12.3 Algaeponica

12.3.1 Sfondo

Le microalghe sono fotoautotrofi unicellulari (da 0,2 μm a 100 μm) e sono classificate in vari gruppi tassonomici. Le microalghe si trovano nella maggior parte degli ambienti, ma si trovano soprattutto in ambienti acquatici. Il fitoplancton è responsabile di oltre il 45% della produzione primaria mondiale e genera oltre il 50% di Osub2/sub atmosferico. In generale, non vi è alcuna differenza importante nella fotosintesi delle microalghe e delle piante superiori (Deppeler et al. 2018). Tuttavia, a causa delle loro dimensioni ridotte e della riduzione di un numero di organelli fisiologici competitivi internamente, le microalghe possono crescere molto più velocemente rispetto alle piante superiori (Moheimani et al. 2015). Le microalghe possono crescere anche in condizioni nutritive limitate e avere la capacità di adattarsi a una più ampia gamma di condizioni ambientali (Gordon e Polle 2007). Ancora più importante, la coltura microalgale non è in concorrenza con la produzione di colture alimentari per quanto riguarda i terreni coltivabili e l’acqua dolce (Moheimani et al. 2015). Inoltre, le microalghe possono utilizzare in modo efficiente sostanze nutritive inorganiche provenienti dagli effluenti di scarto (Ayre et al. 2017). In generale, la biomassa microalgale contiene fino al 50% di carbonio che li rende un candidato perfetto per la bioremediazione atmosferica COSub2/sub (Moheimani et al. 2012).

L’aumento dell’agricoltura e dell’allevamento zootecnico in tutto il mondo ha comportato un aumento significativo dell’azoto e del fosforo biologicamente disponibili che entrano nella biosfera terrestre (Galloway et al. 2004). Le colture e gli allevamenti zootecnici e i sistemi fognari contribuiscono in misura significativa a questi carichi nutritivi (Schoumans et al. 2014). L’infiltrazione di questi nutrienti nei corsi d’acqua può causare enormi problemi ambientali come le fioriture dannose di alghe e la mortalità di massa dei pesci. Ad esempio, negli Stati Uniti, l’inquinamento dei nutrienti provocato dall’agricoltura è riconosciuto come una delle principali fonti di eutrofizzazione (Sharpley et al. 2008). Il controllo del flusso di nutrienti dalle attività agricole nell’ambiente circostante comporta sfide tecniche ed economiche che devono essere superate per ridurre tali effetti. Sono stati sviluppati vari processi di successo per trattare gli effluenti di scarto con carichi organici elevati. Tuttavia, quasi tutti questi metodi non sono molto efficaci nella rimozione di elementi inorganici dall’acqua. Inoltre, alcuni di questi metodi sono piuttosto costosi da utilizzare. Un metodo semplice per il trattamento dei rifiuti organici è la digestione anaerobica (AD). Il processo AD è ben compreso e, se gestito in modo efficiente, può convertire oltre il 90% delle materie organiche delle acque reflue in bio-metano e COsub2/sub (Parkin e Owen 1986). Il metano può essere utilizzato per generare elettricità e il calore generato può essere utilizzato per vari scopi aggiuntivi. Tuttavia, il processo di AD comporta la creazione di un effluente di digestione anaerobica (ADE) che è molto ricco di fosfato inorganico e azoto, nonché di alto COD (domanda di ossigeno al carbonio). In alcuni luoghi, questo effluente può essere trattato utilizzando microalghe e macroalghe (Ayre et al. 2017).

12.3.2 Sistemi di crescita algale

Dal momento che il comitato delle Nazioni Unite ha raccomandato di integrare le colture agricole convenzionali con alimenti ad alto contenuto proteico di origine non convenzionale, le microalghe sono diventate candidate naturali (Richmond e Becker 1986). La prima coltivazione di microalghe fu ottenuta anche se nel 1890 coltivando\ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). A causa del fatto che le microalghe si dividono normalmente in un certo momento della giornata, il termine ciclostato è stato sviluppato al fine di introdurre un ciclo chiaro/scuro (circadiano) alla coltura (Chisholm e Brand 1981). La coltura su larga scala delle microalghe e l’uso parziale della sua biomassa, soprattutto come base per alcuni prodotti come i lipidi, fu probabilmente iniziata seriamente già nel 1953 con l’obiettivo di produrre alimenti da una coltura su larga scala di *clorella\ * (Borowitzka 1999). Tipicamente, le alghe possono essere coltivate in liquido utilizzando stagni aperti (Borowitzka e Moheimani 2013), fotobioreattori chiusi (Moheimani et al. 2011), o una combinazione di questi sistemi. Alga può anche essere coltivata come biofilm (Wijihastuti et al. 2017).

Fotobioreattori chius (dopo Moheimani et al. 2011): le colture algali chiuse (fotobioreattori) non sono esposte all’atmosfera, ma sono coperte con un materiale trasparente o contenute all’interno di tubi trasparenti. I fotobioreattori hanno il netto vantaggio di prevenire l’evaporazione. I fotobioreattori chiusi e semichiusi sono utilizzati principalmente per la produzione di prodotti algali di alto valore. A causa del costo complessivo delle spese operative (OPEX) e della spesa in conto capitale (CAPEX), i fotobioreattori chiusi sono meno economici dei sistemi aperti. D’altra parte, c’è meno contaminazione e meno perdite di COsub2/sub, e creando condizioni di coltivazione riproducibili e flessibilità nella progettazione tecnica, questo li rende un buon sostituto per stagni aperti. Alcune delle debolezze dei sistemi chiusi possono essere superate con (a) riduzione del percorso luminoso, (b) risoluzione della complessità del taglio (turbolenza), riduzione della concentrazione di ossigeno e (c) un sistema di controllo della temperatura. I fotobioreattori chiusi sono suddivisi principalmente in (a) damigiane, (b) tubolari, (c) sollevatori aerei e (d) fotobioreattori a piastre.

Stagni aperti (dopo Borowitzka e Moheimani 2013): I laghetti aperti sono più comunemente utilizzati per la coltivazione di microalghe all’aperto su larga scala. La principale produzione commerciale di alghe si basa su canali aperti (piste) meno costosi, più facili da costruire e da utilizzare rispetto ai fotobioreattori chiusi. Inoltre, la crescita delle microalghe incontra meno difficoltà nei sistemi di coltivazione aperti rispetto a quelli chiusi. Tuttavia solo alcune specie di microalghe (ad esempio Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) sono state coltivate con successo in stagni aperti. I costi di produzione microalgali commerciali sono elevati, approssimati per essere compresi tra 4 e 20\ $US/GSUP-1/SUP. Negli ultimi 70 anni si è sviluppata la coltura microalga commerciale per laghetti aperti all’aperto, ed entrambi gli stagni (non agitati) e agitati sono stati sviluppati e utilizzati su base commerciale. I grandi stagni aperti non mescolati sono semplicemente costruiti da stagni d’acqua naturali con letti aperti che sono solitamente inferiori a 0,5 m di profondità. In alcuni stagni più piccoli la superficie può essere rivestita con fogli di rivestimento in plastica. I laghetti aperti non mescolati rappresentano il metodo più economico e meno tecnico di tutti i metodi di coltura commerciale e sono stati utilizzati commercialmente per la produzione di Dunaliella salina β-carotene in Australia. Tali laghetti sono principalmente limitati alla coltivazione di microalghe che sono in grado di sopravvivere in cattive condizioni o hanno un vantaggio competitivo che consente loro di superare contaminanti come protozoi, microalghe indesiderate, virus e batteri. Gli stagni agitati d’altra parte hanno il vantaggio di un regime di miscelazione. La maggior parte degli stagni agitati sono (a) stagni circolari con agitatori rotanti o (b) stagni da pista singoli o uniti.

Gli stagni di coltivazione circolari sono stati utilizzati principalmente per la coltivazione su larga scala di microalghe, soprattutto nel sud-est asiatico. I laghetti circolari fino a 45 m di diametro e generalmente 0,3-0,7 m di profondità sono scoperti, ma ci sono alcuni esempi che sono coperti da cupole di vetro. Le basse sollecitazioni di taglio necessarie per la produzione di microalghe sono prodotte in questi sistemi, in particolare al centro dello stagno, e questo è un netto vantaggio di questo tipo di sistemi. Alcuni svantaggi includono strutture in calcestruzzo costose, uso inefficiente del suolo con grandi orme, difficoltà nel controllare il movimento del dispositivo di agitazione e il costo aggiunto nella fornitura di COSub2/sub.

Le piste guidate da paddlewheel-driven sono il più comune sistema commerciale di coltivazione microalghe. Le piste sono generalmente costruite in un singolo canale o come canali collegati. Le piste sono generalmente poco profonde (0,15-0,25 m di profondità), sono costruite in un anello e normalmente coprono un’area compresa tra 0,5 e 1,5 ha. Le piste sono principalmente utilizzate e raccomandate per le principali colture commerciali di tre specie di microalghe tra cui Chlorella, Spirulina e Dunaliella. Un alto rischio di contaminazione e una bassa produttività, derivante principalmente da scarse regimi di miscelazione e penetrazione della luce, sono i principali svantaggi di questi sistemi aperti. Nelle piste, è stato dimostrato che sono possibili concentrazioni di biomassa fino a 1000 mg di peso secco. LSUP-1/SUP e produttività pari a 20 g di peso secco.msup2/sup.dsup-1/sup.

Il prezzo della produzione di microalghe rende il risultato economico fortemente dipendente dalla commercializzazione di prodotti costosi ed esclusivi, per i quali la domanda è naturalmente limitata. Le piste sono anche il sistema di coltivazione più utilizzato per il trattamento delle acque reflue (Parks and Craggs 2010).

Coltivazione Solida (dopo Wijihastuti et al. 2017): Un metodo alternativo di coltivazione microalgale è immobilizzare le cellule in una matrice polimerica o attaccarle alla superficie di un supporto solido (biofilm). In generale, la resa di biomassa di tali colture di biomassa è almeno del 99% più concentrata rispetto alle colture a base liquida. La disidratazione è una delle parti più costose e ad alta intensità energetica di qualsiasi produzione di alghe di massa. Il vantaggio principale della crescita del biofilm è la possibilità di ridurre il processo di disidratazione e il relativo consumo energetico e quindi i costi. La coltivazione di biofilm può anche aumentare la cattura della luce cellulare, ridurre lo stress ambientale (ad esempio pH, salinità, tossicità dei metalli, irradiazione molto elevata), ridurre i costi di produzione e ridurre il consumo di nutrienti. I metodi di coltivazione a base solida possono essere utilizzati per il trattamento delle acque reflue (rimozione di nutrienti e metalli). Esistono tre metodi principali per la coltivazione di biofilm: (a) 100% direttamente sommerso in mezzo, (b) parzialmente sommerso in mezzo e (c) utilizzando un substrato poroso per fornire i nutrienti e l’umidità dal mezzo alle cellule.

12.3.3 Requisiti nutritivi per la crescita delle alghe

Un certo numero di fattori fisici, chimici e biologici inibitori possono inibire l’alta produzione di microalghe. Questi sono descritti nella tabella 12.1.

Una conoscenza di base dei limiti critici di crescita è probabilmente il fattore più essenziale prima di applicare qualsiasi microalga a qualsiasi processo. La luce è di gran lunga il fattore limitante più importante che influenza la crescita di qualsiasi alga. La temperatura è anche un fattore critico per la produzione di massa di alghe (Moheimani e Parlevliet 2013). Tuttavia, queste variabili sono difficili da controllare (Moheimani e Parlevliet 2013). Accanto alla luce e alla temperatura, i nutrienti sono il fattore limitante più importante che influenza la crescita di qualsiasi alga (Moheimani e Borowitzka 2007) e ogni specie di microalghe tende ad avere il proprio fabbisogno nutritivo ottimale. I nutrienti più importanti sono l’azoto, il fosforo e il carbonio (Oswald 1988). Più

tavolo tbody tr Fattori tabiotici/th td Luce (qualità, quantità) /td /tr tr class=“dispari» td/td td Temperatura /td /tr tr class=“even» td/td td Concentrazione dei nutrienti /td /tr tr class=“dispari» td/td td OSub2/Sub /td /tr tr class=“even» td/td td COSub2/sub e pH /td /tr tr class=“dispari» td/td td Salinità /td /tr tr class=“even» td/td td Prodotti chimici tossici /td /tr tr class=“dispari» Fattori thbiotici/th td patogeni (batteri, funghi, virus) /td /tr tr class=“even» td/td td Concorrenza di altre alghe /td /tr tr class=“dispari» Fattori operativi/th td Cesoia prodotta dalla miscelazione /td /tr tr class=“even» td/td td Tasso di diluizione /td /tr tr class=“dispari» td/td td profondità /td /tr tr class=“even» td/td td Frequenza di raccolta /td /tr tr class=“dispari» td/td td Aggiunta di bicarbonato /td /tr /tbody /tavolo

Tabella 12.1 Limiti alla crescita e alla produttività delle microalghe (Moheimani e Borowitzka 2007)

le alghe rispondono alla limitazione N aumentando il loro contenuto lipidico (Moheimani 2016). Ad esempio, Shifrin e Chisholm (1981) hanno riferito che in 20-30 specie di microalghe esaminate, le alghe hanno aumentato il loro contenuto lipidico in assenza di N-privazione. Il fosforo è anche un importante nutriente necessario per la crescita delle microalghe in quanto svolge un ruolo essenziale nel metabolismo e nella regolazione delle cellule, essendo coinvolto nella produzione di enzimi, fosfolipidi e composti alimentatori di energia (Smith 1983). Gli studi di Brown e Button (1979) sull’alga verde Selenastrum capricornutum hanno mostrato un’apparente limitazione della crescita quando la concentrazione di fosfato nel mezzo era inferiore a 10 nM. COSub2/sub è anche un nutriente critico per raggiungere un’elevata produttività delle alghe (Moheimani 2016). Ad esempio, se COSub2/sub aggiuntivo non viene aggiunto alla coltura algale, la produttività media può essere ridotta fino all'80% (Moheimani 2016). Tuttavia, l’aggiunta di COsub2/sub agli stagni algali è piuttosto costosa (Moheimani 2016). Il modo più economico per introdurre COSub2/sub in un mezzo di coltura è il trasferimento diretto del gas nel mezzo mediante gorgogliamento attraverso pietre porose sinterizzate o utilizzando tubi sotto fogli di plastica sommersi come iniettori COSub2/sub (Moheimani 2016). Purtroppo, in tutti questi metodi vi è ancora un’alta perdita di COsub2/sub nell’atmosfera a causa del breve tempo di ritenzione delle bolle di gas nella sospensione algale.

Sebbene l’aggiunta di N, P e C sia fondamentale, altri nutrienti influenzano anche la crescita e il metabolismo delle microalghe. Una mancanza di altri nutrienti, come il manganese (Mn) e vari altri cationi (MgSUP2+/SUP, KSUP+/SUP e Casup2+/SUP), è nota anche per ridurre la crescita delle alghe (Droop 1973). Gli oligoelementi sono anche fondamentali per la crescita delle microalghe e alcune microalghe richiedono anche vitamine per la loro crescita (Croft et al. 2005). Un modo efficace ed economico di fornire sostanze nutritive consiste nel combinare la coltura algale e il trattamento delle acque reflue, che viene discusso immediatamente di seguito.

12.3.4 Trattamento delle alghe e delle acque reflue

Con un aumento del deterioramento ambientale e una maggiore necessità di generare fonti alternative alimentari ed energetiche, vi è l’impulso per esplorare la fattibilità dei trattamenti biologici delle acque reflue e il recupero delle risorse. I trattamenti delle acque reflue microalghe sono stati particolarmente attraenti, a causa delle attività fotosintetiche algali, dove la luce viene trasferita in biomassa redditizia. In determinate condizioni, la biomassa microalgale coltivata nelle acque reflue può essere equivalente o superiore nella produzione di biomassa a specie vegetali superiori. Pertanto, il processo può trasformare un prodotto di scarto in prodotti utili (ad esempio mangimi per animali, mangimi per acquacoltura, biofertilizzanti e bioenergia). Pertanto, l’effluente di scarto non è più un prodotto di scarto negativo, ma diventa un prezioso substrato per la produzione di sostanze importanti e da oltre mezzo secolo è stata segnalata una buona bioremediazione delle acque reflue microalghe (Oswald e Gotass 1957; Delrue et al. 2016). La fitoremediazione algale rappresenta infatti una soluzione ecologica per il trattamento delle acque reflue in quanto può utilizzare in modo efficiente sostanze nutritive organiche e inorganiche (Nwoba et al. 2017). Le colture microalghe hanno un enorme potenziale per le fasi successive del trattamento delle acque reflue, in particolare per ridurre ‘N’, ‘P’ e ‘COD’ (Nwoba et al. 2016). Inoltre, l’aggiunta della capacità delle microalghe di crescere attraverso diverse condizioni nutrizionali come le condizioni fotoautotrofe, mixotrofe ed eterotrofe migliora anche la sua capacità di rimuovere vari tipi di inquinanti e sostanze chimiche dalle matrici acquose. La capacità delle microalghe nel sequestrare il carbonio (COSub2/sub) consente la bioremediazione COSub2/sub. Il rapporto sincronizzato tra algali e batteri instaurato è anche idealmente sinergico per la bioremediazione delle acque reflue (Munoz e Guieysse 2006). Attraverso la fotosintesi, le microalghe forniscono ossigeno richiesto dai batteri aerobici per la mineralizzazione della materia organica e per l’ossidazione di NHsub4/subSUP+/SUP (Munoz e Guieysse 2006). In cambio, i batteri forniscono anidride carbonica per la crescita delle microalghe, riducendo significativamente la quantità di ossigeno necessaria per il processo complessivo di trattamento delle acque reflue (Delrue et al. 2016). In generale, gli effluenti di scarto a basso rapporto carbonio/azoto sono fondamentalmente adatti alla crescita di organismi fotosintetici. Ancora più importante, il trattamento delle acque reflue domestiche a microalghe è un’opzione interessante in quanto la tecnologia è relativamente facile e richiede una bassissima energia rispetto allo standard di trattamento degli effluenti. L’ottimizzazione del trattamento delle acque reflue microalghe negli stagni su larga scala è interessante poiché combina il trattamento efficace di un prodotto di scarto nocivo e la produzione di biomasse algali potenzialmente ricche di proteine. La Figura 12.1 riassume un sistema ad anello chiuso per il trattamento di eventuali rifiuti organici mediante la combinazione di digestione anaerobica e coltivazione di alghe.

12.3.5 Alghe e Acquaponica

Le microalghe nell’acquacoltura e nei sistemi aquaponici sono spesso considerate un fastidio in quanto possono limitare i flussi d’acqua intasando i tubi, consumando ossigeno,

Fig. 12.1 Sistema di processo integrato per l’utilizzo della coltura algale per il trattamento dei rifiuti organici e dei potenziali utilizzatori finali. (Il processo è progettato sulla base delle informazioni di Ayre et al. 2017 e Moheimani et al. 2018)

può attirare gli insetti, ridurre la qualità dell’acqua e quando si decompone può esaurire l’ossigeno. Tuttavia, un esperimento di Addy et al. (2017) mostra che le alghe possono migliorare la qualità dell’acqua in un sistema acquaponico, contribuire a controllare le gocce di pH legate al processo di nitrificazione, generare ossigeno disciolto nel sistema, «produrre acidi grassi polinsaturi come mangime per pesci a valore aggiunto, aggiungere diversità e migliorare resilienza al sistema». Uno dei «grani sacri» dell’acquaponica è quello di produrre almeno una parte del cibo che viene alimentato al pesce come parte del sistema ed è qui che è necessaria la ricerca per produrre alghe che potrebbero essere coltivate con una parte dell’acqua acquaponica, molto probabilmente in un ciclo separato, che può poi essere alimentato come parte del dieta al pesce.