Microalghe per tecnologie verdi: catena del valore dalla fitodepurazione alla biostimolazione in agricoltura

L'aumento demografico mondiale e il crescente utilizzo delle risorse naturali verificatosi nell'ultimo secolo hanno causato forti alterazioni all'ambiente, tanto che nel 1987 la Commissione Brundtland ha evidenziato la necessità di attuare strategie per un'adeguata integrazione tra lo sviluppo socio-economico e la protezione dell'ambiente (World Commission on Environment and Development, WCED, 1987). Come è noto, l’incremento della popolazione mondiale sta gradualmente aumentando la domanda di acque dolci, soprattutto nelle città, portando ad un conseguente aumento anche della produzione di acque reflue (Rawat et al. 2011; Nayak et al 2016). Per questo motivo, a livello mondiale, le Agenzie per la Protezione dell'Ambiente (EPA) si concentrano su un corretto uso delle risorse naturali, in particolare delle acque dolci, e sulla gestione delle acque reflue domestiche e industriali per un loro riutilizzo o un loro smaltimento sicuro (Direttiva della Commissione Europea 98/15/CEE; Fogli EPA degli Stati Uniti 2012). In particolare, gli impianti delle acque reflue urbane giocano un ruolo centrale in tale gestione. Gli impianti municipali convenzionali trattano le acque reflue, tipicamente ricche di azoto (N) e fosforo (P), mediante processi chimico-fisici e biologici, che però producono essi stessi fanghi di scarto che necessitano a loro volta di ulteriori trattamenti di depurazione per essere introdotti nell’ambiente (Daverey et al., 2019). Le microalghe sono microrganismi fotosintetici, eccellenti candidati per un’ampia varietà di applicazioni biotecnologiche, tra cui la rimozione di nutrienti, in particolare N e P, da acque reflue (ad es. urbane, zootecniche, dell’industria agro-alimentare). Questi organismi, infatti, possono assimilare al proprio interno tali nutrienti e convertirli in biomassa (Avagyan, 2017; Alvarez-Diaz et al., 2017), grazie a processi di recupero in un approccio “waste to value”. Le microalghe, quindi, possono essere proposte come un’alternativa ai trattamenti terziari di fitodepurazione attualmente in uso per abbattere i carichi di N ammoniacale e nitrico, di fosfati (P). Questo aspetto è di notevole importanza in quanto le regolamentazioni imposte dalle Direttive Europee (91/676/EC, 2000/60/CE, 91/271/CEE, ecc.) e italiane (D.lgs. 152/06, DM 185/03, ecc.) prevedono un trattamento delle acque reflue per preservare i corpi idrici superficiali, i mari e le acque di falda da un eccessivo carico organico.

Il progetto che si propone prevede l’impiego di tecnologie e processi innovativi in un’ottica di economia circolare e di sostenibilità ambientale ed economica basati sull’utilizzo di microalghe opportunamente selezionate, potenzialmente più idonee per attuare la fitodepurazione delle acque reflue da cui sono state isolate (Wang et al. 2017; Tapia et al. 2019).

Il progetto verrà affrontato con le seguenti metodiche:

1. Isolamento in laboratorio di ceppi microalgali da acque reflue di varia natura, ricche in N e P a concentrazione nota. Tale isolamento verrà condotto seguendo protocolli standard in piastre Petri, inoculando direttamente le diverse tipologie di acque reflue.
2. Coltivazione nei reflui di tutte le microalghe isolate e successive analisi di abbattimento di N e P per individuare le microalghe con maggiore capacità di fitodepurazione. Tale sperimentazione verrà condotta su scala di laboratorio. Si valuterà la crescita delle alghe mediante determinazione della biomassa secca e della densità cellulare. L’abbattimento dei nutrienti verrà monitorato con l’utilizzo di reazioni colorimetriche specifiche (ad esempio dopo reazione di Kjeldahl per la quantificazione dell’azoto).
3. Ampliamento dei volumi di colture microalgali in fotobioreattori chiusi per l’ottenimento di biomasse utilizzabili per test di abbattimento di N e P su scale più elevate.
4. Verifica della morfo-fisiologia delle alghe scelte nel corso della sperimentazione, nonché della composizione chimica della biomassa al fine di individuare una potenzialità di impiego della stessa in ambito agrario.
5. Test della capacità biostimolante della biomassa algale, raccolta dopo la fitodepurazione, su alcune specie orticole. Tali test verranno effettuati su piantine coltivate in vaso e mantenute in serra. Si valuterà la crescita dell’apparato radicale e fogliare in relazione alla concentrazione della biomassa algale somministrata e in comparazione a controlli non trattati o trattati con composti chimici di sintesi.
6. Tutte le prove verranno validate da test statistici adeguati.

Gli obiettivi/risultati da raggiungere con tale progetto possono essere così riassunti:

1. abbattimento dei carichi di N e P di acque reflue di varia origine, mediante un processo biologico innovativo che prevede l’impiego di microalghe;
2. possibilità di riciclare le acque di risulta dopo il processo di fitodepurazione con potenziale miglioramento della gestione delle risorse idriche;
3. ottenimento di biomasse di microalghe che possono essere indirizzate verso il settore agricolo come ammendante/biostimolante di piante di interesse agrario, verso il settore
4. mangimistico in quanto arricchite in proteine, oppure semplicemente utilizzate come matrice umida per la digestione anaerobica.

• Álvarez-Díaz, P.D.; Ruiz, J.; Arbib, Z.; Barragán, J.; Garrido Pérez,
M.C.; Perales, J.A. Algal Res., 2017, 24, 477-485
• Avagyan, A.B. Environ. Sci. Pollut. Res., 2017, 24, 20241-20253
• Daverey, A.; Pandey, D.; Verma, P.; Verma, S.; Shah, V.; Dutta, K.;
Arunachalam, K. Bioresour. Technol. Rep. 2019, 7, 100252
• European Commission Directive (1998) 98/15/EC of 27 February.
Official Journal of the European Communities. Disponibile online:
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/en/ALL/?uri=CELEX:31998L0015
• Nayak, M.; Karemore, A.; Sen, R. Algal Res. 2016, 16, 216-223
• Rawat, I.; Ranjith Kumar, R.; Mutanda, T.; Bux, F. Appl. Energ.
2011, 88, 3411-3424
• Tapia, C.; Fermoso, F.G.; Serrano, A.; Torres, A.; Rivas, M.; Ruiz,
G.; Vilchez, C.; Cuaresma, M. J. Appl. Phycol. 2019, 31, 345–353
• United States Environmental Protection Agency, 2012. Guidelines
for water reuse. Disponibile online: http://www.epa.gov/
• Wang, J.-H.; Zhang, T.-Y.; Dao, G.-H.; Xu, X.-Q.; Wang, X.-X.; Hu,
H.-Y. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2017, 101, 2659–2675,

- Alga&Zyme Factory S.r.l.

- Hera S.p.a.

- Consorzio Italiano Vivaisti (CIV)

Periodo: Durante i tre anni si collaborerà con Alga&Zyme Factory per coltivare volumi sufficienti di microalghe da utilizzare per le prove di fitodepurazione che verranno realizzate periodicamente quattro volte l’anno presso Hera. Indicativamente le prove verranno effettuate con cadenza stagionale, pertanto la decisione del periodo sarà influenzata dal clima che caratterizzerà ogni anno di lavoro. Il terzo anno, alle collaborazioni precedenti si aggiungerà anche quella con il Consorzio Italiano Vivaisti presso il quale si effettueranno le prove di biostimolazione.

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

5.6.1 Green technologies
Articolazione 1. Biochemicals, bioprodotti e processi chimici sostenibili in sinergia con biofuels, bioenergy e agroenergie
Articolazione 3. Prevenzione della contaminazione del suolo e delle acque

L’utilizzo delle microalghe per la fitodepurazione permetterà non solo di abbattere le concentrazioni di N e P contenute nelle acque reflue urbane prodotte nella città di Ferrara, ma anche di ridurne la carica microbica, prestando particolare attenzione ad Escherichia coli, portandola entro i limiti consentiti per legge; in questo modo sarà possibile limitare i trattamenti chimici ad oggi necessari per la disinfezione delle acque. La biomassa algale prodotta potrà inoltre essere utilizzata come materia prima seconda in agricoltura; questa verrà infatti utilizzata come biostimolante limitando così l’impiego di fitofarmaci e di altri prodotti ecologicamente impattanti.

• Microalghe
• Fitodepurazione di acque reflue
• Tecnologie verdi
• Fitostimolanti