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Battery performance analysis and parameterisation through advanced modelling techniques
No full textScientific interest in improving and also accelerating high-performance batteries has greatly increased over the past decade. Despite their immense promise, lithium-ion batteries (LIBs) and solid-state batteries (SSBs) continue to face multiple challenges that must be overcome before their successful commercialisation in Electric Vehicles (EVs). To this end, it is believed that efficient models (or even fast models) are needed to further assist designers in the battery development phase. In addition, to ensure good model fidelity, the sensitivity of the parameters and their dependence on internal parameters need to be carefully addressed and properly quantified.
The aim of this thesis is to contribute to the battery development phase, speeding up the procedure and reducing the number of experimental work required by developing an efficient tool based on dimensionless analysis and the appropriate design of experiments to ensure accuracy in the parameterisation activities.
To begin with, the dimensionless analysis methodology to identify the limiting mechanisms in the battery cell performance is argued. The dimensionless parameters are obtained by condensing the physical dimensional parameters involved in the description of the electrochemical phenomena taking place in the battery cell. In the following, two application cases are considered to show the potentiality of the dimensionless analysis approach. First, to demonstrate the effectiveness of the proposed procedure, the analysis of graphite electrodes performed by Malifarge et al. [Malifarge et al 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] is reviewed to confirm that dimensionless parameters (of the graphite half-coin cells analysed in the study) are able to anticipate the results in [Malifarge et al. 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] with negligible cost (in temporal, economic or computational terms). Second, the characteristic properties of a solid hybrid polymer battery presented by Park et al. [Park et al. 2018 Solid State Ionics 315 65–70] are calculated. By analysing the resulting dimensionless parameters, the identification of the main physical phenomena limiting the battery performance is carried out. As a demonstration of the proposed methodology, the limiting mechanisms identified and predicted by the dimensionless analysis are numerically verified.
Then, the limiting mechanisms of a prototype SSB cell manufactured at CIDETEC have been analysed in detail. As demonstrated, the experimental results confirm the predictions made by the dimensionless analysis. First, CIDETEC manufactures a reference PEO-based SSB cell. After the complete parameterisation of the battery, performed experimentally, the dimensionless parameters are calculated. With the resulting values, new cell design configurations are proposed and validated against numerical codes first and experimentally by manufacturing the new cell components and testing them in the laboratory.
Finally, the identifiability of the diffusion coefficient in the electrolytic phase is analysed in detail and an improved parameterisation methodology compared to the state of the art is derived. Thus, the novel methodology developed exploits the non-linear behaviour of the Li-Li cell dynamics by solving the model numerically and order reduction techniques are applied to reduce the computational cost. For this purpose, ROM and DEIM techniques have been implemented to guarantee a high accuracy of the model. The resulting identification methodology is able to significantly reduce the experimental effort required to characterise the electrolyte concentration-dependent transport properties compared to the state-of-the-art approach, since the model retains nonlinearities and, therefore, broader pulse conditions can be applied, ensuring identifiability.
RESUMEN
El interés científico por mejorar y también acelerar el desarrollo de las baterías de altas prestaciones ha crecido exponencialmente durante la última década. A pesar de su inmensa promesa, las baterías de iones de litio y las baterías de estado sólido siguen enfrentándose a múltiples retos que deben superarse antes de su comercialización con éxito en los vehículos eléctricos. Con respecto a esto, se espera que los modelos multifísicos eficientes ayuden a los diseñadores en la fase de desarrollo de las baterías. Además, para garantizar una buena precisión de dichos modelos, es necesario abordar detenidamente la sensibilidad de los parámetros, retener su dependencia con los parámetros internos y cuantificarlos adecuadamente.
El objetivo de esta tesis es contribuir a la fase de desarrollo de las baterías, acelerando el procedimiento y reduciendo la carga experimental mediante el desarrollo de una herramienta eficiente basada en el análisis adimensional y en el diseño adecuado de los experimentos para asegurar la precisión en las actividades de parametrización.
En primer lugar, se define la metodología de análisis adimensional para identificar los mecanismos limitantes que harán mermar las prestaciones de las baterías. Los parámetros adimensionales se obtienen agrupando los parámetros físicos dimensionales que intervienen en la descripción de los fenómenos electroquímicos que tienen lugar en la celda de la batería. Después, como prueba de concepto de la metodología, se consideran dos casos de aplicación. En primer lugar, para demostrar la eficacia del procedimiento propuesto, se revisa el análisis de electrodos de grafito realizado por Malifarge y col. [Malifarge et al. 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] para confirmar que los parámetros adimensionales (de las semiceldas de grafito analizadas en el estudio) son capaces de anticipar los resultados anunciados en su trabajo [Malifarge et al. 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] con un coste insignificante (en términos temporales, económicos y computacionales). En segundo lugar, se calculan las propiedades características de una batería de polímero híbrido sólido presentada por Park y col. [Park et al. 2018 Solid State Ionics 315 65–70]. Mediante el análisis de los parámetros adimensionales resultantes, se realiza la identificación de los principales fenómenos físicos que limitan la batería. Como demostración de la metodología propuesta, se verifican numéricamente los mecanismos limitantes identificados y predichos por el análisis adimensional.
Después, se analizan detenidamente los mecanismos limitantes de un prototipo de celda de electrolito sólido desarrollado y manufacturado en CIDETEC. Los resultados experimentales confirman las predicciones realizadas por el análisis adimensional. Para ello, se fabrica en CIDETEC una tecnología de electrolito sólido de referencia basada en óxido de polietileno. Tras la parametrización completa de la celda, se calculan los parámetros adimensionales. Con los valores resultantes, se proponen nuevas configuraciones de diseño de las celdas, que se validan contra los códigos numéricos primero y experimentalmente mediante la fabricación de los nuevos componentes de las celdas y su ensayo posterior en el laboratorio.
Finalmente, se analiza en detalle la identificabilidad del coeficiente de difusión en la fase electrolítica y se deriva una metodología de parametrización mejorada respecto al estado del arte. Así, la novedosa metodología desarrollada explota el comportamiento no lineal de la dinámica de la celda de Li-Li resolviendo el modelo numéricamente y se aplican técnicas de reducción de orden para reducir el coste computacional del mismo. Para ello, se han implementado técnicas de Descomposición Ortogonal Propia y Método de interpolación empírica discreta que garantizan una elevada precisión del modelo. La metodología de identificación resultante es capaz de reducir significativamente el esfuerzo experimental necesario para caracterizar las propiedades de transporte dependientes de la concentración del electrolito en comparación con el enfoque más avanzado, ya que el modelo conserva las no linealidades y, por tanto, se pueden aplicar condiciones de pulso más amplias, garantizando la identificabilidad
Fundamental polymer physics applied to advanced problems in active matter and biological systems
No full text1.1 Introducción
Los polímeros son parte fundamental de nuestra vida actual. El amplio rango de aplicabilidad y la enorme variedad de estructuras y propiedades que presenta confiere a estas macromoléculas una importancia notoria. El estudio y entendimiento de los polímeros ha sido crucial para desarrollar nuevos materiales y comprender múltiples procesos biológicos. Si en la segunda mitad del siglo XX se establecieron las bases de la física de polímeros, este siglo se presenta con una perspectiva más específica para aplicar el conocimiento teórico adquirido a sistemas más concretos. De especial importancia es la interdisciplinariedad y la colaboración con otros campos del conocimiento en los que un entendimiento teórico se manifiesta clave. En esta línea, podemos encontrar gran cantidad de ejemplos en la biofísica.
La biofísica es una rama de las ciencias muy activa con una gran variedad de aplicabilidad y puntos de vista distinto, aunando física, biología, bioquímica, y matemáticas entre otras disciplinas. En particular, la ciencia de polímeros aparece como un apoyo de gran relevancia debido a la enorme presencia de biomoléculas que pueden ser descritas y estudiadas utilizando herramientas de la física de polímeros: filamentos, proteínas, ARN, ADN... Dentro de la biofísica, en esta tesis quiero destacar la materia activa, y la separación de fases líquido-líquido. La materia activa es un área de conocimiento que ha entrado en ebullición en los últimos 30 años, aunque su aplicación en la física de polímeros apenas está comenzando más recientemente. En este sentido, el estudio de polímeros activos emerge como un campo fértil en el que los conceptos de materia activa y física de polímeros pueden encontrar un punto de unión y nutrirse mutuamente. Además, las utilidades y el ámbito de aplicación son casi infinitas yendo desde el desarrollo de materiales autoreparables, hasta aplicaciones en medicina y por supuesto para entender el movimiento de múltiples sistemas vivos. El otro subcampo que quiero destacar en esta tesis es la separación de fases, y más concretamente la separación líquido-líquido. Este proceso es de vital importancia para el correcto funcionamiento y organización del material celular. Además, los condensados que se forman tanto en el citoplasma como en núcleo, están formados principalmente por proteínas y ARN que se pueden estudiar en ambos casos desde la perspectiva de física de polímeros.
1.2 Objetivos
El objetivo de esta tesis es precisamente tender puentes entre las áreas de conocimiento mencionadas, desde una perspectiva teórica, utilizando simulaciones por un lado y las herramientas matemáticas empleadas en física de polímeros por otro. Concretamente, se han abordado problemas fundamentales en polímeros activos, y más específicos en separación de fases en biomoléculas. Los objetivos de esta tesis se pueden agrupar de la siguiente manera:
1. Estudiar la dinámica de polímeros enmarañados en el marco teórico de la teoría de tubo cuando están sujetos a fuerzas activas. En primer lugar empleamos la teoría de reptación o de tubo, para estudiar el comportamiento dinámico de polímeros enmarañados propulsados por una fuerza de deriva que actúa en la misma dirección que la reptación, calculando los observables más relevantes para dicha teoría. En segundo lugar, las predicciones de la teoría se van a verificar con simulaciones de dinámica Browniana y una modificación del modelo de Kremer-Grest en simulaciones de dinámica molecular.
2. Investigar la dinámica de polímeros lineales en condiciones diluidas bajo el efecto de una actividad polar. Por medio de simulaciones de dinámica molecular, estudiamos el impacto de dicha fuerza activa de carácter polar, tanto en la dinámica como en la conformación a lo largo de la cadena.
3. El tercer objetivo consiste en caracterizar la termodinámica, la cinética, y las propiedades viscoelásticas de biocondensados formados de proteínas con regiones intrínsicamente desordenadas que separan de fases en condiciones fisiológicas, utilizando simulaciones de dinámica molecular con modelos de grano grueso que son especialmente buenos para capturar el comportamiento de estos biocondensados. Además, también se explora el efecto de introducir hebras de ARN en las gotas debido a la afinidad físico-química de ambos componentes.
4. Por último, se estudia el envejecimiento de estos biocondensados empleando simulaciones multiescala desde el nivel atomístico hasta modelos de grano grueso. Gracias a esta aproximación al problema, podemos estudiar el impacto de transiciones líquido-sólido patológicas en las propiedades viscoelásticas, la forma del condensado y el efecto en la habilidad para separar de fases. También se investiga cómo se puede ralentizar la cinética del envejecimiento insertando RNA en los biocondensados.
1.3 Resultados
En relación a los objetivos presentados anteriormente, aquí se resumen los principales resultados punto por punto.
-Para estudiar la dinámica de polímeros activos entrelazados utilizando la teoría de reptación en primer lugar definimos el régimen en el que la actividad es significativa pero la isotropía del sistema se mantiene y por tanto la teoría de reptación original es aplicable. Calculamos dentro de ese límite los observables relevantes para la teoría incluyendo la función de supervivencia de tubo, el movimiento por segmentos, la función de correlación de vectores tangentes al contorno y el factor de estructura dinámico. Lo más destacable es el incremento de la difusión que es independiente del peso molecular, y la viscosidad que se reduce drásticamente con respecto al caso de polímeros enmarañados pasivos. Por último, empleamos simulaciones de dinámica Browniana y Molecular para verificar los resultados obtenidos analíticamente. En las simulaciones Brownianas, consideramos una cadena formada por monómeros unidos mediante muelles armónicos dentro de una representación del tubo virtual como una camino aleatorio (random walk) tridimensional y cuya evolución se lleva a cabo resolviendo el problema del primer paso (first passage problem) en una dimensión. Estudiamos dos formas de introducir la fuerza de deriva: 1) de forma homogénea en cada monómero apuntando hacia uno de los finales, 2) en el primer monómero arrastrando el resto de la cadena. En ambos casos hallamos un comportamiento similar al reportado con los cálculos analíticos, aunque las fluctuaciones de longitud del contorno permiten relajar más fácilmente a tiempos cortos. Por otro lado, las simulaciones de dinámica molecular permiten verificar la teoría analítica empleando un modelo más realista. En este caso, el tubo no es explícito sino que es el efecto de la presencia de otras cadenas, y la fuerza activa es introducida como una fuerza que actúa en la dirección de los enlaces adyacentes, dando resultados en la dinámica que verifican las predicciones de la teoría.
-Los polímeros activos lineales en condiciones diluidas son representados utilizando el mismo modelo de simulaciones de dinámica molecular que en el caso de polímeros entrelazados. De esta forma, podemos eliminar el efecto de los obstáculos en la dinámica y la conformación manteniendo la misma naturaleza de la fuerza activa. El carácter polar de la actividad, junto al hecho de explorar valores más altos, hacen que la conformación cambie radicalmente respecto a otros trabajos similares, y por supuesto respecto al caso en el que los polímeros se encuentran enmarañados. La difusión aumenta significativamente, pero además la dinámica de los monómeros a lo largo de la cadena se muestra distinta a tiempos cortos. Algo similar sucede con la conformación, ya que el tamaño de la parte final de la cadena se incrementa considerablemente mientras que la parte inicial en la dirección de la actividad se colapsa respecto al valor de equilibrio. Esta deformación resulta progresiva a lo largo del polímero, mientras que el tamaño global se reduce mostrando una disonancia entre el comportamiento local y el global. Para profundizar en la comprensión de la dinámica de cadenas con semiflexibilidad progresiva a lo largo del contorno, se desarrolla una teoría para polímeros semiflexibles que es generalizada y aplicada a distintos tipos de conformación. La teoría nos permite calcular el desplazamiento cuadrático medio, el factor de estructura dinámico, la relajación del vector end-to-end y la función de relajación de esfuerzo de cizalla. Aplicamos la teoría tanto a un caso con rigidez homogénea como rigidez variable a lo largo de la cadena, con conformación similar a la observada en el caso de polímeros activos diluidos. De hecho, demostramos que la teoría es suficientemente general como para poder describir a cadenas con distintas conformaciones de flexibilidad, restricciones de diedro e incluso sistemas activos como el estudiado por simulaciones.
-En el tercer objetivo, caracterizamos y estudiamos los biocondensados de proteínas con regiones intrínsecamente desordenadas por medio de simulaciones de dinámica molecular. En primer lugar llevamos a cabo un trabajo metodológico para estimar la viscosidad de condensados de proteínas intrínsecamente desordenadas probando distintos procedimientos. En concreto, estudiamos el rastreo de monómeros marcados, simulaciones de esfuerzo de cizalla y la función de correlación de relajación de esfuerzo, reportando este último método como el más adecuado para estimar la viscosidad de biocondensados. En segundo lugar, estudiamos el mecanismo de separación líquido-líquido por el cual se forman los biocondensados, calculando el diagrama de fases, la tensión superficial, el radio de giro y los mapas de contactos de distintas proteínas arquetípicas en separación de fases. Los resultados obtenidos nos permiten racionalizar el fenómeno de separación de fases. Además, estudiamos el efecto de introducir cadenas de ARN en dichos biocondensados en función de la concentración y longitud de las cadenas de ARN. Reportamos un efecto reentrante en la separación de fases, de forma que a bajas concentraciones de ARN mejora la habilidad para formar condensados mientras que a alta concentración se dificulta. Calculamos las propiedades viscoelásticas de dichos sistemas en presencia de ARN, reportando una bajada significativa en la viscosidad y aumento en la difusión en el régimen en el que la separación de fases se dificulta por la presencia de ARN.
1.4 Conclusiones
En general, esta tesis pretende abordar distintos problemas abiertos en ciencia de la materia condensada blanda desde la perspectiva de física de polímeros y empleando tanto métodos analíticos y de teoría, como simulaciones de dinámica Browniana y molecular. En primer lugar, hacemos un acercamiento a la materia activa estudiando polímeros activos, tanto diluidos como entrelazados. Demostramos que la teoría de reptación se puede emplear no sólo como fue concebida originalmente si no también en casos más generales como polímeros enmarañados con actividad. Además, las simulaciones (Brownianas y moleculares) nos permiten verificar los resultados de la teoría. Por otro lado, podemos utilizar metodología típica de física de polímeros para estudiar distintos aspectos de un problema más específico como es la separación líquido-líquido de proteínas. Las simulaciones de dinámica molecular nos permiten abordar este problema de gran relevancia y, utilizando herramientas propias de la física de polímeros, somos capaces de caracterizar y racionalizar este mecanismo tan útil para la organización y correcta funcionalidad de la célula. En conclusión, esta tesis ha sido concebida para tender puentes entre distintos la física de polímeros y otros campos como la materia activa y la biofísica a la vez que se demuestra el gran potencial que tiene no sólo la teoría si no también todo el formalismo que se ha utilizado típicamente en física de polímeros.
ABSTRACT
2.1 Introduction
Polymers play a crucial role in our current lifestyle. Macromolecules play a major role in a wide range of processes due to the enormous variety of shapes and properties they can adopt. The study and understanding of polymers has been essential for the development of new materials and the explanation of several biological processes. If in the second half of the twentieth century the basis of polymer physics was established, then in this century the perspective is more specifc to apply the theoretical knowledge to more particular systems. In this way, interdisciplinary collaboration with other science felds becomes fundamental in areas where theoretical insight is lacking. In particular, we can fnd different examples in biophysics. The physics of living systems or biophysics is a very productive area of knowledge with a huge applicability and very diverse perspectives from physics, biology, biochemistry or mathematics to mention a few. In particular, polymer physics arises as a very useful tool to further understand different problems in biophysics due to the huge amount of biomolecules that can be described as polymers: proteins, RNA, DNA, flaments, etc. In biophysics, in this thesis, I want to highlight active matter and liquid-liquid phase separation. The science of active matter has been very productive in the last 30 years, although the study of active polymers has just begun in recent years. Thus, the physics of active polymers emerge as a fruitful feld in which both active matter and polymer physics can meet and feed each other. Furthermore, the applications of this type of polymers are almost infnite, from the development and design of new biomaterials to applications in medicine (drug delivery, new therapies, etc.) and, of course, the understanding of the motion of several living systems. The other subfeld that we want to highlight in this thesis is phase separation, and more specifcally, liquid-liquid phase separation. This mechanism is decisive for the cell material to function and organize properly. Besides, the biomolecular condensades that form in both the cytoplasm and the nucleus of the cell are mostly made by proteins and ARN, which can be studied as polymers.
2.2 Objectives
The goal of this thesis is to abridge the distance between the areas of knowledge mentioned above, from a theoretical perspective, and to exploit both simulations and the characteristic mathematical tools of polymer physics. More precisely, we have tackled fundamental problems in active polymers and more concrete problems in phase separation of biomolecules. The objectives of this thesis can be enumerated as follows:
1. We aim to study the dynamics of entangled polymers using the theoretical framework of the classical tube or reptation theory, when these polymers are subjected to an active force. In the frst place, we employ the tube theory to understand the dynamical response of entangled polymers propelled by a drift acting along the contour, calculating the most relevant observables. In the second place, the predictions of our theory are verifed with Brownian dynamics simulations as well as a modifcation of the Kremer-Grest model in Molecular dynamics simulations.
2. Our second objective consists in investigating the dynamics of linear polymers in diluted conditions and dominated by a polar activity. By means of Molecular dynamics simulations, we study the impact of such polar activity on both the dynamics and the conformation along the chain.
3. In the third objective, we focus on characterising the thermodynamics, kinetics, and viscoelastic properties of biocondensates made by proteins that have intrinsically disordered regions and that are able to phase separate under physiological conditions. We employ coarse-grained models to simulate these proteins capturing the general behavior of this type of biomolecular condensates. In addition, we also explore the effect of adding RNA strands inside the droplets due to the physico-chemical affnity of these proteins with RNA.
4. Last but not least, we study the phenomenon of ageing of the biocondensates doing multiscale simulations from the atomistic level to coarse-grained models. As a result of this approach, we are able to study the impact of liquid-to-solid pathological transitions on the viscoelastic properties, the shape of the condensate and the ability to phase separate. We also investigate different routes to decelerate ageing by introducing RNA strands within the condensates.
2.3 Results
Based on the objectives proposed above, here we sum up the main results point by point.
-To study the dynamics of active entangled polymers, we frst set the range of activity values for which the reptation theory can be applied. We calculated all the functions relevant for the theory including the tube segment survival function, the segmental motion, the tangent-tangent correlation function and the dynamic structure factor. Our fndings showed that the diffusion of the center of mass becomes independent of the molecular weight, whereas the viscosity drastically decreases with respect to the passive case. Last, we employ both Brownian and Molecular dynamics simulations to verify the analytical results. In the Brownian dynamics simulations, we consider a linear chain composed of beads bonded by harmonic springs inside a 3-dimensional random walk that represents the virtual tube, but the system evolves in one dimension, and the reptation dynamics are revealed by numerically solving the frst-passage problem of the chain ends. We explore two ways of introducing the drift: 1) acting homogeneously on each bead and pointing to one of the ends in the one-dimensional representation; 2) considering only the frst monomer as active so it drags the rest of the chain. Both cases reproduce the behavior found on the analytical calculation, despite contour length fuctuations allowing the chain to relax more easily at short times. On the other hand, Molecular dynamics simulations serve as a proof to our system in a more realistic way. In this case, the tube is not an explicit representation, but the topological restraints arise because of the presence of other chains of the melt and the drift is introduced as a force acting in the direction of adjacent bonds, resulting in a similar dynamical response as in the theory.
-Active linear polymers in diluted conditions are studied with the same coarse-grained model used before for entangled polymers. In this way, the effect of the passive mesh on both the dynamics and the static properties can be discarded while keeping the same active force. The polarity of the activity yields a radically different conformation from those of similar works and the system of entangled polymers. Diffusion is signifcantly enhanced, but the dynamics of the beads along the chain also becomes different at short distance and time scales. A similar effect is observed with the conformation, since the tail of the chain swells considerably, whereas the head segments collapse. The progressive local deformation contrasts with the global molecular size that typically diminishes. To further understand the dynamics of linear polymers with varying degree of stiffness along their contour, we develop a theory that allows us to calculate the mean squared displacement, the dynamic structure factor, the end-to-end relaxation function, and the shear stress relaxation function. This theory is conceived to study polymers with different conformations, focusing on the case of homogeneous semifexibility and also variable stiffness along the chain, similar to the structure observed in active diluted linear polymers. In fact, we demonstrate that the theory is general enough so that it can be used to describe linear chains with different stiffness confgurations, dihedral constraints, or even to study polymers with intrinsic active forces.
-In the third objective, we characterise and study by means of Molecular dynamics simulations biomolecular condensates of proteins that have intrinsically disordered regions. First, we performed a methodological work to estimate the viscosity of these condensates by testing different procedures. In particular, we compare the bead tracking technique, shear deformations simulations, and the shear stress correlation function, fnding that the latter is the most suitable for our purpose. Second, we study the liquid-liquid phase separation mechanism that sustains the biocondensates. We calculate the phase diagram, the interfacial tension, the radius of gyration, and the contact maps of different archetypical proteins in phase separation. The results obtained contribute to rationalizing the phase separation phenomenon. Furthermore, we study the effect of introducing RNA strands within the condensates as a function of both concentration of RNA and strand length. We report a reentrant behavior in phase separation where at low RNA concentrations the formation of condensates is enhanced, whereas it is inhibited at higher concentrations. We calculate the viscoelastic properties of the systems in the presence of RNA, reporting a signifcant decrease of viscosity and a huge enhancement of diffusion when the RNA makes the condensates more unstable.
-In the last objective, we aim to tackle the problem of condensate ageing using multiscale simulations. We start by calculating by means of atomistic simulations the energy cost of dissociating a peptide from a cluster when it is either structured or disordered, reporting a signifcant increment for the crystaline cluster. We translate this enhancement to our coarse-grained model by increasing the corresponding interaction according to the atomistic study. We allow for the evolution of the system by introducing a dynamical algorithm that changes the interactions as describ
Efecto de diferentes sistemas de manejo de malas hierbas sobre la composición, diversidad y estructura funcional de las comunidades arvenses en viñedos mediterráneos
No full textEn las últimas décadas, el manejo convencional de malas hierbas en viñedos mediterráneos se ha basado en el uso recurrente de operaciones mecánicas (laboreo) y/o químicas (herbicidas) con el fin de mantener el suelo desnudo (libre de vegetación) durante la mayor parte del ciclo vegetativo del cultivo. El uso sostenido de estos manejos ha causado en muchas ocasiones graves problemas ambientales, como la erosión del suelo o la pérdida de biodiversidad. En particular, el empleo de estos manejos ha provocado en muchos agroecosistemas una disminución drástica de la diversidad de flora arvense. Así, se ha observado un predominio de un grupo reducido de especies muy competitivas sobre una amplia gama de especies arvenses cuyas poblaciones están en declive, lo cual puede tener efectos negativos sobre la provisión de servicios ecosistémicos claves en agroecosistemas (e.g. polinización de cultivos).
En los viñedos, el uso de cubiertas vegetales ha surgido como la principal alternativa al manejo convencional de malas hierbas, habiéndose reportado una mejora en la provisión de diferentes servicios ecosistémicos, aunque generalmente también se ha asociado a una disminución del rendimiento del cultivo. Al mismo tiempo, los viñedos de la cuenca mediterránea, habitualmente cultivados en régimen de secano, están siendo sustituidos en los últimos años por viñedos de regadío, un fenómeno que se espera que aumente debido al cambio climático. Conocer en profundidad cómo las comunidades arvenses responden a cambios en el manejo de malas hierbas y la aplicación de riego es esencial para mejorar la sostenibilidad del cultivo de la vid. Además, es necesario explorar nuevas formas de manejo, que puedan servir de alternativa al manejo convencional. Partiendo de estas premisas, se diseñaron los dos ensayos que componen esta tesis, ambos efectuados en viñedos de la Comunidad de Madrid: (A) un ensayo a largo plazo (2008-2018) en el que se contrastaban tres manejos de malas hierbas (herbicida, laboreo, siega) y dos posiciones según hubiera riego (línea) o no (calle), con el fin de analizar su efecto sobre la composición, la diversidad taxonómica, la diversidad funcional y la estructura funcional de las comunidades arvenses, midiendo además el rendimiento del viñedo; y (B) un ensayo que incluía diferentes acolchados vivos (living mulches) en las líneas del viñedo, con objeto de valorar si su uso podría servir para suprimir el desarrollo de malas hierbas especialmente perjudiciales sin comprometer el desarrollo óptimo del viñedo.
El diseño experimental del ensayo A fue de bloques al azar con cuatro repeticiones, incluyendo cuatro sistemas de manejo: S1) laboreo en calle, herbicida en línea; S2) laboreo en calle y línea; S4) siega en calle, herbicida en línea; y S5) siega en calle y línea. Durante el periodo 2015-2018 se llevaron a cabo muestreos sistemáticos de las comunidades arvenses. De todas las especies muestreadas, se seleccionaron 29 especies herbáceas con una presencia significativa. Posteriormente se recopilaron datos sobre 10 rasgos funcionales relacionados con la respuesta de las plantas ante el manejo agrícola: cinco rasgos vegetativos (e.g. altura de la planta, área foliar específica) y cinco rasgos reproductivos (e.g. peso de la semilla, duración del periodo de floración). A partir de los datos de campo y los datos recopilados, se analizó el efecto del manejo de malas hierbas y el riego sobre diferentes aspectos de las comunidades arvenses: 1) la composición de dichas comunidades, poniendo el foco en dos grupos, malas hierbas perjudiciales para la vid (NGW) y especies de pastizales terofíticos (TGS); 2) la diversidad taxonómica de las comunidades arvenses, midiendo la diversidad beta (β), la equidad (J’) y la riqueza específica (S). Se midió también el rendimiento del viñedo, con el fin de analizar la relación entre diversidad taxonómica y la producción agrícola. Además, se exploró el porcentaje de suelo desnudo, relacionado con el grado de perturbación asociado a cada manejo, como un potencial predictor de la diversidad taxonómica y del rendimiento del viñedo; 3) la estructura funcional de las comunidades arvenses, en base a la media ponderada de la comunidad (CWM) de los 10 rasgos funcionales recopilados, realizando posteriormente análisis RLQ y fourth-corner para establecer la relación entre rasgos y prácticas agrícolas. Además, mediante un análisis clúster, se pudieron conformar diferentes grupos funcionales, viendo su asociación con el manejo de malas hierbas y el riego; y posteriormente se examinó la similitud entre la estrategia de Grime y la estructura funcional de las comunidades arvenses; 4) las tres dimensiones básicas de la diversidad funcional: la riqueza funcional, la equidad funcional y la divergencia funcional. Así, a partir de los 10 rasgos funcionales se midieron diferentes índices de diversidad funcional (FRic, FEve, RaoQ). Posteriormente, se utilizaron modelos nulos (null models) para calcular dos nuevos índices (ES Fric, ES RaoQ). Los valores de ES RaoQ se usaron para detectar procesos de convergencia y divergencia de rasgos.
El diseño experimental del ensayo B consistió en bloques al azar con cuatro repeticiones y seis tratamientos, que incluyen dos controles: i) control sin tratar (UC, del inglés untreated control); ii) control libre de malas hierbas (WC, del inglés weed control); y cuatro acolchados vivos bajo las líneas del viñedo: iii) Festuca ovina (FO); iv) Pilosella officinarum (PO); v) Plantago coronopus (PC); y vi) Plantago lanceolata (PL). Este ensayo se llevó a cabo durante tres años en dos fincas experimentales, en las que se monitorizó: a) el porcentaje de cobertura de los acolchados vivos, como posible predictor del éxito de estos acolchados en la supresión de especies arvenses; b) la densidad de especies arvenses y la biomasa de las mismas, con especial atención a las malas hierbas perjudiciales para el viñedo (e.g. Erigeron canadensis); y c) el peso de la madera poda, el cual se midió únicamente en el último año para analizar el efecto acumulativo de los diferentes tratamientos sobre el crecimiento vegetativo de la vid.
En base a los resultados obtenidos, se pueden extraer varias conclusiones. En primer lugar, que la composición de las comunidades arvenses se vio afectada por el manejo de malas hierbas y, en menor medida, por el uso de riego. Así, las malas hierbas NGW fueron más abundantes en las líneas tratadas con herbicida, mientras que las especies TGS prevalecieron en las calles segadas. Respecto a la diversidad taxonómica, la siega favoreció comunidades más ricas en especies y más homogéneas, con una β-diversidad significativamente más baja que el laboreo y el herbicida. Las calles segadas, dominadas por Medicago minima, mostraron los valores más bajos de equidad taxonómica. Además, el porcentaje de suelo desnudo resultó ser un buen predictor tanto de la diversidad taxonómica como del rendimiento del viñedo, de forma que una mayor riqueza específica se asoció con menores porcentajes de suelo desnudo (subplots segados), mientras que los valores más bajos de riqueza específica se encontraron en zonas con un alto porcentaje de suelo desnudo (subplots labrados). Los subplots tratados con herbicida mostraron valores intermedios de suelo desnudo y una riqueza específica dependiente del manejo adyacente. Por otra parte, el rendimiento del viñedo fue mayor cuanto mayor era el porcentaje de suelo desnudo. De este modo, los sistemas de manejo con calles labradas (S1, S2) mostraron altos rendimientos, mientras que los sistemas de manejo con cubiertas segadas en las calles (S4, S5) mostraron los rendimientos más bajos, si bien su producción estuvo dentro del límite máximo establecido por el Consejo Regulador de la DOP "Vinos de Madrid".
El laboreo y la siega fueron los principales factores que condicionaron la estructura funcional de las comunidades arvenses. En general, el manejo de malas hierbas afectó significativamente a rasgos relacionados con la economía de la hoja (e.g. área específica foliar) y a ciertos rasgos regenerativos, mientras que el riego influyó en rasgos relacionados con el tamaño de la planta. Los rasgos fenológicos (e.g. inicio de la floración) se revelaron como un factor importante para entender la respuesta de las comunidades arvenses a las prácticas de manejo agrícola. Se identificaron hasta cinco grupos funcionales asociados a estas prácticas. Asimismo, se observó una relación coherente entre la estructura funcional de las comunidades arvenses, el manejo agrícola y la estrategia CSR: el riego favoreció la presencia de especies con una estrategia más competidora, la siega la presencia de especies con mayor tolerancia al estrés y el laboreo la de especies típicamente ruderales.
El manejo de malas hierbas y el riego tuvieron también un efecto significativo sobre la diversidad funcional de las comunidades arvenses. Por ejemplo, la siega resultó en una mayor riqueza funcional, aunque también actuaba como un fuerte filtro funcional para la mayoría de los rasgos estudiados, provocando que fueran funcionalmente convergentes. El laboreo filtró algunos rasgos vegetativos, al tiempo que favorecía la divergencia de ciertos rasgos reproductivos. El tratamiento herbicida causó los valores más altos de divergencia funcional al promover la presencia de especies más competitivas, las cuales presentan los valores más divergentes para algunos rasgos. La aplicación de riego en las líneas del viñedo dio lugar a procesos de divergencia funcional en aquellos rasgos vegetativos relacionados con la adquisición de recursos, así como en el peso de la semilla. Estos resultados indican que una mayor diversidad funcional (estimada habitualmente mediante RaoQ) puede estar asociada a la presencia de especies más competitivas (e.g. Convolvulus arvensis, Sonchus asper) con valores más extremos para algunos rasgos funcionales. Dado que estas especies se consideran perjudiciales para muchos cultivos, una mayor diversidad funcional podría no ser un indicador deseable en agroecosistemas.
Finalmente, esta disertación ha puesto de manifiesto que los acolchados vivos con altos índices de cobertura (promedio superior al 70 %) fueron efectivos en la supresión de especies arvenses (hasta el 95 %), particularmente alguna tan perjudicial para la vid como E. canadensis. No se encontró ningún efecto significativo de los diferentes tratamientos sobre el crecimiento vegetativo de la vid, aunque serían necesarios más estudios al respecto. De acuerdo a estos resultados, se podría afirmar que los acolchados vivos bajo la vid suponen un método eficaz y respetuoso con el medio ambiente para el control de malas hierbas en los viñedos mediterráneos, siempre que se pueda aplicar riego en la línea.
ABSTRACT
In recent decades, conventional weed management in Mediterranean vineyards has been based on the recurrent use of mechanical (tillage) and/or chemical (herbicides) operations in order to keep the soil bare (free of vegetation) during most of the crop growing cycle. The persistent use of such management has often caused serious environmental problems, such as soil erosion or biodiversity loss. In particular, the use of such management has led in many agroecosystems to a drastic decrease in the diversity of arable flora. Thus, a dominance of a small group of highly competitive species has been observed over a wide range of species whose populations are declining, which can have negative effects on the provision of key ecosystem services in agroecosystems (e.g. crop pollination).
In vineyards, the use of plant covers has emerged as the main alternative to conventional weed management, and has been reported to improve the provision of different ecosystem services, although it has generally also been associated with a decrease in crop yield. At the same time, vineyards in the Mediterranean basin, usually rainfed, are being replaced in recent years by irrigated vineyards, a phenomenon that is expected to increase due to climate change. A thorough understanding of how weed communities respond to changes in weed management and irrigation application is essential to improve the sustainability of grapevine cultivation. Furthermore, it is necessary to explore new forms of management that could serve as an alternative to conventional management. Based on these premises, two studies were designed for this thesis, both conducted in vineyards in the Community of Madrid: (A) a long-term trial (2008-2018) in which three weed management methods were compared (herbicide, tillage, mowing) and two positions depending on whether there was irrigation (row) or not (inter-row), in order to analyse their effect on the composition, taxonomic diversity, functional diversity and functional structure of weed communities, also measuring vineyard yield; and (B) a trial including different living mulches in the vineyard rows, in order to assess whether their use could be applied to suppress the development of particularly noxious weeds without compromising the optimal grapevine development.
Trial A experimental design was randomised block with four replications, including four management systems: S1) tillage in inter-rows, herbicide in rows; S2) tillage in inter-rows and rows; S4) mowing in inter-rows, herbicide in rows; and S5) mowing in inter-rows and rows. During 2015-2018, plant surveys were systematically conducted. Of all the species sampled, 29 herbaceous species with a significant presence were selected. Subsequently, data were collected on 10 functional traits related to plant response to agricultural management: five vegetative traits (e.g. plant height, specific leaf area) and five reproductive traits (e.g. seed mass, duration of flowering period). Based on the field data and the data compiled, the effect of weed management and irrigation on different aspects of the plant communities was analysed: 1) plant community composition focusing on two groups, noxious grapevine weeds (NGW) and therophytic grassland species (TGS); 2) plant taxonomic diversity, measuring beta-diversity (β), evenness (J') and species richness (S). Vineyard yield was also measured in order to analyse the relationship between taxonomic diversity and crop production. In addition, the percentage of bare soil, related to the degree of disturbance associated with each management, was explored as a potential predictor of taxonomic diversity and vineyard yield; 3) functional structure of plant communities, based on the community weighted mean (CWM) of the 10 functional traits collected, followed by RLQ and fourth-corner analyses to establish the relationship between traits and agricultural practices. Furthermore, by means of a cluster analysis, different functional groups could be formed, looking at their association with weed management and irrigation; and subsequently the similarity between the CSR strategy and the functional structure of plant communities was examined; 4) the three basic dimensions of functional diversity: functional richness, functional evenness and functional divergence. Thus, different functional diversity indices (FRic, FEve, RaoQ) were measured on the basis of the 10 functional traits. Subsequently, null models were used to calculate two new indices (ES Fric, ES RaoQ). ES RaoQ values were used to detect trait convergence and divergence processes.
Trial B experimental design consisted of randomised blocks with four replications and six treatments, including two controls: i) untreated control (UC); ii) weed free control (WC); and four under-vine living mulches: iii) Festuca ovina (FO); iv) Pilosella officinarum (PO); v) Plantago coronopus (PC); and vi) Plantago lanceolata (PL). This trial was carried out for three years in two experimental farms, where we monitored: a) the percentage cover of the living mulches, as a possible predictor of the success of this method to suppress weeds; b) weed density and weed biomass, with special attention to noxious grapevine weeds (e.g. Erigeron canadensis); and c) pruning weights, which were measured only in the last year to analyse the cumulative effect of the different treatments on the grapevine vegetative growth.
Based on the results obtained, several conclusions can be drawn. Firstly, plant community composition was affected by weed management and, to a lesser extent, by the use of irrigation. Thus, NGW species were more abundant in the herbicide-treated rows, while TGS species were more prevalent in mown inter-rows. Regarding taxonomic diversity, mowing favoured richer and more homogeneous communities, with significantly lower beta diversity than tillage and herbicide. Mown inter-rows, dominated by Medicago minima, showed the lowest values of taxonomic evenness. In addition, the percentage of bare soil proved to be a good predictor of both taxonomic diversity and vineyard yield, such that higher species richness was associated with lower percentages of bare soil (mown subplots), while the lowest values of species richness were found in areas with a high percentage of bare soil (tilled subplots). Subplots sprayed with herbicide showed intermediate values of bare soil and a species richness dependent on the adjacent management. On the other hand, the higher the percentage of bare soil, the higher the vineyard yield. Thus, management systems with tilled inter-rows (S1, S2) showed high yields, while management systems with mown covers in the inter-rows (S4, S5) showed the lowest yields, although their grape production was within the maximum limit established by the Regulatory Council of the DOP "Vinos de Madrid".
Tillage and mowing were the main factors conditioning the functional structure of plant communities. In general, weed management significantly affected traits related to leaf economy (e.g. specific leaf area) and certain regenerative traits, while irrigation influenced traits related to plant size. Phenological traits (e.g. onset of flowering) were found to be a key factor in understanding the response of plant communities to agricultural management practices. Up to five functional groups associated with these practices were identified. A consistent relationship was also observed between the functional structure of plant communities, agricultural management and CSR strategy: irrigation favoured species with a more competitive strategy, mowing favoured species with higher stress tolerance and tillage favoured typically ruderal species.
Weed management and irrigation also had a significant effect on the functional diversity of plant communities. For example, mowing resulted in greater functional richness, but also acted as a strong functional filter for most of the traits studied, leading them to be functionally convergent. Tillage filtered out some vegetative traits, while favouring the divergence of certain reproductive traits. Herbicide treatment caused the highest values of functional divergence by promoting the presence of more competitive species, which have the most divergent values for some traits. The application of irrigation in vineyard rows resulted in functional divergence processes in those vegetative traits related to resource acquisition, as well as in seed mass. These results indicate that higher functional diversity (usually estimated by RaoQ) may be associated with the presence of more competitive species (e.g. Convolvulus arvensis, Sonchus asper) with more extreme values for some functional traits. As these species are considered detrimental to many crops, higher functional diversity may not be a desirable indicator in agroecosystems.
Finally, this dissertation has revealed that living mulches with high coverage rates (average over 70 %) were effective for weed suppression (up to 95 %), particularly for noxious grapevine weeds such as E. canadensis. No significant effect of the different treatments on the grapevine vegetative growth was found, although further studies are needed. Based on these results, it could be stated that under-vine living mulches are an effective and environmentally friendly method for weed control in Mediterranean vineyards, when irrigation can be applied on the rows
Characterization of the involvement of the plant cell wall and its derived compounds in the virulence of Dickeya dadantii 3937
No full textLas bacterias fitopatógenas representan importante problema para la agricultura y la seguridad alimentaria en todo el mundo, ya que afectan a una amplia gama de cultivos de elevada importancia económica. Para sobrevivir y hacer frente a las cambiantes condiciones ambientales, las bacterias han desarrollado mecanismos de percepción complejos que les permiten percibir señales tanto externas como internas. Gracias a los sistemas de transducción las bacterias son capaces de percibir las diferentes señales ambientales y, en consecuencia, de ajustar su comportamiento. La quimiotaxis es un sistema de transducción complejo, en el que la percepción de una molécula señal o ligando, genera una cascada de señalización intracelular que, en última instancia, deriva en el control del motor flagelar, permitiendo a la bacteria cambiar su dirección de movimiento.
Las proteínas que hacen posible el proceso de quimiotaxis se conocen como quimiorreceptores o MCPs (Methyl accepting Chemotaxis Proteins). Los ligandos percibidos por estas proteínas son diversos y de distinta índole, como oxígeno, oligosacáridos, aminoácidos o moléculas más complejas como los compuestos fenólicos.
Para llevar a cabo una infección exitosa, las bacterias fitopatógenas entran en el apoplasto de las plantas a través de heridas o de aperturas naturales. Los mecanismos de percepción, como la quimiotaxis, impulsan esta entrada y controlan la colonización del huésped vegetal. Sin embargo, para lograr esta entrada en el apoplasto, las bacterias, y los patógenos en general, han de superar la barrera que constituye la pared celular de la planta. La pared celular constituye el primer sitio de encuentro entre las plantas y sus patógenos microbianos, y es un componente esencial de las células vegetales que regula diversos procesos biológicos.
En esta tesis, hemos estudiado la importancia de la composición de la pared celular en el progreso de la infección bacteriana y el papel en la virulencia y la patogénesis de la percepción de compuestos derivados de la misma, utilizando la bacteria modelo Dickeya dadantii 3937. La enfermedad causada por esta bacteria tiene efectos significativos en diversos cultivos importantes a nivel global. Dd3937 es un necrótrofo agresivo que puede vivir como epífito hasta que las condiciones sean favorables para colonizar los tejidos de la planta y generar la infección. Posee un único clúster de quimiotaxis y 47 quimiorreceptores.
Hemos definido el perfil quimiotáctico de la bacteria y establecido que posee quimioatracción hacia compuestos derivados de la pared celular. Basándonos en análisis bioinformáticos, seleccionamos tres quimiorreceptores como candidatos putativos a estar involucrados en esta percepción.
De estos MCPs, caracterizamos un quimiorreceptor con dominio LBD de tipo NIT, Dd15070, que une nitrato y nitrito con más afinidad hacia nitrato. Esta caracterización, nos permitió desvelar el papel clave de la percepción de nitrato, no sólo para la entrada en el apoplasto de la planta, sino también para el éxito de la infección causada por esta bacteria. Análisis en la expresión génica mostraron que la percepción de nitrato controla no sólo la expresión de los genes de la enzima nitrato reductasa, implicados en los procesos metabólicos respiratorios y asimilatorios, sino también la expresión de gyrA, hrpN y bgxA, tres determinantes de virulencia bien conocidos en este patógeno. Este quimiorreceptor también está implicado en la quimioatracción hacia xilosa, aunque aún no se ha descrito el mecanismo específico de su función en este proceso.
El análisis de los quimiorreceptores Dd11740 y Dd11745 demostró que también están implicados en la quimiopercepción de xilosa, ya que los ensayos de quimiotaxis con las cepas mutantes para estos genes mostraron una quimiopercepción reducida hacia este compuesto y sus derivados. Los ensayos en plantas de Solanum tuberosum, demostraron que la cepa mutante 11740 tiene una entrada y virulencia reducida respecto a la cepa silvestre, lo que sugiere su implicación en la percepción de este monosacárido in vivo. La caracterización bioquímica de ambos quimiorreceptores mostró que la unión a estos compuestos podría ser indirecta con la participación de proteínas solubles específicas. Las SBPs, están implicadas en el transporte, proporcionando sustratos a los receptores transmembrana. En este trabajo, hemos caracterizado 2 SBPs (SBP-16305 y SBP-XylF) que unen xilosa. Las cepas mutantes en estos SBPs están alteradas en su quimiotaxis hacia xilosa y están deterioradas en su capacidad para entrar en el apoplasto de la planta, lo que sugiere que participan en la percepción de este monosacárido.
Además, hemos analizado la respuesta a la infección causada por Dd3937 de un conjunto de mutantes de Arabidopsis thaliana previamente caracterizados, afectados en la pared celular. Los resultados apuntan a un papel relevante de la composición de la pared celular en la resistencia frente a este patógeno, sugiriendo que los componentes y estructura de la pared celular, que son la diana de las enzimas pectolíticas, determinan en gran medida el éxito de la infección y que a la vez podrían ser una fuente de quimioefectores percibidos por la bacteria en su entrada a la planta.
En general, este trabajo de investigación ha contribuido a aumentar el conocimiento sobre la quimiotaxis de Dd3937 durante la infección, desvelando el papel de la pared celular de la planta como fuente de quimioatrayentes que impulsan el proceso de entrada en el apoplasto. Además, hemos iniciado la caracterización de dos quimiorreceptores implicados en la percepción de xilosa y hemos establecido que la quimiotaxis hacia este monosacárido podría ser indirecta y estar mediada por proteínas solubles. En el transcurso de esta investigación, también hemos caracterizado un quimiorreceptor que podría estar implicado indirectamente en la quimiotaxis hacia xilosa y que une directamente nitrato y nitrito. La función de este quimiorreceptor es esencial para el desarrollo de una exitosa virulencia en plantas de patata, sugiriendo que la percepción de nitrato tiene un papel relevante durante el proceso de infección para esta bacteria.
ABSTRACT
Phytopathogenic bacteria, are a major issue for agriculture and food security worldwide, affecting a wide range of different and economically important crops. To survive and cope with the changing environment, bacteria have evolved complex perception mechanisms to track external and internal conditions. Signal transduction systems, enable bacteria to sense environmental signals and adjust cellular behavior in response to these cues. The chemotaxis system is a complex signal transduction system, that allows bacteria to perceive and respond to these cues. The perception of a signal generates an intracellular signalling cascade that ultimately derives in the control of the flagellar motor, allowing the bacteria to change its movement direction.
The proteins that make this perception process possible are known as chemoreceptors or Methyl accepting Chemotaxis Proteins (MCPs) and they constitute the initial step of the chemotaxis system. The ligands perceive by these proteins are diverse and of different nature, such as oxygen, oligosaccharides, amino acids or more complex molecules like phenolic compounds.
To conduct a successful infection, phytopathogenic bacteria enter into the plant apoplast through wounds or through natural openings. The perception mechanisms, like the chemosensory pathway drive this entry and control the colonization of the plant host. However, to achieve this entry into the plant apoplast, bacteria, and pathogens in general, must overcome the plant cell wall. The cell wall is often the initial site of encounter between plants and their microbial pathogens, and it is an essential component of plant cells that regulates diverse biological processes.
In this thesis, we have studied the importance of the cell wall composition in the progress of bacterial infection and the role in virulence and pathogenesis of the perception of plant cell wall derived compounds, using the model bacteria Dickeya dadantii 3937. The disease caused by this bacterium affects a wide range of important crops, having a significant economic impact. Dd3937 is an aggressive necrotrophic that can live as an epiphyte until the conditions are favorable to colonize the plant tissues and generate the infection. Dd3937 possess one chemotaxis cluster and 47 chemoreceptors.
We have defined the chemotactic profile of the bacterium, unveiling the chemoattraction towards cell wall-derived compounds. Based on bioinformatics analysis we have selected we selected three chemoreceptors as putative candidates to be involved in this perception.
From the selected MCPs, we have characterised a NIT sensor domain containing chemoreceptor, Dd15070, that binds nitrate and nitrite with a slight ligand preference for nitrate, that allowed us to unveil the key role of nitrate sensing not only for the entry to the plant apoplast through wounds but also for the infection success. Gene expression analysis showed that nitrate perception controls not only the expression of nitrate reductase genes involved in respiratory and assimilatory metabolic processes, but also the expression of gyrA, hrpN and bgxA, three well known virulence determinants in Dd3937. This chemoreceptor is also involved in the chemoattraction to xylose although the specific mechanism of its function in this process has not yet been described.
Chemoreceptors Dd11740 and Dd11745 have shown to also be involved in xylose chemoperception, since chemotaxis assays with the mutant strains displayed reduced chemoperception to this compound and its derivatives. Plant assays in Solanum tuberosum, have shown that mutant 11740 is impaired in entry and virulence respect to the wild type strain suggesting its involvement in perception of this monosaccharide in vivo. The biochemical characterization of both chemoreceptors showed that binding to the chemoeffectors might be indirect with the involvement of specific soluble proteins. SBPs, are involved in transport, providing substrates to transmembrane receptors. In this work, we have characterised 2 SBPs (SBP-16305 and SBP-XylF) that bind to xylose. The mutant strains in these SBPs are altered in chemotaxis to xylose and are impaired in entry to plant apoplast which suggest their participation in the chemoattraction process to this monosaccharide.
Furthermore, we have analysed the response to Dd3937 infection of a previously characterized set of cell wall Arabidopsis thaliana mutants. Results point to a relevant role of the cell wall composition in the resistance to this necrotroph pathogen suggesting the adaptation of the pathogen to a specific cell wall structure which is the target of pectolytic enzymes and might be the source of chemoeffectors driving the entry process.
Overall, this research work has contributed to increase the knowledge regarding Dd3937 chemotaxis during the infection of plant host unveiling the role of the plant cell wall as a source of chemoattractants driving the entry process to the apoplast. Moreover, the characterization of specific chemoreceptors involved in this process has allowed us to propose the implication of solute binding proteins in the perception of xylose. Furthermore, during the course of this research, we have characterized a chemoreceptor that might be indirectly involved in the chemotaxis to xylose and directly binds nitrate and nitrite. The function of this chemoreceptor is essential for a full virulence in potato plants suggesting a relevant role of nitrate perception during Dd3937 infection process
Evaluación Ex Ante del Desarrollo Rural Sostenible mediante técnicas de minería textual y análisis del espacio rural de internet. Caso de estudio : comarcas rurales de la Comunidad de Madrid (España)
No full textEl interés por el concepto “Desarrollo Sostenible” ha ido creciendo en estos últimos años hasta llegar a adquirir una perspectiva de interés global. Sin embargo, los efectos globales necesitan de acciones locales y si bien a pequeña escala se está teniendo en cuenta la sostenibilidad en los proyectos, generalmente no se contempla el desarrollo sostenible de una manera integral. Es necesario tener un enfoque multidisciplinar de la sostenibilidad para poder alcanzar un Desarrollo Sostenible real, considerando los tres ejes de la sostenibilidad: social, económico y medio ambiental.
Por otra parte, el Desarrollo Sostenible no se puede enfocar de la misma manera en las zonas urbanas que en las zonas rurales. Las ciudades suelen estar más alejadas del medio natural y su economía está más vinculada al sector secundario y terciario. Las zonas rurales, por su parte, están más vinculadas al medio natural y su economía incluye el sector primario. Por tanto, es necesario diferenciar dos tipos de Desarrollo Sostenible (DS): el Desarrollo Urbano Sostenible (DUS) y Desarrollo Rural Sostenible (DRS).
Este trabajo se centra en la evaluación del DRS, que deberá tener en cuenta las particularidades generales de los territorios rurales y, por otro lado, aquellas que son propias del territorio de estudio. Antes de decidir qué políticas aplicar para avanzar en el DRS, es necesario realizar un diagnóstico del territorio rural para evaluar su estado y detectar necesidades, debilidades, amenazas, fortalezas y oportunidades. Además del diagnóstico DAFO, se debe realizar una evaluación ex ante del DRS. Existen distintos métodos para evaluar la sostenibilidad, que se pueden aplicar para evaluar el DRS, sin embargo, desde que la ONU presentó en 2015 la Agenda 2030, los diecisiete Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) se han convertido en una herramienta idónea para evaluar el DS a través del análisis de sus indicadores. Cada ODS cuenta con un conjunto de metas e indicadores que permiten medir su estado y su avance. Sin embargo, aunque estos indicadores son una buena herramienta para evaluar el DRS, su análisis es complejo y costoso, ya que se deben recopilar con conjunto amplio de datos para el cálculo de cada indicador. La precariedad económica de las zonas rurales no favorece a las posibilidades de realizar una evaluación previa de calidad que ayude a la toma de decisiones sobre qué proyectos o acciones son los más adecuados para avanzar en el DRS. Por esta razón, es necesario encontrar métodos más económicos que permitan aproximarse a la evaluación del DRS de los territorios que sean más sencillos, económicos y que ofrezcan información útil. En este trabajo se propone un modelo de análisis del DRS a través de los ODS en un utilizando fuentes de datos alternativas analizados con técnicas de Minería Textual. Estas fuentes son documentos de texto del territorio digitalizados y datos recogidos en el espacio rural de internet (ERI).
En el capítulo 3 se describe el proceso de análisis de documentos textuales con Minería Textual (MT) y las fuentes de información alternativas que se pueden utilizar. La MT es un proceso a través del cual se puede extraer conocimiento nuevo de documentos textuales que no aparece de manera explícita en su lectura. Esta técnica permite analizar fuentes de datos alternativas que siempre deben ser documentos con formato de texto. Los datos textuales se consideran información no estructurada, es decir no están organizados por variables en una base de datos, por tanto, la mayor dificultad que tiene este proceso es la limpieza y estructuración de dicha información para que sea fácilmente analizable. El proceso de MT se divide en dos fases: el preprocesamiento y las operaciones básicas de minería. En la primera fase, se limpian y ordenan los datos para que se puedan analizar. La segunda fase consiste en encontrar patrones en dichos datos ordenados. Las fuentes de información alternativas propuestas son: los documentos de texto vinculados al territorio y la información del espacio rural de internet.
En el capítulo 4 se describe el caso de estudio que son las tres comarcas rurales de la Comunidad de Madrid (España): La Sierra Norte, La Sierra Oeste y Las Vegas y la Alcarria de Alcalá. Dos de las comarcas son zonas de montaña, la Sierra Norte y la Sierra Oeste, mientras que la tercera es una comarca ubicada en una zona de vegas (Las Vegas y la Alcarria de Alcalá). Las tres comarcas reciben fondos de la Unión Europea para el desarrollo rural y parte de estos fondos pertenece a la Iniciativa LEADER, que gestiona fondos para el desarrollo rural participativo. Para recibir estos fondos, las comarcas rurales necesitan formar un Grupo de Acción Local (GAL), que es una asociación de los actores de los territorios enmarcados en la iniciativa LEADER. Los GAL son los encargados de elaborar una Estrategia de Desarrollo Local Participativo (EDLP) realizando dinámicas participativas con los distintos actores de la comarca.
Los documentos del territorio que se han analizado son: Las Estrategias de Desarrollo Local Participativos (EDLP) y el Espacio Rural de Internet (ERI) de dichas comarcas. Dentro del ERI se han analizado, por un lado, analizan las noticias de Google y, por otro lado, los grupos y páginas de Facebook.
En el capítulo 5 se describen los cuatro análisis de MT realizados. El primer análisis es la base de los demás análisis en el que se detectan las palabras clave de los ODS y se analizan las interacciones que existen entre los ODS. Para encontrar estas relaciones se analizan los documentos oficiales de sus metas. Dentro de estos documentos se seleccionan las palabras clave de cada ODS a través de cuatro métodos distintos. Estas palabras clave son las que permiten detectar las relaciones entre los objetivos y encontrar las palabras clave que se utilizarán en los análisis siguientes.
El segundo análisis, detecta la vinculación de los ODS con las EDLP de las tres comarcas rurales. Para conocer la presencia de estos ODS en los textos programáticos de las Estrategias Desarrollo Local Participativo (EDLP) se utilizan dos métodos, uno basado en el criterio de la autora de la investigación y otro basado en técnicas de MT. En el primer método, es la investigadora la que decide qué ODS está presentes en la EDLP. En el segundo se analizan los textos de las EDLP detectando la presencia de los ODS a través de sus palabras clave.
El tercer y cuarto análisis están relacionados con el Espacio Rural de Internet (ERI). Este espacio comprende todos los medios de comunicación e información de internet: las webs, la prensa digital, los buscadores y los medios sociales, etc. El análisis se ha desarrollado en dos partes: en primer lugar, el análisis de las noticias de Google y, en segundo lugar, el análisis de la participación en el medio social Facebook.
El análisis de las noticias permite conocer los hechos singulares, actividades o acontecimientos más destacados o extraordinarios ocurridos en un territorio. Este análisis es que ayuda a conocer mejor el territorio y su contexto. Las noticias a su vez se han vinculado con los ODS y de esta manera se puede identificar qué sucesos podrían tener relación con el DRS. Se han utilizado dos métodos de análisis complementarios: el primero, analiza la presencia de los ODS a través de sus palabras clave; y el segundo, clasifica las noticias en categorías basadas en las necesidades estratégicas de las EDLP en función de las palabras extraídas de las noticias y clasificadas por la autora de la investigación.
El análisis de la participación en Facebook analiza las páginas y grupos de la red social vinculados a las tres comarcas de estudio utilizando técnicas de Social Media Mining. En primer lugar, se extraen los grupos y páginas de cada uno de los municipios de las comarcas y a continuación se clasifican en categorías basadas en las necesidades estratégicas de las EDLP, que a su vez estarán asociadas a los distintos ODS. Este análisis permite conocer cuáles son los intereses de la población y ver qué utilidad tiene las páginas y grupos vinculados a las comarcas para el DRS.
En el capítulo 5 se presentan los resultados y la discusión de los cuatro análisis realizados. El resultado del análisis de las relaciones entre los ODS muestra que las relaciones entre los ODS son similares en los cuatro métodos utilizados para seleccionar las palabras clave de los ODS. Los objetivos más y menos conectados coinciden en los cuatro métodos. La representación de la red entre ODS permite visualizar además las relaciones específicas de cada Objetivo, permitiendo comprender mejor cuáles son los vínculos entre ellos. Conocer las relaciones entre los ODS puede ayudar a planificar mejor el DRS y elaborar políticas que afecten a varios objetivos. El ODS más conectados es el 2, hambre y agricultura sostenible; Los ODS menos conectados son el 7, energía sostenible; el 13, cambio climático; y el 16, justicia, paz y buena gobernanza.
El resultado del análisis de la vinculación de los ODS con las EDLP según el criterio de la autora de la investigación muestra que los objetivos con mayor presencia en las tres comarcas son: el ODS 8, sobre crecimiento económico y empleo digno; el ODS 11, sobre ciudades y comunidades sostenibles; y el ODS 9, sobre infraestructura, industria e innovación. Los objetivos con menor presencia son el ODS 1, sobre fin de la pobreza, el ODS 6 sobre agua y saneamiento; el ODS 14, sobre protección de ecosistemas marinos; y el ODS 17, sobre alianzas internacionales. Según el método de minería textual, el ODS 8 es también el que tiene mayor presencia y los ODS 9 y 11 se encuentran también en posiciones altas. Los objetivos con menor presencia por medio del método de minería textual coinciden con los que tenían valor nulo en el criterio de experto, pero en este caso aumentan algo su presencia. El análisis de minería textual permite encontrar relaciones menos evidentes. La combinación de los dos análisis permite tener una idea de cuáles son los ODS más y menos presentes en las estrategias, permitiendo planificar mejor el DRS.
El tercer análisis sobre las noticias de Google muestra que los objetivos más relacionados con ellas coinciden en las tres comarcas y son: el ODS 11, sobre ciudades y asentamientos sostenibles; el ODS 3, sobre sobre salud y bienestar; el ODS 2, sobre fin del hambre y agricultura sostenible; y el ODS 15, sobre conservación de ecosistemas terrestres. Los ODS menos presentes también coinciden en las tres comarcas siendo el ODS 7, sobre energía sostenible; el ODS 10, sobre igualdad; el ODS 13, sobre cambio climático; y el ODS 14, sobre protección de ecosistemas marinos. En el segundo método de análisis basado en las categorías de las necesidades estratégicas de las EDLP muestra que las noticias están relacionadas con estas categorías: administración local; cultura, ocio y deporte; patrimonio natural y medio ambiente; y sector agrario y agroalimentario. Las categorías menos frecuentes son: energía y minería; innovación, investigación y ciencia; empleo; y mujer y género. Estos resultados dan una idea sobre cuáles han sido las temáticas principales de los acontecimientos pasados de las comarcas. Aunque son los medios de comunicación los que deciden qué noticias publicar, y las temáticas más frecuentes son muy similares en las tres comarcas, las noticias divulgadas son sobre hechos, actividades o acontecimientos de interés, lo que no depende del tamaño del municipio, ni de la decisión del medio de comunicación.
El resultado del cuarto análisis sobre las páginas y grupos de Facebook permite conocer el grado y tipo de participación de las comarcas y sus municipios en la red social, clasificando las páginas y grupos de cada región en categorías basadas en las necesidades estratégicas vinculadas a su vez a los ODS. En general, la participación es mayor en municipios con más habitantes, sin embargo, existen excepciones de municipios pequeños con alta participación en la red. Las páginas y grupos son en su mayoría públicos y apenas existen grupos privados, por tanto, la participación está abierta a toda persona interesada. En cuanto a la clasificación las categorías de las necesidades estratégicas, hay un alto número de páginas y grupos sobre empresas y negocios, temas culturales, temas generales y de partidos políticos. Las páginas y grupos específicas de educación, empleo, sanidad, igualdad apenas están presentes, sin embargo, es posible que estos asuntos se traten en las páginas y grupos sobre temas generales y partidos políticos. El análisis nos da una idea de cuáles son los sectores de las comarcas rurales que participan más o qué colectivos de población se movilizan más para interaccionar con el mundo a través de esta red.
El capítulo 6 son las conclusiones generales del estudio, en el cual se ha realizado una evaluación ex antes del territorio a través de distintas fuentes de datos alternativas que se complementan y aportan información adicional para la evaluación previa del DRS. El análisis de las relaciones de entre los ODS, permite entender el funcionamiento del desarrollo sostenible de manera integral y como unos objetivos se relacionan con otros. Este resultada servirá de apoyo a la hora de planificar el DRS, permitiendo conocer cómo se pueden impulsar unos ODS a través de otros. El análisis de la EDLP permite entender cómo se plantea el DRS desde las estrategias y proyectos de desarrollo rural de las comarcas. El análisis de las noticias permite estudiar los hechos o acontecimientos más significativos que han ocurrido en un territorio, así como describir las particularidades del territorio. El análisis de la participación en Facebook nos permite entender las dinámicas de participación on line del territorio a través de los medios sociales. Toda esta información ayuda a tener una imagen del territorio más completa.
Como última reflexión consideramos que la población necesita tener más razones para quedarse a vivir en las zonas rurales, siendo sostenibilidad un conjunto multidisciplinar de razones, las cuales favorecerían al DRS y a fijación de población. La existencia de unos servicios básicos de calidad: tener un centro de salud, un colegio, una biblioteca, un transporte de calidad o buenas comunicaciones animan a la población a permanecer en el territorio. Los municipios rurales de mayor tamaño cuentan con más servicios, motivo por el cual han visto aumentar su población, mientras que los pueblos más pequeños continúan reduciendo el número de habitantes. Otra necesidad esencial es el acceso al empleo. En este sentido, las estrategias de desarrollo parecen estar bien enfocadas. Por otro lado, la cultura parece que es el ámbito con más movimiento por los resultados de las noticias y de la participación analizadas en Facebook. Esto es muy positivo, porque la cultura es un bien inmaterial muy importante para asentar la población al territorio, sobre todo para los más jóvenes, sin embargo, según las políticas más recientes no parece tan urgente actuar a este respecto. La energía es otro objetivo que aparece escasamente en todos los análisis. Aspecto que debe ser trabajado de manera independiente y paralelamente al resto de ODS, siendo un objetivo que debe lograrse a medio-largo plazo. En nuestra opinión, el DRS debería impulsar todos los ODS que afectan al ámbito rural, sin dejar ninguno atrás, bien actuando sobre ellos o bien actuando sobre otros como trampolín para alcanzarlos. Sin embargo, en cada territorio se debe crear una estrategia propia y por eso es necesario realizar una evaluación específica del DRS, apoyada en este tipo de herramientas, que permita conocer con detalle las particularidades del territorio.
ABSTRACT
Interest in "Sustainable Development" has been growing in recent years until it has acquired a global perspective. However, global effects require local actions and while on a small-scale sustainability is being considered in projects, sustainable development is generally not contemplated in an integral way. It is necessary to have a multidisciplinary approach to sustainability to achieve a real Sustainable Development, considering the three axes of sustainability: social, economic and environmental.
On the other hand, Sustainable Development cannot be approached in the same way in urban areas as in rural areas. Cities tend to be further away from the natural environment and their economy is more linked to the secondary and tertiary sector. Rural areas, on the other hand, are more linked to the natural environment and their economy includes the primary sector. Therefore, it is necessary to differentiate two types of Sustainable Development: Sustainable Urban Development and Sustainable Rural Development (SRD).
This work focuses on the evaluation of the SRD that must consider the general particularities of the rural territories and, on the other hand, those that are typical of the study territory. Before deciding what policies to apply to advance in the SRD, it is necessary to carry out a diagnosis of the rural territory to evaluate its state and detect needs, problems, and strengths, etc. There are different methods to assess sustainability, but since the UN presented the 2030 Agenda in 2015, with its seventeen Sustainable Development Goals (SDG), they are a good tool to evaluate this development, through the analysis of its indicators. The SDG are currently the main reference for Sustainable Development and each one has a set of targets and indicators that allow measuring their status and progress. However, although these indicators are ideal for evaluating the SRD, their analysis is complex and expensive, since there must be a broad set of data for each indicator that must be previously collected. The economic precariousness of rural areas does not favor the ability to carry out a prior evaluation of the quality SRD, which facilitates decision-making on which projects or actions are the most appropriate to advance in it. For this reason, it is necessary to find alternative methods or support tools to carry out the evaluation of the SRD, which are simpler, cheaper and that offer useful information for its evaluation. This paper proposes to analyze the SDG in a rural territory through alternative data sources. These sources consist of textual documents, whose analysis will be carried out by means of Textual Mining techniques.
Chapter 2 describes the process of analysis with Textual Mining (TM) and what are the alternative sources of information that can be used. TM is a process through which new knowledge can be extracted from textual documents that does not appear explicitly in their reading. This technique allows you to analyze alternative data sources that should always be documents with text format. Textual data is considered unstructured information, that is, it is not organized by variables in a database, therefore, the greatest difficulty that this process has is the cleaning and ordering of said information so that it is easily analyzed. The TM process is divided into two phases: preprocessing and basic mining operations. In the first phase, the data is cleaned and sorted so that it can be analyzed. The second phase is responsible for finding patterns in these ordered data. The alternative sources of information proposed are text documents linked to the territory and information from the rural area of the internet. The study has been carried out for the three rural regions of the Community of Madrid (Spain): The Sierra Norte, The Sierra Oeste and Las Vegas and the Alcarria de Alcalá. The documents that have been analyzed are: The Local Development Strategies (LDS) and the Rural Internet Space (ERI) of these regions. Within the ERI have been analyzed, on the one hand, analyze Google news and, on the other hand, Groups and Facebook pages.
Chapter 3 develops the case study of the three rural regions of the Community of Madrid (Spain). Two of the regions are mountain areas, the Sierra Norte and the Sierra Oeste, while the third is a region located in a riverside area (Las Vegas and the Alcarria de Alcalá). Each region has its own Local Action Group (LAG), which is an association of the actors of the territories that manages the participatory rural development funds of the European Union framed in the LEADER initiative. The LAGs are responsible for developing a strategy for the development of their territory by carrying out participatory dynamics with the actors of this space.
Chapter 4 describes the TM methodologies used to analyze alternative data sources. The first analysis that has been carried out has the mission of finding the relationships that exist between the SDG. To find these relationships, the official documents of your goals are analyzed. Within these documents, the keywords considered key for each SDG are selected through four different methods. These keywords are what allow to detect the relationships between the objectives. This analysis also allows us to find the keyword selection methodology that will be applied in the rest of the analyses.
In the second analysis, the link between the SDG and the development strategies of the three rural regions is detected. To locate the presence of these SDG in these strategies, the programmatic texts of the Local Development Strategies (LDS) are analyzed. To carry out this analysis, two methods are tested, one based on expert criteria and the other based on TM techniques. In the first method, the expert is the one who decides which SDG are present in the LDS. In the second, the texts of the LDS are analyzed, detecting the presence of the SDG through their keywords.
The third and fourth analyses use the information collected in the
SemanticWeb-Driven Terminology Generation : Enrichment and Representation
No full textTerminologies play a central role in many language technology solutions, but substantial manual effort still goes into the creation of such resources and, consequently, many of them are published in proprietary formats, which means that they are not easy to reuse in other applications. Automatic Term Extraction (ATE) tools help alleviate this cumbersome task. However, their results usually come in the form of plain term lists or unstructured data with limited linguistic information.
Initiatives such as the Linguistic Linked Open Data (LLOD) cloud foster the publication of language resources in open structured formats and their linking to other resources in the Semantic Web. In order to leverage the wealth of linguistic data in the LLOD cloud and speed up the creation of linked terminological resources, this thesis proposes a method to generate enriched domain-specifc terminologies directly from unstructured text, and to publish them in open and structured formats, following the Linked Data Principles. This methodology is exemplifed in TermitUp, a proof of concept composed of fve modules performing terminology extraction, terminology post-processing, terminology enrichment, term relation validation and RDF publication. As part of the pipeline implemented by this service, existing resources in the LLOD cloud are linked with the resulting terminologies, contributing in this way to the population of the LLOD cloud.
Nonetheless, existing formalisms to represent language resources in the Web of Data, such as SKOS and Ontolex, might not adequately capture the information contained in the terminologies that result from this method. Therefore, this thesis also proposes a comprehensive approach to represent terminologies in the machine readable-format of the Semantic Web, which improves the interoperability between terminological resources and opens up new possibilities yet to be discovered. After identifying the model requirements through a set of Competency Questions (CQs) derived from the analysis of terminological resources of varied scopes and domains, as suggested by the ontology development methodologies followed, this thesis presents the Termlex proposal as an extension of Ontolex that combines the conceptual structure of the SKOS model with the lexical information of Ontolex. Termlex proposes new classes and properties to cover specifc needs of terminological resources coming from a variety of approaches, which means that this model is not intended to be restrictive but complementary to other models.
Besides these two main contributions, this thesis also presents several side contributions focused on defnition extraction, term relation validation, and domainspecifc term relation extraction as additional enrichment efforts that are to be implemented in the next version of TermitUp, together with the publication of the resulting terminologies following the Termlex model.
RESUMEN
Las terminologías juegan un papel esencial en muchos procesos dentro del campo de las tecnologías del lenguaje pero, para crear este tipo de recursos, aún se requiere un esfuerzo manual considerable. Como consecuencia, muchos de estos recursos se publican en formatos propietarios que no son fáciles de reutilizar por otras aplicaciones, concretamente aquellas que realizan tareas de Procesamiento del Lenguaje Natural. Las herramientas de extracción automática de términos facilitan esta tediosa tarea. Sin embargo, sus resultados generalmente se presentan en forma de listas de términos simples o datos no estructurados con información lingüística limitada.
Iniciativas como la Nube de Datos Lingüísticos Enlazados Abiertos (LLOD cloud en inglés) fomentan la publicación de recursos lingüísticos en formatos estructurados abiertos y su enlazado con otros recursos de la Web Semántica. Con el f n de aprovechar la riqueza de datos lingüísticos en la LLOD cloud y acelerar la creación de recursos terminológicos enlazados, esta tesis propone un método para generar terminologías específicas de dominio enriquecidas directamente a partir de texto no estructurado y publicarlas en formatos abiertos y estructurados, siguiendo los Principios de los Datos Enlazados (Linked Data Principles). Este método se ejemplifica con TermitUp, una prueba de concepto compuesta por cinco módulos que realizan extracción, posprocesamiento y enriquecimiento de terminología, validación de relaciones terminológicas y publicación del recurso resultante en RDF. Durante este proceso, se enlazan los recursos de la LLOD cloud con las terminologías resultantes, impulsando el crecimiento de esta nube.
No obstante, los formalismos existentes para representar los recursos lingüísticos en la Web de Datos, como SKOS y Ontolex, en ocasiones no capturan adecuadamente la información contenida en las terminologías resultantes de este método de enriquecimiento. Como consecuencia, esta tesis también propone un modelo completo para representar terminologías de la Web Semántica que mejora la interoperabilidad entre los recursos terminológicos y abre nuevas posibilidades aún por descubrir. Tras identificar los requisitos del modelo a través de un conjunto de Preguntas de Competencia (Competency Questions en inglés) derivadas del análisis de recursos terminológicos de diferentes alcances y dominios, como lo sugieren las metodologías de desarrollo de ontologías que se han seguido, este trabajo presenta la propuesta Termlex. Esta propuesta se idea como una extensión de Ontolex que combina la estructura conceptual del modelo SKOS con la información léxica de Ontolex. En Termlex se proponen nuevas clases y propiedades que cubren necesidades específicas de recursos terminológicos creados de acuerdo a diferentes enfoques. Esta visión integrada resulta en un modelo flexible, que no pretende ser restrictivo sino complementario a otros modelos.
Además de estas dos contribuciones principales, esta tesis también presenta contribuciones adicionales centradas en extracción de definiciones, validación de relaciones terminológicas y extracción de relaciones terminológicas específicas de dominio, que se consideran esfuerzos de enriquecimiento adicionales. Estos enfoques se implementarán en la próxima versión de TermitUp, junto con la publicación de las terminologías resultantes según el modelo Termlex
Estudio de recurso y selección preliminar de las posiciones de los aerogeneradores en un parque eólico
No full textEste proyecto consiste en el estudio previo de la viabilidad de instalar un parque eólico en Burgos, España. Más concretamente se analizará la zona al este del municipio Sotillo de la Ribera.
Este análisis contará con un estudio técnico mediante el software WASP 10 y económico, utilizando el precio de la electricidad de los últimos años y estimaciones del presupuesto necesario.
Se dispondrán de los datos recogidos por la estación meteorológica del aeropuerto de Burgos, así como la información cartográfica del Instituto Geográfico Nacional.
Este proyecto indica la viabilidad de realizar un estudio más preciso en el área seleccionada.
Abstract
This project aims to assess the feasibility of installing a wind farm in Burgos, Spain.
Specifically, athorough analysis of the area to the east of the municipality of Sotillo de la Ribera will be conducted.
To accomplish this, a technical study will be carried out using the WASP 10 software, which will allow for an examination of various aspects related to wind energy.
Additionally, an economic study will be undertaken, taking into account electricity prices from recent years and estimations of the required budget. Data collected by the meteorological station at Burgos Airport, along with cartographic information provided by the Instituto Geográfico Nacional, will also be utilized in this analysis.
This project will serve as a foundation for determining the viability of conducting a more detailed studyin the selected are
Materiales tradicionales tecnológicos e innovadores como alternativa de una construcción sostenible
No full textLa construcción sostenible tiene como objetivo incorporar los conceptos generales de desarrollo sostenible en las prácticas de construcción convencionales. La rápida urbanización y el crecimiento de la población ha provocado un aumento vertiginoso del consumo de materiales de construcción
El aumento del consumo mundial de materiales de construcción ha dado lugar a emisiones igualmente importantes de contaminantes y desechos. Los costos ambientales de los materiales de construcción ocurren a lo largo de las actividades de su cadena de valor que van desde la extracción hasta la fabricación y el tratamiento después de la demolición.
En tal virtud, se han propuesto múltiples estrategias para reducir el impacto ambiental de los materiales de construcción, comenzando con el diseño de edificios.
Los edificios sostenibles se definen como edificios de alta calidad; duran más y cuestan menos de operar y mantener. Las principales ventajas de los edificios sostenibles son la protección de la salud humana y la minimización del impacto negativo en el medio ambiente.
De esta manera, se propone el uso de suelo estabilizado, método que consiste en mejorar las propiedades del suelo mediante la mezcla de otros materiales. Las mejoras incluyen aumentar la densidad, capacidad de carga, aumento de la resistencia del suelo, mayor rigidez, durabilidad, reducción de la plasticidad del suelo y reducir el potencial de hinchamiento/contracción
Una de las aplicaciones son los ladrillos de tierra comprimida estabilizada como una versión mejorada de la mampostería de tierra y un reemplazo duradero de los ladrillos de arcilla cocida.
La presente investigación aborda el estudio del comportamiento de materiales de suelo-cemento con incorporación de aditamentos como correctores orgánicos (aserrín, cáscara de arroz, cáscara de maní), materiales yeso y nanotubos de carbono, que mejoran las características mecánicas del material para ser utilizado en aplicaciones como: ladrillo de mampostería y ladrillo tejuela.
El proceso inicia con la localización de las minas y caracterización de materias primas, aplicando ensayos físicos, químicos y mineralógicos.
Empleando el ensayo de tracción indirecta o compresión diametral se identifica la mezcla óptima en las diferentes combinaciones, suelo-cemento a la cual se añade arena a fin de mejorar la matriz del material; y a estas combinaciones se incorpora los correctores orgánicos y nanotubos de carbono.
Los resultados de los ladrillos de mampostera con la mezcla suelo-cemento más aserrín en porcentaje de 10%, indican una resistencia a compresión simple de 3.95 MPa, superando la norma española UNE 41410 de acuerdo con la clasificación BTC 3, y respecto a su resistencia a la flexión se alcanzó 1.10MP cumpliendo la norma earth institute.
Las mezclas con correctores orgánicos (cáscara de arroz, cáscara de maní), yeso y nanotubos de carbono, fueron utilizadas para la elaboración de ladrillo tejuela, obteniendo los siguientes resultados a compresión simple: SC_CA una resistencia de 5.32MPa, la mezcla SC_CM obtuvo 6.22MPa y la combinación SC_Y alcanzó un valor de 7.84MPa, cumpliendo así con el marco normativo.
Del mismo modo estas mezcla cumple con su resistencia a la flexión de acuerdo con la normativa española, superando los 0.50 MPa.
Finalmente se elaboraron mezclas con incorporación de nanotubos de carbono en dos soluciones acuosas naftaleno sulfonato de sodio (NSS) y cloruro de calcio (CC), los resultados óptimos se obtuvieron con una adición de 1.5% y 0.5% de peso de nanotubos en cada solución respectivamente.
Los resultados a compresión simple en el ladrillo tejuela fueron 5.40 MPa y 6.41 MPa para las mezclas MWCNTs NSS y MWCNTs CC respectivamente, cumpliendo con solicitaciones de la normativa española. De igual manera su resistencia a la flexión se encuentra en promedio en un valor de 1MPa para ambas combinaciones.
ABSTRACT
Sustainable construction aims to incorporate the general concepts of sustainable development into conventional construction practices. Rapid urbanization and population growth has led to a vertiginous increase in the consumption of construction materials
Increased global consumption of building materials has led to equally significant emissions of pollutants and waste. The environmental costs of construction materials occur throughout the activities of their value chain that go from extraction to manufacturing and treatment after demolition.
As such, multiple strategies have been proposed to reduce the environmental impact of construction materials, starting with the design of buildings.
Sustainable buildings are defined as high-quality buildings; they last longer and cost less to operate and maintain. The main advantages of sustainable buildings are the protection of human health and the minimization of the negative impact on the environment.
In this way, the use of stabilized soil is proposed, a method that consists of improving the properties of the soil by mixing other materials. Improvements include increased density, bearing capacity, increased soil strength, increased stiffness, durability, reduced soil plasticity, and reduced swell/shrinkage potential.
One application is stabilized compressed earth bricks as an improved version of earthen masonry and a durable replacement for fired clay bricks.
The present investigation deals with the study of the behavior of soil-cement materials with the incorporation of additives such as organic correctors (sawdust, rice husks, peanut shells), plaster materials and carbon nanotubes, which improve the mechanical characteristics of the material to be used. in applications such as: masonry brick and tile brick.
The process begins with the location of the mines and characterization of raw materials, applying physical, chemical and mineralogical tests.
Using the indirect tensile or diametrical compression test, the optimal mixture is identified in the different combinations: soil-cement to which sand is added in order to improve the material matrix; and organic correctors and carbon nanotubes are incorporated into these combinations.
The results of the masonry bricks with the soil-cement mixture plus sawdust in a percentage of 10%, indicate a simple compression resistance of 3.95 MPa, exceeding the Spanish standard UNE 41410 according to the BTC 3 classification, and regarding its resistance. in bending, 1.10MP was reached, complying with the earth institute standard.
The mixtures with organic correctors (rice hulls, peanut shells), plaster and carbon nanotubes, were used for the elaboration of tile brick, obtaining the following results under simple compression: SC_CA a resistance of 5.32MPa, the SC_CM mixture obtained 6.22 MPa and the SC_Y combination reached a value of 7.84MPa, thus complying with the regulatory framework.
In the same way, these mixtures comply with their flexural resistance in accordance with Spanish regulations, exceeding 0.50 MPa.
Finally, mixtures were made with the incorporation of carbon nanotubes in two aqueous solutions of sodium naphthalene sulfonate (NSS) and calcium chloride (CC), the optimal results were obtained with an addition of 1.5% and 0.5% by weight of nanotubes in each solution. respectively.
The simple compression results in the tile brick were 5.40 MPa and 6.41 MPa for the MWCNTs NSS and MWCNTs CC mixtures respectively, complying with the requirements of the Spanish regulations. In the same way, its resistance to bending is found on average at a value of 1MPa for both combinations
Crossing scales in constitutive modelling for soft materials: A data-driven macro-micro-macro approach
No full textHyperelasticity is the standard framework used for characterizing the elastic response of elastomers, soft tissues, or rubber-like materials. This framework assumes the existence of a potential function that describes the stress-strain behavior of the material and guarantees conservation of energy by construction. Although there is an increasing number of hyperelastic models, a general classification might distinguish two different groups: 1) the so-called phenomenological models based on the mathematical theory of elasticity and 2) the structure-based models rooted on the physical theory, which include information about the material microstructure, e.g., that the structure of polymers is formed by long coiled macromolecules (chains) in a network that uncoil if subjected to stress in a entropy-dominated process. To obtain accurate predictions, phenomenological models require in general two experimental tests for calibration, either for the Ogden or Shariff model (parametric) or WYPiWYG hyperelasticity (data-driven). On the other hand, structure-based models require in general two or more experimental tests, despite containing information about the microstructure and accounting for multiple complex effects (chain constraining tubes, non-affinity. . . ). One of the typical exceptions is the eight-chain model by Arruda and Boyce, which requires just a tensile test for calibration because it is based on the first invariant (i.e. one experimental curve should be sufficient to characterize one scalar real-valued function).
Although simple to calibrate from a tensile test, and despite being derived from the sound statistical theory of polymers, both the neo-Hookean and the eight-chain model produce inaccurate results for test modes different from the tensile test. This inaccuracy in other tests might be unsatisfactory in multiple applications.
The objective of this thesis has been to employ data-driven techniques in the context of structure-based models to obtain physically interpretable models calibrated from a single test, like the eight-chain model, and capable of providing accurate predictions in all deformation modes. This approach has led to the characterization of the mechanical behavior of the polymeric chains at the microstructre from any single homogeneous experimental test at the continuum (macro) scale, resulting in what we have called a macro-micro-macro approach. The proposed model is calibrated with just a single experimental curve and produces very accurate results in all the modes of deformation (even in general biaxial tests) and for different materials: Treloar rubber, Kawabata rubber and Kawamura silicones. Additionally, our data-driven framework has allowed us to explore the fundamentals of the statistical theory of polymers questioning the affine stretch obtained from the right Cauchy-Green tensor in favor of a non-affine stretch measure obtained from the right stretch tensor. Indeed, we have proven that a neo-Hookean model using this stretch measure instead of the one derived from the Cauchy-Green tensor results in much better multiaxial predictions, and in the experimentally observed slope in Mooney plots. This new stretch measure has allowed us to propose a new simple parametric model characterized from a tensile test like the eight-chain model but, with accurate predictions in all the modes of deformation, including the near-locking region. Our data-driven framework has also been generalized for non-homogeneous experimental tests in what we have called a crossing scales methodology that comprises the idea of using information at multiple scales simultaneously and at convenience. This is in fact a general approach that we have also used to create an orthotropic phenomenological surrogate of the microstructure (an extension of the CLT for finite strains) and to reverse-engineer the twitch shape in the active contribution of rodent’s muscle from its total active force.
From the point leading to the end of this thesis, it is apparent that there are still multiple steps ahead which range from including more complex effects in datadriven structure-based modeling like damage, viscoelastic behavior or strain induced crystallization as well as applying the crossing scales methodology to modeling materials with multiple constituents like skin. The formulation of a complete statistical theory which accounts for both, the chain entropy, and the network entropy, may also be an interesting contribution derived from the inquires of this work that might help to better understand the behavior of polymeric materials in the whole range of deformations. Whereas not included in this thesis, we are currently pursuing such research topics.
RESUMEN
La hiperelasticidad es el método estándar para la caracterización de la respuesta elástica de tejidos biológicos o de materiales tipo goma. Esta metodología asume la existencia de una función potencial que describe la relación tensión-deformación de un material y garantiza de base la conservación de la energía. Aunque actualmente existe una cantidad creciente de modelos hiperelásticos, en una clasificación general se podrían diferenciar principalmente dos grupos: 1) los llamados modelos fenomenológicos, basados en la teoría matemática de la elasticidad y 2) los modelos basados en la estructura, fundamentados en la teoría física, que incluyen información sobre la microestructura del material, e.g., la estructura de los polímeros está formada por largas macromoléculas enrolladas (cadenas) dispuestas en una red que se desenrollan cuando están sujetas a una tensión en un proceso dominado por la entropía. Para obtener resultados precisos, los modelos fenomenológicos requieren, en general, de un mínimo de dos curvas experimentales para ser calibrados. Esto ocurre tanto para los modelos de Ogden y de Shariff (ambos paramétricos) como para la hiperelasticidad basada en WYPiWYG (fundamentada en datos). Por otro lado, los modelos basados en la estructura requieren, en general, dos o más curvas experimentales, a pesar de contener información sobre la microestructura y los múltiples efectos tenidos en cuenta (restricción transversal, no afinidad...). Una de las excepciones típicas es el modelo de Arruda y Boyce, que requiere un solo ensayo a tracción para ser caracterizado (i.e. una curva experimental debería ser suficiente para caracterizar una función de variable real).
Aunque fáciles de calibrar con un ensayo a tracción y a pesar de ser obtenidos de la consolidada teoría estadística de polímeros, tanto el neo-Hookean como el modelo de ocho cadenas producen resultados poco precisos en modos de deformación diferentes del ensayo de tracción. Esta falta de precisión en otros ensayos puede ser insatisfactoria en varias aplicaciones.
El objetivo de esta tesis ha sido emplear técnicas basadas en datos en el contexto de los modelos microestructurales, para así obtener modelos que sean físicamente interpretables y caracterizados desde el ensayo de tracción, como el modelo de ocho cadenas, y que produzcan predicciones precisas en todos los modos de deformación. Esta aproximación ha llevado a la caracterización mecánica del comportamiento de las cadenas de polímero en la microestructura a partir de cualquier ensayo experimental homogéneo en el continuo, resultando en lo que hemos llamado una aproximación macro-micro-macro. El modelo propuesto se caracteriza con sólo una curva experimental y produce resultados muy precisos en todos los modos de deformación (incluso en ensayos biaxiales genéricos) y para diferentes materiales: la goma de Treloar, la goma de Kawabata y las siliconas de Kawamura. Además, nuestra aproximación basada en datos nos ha permitido explorar los fundamentos de la mecánica estadística de polímeros, cuestionando el estiramiento afín obtenido a partir del tensor diestro de Green-Cauchy en favor del estiramiento no afín obtenido del tensor diestro de estiramientos. De hecho, hemos demostrado que un modelo neo-Hookean empleando esta medida de deformación en lugar de la que se deriva del tensor diestro de Green-Cauchy da lugar a mejores predicciones multiaxiales y a las pendientes de las gráficas de Mooney observadas experimentalmente. Esta nueva medida de deformación también nos ha permitido proponer un modelo paramétrico simple, caracterizado con un ensayo de tracción como en el modelo de ocho cadenas pero, con predicciones precisas en todos los modos de deformación, incluido el rango cercano al bloqueo. Esta aproximación basada en datos ha sido también generalizada para ensayos experimentales no homogéneos, a la que hemos llamado cruzando escalas, que comprende la idea de utilizar la información de múltiples escalas simultáneamente y a conveniencia. Este es de hecho un procedimiento general que hemos utilizado para crear modelos fenomenológicos que surrogan la microestructura (una extensión de la CLT para grandes deformaciones) y para obtener por ingeniería inversa la forma de la contracción nerviosa en la respuesta activa a partir de la fuerza activa total de su músculo.
Desde el punto que conduce al final de esta tesis, es aparente que quedan aún múltiples pasos por dar, que van desde incluir efectos más complejos en los modelos microestructurales basados en datos, como el daño, la viscoelasticidad o la cristalización producida por tensión, hasta aplicar la metodología cruzando escalas para modelar materiales con varios constituyentes, como ocurre por ejemplo con la piel. La formulación de una teoría estadística completa que incluya ambas contribuciones, la entropía de las cadenas y la entropía configuracional de la red, puede ser una aportación muy interesante que ayudaría a entender mejor el comportamiento de los polímeros en todo su rango de deformación. Aunque no están incluidos en esta tesis, ya estamos llevando a cabo investigación en estos temas
Interacción de recubrimientos bioinspirados de geometría variable con la capa límite de un fluido y su efecto sobre la resistencia viscosa en buques
No full textAny body moving in a fluid is affected by boundary layer phenomena, which always involve energy dissipation. In the case of a ship moving through the sea, this can mean that a mass of water up to a third of the total displacement can be attached to the hull. This phenomenon is exacerbated in merchant vessels travelling at low to moderate speeds. Reducing this added water mass will result in lower fuel consumption and therefore lower greenhouse gas emissions.
Sharks, which are excellent swimmers, have a skin made up of thousands of tiny scales, or denticles, with a complex geometry of channels and striations parallel to the direction of flow, varying in size and orientation on different parts of the body. The purpose of these denticles is to reduce viscous drag by controlling the flow characteristics on a microscopic scale and increasing the speed of the fish. This natural mechanism, suitably adapted to our manufacturing technologies, allows us to design new bio-inspired materials for use in marine applications, with the aim of reducing the viscous drag of the ship and thus reducing greenhouse gas emissions during navigation.
This work focuses on the study of the preparation of bio-inspired hybrid materials to be used as hull coatings in ships, and also on the development of an experimental methodology that allows, through the construction of a test channel and its instrumentation with auxiliary systems, to evaluate the effectiveness of the coating in reducing the viscous drag generated by the interaction with the fluid in motion. This new material consists of denticles produced by additive manufacturing. In order for the denticles to adopt a shape or angle of incidence with respect to the fluid in an independent and self-regulating manner, it was necessary to place another material under the denticles that reacts elastically and absorbs the necessary deformations in a reversible manner. The material of choice is a PVA hydrogel, which was synthesised to be tunable in terms of the desired performance. In addition, CFD tools have been used to analyse the physics involved in these phenomena, which has allowed the design and manufacture of bio-inspired materials, guided by the results obtained with the numerical models, for subsequent testing and adaptation to achieve an effective coating for use in real sailing conditions.
RESUMEN
Cualquier elemento que se desplaza en un fluido esta afectado por los fenómenos que tienen lugar en la capa límite, los cuales implican siempre un consumo de energía. En el caso de un buque desplazándose por el mar esto puede suponer que pueda llevar adherida al casco una masa de agua que sea de hasta un tercio de la masa total desplazada. Este fenómeno se acentúa en buques mercantes, que navegan a velocidades bajas o moderadas. Lograr una reducción de esta masa de agua añadida repercutirá en un menor gasto de combustible y, por consiguiente, en una reducción de la emisión de gases de efecto invernadero.
Si observamos a los tiburones, excelentes nadadores, se puede comprobar que tienen una piel formada por miles de pequeñas escamas o dentículos, con una geometría compleja de canales y estriaciones paralelas a la dirección del flujo, que varían en tamaño y orientación en distintas partes del cuerpo. El propósito de estos dentículos es reducir la resistencia viscosa al avance, controlando las características del flujo a escala microscópica y aumentando la velocidad del pez. Este mecanismo de la naturaleza, convenientemente adaptado a nuestras tecnologías de fabricación, nos permite el diseño de nuevos materiales bioinspirados para su empleo en aplicaciones de ingeniería naval, con el objetivo de reducir la resistencia viscosa del buque y por ende las emisiones de gases de efecto invernadero durante la navegación.
El presente trabajo se centra en el estudio de la fabricación de materiales híbridos bioinspirados para ser usados como recubrimiento del casco en buques y, asimismo, en el desarrollo de una metodología experimental que permita, mediante la fabricación de un canal de ensayos y su instrumentación con sistemas auxiliares, evaluar la eficacia de los mismos para reducir la resistencia viscosa producida por la interacción con el fluido en movimiento. Este nuevo material está formado por unos dentículos que se han construido mediante fabricación aditiva. Para que los dentículos adopten una forma o ángulo de incidencia respecto al fluido de una forma independiente y autorregulable se ha necesitado situar bajo los dentículos otro material que responda elásticamente y que absorba las deformaciones necesarias de manera reversible. El material que se ha elegido es un hidrogel de PVA, que se ha sintetizado para que responda a al comportamiento deseado de forma sintonizable. Además, se han utilizado herramientas CFD para analizar la física implicada en estos fenómenos, que ha permitido diseñar y fabricar materiales bioinspirados guiados por los resultados obtenidos con los modelos numéricos, para su posterior ensayo y adaptación de cara a conseguir un recubrimiento efectivo para su empleo en condiciones reales de navegación