Valorization of digestates and vermicompost as alternative culture media for Chlorella vulgaris: biomass production, biochemical composition and biodiesel quality

La fame di energia e cibo del mondo spesso tira in direzioni opposte. Coltivare colture per il combustibile richiede vaste estensioni di terra e quantità immense di acqua, risorse che altrimenti potrebbero nutrire le persone o sostenere gli ecosistemi naturali. Allo stesso tempo, i rifiuti generati dall'agricoltura e dall'industria — come il letame proveniente dal bestiame — si accumulano, creando problemi ambientali se non gestiti con cura. Gli scienziati guardano da tempo alle microalghe, piccoli organismi unicellulari, come a un potenziale ponte tra queste sfide. Queste piante microscopiche possono crescere rapidamente, assorbendo anidride carbonica e convertendo la luce solare in preziosi oli, proteine e zuccheri. Se potessero essere coltivate in modo economico ed efficiente, potrebbero fornire una fonte sostenibile di biocarburante e mangimi per animali senza competere con le colture alimentari per il suolo. Tuttavia, un ostacolo principale è sempre stato il costo della zuppa di nutrienti liquidi, o terreno di coltura, necessaria per nutrirle. I metodi tradizionali si affidano a ingredienti costosi, prodotti chimicamente, rendendo difficile la produzione su larga scala dal punto di vista economico.

Un team di ricercatori in Messico si è posto l'obiettivo di vedere se potessero sostituire queste costose miscele sintetiche con qualcosa di molto più accessibile: i sottoprodotti liquidi del trattamento dei rifiuti. Si sono concentrati su due tipi specifici di fluidi derivati dai rifiuti. Il primo proveniva dal vermicompost, che è essenzialmente terreno arricchito da lombrichi che decompongono la materia organica. Il secondo proveniva dai digestati, i residui liquidi rimasti dopo che i batteri hanno decomposto letame di mucca e maiale in un ambiente privo di ossigeno. Gli scienziati volevano sapere se questi fluidi di scarto potessero nutrire un tipo specifico di microalga, Chlorella vulgaris, tanto bene quanto, o anche meglio, delle miscele standard da laboratorio. Hanno coltivato le alghe in flaconi contenenti questi diversi liquidi e hanno misurato attentamente quanto le alghe crescessero, quali nutrienti accumulavano all'interno delle loro cellule e se gli oli che producevano potessero essere trasformati in biodiesel di alta qualità.

I risultati hanno mostrato che i fluidi a base di scarti non erano solo alternative praticabili; in diversi casi, hanno superato lo standard sintetico costoso. La miscela più efficace era una combinazione di digestato di letame di mucca e maiale. Quando le alghe venivano coltivate in questo fluido combinato, producevano il 43% di biomassa in più rispetto a quelle coltivate nel terreno sintetico standard. Più importante per la produzione di carburante, le alghe in questo fluido di letame misto accumulavano il 159% di lipidi in più, ovvero i grassi che possono essere convertiti in biodiesel. Un altro fluido, derivato da un digestore su larga scala di un'università che tratta tutti i tipi di letame di bestiame, ha prodotto la concentrazione di lipidi più alta di tutti, superando lo standard sintetico del 172%. I ricercatori hanno anche scoperto che le alghe coltivate in questi fluidi di scarto accumulavano significativamente più proteine e carboidrati, suggerendo che questi organismi stessero prosperando grazie ai nutrienti complessi presenti nei rifiuti.

Oltre alla semplice quantità di crescita, la qualità delle alghe cambiava a seconda di ciò che "mangiavano". I ricercatori hanno analizzato gli acidi grassi all'interno delle cellule algali per vedere che tipo di carburante potevano produrre. Hanno scoperto che i terreni a base di scarti incoraggiavano le alghe a produrre una varietà più ampia di acidi grassi rispetto al terreno sintetico. Ad esempio, le alghe coltivate nel fluido di letame misto producevano nove diversi tipi di blocchi costituenti di acidi grassi, mentre le alghe nel fluido sintetico ne producevano solo quattro. Questa diversità è cruciale perché diversi acidi grassi determinano quanto bene funzionerà il carburante finale. Lo studio ha calcolato la probabile qualità del biodiesel che potrebbe essere ottenuto da questi oli algali. Hanno scoperto che il carburante derivato dal vermicompost e dai digestati di un solo tipo di letame soddisfaceva tutti i cinque standard internazionali di qualità per il biodiesel. Al contrario, il carburante dal terreno sintetico soddisfaceva solo quattro dei cinque standard. Nello specifico, il biodiesel derivato dal digestato di letame di mucca mostrava un'eccezionale stabilità e qualità di accensione, rendendolo un candidato particolarmente forte per la produzione di carburante.

Lo studio ha anche evidenziato che non tutti i fluidi di scarto funzionano allo stesso modo. Mentre il fluido di letame misto aumentava la crescita complessiva e la produzione di grassi, il fluido derivato dal puro letame di mucca ha in realtà causato la minore quantità di crescita algale. I ricercatori hanno suggerito che ciò fosse probabilmente dovuto al fatto che il fluido di letame di mucca era così scuro da bloccare la luce solare di cui le alghe hanno bisogno per la fotosintesi. Questo risultato sottolinea che usare semplicemente i rifiuti non è una soluzione magica; la composizione specifica del rifiuto conta moltissimo. Il colore scuro di alcuni fluidi può ostacolare la crescita, mentre l'equilibrio dei nutrienti in altri può potenziare la crescita. I ricercatori hanno concluso che il miglior approccio dipende dal risultato desiderato. Se l'obiettivo è produrre il maggior quantitativo di carburante possibile, il digestato di letame misto o il digestato su scala universitaria sono le scelte superiori. Se l'obiettivo è produrre un carburante molto stabile e di alta qualità, il digestato di letame di mucca è la scelta più promettente, nonostante la crescita complessiva inferiore.

Queste scoperte puntano verso un futuro in cui la gestione dei rifiuti e la produzione di energia lavorino insieme in modo armonioso. Utilizzando gli avanzi liquidi dell'agricoltura e del compostaggio per nutrire le microalghe, è possibile trasformare un problema di smaltimento in una risorsa. Lo studio dimostra che questi terreni alternativi possono supportare una crescita robusta e una produzione di olio di alta qualità senza l'alto costo dei prodotti chimici sintetici. Questo approccio si allinea ai principi di un'economia circolare, dove lo scarto di un processo diventa il combustibile per un altro. Sebbene la ricerca sia stata condotta su piccola scala in un laboratorio, i risultati suggeriscono che scalarla potrebbe offrire una via sostenibile per la produzione di biocarburanti e mangimi per animali, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e dai fertilizzanti chimici, pur pulendo i rifiuti agricoli.