Evaluation of bone strength: microtomographic tecniques

This thesis is a part of a larger study about the characterization of mechanical and histomorphometrical properties of bone. The main objects of this study were the bone tissue properties and its resistance to mechanical loads. Moreover, the knowledge about the equipment selected to carry out the analyses, the micro-computed tomography (micro-CT), was improved. Particular attention was given to the reliability over time of the measuring instrument. In order to understand the main characteristics of bone mechanical properties a study of the skeletal, the bones of which it is composed and biological principles that drive their formation and remodelling, was necessary. This study has led to the definition of two macro-classes describing the main components responsible for the resistance to fracture of bone: quantity and quality of bone. The study of bone quantity is the current clinical standard measure for so-called bone densitometry, and research studies have amply demonstrated that the amount of tissue is correlated with its mechanical properties of elasticity and fracture. However, the models presented in the literature, including information on the mere quantity of tissue, have often been limited in describing the mechanical behaviour. Recent investigations have underlined that also the bone-structure and the tissue-mineralization play an important role in the mechanical characterization of bone tissue. For this reason in this thesis the class defined as bone quality was mainly studied, splitting it into two sub-classes of bone structure and tissue quality. A study on bone structure was designed to identify which structural parameters, among the several presented in the literature, could be integrated with the information about quantity, in order to better describe the mechanical properties of bone. In this way, it was also possible to analyse the iteration between structure and function. It has been known for long that bone tissue is capable of remodeling and changing its internal structure according to loads, but the dynamics of these changes are still being analysed. This part of the study was aimed to identify the parameters that could quantify the structural changes of bone tissue during the development of a given disease: osteoarthritis. A study on tissue quality would have to be divided into different classes, which would require a scale of analysis not suitable for the micro-CT. For this reason the study was focused only on the mineralization of the tissue, highlighting the difference between bone density and tissue density, working in a context where there is still an ongoing scientific debate.

Controllo molecolare del differenziamento osteoblestico per applicazioni nel campo della rigenerazione del tessuto osseo

The aim of the study was to identify expression signatures unique for specific stages of osteoblast differentiation in order to improve our knowledge of the molecular mechanisms underlying bone repair and regeneration. We performed a microarray analysis on the whole transcriptome of human mesenchymal stem cells (hMSCs) obtained from the femoral canal of patients undergoing hip replacement. By defining different time-points within the differentiation and mineralization phases of hMSCs, temporal gene expression changes were visualised. Importantly, the gene expression of adherent bone marrow mononuclear cells, being the undifferentiated progenitors of bone cells, was used as reference. In addition, only the cultures able to form mineral nodules at the final time-point were considered for the gene expression analyses. To obtain the genes of our interest, we only focused on genes: i) whose expression was significantly upregulated; ii) which are involved in pathways or biological processes relevant to proliferation, differentiation and functions of bone cells; iii) which changed considerably during the different steps of differentiation and/or mineralization. Among the 213 genes identified as differentially expressed by microarray analysis, we selected 65 molecular markers related to specific steps of osteogenic differentiation. These markers are grouped into various gene clusters according to their involvement in processes which play a key role in bone cell biology such as angiogenesis, ossification, cell communication, development and in pathways like TGF beta and Wnt signaling pathways. Taken together, these results allow us to monitor hMSC cultures and to distinguish between different stages of differentiation and mineralization. The signatures represent a useful tool to analyse a broad spectrum of functions of hMSCs cultured on scaffolds, especially when the constructs are conceived for releasing growth factors or other signals to promote bone regeneration. Morover, this work will enhance our understanding of bone development and will enable us to recognize molecular defects that compromise normal bone function as occurs in pathological conditions.

Emerging contaminants in agricultural ecosystems: impact of selected pharmaceutical on water and soil ecology and pratical implications

Pharmaceuticals are useful tools to prevent and treat human and animal diseases. Following administration, a significant fraction of pharmaceuticals is excreted unaltered into faeces and urine and may enter the aquatic ecosystem and agricultural soil through irrigation with recycled water, constituting a significant source of emerging contaminants into the environment. Understanding major factors influencing their environmental fate is consequently needed to value the risk, reduce contamination, and set up bioremediation technologies. The antiviral drug Tamiflu (oseltamivir carboxylate, OC) has received recent attention due to the potential use as a first line defence against H5N1 and H1N1 influenza viruses. Research has shown that OC is not removed during conventional wastewater treatments, thus having the potential to enter surface water bodies. A series of laboratory experiments investigated the fate and the removal of OC in surface water systems in Italy and Japan and in a municipal wastewater treatment plant. A preliminary laboratory study investigated the persistence of the active antiviral drug in water samples from an irrigation canal in northern Italy (Canale Emiliano Romagnolo). After an initial rapid decrease, OC concentration slowly decreased during the remaining incubation period. Approximately 65% of the initial OC amount remained in water at the end of the 36-day incubation period. A negligible amount of OC was lost both from sterilized water and from sterilized water/sediment samples, suggesting a significant role of microbial degradation. Stimulating microbial processes by the addition of sediments resulted in reduced OC persistence. Presence of OC (1.5 μg mL-1) did not significantly affect the metabolic potential of the water microbial population, that was estimated by glyphosate and metolachlor mineralization. In contrast, OC caused an initial transient decrease in the size of the indigenous microbial population of water samples. A second laboratory study focused on basic processes governing the environmental fate of OC in surface water from two contrasting aquatic ecosystems of northern Italy, the River Po and the Venice Lagoon. Results of this study confirmed the potential of OC to persist in surface water. However, the addition of 5% of sediments resulted in rapid OC degradation. The estimated half-life of OC in water/sediment of the River Po was 15 days. After three weeks of incubation at 20 °C, more than 8% of 14C-OC evolved as 14CO2 from water/sediment samples of the River Po and Venice Lagoon. OC was moderately retained onto coarse sediments from the two sites. In water/sediment samples of the River Po and Venice Lagoon treated with 14C-OC, more than 30% of the 14C-residues remained water-extractable after three weeks of incubation. The low affinity of OC to sediments suggests that the presence of sediments would not reduce its bioavailability to microbial degradation. Another series of laboratory experiments investigated the fate and the removal of OC in two surface water ecosystems of Japan and in the municipal wastewater treatment plant of the city of Bologna, in Northern Italy. The persistence of OC in surface water ranged from non-detectable degradation to a half-life of 53 days. After 40 days, less than 3% of radiolabeled OC evolved as 14CO2. The presence of sediments (5%) led to a significant increase of OC degradation and of mineralization rates. A more intense mineralization was observed in samples of the wastewater treatment plant when applying a long incubation period (40 days). More precisely, 76% and 37% of the initial radioactivity applied as 14C-OC was recovered as 14CO2 from samples of the biological tank and effluent water, respectively. Two bacterial strains growing on OC as sole carbon source were isolated and used for its removal from synthetic medium and environmental samples, including surface water and wastewater. Inoculation of water and wastewater samples with the two OC-degrading strains showed that mineralization of OC was significantly higher in both inoculated water and wastewater, than in uninoculated controls. Denaturing gradient gel electrophoresis and quantitative PCR analysis showed that OC would not affect the microbial population of surface water and wastewater. The capacity of the ligninolytic fungus Phanerochaete chrysosporium to degrade a wide variety of environmentally persistent xenobiotics has been largely reported in literature. In a series of laboratory experiments, the efficiency of a formulation using P. chrysosporium was evaluated for the removal of selected pharmaceuticals from wastewater samples. Addition of the fungus to samples of the wastewater treatment plant of Bologna significantly increased (P < 0.05) the removal of OC and three antibiotics, erythromycin, sulfamethoxazole, and ciprofloxacin. Similar effects were also observed in effluent water. OC was the most persistent of the four pharmaceuticals. After 30 days of incubation, approximately two times more OC was removed in bioremediated samples than in controls. The highest removal efficiency of the formulation was observed with the antibiotic ciprofloxacin. The studies included environmental aspects of soil contamination with two emerging veterinary contaminants, such as doramectin and oxibendazole, wich are common parasitic treatments in cattle farms.

Kontrollierte Fällung von amorphem Calciumcarbonat durch homogene Carbonatfreisetzung

In der Vergangenheit haben Untersuchung an biologischen und Modell-Systemen gezeigt, dass amorphes Calciumcarbonat als instabiles Zwischenprodukt bei der Bildung kristalliner Strukturen aus CaCO3 auftritt. Über dessen Rolle im Fällungsprozess von CaCO3 ist nicht viel bekannt und es wird davon ausgegangen, dass es als CaCO3-Speicher für die nachfolgenden kristallinen Produkte dient. Der genaue Reaktionsablauf, der zur Bildung von amorphem Calciumcarbonat (ACC) führt, ist nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Fällungstechnik, die die Beobachtung der Bildungskinetik von ACC durch Lichtstreuung ermöglicht. In Fällungsexperimenten wird gezeigt, dass die Fällung unter nicht-turbulenten Bedingungen zur Bildung von amorphem Calciumcarbonat führt. Hinsichtlich der Basen- und Alkylcarbonatmenge, die äquivalent oder im Überschuss zur Calciumionenkonzentration eingesetzt wird, entstehen zwei verschiedene Fällungsprodukte. In Bezug auf ihre chemische Zusammensetzung, thermische und mechanische Eigenschaften werden diese charakterisiert. In beiden Fällen wird ein amorphes CaCO3 mit einem Wassergehalt von 0,5 mol/L pro Mol CaCO3 erhalten. Die in situ Generierung von Carbonat führt zur Bildung von sphärischem amorphem Calciumcarbonat, das eine gewisse Tendenz zur Koazervation zeigt. Die bei gleichem Reaktionsumsatz beobachtete Temperaturabhängigkeit des Partikelradius konnten wir unter Annahme einer Mischungslücke mit unterer kritischer Mischungstemperatur interpretieren. Für die Bildung von amorphem Calciumcarbonat schlagen wir daher einen Mechanismus via binodaler flüssig-flüssig Entmischung vor. Nach einer kurzen Keimbildungsperiode können flüssige Tröpfchen aus wasserhaltigem CaCO3 wachsen und dann infolge von stetigem Wasserverlust glasartig erstarren und so amorphes Calciumcarbonat bilden. Bekräftigt wird dieses Modell durch die Wachstumskinetik, die mittels Lichtstreuung und SAXS verfolgt worden ist. In den Fällungsversuchen sind je nach Reaktionsbedingungen, zwei verschiedene Zeitgesetze des Teilchenwachstums erkennbar: Bei schneller Freisetzung von Carbonat liegt ein parabolischer Verlauf des Radienwachstums vor; hingegen führt eine langsame Freisetzung von Carbonat zu einem linearen Wachstum der Radien. Diese Abhängigkeiten lassen sich im Rahmen der bekannten Kinetik einer flüssig-flüssig Entmischung deuten. Ferner wird der Einfluss von doppelthydrophilen Blockcopolymeren (PEO-PMAA) auf die Teilchengröße und die Kinetik der Bildung von amorphem Calciumcarbonat untersucht. Zum Einsatz kommen zwei verschiedene Blockcopolymere, die sich in der Länge des PEO-Blocks unterscheiden. Im Fällungsexperiment führt das in sehr kleinen Konzentrationen vorliegende Blockcopolymere zur Stabilisierung von kleineren Partikeln. Das Blockcopolymer mit der längeren PEO-Einheit weist eine größere Effizienz auf. Die Ergebnisse lassen sich durch Annahme von Adsorption des Polymers an der Oberfläche interpretieren. Der Einfluss der doppelthydrophilen Blockcopolymere auf die Bildung von ACC deutet darauf, dass amorphes Calciumcarbonat eine komplexere Rolle als lediglich die eines Calciumcarbonatspeichers für das spätere Wachstum kristalliner Produkte einnimmt. Für die Wirkung von Polymerzusätzen muss somit nicht nur die Wechselwirkung mit den gegen Ende gebildeten Kristalle betrachtet werden, sondern auch der Einfluss, den das Polymer auf die Bildung des amorphen Calciumcarbonats hat. Die hier neu entwickelte Methode bietet die Möglichkeit, auch für komplexere Polymere, wie z.B. extrahierte Proteine, den Einfluss auf die Bildung der amorphen Vorstufe zu untersuchen.

Conditional and transgenic mouse models as tools to study the role of TGFbeta, BMP signaling in skeletal development

Die TGFbeta/BMP Signaltransduktionskaskade ist wichtig für viele Entwicklungsprozesse fast aller embryonaler sowie extraembryonaler Gewebe und sie ist ebenso essentiell bei der Aufrechterhaltung der Homöostase im adulten Organismus. In vielen Mausmodellen und Zellkulturversuchen wurde gezeigt, dass Liganden dieses Signalweges in verschiedene Stadien der Knorpel- und Knochenentwicklung involviert sind. BMPs sind beispielsweise maßgeblich an der frühen Kondensation und Bildung des Knorpels und später an Proliferation und Hypertrophie der Chondrozyten beteiligt. BMPs können ektopisch Knochenbildung auslösen und das Expressionsmuster der Liganden und spezifischen Rezeptoren in der Wachstumsfuge lässt auf eine wichtige Rolle der BMPs in der Wachstumsfuge schließen. Der gezielte knock out der BMP-Rezeptoren Bmpr1a und Bmpr1b in proliferierenden Chondrozyten führt zur Ausbildung einer generellen Chondrodysplasie. Smad1, Smad5 und Smad8 sind die Mediatoren der BMP-Signalkaskade. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Rolle und Funktion der Smad1- und Smad5-Proteine in der Wachstumsfuge untersucht werden. Hierzu wurden konditionale Smad1-knock out-Mäuse mit einer transgenen Mauslinie gekreuzt, die die Cre-Rekombinase spezifisch in proliferierenden Chondrozyten exprimiert. Diese Mäuse wurden mit und ohne heterozygotem Smad5-Hintergrund charakterisiert. Bei einem knock out von Smad1 allein konnte ein leichte Verkürzung der Wachstumsfuge beobachtet werden, wobei prähypertrophe und hypertrophe Zone gleichermaßen betroffen waren. Dieser Phänotyp war verstärkt in Mäusen mit zusätzlichem heterozygotem Smad5-Hintergrund. Eine Verringerung der Proliferationsrate konnte zusammen mit einer verminderten Ihh-Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte anhand von Röntgenaufnahmen eine Dysorganisation der nasalen Region und ein fehlendes nasales Septum beobachtet werden. Produktion und Mineralisation der extrazellulären Matrix waren nicht beeinträchtigt. Um die Rolle der BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden während der endochondralen Ossifikation zu vergleichen, wurden transgene Mäuse generiert, in denen die TGFbeta-Signalkaskade spezifisch in proliferierenden Chondrozyten gestört war. Zwei Mauslinien, die ähnliche Phänotypen zeigten, wurden untersucht. Esl1 ist ein TGFbeta-bindendes Protein, von dem man annimmt, dass es die TGFbeta-Signalkaskade inhibieren kann. Esl1-knock out-Mäuse sind kleiner als Wildtypmäuse und die Überexpression von Esl1 in proliferierenden Chondrozyten führt zu einer Verlängerung der Wachstumsfuge und einer verstärkten Proliferationsrate. Knorpelmarker, wie Col2a1 und Sox9 sind in diesen Mäusen herunterreguliert, während Col10a1 und Ihh als Marker für die hypertrophe und prähypertrophe Zone herunterreguliert waren. Dies führt zu der Annahme, dass mehr Zellen in die terminale Differenzierung eintreten. Bei transgenen Mäusen, in denen ein dominant-negativer (dn) TGFbeta-Rezeptor in proliferierenden Chondrozyten überexprimiert wurde, konnte eine verlängerte prähypertrophe Zone, eine erhöhte Ihh-Expression, sowie eine verstärkte Proliferationsrate beobachtet werden. Zusätzlich konnte in homozygoten Tieren ein craniofacialer Phänotyp beschrieben werden, der zu Problemen bei der Nahrungsaufnahme und damit zu einer starken Wachstumsbeeinträchtigung führte. Die BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden haben möglicherweise antagonistische Effekte in der Wachstumsfuge. Während der Ausfall von BMP in proliferierenden Chondrozyten aufgrund einer gesunkenen Proliferationsrate zu einer Verkürzung der Wachstumsfuge führte, kann man in Mäusen mit einer Störung der TGFbeta-Signalkaskade eine verstärkte Proliferation in einer daher verlängerten Wachstumsfuge beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Generation einer transgenen Mauslinie, die die Cre-Rekombinase spezifisch in hypertrophen Chondrozyten exprimiert. Promoterstudien mit transgenen Mäusen weisen darauf hin, dass ein putatives AP1-Element, etwa 4 kb vor dem ersten Exon des Col10a1 gelegen, wichtig für die spezifische Expression in hypertrophen Chondrozyten ist. Ein Konstrukt, dass vier Kopien dieses Elements und den basalen Promoter enthält, wurde benutzt, um die Cre-Rekombinase spezifisch zu exprimieren. Diese Mauslinie befindet sich in der Testphase und erste Daten deuten auf eine spezifische Expression der Cre-Rekombinase in hypertrophen Chondrozyten hin.

Die Rolle des Fibronektins im Knochen und in der diabetischen Nephropathie

Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle des Fibronektins im Knochen sowie in der diabetischen Nephropathie. Fibronektin im Knochen: Es war bekannt, dass Osteoblasten für ihre Differenzierung in vitro Fibronektin benötigen, dass Fibronektin für die Ausbildung einer Kollagenmatrix erforderlich ist und für die Matrixintegrität eine kontinuierliche Fibronektin-Versorgung gewährleistet sein muss. Um die Rolle des Fibronektins im Knochen, dessen Matrix zu 90% aus Kollagen besteht, näher zu untersuchen, wurde das Fibronektin der Osteoblasten spezifisch über das Cre/loxP-System in Mäusen ausgeschaltet. Dies führte zu einer erhöhten Anzahl an Osteoblasten, deren Fähigkeit die Matrix zu mineralisieren jedoch beeinträchtigt war. Dennoch zeigte sich kein Einfluss auf die Eigenschaften der Knochenmatrix. Insbesondere war der Fibronektingehalt nicht vermindert, entgegen der allgemeinen Annahme, dass die Osteoblasten die Produzenten des Fibronektins der Knochenmatrix seien. Im Gegensatz dazu stellte sich durch Untersuchungen an anderen genetisch veränderten Mäusen heraus, dass eine Ausschaltung des Plasmafibronektins im Blut zu einer deutlichen Verringerung des Fibronektingehalts des Knochens sowie zu einer Verminderung des Mineralgehalts bezogen auf die Proteinmenge führte. Auch die Komposition des Minerals war verändert. Da es jedoch keinen nennenswerten Effekt auf die Knochenzellen gab, lässt sich schlussfolgern, dass die Osteoblasten-spezifische Fibronektin-Isoform für eine regelgerechte Funktion der Osteoblasten notwendig ist, während das von der Leber produzierte Plasmafibronektin die Zusammensetzung der Knochenmatrix beeinflusst. Fibronektin in der diabetischen Niere: Mit der diabetischen Nephropathie geht eine Ausdehnung des Mesangiums in den Glomeruli einher, die mit dem Ausmaß des Nierenschadens korreliert ist. Fibronektin ist ein Bestandteil dieses expandierten Mesangiums. Vorarbeiten hatten gezeigt, dass injiziertes Fibronektin durch die Blutzirkulation in die Niere gelangt und in der Mesangialmatrix der Glomeruli eingelagert wird. Daher wurden in konditionellen Knockout-Mäusen das Plasmafibronektin bzw. das Fibronektin der Mesangialzellen und das Plasmafibronektin zugleich ausgeschaltet. In diesen Mäusen wurde ein Diabetes mellitus induziert und die Tiere für 22 Wochen mit Diabetes gehalten. Die Ausschaltung des Fibronektins hatte eine geringere Ausbreitung der Mesangialmatrix sowie eine geringere Mortalität der Tiere zur Folge. Interessanterweise schien das Plasmafibronektin alleine bereits grob ein Drittel der Ausdehnung des Mesangiums zu verursachen. Die kombinierte Ausschaltung von zirkulierendem und lokalem Fibronektin vermochte die Expansion der Mesangialmatrix sogar beinahe zu halbieren. Zusammengefasst zeigten sich neue Rollen eines traditionellen Proteins der Extrazellulärmatrix in physiologischen und pathologischen Zuständen. Einige dieser Aspekte demonstrieren die große Bedeutung der Fibronektin-Produktion durch die Leber.

Petrogenetic evolution of Uralian-Alaskan-type mafic-ultramafic complexes in the southern and middle Urals, Russia

The PhD thesis at hand consists of three parts and describes the petrogenetic evolution of Uralian-Alaskan-type mafic ultramafic complexes in the Ural Mountains, Russia. Uralian-Alaskan-type mafic-ultramafic complexes are recognized as a distinct class of intrusions. Characteristic petrologic features are the concentric zonation of a central dunite body grading outward into wehrlite, clinopyroxenite and gabbro, the absence of orthopyroxene and frequently occurring platinum group element (PGE) mineralization. In addition, the presence of ferric iron-rich spinel discriminates Uralian-Alaskan-type complexes from most other mafic ultramafic rock assemblages. The studied Uralian-Alaskan-type complexes (Nizhnii Tagil, Kytlym and Svetley Bor) belong to the southern part of a 900 km long, N–S-trending chain of similar intrusions between the Main Uralian Fault to the west and the Serov-Mauk Fault to the east. The first chapter of this thesis studies the evolution of the ultramafic rocks tracing the compositional variations of rock forming and accessory minerals. The comparison of the chemical composition of olivine, clinopyroxene and chromian spinel from the Urals with data from other localities indicates that they are unique intrusions having a characteristic spinel and clinopyroxene chemistry. Laser ablation-ICPMS (LA-ICPMS ) analyses of trace element concentrations in clinopyroxene are used to calculate the composition of their parental melt which is characterized by enriched LREE (0.5-5.2 prim. mantle) and other highly incompatible elements (U, Th, Ba, Rb) relative to the HREE (0.25-2.0 prim. mantle). A subduction-related geotectonic setting is indicated by a positive anomaly for Sr and negative anomalies for Ti, Zr and Hf. The mineral compositions monitor the evolution of the parental magmas and decipher differences between the studied complexes. In addition, the observed variation in LREE/HREE (for example La/Lu = 2-24) can be best explained with the model of an episodically replenished and erupted open magma chamber system with the extensive fractionation of olivine, spinel and clinopyroxene. The data also show that ankaramites in a subduction-related geotectonic setting could represent parental magmas of Uralian-Alaskan-type complexes. The second chapter of the thesis discusses the chemical variation of major and trace elements in rock-forming minerals of the mafic rocks. Electron microprobe and LA-ICPMS analyses are used to quantitatively describe the petrogenetic relationship between the different gabbroic lithologies and their genetic link to the ultramafic rocks. The composition of clinopyroxene identifies the presence of melts with different trace element abundances on the scale of a thin section and suggests the presence of open system crustal magma chambers. Even on a regional scale the large variation of trace element concentrations and ratios in clinopyroxene (e.g. La/Lu = 3-55) is best explained by the interaction of at least two fundamentally different magma types at various stages of fractionation. This requires the existence of a complex magma chamber system fed with multiple pulses of magmas from at least two different coeval sources in a subduction-related environment. One source produces silica saturated Island arc tholeiitic melts. The second source produces silica undersaturated, ultra-calcic, alkaline melts. Taken these data collectively, the mixing of the two different parental magmas is the dominant petrogenetic process explaining the observed chemical variations. The results further imply that this is an intrinsic feature of Uralian-Alaskan-type complexes and probably of many similar mafic-ultramafic complexes world-wide. In the third chapter of this thesis the major element composition of homogeneous and exsolved spinel is used as a petrogenetic indicator. Homogeneous chromian spinel in dunites and wehrlites monitors the fractionation during the early stages of the magma chamber and the onset of clinopyroxene fractionation as well as the reaction of spinel with interstitial liquid. Exsolved spinel is present in mafic and ultramafic rocks from all three studied complexes. Its composition lies along a solvus curve which defines an equilibrium temperature of 600°C, given that spinel coexists with olivine. This temperature is considered to be close to the temperature of the host rocks into which the studied Uralian-Alaskan-type complexes intruded. The similarity of the exsolution temperatures in the different complexes over a distance of several hundred kilometres implies a regional tectonic event that terminated the exsolution process. This event is potentially associated with the final exhumation of the Uralian-Alaskan-type complexes along the Main Uralian Fault and the Serov-Mauk Fault in the Uralian fold belt.

Soil application of Meliaceae derivatives: effect on carbon and nitrogen dynamics in the soil-plant system

The effect of soil incorporation of 7 Meliaceae derivatives (6 commercial neem cakes and leaves of Melia azedarach L.) on C and N dynamics and on nutrient availability to micropropagated GF677 rootstock was investigated. In a first laboratory incubation experiment the derivatives showed different N mineralization dynamics, generally well predicted by their C:N ratio and only partly by their initial N concentration. All derivatives increased microbial biomass C, thus representing a source of C for the soil microbial population. Soil addition of all neem cakes (8 g kg-1) and melia leaves (16 g kg-1) had a positive effect on plant growth and increased root N uptake and leaf green colour of micropropagated plants of GF677. In addition, the neem cakes characterized by higher nutrient concentration increased P and K concentration in shoot and leaves 68 days after the amendment. In another experiment, soil incorporation of 15N labeled melia leaves (16 g kg-1) had no effect on the total amount of plant N, however the percentage of melia derived-N of treated plants ranged between 0.8% and 34% during the experiment. At the end of the growing season, about 7% of N added as melia leaves was recovered in plant, while 70% of it was still present in soil. Real C mineralization and the priming effect induced by the addition of the derivatives were quantified by a natural 13C abundance method. The real C mineralization of the derivatives ranged between 22% and 40% of added-C. All the derivatives studied induced a positive priming effect and, 144 days after the amendment, the amount of C primed corresponded to 26% of added-C, for all the derivatives. Despite this substantial priming effect, the C balance of the soil, 144 days after the amendment, always resulted positive.

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.

Structural and biochemical studies of Sporosarcina pasteurii UreE: a nickel-chaperone involved in the urease activation process

Urease is a nickel-dependent enzyme that catalyzes hydrolysis of urea in the last step of organic nitrogen mineralization. Its active site contains a dinuclear center for Ni(II) ions that must be inserted into the apo-enzyme through the action of four accessory proteins (UreD, UreE, UreF, UreG) leading to activation of urease. UreE, acting as a metallo-chaperone, delivers Ni(II) to the preformed complex of apo-urease-UreDFG and has the capability to enhance the GTPase activity of UreG. This study, focused on characterization of UreE from Sporosarcina pasteurii (SpUreE), represents a piece of information on the structure/mobility-function relationships that control nickel binding by SpUreE and its interaction with SpUreG. A calorimetric analysis revealed the occurrence of a binding event between these proteins with positive cooperativity and a stoichiometry consistent with the formation of the (UreE)2-(UreG)2 hetero-oligomer complex. Chemical Shift Perturbations induced by the protein-protein interaction were analyzed using high-resolution NMR spectroscopy, which allowed to characterize the molecular details of the protein surface of SpUreE involved in the complex formation with SpUreG. Moreover, backbone dynamic properties of SpUreE, determined using 15N relaxation analysis, revealed a general mobility in the nanoseconds time-scale, with the fastest motions observed at the C-termini. The latter analysis made it possible for the first time to characterize of the C-terminal portions, known to contain key residues for metal ion binding, that were not observed in the crystal structure of UreE because of disorder. The residues belonging to this portion of SpUreE feature large CSPs upon addition of SpUreG, showing that their chemical environment is directly affected by protein-protein interaction. Metal ion selectivity and affinity of SpUreE for cognate Ni(II) and non cognate Zn(II) metal ions were determined, and the ability of the protein to select Ni(II) over Zn(II), in consistency with the proposed role in Ni(II) cations transport, was established.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Maßgeschneiderte polymerisierbare Tenside zur simultanen Stabilisierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln in der Miniemulsionspolymerisation

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene funktionale, polymerisierbare Tenside (Surfmere) synthetisiert, um unmittelbar und exklusiv die Partikeloberfläche in der Miniemulsionspolymerisation mit der gewünschten Funktion für weitere Anwendungen auszurüsten. Hierdurch ist es möglich, auf konventionelle Tenside, welche bedingt durch ihre Mobilität in einigen Anwendungen zu Schwierigkeiten führen, gänzlich zu verzichten. Zusätzlich bietet der Einsatz von Surfmeren eine höhere Kontrolle über die Lokalisation und Verteilung der Funktionalitäten auf der Partikeloberfläche, im Vergleich zum Einsatz von klassischen Comonomeren. rnThematische Schwerpunkte der Arbeit lagen in der Ausrüstung von Partikeloberflächen mit Haftgruppen (Phosphonsäuren) oder Fluoreszenzmarkern sowie der Aufbringung von Initiatorgruppen über Surfmere zur Synthese von Kern-Schale-Partikeln in einem zweistufigen Prozess. Bei allen neu synthetisierten Surfmeren wurde als polymerisierbare Einheit eine Methacrylamidgruppe gewählt, um Funktionalitätenverlust durch Hydrolyse auszuschließen.rnIm Bereich der Haftgruppen wurde gezeigt, dass der Einsatz von phosphonathaltigen Surfmeren die Kontrolle der Partikelgröße und Funktionalisierungsdichte in weiten Bereichen ermöglicht und langzeitstabile Dispersionen erhalten werden. Die Partikel wurden auf ihre Cytotoxizität und ihre biomimetische Mineralisierbarkeit hin untersucht.rnZum Nachweis der Copolymerisation des Surfmers mit dem Hauptmonomer wurde ein Phosphonsäure-Surfmer mit einem Farbstoff auf Naphthalimidbasis synthetisiert. Dies ermöglichte den Nachweis der Copolymerisation mittels Gelpermeationschromatographie.rnZur Fluoreszenzmarkierung von Partikeloberfläche wurden erstmals Surfmere realisiert, die in der Kopfgruppe eine BODIPY-Einheit, welche in 2 oder 2,6-Position sulfoniert wurde, als Fluorophor tragen. Der Polymerisationsbeweis wurde durch HPLC-Messungen geführt und die Lokalisation auf der Partikeloberfläche durch Quenchungsexperimente verifiziert. rnDes Weiteren wurde ein kationisches Surfmer synthetisiert, welches nahe der Kopfgruppe eine Bromo iso-buttersäureeinheit zur AGET-ATRP-Initiierung trägt und somit potentiell zum Aufbau von Kern-Schale-Morphologien befähigt ist.

Microbial ecology of biotechnological processes

The investigation of phylogenetic diversity and functionality of complex microbial communities in relation to changes in the environmental conditions represents a major challenge of microbial ecology research. Nowadays, particular attention is paid to microbial communities occurring at environmental sites contaminated by recalcitrant and toxic organic compounds. Extended research has evidenced that such communities evolve some metabolic abilities leading to the partial degradation or complete mineralization of the contaminants. Determination of such biodegradation potential can be the starting point for the development of cost effective biotechnological processes for the bioremediation of contaminated matrices. This work showed how metagenomics-based microbial ecology investigations supported the choice or the development of three different bioremediation strategies. First, PCR-DGGE and PCR-cloning approaches served the molecular characterization of microbial communities enriched through sequential development stages of an aerobic cometabolic process for the treatment of groundwater contaminated by chlorinated aliphatic hydrocarbons inside an immobilized-biomass packed bed bioreactor (PBR). In this case the analyses revealed homogeneous growth and structure of immobilized communities throughout the PBR and the occurrence of dominant microbial phylotypes of the genera Rhodococcus, Comamonas and Acidovorax, which probably drive the biodegradation process. The same molecular approaches were employed to characterize sludge microbial communities selected and enriched during the treatment of municipal wastewater coupled with the production of polyhydroxyalkanoates (PHA). Known PHA-accumulating microorganisms identified were affiliated with the genera Zooglea, Acidovorax and Hydrogenophaga. Finally, the molecular investigation concerned communities of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) contaminated soil subjected to rhizoremediation with willow roots or fertilization-based treatments. The metabolic ability to biodegrade naphthalene, as a representative model for PAH, was assessed by means of stable isotope probing in combination with high-throughput sequencing analysis. The phylogenetic diversity of microbial populations able to derive carbon from naphthalene was evaluated as a function of the type of treatment.

Aerobic biodegradation of chlorinated solvents and plastics in batch and continuous-flow bioreactors: process development, and identification of suitable chemical pre-Treatments

The purpose of the first part of the research activity was to develop an aerobic cometabolic process in packed bed reactors (PBR) to treat real groundwater contaminated by trichloroethylene (TCE) and 1,1,2,2-tetrachloroethane (TeCA). In an initial screening conducted in batch bioreactors, different groundwater samples from 5 wells of the contaminated site were fed with 5 growth substrates. The work led to the selection of butane as the best growth substrate, and to the development and characterization from the site’s indigenous biomass of a suspended-cell consortium capable to degrade TCE with a 90 % mineralization of the organic chlorine. A kinetic study conducted in batch and continuous flow PBRs and led to the identification of the best carrier. A kinetic study of butane and TCE biodegradation indicated that the attached-cell consortium is characterized by a lower TCE specific degredation rates and by a lower level of mutual butane-TCE inhibition. A 31 L bioreactor was designed and set up for upscaling the experiment. The second part of the research focused on the biodegradation of 4 polymers, with and with-out chemical pre-treatments: linear low density polyethylene (LLDPE), polyethylene (PP), polystyrene (PS) and polyvinyl chloride (PVC). Initially, the 4 polymers were subjected to different chemical pre-treatments: ozonation and UV/ozonation, in gaseous and aqueous phase. It was found that, for LLDPE and PP, the coupling UV and ozone in gas phase is the most effective way to oxidize the polymers and to generate carbonyl groups on the polymer surface. In further tests, the effect of chemical pretreatment on polyner biodegrability was studied. Gas-phase ozonated and virgin polymers were incubated aerobically with: (a) a pure strain, (b) a mixed culture of bacteria; and (c) a fungal culture, together with saccharose as a co-substrate.

Nonclassical crystallization of bivalent metal carbonates

Nichtklassische Kristallisationen tragen heutzutage einen entscheidenden Anteil zum Verständnis von Biomineralisationsprozessen und anspruchsvoller Morphogenese in vitro bei. Die vorliegende Dissertation stellt drei neue Vertreter nichtklassischer Kristallisationen vor, die während der Fällung von Calciumcarbonat und verwandten zweiwertigen Carbonaten auftreten.rn(a) Zum ersten Male wird eine Symmetrie-brechende Phasenselektion von Calciumcarbonat beschrieben, die auf einem subtilen Wechselspiel von verketteten Gleichgewichten basiert und deren Ursache letztendlich der paritätsverletzenden Energiedifferenz (PVED) zugeschrieben wird. rn(b) Die interkristalline Minoritätskomponente eines Mesokristalles, seien es z.B. eingeschlossenes Proteine oder polymere Additive, erfahren eine Morphogenese im Sinne einer Formpressung. Dieser bislang wenig beachtete Effekt in Mesokristallen wurde zur Herstellung von Nanoröhren eingesetzt, die aus verschiedensten Materialien bestehen können (z.B. Calciumcarbonat oder Cadmiumsulfid).rn(c) Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf dem Auftreten eines flüssig-amorphen Intermediates während der Metallcarbonat-Präzipitation. Durch diffusionskontrollierte und kontaktfreie Versuchsführung konnte die Existenz eines solchen nichtklassischen, flüssigen Intermediates, welches der kristallinen Phase bei neutralen pH vorangeht, sicher nachgewiesen werden. rn