. / This study is about the on-ground implementation of sustainable farm practices supported by policies and directives that form the core of the European Union’s sustainability policy. Its goal is to identify the blockers to effective policy implementation in order to improve the approach to sustainability in the agricultural sector. Exploring ways to engage local stakeholders in farm sustainability has been central to create a holistic understanding about the processes that drive practices in agriculture systems, and the extent to which these processes can be transformed. Sustainability in agriculture is a broad topic, hence this study focuses on one segment of sustainability namely the use and management of water resources in irrigated agriculture. The study’s final recommendations to improve policy design and interventions, however, are general and apply to the implementation of all sustainable farm practices. Practical effectiveness of EU policies and directives for sustainable agriculture is constrained by: a lack of evaluating criteria to measure policy impact and communicate progress; incentives for growers to commit to more than the minimum required, and continuous local renegotiation of proposed measures and programmes which have contributed to a weakening of initial policy proposals. This study demonstrates that policies serve different purposes for different people at different social and political levels. However, sustainability comes into practice on the farm, which is why farmers’ perspective about a sustainable agricultural sector and the proposed voluntary and mandatory policy measures is so important. Farmers’ perspectives are still missing elements in policy design for sustainable agriculture. Co-developing and testing technologies that are meant to deliver sustainability in practice, as well as farm decision support tools, are critical in engaging farmers and other local stakeholders in sustainability and to transform embedded practices and institutions. Collaboration across disciplines is also important to address environmental goals and farmers’ needs in order to extract substantial environmental benefits as well as a long term commitment from land managers in sustainability. This study shows that there are many insights to be gained and learnings to be extracted from scrutinizing policy interventions. It raises awareness about improving policy implementation by providing practical examples from case studies conducted in Spain and in Italy. These insights encourage the use of interdisciplinary approaches, including socio-technical approaches, for an integrated people and technology based perspective on natural resource management to better policy design and interventions and make sustainable agriculture real.

Circa l’1% della popolazione mondiale è colpita da celiachia. I celiaci sono costretti a seguire una dieta priva di glutine e molto spesso quest’ultima risulta essere sbilanciata e/o carente in molti nutrienti. Recentemente, l’uso di matrici alternative al frumento, come pseudocereali, legumi e cultivar di riso pigmentate sta riscuotendo grande interesse a causa del loro elevato quantitativo di composti bioattivi (polifenoli). Quindi, considerando l’importanza attuale dei polifenoli sia nella formulazione tecnologica che nella promozione di aspetti salutistici degli alimenti senza glutine, lo scopo di questa tesi è stata basata su: 1) profilazione dei polifenoli in matrici prive di glutine (farine non di frumento, legumi, pseudocereali e frutta secca) e loro proprietà antiossidanti in vitro; 2) valutazione dell’impatto di trattamenti termici e di fermentazioni microbiche sul profilo fenolico di queste matrici prive di glutine; 3) valutazione del ruolo dei polifenoli come inibitori degli enzimi amilolitici; e 4) valutazione del destino dei polifenoli caratterizzanti alimenti senza glutine durante processi in vitro simulanti digestione gastrointestinale e fermentazione fecale. I polifenoli sono stati analizzati sfruttando tecniche di metabolomica mirata/non-mirata. / Around 1% of world population is affected by coeliac disease. Coeliac people are constrained to follow a strict gluten free (GF) diet and very often this latter is unbalanced and lacks in many nutrients. In the last years, the exploitation of alternative crops or underutilized species, such as pseudocereals, legumes and pigmented cereal cultivars, is gaining interest because of their amount and profile of bioactive compounds, such as polyphenols. Therefore, considering the actual importance of polyphenols for both the formulation of GF foods and their health-promoting properties, the current PhD thesis was based on: 1) the profiling of polyphenols in GF raw materials (such as non-wheat flours, legumes, pseudocereals and nuts) and their in vitro antioxidant activities; 2) the evaluation of the impact of different heat treatments and microbial fermentations on the phenolic profile of GF raw materials; 3) the investigation of polyphenols in GF foods as inhibitors of digestive enzymes; and 4) the assessment of the fate of polyphenols characterizing GF foods during simulated in vitro gastrointestinal and fermentation processes. Polyphenols were analysed by means of targeted/untargeted metabolomics-based approaches (i.e., high resolution chromatography and mass spectrometry platforms).

Il presente studio affronta il tema della rintracciabilità alimentare di prodotti agroalimentari, analizzando il caso del pomodoro da industria, cercando di trovare degli indicatori chimici (markers) che siano in grado di discriminare prodotti provenienti da aree geografiche differenti. Viene quindi affrontato il tema della tipicità che consiste nel legame esistente tra l'alimento e il territorio nel quale viene prodotto. I parametri chimici che vengono indagati sono elementi appartenenti al gruppo delle terre rare (o serie dei lantanidi) e dei rapporti isotopici degli elementi pesanti quali lo Stronzio. La determinazione analitica delle terre rare nel pomodoro è stata effettuata con ICP-MS e HR-ICP-MS (Inductivity Coupled Plasma Mass Spectrometry, Hight Resolution Inductivity Coupled Plasma Mass Spectrometry). I rapporti isotopici dello Stronzio sono stati determinati con la tecnica TIMS (Thermal-Ionization Mass Spectroscopy) Le tecniche analitiche utilizzate hanno permesso di determinare con precisione e accuratezza tutti gli elementi appartenenti al gruppo delle terre rare nei comparti della pianta di pomodoro e nel terreno. La misura dei rapporti isotopici dello stronzio ha permesso di discriminare prodotti provenienti da aree geografiche differenti. / Food traceability systems have a broader scope and aim to document the history of a product along the entire production chain from primary raw materials to the final consumable product. the present work has looked at ways of detecting rare earth and strontium isotope abundance ratios. It is fundamental to have knowledge of the REE concentrations of the soil where the plants are grown and the distribution of the REEs in the different parts of the plants: roots, stems, leaves, and berries. Tomato is one of the most widely grown vegetables in the world. The analytical procedure, using inductively coupled mass spectrometry (ICP-MS) and HR-ICP-MS proved to be suitable for the determination of REEs in plants and soil, and was validated using certified samples. Strontium isotope ratio is an important parameter allowing the discrimination of foods coming from different geographical origins. Very high precision is usually reached with Thermal Ionization Mass Spectrometer (TIMS). The analytical techniques have permitted to determine all REEs elements in compartments of tomato plants. The described method point out the measurement of the 87Sr/86Sr ratio as a very important parameter for the discrimination of tomato from different geographical origins, even if the present experimental work treating a limited number of samples have to be considered as a “first step”.

La tesi seguirà il processo di sviluppo in occasione della riforma 2013 della PAC. Senza tentare di fare un'analisi approfondita sui successi e gli insuccessi del quadro politico precedente, si concentrerà più sui le opinioni delle parti interessate sulle sfide della politica stava affrontando alla data e le possibili soluzioni proposte dalle parti interessate a prendere il la politica in avanti. Una visione a 360 ° delle posizioni assunte dalle parti interessate rivelerà loro valutazione dell'efficacia della politica, l'efficacia degli strumenti esistenti per affrontare le nuove sfide, nonché identificherà le nuove direzioni che essi propongono per lo sviluppo delle politiche per affrontare le sfide future. Tale analisi consentirà l'identificazione del luogo e l'importanza data dalla parti interessate per la promozione dell'innovazione e della sostenibilità nel settore agricolo attraverso gli strumenti della PAC. La tesi si propone di cogliere il ruolo delle diverse opinioni delle parti interessate nello sviluppo della politica e quindi di fare un'analisi delle sfide e delle opportunità parti interessate devono affrontare nel contesto della implementatione delle politiche agricole. / The thesis will follow the policy development process during the 2013 reform of the CAP. Without attempting to make an in-depth expert analysis on the successes and failures of the previous policy framework, it will focus more on reflecting the opinions of the stakeholders on the challenges the policy was facing at date and possible solutions proposed by stakeholders to take the policy forward. A 360° vision on the positions taken by stakeholders will reveal their assessment of the effectiveness of the policy, the efficacy of existing instruments to address new challenges as well as will identify the new directions they propose for policy development to meet future challenges. Such an analysis will allow identifying the place and importance given by stakeholders to the promoting innovation and sustainability in the agricultural sector through the instruments of the CAP. The thesis aims at capturing the role of the various stakeholder opinions in the development of the policy and then to make an analysis of the challenges and opportunities stakeholders face in the context of the new policy implementation.

In questo lavoro scientifico è stato studiato il contenuto di aloine e beta-polisaccaridi in piante di Aloe barbadensis (Aloe vera) ed Aloe arborescens, in relazione ad alcuni fattori di variabilità quali la specie, l’età, la tipologia di tessuto vegetale analizzato e le condizioni di coltivazione. Ulteriori analisi hanno permesso di studiare la loro stabilità in differenti matrici, il loro potere antiossidante ed antimicrobico, mediante studi in vitro. E’ stato inoltre effettuato un ulteriore studio, in vivo, somministrando un omogeneizzato d’Aloe arborescens fresco a bovine da latte in periparto, con lo scopo di valutare l’eventuale assorbimento di aloina, correlandolo ad eventuali effetti benefici. Nel derma è concentrata l’aloina, molto abbondante in piante di tre anni, mentre nella porzione fogliare interna gelatinosa, i beta-polisaccaridi. Il profilo fitochimico inoltre pare essere influenzato dalle condizioni di stress cui la coltura viene sottoposta, in particolare sembra che lo stress salino e la scarsa disponibilità in azoto, promuovano la sintesi delle principali bio-componenti studiate. Lo stesso contenuto inoltre è stato positivamente correlato al grado di luminosità percepita dalla coltura. Entrambe le componenti sono poco stabili e molto sensibili alle alte temperature, presentano inoltre ridotta capacità antiossidante. In sinergia con altre biocomponenti, pare possiedano proprietà antimicrobiche contro alcuni batteri patogeni, mentre entro certe dosi mostrano effetti pre-biotici, nei confronti di alcuni lattobacilli. E’ stato infine dimostrato dalla sperimentazione in vivo un assorbimento ematico di aloina, dimostrando in questo modo la sua sistemicità. / The relationship between Aloe main active components and plant age, specie and grow conditions has been investigated in Aloe barbadensis and A. arborescens, the commercially most used species of the genus. Aloin was mainly located in leaves outer green rid while beta-polysaccharides in inner parenchyma. Aloin concentration was higher in younger plants. Plants grown under decrising light intensities showed lower aloin and beta-polysaccharides concentrations. The content of these substances is improved by stress condition. The most antioxidant activity is located in the outer green rid of the leaves and it was slightly correlated to the total phenolic compounds content. Aloin and beta-polysaccharides stability in leaf homogenate was poor and temperature seemed to be quite more effective in reducing degradation. Antimicrobial effect against to phatogen microorganisms of anthraquinones aloin and alo-emodin and different Aloe extracts was confirmed. Prebiotic effects to Lactobacillus were discovered and a synergistic effect of several compounds was supposed. Systemic effect of aloin was explained by vivo experiments (on cows) because aloin is observed until 24 h after the oral administration of Aloe, thus metabolic and physiologic effects may be expected.

Il suolo è un ambiente complesso che è alla base di molteplici servizi ecosistemici per la produzione agricola. Questa complessità è riflessa nella composizione e nelle funzioni degli organismi microbici coinvolti. Lo scopo di questa tesi è stato quello di esplorare le risposte della comunità microbica all’intervento dell’uomo in suoli agricoli. Lo studio ha coinvolto suoli di comune origine, modificatisi negli ultimi 6-700 anni a causa di differente uso e gestione agronomica del suolo. Per ottenere questo risultato, il DNA del suolo è stato analizzato con tecniche di sequenziamento avanzato. I risultati indicano che i suoli disturbati sono più diversi rispetto ai suoli naturali. I fattori che influenzano la comunità microbica sono il disturbo, la disponibilità di nutrienti e la dormienza microbica. In un altro esperimento, a carico di batteri ammonio ossidanti, si sono studiati gli effetti di diversi stress come l’umidità e la concentrazione di zinco nel suolo o la presenza di pesticidi nella lettiera. In tutte queste situazioni i batteri hanno mostrato una ridondanza e una variabilità che permettono di rispondere agli stress. In conclusione i risultati di questa tesi dimostrano che l’intervento umano è responsabile nel determinare la struttura e le funzioni della comunità procariotica dei suoli. / Soil is a complex environment comprising the basis for several ecosystem services, with many of them being connected to agricultural production. This complexity is reflected on the composition and functions of the hosted microbial life mainly responsible for the acquired services. Aim of the described studies was to explore microbial community responses to ecosystem services related human intervention in agricultural soils. Total prokaryotic diversity was studied in soils of common origin, which diverged in properties during the late 6-7 centuries due to different land use and management. For achieving this, related DNA markers were screened with high throughput sequencing. Cultivated environments had increased diversity compared to more natural soils. Factors potentially affecting the microbial community structure were: soil disturbance events; available nutrients; and microbial dormancy. In a second approach, ammonia oxidizing prokaryotes were used as biomarkers for studying stress effects caused by humidity and increased zinc concentrations and also the presence of organic pesticides in soil and litter respectively. In both referred cases the studied microbial guilds responded to the applied stresses showing strain or taxon level functional redundancy potentials, and tolerance variability. Overall, results show that human intervention is determining for the prokaryotic structure and functions in agricultural soils.

Scopo del progetto era valutare lo stato di salute e la qualità dei suoli agricoli lombardi e di alcune sue aree caratterizzate da specifiche criticità ambientali, attraverso un monitoraggio multidisciplinare. L’uso di indicatori biologici accoppiato alle classiche tecniche analitiche ha consentito di implementare le informazioni ottenute dal punto di vista chimico-fisico. Contrariamente al passato infatti, la componente vivente del suolo è diventata fondamentale alla comprensione delle sue condizioni, in quanto esso è stato riconosciuto come sistema strettamente connesso agli altri comparti ambientali, influenzato e caratterizzato da tutti gli organismi che lo compongono. Sulla base di ciò sono state indagate la struttura e le caratteristiche delle comunità microbiche, dei lombrichi e dei protozoi ciliati, le attività enzimatiche del suolo, e la genotossicità delle sostanze inquinanti utilizzando il trifoglio come pianta indicatrice. Abbiamo inoltre avuto modo di applicare alcune tecniche che esulano dal classico monitoraggio, ma che forniscono informazioni preziose circa il comportamento di una sostanza o di un elemento. Si tratta dell’applicazione della diluizione isotopica per determinare la presenza del cromo esavalente in suoli potenzialmente contaminati, e di biosaggi con batteri bioluminescenti per valutare la biodisponibilità di arsenico e mercurio in un Sito di Interesse Nazionale. / The aim of the project was to assess health status and quality of agricultural soils of the Lombardia region, and some areas with critical environmental situations, through a multidisciplinary monitoring. The use of biological indicators coupled to classic analytical techniques, has allowed the implementation of the information obtained from the chemical-physical point of view. Contrary to the past, the living component of the soil has become crucial to better understand its condition, as it has been recognized as a system closely related to other environmental media, influenced and characterized by all organisms that compose it. Basing on this it was investigated the structure and characteristics of microbial communities, earthworms and ciliated protozoa, the enzymatic activities of the soil, and the genotoxicity of pollutants using clover plants as indicator. We also had the opportunity to apply some of the techniques that are outside the classic monitoring, but that can provide valuable information about the behavior of a substance or an element. These techniques are: the application of isotope dilution to determine the presence of hexavalent chromium in potentially contaminated soils, and bioassays with bioluminescent bacteria to assess the bioavailability of arsenic and mercury in a Site of National Interest.

Il rinnovato interesse nella coltivazione della canapa industriale non è stato supportato da studi approfonditi e generalmente si basa su esperienze dirette di coltivazione. Questo studio si prefigge come obbiettivo quello di sfruttare tutte la parti della pianta di canapa per migliorare l’economicità complessiva della sua coltivazione tramite l’uso di tecniche agronomiche e di pratiche post-raccolta. La Cannabis sativa ha un vasto campo di applicazioni, tra cui le più promettenti in termini di ritorno economico sono il cosmetico e il farmaceutico. I composti naturali più interessanti della Cannabis sono i cannabinoidi non-psicoattivi cannabidiolo (CBD) e cannabigerolo (CBG) presenti in elevate concentrazioni nelle foglie e nelle brattee di Cannabis. Altri metaboliti secondari prodotti dalla canapa e di grande interesse sono le cannflavine, una classe di prenil-flavonoidi caratteristico di questa specie. Nel primo e nel secondo capitolo la dinamica temporale di accumulo dei metaboliti secondari ad elevato valore aggiunto è stata monitorata per alcune delle varietà più comuni di canapa industriale ed è stata determinata la produzione potenziale di questi composti. Nel terzo capitolo una collezione di semi di canapa è stata valutata per le caratteristiche morfologiche e per il contenuto e la qualità dell’olio. Concludendo questo studio contribuisce allo sviluppo di una coltivazione della canapa per le molteplici destinazioni d’uso dei semi e del fitocomplesso. / Rapidly growing interest into industrial hemp cultivation is not supported by strong data and generally is referred to a limited experience on field cultivation. This study aims to exploit all the parts of hemp plant, in order to ameliorate the overall economy of its cultivation and by providing information on agronomic management and post-harvest operations. Cannabis sativa has a wide range of industrial applications and the most promising, in terms of economic revenues, are the cosmetic and pharmaceutics. The most interesting phytochemicals in Cannabis are the cannabinoids, in particular the non-intoxicating compounds cannabidiol (CBD) and cannabigerol (CBG), present at high concentration in the leaves and bracts of Cannabis. Some other promising secondary metabolites of hemp are cannflavins, a class of prenyl-flavonoids characteristic of this species. In the first and second chapter the time course accumulation of high added-value compounds was monitored for some of the most common industrial hemp cultivars, and the potential production was assessed. In the third chapter a collection of hemp seeds was evaluated for its morphological characteristics and for its oil content and quality. In conclusion this thesis contributes to a further development of multipurpose hemp cultivation for seed and phytocomplex production.

La produzione globale di cibo provoca impatti sia sull’ ambiente che sulla salute umana. Tra le molteplici sfide che la comunità globale deve affrontare, le risorse di acqua dolce della Terra sono state identificate come pericolosamente soggette a una crescente pressione sia in termini quantitativi che qualitativi. Una profonda comprensione del nesso acqua-cibo è pertanto cruciale per lo sviluppo sostenibile. Nella presente tesi è stato applicato il concetto di Water Footprint (WF) calcolata attraverso differenti metodologie – ovvero attraverso approcci di tipo volumetrico e per la quantificazione dei potenziali impatti – al fine di stimare gli impatti sul consumo di acqua conseguenti produzione e consumo di cibo. Per valutare diverse tecniche di produzione, sono state confrontate le prestazioni ambientali di due vigneti coltivati con metodi di agricoltura convenzionale e biologica. Inoltre, sono stati studiati gli impatti sulle risorse idriche in relazione a diversi scenari di consumo alimentare in Italia e Danimarca, per indagare come le scelte alimentari dei consumatori rappresentino una strategia di riduzione degli impatti sull’ acqua. Nel calcolo degli impatti ambientali, i risultati hanno evidenziato il ruolo chiave dell'origine dei prodotti alimentari consumati, insieme alla tipologia dei prodotti e la riduzione di sprechi alimentari. / Global food production has increasingly affected both the environment and human health in substantial and remarkable ways. Among the many concerns global community has to face, Earth’s freshwater resources have been identified as dangerously subject to increasing pressure in the form of consumptive water use and pollution. A deep understanding of the water-food nexus is crucial to support the exploration of more suitable avenues for a sustainable development. In this work, the concept of water footprint (WF) presented by different methodologies – volumetric and impacts oriented approach – has been applied to link impacts on water consumption to the food production and consumption. With regard to the study of the production side, comparison of environmental performances of two vineyard where conventional and organic viticulture were applied, has been performed. Additionally, impacts on water resources related to different Italian and Danish dietary patterns have been investigated to understand the positive impacts that demand-side solutions can have. The studies highlighted that the origin of consumed foodstuffs played a key role in the calculation of local environmental impacts. Finally, the analysis showed that consumer’s choices could tackle environmental impact on water use by changing their consumption patterns, selecting less water-demanding products and reducing food waste.

Questo progetto ha lo scopo di delineare e rappresentare un quadro adatto a sostenere la transizione del sistema vitivinicolo italiano verso un modello sostenibile. A tal fine, ho sviluppato un disegno di ricerca interdisciplinare il cui percorso e risultati sono presentati nella tesi. Nel capitolo 1 viene mostrato il contesto in cui questa ricerca ha avuto origine e si è svolta. La parte introduttiva fornisce una panoramica sulla definizione giuridica di sostenibilità, su come la sostenibilità è intesa e adottata nel settore alimentare italiano e nell'industria del vino. In seguito, sono stati identificati i problemi e i gaps di ricerca rispetto all'integrazione della sostenibilità nel settore vitivinicolo italiano, questo è servito per identificare e delineare gli obiettivi della presente ricerca. Ho esaminato la relazione tra le aziende vinicole e i loro territori, considerando gli aspetti più cruciali dell'embeddedness locale e della sostenibilità delle aziende vitivinicole come la percezione del rischio legato all'esposizione ai pesticidi usati in agricoltura, la consapevolezza e l'impegno verso la responsabilità sociale d'impresa, e lo sviluppo di un quadro di riferimento volto a valutare la sostenibilità e a guidare le migliori pratiche nella produzione del vino. / This project aims to outline and represent a suitable framework to support the transition of the Italian wine system towards a sustainable model. To this end, I framed an interdisciplinary research design whose path and results are presented herein. In Chapter 1, the context in which this research has originated and taken place is shown. The introductory part provides an overview about the pending legal definition of sustainability, how sustainability is intended and adopted in Italian food sector and in the wine industry. Afterwards, the research issues and gaps with respect to the integration of sustainability into the Italian wine industry were noted, this served to identify and clearly state the research objectives. I examined the relationship between wine companies and their territories, by considering the most crucial aspects of local embeddedness and wine companies sustainability such as the perception of risk related to the exposure to pesticides used in agriculture, the awareness and commitment on corporate social responsibility, and the development of a framework aimed at assessing sustainability and guiding best practices in wine production.