Sviluppo di nuove soluzioni ottimizzate e materiali sostenibili per l'orticoltura indoor, basati sulla metodologia Design of Experiments

The increase in population and the advent of climate change present various challenges in terms of global food production and security. Under the current situation, the agricultural land used to produce food for human consumption cannot be expanded further. Moreover, the consequences of climate change could jeopardize or significantly decrease the productive capacity of agricultural lands currently used. The current agricultural model needs to be enriched with other solutions, different from the “on-field” and extensive systems. To become an attractive alternative, indoor cultivation must rely on viable solutions, which should combine energy efficiency, biodegradable materials, and high crop yield. Light emission diode (LED) technology is mandatory to be used, as it is characterized by efficient use of energy, long life, and wide capability to regulate the emitted wavelengths. However, the interaction between different light wavelengths and different plant species is still a field that needs to be discovered. One of the objectives of this work is to investigate these interactions and to discover how to optimize plant growth through different LED light recipes. Another important topic concerns the materials used in agriculture. The use of non-renewable, petroleum-based materials is still predominant, and agriculture is still based on fertilizers obtained from non-renewable sources. Therefore, this work also aims to test new materials to be used as slow-release fertilizers. These materials should be biodegradable, perform an effective fertilizing action, and obtain nutrients from renewable resources. This work also takes advantage of the Design of Experiments (DoE) methodology to analyze the obtained data. DoE is based on the multivariate linear regression for the generation of statistically validated models. The generation of multivariate models will allow the flexible optimization of resources according to different plant species and their different life stages, e.g., germination, and vegetative growth. Models will be useful for possible future industrial scale-up of plants’ indoor horticulture. Materials would be useful also for in-field agriculture, through compositions tailored for sunlight and outdoor environments. The application of biodegradable materials was also studied in another field of research. The potential application regards the treatment of hospital wastewater (HWW). The aim is to develop composite materials based on biopolymers and graphene oxide (GO). The chemical properties of specific biopolymers, in particular chitosan and sodium alginate, should allow the final composite materials to absorb pollutants typical of HWW, namely Pharmaceutically Active Compounds (PhACs) that are emerging as a potential problem for the environment. The addition of GO has two goals. First, to enhance the absorption capacity of the biopolymer. Second, to enhance the resistance and durability of the final composite material. The absorption capacity of the composite materials will be tested with some targeted substances that are easy to find in HWW, e.g., tetracycline HCl, Ketorolac Tromethamine, Sulfathiazole, and Triamterene.

L’aumento della popolazione e l’avvento del cambiamento climatico pongono diverse sfide in termini di produzione e sicurezza alimentare globale. Nella situazione attuale, la superficie agricola utilizzata per produrre alimenti destinati al consumo umano non può essere ulteriormente ampliata. Inoltre, le conseguenze del cambiamento climatico potrebbero mettere a repentaglio o diminuire significativamente la capacità produttiva dei terreni agricoli attualmente utilizzati. L’attuale modello agricolo necessita di essere arricchito con altre soluzioni, diverse dai sistemi “in campo” ed estensivi. Per diventare un’alternativa attraente, la coltivazione indoor deve fare affidamento su soluzioni praticabili, che dovrebbero combinare efficienza energetica, materiali biodegradabili ed elevata resa del raccolto. È essenziale utilizzare la tecnologia dei diodi a emissione luminosa (LED), poiché è caratterizzata da un uso efficiente dell'energia, una lunga durata e un'ampia capacità di regolare le lunghezze d'onda emesse. Tuttavia, l’interazione tra diverse lunghezze d’onda della luce e diverse specie vegetali è un ambito che deve ancora essere del tutto esplorato. Uno degli obiettivi di questo lavoro è indagare queste interazioni e scoprire come ottimizzare la crescita delle piante attraverso diverse ricette di luce e LED. Un altro tema importante riguarda i materiali utilizzati in agricoltura. L’utilizzo di materiali non rinnovabili derivati dal petrolio, è ancora predominante, e l’agricoltura si basa ancora su fertilizzanti ottenuti da fonti non rinnovabili. Pertanto, questo lavoro mira anche a testare nuovi materiali da utilizzare come fertilizzanti a lenta cessione. Questi materiali dovrebbero essere biodegradabili, svolgere un’efficace azione fertilizzante e usare nutrienti ottenuti da risorse rinnovabili. Questo lavoro si avvale anche della metodologia Design of Experiments (DoE) per analizzare i dati ottenuti. DoE si basa sulla regressione lineare multivariata, per la generazione di modelli statisticamente validati. La generazione di modelli matematici consentirà l'ottimizzazione flessibile delle risorse in base alle diverse specie vegetali e alle loro diverse fasi di vita, ad esempio germinazione e crescita vegetativa. I modelli saranno utili per un possibile futuro ampliamento industriale dell’orticoltura indoor delle piante. I materiali potrebbero risultare utili anche per l’agricoltura in campo, attraverso composizioni su misura pensate per colture sotto luce solare e ambienti esterni. L'applicazione dei materiali biodegradabili è stata studiata anche in un altro campo di ricerca. La potenziale applicazione riguarda il trattamento delle acque reflue ospedaliere (HWW). L’obiettivo è sviluppare materiali compositi basati su biopolimeri e ossido di grafene (GO). Le proprietà chimiche di specifici biopolimeri, in particolare chitosano e alginato di sodio, dovrebbero consentire ai materiali compositi finali di assorbire gli inquinanti tipici delle HWW, vale a dire i composti farmaceuticamente attivi (PhACs) che stanno emergendo come un potenziale problema per l'ambiente. L'aggiunta di GO ha due obiettivi. Innanzitutto, per migliorare la capacità di assorbimento del biopolimero. In secondo luogo, migliorare la resistenza e la durabilità del materiale composito finale. La capacità di assorbimento dei materiali compositi sarà testata con alcune sostanze mirate facili da trovare nelle HWW, ad esempio tetraciclina HCl, Ketorolac Trometamina, Sulfatiazolo e Triamterene.