Tesis doctorales DCIE - ZIES Doktoretza tesiak

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Embargo
Desarrollo de sensores basados en el efecto de magnetoimpedancia gigante empleando materiales magnéticos amorfos obtenidos mediante técnicas de enfriamiento ultrarrápido
(2018) Beato López, Juan Jesús; Gómez Polo, Cristina; Pérez de Landazábal Berganzo, José Ignacio; Ciencias; Zientziak
El presente trabajo tiene un claro carácter práctico y aplicado. El principal objetivo es el desarrollo de sensores basados en el efecto de magnetoimpedancia gigante (o efecto GMI) empleando materiales magnéticos amorfos obtenidos mediante técnicas de enfriamiento ultrarrápido, para su aplicación en ámbitos tecnológicos de interés. La elección de este efecto como principio de operación de los sensores se fundamenta en la necesidad de desarrollar dispositivos que muestren una alta sensibilidad, rapidez en el tiempo de respuesta, bajo consumo y bajo coste. El efecto GMI se basa en las grandes variaciones de impedancia, tanto en su parte real como imaginaria, de un conductor ferromagnético blando al pasar una corriente eléctrica de alta frecuencia, tras la aplicación de un campo magnético estático externo. Dichos cambios son debidos a la modificación de la profundidad de penetración de la corriente eléctrica, como consecuencia de la variación de la permeabilidad magnética de la muestra. No obstante, el campo magnético no es el único parámetro capaz de modificar la impedancia de la muestra. Entre otros, las tensiones mecánicas aplicadas a la muestra son capaces de producir modificaciones cuantificables de la impedancia, fenómeno conocido como efecto Giant Stress Impedance, GSI. Los sensores diseñados se basarán en las variaciones de impedancia experimentadas bajo el efecto de ambos parámetros. En este trabajo se han desarrollado los siguientes sensores: sensor magnetoelástico (sensor μDiaS-ME); sensor de posición no contacto (sensor μDiaS-NC); sensor para la detección y cuantificación de nanopartículas magnéticas (Sensor NanoMagS)
Open Access
Trailing edge serrations effect on the aerodynamic performance of wind turbines
(2019) Llorente, Elena; Arana Burgui, Miguel; Ragni, Daniele; Ciencias; Zientziak
En esta tesis se analiza el impacto que tienen los dientes serrados, colocados en el borde de salida de las palas, en el comportamiento aerodinámico del aerogenerador en el que están instalados. Inicialmente se ha realizado un análisis teórico mediante CFD de un perfil típico de palas de aerogenerador, el NACA 643418. Se han realizado simulaciones RANS, 2D y 3D del flujo alrededor del perfil, del perfil con una placa plana y del perfil con dientes serrados. Se ha comparado el comportamiento aerodinámico de las tres geometrías, analizando coeficientes aerodinámicos, perfiles de velocidad, turbulencia, etc. Dentro del análisis teórico también se ha realizado un estudio de sensibilidad de diferentes modelos de turbulencia. Se han analizado tres modelos RANS de turbulencia, Spalart-Allmaras, k-omega SST y Transition SST. En este estudio también se investiga el impacto del ángulo de montaje de los dientes serrados en la pala y la influencia del espesor de estos dispositivos en el comportamiento aerodinámico del perfil. De los resultados teóricos se ha derivado una ley empírica que predice el coeficiente de sustentación del perfil con dientes serrados a partir de los datos del perfil original y que se puede extender a otros perfiles aerodinámicos. Para validar esta ley de predicción se ha realizado una campaña experimental en el túnel de viento LTT de TU-Delft. Se han ensayado dos perfiles diferentes, el Nordex ADO30, perfil con un espesor relativo del 30% y el NACA643418, perfil con el 18% de espesor relativo. El primer perfil se ha elegido por su características estructurales y el segundo por ser un perfil ampliamente estudiado en el sector eólico y tener una buena relación entre la eficiencia aerodinámica en condiciones laminares y turbulentas. En estos ensayos se han medido los coeficientes aerodinámicos de ambos perfiles y de los perfiles con dientes serrados instalados con diferentes ángulos de montaje. Con estos resultados se ha podido validar completamente la ley de predicción derivada del estudio teórico. Una vez validada la ecuación propuesta, se ha utilizado para calcular los coeficientes aerodinámicos de otros perfiles que forman las palas de los aerogeneradores. Con esta información se ha realizado un estudio teórico de cargas y producción de un aerogenerador con dientes serrados instalados en sus palas. La producción eléctrica calculada se ha comparado con los datos experimentales derivados del análisis de curva de potencia en un aerogenerador real antes y después de instalarle dientes serrados. Finalmente se ha realizado un estudio experimental del impacto acústico de estos dispositivos en el ruido emitido por el aerogenerador, probando su efectividad en este campo.
Open Access
Influence of microstructure in the martensitic transformation and in the physical and magnetic properties in metamagnetic shape memory alloys
(2019) López García, Javier; Recarte Callado, Vicente; Rodríguez Velamazán, José Alberto; Ciencias; Zientziak
In this work we have focused in the study of the influence of the microstructure in metamagnetic shape memory alloys (Ni-Mn-In and Ni-Mn-Sn systems) together with the effect of Co-doping, in order to gain insight into these effects and to control and improve the properties of these materials. Starting with the ternary Ni-Mn-Sn system, we have stablished the correlation between microstructural parameters and magnetostructural properties in these alloys. We have characterized the different microstructural states induced by thermo-mechanical treatments and correlated them with the properties of the alloys. The cobalt-doped quaternary system, Ni-Co-Mn-Sn-Co has been the next subject of study. With the aim of obtaining further understanding of the effect of Cobalt doping the magnetic coupling, we have selected the Ni-Mn-In system as case study. Since in the systematic study of the effect of milling we have observed that long milling times lead to amorphous states, we have extended our study to the recrystallization processes in Ni-Co-Mn-Sn and Ni-Co-Mn-In alloys, with the analysis of the evolution of the different phases, the cell parameters and microstrutural parameters as grain size, micro and macrostrains.
Open Access
Layered double hydroxides from aluminum saline slags applied in adsorption and photocatalysis processes for the removal of emerging pollutants
(2020) Santamaría Arana, Leticia; Gil Bravo, Antonio; Korili, Sophia A.; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
The objective of the work studied here was to synthesize Layered Double Hydroxides (LDH) with aluminum extracted from saline slags and test their function once calcined into adsorbents/catalysts for use in the removal of emerging contaminants (pharmaceutical compounds) from aqueous media.Two different techniques for the removal of contaminants were tested, adsorption and photocatalysis. In the present work, a new procedure for the recovery of aluminum present in saline slags generated during the secondary recycling processes of aluminum as adsorbent/photocatalyst of diclofenac and salicylic acid, as examples of emerging contaminants, has been reported. Results obtained have been extensively analyzed throughout the present study.
Open Access
New insights in the regulation of the shikimate pathway after quinate as plyphosate enhancer in Amaranthus palmeri
(2020) Zulet González, Ainhoa; Royuela Hernando, Mercedes; Zabalza Aznárez, Ana; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
El glifosato es el herbicida más empleado a nivel mundial. Su mecanismo de acción es la inhibición de la enzima 5‐enolpiruvilsiquimato‐3‐fosfato sintasa (EPSPS), enzima clave dentro de la ruta de biosíntesis de los amino ácidos aromáticos, también conocida como la ruta del siquimato. Uno de los procesos fisiológicos descritos tras la aplicación de este herbicida es la acumulación de quinato, un metabolito secundario, formado a partir de una ramificación lateral de la ruta del siquimato. Tras detectar efectos fisiológicos por la aplicación de quinato exógeno de forma aislada, se planteó la posibilidad de utilización de este compuesto como potenciador del glifosato para reducir las dosis de herbicida en el control de la mala hierba Amaranthus palmeri. En esta especie se han desarrollado poblaciones resistentes a glifosato, entre las cuales se encuentra el mecanismo de resistencia de sobreexpresión del gen EPSPS, lo que lleva a una sobreexpresión del enzima diana del herbicida. El principal objetivo de esta tesis fue el de profundizar en las alteraciones de la ruta del siquimato por el herbicida glifosato y el uso del quinato como potenciador de este herbicida en el control de plantas de A. palmeri sensibles y resistentes a glifosato (por amplificación génica). En este trabajo se determinó que la aplicación de quinato un día después del glifosato (tratamiento combinado) convertía en letal una dosis sub‐letal de herbicida en la población sensible. Estos resultados abren la posibilidad de aplicar ambos compuestos para mejorar la eficacia del herbicida y de reducir las dosis a aplicar en el control de poblaciones sensibles. La mayor toxicidad del tratamiento combinado estuvo relacionada con la exacerbación en los marcadores fisiológicos previamente descritos para este herbicida (acumulación del contenido de siquimato y de aminoácidos libres). Se estudió el comportamiento de la ruta del siquimato tras el tratamiento combinado a nivel metabolómico y transcriptómico, tratando de encontrar respuesta al incremento de eficacia observado en el tratamiento combinado. Los resultados obtenidos parecen indicar que el incremento de la toxicidad del tratamiento combinado estaría relacionado con cambios a nivel metabólico, debido en concreto a un incremento en el contenido de los derivados del quinato, y no debido a cambios de niveles de transcripción. Se realizó un perfil metabólico no dirigido para comparar el perfil metabólico de ambas poblaciones tratadas con glifosato y para determinar si otros cambios en el perfil metabólico podrían estar contribuyendo al incremento en la toxicidad del tratamiento combinado. Entre todos los compuestos del metabolismo primario y secundario evaluados, los derivados del quinato fueron los únicos compuestos que se acumularon en este tratamiento de manera diferencial, evidenciando su papel en el incremento de la toxicidad de este tratamiento. Por último, se evaluó el papel de los amino ácidos aromáticos y de algunos intermediarios metabólicos (siquimato, quinato, corismato y antranilato) en la regulación de la ruta del siquimato mediante incubación de discos de hojas con ellos. Se observó que los aminoácidos aromáticos, al ser aplicados en combinación con el herbicida, neutralizaron los efectos del glifosato a nivel transcipcional pero no la acumulación del siquimato. Ninguno de los intermediarios metabólicos evaluados mimetizó completamente el efecto del glifosato en la ruta del siquimato. Sin embargo, el siquimato fue el metabolito que indujo una sobreexpresión de la mayoría de los genes de la ruta del siquimato, de una manera similar al herbicida. Estos resultados sugieren que la inducción en la transcripción observada tras el tratamiento con glifosato podría estar mediada, al menos en parte, por la acumulación de siquimato. Resumiendo, esta tesis aporta nuevos aspectos en la regulación de la ruta del siquimato tras la aplicación de glifosato, y aborda el efecto del tratamiento combinado del herbicida con quinato a nivel práctico y fisiológico, tratando de encontrar las causas de ese incremento en la toxicidad.
Open Access
Integrative approaches for the analysis of abiotic stress responses in the legume-Rhizobium symbiosis: from shoots to roots
(2020) Rubia Galiano, María Isabel; Arrese-Igor Sánchez, César; Larrainzar Rodríguez, Estíbaliz; Ciencias; Zientziak
La actual población mundial junto con las predicciones de un mayor crecimiento sugieren que es necesario incrementar el rendimiento de los cultivos a nivel mundial. Las leguminosas son el segundo cultivo más importante para alimentación después de los cereales, y gracias a su capacidad de establecer una relación simbiótica con bacterias del suelo, se reduce el impacto del uso de fertilizantes nitrogenados sobre el medio ambiente. Esta simbiosis da lugar al proceso conocido como fijación biológica de nitrógeno (FBN), que consiste en la reducción de nitrógeno molecular a amonio, a partir del cual, las plantas sintetizan compuestos orgánicos nitrogenados esenciales para su nutrición. Desafortunadamente, la FBN es un proceso muy sensible a estreses bióticos y abióticos tales como salinidad, sequía o limitación de nutrientes, entre otros. El objetivo general de este trabajo es ampliar los conocimientos sobre la regulación de la FBN y los mecanismos fisiológicos y bioquímicos que activan las plantas en respuesta a estreses abióticos. Para contrarrestar los efectos negativos de estreses osmóticos, las plantas y las bacterias son capaces de sintetizar compuestos osmoprotectores para mantener la viabilidad de las células, por ejemplo, el aminoácido prolina. El primer paso clave para entender las múltiples funciones de esta molécula bajo situaciones de estrés osmótico es una monitorización del uso de prolina a tiempo real. En el capítulo uno nuestros resultados mostraron que, en bacteroides, la acumulación de prolina no ocurre durante la fase de estrés, si no durante la recuperación, una vez las condiciones óptimas para el crecimiento de la planta se han reestablecido. En el capítulo dos, se llevó a cabo un estudio proteómico y metabólico dirigido para ampliar el conocimiento sobre el metabolismo de aminoácidos en nódulos de guisante. En el modelo clásico de intercambio de nutrientes entre simbiontes, la planta suministra energía en forma de dicarboxilatos a los bacteroides fijadores de nitrógeno a cambio de amonio. Sin embargo, este modelo clásico fue cuestionado por la observación de que las mutaciones en los transportadores de aminoácidos ABC, AapJQMP and BraDEFGC, en Rhizobium leguminosarum dieron lugar a síntomas de falta de nitrógeno en plantas tanto de guisante como de alubia. Se encontró que era esencial la absorción de aminoácidos de cadena ramificada (AACRs) para una efectiva FBN, al menos en especies de R. leguminosarum. Otro enfoque experimental para comprender mejor el papel del metabolismo de los aminoácidos en los nódulos es la aplicación de compuestos que inhiben la biosíntesis de AACRs en las células de las plantas tales como los herbicidas del grupo B. Estos enfoques nos permitieron verificar como la inhibición del transporte de AACRs entre simbiontes tuvo un mayor efecto en el metabolismo nodular que la inhibición de la biosíntesis de AACRs. De hecho, la biosíntesis de AACRs fue también inhibida debido a la doble mutación de aap/bra. En el capítulo dos, también evaluamos el efecto del estrés hídrico sobre el proteoma nodular, ya que entre las estrategias que usan las plantas en respuesta a estreses abióticos hay varias relacionadas con el metabolismo de aminoácidos. Este estudio destaca la relevancia de aminoácidos poco abundantes, como metionina, aminoácidos aromáticos o el ácido γ-aminobutírico, en la respuesta al estrés hídrico. Finalmente, hasta ahora no se ha intentado llevar a cabo un enfoque integral en el que se analicen los posibles cambios causados por sequía en la distribución de carbono (C) y, además, se analice el efecto sobre el consumo o la acumulación de metabolitos en todos los órganos de la planta. Con este propósito, en el capítulo tres, se analizó el efecto de la sequía tanto en la distribución de [U-13C]-sacarosa como en el contenido ureidos, ácidos orgánicos y carbohidratos. Descubrimos que la sequía disminuyó el transporte de 13C a los tejidos sumidero y cambió la prioridad en la distribución de C entre los órganos sumideros.
Embargo
Oximes and nitric oxide signalling in Medicago truncatula root system architecture
(2020) Buezo Bravo, Javier; Morán Juez, José Fernando; Esteban Terradillos, Raquel; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
El óxido nítrico (NO) es una molécula señalizadora ampliamente conocida en el mundo vegetal, relacionada con cada etapa en el desarrollo de la planta. De entre todas sus funciones descritas, se sabe que actúa sinérgicamente con el ácido indol-3-acético (IAA), promoviendo el desarrollo de raíces secundarias. Hasta ahora tan solo se han confirmado algunas vías de síntesis del NO, todas ellas reductivas, mientras que aún no se ha revelado vía oxidativa alguna. Varios informes de nuestro grupo de investigación han medido síntesis de novo de NO3- y NO2- en Pisum sativum y M. truncatula crecidas con NH4+ como única fuente de nitrógeno (datos sin publicar). Este hecho sugiere la existencia de una vía oxidativa para el NH4+ en fabáceas. Se propone también que este mismo mecanismo puede ser parte de la señalización por toxicidad de NH4+ y de los procesos para su mitigación. Dada su configuración molecular, las oximas son buenos candidatos para ser precursores del NO, y, por tanto, el primer paso de esta vía de oxidación de nitrógeno. Entre todas las oximas, la Indol-3-acetaldoxima (IAOx) es especialmente relevante ya que se sitúa en la encrucijada entre el IAA y los indol glucosinolatos. El papel del IAOx en el desarrollo y señalización está muy poco estudiado en crucíferas, y es prácticamente desconocido en otras familias. En esta tesis doctoral intentamos demostrar que el IAOx está presente en M. truncatula y que posee, además, importantes funciones de señalización durante el desarrollo radicular. Por último, hipotetizamos que la señalización de IAOx está mediada por NO. Para esta labor, hemos sintetizado IAOx y una colección de otras oximas indólicas y no indólicas puras y hemos utilizado un enfoque farmacológico utilizando la planta leguminosa modelo M. truncatula. Hemos medido el fenotipo radicular, cuantificado los compuestos indólicos en tejido (parte aérea y raíz) y medido la expresión de los genes de Indol-3-acetaldehido oxidasa e IAOx deshidratasa. Nuestros datos muestran que todas las oximas promueven el fenotipo ‘superoot’, concordando con nuestra hipótesis de que el IAOx produce su efecto a través de la liberación de NO. Este nuevo conocimiento es un gran paso hacia el descubrimiento de la vía oxidativa de síntesis de NO en plantas y arroja luz a la interacción entre IAOx, IAA y la nutrición nitrogenada, que será imprescindible para futuras investigaciones en campos de cultivo
Open Access
Desarrollo de catalizadores basados en rodio y otros metales de transición para la producción de gas de síntesis a partir de biogás
(2021) Navarro Puyuelo, Andrea; Gandía Pascual, Luis; Bimbela Serrano, Fernando; Reyero Zaragoza, Inés; Ciencias; Zientziak
El objetivo último de esta tesis doctoral es formular catalizadores de Rh y Co y desarrollar, a partir de las mejores formulaciones, sistemas catalíticos estructurados para la producción de gas de síntesis mediante el reformado de biogás. Se han considerado como rutas de reformado las reacciones de reformado seco y su combinación con la oxidación parcial de metano, a través del reformado combinado de tipo ‘oxy‐CO2’.
Open Access
Regulación de la simbiosis leguminosa-rizobio en condiciones de déficit hídrico: antioxidantes y compuestos nitrogenados
(2021) Cobos Porras, Libertad; Arrese-Igor Sánchez, César; Larrainzar Rodríguez, Estíbaliz; Ciencias; Zientziak
En un mundo que requiere urgentemente una agricultura más sostenible, los cultivos de leguminosas representan una importante alternativa. A nivel agroecológico, la característica más interesante de esta familia de plantas es su capacidad para llevar a cabo la fijación biológica de nitrógeno atmosférico (FBN), reduciendo los insumos de fertilizantes nitrogenados con una baja huella de carbono, lo que disminuye la contaminación ambiental y enriquece el suelo para los siguientes cultivos. Sin embargo, para optimizar el potencial de las leguminosas en un escenario donde los efectos del cambio climático conducirán a un aumento del impacto de las sequías, es preciso dilucidar los mecanismos fisiológicos y las vías de señalización molecular responsables de una mayor tolerancia de estos cultivos a esta situación de estrés. La disminución de la FBN provocada por la sequía es consecuencia de una serie de mecanismos fisiológicos entre los que destacan la disminución de la disponibilidad de sustratos carbonados para los bacteroides, la inhibición de la actividad nitrogenasa debido a la acumulación de compuestos nitrogenados, el incremento de la resistencia a la difusión de oxígeno y el estado redox. Con este fin de profundizar en estos factores, en este trabajo se han evaluado diferentes mecanismos implicados en la regulación del proceso de FBN bajo estrés hídrico.
Open Access
An integrative, multidisciplinary approach to the study of the impact of climate change on legume agro-physiology and metabolism
(2021) Soba Hidalgo, David; Aranjuelo Michelena, Iker; Munné Bosch, Sergi; Arrese-Igor Sánchez, César; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Las leguminosas son la segunda familia, tras los cereales, en importancia agrícola, cubriendo el 14% de la superficie cultivada. En el contexto actual y en un futuro cercano, la producción de leguminosas se ve amenazada por diversos estreses abióticos asociados con el cambio climático. Estos se espera que aumenten en número y severidad durante las próximas décadas. Debido al importante desafío para la seguridad alimentaria, es clave comprender cómo se pueden mejorar los futuros cultivos de leguminosas para resistir condiciones ambientales adversas. El objetivo general de esta tesis es obtener más conocimientos sobre los mecanismos implicados en la respuesta de las leguminosas a las condiciones ambientales ([CO2], sequía y temperatura) mediante la integración de medidas de biomasa, procesos fisiológicos y bioquímicos y niveles de metabolitos y otros compuestos.
Open Access
A soil vulnerability and quality approach for a functional evaluation of agricultural land use of the territory in Navarre
(2021) Antón Sobejano, Rodrigo; Virto Quecedo, Íñigo; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Esta tesis responde a la demanda de conocer y evaluar con precisión, el funcionamiento del suelo como soporte de los diferentes usos agrícolas en la región de Navarra y explorar su potencial tanto desde el punto de vista de la mitigación del cambio climático como desde la mejora de la resiliencia de los agrosistemas (adaptación al cambio climático). Con el objetivo de profundizar en estos aspectos, la tesis se estructura en varios capítulos. Los capítulos principales se agrupan en dos partes, una primera constituida por los capítulos II y III, y una segunda formada por los capítulos IV, V y VI. La primera parte, capítulos II y III, se centra en el estudio de la dinámica del carbono orgánico del suelo, explorando en detalle los mecanismos y controles que regulan este proceso en un suelo Mediterráneo cultivado calcáreo, característico de la región. Además, dado la relevancia que el riego tiene en la misma, se estudió la interacción que la transición del secano al regadío supone en la dinámica de incorporación de carbono orgánico en dicho suelo. Para ello se dispone de un diseño experimental ad hoc, que fue implementado en Enériz, Navarra, en 2009, diseñado para realizar un estudio de marcaje isotópico natural a partir de un cambio de plantas C3 a C4. Los resultados indican que los carbonatos presentes en este suelo, parecen comportarse como un factor clave en el proceso de estabilización de la materia orgánica en el horizonte labrado, promoviendo una rápida incorporación y estabilización de los residuos de los cultivos en agregados estables de diferentes tamaños. Además, se observó que el riego puede inducir cambios, con tendencia positiva, en el stock de carbono del suelo a lo largo del periodo de estudio de 7 años. El tipo de cultivo y la gestión agrícola en secano o regadío, fueron los principales impulsores de este proceso en las condiciones edafoclimáticas de la zona estudiada. La segunda parte de esta tesis, recogida en los capítulos IV, V y VI, se centra en la evaluación de estrategias de mitigación y adaptación al cambio climático en los sistemas agrarios de Navarra, y su relación con el funcionamiento del suelo. El capítulo IV, se centra en evaluar el impacto que la introducción del regadío tiene en la región, desde un punto de vista amplio de la calidad del suelo, incluyendo la evaluación de distintos servicios ecosistémicos asociados a dicho uso del suelo, basada en el concepto de Seguridad del Suelo. En él, se lleva a cabo el análisis de diferentes sistemas de cultivo vinculados al riego en la región, considerado como herramienta para garantizar un aumento tanto del rendimiento de los cultivos como de las ganancias netas para el agricultor. El análisis incluye la cuantificación de balances de emisiones de gases efecto invernadero, considerando en dicho balance la estimación de una tasa de secuestro de carbono anual vinculada a cada suelo y manejo considerado. Los resultados indican que el potencial del regadío para proporcionar servicios ecosistémicos claves a la sociedad, como son el control de la erosión y la regulación del clima, es variable y dependiente del manejo agrícola que lo acompañe. Finalmente, los capítulos V y VI de esta tesis se centran en el desarrollo y análisis de una serie de indicadores de suelo de cara a cuantificar la eficacia de diferentes estrategias de adaptación al cambio climático en la vulnerabilidad de los sistemas agrícolas, a escala regional. Las estrategias consideradas son la aplicación de fuentes externas de materia orgánica, la introducción del riego, la agricultura de conservación, el uso de rotaciones de cultivos y el manejo controlado de pastos.
Open Access
Carbon/nitrogen relations in C3 cereal crops within a climate change context: implications on grain yield and quality
(2021) Ben Mariem, Sinda; Aranjuelo Michelena, Iker; Morales Iribas, Fermín; Arrese-Igor Sánchez, César; Ciencias; Zientziak; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
El objetivo principal de este trabajo es el uso de la aplicación de nuevos criterios de selección de trigo para identificar, de manera integradora, genotipos y prácticas de manejo de cultivos que confieran alta eficiencia en el uso de nitrógeno para alcanzar mayor rendimiento y mejor calidad de grano en condiciones ambientales cambiantes ([CO2] elevado y baja disponibilidad de agua).
Open Access
Medicago truncatula response to water-deficit stress: whole plant perspectives
(2021) Castañeda Presa, Verónica; González García, Esther; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Medicago truncatula es una planta forrajera anual con gran interés agronómico y científico, siendo de hecho empleada como planta modelo en el estudio de la biología de las leguminosas. Teniendo en cuenta el contexto actual del cambio climático, es de vital importancia mantener o aumentar el rendimiento de los cultivos para así poder responder a los requerimientos derivados del constante aumento de la población mundial. Para ello, es imprescindible entender las res-puestas adaptativas de las plantas al estrés hídrico, siendo muy útil el empleo de esta planta modelo para su estudio. En este trabajo hemos estudiado el comportamiento de varios órganos vegetales con especial énfasis en el sistema radical, permitiéndonos un conocimiento más inte-grado de los mecanismos de respuesta al estrés hídrico a nivel de planta entera. El sistema radical de M. truncatula fue estudiado en el Capítulo 1, en el cual hicimos una distinción entre la raíz primaria, más gruesa, y las raíces laterales o “raíz fibrosa”, mucho más finas. Se estudió entonces el comportamiento de ambos tipos de raíz en condiciones control, remarcando la gran diferencia metabólica entre ambas, teniendo la raíz primaria un papel más activo que como mero almacén de reservas. Además, se observó una mayor resiliencia de la raíz primaria al estrés hídrico, pudiendo tener la modulación de la degradación de la sacarosa y del metabolismo de la prolina un papel esencial en la adaptación del sistema radical al estrés hídrico. En el Capítulo 2 hemos abordado diversos tipos de estrés hídrico, empleando para ello con-diciones iso-osmóticas de salinidad (NaCl y KCl), falta de riego y un agente osmótico (PEG-6000). Esta comparativa nos permite identificar las semejanzas y diferencias en los mecanismos de respuesta a cada estrés a nivel de planta entera. Por un lado, los resultados obtenidos nos llevaron a descartar el uso de PEG como un compuesto apto para semejar condiciones de sequía, mientras que la exposición de M. truncatula a NaCl y KCl provocó respuestas similares, con un ligero mayor efecto negativo en el metabolismo por parte de este último. Al comparar la res-puesta a la falta de riego se observó un mayor énfasis en la protección del sistema radical, mien-tras que la exposición a NaCl conllevó una mayor respuesta a nivel de parte aérea. El estudio del floema nos permitió una mejor comprensión de las respuestas sistémicas de la planta a los di-versos tipos de estrés hídrico. En resumen, este estudio proporciona un mayor conocimiento de la respuesta de M. trunca-tula a condiciones de estrés hídrico a nivel de planta entera y desde un punto de vista bioquí-mico, metabólico y fisiológico.
Open Access
Modelizado y estudio experimental del comportamiento de las cenizas en instalaciones industriales de combustión de biomasa con tecnología de parrilla
(2021) Funcia, Ibai; Bimbela Serrano, Fernando; Ciencias; Zientziak
El presente trabajo tiene por objetivo general el desarrollo de una metodología para el análisis y predicción del comportamiento de cenizas y compuestos inorgánicos generados en la combustión de biomasa a alta temperatura (450-1300 ºC) a partir de la composición de la materia prima. Más concretamente, en esta tesis doctoral se estudia el empleo de paja de cereal como materia prima en una instalación industrial con tecnología de parrilla móvil. La metodología desarrollada se validará frente a pruebas reales realizadas en una planta de escala comercial (15-25 MWe).
Open Access
Fisiología de la resistencia múltiple a los herbicidas glifosato e inhibidores de acetolactato sintasa en amaranthus palmeri
(2022) Barco Antoñanzas, María; Zabalza Aznárez, Ana; Royuela Hernando, Mercedes; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Este trabajo se plantea en el marco de la necesidad de profundizar en el conocimiento de la fisiología de las plantas resistentes a herbicidas, lo que requiere, no solo identificar y dilucidar las bases moleculares de las resistencias, sino también abordar el plano fisiológico, analizando la respuesta a nivel de metabolismo a la aplicación de estos herbicidas. La utilización de plantas que ya han desarrollado resistencia múltiple a estos herbicidas es una buena herramienta para desarrollar métodos para su detección, aportar claves para su manejo y prevenir su aparición. Además, el establecimiento de la acción herbicida en plantas resistentes permite comprender cómo y por qué son letales estos herbicidas (conocimiento del modo de acción herbicida), ayudando a que su utilización sea más racional y sostenible. Se ha profundizado en la fisiología de una población de A. palmeri con resistencia múltiple (RM) a los herbicidas glifosato y piritiobac (inhibidor de ALS) y en los efectos fisiológicos de estos herbicidas. Para ello, se han caracterizado a nivel molecular los mecanismos de resistencia, y se ha abordado la acción herbicida estudiando la respuesta fisiológica a diferentes niveles tras el tratamiento con glifosato, piritiobac o la mezcla de ambos. Este trabajo proporciona nuevos detalles acerca de la caracterización y de la fisiología de la población RM y aporta información novedosa en cuanto a los efectos fisiológicos provocados en las plantas sensibles y resistentes por los herbicidas IBAR e IBAA. Estos resultados son, potencialmente, de interés práctico para el sector agrícola, por la importancia global de las malas hierbas resistentes a glifosato, herbicida más usado a nivel mundial y a inhibidores de ALS, grupo de herbicidas que incluye un gran número de materias activas. Todo ello, unido al incesante incremento de resistencias múltiples a ambos tipos de herbicidas, hace necesarios los estudios que profundicen en el conocimiento fisiológico de este tipo de resistencias para avanzar hacia un manejo más sostenible y duradero.
Embargo
Removal of emerging pollutants in water through adsorption and catalytic processes using pillared clays synthesized from aluminum saline slags
(2022) Cardona Rodríguez, Yaneth; Gil Bravo, Antonio; Korili, Sophia A.; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
In this work, the aluminum was extracted from the saline slags using both ways the alkaline and the acidic one. Those extracts were used as precursors in the synthesis of Pillared Clays (PILC) obtaining pillared structures from the acidic extract (Al-PILCAE) and from the alkaline one (Al-PILCBE). The parameters in the synthesis of those PILC were studied characterizing the solids obtained with the purpose to optimize the synthesis process and choose the solids with the better characteristics. The solids chosen were studied as adsorbents and catalytic supports for the removal of three emerging pollutants from water: 2,6-dichlorophenol (2,6-DCP), triclosan (TCS), and bisphenol A (BPA). The adsorptive and catalytic behavior was compared with both the raw clay used in their synthesis (montmorillonite – Mt) and with a PILC synthesized by the conventional method using an aluminum commercial salt as the precursor (Al-PILCCM). The first two sections of this thesis focus on the theory related to the subject. First Chapter (I) refers to PILC, their synthesis, the parameters involved in this, and their importance and impact on the properties of the solid obtained. This chapter collected the studies related to this field, trying to understand the formation of the polycations that make possible the synthesis of PILC. The Second Chapter (II) is related to water pollution and the techniques used to eliminate pollutants from the aquatic environment. This chapter focused on the use of the adsorption process, and the use of PILC as adsorbents for organic pollutants, collecting the studies which have used them for this purpose. The next four chapters (Chapter III to Chapter VI) are related to the results and analysis of the results of the experimental part developed in this work. The first two of them (Chapter III and Chapter IV) are related to the synthesis of the porous clay-based materials and their use as adsorbents, and the next two (Chapter V and Chapter VI) to their use in photocatalysis. Chapter Three (III) corresponds to the synthesis of PILC from the saline slag and their evaluation as adsorbents in batch mode. The parameters involved in the synthesis process were evaluated, characterizing every time the synthesized solids to confirm that the pillaring process was successful. The synthesis process which resulted in solids with better characteristics was chosen for every one of both extracts: alkaline (Al-PILCBE) and acidic (Al-PILCAE). Those PILC were evaluated as adsorbents to remove 2,6-DCP, BPA, and TCS from water, in batch mode. The resulting adsorption capacities were compared with Mt and Al-PILCCM. Additionally, the reuse of the intercalating agent sequentially to synthesize Al-PILC as the reuse of the initial Al-PILC synthesized as adsorbent also was studied. It is necessary to highlight that this is the first time that a porous material is synthesized from saline slag using both extracts, alkaline, and acid. The annex in this document is related to this part of the study. The results obtained in the optimization of the synthesis of PILC using saline slag gave, as a result, a methodology that synthesized PILC with improved textural characteristics compared with those prepared through the conventional method. This methodology was evaluated using a commercial salt as the precursor and the results confirmed that the solids obtained using this had improved textural properties than using the conventional methodology. For this reason, due to the novelty of the methodology found, the technical information about the invention was disclosed in a patent application (202130047) as can be seen in the annex section. Chapter Four (IV) corresponds to the study of the three Al-PILC (Al-PILCAE, Al-PILCBE, and Al-PILCCM) as adsorbents in fixed bed column systems for the removal of TCS. In addition to the breakthrough curves, the adsorption of TCS adsorption in this system was optimized for its use in Solid Phase Extraction (SPE) by Response Surface Methodology using a Box–Behnken Design (RSM-BBD). Fixed-bed column studies are usually carried out to consider the possible application of the adsorbents in water purification processes, however, those studies can be made on a small scale to propose new materials to improve methodologies and routinary techniques used in the laboratory, including the sample preparation methodologies such as SPE. This study, for the first time, used chemometric tools to optimize the adsorption of TCS in fixed bed column by Al-PILC to use it in SPE. This is another way to support the research related to water pollution with EP. The low concentrations of EP in water sources can be lower than the Limit of Detection (LOD) and Limit of Quantitation (LOQ) of the analytical techniques necessary to evaluate those. It makes necessary a pre-concentration step prior to their determination and quantification. For this reason, the study and proposal of new sorbents that can be used in preparation techniques such as SPE for the determination and quantification of EP in water are relevant. Chapter Five (V) corresponds to the use and comparison of Mt and the three Al-PILC as catalytic supports for the removal of 2,6-DCP, TCS, and BPA from water through photocatalytic degradation using both VIS and UV light irradiation. TiO2/catalysts were synthesized by wet impregnation through stirring followed by calcination. Different loads of titanium were studied, and the characterization of the solids was carried out by several techniques. Finally, the photoproducts present in the solutions at the end of the process were evaluated by High-Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (HPLC-MS). Additionally, since this chapter is the first related to catalysis, it complements the theoretical information shown in chapter two, listing those studies which have used clays and PILC in catalytic photodegradation processes. The novelty of this work lies in the use of Al-PILC synthesized from aluminum saline slags as catalytic supports and the evaluation of visible light irradiation for this process. Finally, Chapter Six (VI) corresponds to the use and comparison of Mt and the three Al-PILC as catalytic supports for the removal of 2,6-DCP, TCS, and BPA from water by Fenton and Photo-Fenton like processes. Fe(III)/TiO2/ catalysts with different titanium and iron loads were evaluated in single-component solutions and in an equimolar mixture. All catalysts were characterized by several techniques and the by-products for every pollutant were identified during the reactions by HPLC-MS. A degradation pathway was suggested for every pollutant based on the by-products identified during the reactions. The originality of this work is related to the fact of analyzing the process in both single and mixture components systems, using Al-PILC synthesized from aluminum saline slags as catalytic supports.
Open Access
From model to crop: root functional analysis of Medicago forage legumes to face drought stress at the whole plant level
(2022) Echeverría Obanos, Andrés; González García, Esther; Ciencias; Zientziak; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Las leguminosas son el segundo cultivo más importante en la Tierra y ocupan alrededor del 15% del área total cultivada. Son ecológicamente importantes debido a su capacidad de fijar nitrógeno atmosférico y representan una de las mayores fuentes de proteínas para la dieta humana y animal. Entre las diferentes especies, la alfalfa (Medicago sativa, Ms) es una de las más conocidas y más ampliamente cultivada a lo largo del mundo, mientras que Medicago truncatula (Mt), que esta filogenéticamente relacionada con la alfalfa, se puede encontrar en la zona semiárida del Mediterráneo. En el escenario actual de cambio climático, donde la sequía es cada vez más intensa, y la población mundial aumenta año a año, existe una preocupación global por la disponibilidad de alimento para los seres humanos y las especies animales. Es aquí donde el papel de estas dos especies de leguminosas cobra gran importancia para afrontar los requerimientos nutricionales de la población mundial. El estudio de las respuestas de las plantas frente a la sequía es fundamental para lograr estos objetivos en seguridad alimentaria. El objetivo general de este trabajo es entender las respuestas de Ms y Mt en condiciones de sequía en relación con el metabolismo del carbono a nivel global de planta y con especial atención al órgano radicular. En este contexto hemos incluido el estudio de varias parcelas de alfalfa de secano en Bardenas reales que nos gustaría utilizar en el futuro para valorar marcadores de estrés identificados en condiciones controladas bajo condiciones naturales.
Embargo
Nitric oxide oxidative production from tryptophan derivatives of the indole-3-acetic acid biosynthesis pathway in plants
(2022) López Gómez, Pedro; Morán Juez, José Fernando; Chamizo Ampudia, Alejandro; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
Nitric oxide (NO) is a small molecule that possesses a wide range of physiological functions in living organisms. In plants, NO has been revealed to be involved in many physiological functions, such as germination, flowering, leaf senescence, and in the response to environmental stresses. In plants, NO production has been well characterised in reductive routes, as the nitrate reductase pathway. Since plants grown axenically with NH4+ as the sole source of N have exhibited contents of NO2− and NO3−, this evidences the existence of a metabolic pathway for the oxidative production of NO. The presence of nitric oxide synthases (NOS) in bacteria, fungi, and animals has given rise for an intense search for a NOS-like enzyme in plants. Oximes (R1R2C=NOH) are important compounds connecting the general and specialised metabolisms that have been reported to release NO in basic environments. In particular, the plant oxime indole-3-acetaldoxime (IAOx) is related to the synthesis of glu-cosinolates in Brassicaceae and is an intermediate of the Trp-dependent biosynthesis of in-dole-3-acetic acid (IAA), sharing both oxime and IAA indolic structure. Furthermore, it has been well described that the IAA fits and interacts at the active centre of the horseradish peroxidase (POD). Indeed, the reaction of POD with IAA has been suggested as an onco¬logical therapy to produce toxic species. Throughout the first chapter of this work, several enzymes and oximes including IAOx were tested for NO production, by optimising the technical requirements and reac-tion conditions for its detection and measurement. As a result, it was demonstrated the NO production in vitro after IAOx oxidation catalysed by POD, as well as the important role of the superoxide radical (O2−) in this reaction. Moreover, it was shown that O2− and flavins significantly increased the production of NO, while oxygen (O2) and O2− depletion reduced it. Besides, it was assessed that the IAOx acted as a substrate for the mouse enzyme iNOS, producing significant amounts of NO. Finally, considering the results obtained, a new hy-pothesis for the NO oxidative production in plants was suggested, named as Mechanism for the Construction of an Analog of Nitric Oxide Synthase (MECANOS). In the second chapter, the effects of IAOx exposition in Arabidopsis thaliana wild-type (WT) plants, as well as its accumulation in sur1.1 mutants were analysed in plants growing in NH4+ as the sole N source. Afterwards, these plants showed the typical super-root phenotype, that shares characteristics with that of NO-exposed plants and has been described as a consequence of IAA accumulation; although it has been demonstrated that the IAOx phenotype differs from that after IAA exposition. Furthermore, there were report¬ed higher levels of NO in A. thaliana roots exposed to IAOx than in the control or in IAA exposed plants, by the DAF-2 DA sensing probe. Even more, both WT plants exposed to IAOx and sur1.1 mutants showed increased levels of internal IAA than the untreated con¬trol. Finally, the analysis of the genetic expression of several A. thaliana peroxidases showed that both WT plants externally exposed to IAOx and sur1.1 mutants downregulated these extracellular or intracellular enzymes, respectively, proving that NO production by IAOx was tightly transcriptionally regulated. Altogether, the in vivo effects of IAOx in A. thaliana were demonstrated to be consequence of an accumulation of IAA and an increase in NO. In the third chapter, it was addressed the analysis of IAOx effects on the molecular contents of A. thaliana cell cultures. Successfully, a total of 26 molecules was detected by GC-MS and catalogued. Subsequently, a labelling process prior to a Principal Component Analysis (PCA) confirmed that the reduction in Trp contents observed in cells was related to IAOx and NO donor S-nitrosoglutathione (GSNO) treatments and, therefore, with NO. Even more, the differences between the molecular contents of cells treated with IAOx and GSNO were mainly explained by those in benzenepropanoic acid, a member of the phenyl¬propanoids family highly associated with IAA levels. Consequently, IAOx addition indeed produced NO within A. thaliana cells, and IAOx either can serve as IAA source or disrupt the homeostasis. All in all, throughout the pages of this work, there are provided several in vitro and in vivo pieces of evidence to affirm that the oxidation of IAOx produces NO, together with sev-eral proofs of NO effects on root organogenesis, gene expression, and molecular contents in A. thaliana plants.
Open Access
Unraveling nitrate-mediated mechanisms in response to ammonium toxicity in plants
(2022) Rivero Marcos, Mikel; Aparicio Tejo, Pedro María; Ariz Arnedo, Idoia; García-Mina Freire, Jose María; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
Intensive use of nitrate in agriculture has resulted in serious environmental and health problems; however, using ammonium as an exclusive, alternative nitrogen source can have deleterious effects on plant growth. Even at very low concentrations, nitrate counteracts ammonium toxicity in plants, although the molecular nature of this phenomenon remains unclear. In this thesis, we explore the genetic and metabolic mechanisms involved in nitrate-driven ammonium detoxification in species of agricultural interest, such as spinach (Spinacia oleracea L.) and pea (Pisum sativum L.), as well as in the model plant Arabidopsis. The evidence indicates that nitrate alleviates processes that are compromised in ammonium toxicity syndrome, including ammonium uptake- and assimilation-mediated pH stress, potassium homeostasis disturbance, hormonal imbalance, and the strong demand for carbon supply. A better understanding of the mechanisms underlying these beneficial effects will help to modernise agriculture through the efficient design of fertilisers for more sustainable and efficient use of nitrogen.
Open Access
Iron based nanostructures: synthesis, characterization and environmental applications
(2022) Cervera Gabalda, Laura María; Gómez Polo, Cristina; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
En los últimos años, la contaminación ambiental se ha convertido en un tema de preocupación pública. Debido a diferentes actividades, diversos compuestos orgánicos e inorgánicos acaban en el medio ambiente afectando sobre todo a las fuentes de agua potable y a la calidad del aire. Existen numerosos métodos para la eliminación de contaminantes. Entre ellos, destaca el método de adsorción debido a su simplicidad, bajo coste y elevada eficiencia. La estabilidad, porosidad, elevada área superficial, capacidad de transferencia electrónica entre otras propiedades, hacen que los nanomateriales se utilicen ampliamente como eliminación de contaminantes. En particular, las nanoestructuras magnéticas son ampliamente utilizadas como adsorbentes debido a la posibilidad de separarlos del entorno en el que están inmersos empleando un campo magnético externo. Además, está característica mejora la posibilidad de reciclar y reutilizar estos nanomateriales para reducir los costes del proceso. Concretamente, los nanomateriales basados en hierro y carbono se proponen como adsorbentes altamente eficientes debido a la elevada capacidad de adsorción del carbono. Además, la abundancia natural del hierro, su bajo cote, sus propiedades magnéticas y químicas y su baja toxicidad hacen que estos nanomateriales sean muy interesantes para su utilización en el campo de la reparación del daño medioambiental. Por otro lado, los fotocatalizadores también tienen interés en la eliminación de contaminantes. En este contexto, nuevamente, las nanopartículas magnéticas tienen gran interés debido a sus propiedades fisicoquímicas. Concretamente, las ferritas con diferentes cationes se utilizan como fotocatalizadores gracias a la posibilidad de diseñar semiconductores con valores de energía de band-gap reducidos y óptimas propiedades magnéticas y fotocatalíticas. Particularmente, en esta tesis se han analizado ferritas de Co-Zn como fotocatalizadores activos en el visible. En este trabajo, se han sintetizado en primer lugar nanoestructuras de Fe-C utilizando tres procedimientos diferentes teniendo como estrategia común la utilización de azúcar (glucosa, fructosa o sacarosa) como fuente de carbono. El primer procedimiento consiste en preparar una disolución acuosa que contiene una mezcla de sales de hierro (Fe3+) con diferentes azúcares como fuente de carbono. A continuación, la disolución se seca y se calcina a diferentes temperaturas. El segundo procedimiento de síntesis para obtener nanoestructuras de Fe-C está basado en la reducción de nanopartículas de Fe3O4 mediante la descomposición térmica de la fructosa. Finalmente, el calentamiento por inducción magnética se ha utilizado como nuevo método para recubrir con carbono nanopartículas magnéticas de Fe3O4. Las nanoestructuras obtenidas mediante cada uno de los métodos ateriores fueron caracterizadas estructuralmente utilizando diferentes técnicas como el Análisis Termogravimétrico (TGA), Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), Difracción de Rayos X (XRD), Microscopía Electrónica, o Espectroscopia Raman. La caracterización magnética de las muestras se ha llevado a cabo mediante magnetometría SQUID. La combinación de la caracterización estructural y magnetica de las muestras ha permitido analizar comparativamente los diferentes métodos de síntesis empleados para obtener nanoestructuras de Fe-C. Una vez se caracterizaron ampliamente las nanoestructuras de Fe-C, se evaluó la capacidad de adsorción de algunas muestras seleccionadas de cada uno de los métodos de síntesis, así como su reutilización. Para ello, se eligieron Cr (VI) y fenol como modelos de contaminantes orgánico e inorgánico, respectivamente. Además, el calentamiento por inducción magnética se estudió como un método alternativo de desorción de fenol y se comparó con un tratamiento térmico convencional. Finalmente, se sintetizaron nanopartículas de CoxZn1-xFe3O4 mediante el método de co-precipitación. Se caracterizaron estructuralmente (Difracción de rayos X, Espectroscopia de Fluorescencia de Rayos X y Microscopia Electrónica de Barrido), ópticamente (Espectroscopia UV-Vis por Reflectancia Difusa (DRS) y Espectroscopia de Fotoluminiscencia) y magnéticamente (magnetometría SQUID). Además, se realizaron mediciones de Espectroscopia de Emisión Óptica con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP), área superficial y potencial Zeta para completar la caracterización de las nanopartículas. La actividad fotocatalítica de las ferritas de Co-Zn se evaluó utilizando fenol y tolueno como modelos de contaminantes en medio acuoso y en aire respectivamente.

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