Microbial biotechnologies for production of biochemicals intermediates, bioenergy and biomaterials

Le lavorazioni agro-industriali e alimentari producono quantità non trascurabili di scarti e sottoprodotti di natura organica di ottima qualità, utilizzabili per la produzione di bioenergie e biomateriali. Infatti, impiegando biotecnologie microbiche, è possibile sviluppare un sistema integrato per la produzione di fonti di energia, come idrogeno e metano (attraverso un processo anaerobico) e biopolimeri, come i polidrossialcanoati (PHA) (attraverso un processo aerobico), impiegati nella produzione delle bioplastiche. A tal fine, tra i vari rifiuti di natura organica, gli scarti dell’industria lattiero casearia risultano particolarmente interessanti grazie al loro elevato carico organico. I primi risultati ottenuti da prove di biodigestione in batch (250 mL) evidenziavano l’influenza della concentrazione di inoculo sulla produzione di biogas ottenendo circa 8,9 mL di H2/gSSV e 2,16 mL di CH4/gSSV negli esperimenti con concentrazioni più elevate di inoculo. Contestualmente alla produzione di biogas, la carica batterica degli anaerobi totali aumentava (8,1±0,0 log UFC/mL) e i batteri lattici diminuivano da 7,0±0,1 a 5,7 ± 0,0 log UFC/mL (p ≤ 0,05). L’analisi molecolare cultural-indipendent (PCR- DGGE) permetteva di identificare nei campioni esaminati, specie microbiche appartenenti ai generi Methanosarcina, Methanobrevibacter, Methanoculleus, Methanocorpusculum. Lo “scale-up” di processo era effettuato utilizzando biodigestori da 5 L per valutare l’evoluzione delle popolazioni microbiche di batteri e Archea, coinvolti nel processo di biodigestione. L’abbondanza relativa dei taxa (analizzata tramite Next Generation Sequencing, NGS) mostrava la quasi totale assenza di Archea (<0,1%) nella miscela di siero e latticello non inoculata mentre. Il genere Methanoculleus era predominante nelle fasi finali del processo, in quanto al T30 aumentava fino al 99%. Nell’ottica di sviluppare un sistema integrato, gli acidi organici dell’effluente dell’ultimo esperimento di biodigestione, erano estratti ed utilizzati come componenti di substrati nutritivi per valutare la capacità di 15 ceppi batterici di crescere e accumulare biopolimeri (polidrossialcanoati, PHA) in essi. La crescita dei ceppi di Pseudomonas resinovorans SA38 e SA39 (collezione microbica della Sezione di Microbiologia) era favorita dalla presenza di acidi organici raggiungendo mediamente 10,4±0,0 log CFU/mL in 48h. L’accumulo di PHA era monitorato mediante osservazioni al microscopio a fluorescenza dei PHA prodotti e quantificati mediante saggio spettrofotometrico. Per ottimizzare la produzione di PHA, un sistema in “fed-batch” inoculato con colture miste selezionate ed alimentato con una similare miscela di acidi organici, permetteva l’accumulo di oltre l’80% (1,36 gPHA/L).