La tesi doctoral titulada “Focused ion beam implantation as a tool for the fabrication of nano electromechanical devices” aborda el repte de la fabricació de ressonadors nano-mètrics des d’una nova òptica basada en la implantació iònica mitjançant un feix de ions focalitzat (FIB). Aquest nou mètode permet fabricar nano-dispositius suspesos funcionals, des del punt de vista elèctric i mecànic, sense necessitat d’utilitzar resina d’una forma i) ràpida i simple, només son necessàries tres etapes de fabricació; ii) flexible, permet definir dispositius amb gran llibertat geomètrica; iii) alta resolució, es demostra la fabricació de dispositius suspesos de 4 μm de longitud per 10 nm de diàmetre; iv) reproduïble i v) compatible amb la tecnologia CMOS. Partint d’un xip de silici o SOI (silici - diòxid de silici - silici), el mètode de fabricació comença amb un procés d’implantació FIB on es defineixen les estructures i les connexions elèctriques del dispositiu. El segon pas consisteix en el gravat humit del silici, on s’ataca el silici que no està protegit per la implantació FIB, permetent la suspensió o alliberació dels dispositius. En aquest estadi, on les estructures ja estan definides, el silici és amorf, conté gal·li i no és elèctricament funcional (ρ ~1 Ω·m). El darrer pas consisteix en un tractament tèrmic a alta temperatura fins a 1000ºC, en ambient de nitrogen i amb un precursor sòlid de bor on es propicia la recristal·lització del silici formant nano-cristalls, dopar el silici amb bor (tipus p) i eliminar el gal·li. Aquest tractament a alta temperatura, on les estructures no son oxidades, permet obtenir dispositius elèctricament funcionals (ρ ~10-4 Ω·m). Els principals resultats obtinguts es poden classificar en tres àmbits: Investigació de l’efecte de la implantació amb ions gal·li en el silici, pel que fa tant a aspectes de processament com de propietats nanoelectromecàniques del material. En aquest treball hem caracteritzat l’estructura del material en les diferents etapes de fabricació i hem caracteritzat elèctrica i electromecànicament els dispositius finals obtinguts pel mètode descrit. Desenvolupament i optimització del procés de fabricació, especialment pel que respecte al control de dimensions i a la combinació amb altres processos Es mostra el treball realitzat en la optimització dels diferents paràmetres de fabricació, des de la posta a punt de la dosi d’ions fins a la selectivitat del gravat. A través del disseny de les estructures es pot establir estratègies per controlar i minimitzar els efectes d’”under-etching” en el silici, a través de la definició d’estructures de compensació, i també evitar el col·lapse de les estructures més llargues, degut a les tensions superficials que es produeixen durant els processos de gravat humit, fabricant pilars per sostenir les estructures. Aquest mètode de fabricació permet obtenir dispositius a mida convertint-lo en una eina versàtil de prototipatge i de fabricació petites quantitats, que permet aconseguir dispositius de dimensions nano-mètriques per a l’experimentació acadèmica i científica. Investigació de les propietats electròniques, mecàniques i electromecàniques dels dispositius, i concretament en el cas de nanofils de silici suspesos que es poden aplicar com a ressonadors mecànics d’altra freqüència o transistors d’un sol forat. Hem pogut fabricar ressonadors de diferents geometries que ens ha permès estudiar i demostrar la relació que existeix entre la simetria/asimetria dels dispositius i el senyal piezoresistiu mesurat durant la transducció electromecànica. Hem investigat i fabricat transistors d’efecte camp ultra-fins (10 ~ 15 nm) i transistors suspesos on les característiques elèctriques a baixa temperatura mostren efectes de “Coulomb blockade” gracies als nano-cristalls que es formen, dins dels nano-fils de silici suspesos, durant l’etapa de tractament tèrmic. / The thesis entitled “Focused ion beam implantation as a tool for the fabrication of nano electromechanical devices” aboard the challenge of the fabrication of nanometric resonators from a new approach based on ion implantation by a focused ion beam (FIB) . This new method allows the fabrication of functional suspended nanodevices, from the electrical and mechanical point of view, without using any resist. This method is i) fast and simple, where only three steps are needed; ii) flexible, it is feasible the definition of structures of different shape; iii) high resolution, it is demonstrated the fabrication of 4 μm length and 10 nm diameter suspended devices; iv) reproducible and v) CMOS compatible. The starting point is a silicon or SOI (silicon – silicon dioxide – silicon) chip. The fabrication approach starts with a FIB implantation process where the structures and the electrical connections of the device are defined. The second step consists on silicon wet etching, where silicon that is not protected by the FIB implantation is etched, allowing the release of the devices. The defined structures are made of amorphous silicon, they contains gallium and they are not functional electrically (ρ ~1 Ω·m). The last step consists on diffusive boron doping at high temperature (up to 1000ºC) in a boron environment, where it is promoted the recrystallization of silicon forming nanocrystals, the boron doping (p type) of silicon and the removal of gallium. In this last step at high temperature the structures are not oxidized obtaining electrically functional devices (ρ ~10-4 Ω·m). The principal results can be classified in three areas: Investigation of the effect of gallium ion implantation onto silicon from the process and nanoelectromechanical material properties point of view. In this work the material structure in the different fabrication steps has been characterized, as well as the electrical and electromechanical properties of the final devices obtained by the described method. Development and optimization of the fabrication process, especially controlling the dimensions and the combination with other fabrication processes. The work done in the optimization of the different fabrication parameters are shown, from the tuning of the ion dosage to the etching selectivity. It is possible to stablish design strategies to control and minimize the under-etching effects onto silicon, as well as to avoid the collapse of long structures, that are the result of the superficial sticking produced during the wet etching processes, by the fabrication of sustaining posts. That method permits to obtain customized devices. It is a versatile prototyping method that allows the fabrication of small batches of devices of nanometric dimensions that can be employed for the scientific and academic experimentation. Investigation of the electronical, mechanical and electromechanical properties of the devices, specifically suspended silicon nanowires that can be employed as high frequency mechanical resonators or single hole transistors. We fabricated resonators of different geometries for the study and demonstration of the relation between the geometrical symmetry/asymmetry of the devices and the piezoresistive signal measured during the electromechanical transduction. We investigated and fabricated ultra-thin field effect transistors (10 ~ 15 nm) and suspended transistors that exhibits Coulomb blockade electrical characteristics at low temperature thanks to the nanocrystals that are grown during the high temperature fabrication step.

En aquesta tesi s'aborda el problema de la comprensió de text automàtic en condicions sense restriccions. En particular, abordem les tasques de detecció, el seguiment, i el reconeixement de text multi-idioma amb orientació arbitrària en imatges i vídeos d'escena natural. Per a això s'ha desenvolupat un conjunt de mètodes genèrics que es basen de la premissa bàsica que el text té sempre algunes característiques claus visuals que són independents de la llengua o escriptura en el qual està escrit. Les metodologies d'extracció de text en escena es basen generalment en la classificació de regions o regions individuals, utilitzant el coneixement a priori d'un script o llenguatge determinat. La percepció humana de text, per contra, es basa en l'organització perceptiva a través del qual el text apareix com un grup perceptualment rellevant d'objectes atòmics. En aquesta tesi, s'argumenta que el problema de l'extracció de text pot ser plantejat com a detecció de grups significatius de regions de la imatge. Ens ocupem del problema de la segmentació del text en escenes naturals des d'una perspectiva jeràrquica, fent ús explícit de l'estructura del text, enfocant directament la detecció d'agrupacions de regions que corresponen a elements de text dins d'una jerarquia produïda per un procés d'aglomeració per similitud sobre les regions individuals. Proposem una manera òptima per construir aquesta jerarquia de manera que s'estableix un espai de característiques dissenyat per produir hipòtesis de grup de text, i una regla de detenció que combina un classificador discriminatiu i una mesura probabilística de rellevancia dels grups amb base en l'organització perceptiva. Proposem un nou algoritme de propostes d'objecte que està dissenyat específicament per a detectar text, i el comparem amb altres mètodes genèrics en l'estat de la tècnica. Alhora, s'estudia en quina mesura els mètodes existents de propostes d'objectes genèrics poden ser útils per a la detecció de text d'escena. A continuació, presentem un algoritme híbrid per a la detecció i seguiment de text d'escena en el qual la noció de groups de regions també juga paper central. Un mòdul d'extracció de text escena basada en MSER ​​s'utilitza per detectar el text de forma asíncrona, mentre que paral·lelament els objectes de text detectates són seguits per propagació de MSER. La cooperació d'aquests dos mòduls va més enllà del seguiment per detecció en termes d'optimització de temps, i pot oferir processament de vídeo en temps real fins i tot en dispositius de baixos recursos. Finalment, ens centrem en el problema de la identificació de l'escriptura en imatges de text d'escena per tal de construir un sistema de lectura d'extrem a extrem en escenris multi-idioma. Afrontar aquest problema amb classificadors CNN no és una tasca senzilla, ja que aquests no tenen en compte una característica clau de les instàncies de text d'escena: la seva relació d'aspecte es extremadament variable. En lloc de canviar la mida d'imatges d'entrada a una mida fixa, com en l'ús típic dels classificadors CNN holístics, proposem un marc de classificació basat en caracteristiques locals amb la finalitat de preservar les parts discriminatives de la imatge que són característiques de la seva classe. Es descriu un nou mètode basat en l'ús de conjunts de xarxes unides per aprendre conjuntament representacions discriminatives de regions locals de la imatge i alhora la seva importància relativa en un esquema de classificació global. Els nostres experiments amb aquest procediment d'aprenentatge demostren la viabilitat d'identificació d'alfabet en imatges d'escena natural, aplanant el camí cap als sistemes de comprensió de text d'escena d'extrem a extrem en diversos idiomes. / En esta tesis se aborda el problema de la comprensión de texto automático en condiciones sin restricciones. En particular, abordamos las tareas de detección, seguimiento, y el reconocimiento de texto multi-idioma con orientación arbitraria en imágenes y vídeos de escena natural. Para ello se ha desarrollado un conjunto de métodos genéricos que se basan de la premisa básica de que el texto tiene siempre algunas características claves visuales que son independientes de la lengua o escritura en el que está escrito. Las metodologías de extracción de texto en escena se basan generalmente en la clasificación de regiones o regiones individuales, utilizando el conocimiento a priori de un script o lenguaje determinado. La percepción humana de texto, por el contrario, se basa en la organización perceptiva a través del cual el texto aparece como un grupo perceptualmente relevante de objetos atómicos. En esta tesis, se argumenta que el problema de la extracción de texto puede ser planteado como detección grupos significativos de regiones de la imagen. Nos ocupamos del problema de la segmentación del texto en escenas naturales desde una perspectiva jerárquica, haciendo uso explícito de la estructura del texto, enfocando directamente la detección de agrupaciones de regiones que corresponden a elementos de texto dentro de una jerarquía producida por un proceso de aglomeración por similitud sobre las regiones individuales. Proponemos una manera óptima para construir esta jerarquía de modo que se establece un espacio de características diseñado para producir hipótesis de grupo de texto, y una regla de detención que combina un clasificador discriminativo y una medida probabilística de relevancia de los grupos con base en el organización perceptiva. Proponemos un nuevo algoritmo de propuestas de objeto que está diseñado específicamente para detectar texto, y lo comparamos con otros métodos genéricos en el estado de la técnica. Asimismo, se estudia en qué medida los métodos existentes de propuestas de objetos genéricos pueden ser útiles para la detección de texto de escena. A continuación, presentamos un algoritmo híbrido para la detección y seguimiento de texto de escena en el que la noción de groups de regiones también juega papel central. Un módulo de extracción de texto escena basada en MSER utiliza para detectar el texto de forma asíncrona, mientras que paralelamente los objetos de texto detectados son seguidos por propagación de MSER. La cooperación de estos dos módulos va más allá del seguimiento para detección en términos de optimización de tiempo, y puede ofrecer procesamiento de vídeo en tiempo real incluso en dispositivos de bajos recursos. Finalmente, nos centramos en el problema de la identificación de la escritura en imágenes de texto de escena para construir un sistema de lectura de extremo a extremo en escenris multi-idioma. Afrontar este problema con clasificadores CNN no es una tarea sencilla, ya que estos no tienen en cuenta una característica clave de las instancias de texto de escena: su relación de aspecto es extremadamente variable. En lugar de cambiar el tamaño de imágenes de entrada a un tamaño fijo, como en el uso típico de los clasificadores CNN holísticos, proponemos un marco de clasificación basado en características locales con el fin de preservar las partes discriminativas de la imagen que son características de su clase. Se describe un nuevo método basado en el uso de conjuntos de redes unidas para aprender conjuntamente representaciones discriminativas de regiones locales de la imagen y al mismo tiempo su importancia relativa en un esquema de clasificación global. Nuestros experimentos con este procedimiento de aprendizaje demuestran la viabilidad de identificación de alfabeto en imágenes de escena natural, allanando el camino hacia los sistemas de comprensión de texto de escena de extremo a extremo en varios idiomas. / This thesis addresses the problem of automatic scene text understanding in unconstrained conditions. In particular, we tackle the tasks of multi-language and arbitrary-oriented text detection, tracking, and recognition in natural scene images and videos. For this we have developed a set of generic methods that build on top of the basic assumption that text has always some visual key characteristics that are independent of the language or script in which it is written. Scene text extraction methodologies are usually based in classification of individual regions or patches, using a priori knowledge for a given script or language. Human perception of text, on the other hand, is based on perceptual organisation through which text emerges as a perceptually significant group of atomic objects. In this thesis, we argue that the text extraction problem could be posed as the detection of meaningful groups of regions. We address the problem of text segmentation in natural scenes from a hierarchical perspective, making explicit use of text structure, aiming directly to the detection of region groupings corresponding to text within a hierarchy produced by an agglomerative similarity clustering process over individual regions. We propose an optimal way to construct such an hierarchy introducing a feature space designed to produce text group hypotheses with high recall and a novel stopping rule combining a discriminative classifier and a probabilistic measure of group meaningfulness based in perceptual organization. We propose a new Object Proposals algorithm that is specifically designed for text and compare it with other generic methods in the state of the art. At the same time we study to what extent the existing generic Object Proposals methods may be useful for scene text understanding. Then, we present a hybrid algorithm for detection and tracking of scene text where the notion of region grouppings plays also central role. A scene text extraction module based on Maximally Stable Extremal Regions (MSER) is used to detect text asynchronously, while in parallel detected text objects are tracked by MSER propagation. The cooperation of these two modules goes beyond the full-detection approaches in terms of time performance optimization, and yields real-time video processing at high frame rates even on low-resource devices. Finally, we focus on the problem of script identification in scene text images in order to build a multi-language end-to-end reading system. Facing this problem with state of the art CNN classifiers is not straightforward, as they fail to address a key characteristic of scene text instances: their extremely variable aspect ratio. Instead of resizing input images to a fixed size as in the typical use of holistic CNN classifiers, we propose a patch-based classification framework in order to preserve discriminative parts of the image that are characteristic of its class. We describe a novel method based on the use of ensembles of conjoined networks to jointly learn discriminative stroke-parts representations and their relative importance in a patch-based classification scheme. Our experiments with this learning procedure demonstrate the viability of script identification in natural scene images, paving the road towards true multi-lingual end-to-end scene text understanding.

L’ús cada cop més extensiu de plataformes “òmiques” per a l’estudi de llevats ha generat grans quantitats d’informació relativa a la fisiologia cel·lular sota diferents condicions de cultiu, la qual pot ser utilitzada per al desenvolupament de noves estratègies d’enginyeria genètica. S’ha observat que els nivells d’expressió d’un fragment d’anticòs humà produït en el llevat metilotròfic Pichia pastoris augmenten significativament quan aquest és cultivat en nivells de baixa disponibilitat d’oxigen. Anàlisis transcriptòmics mostren que hi ha una regulació important dels gens involucrats en el metabolisme de lípids i la resposta al mal plegament de proteïnes (UPR), destacant la l’augment de transcrits provinents de gens involucrats en les rutes de biosíntesi de l’ergosterol i esfingolípids. A més, s’ha observat que la presència en el medi de cultiu de fluconazol, un agent antifúngic que inhibeix específicament l’activitat de la esterol C14α-demetilasa (Erg11p) en la ruta de biosíntesi de l’ergosterol, resulta en una disminució dels nivells d’ergosterol en les membranes cel·lulars, millorant els nivells de proteïna recombinant secretada al medi de cultiu. Finalment, el factor de transcripció Hac1, amb un paper important en la regulació de la UPR, també es troba involucrat en la regulació de la síntesi de lípids. En el present estudi, la soca de referència, P. pastoris que produeix el fragment d’anticòs 2F5 de manera recombinant, s’ha modificat genèticament per tal de canviar la seva composició lipídica. S’ha generat una bateria de soques que presenten alguns gens de la ruta de biosíntesi d’esfingolípids delecionats (DES1, SUR2), o bé sobreexpressats (DES1). Al mateix temps, s’ha alterat la ruta de síntesi de l’ergosterol de la soca de referència mitjançant la sobreexpressió del gen ERG11 o tractant les cèl·lules amb fluconazol. Finalment, també es va sobreexpressar HAC1. Les cèl·lules es van cultivar en cultius en continu sota condicions d’oxigen normals (normoxia), i baixos (hipòxia), i les soques van ser caracteritzades en quant a nivells de Fab produïts, la seva distribució intra/extracel·lular, morfologia a partir d’estudis de microscòpia electrònica (TEM), i el seu contingut lipídic, quantificant els nivells d’àcids grassos, fosfolípids, esterols, lípids neutres i esfingolípids. Amb tota aquesta informació es pretén comprendre com les cèl·lules s’adapten a canvis genètics i ambientals a través de canvis en el seu contingut lipídic. Els resultats obtinguts s’han combinat amb informació transcriptòmica prèviament publicada, demostrant que existeix una important remodelació del metabolisme lipídic quan les cèl·lules es troben en condicions d’hipòxia. / The increasing availability of omics databases provides an important knowledge base for the design of novel yeast engineering strategies, since they offer systems-level information on the physiology of the cells under diverse growth conditions and genetic backgrounds. In a previous study, a beneficial effect of low oxygen availability on the expression of a human Fab fragment in Pichia pastoris has been identified. Transcriptomic analyses pointed out important regulation of the Unfolded Protein Response (UPR) and lipid metabolism, with a significant transcriptional up-regulation of ergosterol and sphingolipid biosynthetic pathways. Furthermore, cells cultured in the presence of fluconazole, an antifungal agent that inhibits sterol C14α-demethylase (Erg11p) activity in the ergosterol biosynthetic pathway, showed a reduced amount of ergosterol in the plasma membrane, resulting in increased protein secretion levels. Moreover, it is known that the transcription factor Hac1, which plays a key role by regulating the UPR, regulates lipid biosynthesis In the present study, a reference strain of P. pastoris secreting the 2F5 Fab antibody fragment as a model recombinant protein was genetically modified in order to change its lipid composition. A set of strains harbouring either deleted (DES1, SUR2) or overexpressed (DES1) genes of the sphingolipid pathway were generated. In addition, a Fab producing strain overexpressing HAC1 or ERG11 were constructed and, as an alternative to the ergosterol pathway knockout, the reference strain was treated with fluconazole. The series of strains were cultivated in chemostat cultures under normoxic and hypoxic conditions. Strains were characterised in terms of Fab- productivity, intra/extracellular product distribution, cell morphology by transmission electron microscopy (TEM) and lipid content in terms of phospholipids, fatty acids, sterols, non-polar lipids and sphingolipids, in order to fully understand how cells adapt to genetic and environmental changes involving lipid changes. The obtained results were combined with previously published transcriptional data, allowing us to demonstrate an important remodelling of the lipid metabolism under limited oxygen availability.

El tricloroetileno (TCE) y percloroetileno (PCE) son dos hidrocarburos alifáticos clorados ampliamente usados en la industria como disolventes, que se encuentran entre los contaminantes más habituales en suelos y aguas subterráneas en el mundo. En esta Tesis se demuestra la capacidad de degradación de TCE por diferentes especies de hongos de podredumbre blanca, como Trametes versicolor, Irpex lacteus y Ganoderma lucidum. Phanerochaete chrysosporium se ha incluido en estos estudios como control positivo, ya que previamente se había demostrado su capacidad para mineralizar TCE. Nuestros resultados, en consonancia con algunos estudios publicados recientemente, muestran que P. chrysosporium alcanza valores de degradación más bajos en medios con bajo contenido en nitrógeno que en medio de extracto de malta, en los que la producción de peroxidasas se encuentra completamente suprimida. Este estudio constituye la primera demostración de la capacidad de G. lucidum para degradar compuestos xenobióticos. Dado que los porcentajes de degradación son sustancialmente superiores en los cultivos con T. versicolor, se ha escogido este hongo para posteriores experimentos. Se ha identificado al dióxido de carbono y al 2,2,2-tricloroetanol como subproductos de degradación de TCE por T. versicolor, usando [13C]-TCE como sustrato. El balance de cloruros realizado indica que la mitad del TCE degradado se mineraliza, y la otra mitad restante se acumula en forma de 2,2,2-tricloroetanol. El 2,2,2-tricloroetanol no está considerado cancerígeno, y ésta es una ventaja comparativa respecto a los subproductos típicos de acumulación en el caso de las bacterias. Se ha obtenido un porcentaje de degradación elevado (aprox. 80%) para el rango de 2-10 mg/l de TCE. Incrementando la concentración de glucosa en el medio y reoxigenando los cultivos durante la incubación, se obtiene una mayor generación de cloruros en la degradación de TCE, lo que indica una mayor mineralización del producto. El TCE resultó ser un inductor de la producción de lacasa para T. versicolor, pero los experimentos realizados in vitro indican que ni la lacasa ni un amplio espectro de mediadores testados son capaces de oxidar el TCE. Experimentos realizados con el inhibidor del citocromo P450, 1-aminobenzotriazol, indican que este sistema oxidativo juega un papel clave en la degradación de TCE. Se ha identificado al cloral (tricloroacetaldehido) como intermediario en la vía de degradación de TCE. Por último, se ha propuesto una vía de degradación de TCE para T. versicolor.Por otro lado, se ha demostrado por primera vez la capacidad de un hongo para degradar PCE aeróbicamente. En cultivos de T. versicolor con 5 mg/l de PCE se consigue un 40% de degradación. Se ha identificado al ácido tricloroacético (TCA) como principal subproducto usando [13C]-PCE como sustrato. La generación de cloruro y el TCA producido mantienen una relación estequiométrica con el PCE degradado. Experimentos realizados con el inhibidor 1-aminobenzotriazol indican que el citocromo P450 está implicado en la degradación de PCE por T. versicolor. Los cultivos reoxigenados muestran tan solo un ligero aumento de los niveles de degradación, liberación de cloruros y generación de TCA. A partir de los resultados obtenidos, se sugiere una vía de degradación de PCE por T. versicolor, que es análoga a la descrita en los mamíferos. Finalmente, se ha realizado una aproximación de los principales factores que pueden influenciar en el tratamiento real de aguas contaminadas por TCE y PCE mediante biorreactor. T. versicolor degrada un 34,1 y 47,7% del PCE (5 mg/l) y TCE (10 mg/l), respectivamente, añadido conjuntamente a los cultivos. El porcentaje de degradación, así como los cloruros liberados en este experimento, indican que el hogo degrada mezclas de estos productos con la misma eficiencia que lo hace para el TCE y PCE añadido individualmente. La ecuación de Michaelis-Menten es la que presenta un mejor ajuste de las cinéticas de degradación de TCE y PCE, para un amplio rango de concentraciones testadas. Por último, se ha establecido que la isoterma de Freundlich es la que mejor describe el equilibrio de adsorción entre la biomasa y los disolventes clorados, mediante controles de T. versicolor autoclavados. Se ha validado esta isoterma con experimentos de degradación, obteniendo un buen ajuste entre los valores experimentales y los simulados. / Trichloroethylene (TCE) and perchloroethylene (PCE) are chlorinated aliphatic hydrocarbons which have been widely used in industrial cleaning solutions. These xenobiotic compounds are among the most common organic pollutants found in groundwater around the world. In this thesis, the ability of several species of white-rot fungi, including Trametes versicolor, Ganoderma lucidum and Irpex lacteus, to degrade substantial levels of TCE in pure cultures was demonstrated. P. chrysosporium, included as a positive control in this study, was previously shown to mineralize TCE. Our results, in conformation with earlier studies, showed that P. chrysosporium exhibits lower TCE degradation in low nitrogen medium than in malt extract medium, in which peroxidases are known to be completely suppressed. As far as we know, it was the first demonstration of the ability of G. lucidum to degrade a xenobiotic pollutant. Since the extent of TCE degradation by T. versicolor was substantially greater than that shown by the other fungi, it became the obvious choice for further study. Carbon dioxide and 2,2,2-trichloroethanol were identified as the byproducts generated during the degradation of TCE by T. versicolor using [13C]-TCE as the substrate. The chloride balance indicated that one half of the TCE degraded is mineralized and the remaining TCE tends to accumulate as 2,2,2-trichloroethanol. Unlike TCE, 2,2,2-trichloroethanol is not considered carcinogenic and this is a distinct advantage in comparison to bacterial systems. A high percent of degradation (aprox. 80%) was observed for a range of concentrations between 2-10 mg/l. A highest chloride release from TCE degradation occurred by increasing the glucose concentration in the media and reoxygenating cultures during incubation. Our results showed that TCE was an inducer of laccase production in T. versicolor, but in vitro experiments showed that neither laccase nor any of the wide array of mediators tested were able to cause oxidation of TCE. Cytochrome P450 appeared to play a key role in TCE degradation, as evidenced by means of cytochrome P450 inhibition experiments using 1-aminobenzotriazole, a known cyt. P450 inhibitor. Chloral (trichloroacetaldehyde) was identified as an important intermediate of the TCE degradation pathway. Finally, a TCE degradation pathway by T. versicolor is suggested. On the other hand, the ability of a fungus to degrade PCE under aerobic conditions was demonstrated for the first time. Approximately, a 40% of degradation was achieved in cultures of T. versicolor spiked with 5 mg/l of PCE. Trichloroacetic acid (TCA) was identified as the main intermediate using [13C]-PCE as the substrate. Chloride released and TCA produced were stoichiometric with PCE degradation. Our studies using the inhibitor 1-aminobenzotriazole, suggested that a cytochrome P-450 system may be involved in PCE degradation by T. versicolor. Cultures that were re-oxygenated showed slightly higher levels of degradation, chloride release and TCA generation, but not as much as one would have expected. Finally, a degradation pathway was suggested, which was analogous to that described in mammalian systems. Finally, an approach of some of the factors which may influence the treatment of real TCE and PCE contaminated waters by T. versicolor using a bioreactor was studied. The fungus degraded 34.1 and 47.7 percent of PCE and TCE added as a mixtures (containing 5 and 10 mg/l, respectively). Percent degradation as well as chloride release from mixtures of TCE and PCE showed that T. versicolor degrades these mixtures as well as individually added TCE or PCE. A Michaelis-Menten kinetic equation related to TCE and PCE degradation was obtained with TCE degradation experiments for a wide range of concentrations. Finally, it was considered that Freundlich isotherm described the adsorption equilibrium between biomass and the chlorinated solvents, using heat-killed controls. This isotherm was validated in degradation conditions, obtaining a correct adjustment between the experimental and the simulated data.

El objetivo principal de la tesis es evaluar, mediante el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), los impactos ambientales y la demanda de energía y agua de la futura producción de biodiésel en Chile y de sus cultivos energéticos asociados, colza y girasol, bajo diferentes opciones de producción a escala nacional, en el corto plazo. Los objetivos adicionales son determinar las etapas críticas en el ciclo de vida del biodiésel, de colza y de girasol y evaluar ambientalmente opciones de mejora en la producción del biocombustible, usando recursos locales o renovables.En el inventario del ACV se emplearon datos agrícolas nacionales y se adaptaron datos de procesos de bases de datos internacionales a condiciones locales. Se evaluó el efecto de las emisiones de oxido nitroso asociadas a aplicación de fertilizantes y el efecto del cambio de uso de suelo.Los resultados indican que la producción de colza en Chile presenta mejor perfil ambiental y menor demanda de agua y de energía comparada con el cultivo de girasol. En ambos cultivos, los fertilizantes minerales aportan la mayor contribución a las cargas ambientales. Los principales sistemas de labranza de colza en Chile, labranza tradicional y labranza cero, presentan similar demanda de energía y perfil de impactos ambientales.Esta tesis muestra que la futura producción de biodiésel de colza en Chile, en un escenario base bajo las condiciones de producción más probables, presenta menor impacto que el diésel fósil en potencial de calentamiento global (PCG), demanda de energía, agotamiento de la capa de ozono y agotamiento de recursos abióticos. El PCG del biodiésel en este escenario es 2,1 kg CO2 equiv./kg, representando un 40% de ahorro de emisiones de efecto invernadero con respecto al diésel. En la demanda de energía, el biodiésel muestra un 62% de ahorro con relación al diésel y una eficiencia energética igual a 2,1. Sin embargo, el biodiésel presenta mayor impacto en 7 indicadores, tales como, acidificación, demanda de agua, eutrofización y los asociados a ecotoxicidad terrestre y acuática. Los impactos del biodiésel están dominados por la etapa de producción de colza.Para disminuir los impactos ambientales de biodiésel de colza en Chile se planteó una estrategia de producción asociada al uso de recursos locales o renovables, bajo el enfoque de la ecología industrial. Se analizaron 4 escenarios alternativos dentro de esta estrategia. La aportación de fertilizantes orgánicos ganaderos, con la correspondiente disminución de fertilizantes minerales, es el escenario con mayor reducción de impactos ambientales. El uso residuos forestales industriales, como fuente de energía para las plantas de biodiésel, y el transporte del biodiésel vía ferrocarril, también son escenarios recomendados desde el punto de vista ambiental. Otro escenario de importancia está asociado a la producción de colza en praderas muy degradadas. El escenario integrado, que combina a los cuatro escenarios alternativos, muestra que los impactos del biodiésel disminuirían entre 5% y 58% respecto al escenario base. Los escenarios alternativos podrían aplicarse en el corto plazo pero previamente deben estar respaldados por estudios económicos y sociales.La futura investigación sobre mejoras en el perfil ambiental del biodiésel de primera generación, tanto en Chile como en otros países de Sudamérica, puede enfocarse en la etapa agrícola, etapa clave en el perfil ambiental del biocombustible; especialmente las prácticas de fertilización, fuentes de fertilizantes y herbicidas y reducción de emisiones de campo de los agroquímicos.Todos los resultados de la tesis se encuentran publicados o en proceso de publicación en revistas científicas internacionales de revisión por pares. / The main objective of the thesis is to evaluate the environmental impacts and energy and water demand of the future production of biodiesel in Chile and of its associated energy crops, sunflower and rapeseed, under different options of production, on a national scale. Additional objectives are to identify the most important environmental loads of these energy systems and to evaluate options for improvement in the biodiesel supply chain, taking into consideration a strategy of production using renewable or local resources.National agricultural data are used for the LCA inventory and process data of international databases are adapted to local conditions. The effect of field nitrous oxide emissions and land use change (LUC) is evaluated.The results of this thesis indicate that rapeseed production in Chile has a better environmental performance and lower water and energy demand, compared to sunflower. Mineral fertilizers cause the highest environmental impact in both crops. The main tillage systems of Chilean rapeseed production, conventional tillage and zero tillage, present similar energy demand and environmental impacts profile.This thesis indicates that future production of biodiesel from rapeseed grown in Chile, in a standard scenario with the most likely productions conditions and technology, has less impact than fossil diesel in global warming, energy demand, ozone layer depletion and abiotic depletion. The global warming potential of biodiesel in this scenario is 2.1 kg CO2 equivalents/kg: a 40% greenhouse gas emissions saving compared to fossil diesel. For energy demand, biodiesel presents an energy saving of 62% in comparison to the fossil diesel reference, with an energy efficiency of 2.1, measured as the energy output/input ratio. However, biodiesel has greater impact in seven categories; for example, acidification, water demand, eutrophication and those linked to terrestrial and marine ecotoxicity. The major impacts of the biodiesel are in the rapeseed production stage.In order to reduce the environmental impact and improve the life cycle stages of biodiesel in Chile, it appears that a production strategy involving local, renewable resources should be used, with an industrial ecology approach. Four alternative scenarios were investigated. The use of animal manure, with a corresponding reduction in mineral fertilizer, has the greatest reduction in impacts. The use of industrial forest residues as an energy source for biodiesel plants and using the railway to transport the biodiesel are also recommended from the environmental point of view. The use of highly degraded grassland for rapeseed cultivation is also important, as this option reduces greenhouse gas emissions by 22% compared to using non-degraded grassland. By combining the four scenarios, the impacts of the biodiesel are reduced by between 5% and 58% compared to the standard scenario. The alternative settings could be used in the short term, but should be backed up by economic and social studies.

En esta tesis se presenta un sistema de lectura eléctrica de microarrays que comprenden una serie de transductores impedimétricos con los cuales realizar la detección multiplexada de hasta 36 eventos biológicos en un mismo sustrato. Al igual que con los microarrays de lectura fluorescente, se han empleado sustratos de vidrio desechables para la fabricación del microarray. Sin embargo, a diferencia de ellos , el sistema presentado es compacto y requiere una instrumentación sencilla y de bajo coste, lo que hace que el sistema pueda ser muy útil para realizar la descentralización de este tipo de medidas analíticas. Otros sistemas de lectura eléctricos compactos reportados anteriormente se basan en la inmovilización de los receptores biológicos específicos sobre la superficie del transductor, lo que hace que sean de un solo uso y por lo tanto costosos. Nuestro sistema combina las ventajas de los sistemas eléctricos anteriores y los escáneres de fluorescencia. El array de electrodos interdigitados (IDEs) se fabricó sobre sustratos de vidrio. Las medidas conductimétricas fueron realizadas con estos transductores mediante la aplicación de reacciones de inmunoensayo que emplean la ureasa como marca. La hidrólisis de la urea catalizada por la ureasa produce especies iónicas en solución que aumentan su conductividad. Los microarrays se fabrican sobre portaobjetos de vidrio convencional. Para la lectura, se coloca sobre el microarray sobre el array de IDEs dejando un espacio de fijo entre ambos, de modo que cada punto del microarray se alinea con su IDE correspondiente. En el proceso de medida se depositaron gotas de solución de medida que contienen urea que ponían en contacto el IDE y el punto correspondiente del microarray. Sin embargo, en un primero trabajo se presentaron algunos inconvenientes importantes relacionados con la evaporación de las gotas y el cross-talk químico entre las gotas adyacentes debido a migración de especies iónicas, lo que hizo que el sistema presentase unas características de sensibilidad y límite de detección sensiblemente más limitadas que las mostradas por los sistemas de detección fluorescente. Por otra parte, se requería de un microdispensador para posicionar con precisión las gotas sobre los transductores. En un segundo trabajo, se encontró una solución para resolver estos inconvenientes y se demostró el potencial del sistema para se un competidor real, en términos de rendimiento analítico, frente a los sistemas basados en fluorescencia. Dicha solución se basó en el empleo una estructura de PDMS que incluye 36 micropocillos de 1.2 µL de volumen, los cuales se disponen sobre el array de transductores para contener el volumen de solución de urea y poder realizar la lectura de cada punto del microarray dentro de una cavidad cerrada. Con esta configuración se consiguió evitar por completo los problemas de evaporación y cross-talk químico. Por último, se presenta un tercer trabajo donde se automatizó este sistema de lectura mediante la implementación de una estructura microfluídica que incluye el array de micropocillos de PDMS así como los componentes fluídicos necesarios para realizar el llenado automático de los mismos así como su lavado posterior una vez realizada la lectura de un microarray. De esta forma, se mejoró el rendimiento del sistema de lectura a la vez que su fiabilidad al minimizar la manipulación por parte de un usuario. / An electrical readout system of microarrays comprising an array of conductimetric transducers, which enabled multiplexed detection of up to 36 biological events on the same substrate, is reported in this thesis. Similarly to fluorescent readout counterparts, regular glass slides were applied for carrying out the microarray. However, unlike them, the presented system is compact and requires a simple and inexpensive instrumentation, thus being ideally suited for deployment of bioarray detection approaches. Other compact electrical readout systems previously reported are based on the immobilization of the specific bioreceptors on the transducer surface, which make them single-use and thus expensive. Our system combines the merits of both previous electrical systems and the fluorescence scanner approaches. An array of 40 μm-pitch gold interdigitated electrode pairs (IDEs) was fabricated on glass substrates. Conductimetric measurements were carried out with these transducers by applying urease-based (urease labeled) immunoassay reactions. The hydrolysis of urea catalyzed by urease produces ionic species in solution that increase its conductivity. In order to carry out such detection scheme, the bioarray was developed on a regular glass slide substrate, which was then placed over the IDE microarray leaving a fixed gap and aligned so that each spot of the bioarray faced one IDE. Therein, the droplets of urea solution were placed in the gap to contact the IDEs and the corresponding spots of the bioarray. However, in the development of the first approach, some major drawbacks related to droplet evaporation and chemical cross-talk between adjacent droplets made the system to be far from achieving the performance of fluorescent detection approaches. Moreover, a microdispenser was required to accurately position the droplets. In a second approach, we found the solution for circumventing these drawbacks and the demonstration of the potential of the system as a real competitor against fluorescence based systems in terms of analytical performance. An array structure of 36 PDMS microwells having a volume of 1.2 μL were fabricated by molding and positioned over the IDE array. The geometry of each microwell includes an O-ring like structure and an empty area around it, which enabled first, to easily fill it without using any specific instrumentation and second, to ensure its liquid tightness once the bioarray was positioned over it. This set-up was demonstrated to completely avoid the evaporation and chemical cross-talk issues. Finally, a third approach is presented, where the readout automatized by means of a microfluidic structure that includes the PDMS microwells together with those fluidic components that enabled the automatic filling with the measuring solution as well as the cleaning step of the system once a microarray was measured. Working in this way improves the throughput of the electrical readout system as well as enhanced its reliability by minimizing the manipulation by the user.

El cáncer es una de las principales causas de muerte en el mundo. Los tumores cerebrales tienen una incidencia relativamente baja en comparación con otras patologías cancerígenas más generalizadas, pero la prognosis de algunos es muy pobre, contribuyendo significativamente a su morbilidad. La gestión clínica de una masa anormal en el cerebro es materia delicada y difícil, por lo que los expertos han de basarse en mediciones indirectas no invasivas de las características del tumor y de su crecimiento. En la práctica radiológica actual, estas mediciones se realizan a menudo mediante técnicas de resonancia magnética (MR), como la imagen (MRI) y la espectroscopia (MRS). La vasta información contenida en las señales de MR les hace ideales para la aplicación de técnicas de reconocimiento de patrones (PR). Durante las dos últimas décadas, estas técnicas se han aplicado con éxito al problema de la extracción de conocimiento a partir de datos de tumores cerebrales humanos, para su diagnóstico y pronóstico. No obstante, la discriminación de algunos tipos y subtipos de tumores, así como la delimitación precisa del área tumoral, continúan siendo un reto para los investigadores. En esta tesis, abordamos tales retos mediante la aplicación de un conjunto de técnicas avanzadas de PR. En primera instancia, se implementaron una variedad de técnicas comunes y bien conocidas en una herramienta integrada de software. Esta fue utilizada en tareas de reducción de dimensionalidad (DR), clasificación y evaluación de modelos, para el desarrollo de clasificadores apropiados para analizar datos de MRS. Posteriormente, se profundizó en el desarrollo de métodos de extracción de características (FE), para proponer un método que proporciona prototipos de señal interpretables a partir de los datos de MRS. En una siguiente fase, dos técnicas de descomposición espectral fueron utilizadas para extraer fuentes de MRS e identificar la que proporciona mejores resultados en el contexto de problemas de neuro-oncología, utilizando datos de MRS de un solo vóxel (SV). El mejor y más adecuado método de extracción de fuentes resultante se utilizó posteriormente para derivar fuentes correlacionadas con los espectros promedio de los tipos de tejidos estudiados. El primer enfoque se aplicó también en el contexto de datos de múltiples vóxeles (MV), donde se propone un mecanismo para delimitar la zona patológica del tumor. Las contribuciones se pueden resumir de la siguiente manera. En primer lugar, el desarrollo de una herramienta de software que ha permitido reproducir clasificadores previamente publicados, así como probar nuevas hipótesis. También se ha contribuido con un método de FE, cuyo rendimiento es comparable a su contraparte más comúnmente utilizada en el análisis de datos de MRS, al tiempo que mejora su interpretación. Por otra parte, hemos identificado la variante de descomposición espectral que mejor se adapta al análisis de datos de SV MRS, llamada Convex Non-negative Matrix Factorisation (NMF), mostrando su capacidad para discriminar entre tejido sano, necrosis y tumor en proliferación activa, con resultados que son comparables a los obtenidos en modo supervisado. Con los datos de MV, los resultados obtenidos evidencian que es posible conseguir una delimitación precisa de la zona patológica mediante la aplicación de Convex-NMF. Con esta tesis, ofrecemos una herramienta a radiólogos espectroscopistas para facilitar el desarrollo de clasificadores para el análisis de datos de MRS, en un amplio grupo de tipos tumorales. También ofrecemos una alternativa no supervisada para mejorar la discriminación entre tipos y subtipos tumorales, colocando este enfoque un paso por delante de los métodos supervisados clásicos. Esto nos ha permitido hacer frente a una de las principales fuentes de incertidumbre en el manejo clínico de tumores cerebrales: la dificultad de delimitar adecuadamente el área patológica. / Cancer is a leading cause of death worldwide. Tumours of the Central Nervous System and, among them, brain tumours have a relatively low incidence as compared to other more widespread cancer pathologies, but the prognosis of some of them is very poor, contributing significantly to morbidity. The clinical management of an abnormal mass in the brain is sensitive and difficult, making experts to rely on non-invasive indirect measurements of the tumour characteristics and growth. In current radiological practice, these data measurements are often provided by magnetic resonance (MR) techniques, such as imaging (MRI) and spectroscopy (MRS). The rich information contained in MR signals makes them ideally suited to the application of pattern recognition (PR) techniques. Over the last two decades, these techniques have been successfully used to address the problem of knowledge extraction from human brain tumour data, for their diagnosis and prognosis. Nevertheless, the discrimination of some tumour types and subtypes, along with the accurate delimitation of the tumour area, remained challenging. In this thesis, we approach these challenges using a set of advanced PR techniques. A variety of common and well-known dimensionality reduction (DR), classification, and evaluation methods are first gathered in a software tool, used for the development of classifiers that are suitable for the analysis of MRS data. We then delve into the feature extraction (FE) family of DR methods to propose a method that is robust in the presence of noise, not prone to overfitting, and which also provides interpretation of the extracted MRS signal prototypes. Two spectral decomposition techniques, in different algorithmic variants, are subsequently used to extract the sources of the MRS signals and identify the one that provides better results in the context of neuro-oncology, using single-voxel (SV) MRS data. The best and most adequate source extraction method is then used to derive sources correlated with the mean spectra of known tissue types. The former, an unsupervised approach, is also applied in this thesis in the multi-voxel (MV) context, where we propose a mechanism for delimiting the pathological area of the tumour. The contributions of this thesis can be summarised as follows. First, the development of a software tool allowed us to reproduce previously published MRS-based classifiers, and test new hypotheses that led to new publications. We also contributed a FE method, whose performance is comparable to its most commonly used counterpart in MRS data analysis, while improving on the interpretability. Moreover, we identified the spectral decomposition variant that best suits the analysis of SV MRS data, namely Convex Non-negative Matrix Factorisation (NMF), and showed its ability to discriminate between healthy tissue, necrosis, and actively proliferating tumour, with results that are comparable to those obtained in fully supervised mode. For MV data, we successfully benchmarked alternative spectral decomposition methods, and provided evidence supporting that very accurate delimitation can be achieved through the application of Convex-NMF. With this thesis, we provide spectroscopists with a tool that facilitates the development of classifiers for the analysis of MRS data, for a large group of tumour types; allowing them to concentrate on the interpretation of the results, without requiring a specialised mathematical expertise for testing their hypotheses. We also provide an unsupervised alternative to improve the discrimination between tumour types and subtypes, placing this approach one step ahead of classical label-requiring supervised methods for detection of the increasingly recognised molecular subtype heterogeneity within human brain tumours. This also allowed us to accurately tackle one of the main sources of uncertainty in the clinical management of brain tumours, which is the difficulty of appropriately delimiting the pathological area.

La necesidad de energía renovable y la constante amenaza del calentamiento global han motivado el desarrollo de nuevas tecnologías más sostenibles que las actuales, como los sistemas bioelectroquímicos, también conocidos con el nombre de celdas electroquímicas microbianas (Microbial Electrochemical Cells, MXCs), que combinan la electroquímica con el metabolismo de un grupo particular de microorganismos llamados exoelectrógenos o ARB (Anode Respiring Bacteria). Entender la actividad metabólica de los ARB y sus condiciones óptimas de crecimiento es de gran importancia para garantizar el máximo rendimiento de las MXCs. Por este motivo, la presente tesis estudia los sistemas bioelectroquímicos y tiene como objetivo desarrollar, estudiar y mejorar la comunidad microbiana de las MXCs para aumentar su rendimiento. Se han aplicado técnicas moleculares avanzadas cuales el estudio metagenómico del gen 16S ribosomal y la PCR en tiempo real (qPCR). Se han diseñado diferentes montajes experimentales para estudiar las condiciones de operación que favorecen a los ARB frente a otros microorganismos que disminuyen la eficiencia de las MXCs, como son los metanógenos o las bacterias homoacetógenas. El enriquecimiento de ARB bajo diferentes resistencias externas en celdas de combustible microbianas (Microbial Fuel Cells, MFC) ha demostrado que el ánodo inoculado en una MFC bajo una resistencia externa baja (12 Ω) tiene un mejor rendimiento cuando es trasladado a una celda de electrólisis microbiana (Microbial Electrolysis Cell, MEC); es decir, proporciona mayor intensidad y mayor tasa de producción de H2 que otras MFC inoculadas con resistencias externas superiores (220 y 1000 Ω). Los análisis de qPCR han confirmado que el uso de una resistencia externa baja en MFC comporta la formación de una biopelícula anódica con mayor contenido de Geobacter. Un estudio se ha llevado a cabo en dos etapas para conocer las limitaciones del uso a largo plazo del inhibidor de la metanogénesis 2-bromoetanosulfonato (BES). En MFCs alimentadas con acetato, se ha observado como el BES se demostraba ineficaz (hasta 200 mM) a largo plazo, ya que no puede evitar el crecimiento de Archaea (concretamente del género que usa hidrógeno como donador de electrones, Methanobrevibacter), lo que parece indicar el desarrollo de resistencia al BES. A concentración 200 mM de BES la actividad metanógenica disminuye, pero resulta en un incremento de la recirculación de hidrógeno por homoacetogénesis. Además, se ha demostrado la degradación de BES en MFC. Se ha obtenido una alta intensidad de corriente (hasta 10 A·m-2) en una MEC inoculada con un cultivo puro de Geoalkalibacter ferrihydriticus a pH básico (9.3). Estos resultados sugieren la posibilidad de que las condiciones alcalinas puedan mejorar el rendimiento de las MXCs mediante la creación de un entorno más selectivo para los ARB. También se ha seleccionado, a partir de lodos anaerobios, una comunidad capaz de trabajar en condiciones de pH básico utilizando medio alcalino y un control del pH en línea. Se han obtenido unos rendimientos muy elevados en MFC y MEC. El estudio de las poblaciones existentes muestra un elevado contenido en el género Alkalibacter en una MFC alcalina (37% de la comunidad bacteriana). El género Geoalkalibacter se ha confirmado a pH alto, particularmente en MEC (43%). Finalmente, se ha desarrollado una estrategia con el propósito de obtener un cultivo sintrófico entre fermentadores y ARB capaz de usar el suero de leche como donador de electrones. Este es fermentado principalmente a acetato por bacterias del ácido láctico (Enterococcus sp. comprendía el 22% de la comunidad bacteriana). La actividad exoelectrogénica se ha demostrado con la presencia de Geobacter sp. (37%), que consume el acetato como donador de electrones. Esta comunidad microbiana ha sido capaz de degradar el suero para producir directamente energía o H2 (0.6 LH2·L-1REACTOR·d-1). / The need of renewable energy and the constant threat of global warming have motivated the development of emerging sustainable technologies. Among them, bioelectrochemical systems envisage a future where energy and other added value products, such as hydrogen, can be obtained from organic waste streams. Thus, bioelectrochemical systems, also known with the name of microbial electrochemical systems (MXCs), fit perfectly in the new paradigm with respect to wastes, which should be valorized rather than treated. MXCs combine the electrochemistry with the metabolism of a particular group of microorganisms called exoelectrogens or anode respiring bacteria (ARB). The need of understanding the metabolic activity of ARB and their optimal growth conditions are of high importance to ensure the maximal performance of MXCs. In this frame, this thesis aimed to develop, to study and to upgrade the microbial community of MXCs in view of increasing their performance. For this purpose, ribosomal 16S gene targeted metagenomics study and quantitative real-time PCR (qPCR) techniques were implemented in this thesis. qPCR curves were built to study the evolution of ARB and methanogen microbial communities. Further, 454 pyrosequencing analysis were conducted in order to deepen the composition of microbial electrodes communities. Different experimental setups were designed to study operational conditions under which ARB could outcompete other microorganisms that can undermine MXCs performance, such as methanogens and homoacetogenic bacteria. The first step was the ARB enrichment at different external resistances in Microbial Fuel Cells (MFCs). This study showed that the anode inoculated under low external resistance (12 Ω) in MFC mode showed better performance in the posterior Microbial Electrolysis Cell (MEC) mode (i.e. gave higher current intensity and showed higher H2 production rate) than other MFCs inoculated under higher resistances (220 and 1000 Ω). Moreover, qPCR confirmed that the use of a low external resistance provides an MFC anodic biofilm with the highest content of Geobacter (the most usual ARB). A long term study of the most common methanogens chemical inhibitor: 2-bromoethanesulfonate (BES) was performed in two steps to underline its limitations. A long term acetate-fed MXCs showed BES ineffectiveness caused by Archaea (hydrogen-oxidizing genus Methanobrevibacter) resistance to high BES concentration (up to 200 mM) in MEC. In addition, BES degradation was demonstrated in MFC. Moreover, at higher BES concentration (200 mM), methanogenesis activity decreased but resulted in an increase of H2 recycling by homoacetogenesis. A MEC inoculated with Geoalkalibacter ferrihydriticus pure culture at high pH revealed high current intensity production (up to 10 A·m-2). These results suggested the possibility to use alkaline conditions with the objective to improve MXCs performance by creating a more selective environment. Then, a high pH community was selected from anaerobic sludge using alkaline medium and an online pH control. High performances were obtained in both MFC and MEC (around 50 mA·m-2 of current density and 2.6 LH2·L-1REACTOR·d -1). Alkalibacter genus was highly detected in an alkaline MFC (37% of the bacterial community) and it was identified as a potential ARB. The presence of Geoalkalibacter genus was confirmed at high pH (9.3) conditions and especially in MEC (43 %). Finally, a successful strategy was developed with the purpose of obtaining a cheese-whey fermentative-ARB syntrophic community. Cheese-whey was fermented to acetate mainly by lactic acid bacteria (Enterococcus genus was 22% of the total bacterial community) and other fermenting bacteria as Sphaerochaeta and Dysgonomonas genera. Exoelectrogenic activity was performed by Geobacter sp. (37%), that used the acetate as electron donor. This microbial community was able to degrade cheese whey to produce directly energy or H2 (0.6 LH2·L-1REACTOR·d-1). Moreover, cheese whey MXCs demonstrated the intrinsic ability to inhibit methanogenic activity without using other external inhibition strategies.

Actualmente se crean, almacenan, editan y distribuyen grandes cantidades de contenidos audiovisuales, en parte debido a la capacidad de almacenamiento prácticamente ilimitada, al acceso a los medios necesarios por todo el mundo y en cualquier parte, y a la ubicua conectividad proporcionada por Internet. En este contexto, se requiere una gestión adecuada y sostenible que permita la búsqueda y recuperación de la información de interés. Es aquí donde las técnicas de procesamiento del habla juegan un papel crucial en el etiquetado y anotación automáticos de contenidos audiovisuales. La diarización de locutores es un proceso de apoyo clave para otros sistemas de procesamiento del habla, tales como el reconocimiento automático del habla y el reconocimiento automático de locutores, frecuentemente usados para la extracción automática de metadatos de documentos hablados. Entre las distintas colecciones de contenidos, puede haber locutores recurrentes que participen en diferentes sesiones dentro de una colección determinada (por ejemplo, en contenidos de televisión y radio). Dada la naturaleza local de la tecnología de diarización de locutores, un locutor recurrente arbitrario probablemente recibirá identificadores locales diferentes entre las distintas sesiones donde tal locutor participa. En esta situación tendría más sentido que los locutores recurrentes recibieran el mismo identificador abstracto, global para todas las sesiones. Esta tarea se conoce como diarización de locutores inter-sesión. La diarización de locutores actual ha conseguido muy buena precisión, pero normalmente al coste de largos tiempos de ejecución. Esta limitación podría no ser adecuada para aplicaciones de la vida real a gran escala, se hace aún más evidente el la tarea de diarización de locutores inter-sesión. En esta tesis, la aproximación a la diarización rápida de locutores basada en claves binarias se lleva a un siguiente nivel, con el objetivo de obtener rendimientos similares a los de los sistemas actuales punteros, mientras se preservan altas tasas de velocidad que permitan el tratamiento de grandes colecciones de audio en tiempos competitivos. Además, se propone un nuevo sistema de diarización de locutores inter-sesión basado en claves binarias que sigue los mismos principios previamente establecidos: precisión competitiva en tiempos de ejecución cortos. Como resultado de esta tesis, se propone un sistema mejorado de diarización que consigue una mejora relativa del 16% en rendimiento con respecto a un sistema base de claves binarias (15% DER frente a un 18.22% DER, siendo DER la tasa de error de diarización), siendo 7 veces más rápido (0.035xRT frente a 0.252xRT, siendo xRT el factor de tiempo real) y 28 veces más rápido que el tiempo real. En cuanto a la diarización inter-sesión, en esta tesis se propone un sistema binario cuya precisión es solo levemente inferior (3.5% DER absoluto) a la de su sistema homólogo para sesiones independientes, mientras que presenta factores de tiempo real alrededor de 0.036xRT. Además, la aproximación propuesta escala adecuadamente para tratar colecciones de audio de varios cientos de horas. / Today, massive amounts of audiovisual content are being generated, stored, released and delivered, in part due to the virtually unlimited storage capacity, the access to the necessary media to produce them by anybody and anywhere, and the ubiquitous connectivity provided by the Internet. In this context, suitable, affordable and sustainable content management which enables searching and retrieving information of interest is a must. Since manual handling of such amount of data is intractable, it is here where speech processing techniques may play a crucial role in the automatic tagging and annotation of audiovisual content. The task of speaker diarization (also known as the “who spoke when” task) has become a key process as a supporting technology for further speech processing systems, such as automatic speech recognition and automatic speaker recognition, used for the automatic extraction of metadata from spoken documents. Among the massive amount of audiovisual content being created, there can be recurrent speakers who participate in several sessions within a collection of audiovisual sessions. For instance, in TV and radio content one can frequently find recurrent speakers such as public figures, journalists, presenters, anchors, and so on. Due to the local nature of current speaker diarization technology (systems work on a single-session basis), an arbitrary recurrent speaker will likely receive different local abstract identifiers among the different sessions where he/she participates. In this situation, it would be more meaningful that the recurrent speakers receive the same global, abstract ID along all sessions. This task is known as cross-session speaker diarization. Current state-of-the-art speaker diarization systems have achieved very good performance, but usually at the cost of long processing times. This limitation on execution time makes current systems not suitable for large-scale, real-life applications, and becomes even more evident in the task of cross-session speaker diarization. In this thesis, the fast speaker diarization approach based on binary key speaker modeling is taken to a next level with the aim of bringing it closer to state-of-the-art performance while preserving high speed rates that enable the processing of large audio collections in competitive times. Furthermore, a new cross-session speaker diarization system based on binary key speaker modeling is proposed by following the same previously established goals: competitive performance with short execution times. As a result of this thesis, we propose a new improved single-session speaker diarization system which exhibits a 16% relative improvement in performance with regard to a baseline binary key system (15.15% DER opposed to 18.22% DER, being DER the diarization error rate), while being 7 times faster (0.035xRT against 0.252xRT, being xRT the real-time factor) and 28 times faster than real time. As for cross-session speaker diarization, in this thesis we propose a binary system whose performance is just slightly below (3.5% absolute DER) the performance of its single-session counterpart, while presenting a real-time factor of 0.036xRT. Furthermore, our approach has been shown to successfully scale for processing audio collection of several hundreds of hours.

Executar aplicacions paral·leles de pas de missatges sobre un elevat nombre de recursos de manera eficient no és una tasca trivial. A causa de la complexa interacció entre l'aplicació paral·lela i el sistema HPC, a mesura que s'augmenta el nombre de processos de l'aplicació, depenent del sistema, pot arribar un punt on l'aplicació presenti el seu límit d'escalabilitat, moment a partir del qual es començaran a produir ineficiències en el sistema, comportant a un ús ineficient del mateix. Aquest problema es torna especialment crític en aplicacions paral·leles les quals han de ser executades freqüentment, utilitzant un elevat nombre de recursos sobre un llarg període de temps Per tal d'intentar solucionar aquests problemes i fer un ús eficient del sistema, com a principal contribució d'aquesta tesi, es proposa la metodologia P3S (Prediction of Parallel Program Scalability), la qual permet predir el rendiment de l'escalabilitat forta d'aplicacions paral·leles de pas de missatges en un determinat sistema, utilitzant un temps d'anàlisi limitat i un conjunt reduït de recursos del sistema. La metodologia P3S, es basa en analitzar el comportament repetitiu de les aplicacions paral·leles de pas de missatges. Aquest tipus d'aplicacions estan compostes per un conjunt de fases identificables, les quals es van repetint al llarg de tota l'aplicació, independentment del nombre de processos de l'aplicació. La metodologia consta de tres etapes. Una primera etapa de caracterització, on es caracteritzen les fases rellevants de l'aplicació paral·lela, a partir de la informació obtinguda de l'execució d'un conjunt de signatures de l'aplicació, per a un nombre reduït de processos. Una segona etapa de modelització de l'aplicació, on es genera el model lògic d'escalabilitat de cada fase rellevant de l'aplicació paral·lela, mitjançant el qual construir la traça lògica escalable de l'aplicació. Aquesta traça permetrà predir el comportament lògic de l'aplicació, a mesura que s'augmenta el seu nombre de processos. Finalment, l'última etapa de la metodologia consisteix en predir el rendiment de l'aplicació per a un nombre específic de processos. Per a això, la traça lògica escalable serà precisada per al nombre de processos per al qual es vol predir el rendiment de l'aplicació, amb l'objectiu de predir el temps de còmput i comunicació de cada fase rellevant de l'aplicació, per aquest nombre de processos , amb la finalitat d'obtenir el temps predit de l'aplicació. Gràcies a la corba d'escalabilitat de l'aplicació, proporcionada per la metodologia P3S, els usuaris poden seleccionar els recursos més adients per executar la seva aplicació al sistema destí, el que permet tenir la seguretat d'utilitzar els recursos del sistema de manera eficient. / Ejecutar aplicaciones paralelas de paso de mensajes sobre un elevado número de recursos de forma eficiente no es una tarea trivial. Debido a la compleja interacción entre la aplicación paralela y el sistema HPC, a medida que se aumenta el número de procesos de la aplicación, dependiendo del sistema, puede llegar un punto donde la aplicación presente su límite de escalabilidad, momento a partir del cual se empezarán a producir ineficiencias en el sistema, conllevando a un uso ineficiente del mismo. Este problema se vuelve especialmente crítico en aplicaciones paralelas las cuales tienen que ser ejecutadas frecuentemente, utilizando un elevado número de recursos sobre un largo período de tiempo Con el fin de intentar solventar estos problemas y hacer un uso eficiente del sistema, como principal contribución de esta tesis, se propone la metodología P3S (Prediction of Parallel Program Scalability), la cual permite predecir el rendimiento de la escalabilidad fuerte de aplicaciones paralelas de paso de mensajes en un determinado sistema, utilizando un tiempo de análisis limitado y un conjunto reducido de recursos del sistema. La metodología P3S, se basa en analizar el comportamiento repetitivo de las aplicaciones paralelas de paso de mensajes. Este tipo de aplicaciones están compuestas por un conjunto de fases identificables, las cuales se van repitiendo a lo largo de toda la aplicación, independientemente del número de procesos de la aplicación. La metodología consta de tres etapas. Una primera etapa de caracterización, donde se caracterizan las fases relevantes de la aplicación paralela, a partir de la información obtenida de la ejecución de un conjunto de firmas de la aplicación, para un número reducido de procesos. Una segunda etapa de modelización de la aplicación, donde se genera el modelo lógico de escalabilidad de cada fase relevante de la aplicación paralela, mediante el cual construir la traza lógica escalable de la aplicación. Esta traza permitirá predecir el comportamiento lógico de la aplicación, a medida que se aumenta su número de procesos. Finalmente, la última etapa de la metodología consiste en predecir el rendimiento de la aplicación para un número específico de procesos. Para ello, la traza lógica escalable será precisada para el número de procesos para el cual se desea predecir el rendimiento de la aplicación, con el objetivo de predecir el tiempo de cómputo y comunicación de cada fase relevante de la aplicación, para ese número de procesos, con la finalidad de obtener el tiempo predicho de la aplicación. Gracias a la curva de escalabilidad de la aplicación, proporcionada por la metodología P3S, los usuarios pueden seleccionar los recursos más adecuados para ejecutar su aplicación en el sistema objetivo, lo que permite tener la seguridad de utilizar los recursos del sistema de forma eficiente. / Executing message-­‐passing applications using an elevated number of resources is not a trivial task. Due to the complex interaction between the message-­‐passing applications and the HPC system, depending on the system, many applications may suffer performance inefficiencies, when they scale to a large number of processes. This problem is particularly serious when the application is executed many times over a long period of time. With the purpose of avoiding these problems and making an efficient use of the system, as main contribution of this thesis, we propose the methodology P3S (Prediction of Parallel Program Scalability), which allows us to analyze and predict the strong scalability behavior for message-­‐passing applications on a given system. The methodology strives to use a bounded analysis time, and a reduced set of resources to predict the application performance. The P3S methodology is based on analyzing the repetitive behavior of parallel message-­‐passing applications. Such applications are composed of a set of phases, which are repeated through the whole application, independently of the number of application processes. The methodology is made up of three stages. A first characterization step, where the relevant phases of the parallel application are characterized, from the execution of a set of small-­‐scale application signatures. A second stage of modeling of the application, where the application logical scalability model is generated for each relevant application phase, whereby to construct the scalable logical trace of the application. This trace will be used to predict the logical behavior of the application, as the number of the application processes increases. Finally, the last stage of the methodology consist of predicting the application performance for a specific number of processes. In order to do that, the scalable logical trace will be specified for the number of processes to predict the application performance, with the objective to predict the computational and communication time of each relevant phase for this number of processes, in order to obtain the performance prediction. The output of the P3S methodology will be the predicted curve of application speedup. Using this information, the users can select the most appropriate resources to execute his application on the target system, in order to use the system resources efficiently.