Riutilizzo di biomasse come ammendante di suoli e fondali marini, per la decontaminazione delle acque e per la rigenerazione dei suoli

Il progetto di ricerca mira al riutilizzo di scarti del mare per lo sviluppo di nuovi materiali, in particolare bioadsorbenti e fotocatalizzatori supportati per la rimozione di contaminanti in matrici acquose, da una parte, e di composti per migliorare la qualità e la fertilità del suolo, dall’altra. La rilevanza delle tematiche nel panorama scientifico internazionale è testimoniata dalle oltre 600 pubblicazioni su riviste internazionali peer review nel 2021 (fonte Scopus). La ricerca di materiali innovativi e sostenibili per la rimediazione ambientale è di particolare rilevanza per il risanamento e il ripristino della qualità delle acque e del suolo di regioni critiche. In questo progetto si considereranno le aree del territorio ferrarese in cui viene praticata l’acquacoltura di molluschi bivalvi. Queste sono zone particolarmente fragili a causa delle particolari condizioni idrogeologiche, aggravate dalla presenza di immissari di acque dolci a portata variabile, dalla pressione antropica dovuta alla vicinanza al porto canale e ad attività agricole che insistono sul territorio circostante. Queste condizioni possono essere ulteriormente aggravate da eventi climatici di particolare intensità e/o da cambiamenti climatici. La produttività di queste aree è inoltre minacciata dalle sistematiche proliferazioni di macroalghe che frequentemente danno luogo a crisi distrofiche e a condizioni di anossia accompagnate da morie diffuse delle specie ittiche. Queste situazioni di criticità sono dovute, oltre che all’elevato carico di nutrienti d’origine terrigena immessi dagli immissari di acque dolci, anche dai fondali argillosi e limosi ivi presenti che riducono la circolazione idrodinamica interna. Lo smaltimento improprio (macroalghe e capulerio) può ulteriormente incidere negativamente sull’ecosistema e sulla produttività delle aziende di acquacoltura. Il presente progetto si pone quindi come obiettivo quello di sviluppare soluzioni sostenibili ed innovative che permettano di migliorare lo stato di qualità ambientale di acque e suolo di questi territori, utilizzando materiali di scarto per la produzione di bioadsorbenti, supporti per fotocatalizzatori, ammendanti e fertilizzanti. Verranno considerate due tipologie di prodotti di scarto: i gusci di conchiglia che, in base alle recenti normative europee, devono essere smaltiti seguendo procedure specifiche con costi elevati e le macroalghe che devono essere rimosse dall’ambiente produttivo diventando quindi uno scarto da smaltire. Per quanto riguarda i gusci di conchiglia, verranno trattati sia meccanicamente che chimicamente per ottenere prodotti con diverse caratteristiche chimiche, morfologiche e strutturali. Il processo di trasformazione del carbonato biogenico, di cui sono costituiti i gusci di conchiglie, in idrossiapatite verrà ottimizzato in modo da minimizzare il consumo di reattivi e il costo energetico. Contemporaneamente verranno prodotte “sabbie" organogene ottenute per macinazione dei gusci a diverse granulometrie. I materiali così preparati verranno caratterizzati per determinarne la composizione chimica, la morfologia e le dimensioni, parametri che incidono sull’efficienza come ammendante, adsorbente e supporto di sistemi fotocatalitici. Sui materiali ottenuti (idrossiapatiti), verranno effettuati test ecotossicologici per verificare l’idoneità del materiale all’impiego in ambiente. I materiali che risulteranno idonei verranno valutati in laboratorio per quantificare i parametri cinetici e termodinamici, relativi ai processi di adsorbimento1 di contaminanti inorganici (es. metalli pesanti e nutrienti in eccesso quali fosfati). Verranno studiati anche i metodi per il recupero di contaminanti e per il riuso dei materiali adsorbenti. Inoltre, i materiali, saranno utilizzati anche come supporto di fotocatalizzatori. I sistemi fotocatalitici supportati prodotti verranno caratterizzati per determinarne le principali caratteristiche strutturali e morfologiche. La loro efficienza nella degradazione di inquinanti organici verrà valutata attraverso lo studio della cinetica e del meccanismo di degradazione sulla base dell’identificazione dei sottoprodotti di degradazione 2 . La caratterizzazione dei materiali ottenuti, la valutazione dell’efficienza di materiali adsorbenti e dei fotocatalizzatori supportati, richiede l’impiego di strumentazione analitica avanzata. I materiali saranno caratterizzati mediante tecniche di microscopia elettronica (SEM, TEM) e difrattometriche (XRD), mentre si utilizzeranno tecniche cromatografiche (HPLC/MS o HPLC/DAD) per studiare i processi di adsorbimento o ossidazione avanzata di contaminanti organici. Infine, per i contaminanti inorganici, saranno utilizzate tecniche di spettroscopia atomica (ICP-OES). Per valutarne l’impiego come ammendante di fondali, i gusci trattati, verranno depositati su un substrato di materiale sedimentario, avente caratteristiche di tessitura inadatte ovvero eccessivamente fangosi o limosi, e quindi maggiormente soggetti a metabolismo anaerobico sedimentario con relativo sviluppo di composti tossici (es. NH3 e H2S). Le caratteristiche chimico-fisiche dei mesocosmi verranno monitorate con adeguata cadenza utilizzando tecniche potenziometriche. Inoltre, poiché il carbonato di cui sono costituiti i gusci di conchiglia può contrastare i fenomeni di acidificazione dei mari dovuti ad un incremento di anidride carbonica in atmosfera, verrà studiato l’effetto tempone esercitato dai materiali ottenuti in diverse condizioni sperimentali3 . Allo scopo di verificare l’efficienza dei trattamenti proposti sulle attività di acquacoltura del territorio, saranno condotte prove sperimentali in campo, in collaborazione con un’azienda della provincia di Ferrara, monitorando la qualità delle acque e lo stato di salute delle specie target (vongola). Per quanto riguarda il recupero di macroalghe, si vuole valutare il loro impiego in pratiche agricole come ammendante di suoli (compost, pacciamante o fertilizzante). È noto, infatti, che molte varietà di alghe marine sono ricche di potassio, azoto e altri minerali inorganici oltre che di materiale organico, in grado quindi di migliorare la qualità e la fertilità del suolo4 . Nel presente progetto le macroalghe saranno utilizzate sia per produrre biochar, attraverso processi di pirolisi, che per la produzione di bio-adsorbenti e/o supporti fotocatalitici. I materiali saranno studiati e ottimizzati mediante le metodologie descritte precedentemente in relazione al capulerio, per il loro impiego come ammendante di suoli per le capacità di tale materiale di fissare anidride carbonica dall’atmosfera e contribuire alla fertilità del suolo. derivanti dal progetto potranno essere oggetto di una o più pubblicazioni e/o brevetti.

1. A. Martucci et al. Microporous Mesoporous Mat. 2012, 148 (1), 174-183
2. L. Pasti et al. Appl. Catal. B-Environ. 2018, 239, 345-351
3. P. Renforth et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2021, 376, 20200174
4. S. Ghosh et al. Sci. Total Environ. 2021, 770, 145281

Naturedulis Srl

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.6.1 Green Technologies
Articolazione 3. Prevenzione della contaminazione del suolo e delle acque
5.6.3 Bioindustria per la bioeconomia
Articolazione 3. Recupero e valorizzazione di scarti e prodotti organici a fine vita, per la
rigenerazione dei suoli e la protezione dell’ambiente.
5.6.4 Conoscenza e gestione sostenibile dei sistemi agricoli e forestali
Articolazione 4. Attività agricola e forestale a protezione dell’ambiente e delle risorse
naturali

Il progetto sopra articolato presenta tematiche coerenti a quelle presenti nel PNR, in particolare i caratteri di coerenza possono essere delineati come segue:

Nell’ambito della prevenzione della contaminazione del suolo e delle acque, il progetto si prefigge il recupero dellea risorsea acqua e suolo attraverso la riduzione dell’inquinamento da sostanze pericolose e inquinanti emergenti, mediante l’impiego di tecnologie basate su materiali assorbenti, anche nanostrutturati e fotocatalizzatori sensibili a stimoli esterni (luce). Verranno inoltre messi a punto metodi per il recupero dei contaminanti e il riuso dei materiali adsorbenti (Tematiche presenti nel PNR punto 5.6.1, articolazione 3).

I materiali impiegati per il recupero di risorse naturali saranno ottenuti a partire da residui, scarti e sottoprodotti provenienti da attività di acquacoltura e pesca in un’ottica circolare, sviluppando materiali (biochair) ammendanti in grado di migliorare la qualità dei suoli e dei fondali, permettendo il reintegro di materiali di origine naturale e dei loro costituenti (carbonio e azoto) nell’ambiente (Tematiche presenti nel PNR punto 5.6.3, articolazione 3). Inoltre, i materiali proposti come ammendanti e fertilizzanti potranno contribuire a migliorare la gestione di risorse idriche di bassa qualità, e terreni ad uso agricolo e forestale contribuendo allo sviluppo di sistemi agroforestali ad alta compatibilità ambientale (Tematiche presenti nel PNR punto 5.6.4, articolazione 4).

I settori produttivi potenzialmente interessati dalle nuove tecnologie, che saranno sviluppate nel progetto, sono molteplici: aziende di acquacoltura, aziende agricole, aziende chimiche per la produzione di materiali per il trattamento acque o di prodotti chimici per agricoltura; in quest’ottica il progetto potrà contribuire a creare connessioni tra diverse filiere produttive. Lo sviluppo delle tecnologie/materiali innovativi ed ecocompatibili descritte nel progetto permetterà processi che renderanno più efficienti e sostenibili le procedure produttive dell’intera filiera dell’acquacultura, conferendo a scarti produttivi, quali macroalghe e capulerio, proprietà tali da indurre un interesse industriale, con positive ricadute economico sociali ed ecologiche (punto 5.5.4 del SNSI ‘’ Industria intelligente e sostenibile, energia e ambiente: Traiettorie tecnologiche di sviluppo a priorità nazionale’’)

I potenziali impatti socioeconomici che possono derivare dalla realizzazione del progetto sono di seguito elencati:

Incremento reddittività dovuto all’ottimizzazione delle condizioni di allevamento e alla valorizzazione degli scarti del settore ivi comprese alghe e capulerio.

Incremento occupazionale conseguente all’introduzione di figure lavorative e professionali che possano creare nuove realtà produttive e modernizzare quelle esistenti grazie anche alla realizzazione di nuovi prodotti/tecnologie.

Incremento qualità della vita: le zone in cui viene praticata l’acquacoltura sono catalogate tra le aree interne della RER (parti del territorio che subiscono gli effetti del calo o dell’invecchiamento della popolazione, dove la debolezza delle prospettive di sviluppo determina una sempre maggiore difficoltà delle condizioni di vita dei cittadini che vi risiedono) in cui l’instaurarsi di sistemi produttivi innovativi può contribuire a migliorare le condizioni di vita.

• Bio-adsorbenti
• Fotocatalizzatori
• Valorizzazione biomasse
• Risanamento e ripristino ambientale
• Acquacultura
• Macro-alghe