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III-XX_Romane
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ECOLOGIA MICROBICA
1 - Ruolo dei microrganismi nei cicli biogeochimici degli elementi
(Marco Bosco, Luciana Giovannetti, Manuela Giovannetti, Carlo Viti)
1.1 Generalità
1.1.1 Degradazione di residui vegetali, 4
1.2 Ciclo del carbonio
1.2.1 Glucidi semplici, 7
1.2.2 Polimeri semplici, 7
1.2.3 Polimeri ad alto peso molecolare, 9
1.2.4 Sostanza organica del suolo (humus), 16
1.3 Ciclo dell’azoto
1.3.1 Ammonizzazione e assimilazione dell’ammonio, 21
1.3.2 Nitrificazione, 23
1.3.3 Riduzione del nitrato e denitrificazione, 27
1.3.4 Alterazioni antropiche del ciclo dell’azoto, 31
1.4 Cicli dello zolfo e del fosforo
1.4.1 Ciclo dello zolfo, 33
1.4.2 Ciclo del fosforo, 36
Bibliografia
2 - Le associazioni tra microrganismi
(Giancarlo Moschetti, Mario Chiurazzi)
2.1 Associazioni positive
2.1.1 Neutralismo, 41
2.1.2 Commensalismo, 41
2.1.3 Protocoperazione, 42
2.1.4 Mutualismo, 43
1
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2.2
Associazioni negative
2.2.1 Competizione, 45
2.2.2 Amensalismo, 46
2.2.3 Parassitismo, 47
2.2.4 Predazione, 49
Bibliografia
3 - Microbiologia degli ambienti estremi
45
50
(Francesco Canganella)
3.1
Caratteristiche degli ambienti estremi
3.1.1 I microrganismi negli ambienti estremi, 55
3.1.2 Ambienti termali, 56
3.1.3 Ambienti ipersalini, 57
3.1.4 Ambienti abissali, 57
3.2 Microrganismi estremofili rappresentativi
3.2.1 I microrganismi degli ambienti termali, 61
3.2.2 Caratteristiche dei termofili, 62
3.2.3 Studio dei microrganismi termofili e loro applicazioni, 64
3.2.4 Applicazioni e prospettive biotecnologiche, 66
3.3 I microrganismi degli ambienti ipersalini
3.3.1 Applicazioni biotecnologiche dei microrganismi alofili, 71
3.3.2 Batteri alcalofili, 75
3.3.3 Batteri acidofili, 76
3.4 I microrganismi degli ambienti abissali
3.4.1 Isolamento e caratteristiche fisiologiche dei batteri abissali, 77
3.4.2 La microflora delle sorgenti idrotermali abissali, 78
3.4.3 Endosimbiosi batteriche in ambienti estremi, 80
3.4.4 Grotte e cavità sottomarine anossiche, 82
3.5 Esobiologia, microrganismi e ambienti spaziali
Bibliografia
4 - Biofilm microbici
53
52
61
70
77
84
87
(Elena Di Mattia)
4.1
Cenni generali sui biofilm
4.1.1 Resistenza dei biofilm ad antibiotici e disinfettanti, 91
La formazione dei biofilm, 93
4.2 I biofilm agroambientali
4.2.1 Biofilm ambientali: pianta, suolo e rizosfera, 100
Box 4.1 I biofilm e la fitodepurazione, 103
4.2.2 Biotecnologie avanzate per il controllo della formazione dei biofilm, 104
Bibliografia
91
99
106
5 - Ecologia microbica dell’apparato digerente
107
Aspetti di ecologia microbica del tratto digerente
(Bruno Biavati)
5.1 L’apparato digerente
5.1.1 Anatomia del tratto gastrointestinale, 108
5.1.2 Distribuzione del microbiota nell’uomo, 111
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5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Gli animali gnotobiotici, 114
5.1.5 I ruminanti, 118
5.1.6 Il pollame, 121
Le comunità microbiche
5.2.1 Aspetti strutturali delle comunità microbiche, 126
5.2.2 Comunicazione tra i membri delle comunità microbiche, 127
Determinanti ambientali condizionanti la distribuzione e composizione del microbiota
5.3.1 Rapporti microrganismo-ospite, 128
5.3.2 Fattori ambientali selettivi, 128
5.3.3 Interazioni tra i microrganismi, 131
Difficoltà nel caratterizzare la composizione del microbiota gastrointestinale
L’epitelio quale sito delle interazioni microrganismi-ospite
5.5.1 Antibiotico resistenza, 136
5.5.2 I patogeni, 137
La risposta immunitaria
5.6.1 Difese dell’organismo, 139
5.6.2 Le difese acquisite, 144
5.6.3 Memoria immunologica, 146
Probiotici e prebiotici per il mantenimento dello stato di salute dell’ospite
(Loredana Baffoni, Bruno Biavati)
5.7 I probiotici
5.7.1 Ma che cos’è un organismo probiotico?, 147
Box 5.1 I probiotici negli alimenti, 148
5.7.2 Probiotici: sicurezza d’impiego, 152
5.7.3 Specie probiotiche, 155
5.8 I prebiotici
5.9 I simbiotici
5.10 Probiotici per animali d’allevamento
5.10.1 Prodotti attualmente disponibili, 157
5.10.2 Uso attuale, 160
Effetti dei probiotici, 160
Bibliografia
IX
126
128
134
136
139
147
147
157
159
159
162
MICROBIOLOGIA DEL SUOLO
6 - La biodiversità microbica del suolo
163
Comunità microbiche del suolo
(Marco Nuti, Monica Agnolucci, Annita Toffanin, Stefania Degl’Innocenti)
6.1 Definizioni e aspetti generali
6.2 Metodi per lo studio delle comunità microbiche del suolo
6.3 Teorie ecologiche sui microrganismi del suolo e sulle fluttuazioni della biodiversità
163
I centri di risorse biologiche per la conservazione della biodiversità microbica
(Ann Vaughan)
6.4 L’importanza strategica dei centri di risorse biologiche
6.5 Le collezioni come strutture di servizio
Bibliografia
189
163
174
184
189
191
192
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7 - La rizosfera e le associazioni microrganismi-piante
195
(Marco Bosco, Luciana Giovannetti, Manuela Giovannetti, Carlo Viti)
7.1 La rizosfera
195
7.1.1 Ecologia microbica della rizosfera, 196
Box 7.1 Quorum sensing, 198
7.1.2 Metodi per lo studio dei microrganismi nella rizosfera, 202
Box 7.2 Protocolli per la separazione delle differenti parti che compongono la rizosfera, 203
7.2 Le simbiosi micorriziche
209
7.2.1 La biodiversità delle micorrize, 210
7.2.2 Le micorrize arbuscolari, 212
7.2.3 Biodiversità morfologica e molecolare dei funghi MA, 214
7.2.4 Biodiversità funzionale dei funghi MA, 215
7.2.5 Conservazione della biodiverstà, 217
7.3 Le simbiosi attinorriziche
218
7.3.1 Caratteristiche morfologiche, fisiologiche e tassonomiche dei microsimbionti
attinorrizici, 219
7.3.2 Caratteristiche delle simbiosi attinorriziche, 220
7.3.3 Piante attinorriziche: ecologia e applicazioni, 224
Bibliografia
227
8 - Azotofissazione
(Sergio Casella, Marco Nuti, Andrea Squartini)
8.1
8.2
8.3
Note introduttive
Origini e storia evolutiva della fissazione biologica dell’azoto
Gli autotrofi per l’azoto
8.3.1 Gli azotofissatori liberi e cenobionti, 234
8.3.2 Gli azotofissatori simbionti, 237
8.4 Il fattore comune: la nitrogenasi
8.4.1 Nitrogenasi e ossigeno: come renderli compatibili?, 261
8.4.2 Valutazione dell’attività nitrogenasica, 266
8.5 Selezione e uso in agricoltura di batteri azotofissatori simbionti
8.5.1 Caratteristiche degli inoculanti, 270
8.5.2 Caratteristiche del processo produttivo e controllo della qualità del prodotto, 271
8.6 Stima degli effetti agronomici dell’inoculazione
8.7 Prospettive
Bibliografia
9 - I batteri simbionti che promuovono la crescita delle piante,
PGPR (Marina Basaglia, Daniele Daffonchio, Christine Picard)
9.1
9.2
9.3
229
229
232
233
258
267
274
275
276
277
Definizioni dei batteri PGPR
277
Interazione con gli essudati radicali e colonizzazione radicale
278
Meccanismi diretti di promozione della crescita vegetale
282
9.3.1 Solubilizzazione dei nutrienti (fosforo), 282
9.3.2 Produzione di ormoni da parte dei microrganismi rizosferici e interferenze con il metabolismo vegetale, 283
9.3.3 Produzione di altri composti volatili, 290
9.4 Meccanismi indiretti di promozione della crescita vegetale
291
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9.4.1
9.4.2
9.4.3
Produzione di siderofori, 292
Antibiosi, 293
Regolazione della produzione di siderofori e antibiotici, 296
Box 9.1 Cell-to-Cell signaling, 296
9.4.4 Resistenza indotta, 298
9.4.5 Altri meccanismi di antagonismo, 300
9.5 Diversità dei batteri PGPR
9.5.1 PGPR del genere Pseudomonas, 303
9.5.2 PGPR del genere Bacillus, 307
9.5.3 Altri PGPR, 310
9.6 Produzione di inoculanti e il loro utilizzo in pieno campo
9.7 Microrganismi PGPR geneticamente modificati
Bibliografia
303
312
315
317
MICROBIOLOGIA PER LA PRODUZIONE VEGETALE
10 - La microflora della fillosfera
(Gino Ciafardini)
319
10.1 Le comunità microbiche della fillosfera
320
10.1.1 La superficie aerea delle piante coltivate, 322
10.2 Modificazioni della fillosfera
324
10.2.1 Alterazione della superficie aerea delle piante, 324
10.2.2 Modificazioni legate alla densità delle cellule microbiche, 325
10.2.3 Interazione tra i microrganismi epifiti e la pianta, 326
10.3 La diffusione dei microrganismi epifiti nei sistemi agro-forestali
326
10.3.1 Interazione tra i microrganismi epifiti nella fillossera, 327
10.4 Importanza dei microrganismi epifiti nella produzione degli alimenti vegetali fermentati
329
10.4.1 Impiego dei microrganismi epifiti nell’industria enologica, 330
10.4.2 Il ruolo dei batteri lattici epifiti nella preparazione dei crauti, 333
Box 10.1 La produzione dei crauti, 333
10.4.3 I microrganismi epifiti nella produzione dei cetrioli fermentati, 334
Box 10.2 La produzione dei cetrioli, 334
10.5 Importanza dei microrganismi epifiti dell’industria elaiotecnica
334
10.5.1 I microrganismi epifiti nella produzione delle olive da mensa, 335
10.5.2 Il ruolo dei microrganismi epifiti nella strutturazione dell’olio extravergine di oliva, 342
10.5.3 I microrganismi epifiti presenti negli oli di oliva aromatizzati, 347
10.6 Il ruolo dei batteri lattici epifiti nella produzione di alimenti fermentati minori
348
10.7 Il futuro ruolo della filossera nella ricerca scientifica
350
Bibliografia
350
11 - Gli insilati
11.1
11.2
11.3
11.4
(Sandra Torriani, Franca Rossi)
Processi biochimici legati all’attività delle cellule vegetali
Ecologia microbica degli insilati
Batteri lattici negli insilati
Tecniche di insilamento
11.4.1 Tipi di insilato, 367
11.4.2 Composizione dei raccolti, 369
11.4.3 Utilizzo degli insilati, 372
351
352
353
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11.4.4 Perdite all’insilamento, 374
11.5 Uso di additivi e di inoculanti batterici
11.6 Valutazione dello stato di conservazione degli insilati
Bibliografia
12 - I microrganismi nella lotta biologica
(Daniele Daffonchio, Sergio Casella)
12.1 Definizione di lotta biologica
12.2 Lotta biologica per il controllo di batteri, funghi e nematodi fitopatogeni
12.2.1 Il controllo dei batteri: Agrobacterium radiobacter, 390
12.2.2 Il controllo dei funghi fitopatogeni: Tricoderma sp., 392
12.2.3 Il controllo dei nematodi: Pasteuria penetrans e i funghi trappola, 395
12.3 Lotta biologica per il controllo delle erbe infestanti
12.4 Lotta biologica agli insetti e artropodi
12.4.1 Photorhabdus e la simbiosi con nematodi, 398
12.4.2 Bacillus sphaericus e Bacillus popilliae, 402
12.4.3 Baculovirus, 403
12.5 Bacillus thuringiensis
12.5.1 Tassonomia, genomica ed ecologia, 406
12.5.2 Espressione delle tossine Cry, 408
12.5.3 Le tossine Cry e Cyt: struttura e meccanismo d’azione, 411
12.5.4 Le tossine Vip, 416
12.5.5 Altri fattori di virulenza, 419
12.5.6 Biosicurezza di Bacillus thuringiensis, 419
12.6 Endosimbionti e controllo simbiontico degli insetti
12.6.1 Interazioni trofiche e metaboliche tra insetti e microrganismi, 420
12.6.2 Interferenze con la riproduzione degli insetti, 422
12.6.3 Esempi di controllo simbiotico, 423
12.7 Costruzione di organismi transgenici per la lotta agli insetti
12.7.1 Geni per la costruzione di organismi transgenici per la lotta agli insetti, 425
12.7.2 Problematiche di utilizzo di geni insetticidi eterologhi in ospiti microbici, 428
12.7.3 Strategie di utilizzo dei bioinsetticidi microbici ricombinanti, 429
12.7.4 Piante transgeniche Bt, 430
Bibliografia
13 - Il compostaggio
(Vincenzina Andreoni, Claudia Sorlini)
13.1 Il Processo di compostaggio
13.1.1 Fattori di controllo del compostaggio, 436
13.2 Microflora del processo di compostaggio
13.3 Criteri di valutazione della maturazione del compost
13.4 Effetto soppressivo del compost
Bibliografia
375
383
386
387
388
390
398
398
406
420
425
432
433
434
442
443
446
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MICROBIOLOGIA AMBIENTALE
14 - La produzione di energia sotto forma di metano
(Bruno Biavati)
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Un po’ di storia
14.1 Tassonomia
Box 14.1 Chiave tassonomica dei metanogeni, 453
14.2 Citologia
14.3 Fisiologia
14.3.1 I substrati per la metanogenesi, 459
14.3.2 Adattamento ad ambienti salini, 461
14.3.3 Adattamento ad ambienti con elevate temperature , 461
14.3.4 Adattamento al pH, 462
14.3.5 Adattamento all’ossigeno, 463
14.3.6 Regolazione genetica e metabolica , 463
14.3.7 Motilità e vescicole gassose, 464
14.4 Ecologia
14.4.1 Habitat colonizzati dai metanogeni, 464
14.4.2 Tratti gastrointestinali degli animali, 465
14.4.3 Digestori anaerobi, 466
14.4.4 Sedimenti di acque dolci e suolo, 467
14.4.5 Habitat, 468
14.4.6 Habitat geotermali, 469
14.4.7 Altri habitat, 469
14.4.8 Competizione per H2, 471
14.4.9 Competizione per acetato, 471
14.4.10 Trasferimento interspecie di H2/formiato, 472
14.5 Biochimica
14.5.1 Metanogenesi da CO2 e H2, 476
14.5.2 Metanogenesi da acetato, 478
14.5.3 Metanogenesi da metanolo e metilamine, 479
14.6 Genetica dei metanogeni
14.6.1 Struttura e organizzazione dei geni, 482
14.6.2 DNA e cromatina, 483
14.6.3 Riparazione del DNA, trascrizione e struttura dei geni, 484
14.6.4 Siti di legame al ribosoma, 485
14.6.5 Strutture macromolecolari di superficie, 486
14.6.6 Fissazione dell’azoto, 486
14.6.7 Genomi di metanogeni sequenziati, 486
14.7 Applicazioni dei metanogeni
Box 14.2 Definizioni relative alle variazioni di energia, 496
Bibliografia
15 - La produzione di energia sotto forma di idrogeno
Idrogeno dalla fermentazione delle biomasse (Claudia Sorlini)
15.1 La produzione di idrogeno per via fermentativa al buio
15.1.1 La fermentazione acido-mista, 499
15.1.2 La fermentazione butirrica, 501
15.2 Rese di idrogeno di diversi sistemi biologici in batch
15.3 La produzione di idrogeno negli impianti
15.3.1 I fattori che influenzano la resa in idrogeno
XIII
449
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15.4 I bioreattori
15.5 Le prospettive per il futuro
15.5.1 Manipolazione genetica dei batteri fermentati, 509
15.5.2 Gli interventi sugli impianti di biogas esistenti (511)
507
509
Idrogeno da microrganismi fotosintetici (Massimo Vincenzini)
15.6 I microrganismi produttori di H2 alla luce
15.7 H2 da microrganismi a fotosintesi ossigenica
15.8 H2 da microrganismi a fotosintesi anossigenica
15.9 Processi fotobiologici di produzione di H2 a confronto
Bibliografia
512
512
515
518
519
521
16 - Produzione di bioetanolo
(Matilde Manzoni, Francesco Molinari)
16.1 Substrati
16.2 Aspetti fisiologici e biochimici
16.3 Processi
16.3.1 Coltura batch, 534
16.3.2 Coltura fed-batch, 534
16.3.3 Coltura continua, 536
Bibliografia
523
529
533
538
17 - Depurazione biologica delle acque
539
(Giancarlo Ranalli, Elisabetta Zanardini, Francesca Cappitelli)
17.1 Strutture di un impianto di depurazione
17.1.1 Generalità, 539
17.1.2 Gli inquinanti: aspetti fisico-chimici , 540
17.1.3 Aspetti normativi delle acque reflue, 541
17.1.4 Indice di inquinamento di un refluo, 543
17.1.5 Depurazione biologica delle acque reflue, 544
17.2 Trattamenti primari (o meccanici)
17.3 Trattamenti secondari (o biologico)
17.3.1 Fattori che influenzano la depurazione biologica, 548
Box 17.1 Le tecniche di fitodepurazione, 556
17.4 Trattamenti terziari (o chimico-fisici)
17.5 Ecologia microbica dei fanghi attivi
17.5.1 Microfauna e macrofauna del fango attivo, 562
17.5.2 Dinamica dei fanghi attivi, 564
17.5.3 Formazione dei fiocchi di fango attivo, 567
17.5.4 Disfunzioni e cause del processo a fanghi attivi, 568
17.6 Rimozione microbiologica dell’azoto: a) nitrificazione
17.7 Rimozione microbiologica dell’azoto: b) denitrificazione
17.8 Rimozione microbiolgica dei fosfati
17.8.1 Aspetti microbiologici e biochimici, 577
17.8.2 Soluzioni impiantistiche, 579
Bibliografia
18 - Biorisanamento di suoli contaminati
18.1 Siti contaminati e risanamento
523
(Vincenzina Andreoni)
539
545
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18.2 Applicabilità del biorisanamento
18.3 Ruolo dei microrganismi nei processi di degradazione degli inquinanti nel suolo
18.3.1 Struttura sterica ed elettronica degli inquinanti , 587
18.3.2 Biodisponibilità degli inquinanti, 587
18.3.3 Concentrazione e tossicità degli inquinanti, 588
18.3.4 Biodegradabilità degli inquinanti organici, 588
18.3.5 Potenziale genetico dei microrganismi, 594
18.3.6 Distribuzione dei contaminanti nel suolo, 596
18.4 Influenza dei fattori ambientali sul biorisanamento
18.5 Biorisanamento in situ
18.5.1 Bioattenuazione, 599
18.5.2 Biorisanamento accelerato, 600
18.5.3 Miglioramento del trasferimento degli inquinanti, 601
18.5.4 Inoculazione o bioaumento (bioaugmentation), 603
18.6 Tecnologie di biorisanamento
18.6.1 Bioventilazione e biospargimento, 605
18.6.2 Barriere attive o microbiologiche, 606
18.6.3 Landfarming e biopile, 607
18.6.4 Fitorisanamento e phytoremediation, 607
18.6.5 Tecnologie di bioremediation di falde inquinate, 609
18.7 Casi di studio
18.7.1 Sito contaminato da grezzo di petrolio in Minnesota – Risanamento per
bioattenuazione, 610
18.7.2. Sito contaminato da BTEX in provincia di Milano – Trattamento mediante
soil vapor extraction (SVE) e bioventilazione, 611
18.7.3 Acquifero dell’Arizona contaminato da benzina – Trattamento di air sparging
e allestimento di biobarriere, 611
18.7.4 Sito industriale contaminato da miscele di inquinanti diversi – Uso di
trattamenti ingegnerizzati e bioattenuazione, 612
18.8 Cenni di analisi del rischio
Biobliografia
19 - Microrganismi e beni culturali: tra deterioramento
e biorisanamento
XV
583
584
597
598
604
610
613
614
615
(Francesca Cappitelli, Giancarlo Ranalli, Elisabetta Zanardini)
Deterioramento dei beni culturali
19.1 Biodeterioramento
Box 19.1 Il biodeterioramento dei prodotti sintetici, 616
19.1.1 Meccanismi del biodeterioramento, 617
19.2 I biodeteriogeni
19.2.1 Microrganismi chemiolitotrofi, 620
19.2.2 Organismi fototrofi, 620
19.2.3 Microrganismi eterotrofi, 621
19.3 Metodi di prevenzione e controllo del biodeterioramento
615
615
Biorisanamento dei beni culturali
19.4 Utilizzo di enzimi nella conservazione dei beni culturali
19.5 Utilizzo di microrganismi nella conservazione dei beni culturali
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III-XX_Romane
18-02-2008
11:11
Pagina XVI
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ISBN 978-88-408-1383-7
19.5.1 Le alterazioni che i microrganismi possono rimuovere, 626
19.5.2 Materiali veicolanti (o immobilizzanti) i batteri, 628
19.5.3 Modalità di applicazione del bioformulato, 629
Bibliografia
20 - Bioattività dei microrganismi fotosintetici
(Natascia Biondi, Liliana Rodolfi, Mario R. Tredici)
Box 20.1 Microrganismi fotosintetici, 636
Box 20.2 Definizioni, 636
20.1 Molecole ad attività inibitoria
20.1.1 Antimicrobici e antivirali, 637
20.1.2 Insetticidi, nematocidi e antimalarici, 638
20.1.3 Antialgali ed erbicidi, 639
20.1.4 Antitumorali e inibitori enzimatici, 639
20.2 Tossine
Box 20.3 Cianobatteri e BMAA, 641
20.2.1 Aspetti ambientali, 641
20.2.2 Aspetti sanitari, 643
Box 20.4 Cianobatteri come integratori alimentari, 643
20.3 Molecole ad attività stimolante
20.3.1 Fito-ormoni, 644
20.3.2 Antiossidanti e antinfiammatori, 645
20.4 Significato ecologico delle molecole bioattive
20.5 Metodi di indagine della bioattività
20.6 Coltura massiva di microrganismi fotosintetici bioattivi
20.7 Ruolo dei fattori ambientali e colturali nella sintesi delle molecole bioattive
20.8 Potenzialità e limiti applicativi della bioattività
20.9 Esempi di sfruttamento della bioattività
20.9.1 Le terme, 654
20.9.2 Probiotici in acquacoltura, 654
Bibliografia
21 - Produzione industriale di biomasse microbiche
(Matilde Manzoni)
21.1 La produzione su larga scala
21.2 Formulazione del terreno colturale
21.2.1 Fonti di carbonio, 660
Fonti di azoto, 662
21.3 Il fermentatore
21.3.1 Agitazione, 665
21.3.2 Aerazione, 666
21.3.3 Sistemi di controllo, 668
21.4 Aspetti tecnologici di processo
21.5 Aspetti economici e prospettive
Bibliografia 673
Indice analitico
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