Practical applications of quantum molecular similarity measures (QMSM): programs and examples

Es descriu l'aproximació de Capes Atòmiques dins de la teoria de la Semblança Molecular Quàntica. Partint només de dades teòriques, s'ha trobat una relació entre estructura molecular i activitat biològica per a diversos conjunts de molècules. Es descriuen els aspectes teòrics de la Semblança Molecular Quàntica i alguns exemples d'aplicació

Estudi Qsar d'una família de Quinolones utilitzant índex de semblança i índex topològics de semblança i índexs topològics de semblanç

En aquest treball es presenta un exemple d'aplicació de la semblança molecular quàntica en l'àmbit de la determinació de relacions entre l'estructura i les propietats o activitats biològiques de molècules. La família estudiada està formada per un conjunt de divuit quinolones de les quals es coneixen dues propietats relacionades amb l'activitat biològica: la concentració mínima inhibitòria de la reproducció en E. Coli i I'escissió de l'ADN per la girasa, també en E. Coli. L'estudi s'ha realitzat emprant dues metodologies diferents, fonamentades ambdues en el desenvolupament de la semblança molecular quàntica. Aquestes dues metodologies es basen, respectivament, en el càlcul i l'aplicació dels índexs de semblança i dels índexs topològics de semblança

Espeleotemas de ópalo y pseudocarst granítico

The amorphous silica (opal-A) speleothems associated to the open structural system of granitic rocks where the slow circulation of runoff is produced are mainly the result of the biological degradation of the rock. These speleothems are found in many different geographic, climatic and geological environments though always associated to granitoids. They show two different morphologies: cylindrical or long bodies and laminar or layered forms. They are internally formed by a mass of clasts and spheres of opal-Awith a porous texture that evolves to compact and massive due to the reiteration of the re-dissolution/re-precipitation of the amorphous opal by the water that circulates through it after each rainfall period. A final characteristic of each growth stage (end of rainy period) is the development of whiskers of minerals, normally gypsum, on the water output points of the speleothems. The dimensions of the speleothems are millimetric (length and/or thickness). In this paper their morphology and mineralogy are described based on their study by SEM, XRD and XRF, and there is established a new and more complete genetic hypothesis than the one that exists up to now to understand their formation

Projecte de cultiu ecològic de planta aromàtica i medicinal i avantprojecte d'assecador a la finca de Mas Teulera, al municipi de Lladó, l'Alt Empordà

El projecte estudia la producció ecològica de planta aromàtica i medicinal com a alternativa a la producció de cereals en una de les parcel·les de Mas Teulera, situada al terme municipal de Lladó, a l’Alt Empordà, per millorar la rendibilitat econòmica de la finca. Es proposa la rotació de cultius de planta aromàtica i medicinal més adequada tenint en compte la seva adaptació en el medi, la sortida comercial més interessant i la compatibilitat del seu procés productiu amb les característiques tècniques de l’explotació. Es realitza a més, un avantprojecte sobre la transformació de la collita per a conèixer les característiques del procés d’assecat de les plantes necessari per obtenir un producte de qualitat i amb el format adequat per a la seva comercialització

Biological nutrient removal in SBR technology: from floccular to granular sludge

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Development of a decision support system for the integrated control of membrane bioreactors

The work presented in this PhD thesis includes various partial studies aimed at developing a decision support system for membrane bioreactor integrated control. The decision support systems (DSS) have as a main goal to facilitate the operation of complex processes due to the multiple variables that are processed. For this reason, the research used has focused on aspects related to nutrient removal, and on the development of indicators or sensors capable of facilitating, automating and controlling the filtration process in an integrated way with the biological processes that taking place. Work has also been done on the design, development, implementation and validation of tools based on the knowledge made available by the automatic control and the supervision of the MBRs

Treatment of mature urban landfill leachates by anammox process

This thesis results from the collaborative projects between the LEQUIA-UdG group and Cespa (a company in charge of several landfill sites in Spain). The aim of the work was the development of a suitable alternative treatment for nitrogen removal from mature landfill leachates. The thesis presents the application of the anammox (anaerobic ammonium oxidation process) process to treat ammonium rich leachates as the second step of the PANAMMOX® process. The work deals with preliminary studies about the characteristics of the anammox process in a SBR, with special focus on the response of the biomass to nitrite exposure. The application of the anammox process with leachate was first studied in a lab-scale reactor, to test the effect of the leachate matrix on anammox biomass and its progressive adaptation. Finally, a start-up strategy is developed and applied for the successful start-up of a 400L anammox SBR in less than 6 months.

Optimització del procés productiu d'engreixament porcí. Un enfocament operatiu

Aquest treball de tesis doctoral tracta de la Optimització de la fase d'engreix. L'objectiu és determinar les condicions d'enviament a sacrifici d'un lot d'animals des d'un punt de vista operatiu. En primer lloc es fa una anàlisi de la cadena de producció de carn porcina, resaltant-ne els canvis del sector que han influit en la fase d'engreixament. La conclusió d'aquesta anàlisi és el plantejament d'un model per prendre decisions degut al canvi de paradigma que s'evidencia: els productors de porcs en la fase d'engreix cal que orientin la gestió del paràmetres operatius i els productes finals a les exigències i gustos dels seus clients. Seguidament, es presenta el sistema d'ajut a la decisió basat en un model biològic que explica l'evolució de les variables productives (pes i consum de pinso). A més també prediu les variables associades a característiques de la canal, com són el percentatge de magre, la proporció de peces, el rendiment i el greix intramuscular. El sistema té en compte tres mercats de carn porcina alternatius: 1) basat en pes viu, 2) basat en mèrits de la canal (percentatge de magre) y 3) basat en el valor de les peces nobles resultants de l'especejament de l'animal. L'objetiu del sistema és determinar la millor estratègia d'enviament per a cadascun dels genotips que s'han estudiat (alternatives de producció) depenent del mercat on seran enviats els animals. A més, també ha estat estudiat l'efecte de la variabilitat biològica dels animals dins del lot sobre els valors econòmics. També s'ha considerat l'opció d'enviar els animals en diverses etapes per tal d'homogeneitzar el pes dels animals enviats. Aquest problema ha estat estudiat seguint l'enfocament de programació dinàmica. En els darrers capítols es presenten quatre aplicacions del model que s'han desenvolupat al llarg del treball. En un futur els mercats de carn porcina tindran la tendència a ser més definits, per tant la producció en la fase d'engreixament porcí hauria d'integrar i tenir en compte les demandes i les exigències del consumidor.

Diversity, dynamics and activity of mesophilic Archaea in stratified feshwater lakes. Implications in biogeochemical cycles

Aquesta tesi doctoral va estudiar la diversitat (riquesa i abundància), la distribució i la dinàmica de les comunitats planctòniques d'Archaea presents a diferents llacs estratificats temperats d'aigua dolça per aportar evidencies sobre la seva distribució i la seva possible activitat en aquests ecosistemes en relació als cicles biogeoquímics presents en els mateixos. Es varen estudiar dos estanyols d'origen càrstic (l'Estanyol del Vilar durant cinc anys consecutius (2001-2005) i l'Estanyol de Can Coromina) i un llac d'origen volcànic (Llac Kivu) analitzant, per una banda, la seva comunitat planctònica d'Archaea mitjançant una aproximació molecular i, per una altra, la seva possible activitat en aquests ambients (p.e., la nitrificació i la fixació de carboni). Per contextualitzar els resultats, es va realitzar un anàlisi in silico dels patrons de distribució global dels Archaea mesòfils mitjançant un anàlisi a nivell de llinatge combinant seqüències del gen 16S rRNA amb diferents eines estadístiques i d'ecologia general.

Efectes de la invasió de la formiga argentina, Linepithema humile (Mayr), sobre el procés de dispersió de llavors de plantes mediterrànies

La formiga invasora Linepithema humile (Mayr), també coneguda com la formiga argentina, és una espècie present a la península Ibèrica. En aquesta tesi s'ha estudiat com afecta la presència d'aquesta espècie plaga a la comunitat de formigues autòctones y al procés de dispersió de llavors de plantes mediterrànies. L'estudi es va dur a terme en una àrea de sureda i brolla d'estepes i bruc boal situada al nord-est peninsular, prop de la línia de costa mediterrània. Un dels primers y més notables efectes de la invasió a les nostres àrees d'estudi és la dramàtica alteració de la comunitat de formigues, en forma de una reducció de la riquesa específica i de la homogeneïtat d'abundàncies. A més, a les zones envaïdes no hi queda cap espècie de formiga autòctona dispersant de llavors. A causa de la gran abundància d'obreres de la formiga argentina a les zones envaïdes, i del seu elevat ritme d'activitat, aquesta espècie efectua un intens rastreig del sòl, la qual cosa li permet localitzar els recursos en un temps menor que les formigues autòctones de les zones no envaïdes. No obstant, la obertura mandibular de la comunitat de formigues esdevé molt disminuïda a les zones envaïdes a causa de la desaparició de les espècies autòctones, la majoria d'elles de mida més grossa que la formiga argentina, la qual cosa podria limitar la capacitat de manipulació de l'entorn que té la comunitat de formigues a les zones envaïdes, i podria explicar la falta de reemplaçament d'alguns dels rols que duien a terme les espècies de formigues autòctones abans de la invasió. La formiga argentina es mostra atreta per les llavors de les nou espècies vegetals estudiades (dues euforbiàcies: Euphorbia biumbellata i E. characias; dues compostes: Cirsium vulgare i Galactites tomentosa; i cinc papilionàcies: Genista linifolia, G. monspessulana, G. triflora, Sarothamnus arboreus i Ulex parviflorus), arribant a transportar i fins i tot introduir al niu algunes llavors, però amb probabilitats inferiors a les realitzades per les formigues autòctones de les zones no envaïdes. No obstant, el seu comportament davant les nou espècies de llavors és variable, de manera que sembla que el seu efecte sobre la dispersió de llavors podria ser diferent per a cada espècie vegetal. L'alteració del procés de dispersió no sembla alterar l'èxit reproductiu d'una espècie concreta, Euphorbia characias, a les zones envaïdes; ni el seu reclutament, ni la distribució espacial, ni la supervivència de les plàntules són significativament diferents a les zones envaïdes que a les no envaïdes. La desaparició de les espècies de formigues granívores de les zones envaïdes pot afectar la dinàmica de les llavors de plantes no mirmecòcores. Així, les llavors de tres papilionàcies (Calicotome spinosa, Psoralea bituminosa i Spartium junceum) resulten amb un menor nivell de transports (i probablement menor depredació) a les zones envaïdes per la formiga argentina.

Estudi d'aspectes biològics de la formiga argentina (Linepithema humile, Mayr) encarat al control de la plaga en ecosistemes naturals

La present tesi intenta obtenir noves dades referents a la biologia i ecologia de la formiga argentina que poden arribar a ser cabdals per al disseny o millora de noves metodologies de control de l'expansió de la plaga en ecosistemes naturals. Així doncs, l'estudi de l'activitat de cerca d'aliment i del seu espectre dietari en ecosistemes naturals, juntament amb el de les fluctuacions estacionals de la densitat de reines en nius naturals, obre les portes a la millora de mètodes de control de la plaga mitjançant esquers tòxics d'efecte retardat i a l'aplicació de noves metodologies de control sense l'ús d'agents químics basats en l'eliminació massiva de reines. La tesi també aporta noves dades sobre la fisiologia reproductiva de l'espècie en relació a la temperatura, la qual cosa permet la integració de l'aspecte fisiològic en models de predicció del rang potencial d'establiment de la plaga en ecosistemes naturals, aspecte fins ara pràcticament oblidat en aquest tipus de models predictius.

Applications of hydrodynamic and water quality models to the Sau and Boadella Reservoirs

Applicaciò d'un model de hydrodinàmica i de qualitat de l'aigua als embassaments de Sau i Boadella

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

Pèptids biarílics a partir de 4-iodofenilalanina o 3-iodotirosina per borilació i reacció de Suzuki-Miyaura en fase sòlida. Avaluació de l'activitat antimicrobiana

En aquesta tesi doctoral es va estudiar la preparació de pèptids biarílics en fase sòlida. En primer lloc, es varen borilar residus de fenilalanina o tirosina presents a la seqüència peptídica a través d’una reacció de Miyaura. A continuació, es varen arilar els boronats resultants a través d’una reacció de Suzuki-Miyaura sota irradiació de microones, utilitzant diversos halurs d’aril i haloaminoàcids. La metodologia trobada es va estendre a la preparació de pèptids biarílics cíclics. Aquesta aproximació presenta l’avantatge d’evitar la síntesi en dissolució i la purificació del boronoaminoàcid. A més, permet la preparació d’una àmplia diversitat de pèptids biarílics a partir d’un únic boronopèptid. L’avaluació de l’activitat biològica dels pèptids sintetitzats va permetre idenficar seqüències actives enfront dels bacteris Erwinia amylovora, Xanthomonas vesicatoria, i Pseudomonas syringae, que són responsables de malalties greus en plantes d’interès econòmic com pereres i pomeres, i que varen resultar ser molt poc tòxics enfront cèl•lules eucariotes.