Littérature scientifique sur le sujet « Diossina »

The aim of the work is to evaluate the damage to human health arising from emissions of in-operation internal combustion engines fed by biogas. The need of including also unregulated emissions like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), aldehydes and dioxins and furans is twofold: (i) to cover the lack in biogas engine emissions measurements and (ii) to complete the picture on biogas harmfulness to human health by identifying the substances with the highest impact. To this purpose, an experimental campaign is conducted on six biogas engines and one fed by natural gas all characterised by an electric power of 999 kWel. Collected data are used to perform an impact analysis on human health combining the Health Impact Assessment and the Risk Assessment. Measurements show that PAHs, aldehydes and diossin and furans are almost always below the detection limit, in both biogas and natural gas exhausts. The carcinogenic risk analysis of PAHs for the two fuels established their substantial equivalence. The analysis of equivalent toxicity of dioxins and furans reveals that biogas is, on average, 10 times more toxic than natural gas. Among regulated emissions, NOx in the biogas engines exhausts are three times higher than those of natural gas. They are the main contributors to human health damage, with approximately 90% of the total. SOx ranks second and accounts for about 6% of the total damage. Therefore, (i) the contribution to human health damage of unregulated emissions is limited compared to the damage from unregulated emissions, (ii) the damage per unit of electricity of biogas engines exhausts is about three times higher than that of natural gas and it is directly linked to NOx, (iii) obtaining a good estimation of the human health damage from both biogas and natural gas engines emissions is enough of a reason to consider NOx and SOx.

La tossicologia in senso ampio è lo studio degli effetti collaterali di farmaci o altri composti sui sistemi viventi. Le domande che questa disciplina si pone includono quali composti sono tossici, come e perché manifestano tossicità, e come questa tossicità possa essere predetta, trattata e prevenuta. Alcuni effetti di tossicità sono mediati da recettori, ossia il tossico lega un recettore che scatena una risposta cellulare. Le modificazioni, indotte dal ligando, delle proprietà chimico-fisiche o conformazionali del recettore possono innescare processi trascrizionali o cascate di trasduzione del segnale. La tossicologia computazionale mira a usare regole, modelli e algoritmi basati su dati con scopi specifici, per consentire il discernimento tra molecole tossiche e non tossiche. I metodi di modellistica molecolare sono al cuore della tossicologia meccanicistica, ossia che permette di comprendere il meccanismo attraverso il quale un composto espleta la sua tossicità. Possiamo dire che il primo passo del meccanismo di detossificazione è l’individuazione del tossico da parte dei recettori, questi recettori sono: Aryl hydrocarbon Receptor (AhR) e Pregnane X Receptor (PXR). Entrambi agiscono come fattori trascrizionali attivati da ligandi. Il dominio funzionale responsabile per il riconoscimento dei ligandi è il Ligand Binding Domain (LBD). I recettori degli xenobiotici sono molto promiscui, perché devono legare una vasta gamma di composti per poter eliminare quelli tossici, essi possono essere molto diversi. La promiscuità è ottenuta spesso aumentando la flessibilità e la plasticità della proteina. Nel caso di AhR, abbiamo modellato il LBD tramite homology modeling e incluso la flessibilità sia durante la fase di docking, sia durante il post-docking, grazie ad una breve simulazione di dinamica molecolare. Abbiamo identificato tre gruppi di ligandi, ciascuno che occupa un sito diverso all’interno della cavità di legame. Le differenze osservate nelle interazioni ligando-proteina potrebbero portare ad avere effetti diversi a valle del pathway di AhR, aiutando quindi a spiegare come mai alcuni composti sono tossici e altri no. Nel caso di PXR abbiamo incluso esplicitamente la flessibilità usando metodi basati su dinamica molecolare non ha mostrato alcun bias iniziale e ci ha permesso di identificare il path di ingresso alla cavità di legame e di razionalizzare le diverse geometria di binding di SR12813. I recettori promiscui spesso presentano anche una notevole specie-specificità; la modellazione di queste strutture ha chiarito i determinanti molecolari della diversità nelle risposte osservate in ciascuna specie. Abbiamo proposto il primo modello per AhR LBD dell’invertebrato C. elegans e dell’anfibio G. multiplicata. Il primo ha una cavità interna peculiare, che probabilmente non può legare i ligandi classici degli AhR vertebrati. Il secondo ha aiutato a capire che la bassa sensibilità degli anfibi alla diossina si è evoluta prima della divergenza dalla linea evolutiva comune. Infine, la comparazione diretta tra AhR di ratto/topo e umano ha sottolineato le differenze e le similitudini nel binding sia di agonisti, sia di modulatori selettivi. L’obiettivo di predire computazionalmente l’attiva di un ligando data la sequenza e/o la struttura di una proteina è chiaramente una grande sfida, ma possiamo concludere che la modellistica molecolare, unitamente a tecniche sperimentali, è estremamente utile per dare indizi meccanicistici riguardo eventi biologici e tossicologici. La delucidazione di questi eventi aumenterà di molto la possibilità di applicare metodi in silico nella valutazione del rischio ecologica e umana. Inoltre, la comprensione del meccanismo d’azione può contribuire a migliorare la stima dei fattori di scala interspecie tra animali modello (sia in vitro, sia in vivo) e uomo, aumentando l’affidabilità delle predizioni basate su questi dati.
Toxicology in the broadest sense is the study of the adverse effects of drugs or chemicals on living systems. The questions posed by this discipline include what compounds are toxic, how and why toxicity is manifested, and how might toxicity be predicted, treated, or prevented. Some of the toxicity effects are receptor-mediated, i.e. the toxic chemical binds to a receptor that initiates a cellular response. Ligand-induced modifications of the physicochemical properties or conformational changes of the receptor can trigger transcription processes or signal-transduction cascades. Computational toxicology aims to use rules, models and algorithms based on prior data for specific endpoints, to enable the prediction of whether a molecule is or is not toxic. Computational molecular modeling methods are at the core of mechanistic toxicology, allowing to understand the mechanisms through which a given chemical induces an adverse outcome pathway. We can say that the first step of the detoxification mechanism is the xenobiotic detection by the receptors, which include: Aryl hydrocarbon Receptor (AhR) and Pregnane X Receptor (PXR). Both receptors act as transcription factor activated by ligands. The functional domain responsible for ligand recognition is the Ligand Binding Domain (LBD). Xenobiotic receptors are highly promiscuous, because they have to bind a large variety of chemicals in order to eliminate toxic compounds, which can be very diverse. Promiscuity is often achieved increasing protein flexibility and plasticity. In case of AhR, we modeled the LBD by homology modeling and managed to include flexibility during both the docking step, and the post-docking step, by a short MD simulation. This new protocol allowed the identification of three groups of ligands, each binding in a specific site inside the cavity. The differences observed in the ligand-protein interactions could result in differential effects downstream in the AhR signaling pathway, thus these findings could help to explain the toxicity of some agonists. In case of PXR, given that many experimental structures are available, we firstly included flexibility using the ensemble docking approach with different X-ray structures. Results confirmed that often these structures are biased toward the native co-crystallized ligand geometry. In contrast, the explicit inclusion of flexibility using MD-based methods exhibited no initial bias and lead us to identify the entrance path of ligands to the PXR binding cavity and to rationalize the multiple SR12813 binding modes. Promiscuous receptors often display species-specificity; the modeling of these protein structures shed light on the molecular determinants of the observed different responses among different species. We built the first homology models of the invertebrate C. elegans and the amphibian G. multiplicata AhR LBDs. The first one showed a peculiar internal cavity, that is probably unable to bind any of the classical AhR ligands. The second helped in elucidating that the low-sensitivity of amphibians to TCDD arose before their divergence from the common lineage. Finally, the direct comparison between mouse/rat and human AhR LBDs highlighted the differences and similarities in binding to the different receptors of both agonists and selective modulators. The goal of computationally predict the potential activity of a ligand given a protein sequence or structure is clearly a big challenge, but we can conclude that molecular modeling, coupled with experimental techniques, is extremely useful to give mechanistic insights about biological and toxicological events. The elucidation of these events will greatly improve the possible application of in silico methods in ecological and human risk assessment. Moreover the understanding of the mechanism of action could contribute to a better estimation of interspecies scaling factor between animal models and human, increasing the reliability of prediction based on these data.

Nell'elaborato di tesi viene descritto il funzionamento di un impianto di quadri-generazione con la peculiarità del recupero di diossido di carbonio dai fumi di combustione utilizzato poi per l'imbottigliamento e la realizzazione di soft drink. Sono state valutate fonti alternative al gas naturale e una tecnica alternativa al recupero mediante solventi chimici.

The main objective of my thesis was the technical-economic feasibility of a system of electricity generation integrated with CCS. The policy framework for development processing is part of the recent attention that at the political level has been directed towards the use of CCS technologies with the aim of addressing the problems of actual climate change. Several technological options have been proposed to stabilize and reduce the atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO2) among which, the most promising for IPPC (Intergovernmental Panel on Climate Change)are the CCS technologies (Carbon Capture and Storage & Carbon Capture and Sequestration). The remedy proposed for large stationary CO2 sources as thermoelectric power plants is to separate the flue gas capturing CO2 and to store it into deep subsurface geological formations (more than 800 meters of depth). In order to support the identification of potential CO2 storage reservoirs in Italy and in Europe by Geo Capacity(an European database) new studies are developing. From the various literature data analyzed shows that most of the CO2 emitted from large stationary sources comes from the processes of electricity generation (78% of total emissions) and from (about 60%) those using coal especially. The CCS have the objective of return "to the sender" , the ground, the carbon in oxidized form (CO2) after it has been burned by man starting from its reduced form (CH4, oil and coal), then the carbon dioxide is not a "pollutant" if injected into the subsurface, CO2 is an acid reagent that interacts with the rock, with underground fluid and the characteristics of the host rock. The results showed that the CCS technology are very urgent, because unfortunately there are too many industrial sources of CO2 in assets (power plants, refineries, cement plants, steel mills) in the world who are carrying too quickly the CO2 atmospheric concentration levels to values that aren't acceptable for our dear planet.

L'obiettivo del seguente elaborato è stato quello di analizzare il rischio di contaminanti chimici nella filiera di uova e ovoprodotti. In particolare, è stata analizzata la contaminazione da diossine e PCB evidenziando le diverse fonti di contaminazione e i loro effetti tossici sull'organismo. Sono stati inoltre descritti i principali metodi analitici impiegati per la loro quantificazione, sia da uova intere che da tuorlo d'uovo e grasso di origine animale. La valutazione dei dati disponibili a livello internazionale e nazionale confermano che le vie di contaminazione principali nella filiera delle uova e ovoprodotti sono rappresentate da suolo, erba e lombrichi contaminati mentre il consumo di mangime contaminato risulta meno rilevante. Queste evidenze rendono indispensabile la necessità di implementare il controllo degli inquinanti ambientali nel piano nazionale del controllo dei residui, al fine di consentirne un'efficace riduzione per poter garantire una maggiore sicurezza alimentare per il consumatore.

La nanotecnologia è una scienza innovativa che sviluppa e utilizza materiali di dimensioni nanometriche (< 100 nm). Lo sviluppo e il mercato delle nanoparticelle in merito alle loro interessanti proprietà chimico‐fisiche, é accompagnato da una scarsa conoscenza relativa al destino finale e agli effetti che questi nano materiali provocano nell’ ambiente [Handy et al., 2008]. La metodologia LCA (Life Cycle Assessment – Valutazione del Ciclo di Vita) è riconosciuta come lo strumento ideale per valutare e gestire gli impatti ambientali indotti dalle ENPs, nonostante non sia ancora possibile definire, in maniera precisa, un Fattore di Caratterizzazione CF per questa categoria di sostanze. Il lavoro di questa tesi ha l’obbiettivo di stimare il Fattore di Effetto EF per nanoparticelle di Diossido di Titanio (n‐TiO2) e quindi contribuire al calcolo del CF; seguendo il modello di caratterizzazione USEtox, l’EF viene calcolato sulla base dei valori di EC50 o LC50 relativi agli organismi appartenenti ai tre livelli trofici di un ecosistema acquatico (alghe, crostacei, pesci) e assume valore pari a 49,11 PAF m3/Kg. I valori tossicologici utilizzati per il calcolo del Fattore di Effetto derivano sia da un’accurata ricerca bibliografica sia dai risultati ottenuti dai saggi d’inibizione condotti con n‐TiO2 sulla specie algale Pseudokirchneriella Subcapitata. La lettura dei saggi è stata svolta applicando tre differenti metodi quali la conta cellulare al microscopio ottico (media geometrica EC50: 2,09 mg/L, (I.C.95% 1,45‐ 2,99)), l’assorbanza allo spettrofotometro (strumento non adatto alla lettura di test condotti con ENPs) e l’intensità di fluorescenza allo spettrofluorimetro (media geometrica EC50: 3,67 mg/L (I.C.95% 2,16‐6,24)), in modo tale da confrontare i risultati e valutare quale sia lo strumento più consono allo studio di saggi condotti con n‐TiO2. Nonostante la grande variabilità dei valori tossicologici e la scarsa conoscenza sui meccanismi di tossicità delle ENPs sulle specie algali, il lavoro sperimentale e la ricerca bibliografica condotta, hanno permesso di individuare alcune proprietà chimico‐fisiche delle nanoparticelle di Diossido di Titanio che sembrano essere rilevanti per la loro tossicità come la fase cristallina, le dimensioni e la foto attivazione [Vevers et al., 2008; Reeves et al., 2007]. Il lavoro sperimentale ha inoltre permesso di ampliare l’insieme di valori di EC50 finora disponibile in letteratura e di affiancare un progetto di ricerca dottorale utilizzando il Fattore di Effetto per n‐ TiO2 nel calcolo del Fattore di Caratterizzazione.

Del granulato di ossido di stronzio (anche nella formula carbonato) è stato testato come nuovo possibile materiale di utilizzo per la cattura ad alta temperatura di diossido di carbonio da effluenti gassosi di scarto. Sono stati condotti diversi esperimenti con strumentazioni già preposte, quali test termogravimetrici, microscopia elettronica (SEM) e Xray (XRD). Mentre per la sperimentazione in quantità più rilevanti di materiale è stato costruito un impianto a letto fisso ex novo. Le prove TG hanno evidenziato una capacità media di sorbente parti a circa il 5% in massa di ossido, a temperature tra i 1100°C e i 1200°C, in situazione di regime (dopo numerosi cicli di carb/calc), con una buona conservazione nel tempo delle proprietà adsorbitive, mentre per le prove a letto fisso, si è registrato un calo di valori variabile tra il 3 e il 4%, con un netto miglioramento nel caso di calcinazione in vapore surriscaldato fino al 5%. Il trattamento in vapore ha sortito l’importante effetto di calcinazione del diossido di carbonio dal sorbente, quindi facilmente separabile dal flusso in uscita, misurato tramite cattura in una soluzione di idrossido di bario. Importanti fenomeni di sintering e densificazione hanno portato ad occludere completamente la camera di reazione sviluppando notevoli sovrappressioni interne. Tali fenomeni sono stati approfonditi tramite analisi SEM e XRD. Si è constatato un aumento notevole della grandezza dei granuli in caso di trattamento in vapore con la formazione di legami stabili e con conservazione della porosità. Nel caso di trattamento senza vapore surriscaldato i granuli hanno sinterizzato tramite formazione di legami, ma sempre con conservazione della macroporosità. Il lavoro di tesi è stato inquadrato nel contesto tecnologico al riguardo le tecniche CCS esistenti ed in progetto, con un attento studio bibliografico riguardo lo stato dell’arte, impianti esistenti, costi, metodi di cattura usati, metodologie di trasporto dei gas, metodologie di stoccaggio esistenti e in progetto. Si sono considerati alcuni aspetti economici per sviluppare un modello previsionale di spesa per una possibile applicazione di cattura per un impianto di produzione energetica. Con la progettazione e dimensionamento di un sistema integrato di adsorbimento tramite l’accoppiamento di 2 reattori dedicati ai cicli di carbonatazione e calcinazione del materiale sorbente. Infine si sono considerati gli aspetti salienti dello stoccaggio del diossido di carbonio in reservoir tramite le tecniche di EOR e EGR (Enhanced Oil/Gas Recovery) utilizzando la stessa CO2 come fluido spiazzante degli idrocarburi in posto. Concludendo il lavoro di tesi e di sperimentazione ha contribuito in modo tangibile allo scopo prefissato, andando a caratterizzare un nuovo materiale per la cattura di diossido di carbonio da effluenti gassosi ad alta temperatura, ed andando a verificare un’importante fenomeno rigenerativo non previsto delle capacità sorbitive dei materiali sottoposti a test.

In the marine coastal environment, the organisms are subjected to continuous pressures of different origin. Among these, there are changes in environmental parameters, such as temperature, pH, dissolved oxygen, salinity, and the discharge of pollutants that are potentially harmful to biocoenoses. In fact, in the last century, the increasing impact of these environmental variations has been mainly related to anthropogenic activities. Although these changes are often perceived to be distant (e.g., those regarding climate change) or minimal (e.g., presence of pollutants), their impacts on the marine environment are already evident and likely to worsen with time. Even today, there are many emerging anthropogenic contaminants that are released into the environment daily. But the information about their behavior in different matrices (air, water, sediment), as well as their interactions and effects in natural populations, is very scarce. A wide group of emerging contaminants is represented by nanoparticles (NPs). NPs are used extensively in a variety of emerging technologies and commercial products, including biomedicine, pharmaceuticals and personal care products, renewable energies, and electronic devices. Consequently, NPs can enter into environment. In particular, NPs may enter marine ecosystems either directly through aerial deposition, effluents, dumping and run‐off or indirectly, e.g. via river systems. Currently, no data are available regarding NPs occurrence in the marine environment, as a consequence of the difficulty to detect and quantify NPs in complex matrices. Due to lacking analytical tools to evaluate effective NP concentrations in aquatic environments, only predicted environmental concentrations (PECs) are available in literature. Three of the widely used NPs in common products are: zinc oxide (nZnO), titanium dioxide (nTiO2) and C60 fullerene (FC60). The toxicity of nZnO, nTiO2 and FC60 NPs has been reported for different taxa of bacteria, algae, plants, and aquatic and terrestrial invertebrates and vertebrates. Nevertheless, studies concerning the potential toxicity of these NPs to marine species are still lacking. The marine clam Ruditapes philippinarum, previously used in a number of ecotoxicological studies, has been chosen as model organism in this PhD research, taking into account that bivalves are considered one of the most suitable target group to investigate NP toxicity. However, information concerning the effects of NPs to this species are lacking. Due to its filter-feeding and infaunal habits, Manila clams may be more susceptible to the effects of NPs, given that in seawater NPs tend to aggregate, adsorb to particulate matter, settle to the bottom and accumulate in sediments. The aim of the PhD thesis was to enlarge and elucidate the possible mechanisms of action and toxicity of these three NPs to the clam R. philippinarum. To reach these purposes, medium-term (7 days) exposures to three NPs (nZnO, nTiO2, FC60) were carried out. Many cellular and biochemical biomarkers in haemolymph, gills and digestive gland of clams have been measured in the perspective of a multi-biomarker approach. In this study, we chose to test low concentrations (1 and 10 μg/L) of NPs that were in the range of PEC values. Moreover, in the two metal oxide experiments the related contaminants were considered: i) ZnCl2 (10 μg/L) was used to investigate possible contributions of Zn2+ release to nZnO toxicity, and ii) bulk TiO2 (bTiO2, 10 μg/L) was used to understand the potential differing action of metal oxide compared with the respective NP. Wild organisms are generally exposed to mixtures of different chemicals, therefore the combined effects of a mixture of all three NPs have also been investigated. To assess mixture effects, clams were exposed for 7 days to i) 1 μg/L nZnO ii) 1 μg/L nTiO2 iii) 1 μg/L FC60 fullerene and iv) all three NPs as a mixture. Further, in this experiment the redox proteomic approach was adopted in combination with the multi-biomarker approach. In addition, combined effects of NP mixture and changing environmental parameters were addressed to obtain information about possible variations in clam susceptibility to NPs under a global change scenario. Salinity is one of the dominant environmental factors controlling species distribution and influencing physiological processes in marine organisms. Among predicted changes in environmental parameters, there is an increasing concern about future alterations in seawater salinity values, mainly in estuarine and coastal areas, which will affect the performance of native and invasive species. Moreover, salinity is one of the abiotic parameter that can change the behavior of NPs. In this context, to gain a better insight into the potential environmental impacts, also the native species Ruditapes decussatus was used for a comparison. In all the experiments, NPs tested were measured in clam gills and digestive gland to assess possible bioaccumulation. To get further insight into nTiO2 effects at cell level, an in vitro approach was used and phagocytic activity was assessed in clam haemocytes exposed to nTiO2 (0, 1 and 10 μg/mL). The findings confirmed the ability of nTiO2 to decrease immune functions and to enter into cells. The results of all these experiments (single and combined factors) suggested that NPs modulated various biomarker responses and showed different sub-lethal effects. The experiments on single NPs revealed significantly higher stress conditions in tissues of treated clams with major effects in gills and digestive gland. The target tissues responded differently to the three NPs, and among them, nTiO2 appeared to exert more detrimental effects in all tissues considered. This result could be determined by the metal per se, and by the nTiO2 characteristics, that, for example, could facilitate the entry into cells. Oxidative stress was confirmed to be the main mechanism of action of the three NPs investigated, as reported in literature for all NPs. The comparisons between the two metal oxide NP and their related contaminants highlighted that NPs were more toxic and this depend on NP specific features. In all clams exposed to the three NPs, at the end of exposure the Zn, Ti and FC60 contents showed an increase in treated clams compared to controls, in both NP concentrations tested. The exposure to NP mixture represents a novel approach that can provide better insight into the NP impacts under environmentally realistic conditions. Respect to single NP treatments, all findings indicated higher oxidative stress in act during the exposure to the mixture, with damage to proteins, lipids and DNA. The digestive gland was the tissue more affected by NP mixture toxicity. In all obtained results, additive effects were observed in the mixture respect to single NP exposures. The observed additive action of the NP mixture could open a new research to understand better the various mechanisms of NP toxicity. Zn, Ti and FC60 contents highlighted a bioaccumulation as single NPs and also as a mixture in both gill and digestive gland tissues. The study of interactions between different salinity (18-28-38 psu) and NP mixture exposure confirmed the NP toxicity. Overall, at all salinity values tested various changes were shown, depending on the tissues, the biomarkers and the species considered. Moreover, the comparison between the two species did not show a clear pattern of response. Although more in-depth evaluation is needed, it has to be noted that under NP exposure at the three salinities tested, the number of responses significantly varied respect to controls and was slightly higher in R. decussatus than in R. philippinarum. All PhD thesis results confirmed the toxicity of these three emerging environmental pollutants and a real potential risk for marine bivalves, even at the low concentrations tested.
A livello dell’ambiente marino costiero, gli organismi sono soggetti a continue pressioni di diversa natura. Tra queste, valutate potenzialmente dannose per le biocenosi, si possono considerare le variazioni dei parametri ambientali, quali la temperatura, il pH, l’ossigeno disciolto, la salinità, e il rilascio di inquinanti. Dal secolo scorso, il crescente impatto di questi cambiamenti ambientali è stato causato principalmente dalle attività antropiche. Anche se questi cambiamenti sono spesso percepiti come distanti (per esempio, quelli relativi ai cambiamenti climatici) o minimi (ad esempio, la presenza di sostanze inquinanti), il loro impatto sull'ambiente marino è già evidente. Quotidianamente vengono rilasciati in ambiente nuovi inquinanti di origine antropica, definiti emergenti. Le informazioni sul loro comportamento nei diversi comparti ambientali (aria, acqua, sedimenti), le loro interazioni e gli effetti sulle popolazioni naturali sono scarse. Un vasto gruppo di contaminanti emergenti è rappresentato dalle nanoparticelle (NP). Le NP sono utilizzate ampiamente in varie tecnologie emergenti e prodotti commerciali, tra cui la biomedicina, i farmaci, i prodotti per la cura e l’igiene personale, le energie rinnovabili e i dispositivi elettronici. Di conseguenza le NP possono essere rilasciate nell’ambiente. In particolare, le NP possono entrare negli ecosistemi marini sia direttamente, attraverso la deposizione aerea, gli scarichi e gli effluenti, sia indirettamente, ad esempio, tramite la rete fluviale. Attualmente, non sono disponibili dati riguardanti le concentrazioni analitiche delle NP a livello dell’ambiente marino; questa è una conseguenza della difficoltà di rilevare e quantificare le NP in matrici complesse. A causa della mancanza di strumentazioni e protocolli efficaci per misurare le loro concentrazioni negli ambienti acquatici, in letteratura sono disponibili dati sulle concentrazioni ambientali previste delle NP (Predicted Environmental Concentrations, PEC). Tre delle NP maggiormente utilizzate in prodotti di largo consumo sono: l'ossido di zinco (nZnO), il biossido di titanio (nTiO2) e il fullerene C60 (FC60). La tossicità di queste tre NP è stata riportata per diversi taxa, come i batteri, le alghe, le piante, gli invertebrati acquatici e terrestri e i vertebrati. Tuttavia, gli studi riguardanti la potenziale tossicità di queste NP nelle specie marine sono ancora molto pochi. La vongola filippina, Ruditapes philippinarum, è stata scelta come organismo modello in questa tesi di dottorato, in quanto ampiamente utilizzata in molteplici studi ecotossicologici. Inoltre, i bivalvi sono considerati uno dei target più idonei per lo studio della tossicità delle NP, anche se le informazioni riguardanti gli effetti delle NP proprio in questa specie sono carenti. Essendo un organismo filtratore che vive nel sedimento, la vongola, rispetto ad altre specie, potrebbe essere più sensibile agli effetti delle NP, visto che le NP in acqua di mare tendono ad aggregare e di conseguenza a depositarsi sul fondo e accumularsi nei sedimenti. Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di aumentare le informazioni e chiarire i possibili meccanismi d'azione e la tossicità di queste tre NP nella vongola filippina. Per raggiungere questo obiettivo, sono state allestite diverse esposizioni in laboratorio alle tre NP (nZnO, nTiO2, FC60) della durata di 7 giorni. Vari biomarker cellulari e biochimici sono stati misurati a livello dell’emolinfa, delle branchie e della ghiandola digestiva nella prospettiva di un approccio multi-biomarker. In questo studio, sono state scelte basse concentrazioni (1 e 10 µg/L) di NP simili ai valori di PEC. Inoltre, nei due esperimenti riguardanti le NP di ossido di metallo, il cloruro di zinco (10 µg/L) è stato utilizzato per indagare possibili contributi dello ione zinco nella tossicità del nZnO e, invece, la forma bulk del TiO2 (bTiO2, 10 µg/L) è stata utilizzata per comprendere la potenziale differente azione dell’ossido di metallo rispetto alla corrispondente NP. In ambiente gli organismi sono generalmente esposti a miscele di diverse sostanze inquinanti, per questo si è deciso di indagare l'effetto combinato di una miscela di tutte e tre le NP considerate. Per valutare gli effetti della miscela di NP, le vongole sono state esposte per 7 giorni a i) 1 µg/L di nZnO, ii) 1 µg/L di nTiO2, iii) 1 µg/L di FC60 fullerene e iv) tutte e tre le NP in miscela. In questo esperimento è stata utilizzata la proteomica redox combinata all'approccio multi-biomarker. Inoltre, sono stati studiati in un ulteriore esperimento gli effetti combinati della miscela di NP e di un parametro ambientale; per ottenere informazioni su eventuali variazioni della suscettibilità delle vongole alle NP in un possibile scenario di cambiamento globale. La salinità è uno dei fattori ambientali che controlla la distribuzione delle specie e influenza i processi fisiologici negli organismi marini. Tra i cambiamenti previsti dei vari parametri ambientali, vi è una crescente preoccupazione per le future alterazioni nei valori di salinità, soprattutto a livello degli estuari e delle zone costiere, dove potrebbero influenzare la sopravvivenza di specie autoctone e invasive. Inoltre, la salinità è uno dei parametri abiotici in grado di modificare il comportamento delle NP. In questo contesto, per ottenere una migliore comprensione dei potenziali impatti ambientali, è stata impiegata anche la specie autoctona, Ruditapes decussatus. In tutti gli esperimenti, è stato misurato il contenuto delle NP, sia nelle branchie sia nella ghiandola digestiva della vongola, per valutare il loro possibile bioaccumulo. Inoltre, per avere una visione più completa degli effetti del nTiO2 a livello cellulare, è stato utilizzato anche un approccio in vitro. I risultati hanno confermato la capacità del nTiO2 di entrare nelle cellule e di influenzare negativamente parametri legati alla risposta immunitaria. I risultati di tutti questi esperimenti hanno suggerito che le NP modulino varie risposte degli animali e hanno mostrato diversi effetti sub-letali nei tessuti della vongola. In particolare, gli esperimenti riguardanti gli effetti delle singole NP hanno mostrato condizioni di stress significativamente maggiori nelle branchie e nella ghiandola digestiva delle vongole. I tessuti analizzati hanno risposto diversamente alle tre NP, e tra loro la nTiO2 ha esercitato maggiori effetti negativi in tutti e tre i tessuti analizzati. Questo risultato potrebbe essere determinato dal metallo in sé, e dalle caratteristiche del nTiO2, che, per esempio, potrebbero facilitare l'entrata della NP nelle cellule. Lo stress ossidativo è stato confermato essere il principale meccanismo d’azione delle tre NP indagate, come riportato in letteratura. I confronti tra le NP di ossido metallico e i loro contaminanti correlati evidenziano come le NP siano più tossiche e questo dipende dalle caratteristiche specifiche delle NP. Nelle vongole esposte alle tre NP i contenuti di zinco, titanio e FC60 hanno mostrato, alla fine dell'esposizione, un aumento nei trattati rispetto ai controlli ad entrambe le concentrazioni testate. L’esperimento sulla miscela delle NP rappresenta un nuovo approccio in grado di fornire una migliore comprensione degli impatti delle NP in condizioni ambientali più realistiche. Rispetto ai risultati delle singole NP, tutti i dati ottenuti dall'esposizione delle vongole alla miscela indicano un maggiore stress ossidativo in atto, con conseguenti danni osservati alle proteine, ai lipidi e al DNA. La ghiandola digestiva risulta essere il tessuto più colpito dalla tossicità della miscela di NP. Inoltre, per tutti i parametri variati nei trattati rispetto al controllo, sono stati osservati effetti additivi nel trattamento con miscela rispetto a quelli con le singole NP. L'azione additiva riscontrata per la miscela potrebbe aprire nuovi filoni di ricerca utili a comprendere meglio i diversi meccanismi d’azione delle NP. I contenuti di Zn, Ti e FC60 quantificati anche in questo esperimento hanno evidenziato un bioaccumulo sia come singole NP, sia come miscela nelle branchie e nelle ghiandole digestive delle vongole esposte rispetto ai controlli. L’ultimo esperimento, riguardante l’interazione tra diversi valori di salinità (18-28-38 psu) e la miscela delle tre NP, conferma anche a queste condizioni la tossicità delle NP. In generale, a tutti i valori di salinità testati sono stati mostrati vari cambiamenti, in base al tessuto, ai biomarker e alla specie considerata. Il confronto tra le due specie non ha consentito di ricavare per ognuna di esse un chiaro modello di risposta alle diverse combinazioni salinità/assenza-presenza di NP saggiate. Anche se è necessaria una valutazione più approfondita, si è potuto notare tuttavia che il numero di risposte significativamente variate in presenza di miscela di NP era leggermente maggiore in R. decussatus rispetto R. philippinarum. Nel complesso, i risultati ottenuti sono in grado di fornire nuovi spunti di discussione negli studi sulla tossicità sulle NP, come pure nella valutazione del rischio, costituito dalle NP come inquinanti ambientali emergenti, negli ecosistemi marini costieri.

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati numerosi oligomeri e polimeri del tiofene che, grazie alle loro proprietà di semiconduttori, hanno trovano largo impiego in molti campi di interesse tecnologico come, ad esempio, transistor ad effetto di campo, diodi elettroluminescenti, dispositivi ottici non lineari e celle fotovoltaiche. Più recentemente, oligomeri tiofenici ossidati allo zolfo hanno trovato applicazione sia in campo elettronico, come materiali accettori in blenda con il poli(3-esiltiofene) (P3HT) usato come materiale donatore, in celle solari di tipo Bulk Hetero Junction (BHJ), ma anche in campo biologico come marcatori fluorescenti di proteine e oligonucleotidi. Tuttavia la sintesi di queste specie richiede condizioni di reazione spinte e al contempo rischiose dovute all’utilizzo in largo eccesso di agenti ossidanti molto forti. Uno degli obiettivi di questa tesi è stato lo sviluppo di metodi più versatili per la mono e di-ossidazione selettiva allo zolfo del tiofene di building-blocks dibromurati di diversa natura. Successivamente i building-blocks S-monossido e S,S-diossido derivati sono stati impiegati per la sintesi di oligomeri e polimeri tramite reazioni di cross-coupling Palladio catalizzate. I composti finali sono stati caratterizzati sia dal punto di vista spettroscopico UV-Vis che elettrochimico, mettendo in evidenza le relazioni che esistono fra gli andamenti dei dati sperimentali ottenuti con il diverso stato di ossidazione dei composti tiofenici diversamente sostituiti. Infine i composti finali sono stati testati sia in campo fotovoltaico che biologico.

Protein instability results in the formation of haze and precipitates in bottled white wines with diminution of their commercial value. This alteration is due to the so-called pathogenesis related proteins (PR proteins) of the grape berry, which survive the fermentation process and pass into the wine where they are responsible for protein instability. Nowadays the main technique used to avoid protein stability in wines is their treatment with bentonite, which, however, causes wine losses and a reduction of the organoleptic quality. The aims of this thesis were to find alternative techniques able to substitute the bentonite treatment in wine stabilization. The first approach was to exploit the activity of different proteases secreted from phytopathogenic fungi, that were evaluated for their ability to degrade the grape proteins before the fermentation process. Partially purified proteases were obtained from culture media of Botrytis cinerea and Sclerotinia minor. The protease from B. cinerea was not able to degrade the grape proteins and the wine obtained showed increased protein instability. B. cinerea however was demonstrated to be able to remove the proteins from the grape juice by an oxidative mechanism involving the enzyme laccase. An aspartyl protease from S. minor was then partially purified from a culture medium which was able to increase the protease production. That protease degraded the grape proteins and reduced protein instability both in in vitro and microvinification trials. However, protease production by the fungus as well as its effectiveness were inconstant and seemed related to other unknown mechanisms. The second approach was based on the application of pellets of metal oxides as adsorbents for grape proteins in white wine and juice during fermentation. Different juices and wines were completely stabilized after treatments with dosages from 15 to 25 g/L of metal oxides. An easy and practicable procedure to regenerate the metal oxides was developed, allowing to use them many times. Moreover, sensory analysis did not show significant differences among wines stabilized with bentonite and metal oxides. Finally, the third approach was the treatment of the wine with polysaccharides, which are known to affect protein stability in wines. Carrageenan and pectin were added separately or in combination to a Chardonnay juice prior to fermentation. Both adsorbents removed proteins (up to 75%) thus increasing wine protein stability. Carrageenan was more effective than pectin in increasing wine protein stability
L’instabilità proteica causa la formazione di torbidità e precipitati in vini bianchi imbottigliati con conseguente diminuzione del loro valore commerciale. Questa alterazione è dovuta alle proteine legate alla patogenesi (PR proteins) presenti nell’uva, le quali resistono al processo di fermentazione e si ritrovano nel vino dove sono responsabili dell’instabilità proteica. Attualmente la principale tecnica utilizzata per evitare l’instabilità proteica è il trattamento con bentonite, il quale, purtroppo comporta perdite di vino e riduzione della sua qualità organolettica. Gli obiettivi di questa tesi sono stati quelli di trovare tecniche alternative capaci di sostituire il trattamento con bentonite nella stabilizzazione dei vini bianchi. Il primo approccio è stato la valutazione dell’attività di differenti proteasi secrete da funghi fitopatogeni che sono state valutate per la loro abilità nel degradare le proteine dell'uva prima del processo di fermentazione. Proteasi parzialmente purificate sono state ottenute da culture di Botrytis cinerea e Sclerotinia minor. La proteasi di B. cinerea non si è dimostrata capace di degradare le proteine dell’uva anche se il fungo era comunque capace di rimuovere le proteine del mosto d’uva mediante un meccanismo ossidativo che coinvolge l’enzima laccasi. Una aspartil proteasi da S. minor è stata parzialmente purificata da un mezzo culturale che favoriva la produzione di proteasi. Questa proteasi ha degradato le proteine dell’uva e ha ridotto l’instabilità proteica sia in vitro che in prove di microvinificazione. Comunque, la produzione di proteasi da parte del fungo e la sua efficacia erano incostanti e sembrano legate ad altri meccanismi non chiari. Il secondo approccio ha riguardato l’applicazione di pellets di ossidi di metallo come adsorbenti delle proteine dell’uva, nel vino e nel mosto durante la fermentazione. Diversi mosti e vini sono stati completamente stabilizzati dopo trattamento con dosi comprese fra 15 e 25 g/L di ossidi di metallo. Si è quindi sviluppata una facile e pratica procedura per rigenerare gli ossidi di metallo, permettendo numerosi trattamenti con la stessa partita di materiale. Inoltre, l’analisi sensoriale non ha evidenziato differenze significative tra vini stabilizzati con bentonite ed ossidi di metallo. In fine, il terzo approccio è stato il trattamento del vino con polisaccaridi, i quali sono noti per il loro effetto di interferenza sui meccanismi di formazione di torbidità proteica nei vini. Carragenano e pectina sono stati aggiunti separatamente o in combinazione a mosto di Chardonnay prima della fermentazione. Entrambi i polisaccaridi hanno rimosso le proteine (fino al 75%) aumentando la stabilità proteica. Il carragenano è risultato maggiormente efficace nell’incrementare la stabilità proteica rispetto alla pectina

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio dell’attività fotocatalitica nella reazione di ossidazione selettiva della 5-idrossimetilfurfurale (HMF) di diversi sistemi a base di diossido di titanio. Il lavoro ha comportato la preparazione di una polvere di ossido di titanio nanoparticellare tramite microemulsione. La polvere ottenuta è stata caratterizzata e confrontata con due polveri commerciali (Evonik P25 e Millenium DT51). Successivamente, la titania prepata tramite microemulsione è stata sottoposta a spray-freeze drying per aumentarne l’area superficiale e ridurne la densità. La tecnica di spray-freeze drying è stata poi utilizzata per sviluppare nanocompositi a base di titania, silice e ceria, e per decorare alcune polveri con nanoparticelle di oro e di oro/rame preformate. Le nanoparticelle sono state sintetizzate tramite un processo in acqua a basso impatto ambientale, usando un sistema glucosio-sodio idrossido come riducente e PVP come stabilizzante. Le polveri preparate sono state caratterizzate tramite analisi BET, DRS, XRD, SEM e TEM. Tutti i materiali sviluppati sono stati testati nella reazione di fotoossidazione selettiva dell’HMF utilizzando un simulatore solare. Sono inoltre state svolte prove fotocatalitiche utilizzando scavenger di specie attive, volte ad indagare il meccanismo promosso da alcune delle polveri preparate e le differenze fra questi.