Crescita demografica, sviluppo industriale e cambiamenti climatici mettono a dura prova risorse ed ecosistemi. Entro il 2100, la popolazione potrebbe raggiungere 10,9 miliardi, aumentando la domanda di risorse oltre le capacità del pianeta. Le attività umane aggravano queste pressioni con emissioni di gas serra che alterano ecosistemi e biodiversità. Le risorse idriche sono particolarmente a rischio poiché la domanda crescente ed eventi climatici estremi ne influenzano qualità e disponibilità. Le acque reflue, domestiche, industriali o agricole, vanno trattate per ridurre rischi ambientali e sanitari, secondo il D.Lgs. 152/2006. Gli impianti di depurazione tradizionali usano metodi fisici, chimici e biologici per rimuovere i contaminanti, generando fanghi da trattare prima di riuso o smaltimento. Tuttavia, efficienza e resa dipendono da fattori ambientali, stagionalità ed eventi estremi, rendendo tecnologie innovative e cooperazione internazionale essenziali per una gestione sostenibile. Le microalghe si sono rivelate efficaci nel trattare acque reflue urbane, soprattutto se ricche di nutrienti, rimuovendo nutrienti, sequestrando CO2, ossigenando l’acqua e riducendo fanghi e costi di trattamento. Oltre alla fitodepurazione, trovano impiego in integratori, biocarburanti, cosmetici, farmaceutica e biostimolanti. Questo progetto studia le microalghe per fitodepurare reflui urbani e biostimolare colture agricole, offrendo un trattamento biologico alternativo per ridurre la ricircolazione delle acque da fanghi trattati e ottenere acqua per irrigazione e biomassa per biofertilizzanti, favorendo l’economia circolare. Quattro prove di fitodepurazione in batch con un ceppo autoctono di Chlorella, in un prototipo da 600L, hanno valutato la rimozione dei nutrienti in diverse stagioni nel Nord Italia. I risultati mostrano una significativa riduzione di E. coli, nel rispetto dei limiti di legge, e la produzione di sostanze polimeriche extracellulari, che favoriscono la separazione di batteri e alghe dall’acqua. L’azoto è stato rimosso con efficacia in inverno e nelle prove in fed-batch; il fosforo in primavera, inverno e alcune fasi fed-batch. Le alte temperature estive hanno favorito i cianobatteri rispetto a Chlorella, evidenziando la necessità di ulteriori ricerche su cianobatteri e trattamenti alternativi estivi. Le prove autunno-invernali hanno mostrato difficoltà dovute al freddo, suggerendo trattamenti più lunghi. Le prove di biostimolazione su aglio hanno testato l’efficacia dell’acqua fitodepurata sulla crescita, combinando vari trattamenti e modalità di applicazione (controllo negativo: acqua; controllo positivo: Trianum P; acqua diluita all’1% e 2,5% spruzzata; acqua diluita all’1% e 2,5% percolata, con o senza Trianum P). Sebbene le metriche iniziali non abbiano mostrato differenze significative, le analisi dei bulbi hanno evidenziato che il trattamento 2,5%+Trianum P ha dato risultati simili ai controlli positivi, suggerendo possibili sinergie. Il 2,5% spruzzato e l’1% percolato sono stati meno efficaci, mentre la variabilità nella qualità dei bulbi e nei tassi di mortalità ha evidenziato complesse interazioni tra concentrazione delle acque reflue, biostimolanti e patogeni, richiedendo protocolli più precisi e campioni più ampi. Secondo un’analisi normativa preliminare, la biomassa algale ottenuta dal trattamento delle acque reflue è classificata come fango e potrebbe essere usata in agricoltura solo se derivata da reflui urbani trattati. Tuttavia, non è stata impiegata in questo studio per la possibile presenza di E. coli. Invece, le acque reflue trattate possono essere impiegate per irrigazione o classificate come sottoprodotto, ma le attuali sovrapposizioni normative su fanghi, fertilizzanti e rifiuti complicano le applicazioni su larga scala, evidenziando la necessità di regolamenti più chiari per valorizzare il potenziale biostimolante di acque fitodepurate.
Population growth, industrial development, and climate change are straining natural resources and ecosystems. By 2100, the global population is expected to reach 10.9 billion, increasing demands for food, water, and energy, often exceeding Earth's carrying capacity. Human activities worsen these pressures, with greenhouse gas emissions altering ecological balances and harming biodiversity. Water resources are particularly at risk, as rising demand and extreme events like droughts and floods affect both quality and supply. Wastewater (WW) from domestic, industrial, and agricultural activities must be treated to mitigate environmental and health risks, as required by Italian National Decree 152/2006. Conventional wastewater treatment plants use physical, chemical, and biological methods to remove contaminants, generating sludge that must be further treated for reuse or disposal. However, environmental conditions, seasonality, and extreme events can disrupt plant efficiency. Integrated and sustainable water management, including innovative technologies and international cooperation, is essential to address these challenges. Microalgae have gained attention as an effective solution for urban wastewater (UWW) treatment, particularly for nutrient-rich effluents. They remove nutrients, sequester CO2, oxygenate water, and reduce sludge volumes and costs. Beyond treatment, microalgae such as Spirulina and Chlorella sp. have applications in food supplements, biofuels, cosmetics, pharmaceuticals, and as agricultural biostimulants, enhancing crop growth and soil properties while supporting sustainability. My PhD project aims to exploit microalgae for UWW treatment and agricultural applications. Microalgae offer an alternative biological treatment to bypass the recirculation of water from sludge processing, producing clean irrigation water and biofertiliser biomass, advancing circular economy principles. Four batch phycoremediation trials using a native Chlorella strain in a 600-L pilot plant evaluated nutrient removal across seasons in Northern Italian conditions. Results showed significant E. coli reduction, meeting regulatory limits, and extracellular polymeric substance (EPS) production that aided microbial and algal separation. Nitrogen removal was effective in winter and fed-batch trials, while phosphorus removal peaked in spring, winter, and select fed-batch stages. High summer temperatures favoured cyanobacteria over Chlorella, suggesting further research into cyanobacteria and alternative summer treatment methods. Autumn and winter trials highlighted challenges with temperature drops, indicating the need for extended treatments in colder seasons. Biostimulation trials on garlic plants tested treated wastewater's ability to boost crop growth, combining different treatments and delivery (negative control: water; positive control: Trianum P commercial product; water diluted to 1% and 2.5% sprayed; water diluted to 1% and 2.5% percolated with or without Trianum P). Although early growth metrics showed no significant differences, bulb analyses revealed that the 2.5%+Trianum P treatment performed similarly to positive controls, suggesting potential synergies. Treatments with 2.5% sprayed and 1% percolate wastewater were the least effective, while variability in bulb quality and mortality rates highlighted complex interactions between wastewater concentration, biostimulants, and pathogens, necessitating refined protocols and larger sample sizes. Preliminary regulatory analysis found that algal biomass from wastewater treatment is classified as sludge under Italian law, restricting its use in agriculture to treated urban wastewater. Treated wastewater, however, can be reused for irrigation or classified as a by-product. Current overlapping regulations on sludge, fertilisers, and waste complicate broader applications, emphasizing the need for clearer legislative frameworks to unlock treated wastewater's biostimulant potential.
Microalgae-based green technologies: value chain from phytoremediation to crop biostimulation
BENÀ, ELISA
2025
Abstract
Crescita demografica, sviluppo industriale e cambiamenti climatici mettono a dura prova risorse ed ecosistemi. Entro il 2100, la popolazione potrebbe raggiungere 10,9 miliardi, aumentando la domanda di risorse oltre le capacità del pianeta. Le attività umane aggravano queste pressioni con emissioni di gas serra che alterano ecosistemi e biodiversità. Le risorse idriche sono particolarmente a rischio poiché la domanda crescente ed eventi climatici estremi ne influenzano qualità e disponibilità. Le acque reflue, domestiche, industriali o agricole, vanno trattate per ridurre rischi ambientali e sanitari, secondo il D.Lgs. 152/2006. Gli impianti di depurazione tradizionali usano metodi fisici, chimici e biologici per rimuovere i contaminanti, generando fanghi da trattare prima di riuso o smaltimento. Tuttavia, efficienza e resa dipendono da fattori ambientali, stagionalità ed eventi estremi, rendendo tecnologie innovative e cooperazione internazionale essenziali per una gestione sostenibile. Le microalghe si sono rivelate efficaci nel trattare acque reflue urbane, soprattutto se ricche di nutrienti, rimuovendo nutrienti, sequestrando CO2, ossigenando l’acqua e riducendo fanghi e costi di trattamento. Oltre alla fitodepurazione, trovano impiego in integratori, biocarburanti, cosmetici, farmaceutica e biostimolanti. Questo progetto studia le microalghe per fitodepurare reflui urbani e biostimolare colture agricole, offrendo un trattamento biologico alternativo per ridurre la ricircolazione delle acque da fanghi trattati e ottenere acqua per irrigazione e biomassa per biofertilizzanti, favorendo l’economia circolare. Quattro prove di fitodepurazione in batch con un ceppo autoctono di Chlorella, in un prototipo da 600L, hanno valutato la rimozione dei nutrienti in diverse stagioni nel Nord Italia. I risultati mostrano una significativa riduzione di E. coli, nel rispetto dei limiti di legge, e la produzione di sostanze polimeriche extracellulari, che favoriscono la separazione di batteri e alghe dall’acqua. L’azoto è stato rimosso con efficacia in inverno e nelle prove in fed-batch; il fosforo in primavera, inverno e alcune fasi fed-batch. Le alte temperature estive hanno favorito i cianobatteri rispetto a Chlorella, evidenziando la necessità di ulteriori ricerche su cianobatteri e trattamenti alternativi estivi. Le prove autunno-invernali hanno mostrato difficoltà dovute al freddo, suggerendo trattamenti più lunghi. Le prove di biostimolazione su aglio hanno testato l’efficacia dell’acqua fitodepurata sulla crescita, combinando vari trattamenti e modalità di applicazione (controllo negativo: acqua; controllo positivo: Trianum P; acqua diluita all’1% e 2,5% spruzzata; acqua diluita all’1% e 2,5% percolata, con o senza Trianum P). Sebbene le metriche iniziali non abbiano mostrato differenze significative, le analisi dei bulbi hanno evidenziato che il trattamento 2,5%+Trianum P ha dato risultati simili ai controlli positivi, suggerendo possibili sinergie. Il 2,5% spruzzato e l’1% percolato sono stati meno efficaci, mentre la variabilità nella qualità dei bulbi e nei tassi di mortalità ha evidenziato complesse interazioni tra concentrazione delle acque reflue, biostimolanti e patogeni, richiedendo protocolli più precisi e campioni più ampi. Secondo un’analisi normativa preliminare, la biomassa algale ottenuta dal trattamento delle acque reflue è classificata come fango e potrebbe essere usata in agricoltura solo se derivata da reflui urbani trattati. Tuttavia, non è stata impiegata in questo studio per la possibile presenza di E. coli. Invece, le acque reflue trattate possono essere impiegate per irrigazione o classificate come sottoprodotto, ma le attuali sovrapposizioni normative su fanghi, fertilizzanti e rifiuti complicano le applicazioni su larga scala, evidenziando la necessità di regolamenti più chiari per valorizzare il potenziale biostimolante di acque fitodepurate.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
