Archivio tesi Tesi di Laurea triennale e Magistrale

ABSTRACT: The habitability of Mars is determined by the physical and chemical factors that characterise the planet's atmosphere and soil. Low atmospheric pressure, amount of water, temperature and strong UV radiation are highly studied factors in relation to the survival of microorganisms. These represent minor challenges for extremely resistant bacteria such as Deinococcus radiodurans, which particularly suffer from oxidative stresses due to the high presence of iron oxides in the soil leading to the formation of reactive oxygen species (ROS). In this study, we investigated the stress effect induced by iron oxides such as hematite, magnetite and maghemite under anaerobic conditions by examining the survival of the model microorganism Deinococcus radiodurans. In addition, we analysed the effect of glutathione in cells subjected to iron excess stress and the role of ferroptosis in cell death. We found that iron oxides negatively affect the survival of bacteria. Exposure to hematite killed more than 99% of the cells, while magnetite and maghemite were found to be less toxic. We propose that the cause of the stress effect of iron oxides is caused by the production of reactive oxygen species through the Fenton reaction due to excess iron. The production of hydroxyl and hydroperoxyl radicals leads to the iron-induced process of lipid peroxidation known as ferroptosis. We also found that glutathione at low concentrations inhibits the detrimental effects of hematite, while at high concentrations it is toxic to cells. We assume here that glutathione can reduce reactive oxygen species as observed in eukaryotic cells. More in-depth studies on the role of ferroptosis in bacteria must be conducted in the future.

Supervisor Prof. Barbara Cavalazzi; Co-supervisor: Prof. Kai Finster.

Completed: March, 2023.

Completed: 2023

ABSTRACT: Negli ultimi decenni è stata rivolta particolare attenzione agli habitat profondi alimentati da fluidiricchi in idrocarburi, chiamati cold seeps (sorgenti fredde), che tipicamente ospitano comunità(endemiche) di brachiopodi, molluschi e vermi tubiformi e sono caratterizzati da un’elevataabbondanza di comunità oligotipiche. Presentiamo qui i risultati di uno studio di dettaglio effettuatocon l’utilizzo di diverse tecniche analitiche di strutture tubiformi del Devoniano (Eifeliano) delpaleoseep Hollard Mound (AntAtlante, Marocco), che sonostate interpretate come vestimentiferi e che potrebbero, in questo caso,rappresentarne la più antica documentazione fossile in ambiente di seep. La combinazione ditecniche analitiche quali la microscopia ottica, microscopia a scansione laser confocale (CLSM),microspettroscopia Raman e microscopia elettronica a scansione con microanalisi ai raggi X (SEM-EDX), applicata sui reperti fossili tubiformi dell’Hollard Mound, è stata utilizzata allo scopo dichiarire alcuni aspetti riguardo la loro origine. I risultati permettono di apprezzare le specificheultrastrutture di questi tubiformi e definirne in situ la composizione chimico-mineralogica alla scalasub-micrometrica.

ABSTRACT: The thesis focuses on the microbial activity associated to the microterracettes situated in the hydrothermal sistem of Eyvindarhver, in the hydrothermal area of Hveravellir (Iceland) and their astrobiological implications. It was based on some samples prof. Barbara Cavalazzi storaged in situ back in 2018, we studied and took many images of some samples on both optic and electronic microscope, to search for some biosignatures and compare them to the ones already collected in other astrobiological papers. 

 Completed: December 2021

ABSTRACT: The extreme environmental conditions experienced on Mars surface, including radiation and the perchlorate species, could represent a challenge for life as we know it. To understand how life cope to these conditions, astrobiological studies are based on the investigation of the survival limits of terrestrial extremophiles. In this context, the black fungus Cryomyces antarcticus, isolated from McMurdo Dry Valleys (Southern Victoria land, Antarctica), is considered as a good test organism, due to its high resistance against different stressors. In mythesis work we tested the resistance of the fungus in different conditions: i) grown on MEA medium with perchlorates, such as Mg(ClO4)2 and Ca(ClO4)2, and exposed to simulated Martian conditions inside a MSF with day-night cycles for 24 hours, 4 and 7 days, not irradiated (Dark) and irradiated (UV and UV+LED radiation); and ii) i cultivated in 1.5% MEA culture medium and exposed, hydrated and de-hydrated, to acute and chronic ɣ rays at different doses (27 and 56 kGy) within Calliope Facility. The responses of C. antarcticus after the exposure of the two treatments were evaluated investigating different aspects: the growth ability, the metabolic activity, recovery, and the DNA damage. In general, the results indicated that this organism in de-hydrated conditions, is able to survive and maintain its DNA integrity on after exposure to a similar Martian surface environment, in presence of perchlorate, for at least 7 days exposed to UV+LED radiation. In addition, the integrity of DNA and a good metabolic activity recovery was reported after the exposure to chronic ɣ ray irradiation at 27 kGy, both in hydrated and de-hydrated state, even if no survival was recorded.

SUPERVISOR: Prof. Barbara Cavalazzi, Univ. Bologna; CO-SUPERVISOR: Prof. Silvano Onofri, Università della Tuscia.

Completed: December 16, 2021

ABSTRACT: Palaeobiological research on Archaean fossiliferous horizons is key to understanding the early evolution of life and important as a test case for the search for life on other planets. Herein, we use FTIR spectroscopy, a powerful tool for identifying functional groups in or-ganic compounds by analysing changes in their vibrational motion, to detect and study Pale-oarchean biosignatures by producing IR maps. Of particular relevance is the ratio between the aliphatic methyl and methylene stretch (the R3/2 ratio), which is thought to reflect the nature of the membrane lipids of the original organisms and thus represent a potential tax-onomical signature: archaea possess methyl branch-rich isoprenoid chains whereas bacte-ria comprise simple chain fatty acids. We used IR mapping to analyse six 3.48 Ga old rock samples collected during the Barberton drilling project in the Buck Reef Chert BARB3 core (Barberton greenstone belt, South Africa) and rich in carbonaceous material have been an-alysed. Microbial mats in these horizons represent one of the oldest robust lines of evidence for life. Our results show higher R3/2 values (~0.50) in the oldest and the youngest sample, an indication of a mixed archaea and bacteria ecosystem, and lower values (~0.20) in all the others, suggesting a bacteria-dominated ecosystem. These differences might reflect a palaeoecological transition associated with a gradual shift from an evaporitic to a platform and finally basin palaeodepositional environment. The quality and number of data collected demonstrate that micro-FTIR mapping is a powerful non-invasive technique to detect and study autogenous organic material and has a strong potential in astrobiological research. Hence, we encourage its use in the study of possible biosignatures during the analysis of samples of astrobiological interests, for example, those collected by the upcoming Mars Sample Return missions.

SUPERVISOR: Prof. Barbara Cavalazzi, Univ. Bologna; CO-SUPERVISOR: Dr. K. Hickman-Lewis, Natural History Museum, UK.

Completed: May 28, 2021

ABSTRACT. Il mistero riguardo l’origine della vita e la sua unicità nell’universo, ha spinto il mondo scientifico negli ultimi anni verso un nuovo ambito di ricerca, l’astrobiologia. Questa scienza interdisciplinare comprende ricerche sull'origine e l'evoluzione dei sistemi planetari, origine dei composti organici nello spazio, ricerca di firme biologiche per il rilevamento della vita e ricerche sull’adattamento e sui limiti della vita come la conosciamo, incentrandosi in particolare sullo studio degli ambienti estremi e degli estremofili ad essi correlati per poter in questo modo fare ipotesi riguardo alla vita al di fuori del nostro pianeta e come ricercarla. Uno degli ambienti target sono le Valli Secche di McMurdo in Antartide in quanto ritenute un ottimo analogo di Marte, pianeta al centro dell’attenzione delle agenzie spaziali per il suo ambiente primordiale estremamente simile a quello terrestre. Gli organismi estremofili, che popolano questi ambienti, si sono adattati alle condizioni più sorprendenti; tra questi, il fungo nero criptoendolitico antartico Cryomyces antarcticus CCFEE 515, isolato dalle Valli Secche McMurdo, è uno dei microrganismi eucarioti più resistenti finora conosciuti. Data la sua straordinaria capacità di sopravvivere a condizioni estreme simili a Marte, è considerato uno dei migliori candidati per gli studi astrobiologici volti a testarne la sopravvivenza e di conseguenza la potenziale abitabilità del pianeta rosso. Ci sono diversi fattori che possono limitare la vita, ma certamente uno di quelli che più ostacola la sopravvivenza dei microrganismi al di fuori della Terra sono le radiazioni ionizzanti, di cui fanno parte i raggi γ. Nel presente lavoro di tesi e nell’ambito del progetto “Vita nello Spazio - Origine, Presenza e Persistenza della Vita nello spazio: dalle molecole agli estremofili finanziato dall’ASI, colonie idratate del fungo C. antarcticus sono state esposte a dosi crescenti di raggi γ (27, 56 e 117 kGy), al fine di valutare la presenza di danni al DNA. I dati ottenuti dalle analisi qualitative tramite tecnica PCR e quantitative tramite la tecnica della PCR quantitativa, hanno evidenziato danni al DNA solo su diversi tratti del genoma, anche alla dose di irraggiamento più bassa (27 kGy). Questi dati preliminari forniscono un valido supporto alle prossime missioni esplorative spaziali.

RELATORI: Prof. B. Cavalazzi, Univ. Bologna; Prof. S. Onofri, Univ. Tuscia

TESI completata il 11 Marzo 2021

ABSTRACT: Questa tesi propone un approccio multianalitico per lo studio di campioni analoghi marziani di interesse astrobiologico e geologico planetario. Tra le varie tecniche analitiche utilizzate, i campioni selezionati sono misurati con il modello di laboratorio dello spettrometro miniaturizzato Ma_MISS (Mars Multispectral Imager for Subsurface Studies), installato all’interno del trapano a bordo del rover R. Franklin, della prossima missione ExoMars, che ha come obiettivo principale la ricerca di tracce di vita (passata o presente) sulla superficie di Marte. L'analisi spettrale, finalizzata allo studio della mineralogia di campioni geologici, costituisce un fattore di indagine importante ai fini della ricerca nel campo delle scienze planetarie. I due campioni naturali oggetto di questo studio hanno una origine legata a fenomeni di idrotermalismo e possono essere considerati analoghi di Marte per la loro composizione chimica e per i processi geologici che sembrano essere gli stessi ricostruiti per Oxia Planum (Marte), ovvero il sito di atterraggio scelto per la ExoMars rover mission. In particolare, in questa tesi verranno studiate le relazioni tra le facies mineralogiche, i potenziali pattern di fossilizzazione e le firme spettrali di 1) un campione di silice proveniente da una sorgente idrotermale (attiva) del campo geotermico di Hveravellir in Islanda, e 2) di due campioni di argilla pedogenetica, appartenenti allo stesso profilo pedologico, che presentano alterazioni di tipo idrotermale (legate alla risalita di fluidi idrotermali) seguite da processi pedogenetici di lisciviazione del suolo. In relazione a ciò, è stato dimostrato che i campioni scelti per questa tesi sono degli ottimi analoghi marziani, essendo in possesso di caratteristiche spettrali, quindi chimico-fisiche, riconducibili ai depositi individuati su Oxia Planum (Marte).

SUPERVISOR: Prof. Barbara Cavalazzi, Univ. Bologna; CO-SUPERVISOR: Dr. Marco FERRARI, INAF, Roma.

Completed: May 23, 2022

RIASSUNTO: Questo studio è incentrato sull’analisi di particolari strutture sedimentarie di forma sferica o subsferica (con diametro di dimensioni maggiori di 2 mm) presenti in differenti ambienti naturali terrestri. Queste strutture sferiche, sferule, sono tipicamente dovute alla precipitazione di calcite in ambiente subaereo che può avvenire sia per oscillazione della tavola d’acqua all’interno di un sedimento non consolidato, sia per precipitazione diretta di calcite per disseccamento in pozze effimere. Tuttavia, nel record geologico sono note sferule di diversa natura e composizione: 1) sono noti per esempio pisoidi di calcite basso-magnesiaca, di ossidi e/i idrossidi di ferro, di silice (quarzo o opale), 2) sono associati ad ambienti molto differenti tra loro da marino poco profondo a profondo, ambenti vadosi e ambienti idrotermali di alta e bassa temperatura, e 3) la loro genesi può essere legata a precipitazione completamente inorganica (prodotto allochimico), possono essere prodotti biologicamente indotti (bio-mineralizzazioni), oppure dovuti ad una alternanza fra i due processi appena menzionati. Per questo motivo e per il loto alto potenziale di preservazione nel record geologico, i pisoidi sono considerati importanti indicatori ambientali e paleoambientali, ma anche in casi specifici come delle biofirme (biosignatures). Recentemente, alcune sferule di ematite (ossido di ferro), meglio note con il nome di blueberries, sono state individuate sulla superficie di Marte nel Meridiani Planum, dal rover della NASA Opportunity. Per analogia con le sferule terrestri, le blueberries di hematite sembrerebbero indicare che essi si siano formate su Marte in presenza di acqua, ovvero sembrerebbero essersi formate come concrezioni formatesi da precipitazioni di fluiid acquosi saturi.

L’obiettivo di questa tesi di laurea è stato quello caratterizzare alcuni pisoidi silicei provenienti dal sito Eyvindarhver del sistema geotermale di Hveravellir in Islanda, per definirne la composizione mineralogica e la componente biologica, e chiarine le reciproche relazioni. Per questo scopo, i campioni sono stati preparati in sezioni sottili e sono stati studiati al microscopio ottico e al microscopio a scansione elettronica equipaggiato con un rivelatore di energia EDX (SEM-EDX). La tesi è articolata in cinque capitoli: 1) un’introduzione che illustra le differenti tipologie di strutture sferiche terresti e i loro ambienti di formazione; 2) i materiali e metodi utilizzati per lo svolgimento della parte analitica di questo studio; 3) i risultati ottenuti sono illustrati e discussi i modo critico e interpretati sulla base di strutture analoghe descritte in letteratura, e sembrano indicare una genesi mista, ovvero dovuta a mediazione microbica (diverse morfologie microbiche sono state riconosciute) alternata a precipitazione inorganica di silice intono a litoclasti vulcanici; 4) le potenziali implicazioni astrobiologiche, infatti, le sferule di Eyvindarhver posso essere utilizzate come analoghi terrestri per la ricerca della vita su altri pianeti; 5) in conclusione, si riconosce che studi di analoghi terrestri, come quello dei pisoidi di Eyvindarhver, che suggeriscono una genesi almeno in parte biologica, sono fondamentali per comprendere come indiviaduare campioni astrobiologici nelle prossime missioni spaziali come Mars2020 e ExoMars2022.

SUPERVISORE: Prof.ssa Barbara Cavalazzi

Tesi discussa: luglio 2020

The field of her thesis research is related to Astrobiology, in particular is about the geomicrobiological characterization of the water column and sediments of Río Tinto (Huelva, Southwestern Spain). The extreme acidic conditions of Río Tinto basin are the consequence of an active underground bioreactor that obtains its energy from the massive sulfidic minerals existing in the Iberian Pyrite Belt.The similarities between the vast sulfate and iron oxide deposits on Mars and the main sulfide bioleaching products found in the Tinto basin, have given Río Tinto the status of a geochemical and mineralogical Mars terrestrial analogue.

Supervisori: Prof. Barbara Cavalazzi, UNIBO; Prof. Felipe Gomez, Centro de Astrobiología, Madrid, Spain.