Microalghe per la gestione delle risorse idriche combinate con sistemi di produzione di energia da fonti rinnovabili

Anthropogenic activities are responsible for ecosystems degradation due to the production of pollutants that pour into water and the atmosphere. Wastewater bioremediation produced by agro-industrial activities, together with CO2 reduction emitted as a result of the use of fossil fuels, are two of the major challenges to remedy the increasingly serious consequences on our Planet, and for which the use of photosynthetic organisms such as microalgae may represent a promising solution. The present study has allowed a complete and detailed analysis of the combination of variables that can influence the growth of these microorganisms when used for this purpose. The research started with the use of a photobioreactor (PBR) of the latest generation (Multi-Cultivator MC 1000-OD, PSI, CZ) to arrive at a scaling up with an industrial transfer view. The species under study, four microalgal strains (Chlorella vulgaris Beij. ACUF 863, Chlamydomonas pitschmannii Ettl ACUF 292, Scenedesmus sp. ACUF 145, Scenedesmus sp. ACUF 329) from the Algal Collection University Federico II, have been examined in presence of different wastewater percentages derived from the washing of pesto or baked goods production tanks, from companies operating in the Emilia-Romagna territory. After careful review of the most up-to-date literature, combinations of different growth parameters have been applied (light wavelength, air insufflation, bubble size, etc.) monitoring the increase in microalgal biomass, secondary metabolites production as added value to the remediation operation, in addition obviously to the abatement of substances present in wastewater tested at different concentrations (0%, 25%, 50%, 75%, 100% v/v). The results showed Scenedesmus sp. 329 and C. vulgaris 863 particularly promising. The best combination for both was the use of a dilution of 50% pesto/BBM (Bold's Basal Medium) v/v, in warm white light (2700K) with added wavelength in the red (660 nm), resulting in an almost total reduction of nitrogen, reduction of phosphorus, reduction of BOD and COD of about half compared to the initial composition. The addition of 5% CO2 led to a further 40% increase in dry biomass for C. vulgaris, reduction of about 100% of nitrogen, and a reduction of phosphorus of 15% for Scenedesmus sp. For both microalgae, on the other hand, there is a reduction of about 40% of BOD and COD. Interesting was the lipid production (fatty acids such as oleic acid to produce biodiesel or biolubricants), recorded as maximum for C. vulgaris in pesto + BBM 50% with red light and 5% CO2. At the same time, the washing water obtained from a gasification process leading to the production of a so-called syngas, was used in different dilutions in a series of experiments of microalgal culture, with the dual purpose of purifying these waters and allowing the growth of microalgae rich in oils to produce biodiesel and/or being used for feeding the gasifier itself. In conclusion, Scenedesmus sp. and C. vulgaris have excellent potential for application in integrated wastewater bioremediation systems, coupling biomass production and secondary value-added compounds to the abatement of pollutants.

Le attività antropogeniche sono responsabili del degrado degli ecosistemi dovuto alla produzione di inquinanti che si riversano nelle acque e nell’atmosfera. Il biorisanamento delle acque reflue derivanti dalle attività agro-industriali, come l’abbattimento della CO2 emessa a seguito dell’utilizzo dei combustibili fossili, risultano essere due delle maggiori sfide atte a porre rimedio alle conseguenze che si manifestano sempre più pesantemente sul nostro Pianeta, e per le quali l'utilizzo di organismi fotosintetici come le microalghe può rappresentare una soluzione promettente. Il presente studio ha permesso un'analisi completa e dettagliata della combinazione di variabili che possono influenzare la crescita di tali microorganismi quando impiegati a questo scopo. La ricerca è partita con l'utilizzo un fotobioreattore (PBR) di ultimissima generazione (Multi-Cultivator MC 1000-OD, PSI, CZ) per arrivare ad uno scaling up nell'ottica di un trasferimento industriale. Le specie in studio, quattro ceppi microalgali (Chlorella vulgaris Beij. ACUF 863, Chlamydomonas pitschmannii Ettl ACUF 292, Scenedesmus sp. ACUF 145, Scenedesmus sp. ACUF 329) provenienti dalla Algal Collection University Federico II, sono state esaminate in presenza di diverse percentuali di reflui derivanti dal lavaggio delle vasche della produzione del pesto e di prodotti da forno, provenienti da aziende che operano sul territorio dell’Emilia-Romagna. Dopo attenta revisione della più aggiornata letteratura, sono state applicate combinazioni di diversi parametri di crescita (lunghezza d'onda di luce, insufflazione aria, dimensione bolle, ecc.) monitorando incremento di biomassa algale, produzione di metaboliti secondari quale valore aggiunto all'operazione di risanamento, oltre ovviamente all'abbattimento delle sostanze presenti nei reflui saggiati a diverse concentrazioni (0%, 25%, 50%, 75%, 100% v/v). I risultati hanno mostrato Scenedesmus sp. 329 e C. vulgaris 863 particolarmente promettenti. La miglior combinazione per entrambe è risultata l'impiego di una diluizione del 50% pesto/BBM (Bold’s Basal Medium) v/v, in luce bianca calda (2700K) con aggiunta di lunghezza d'onda nel rosso (660 nm), risultando in un quasi totale abbattimento di azoto, riduzione di fosforo, riduzione di BOD e COD di circa la metà rispetto alla composizione iniziale. L'aggiunta di 5% di CO2 ha portato un ulteriore incremento del 40% di biomassa secca per C. vulgaris, riduzione di circa il 100% di azoto, e un abbattimento di fosforo del 15% per Scenedesmus sp. Per entrambe le microalghe invece si registra un abbattimento di circa il 40% di BOD e COD. Di interesse è stata la produzione lipidica (acidi grassi come acido oleico per la produzione di biodiesel o biolubrificanti), registrata come massima per C. vulgaris in pesto + BBM 50% con luce rossa e 5% di CO2. Allo stesso tempo, l'acqua di lavaggio ottenuta da un processo di gassificazione che porta alla produzione di un cosiddetto syngas, è stata utilizzata in diverse diluizioni in una serie di esperimenti di coltura microalgale, al duplice scopo di purificare queste acque e permettere la crescita di microalghe ricche in oli per la produzione di biodiesel e/o essere utilizzate per l'alimentazione del gasificatore stesso. In conclusione, Scenedesmus sp. e C. vulgaris possiedono un ottimo potenziale per applicazione nei sistemi integrati di biorisanamento delle acque reflue, accoppiando all'abbattimento di inquinanti la produzione di biomassa e composti secondari di valore aggiunto.