat single fibers of the yarn rather than coating the yarn as a whole. Openings between yarns were maintained and therefore fabric breathability was preserved. Such coatings are promising for the production of light-weight garments for X-ray protection of medical staff during interventional fluoroscopy, which will help preventing pathologies that stem from chronic X-ray exposure. A means to increase the protection capacity of hybrid-coated fabrics was also investigated and implemented in this thesis. By synthesizing the hybrid in the presence of a suspension of radiopaque tantalum nanoparticles, PDMS-titania hybrid materials with tunable radiopacity were developed and were successfully applied as coatings. A solution for enhancing medical device radiopacity was also successfully investigated. High metal radiopacity was associated with good mechanical and protective properties of organic-inorganic hybrids in the form of a double-layer coating. Tantalum was employed as the constituent of the first layer deposited on sample substrates by means of a sputtering technique. The second layer was composed of a hybrid whose constituents are well-known biocompatible organic and inorganic components, such as the two polymers PCL and PDMS, and titanium oxide, respectively. The metallic layer conferred to the substrate good X-ray visibility. A correlation between radiopacity and coating thickness derived during this study allows to tailor radiopacity simply by controlling the metal layer sputtering deposition time. The applied metal deposition technique also permits easy shaping of the radiopaque layer, allowing production of radiopaque markers for medical devices that can be unambiguously identified by surgeons during implantation and in subsequent radiological investigations. Synthesized PCL-titania and PDMS-titania hybrids strongly adhered to substrates and show good biocompatibility as highlighted by cytotoxicity tests. The PDMS-titania hybrid coating was also characterized by high flexibility that allows it to stand large substrate deformations without detaching nor cracking, thus being suitable for application on flexible medical devices.

Chemical analysis and reactivity of biomass pyrolysis products. Application to the development of carbon-neutral biofuels and chemicals

In this dissertation the pyrolytic conversion of biomass into chemicals and fuels was investigated from the analytical point of view. The study was focused on the liquid (bio-oil) and solid (char) fractions obtainable from biomass pyrolysis. The drawbacks of Py-GC-MS described so far were partially solved by coupling different analytical configurations (Py-GC-MS, Py-GC-MIP-AED and off-line Py-SPE and Py-SPME-GC-MS with derivatization procedures). The application of different techniques allowed a satisfactory comparative analysis of pyrolysis products of different biomass and a high throughput screening on effect of 33 catalysts on biomass pyrolysis. As the results of the screening showed, the most interesting catalysts were those containing copper (able to reduce the high molecular weight fraction of bio-oil without large yield decrease) and H-ZSM-5 (able to entirely convert the bio-oil into “gasoline like” aromatic products). In order to establish the noxious compounds content of the liquid product, a clean-up step was included in the Py-SPE procedure. This allowed to investigate pollutants (PAHs) generation from pyrolysis and catalytic pyrolysis of biomass. In fact, bio-oil from non-catalytic pyrolysis of biomass showed a moderate PAHs content, while the use of H-ZSM-5 catalyst for bio-oil up-grading determined an astonishing high production of PAHs (if compared to what observed in alkanes cracking), indicating an important concern in the substitution fossil fuel with bio-oil derived from biomass. Moreover, the analytical procedures developed in this thesis were directly applied for the detailed study of the most useful process scheme and up-grading route to chemical intermediates (anhydrosugars), transportation fuels or commodity chemicals (aromatic hydrocarbons). In the applied study, poplar and microalgae biomass were investigated and overall GHGs balance of pyrolysis of agricultural residues in Ravenna province was performed. A special attention was put on the comparison of the effect of bio-char different use (fuel or as soil conditioner) on the soil health and GHGs emissions.

Harmful algae and their potential impacts on the coastal ecosystem: growth and toxin production dynamics

The main goal of the present thesis was to study some harmful algal species which cause blooms in Italian coastal waters, leading to consequences for human health, coastal ecosystem, fishery and tourism. In particular, in the first part of this thesis the toxicity of Adriatic strains of the raphidophyte Fibrocapsa japonica was investigated. Despite several hypotheses have been proposed for the toxic mechanism of the raphidophytes, especially for the species Chattonella antiqua and C. marina, which have been studied more extensively, just a few studies on the toxic effects of these species for different organisms were reported. Moreover, a careful reading of the literature evidenced as any ichthyotoxic events reported worldwide can be linked to F. japonica blooms. Although recently several studies were performed on F. japonica strains from the USA, Japan, Australia, New Zealand, the Netherlands, Germany, and France in order to characterize their growth and toxicity features, the work reported in this thesis results one of the first investigation on the toxic effects of F. japonica for different organisms, such as bacteria, crustaceans and fish. Mortality effects, together with haemolysis of fish erythrocytes, probably due to the relatively high amount of PUFAs produced by this species, were observed. Mortality for fish, however, was reported only at a high cell density and after a long exposition period (9-10 days); moreover a significant increase of H2O2 obtained in the tanks where sea basses were exposed to F. japonica was also relevant. This result may justify the absence of ichthyotoxic events in the Italian coasts, despite F. japonica blooms detected in these areas were characterized by high cell densities. This work reports also a first complete characterization of the fatty acids produced and extracellularly released by the Adriatic F. japonica, and results were also compared with the fatty acid profile of other strains. The absence of known brevetoxins in F. japonica algal extracts was also highlighted, leading to the hypothesis that the toxicity of F. japonica may be due to a synergic effect of PUFAs and ROS. Another microalgae that was studied in this thesis is the benthic dinoflagellate Ostreopsis cf. ovata. This species was investigated with the aim to investigate the effect of environmental parameters on its growth and toxicity. O. cf. ovata, in fact, shows different blooming periods along the Italian coasts and even the reported toxic effects are variable. The results of this work confirmed the high variability in the growth dynamic and toxin content of several Italian strains which were isolated in recent years along the Adriatic and Tyrrhenian Seas. Moreover, the effects of temperature and salinity on the behaviour of the different isolates are in good agreement with the results obtained from field surveys, which evidence as the environmental parameters are important factors modulating O. cf. ovata proliferation. Another relevant result that was highlighted is the anomaly in the production of palytoxin-like compounds reported by one of the studied isolate, in particular the one isolated in 2008 in Ancona (Adriatic Sea). Only this strain reported the absence of two (ovatoxin-b and –c) of the five ovatoxins so far known in the toxin profile and a different relative abundance of the other toxins. The last aspect that was studied in this thesis regards the toxin biosythesis. In fact, toxins produced (palytoxin-like compounds) or supposed to be produced (brevetoxin-like compounds) by O. cf. ovata and F. japonica, respectively, are polyketides, which are highly oxygenated compounds synthesized by complex enzymes known as polyketide synthase (PKS) enzymes. These enzymes are multi-domain complexes that structurally and functionally resemble the fatty acid synthases (FASs). This work reports the first study of PKS proteins in the dinoflagellates O. cf. ovata, C. monotis and in the raphidophyte F. japonica. For the first time some PKSs were identified in these species, confirming the presence of PKS proteins predicted by the in silico translation of the transcripts found in K. brevis also in other species. The identification of O. cf. ovata PKSs and the localization of the palytoxin-like compounds produced by this dinoflagellate in a similar location (chloroplast) as that observed for other dinoflagellate and cyanobacterial toxins provides some indication that these proteins may be involved in polyketide biosynthesis. However, their potential function as fatty acid synthases cannot be ruled out, as plant fatty acid synthesis also occurs within chloroplasts. This last hypothesis is also supported by the fact that in all the investigated species, and in particular in F. japonica, PKS proteins were present. Therefore, these results provide an important contribution to the study of the polyketides and of the involvement of PKS proteins in the toxin biosynthesis.

Pyrolysis of peptides and proteins. Analytical study and environmental applications

Analytical pyrolysis was used to investigate the formation of diketopiperazines (DKPs) which are cyclic dipeptides formed from the thermal degradation of proteins. A quali/quantitative procedure was developed combining microscale flash pyrolysis at 500 °C with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) of DKPs trapped onto an adsorbent phase. Polar DKPs were silylated prior to GC-MS. Particular attention was paid to the identification of proline (Pro) containing DKPs due to their greater facility of formation. The GC-MS characteristics of more than 80 original and silylated DKPs were collected from the pyrolysis of sixteen linear dipeptides and four model proteins (e.g. bovine serum albumin, BSA). The structure of a novel DKP, cyclo(pyroglutamic-Pro) was established by NMR and ESI-MS analysis, while the structures of other novel DKPs remained tentative. DKPs resulted rather specific markers of amino acid sequence in proteins, even though the thermal degradation of DKPs should be taken into account. Structural information of DKPs gathered from the pyrolysis of model compounds was employed to the identification of these compounds in the pyrolysate of proteinaceous samples, including intrinsecally unfolded protein (IUP). Analysis of the liquid fraction (bio-oil) obtained from the pyrolysis of microalgae Nannochloropsis gaditana, Scenedesmus spp with a bench scale reactor showed that DKPs constituted an important pool of nitrogen-containing compounds. Conversely, the level of DKPs was rather low in the bio-oil of Botryococcus braunii. The developed micropyrolysis procedure was applied in combination with thermogravimetry (TGA) and infrared spectroscopy (FT-IR) to investigate surface interaction between BSA and synthetic chrysotile. The results showed that the thermal behavior of BSA (e.g. DKPs formation) was affected by the different form of doped synthetic chrysotile. The typical DKPs evolved from collagen were quantified in the pyrolysates of archaeological bones from Vicenne Necropolis in order to evaluate their conservation status in combination with TGA, FTIR and XRD analysis.

Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien

„Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien“, Patrick Beyer, Mainz 2007 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese und Charakterisierung flüssigkristalliner Elastomere unterschiedlicher Polymertopologien vorgestellt. Dabei wurden Systeme synthetisiert, bei denen die mesogenen Einheiten entweder als Seitengruppen an ein Polymerrückgrat angebunden (Seitenkettenelastomere) oder direkt in die Polymerkette integriert (Hauptkettenelastomere) sind (siehe Abbildung). Bezüglich der Seitenkettensysteme konnten erstmals photovernetzbare smektische Seitenkettenpolymere, in denen aufgrund der Anknüpfung eines photoisomerisierbaren Azobenzols eine Photo- modulation der ferroelektrischen Eigenschaften möglich ist, dargestellt werden. Homöotrop orientierte freistehende Filme dieser Materialien konnten durch Spincoaten dargestellt und unter Ausnutzung des Dichroismus der Azobenzole durch geeignete Wahl der Bestrahlungsgeometrie photovernetzt werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde anhand eines nicht vernetzbaren Modellsystems im Detail der Einfluss der trans-cis Isomerisierung des Azobenzols auf die ferroelektrischen Parameter untersucht. Durch zeitaufgelöste Messungen der Absorption der Azobenzole, der spontanen Polarisation und des Direktorneigungswinkels und Auswertung der kinetischen Prozesse konnte eine lineare Abhängigkeit der ferroelektrischen Eigenschaften vom Grad der Isomerisierungsreaktion festgestellt werden. Durch Vergleich dieser in der flüssigkristallinen Phase erhaltenen Ergebnisse mit der Kinetik der thermischen Reisomerisierung in Lösung (Toluol) konnte ferner eine deutliche Reduzierung der Relaxationszeiten in der anisotropen flüssigkristallinen Umgebung festgestellt und auf eine Absenkung der Aktivierungsenergie zurückgeführt werden. Makroskopische Formänderungen der Seitenkettenelastomere am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase konnten jedoch nicht festgestellt werden. Aus diesem Grund wurden neue Synthesestrategien für die Darstellung von Hauptkettenelastomeren entwickelt, die sich aufgrund der direkten Kopplung von flüssigkristallinem Ordnungsgrad und Polymerkettenkonformation besser für die Herstellung thermischer Aktuatoren eignen. Auf Basis flüssigkristalliner Polymalonate konnten dabei lateral funktionalisierte smektische Hauptkettenpolymere synthetisiert werden, welche erstmals die Darstellung von LC-Hauptkettenelastomeren durch Photovernetzung in der flüssigkristallinen Phase erlauben. Durch laterale Bromierung konnte in diesen Systemen die Kristallisationstendenz der verwendeten Biphenyleinheiten unterdrückt werden. Bezüglich der Photovernetzung konnten zwei neue Synthesemethoden entwickelt werden, bei denen der Vernetzungsschritt entweder durch radikalische Polymerisation lateral angebundener Acrylatgruppen oder durch photoaktive Benzophenongruppen erfolgte. Basierend auf den Benzophenon funktionalisierten Systemen konnte ein neuartiges Verfahren zur Darstellung makroskopisch orientierter Hauptkettenelastomere durch Photovernetzung entwickelt werden. Die Elastomerproben, deren Ordnungsgrad durch Röntgenuntersuchungen ermittelt werden konnte, zeigen am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase eine reversible Formänderung von 40%. Im Gegensatz zu anderen bekannten smektischen Systemen konnten die in dieser Arbeit vorgestellten Elastomere ohne Zerstörung der Phase bis zu 60% entlang der smektischen Schichtnormalen gestreckt werden, was im Kontext einer geringen Korrelation der smektischen Schichten in Hauptkettenelastomeren diskutiert wurde.

Hyperverzweigte Lacton-Copolymere: enzymatische Synthese, Charakterisierung und Darstellung strukturierter Polymernetzwerke = (Hyperbranched lactone copolymers by enzyme catalysis: synthesis, characterization and preparation of structured polymer networks)

Hyperverzweigte Polymere erfuhren in den letzten Jahren immer mehr Beachtung, da sie im Vergleich zu ihren linearen Analoga besondere Eigenschaften besitzen. Im Jahre 2002 wurde die erste enzymkatalysierte Darstellung hyperverzweigter Poly(epsilon-caprolacton)e (hb-PCL) beschrieben. Hier ermöglichte das Konzept der konkurrierenden ringöffnenden Polymerisation und Polykondensation die Kontrolle der Eigenschaften des dargestellten Polymers. Detaillierte Untersuchungen in Hinblick auf Grenzen und Möglichkeiten, aber auch die Synthese im Technikumsmaßstab sind wesentliche Aspekte dieser Arbeit. Außerdem wird ein neues Konzept eingeführt, das Reknitting genannt wurde. Ziel desselben ist das Recycling kommerziellen, linearen PCLs mittels Umesterung zu hb-PCL durch Enzymkatalyse. Diese hb-PCLs zeigen vergleichbare Eigenschaften zu den aus den Comonomeren dargestellten. Ausgehend von hb-PCL sollte eine geeignete Route zu methacrylierten Vernetzerverbindungen entwickelt werden. Aus Mischungen derselben mit 2-Hydroxyethylmethacrylat wurden komplexe Netzwerkarchitekturen durch Copolymerisation erhalten. Diese Netzwerke wurden in Hinblick auf ihre mechanisch physikalischen Eigenschaften untersucht. Zuletzt wurden Screeningexperimente an anderen zyklischen Estern durchgeführt, da ein Transfer des oben vorgestellten Konzepts angestrebt wurde. Zwei neue hyperverzweigte Polymerklassen, hb-Poly(delta-valerolacton) und hb-Polytrimethylencarbonat wurden detaillierter untersucht und in Ihren Eigenschaften mit hb-PCL verglichen.

Biodiesel ottenuto da olio di babassu e sue miscele: studio di produzione e controllo di qualità

Il contributo all’innalzamento del riscaldamento globale, prodotto dai combustibili fossili è un dei principali problemi ambientali. Le bioenergie potrebbero contribuire enormemente alla riduzione di questo fenomeno, sostituendo in parte i combustibili tradizionali di origine fossile. In questo contesto, può collocarsi il biodiesel prodotto a partire da oli vegetali, rappresentando una valida e strategica alternativa. Il biodiesel è una miscela di metil esteri di acidi grassi, [fatty acids methyl esters (FAME)], normalmente ottenuta tramite reazione di transesterificazione tra oli vegetali e alcol a catena corta in presenza di un catalizzatore acido o basico in catalisi sia omogena che eterogenea. Il biodiesel si colloca tra le materie prime di seconda generazione e può risultare una buona base di partenza per ottenere un biodiesel performante e con un basso costo finale.

Entwicklung und Anwendung massenspektrometrischer Methoden zur Spurenanalytik iodhaltiger Verbindungen und aliphatischer Amine in der marinen Umwelt

In der marinen Grenzschicht beeinflussen reaktive Iodspezies wie z.B. I2 sowie aliphatische Amine eine Vielzahl atmosphärischer Prozesse, vor allem bei der Partikelneubildung spielen sie eine entscheidende Rolle. Allerdings stellt die Quantifizierung dieser Verbindungen im Spurenbereich immer noch eine große analytische Herausforderung dar. rnAus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit das GTRAP-AMS (Gaseous compound trapping in artificially generated particles – aerosol mass spectrometry) entwickelt, um gasförmiges I2 und aliphatische Amine zu bestimmen. Hierbei wird ein Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (ToF-AMS), das ursprünglich für die on-line Charakterisierung von Aerosolen entwickelt wurde, mit einer GTRAP-Einheit gekoppelt. Im Fall von I2 werden mit Hilfe eines pneumatischen Zerstäubers a-Cyclodextrin/NH4Br-Partikel erzeugt, die mit dem gasförmigen I2 innerhalb der GTRAP-Einheit eine Einschlussverbindung bilden und dieses dadurch selektiv in die Partikelphase aufnehmen. Für die on-line Bestimmung gasförmiger aliphatischer Amine dagegen wurde Phosphorsäure als partikulärer Reaktionspartner eingesetzt. Nach Optimierung des GTRAP-AMS Systems wurde sowohl für I2 als auch für die aliphatischen Amine eine Nachweisgrenze im sub-ppb-Bereich für eine Zeitauflösung zwischen 1 und 30 min erhalten. Als erstes wurde das GTRAP-AMS System zur Charakterisierung von Permanentdenudern eingesetzt, um deren I2-Aufnahmefähigkeit und Wiederverwendbarkeit im Vergleich zu den herkömmlichen einmal verwendbaren a-Cyclodextrin Denudern zu testen.rnIm Anschluss daran wurde das GTRAP-AMS für die Bestimmung zeitlich aufgelöster I2- Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon eingesetzt. Die Kenntnis der Emissionsraten iodhaltiger Verbindungen der wichtigsten weltweit vorkommenden Makroalgen ist für die Modellierung der Iodchemie in der marinen Grenzschicht von besonderer Bedeutung. Die Resultate zeigen, dass verschiedene Makroalgen sowohl unterschiedliche zeitlich aufgelöste I2-Emissionsprofile als auch Gesamtemissionsraten liefern. Im Vergleich zu den iodorganischen Verbindungen ist die Gesamtemissionsrate an I2 allerdings eine bis zwei Größenordnungen größer. Dies und die deutlich kürzere atmosphärische Lebensdauer von I2 im Vergleich zu den iodorganischen Verbindungen führen dazu, dass I2 die dominierende iodhaltige Verbindung für die Bildung reaktiver Iodatome in der marinen Grenzschicht ist. rnDa über dem tropischen Atlantischen Ozean bislang jedoch nur ein geringer Anteil der IO-Konzentration durch die Oxidation von iodorganischen Verbindungen erklärt werden kann, wurden weitere Quellen für I2 erforscht. Deshalb wurden Kammerexperimente mit Mikrolagen durchgeführt, um deren Einfluss auf die I2-Freisetzung in die Atmosphäre zu untersuchen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit von Mikroalgen (z.B. Coscinodiscus Wailesii) im Meerwasser zu einer erhöhten Freisetzung von I2 aus dem Meerwasser in die Atmosphäre führen kann. rnDes Weiteren wurden auch Versuche zu abiotischen Bildungswegen von I2 durchgeführt. Die Ergebnisse der Atmosphärensimulationsexperimente haben gezeigt, dass partikuläre Iodoxide durch organische Verbindungen zu I2 reduziert werden können, welches im Anschluss von der Partikelphase in die Gasphase übergehen kann und dort wieder für Gasphasenprozesse zur Verfügung steht.rn

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.

Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Bestimmung von halogenierten Kohlenwasserstoffen in Luft mittels anreichernder Probenahme,Thermodesorption und GC,MS mit negativer chemischer Ionisation

Flüchtige organische Halogenverbindungen übernehmen in der Chemie der Troposphäre eine Schlüsselrolle. Photolytisch gebildete Halogenatome reagieren mit troposphärischem Ozon und können durch Oxidation, vor allem von Iod, zur Neubildung von Partikeln beitragen. Auf diese Weise beeinflussen Halogenalkane den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Aus analytischem Blickwinkel ist es wichtig die Konzentration der einzelnen Spezies zu untersuchen um Rückschlüsse auf deren biotische oder abiotische Quellen ziehen und die Emissionswege besser verstehen zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine sensitive Methode zur Untersuchung von halogenierten Kohlenwasserstoffen entwickelt, basierend auf anreichernder Probenahme mit anschließender Thermodesorption und der Analyse mittels Massenspektrometrie mit negativer chemischer Ionisation. Die Kennwerte der Methode sind: Nachweisgrenzen zwischen 0.11 pg und 5.86 pg bzw. zwischen 1.0 ppqV und 44.7 ppqV, Linearität zwischen R2=0.993 und R2=1.000, Reproduzierbarkeit (Triplikate) RSD < 15 % und ein sicheres Probenahmevolumen von 10 L. Die Methode wurde im Anschluss im Rahmen von zwei Feldmessungen, in Mace Head, Irland und auf einer Schiffskampagne im antarktischen Amundsen-Meer, angewendet. Durch die Ergebnisse aus Irland kann gezeigt werden, dass die Mischungsverhältnisse der Iodalkane mit denen früherer Studien vergleichbar sind, und dass die verschiedenen untersuchten Algenarten deutlich unterschiedliche Emissionsraten zeigen. Die Ergebnisse der Kampagne im Amundsen-Meer zeigen einen großen Einfluss der Windrichtung auf die Halogenalkan-Konzentrationen. So sind die Mischungsverhältnisse der Halogenalkane deutlich höher, wenn der Wind zuvor über die antarktischen Eisflächen strömt. Für die biotischen Quellen wurden die Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon untersucht. Die Emissionsrate der Iodalkane zeigt einen exponentiellen Zusammenhang, sowohl zur I2-Emission als auch zum Gesamtiodgehalt der Algen. Unter oxidativen Bedingungen zeigt L. Digitata eine linear steigende Iodalkanemission. Mit diesem Verhalten wird die These der Bildung von Iodalkanen als Nebenprodukt beim Abbau reaktiver Sauerstoffspezies unterstützt. Neben den Makroalgen wurden auch Mikroalgen als biotische Quellen untersucht. Hierbei können zwei unterschiedliche Emissionsmuster der Halogenalkane für Diatomeen und Phaeocystis sp. gezeigt werden. Im Gegensatz zur Iodalkan-Emission hängt die I2 Emission der Mikroalgenproben von der Ozonkonzentration der Luft ab. Durch die lineare Korrelation der I2-Emission mit der Iodid-Konzentration der wässrigen Phase einerseits, und dem Ozonverbrauch andererseits, kann die Bildung von I2 durch Oxidation von Iodid durch Ozon bestätigt werden. Für das Emissionsverhalten der Mikroalgenprobe aus dem Sylter Wattenmeer, welche keine Korrelation mit dem verbrauchten Ozon zeigt, gibt es zwei Erklärungen: Zum einen kann I2 durch den hohen Gehalt an organischen Verbindungen an diesen adsorbiert bzw. chemisch gebunden werden und wird dann nicht mehr in die Gasphase emittiert. Zum anderen können aktive organische Verbindungen das Gleichgewicht zwischen HOI und I2 in Richtung HOI verlagern. Im Versuch zur abiotischen Bildung von Iodalkanen aus Partikeln, bestehend aus I2O5 und verschiedenen Alkoholen, kann gezeigt werden, dass die Bildung von Iodmethan und Diiodmethan abläuft, dass jedoch die Emission bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die von I2. Somit trägt die Bildung von Iodalkanen nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen zum Recycling des Iods in der Atmosphäre bei. Der vorgestellte abiotische Bildungsweg hängt sowohl vom pH-Wert als auch vom Mischungsverhältnis im Partikel ab.

Struttura filogenetica della comunità batterica associata ad Ostreopsis cf. Ovata in colture batch e dinamiche di crescita

Negli ultimi 10 anni i blooms attribuibili alla dinoflagellata bentonica Ostreopsis cf. ovata sono aumentati in termini di frequenza ed intensità lungo le coste del Mediterraneo, avendo ripercussioni negative sulla salute umana e forti impatti sulle comunità marine bentoniche, ciò a seguito della produzione di potenti tossine (composti palitossina-simili) da parte della microalga. Tra i fattori ecologici che innescano o regolano le dinamiche dei bloom tossici le interazioni tra microalghe e batteri sono in misura sempre maggiore oggetto di ricerca. In questo studio è stata analizzata la struttura filogenetica della comunità batterica associata ad O. cf. ovata in colture batch e valutate le dinamiche successionali della stessa in relazione alle differenti fasi di crescita della microalga (oltre che in relazione alle dinamiche di abbondanza virale). Lo studio filogenetico è stato effettuato tramite l’ausilio di metodiche molecolari di sequenziamento di next generation (Ion Torrent). Le abbondanze dei batteri e delle particelle virali sono state determinate tramite microscopia ad epifluorescenza; l’abbondanza cellulare algale è stata stimata tramite metodo Uthermohl. Il contributo della frazione batterica ad elevata attività respiratoria è stato determinato tramite doppia colorazione con coloranti DAPI e CTC. Dai dati emersi si evince che la comunità batterica attraversa due fasi di crescita distinte, una più marcata e concomitante con la fase esponenziale di O. cf. ovata, l'altra quando la microalga è in fase media stazionaria. Per quanto concerne la composizione filogenetica della comunità sono stati rilevati 12 phyla, 17 classi e 150 generi, sebbene i dati ottenuti abbiano rilevato una forte dominanza del phylum Proteobacteria con la classe Alphaproteobacteria, seguita dal phylum Bacteroidetes con la classe Sphingobacteria. Variazioni nella struttura filogenetica della comunità batterica, a livello di generi, tra le diverse fasi di crescita della microalga ha permesso di evidenziare ed ipotizzare particolari interazioni di tipo mutualistico e di tipo competitivo.

Biogas and bio-hydrogen: production and uses. A review

The first part of this essay aims at investigating the already available and promising technologies for the biogas and bio-hydrogen production from anaerobic digestion of different organic substrates. One strives to show all the peculiarities of this complicate process, such as continuity, number of stages, moisture, biomass preservation and rate of feeding. The main outcome of this part is the awareness of the huge amount of reactor configurations, each of which suitable for a few types of substrate and circumstance. Among the most remarkable results, one may consider first of all the wet continuous stirred tank reactors (CSTR), right to face the high waste production rate in urbanised and industrialised areas. Then, there is the up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), aimed at the biomass preservation in case of highly heterogeneous feedstock, which can also be treated in a wise co-digestion scheme. On the other hand, smaller and scattered rural realities can be served by either wet low-rate digesters for homogeneous agricultural by-products (e.g. fixed-dome) or the cheap dry batch reactors for lignocellulose waste and energy crops (e.g. hybrid batch-UASB). The biological and technical aspects raised during the first chapters are later supported with bibliographic research on the important and multifarious large-scale applications the products of the anaerobic digestion may have. After the upgrading techniques, particular care was devoted to their importance as biofuels, highlighting a further and more flexible solution consisting in the reforming to syngas. Then, one shows the electricity generation and the associated heat conversion, stressing on the high potential of fuel cells (FC) as electricity converters. Last but not least, both the use as vehicle fuel and the injection into the gas pipes are considered as promising applications. The consideration of the still important issues of the bio-hydrogen management (e.g. storage and delivery) may lead to the conclusion that it would be far more challenging to implement than bio-methane, which can potentially “inherit” the assets of the similar fossil natural gas. Thanks to the gathered knowledge, one devotes a chapter to the energetic and financial study of a hybrid power system supplied by biogas and made of different pieces of equipment (natural gas thermocatalitic unit, molten carbonate fuel cell and combined-cycle gas turbine structure). A parallel analysis on a bio-methane-fed CCGT system is carried out in order to compare the two solutions. Both studies show that the apparent inconvenience of the hybrid system actually emphasises the importance of extending the computations to a broader reality, i.e. the upstream processes for the biofuel production and the environmental/social drawbacks due to fossil-derived emissions. Thanks to this “boundary widening”, one can realise the hidden benefits of the hybrid over the CCGT system.

Studio dell'interazione di etanolo con catalizzatori TiO2-CeOx.

Due to the limited availability of natural oil and the harmful effects of its usage, the industry has focused in searching for sustainable types of raw materials for the production of chemicals. The bioethanol, obtained by fermentation of biomass, has gained particular importance in recent years both as a biofuel, and as a “building block” molecule because it can be considered as a starting reagent to obtain other added value chemical compounds, such as ethylene, acetaldehyde, butadiene and ethyl acetate. The goal of this research was the study of the interaction of ethanol with catalysts based on TiO2-CeOX. Since the electronic properties have implications on the catalytic activity, the idea was to understand if the TiO2-CeOX systems have different reactivity from that of ceria and rutile alone, or an intermediate between them. The study was focused on the characterization of the adsorbed species on the catalysts surface after ethanol adsorption through an in-situ spectroscopic technique (DRIFTS) that allowed us to extract information that could be helpful for the understanding of the processes at the molecular level. The mass spectrometry was used to monitor on-line the desorbed products. Furthermore, reactivity tests in a flow reactor were performed, in order to verify the catalytic behavior of the samples in conditions which are more similar to those applied at an industrial scale. The samples showed to behave in different way depending on the conditions used and the thermal treatment. The particular behavior of the mixed samples with respect to the single oxides is interpreted for each case according to the spectroscopic information collected.

TILLING for Mutations in Model Plants and Crops

A growing world population, changing climate and limiting fossil fuels will provide new pressures on human production of food, medicine, fuels and feed stock in the twenty-first century. Enhanced crop production promises to ameliorate these pressures. Crops can be bred for increased yields of calories, starch, nutrients, natural medicinal compounds, and other important products. Enhanced resistance to biotic and abiotic stresses can be introduced, toxins removed, and industrial qualities such as fibre strength and biofuel per mass can be increased. Induced and natural mutations provide a powerful method for the generation of heritable enhanced traits. While mainly exploited in forward, phenotype driven, approaches, the rapid accumulation of plant genomic sequence information and hypotheses regarding gene function allows the use of mutations in reverse genetic approaches to identify lesions in specific target genes. Such gene-driven approaches promise to speed up the process of creating novel phenotypes, and can enable the generation of phenotypes unobtainable by traditional forward methods. TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genome) is a high-throughput and low cost reverse genetic method for the discovery of induced mutations. The method has been modified for the identification of natural nucleotide polymorphisms, a process called Ecotilling. The methods are general and have been applied to many species, including a variety of different crops. In this chapter the current status of the TILLING and Ecotilling methods and provide an overview of progress in applying these methods to different plant species, with a focus on work related to food production for developing nations.