Microalghe in agricoltura sempre più interessanti

Ho il piacere di condividere con voi un mio articolo pubblicato su terraevita

Efficaci se utilizzate come fertilizzanti e biostimolanti, ma anche per il bio trattamento delle acque reflue o contaminate

Le microalghe, in virtù della loro capacità di adattamento, possono essere impiegate in svariati settori produttivi e questo è il motivo per cui oggi sono considerate una biomassa pregiata e di notevole rilevanza economica.

L’applicazione delle microalghe nel settore dell’industria energetica per la produzione di biocarburanti è legata alla loro capacità di biosintesi e accumulo di lipidi o di zuccheri, che permettono rispettivamente la produzione di biodiesel o di bioetanolo. Inoltre, le microalghe trovano impiego anche nella produzione industriale di bioplastiche e biopolimeri.

Foto al microscopio di una coltura microalgale.

Recentemente, le microalghe si impiegano in prodotti destinati all’alimentazione sia umana che animale, grazie al loro elevato profilo nutrizionale. Un ulteriore settore emergente di applicazione delle microalghe è il loro impiego finalizzato al benessere umano, come la formulazione di integratori alimentari, prodotti per uso farmaceutico e cosmetico. Infine, mentre le macroalghe sono state ampiamente utilizzate come fertilizzanti o biostimolanti naturali per applicazioni agricole e diversi prodotti commerciali a base di estratti di alghe sono comunemente venduti e utilizzati, pochissimi sono invece i prodotti a base di microalghe.

Migliorano la biochimica del suolo

Nei laboratori del dipartimento di Agricoltura, Alimentazione e Ambiente, dell’Università di Catania, sono state impiegate le specie Chlorella vulgaris e Scenedesmus quadricauda per verificare la capacità biostimolante delle microalghe e/o dei loro estratti su tre diverse specie vegetali di interesse agronomico: la barbabietola, la lattuga e il pomodoro coltivati in idroponica, su matrici inerti e in suolo. Gli studi hanno riguardato sia l’impiego di microalghe vive, sia quello dei loro estratti in metanolo.

I risultati di questi studi hanno dimostrato che le due specie di microalghe, così come i loro estratti, migliorano notevolmente il funzionamento biochimico del suolo legato ai microrganismi in esso presenti, determinando una maggiore mobilitazione dei principi nutritivi necessari per la pianta. In particolare, si è calcolato un valore dell’indice biochimico di potenziale fertilità del suolo (Mw) fino a 2.9 volte superiore nel suolo trattato, rispetto a quello calcolato nel suolo non controllo.

Effetti sulla germinazione

Per quanto riguarda il trattamento dei semi, i due estratti microalgali hanno mostrato un effetto “priming” tale da rendere più performante il processo di germinazione di semi difficilmente germinabili (incrementando fino a 4 volte la percentuale dei semi germinati), come quelli di barbabietola, che richiedono normalmente l’utilizzo di metodi chimici o fisici di innesco.

Inoltre, gli estratti hanno anche mostrato, in diverse specie, quali barbabietola, pomodoro e lattuga, di migliorare a livello radicale i parametri morfo-biometrici, l’assorbimento dei principi nutritivi e incrementare il numero delle radici laterali.

Piante di lattuga trattate con estratti microalgali (a sx) rispetto a pianta non trattata (a dx)

Anche sulla porzione epigea delle piante, in lattuga e in pomodoro, il trattamento con gli estratti microalgali ha complessivamente determinato un miglioramento notevole dei parametri morfo-biometrici (aumento del 20 % circa in peso fresco finale). Questi ultimi effetti, si sono osservati in piante di pomodoro fatte crescere in idroponica in co-coltivazione con le microalghe, che sono state inoculate nella soluzione nutritiva. In quest’ultimo studio, alla fine del periodo sperimentale si sono così raggiunti due obiettivi, la migliore crescita delle piante di pomodoro (incremento in peso fresco di circa 3 volte rispetto le piante non trattate) e la contemporanea produzione di biomassa microalgale, da destinare ad altri usi. 

Coltivazione di pomodoro fuori suolo, da cui è stata prelevata l’acqua reflua utilizzata nella sperimentazione

Il miglioramento della crescita osservato in piante trattate con gli estratti microalgali, si realizza tramite l’attivazione di complessi meccanismi metabolici. In particolare, a livello biochimico e molecolare, vengono indotti gli enzimi coinvolti nella respirazione cellulare e nel metabolismo dell’azoto, viene incrementata la produzione dei pigmenti necessari alla fotosintesi clorofilliana, si osserva una maggiore efficienza nella traslocazione dei principi nutritivi e l’attivazione del metabolismo ormonale.

Le acque reflue

Grazie all’abilità delle microalghe di utilizzare diversi substrati di crescita, l’uso delle acque reflue urbane e industriali, come materia prima nutritiva per la produzione di microalghe, può comportare notevoli benefici ambientali ed economici.

1. vulgaris e S. quadricauda sono state allevate in soluzioni contaminate da residui di agrofarmaci per valutare il loro potenziale di depurazione delle acque

Le acque reflue contengono diversi composti come azoto, fosforo, ammoniaca, zolfo e ferro, ma sono presenti anche tossine e metalli pesanti. I normali processi di trattamento primario e secondario di queste acque reflue sono stati introdotti in un numero crescente di luoghi, al fine di eliminare principalmente il materiale organico presente.

Il risultato finale è un effluente limpido, apparentemente pulito, che in taluni casi contiene però forme di azoto e fosforo inorganico in quantità medio-alte e quindi l’effluente potrebbe essere potenzialmente eutrofizzante e determinare quindi problemi a lungo termine sull’ambiente. Per la loro composizione, le acque reflue sono in grado di fornire alle microalghe diversi composti nutritivi quali il carbonio, l’azoto e il fosforo, che rappresentano i nutrienti essenziali per la loro crescita in condizioni eterotrofe o mixotrofe.

In diversi studi è stato dimostrato che molte specie di microalghe sono in grado di rimuovere in modo efficiente i metalli pesanti e i nutrienti presenti nelle acque, in percentuali variabili e dipendenti dalla specie coltivata.

Gli effetti decontaminanti

A tal proposito, C. vulgaris e S. quadricauda sono state valutate anche per la loro capacità di crescere e rimuovere inquinanti organici e inorganici in acque reflue di origine agricola. Precisamente, al fine di valutare il grado di rimozione dei principali composti inorganici, le microalghe sono state cresciute in acque reflue provenienti da una coltivazione idroponica in serra. In queste condizioni di crescita, le due specie microlgali hanno mostrato una buona efficienza di rimozione dei composti inorganici, dimostrando la loro attitudine alla decontaminazione, specialmente dei composti azotati, potendo così contribuire a ridurre notevolmente il loro potenziale eutrofizzante.

Un altro esperimento è stato condotto facendo crescere le due specie microalgali in soluzioni acquose contaminate da cinque diversi agrofarmaci. Precisamente, 4 principi attivi ad azione fungicida (iprodione, fenhexamid, metalaxyl, pyrimethanil) e un ad azione erbicida (triclopyr). Lo scopo principale della prova sperimentale è stato quello di valutare la capacità delle microalghe di depurare acque contaminate da inquinanti di natura organica.

Anche in questo caso le microalghe sono risultate efficaci, riducendo notevolmente la concentrazione dei principi attivi disciolti in acqua e mostrando soprattutto una notevole capacità di rimozione nei confronti del metalaxyl.

Servirà stimare i costi

Alla luce di quanto riportato sopra, le microalghe risultano essere microrganismi utili in agricoltura sia come estratti che come biomassa da interrare o da far crescere in co-coltivazione nei sistemi idroponici. Inoltre, rappresentano un’opportunità interessante per il bio-trattamento delle acque reflue di origine agricola. Tuttavia, si ha la consapevolezza che tali conclusioni necessitano di ulteriori prove in laboratorio e in campo, di valutare l’attitudine di altre specie microalgali e di stimare i costi per la loro produzione.

Microalghe, che cosa sono

Le microalghe sono organismi eucariotici fotosintetizzanti, unicellulari o filamentose che esistono individualmente o in catene o gruppi e le loro dimensioni possono variare da pochi micrometri a poche centinaia di micrometri.

Microalga della specie Scenedesmus quadricauda

Esse sono in grado di adattarsi a diverse condizioni ambientali e sono presenti in tutti gli ecosistemi, acquatici e terrestri.

Possono essere autotrofe, in grado quindi di fare la fotosintesi, ma anche eterotrofe, capaci cioè di crescere anche al buio sfruttando una fonte di carbonio organico, e infine mixotrofe, quando hanno un metabolismo combinato in grado di utilizzare entrambe le fonti di energia, luce e carbonio organico.

Le microalghe, in virtù della loro capacità di adattamento, mostrano una rapida crescita in ambiente acquoso anche in condizioni ambientali avverse, sono facilmente allevabili ex situ, presentando inoltre il grande vantaggio di non essere soggette a restrizioni di tipo stagionali, e di non richiedere l’utilizzo di terreni per la loro coltivazione, non competono quindi con l’agricoltura per la richiesta di suolo.

Ogni specie è caratterizzata da diversi profili biochimici, variabili anche in funzione delle condizioni di crescita. Infatti, i fattori di stress ambientale e le condizioni di crescita modificano profondamente la biochimica delle microalghe, influenzandone sia il metabolismo primario che quello secondario. Di conseguenza, risulta molto variabile la composizione percentuale dei tre principali componenti biochimici: lipidi, carboidrati e proteine. Così come la produzione dei numerosi metaboliti prodotti dalle microalghe, quali: vitamine, acidi grassi e loro derivati, antibiotici e altri composti bioattivi. Per questi motivi ciascuna specie microalgale cresciuta in condizioni ambientali specifiche, può essere utilizzata per uno scopo particolare in funzione della sua composizione biochimica.

I sistemi di allevamento a scopo industriale delle microalghe possono essere di vario tipo, tra questi ricordiamo le vasche raceway e i fotobioreattori.

Sistema di allevamento industriale in vasche race way di microalghe

Le prime sono costituite da un canale a circuito chiuso di ricircolo profondo circa 0,3 m e dotate di una ruota a pale per la miscelazione e la circolazione. I fotobioreattori possono essere piatti o tubolari, orizzontali, verticali, inclinati o a spirale. Per consentire il maggior immagazzinamento di energia solare, solitamente i tubi sono disposti parallelamente uno all’altro con orientamento nord-sud.

Sistema di allevamento industriale in fotobioreattori di microalghe