The potential role of some microalgae in biotechnological fields

Questa Tesi dal titolo “The potential role of some microalgae in biotechnological fields” riguarda uno studio morfo-fisiologico e biochimico di alcune specie microalgali note per essere utilizzate in diverse applicazioni biotecnologiche. L’obiettivo è quello di aumentare le conoscenze di base della fisiologia di questi microorganismi al fine di rendere la loro coltivazione su scala industriale un processo più competitivo e sostenibile. La Tesi è stata sviluppata in cinque capitoli. Il primo capitolo è un’introduzione generale sulle applicazioni biotecnologiche delle microalghe e le conseguenti problematiche riguardanti la loro coltivazione su scala industriale. Nel secondo capitolo si è testata la coltivazione mixotrofica della microalga N. oleoabundans in presenza di 2,5 gL-1 di glucosio in un fotobioreattore coassiale da 20 litri, con lo scopo di aumentare la produttività e valutare gli effetti della mixotrofia sull’efficienza fotosintetica e sull’accumulo di lipidi nell’alga. I risultati hanno mostrato che in condizioni mixotrofiche N. oleoabundans raggiungeva elevati valori di produttività di biomassa (0,28 gL-1d-1) rispetto alla coltivazione in autotrofia (0,02 gL-1d-1). Inoltre, è stato dimostrato che la coltivazione mixotrofica ha avuto un forte impatto sull’efficienza fotosintetica e sul contenuto lipidico dell'alga. Per rendere la coltivazione su larga-scala più ecosostenibile, è stata valutata la possibilità di utilizzare mezzi di coltivazione esausti recuperati dalle precedenti coltivazioni autotrofiche e mixotrofiche in fotobioreattore per una nuova coltivazione della microalga. I risultati ottenuti hanno suggerito che è possibile riciclare il mezzo di coltivazione con lo scopo di ottenere biomassa algale in maniera sostenibile. In particolare, è stato dimostrato che la promozione della crescita di Neochloris nei due terreni esausti era dovuta alla presenza di poliammine nel terreno, mentre la minor efficienza fotosintetica, accompagnata da una disorganizzazione delle membrane tilacoidali dell'apparato fotosintetico dell’alga, è stato attribuito alla presenza di acidi grassi liberi. Il terzo capitolo della Tesi fornisce un approfondimento sul contenuto di proteine e sull’organizzazione dei complessi tilacoidali che caratterizzano le membrane fotosintetiche di quattro specie microalgali appartenenti al gruppo delle Chlorophyta e alle classi Chlorophyceae (Neochloris oleoabundans e Scenedesmus acutus) e Trebouxiophyceae (Chlorella vulgaris e Chlorella protothecoides). Dai risultati ottenuti, la microalga S. acutus ha mostrato un'elevata capacità di accumulare proteine all’interno delle cellule (53,2% DW), con un 2 conseguente più abbondante e complesso profilo delle membrane tilacoidali rispetto alle altre specie. Nel quarto capitolo due differenti strategie di coltivazione sono state testate per migliorare la produttività di biomassa e il contenuto di lipidi della diatomea marina Thalassiosira pseudonana con l'obiettivo di ottenere maggiori conoscenze sul suo potenziale utilizzo in campo bioenergetico. A tale scopo la diatomea è stata coltivata mixotroficamente in presenza di diverse fonti di carbonio organico, quali glucosio, sodio acetato e glicerolo e un prodotto di scarto derivante dalla produzione di biodiesel (glicerolo grezzo). I risultati ottenuti hanno mostrato che la concentrazione di 2,5 gL-1 di glicerolo consentiva di ottenere elevate concentrazioni di biomassa (0,5 gDWL-1) e di contenuto lipidico (6 volte superiore) non soltanto rispetto alla coltivazione in autotrofia (0,3 gDWL-1), ma anche rispetto alle altre fonti di carbonio testate. Inoltre, si è dimostrato che la coltivazione mixotrofica della diatomea in presenza di 2,5 gL-1 di glicerolo grezzo consentiva di ottenere valori di produttività di biomassa comparabili a quelli ottenuti in presenza di glicerolo puro. I risultati ottenuti hanno suggerito che la coltivazione mixotrofica può costituire una valida alternativa, accoppiando la produzione di biomassa e lipidi al simultaneo consumo di un sottoprodotto, migliorando quindi la fattibilità del processo e diminuendo i costi di produzione. Al fine di valutare le potenzialità della diatomea nella mitigazione delle emissioni di CO2 accoppiata con la produzione di biodiesel, si è testata la sua coltivazione in presenza di concentrazioni crescenti di CO2. I risultati ottenuti hanno mostrato che le culture insufflate con 1 e 5% di CO2 mostravano simili e più elevati valori di produttività di biomassa (44 e 48 mgAFDWL-1d-1) e contenuto di lipidi (2 volte superiore) rispetto alle colture insufflate con sola aria (0.04%) (26 mgAFDWL-1d-1). Questo studio suggerisce che la diatomea è in grado di crescere ad elevate concentrazioni di CO2 e al tempo stesso accumulare lipidi utili per la produzione di biodiesel. Infine, nel quinto capitolo è stata valutata la possibilità di utilizzare l’alga verde C. vulgaris come possibile biofertilizzante su piante di pisello (Pisum sativum L. var. Paladio nano). I risultati ottenuti hanno evidenziato che in seguito all'applicazione dell’alga come biofertilizzante, le piante di pisello aumentavano tutti i parametri di crescita misurati e in particolar modo la resa in biomassa (più del 70% del peso secco rispetto il controllo). Questo studio suggerisce che le microalghe possono essere costituire una valida alternativa ai fertilizzanti chimici da impiegare in un’agricoltura più sostenibile.