Exploring microalgal consortia within a circular economy model

Microalgae present a versatile and sustainable approach to addressing major environmental challenges, seamlessly integrating into a circular economy framework. These photosynthetic microorganisms excel at capturing carbon dioxide, remediating waste streams, and producing high-value compounds, establishing themselves as key contributors to more sustainable systems. Unlike monocultures, microalgal consortia leverage the physiological diversity of multiple species, enhancing resilience and productivity across diverse environmental conditions. The balance between competition and cooperation within consortia, driven by interspecies interactions such as allelopathy, allows them to adapt to challenging conditions. This makes consortia particularly effective in phycoremediation while simultaneously generating high-quality biomass. The thesis aimed to deepen the understanding of microalgal consortia, demonstrating their superiority over monocultures in nutrient remediation, growth, and overall efficiency. The research forms part of a broader initiative within a circular economy model, where microalgae are used to remediate digestate (a liquid by-product of anaerobic digestion) and the resulting biomass is repurposed as biostimulants. Eight algal species were initially selected based on their known ability to remediate wastewater and their potential as biostimulants. Following a screening process, a consortium of the most suitable species was developed, outperforming monocultures in terms of growth. The three species constituting the consortium (Tetradesmus obliquus, Chlamydomonas reinhardtii, and Auxenochlorella protothecoides) showed lower tolerance to ammonia, a toxic nitrogen form in digestate, when grown individually compared to the consortium as a whole. The reconfiguration of species abundance within the consortium and activation of new metabolic pathways proved critical in explaining its superior resilience. Investigations into algal communication and allelopathy revealed the release of extracellular vesicles and the role of infochemicals in boosting growth rates, cell density, and biomass composition. These findings highlighted changes in the primary macromolecular pools, emphasizing the consortium's adaptive mechanisms. The second part of the thesis focused on biotechnological applications of the consortium in a circular economy context. In phycoremediation, cultivation was optimized by exploring parameters such as digestate dilution and immobilization systems. Digestate remediation posed challenges due to its high nutrient load, turbidity, and limited light penetration. A 7% digestate concentration was determined to be the maximum compatible with significant algal growth. Subsequent optimization achieved high removal rates for nitrogen and phosphorus, though immobilization efforts failed to enhance productivity as anticipated. Beyond digestate remediation, the thesis explored the agronomic potential of microalgal biostimulants. Experimental trials, including foliar spraying and seed priming, demonstrated that algal extracts improved crop yields, enhanced germination, and optimized nutrient assimilation. Physiological studies revealed differences in plant responses to biostimulants derived from monocultures versus consortia. These results underscored the versatility of microalgal consortia and their potential to advance sustainable agricultural practices. Through their adaptability and multifunctionality, microalgal consortia embody the principles of a circular economy. They close nutrient loops, mitigate environmental pollution, and generate valuable bioproducts, providing a sustainable model that balances ecological and economic priorities. By combining fundamental research with biotechnological applications, this study significantly enhances the understanding of microalgal consortia, laying the groundwork for future research and broader applications in this field. ​

Le microalghe presentano un approccio versatile e sostenibile per affrontare le principali sfide ambientali, integrandosi perfettamente in un quadro di economia circolare. Questi microrganismi fotosintetici eccellono nella cattura del biossido di carbonio, nel risanamento dei flussi di rifiuti e nella produzione di composti ad alto valore, affermandosi come contributori chiave a sistemi più sostenibili. A differenza delle monocolture, i consorzi di microalghe sfruttano la diversità fisiologica di più specie, migliorando la resilienza e la produttività in diverse condizioni ambientali. L'equilibrio tra concorrenza e cooperazione al l'interno dei consorzi, guidato da interazioni tra specie come l'allelopatia, permette loro di adattarsi a condizioni difficili. Ciò rende i consorzi particolarmente efficaci nella fitorisanamento, generando al tempo stesso biomassa di alta qualità. La tesi mirava ad approfondire la comprensione dei consorzi di microalghe, dimostrando la loro superiorità sulle monocolture in termini di recupero dei nutrienti, crescita ed efficienza complessiva. La ricerca fa parte di un'iniziativa più ampia all'interno di un modello di economia circolare, in cui le microalghe sono utilizzate per risanare il digestato (un sottoprodotto liquido della digestione anaerobica) e la biomassa risultante viene riutilizzata come biostimolanti. Otto specie di alghe sono state inizialmente selezionate sulla base della loro capacità nota di risanare le acque reflue e del loro potenziale come biostimolanti. A seguito di un processo di selezione, è stato creato un consorzio delle specie più adatte, che superano le monocolture in termini di crescita. Le tre specie che compongono il consorzio (Tetradesmus obliquus, Chlamydomonas reinhardtii e Auxenochlorella protothecoides) hanno mostrato una minore tolleranza all'ammoniaca, una forma tossica di azoto nel digestato, se coltivate singolarmente rispetto al consorzio nel suo insieme. La riconfigurazione dell'abbondanza di specie all'interno del consorzio e l'attivazione di nuove vie metaboliche si sono dimostrate fondamentali per spiegare la sua resilienza superiore. Le indagini sulla comunicazione algale e l'allelopatia hanno rivelato il rilascio di vescicole extracellulari e il ruolo degli infochimici nel l'aumento dei tassi di crescita, della densità cellulare e della composizione della biomassa. Questi risultati hanno messo in evidenza i cambiamenti nei pool macromolecolari primari, sottolineando i meccanismi di adattamento del consorzio. La seconda parte della tesi si è concentrata sulle applicazioni biotecnologiche del consorzio in un contesto di economia circolare. Nel fitorisanamento, la coltivazione è stata ottimizzata esplorando parametri quali i sistemi di diluizione e immobilizzazione del digestato. La bonifica del digestato ha posto delle sfide a causa del suo elevato carico di nutrienti, della torbidità e della limitata penetrazione della luce. Una concentrazione di digestato del 7% è stata determinata per essere il massimo compatibile con la crescita significativa delle alghe. L'ottimizzazione successiva ha raggiunto alti tassi di rimozione per azoto e fosforo, anche se gli sforzi di immobilizzazione non sono riusciti a migliorare la produttività come previsto. Al di là della bonifica dei digestati, la tesi ha esplorato il potenziale agronomico dei biostimolanti microalgali. Le prove sperimentali, comprese la foliar spraying e il seed priming, hanno dimostrato che gli estratti di alghe migliorano la resa delle colture, migliorano la germinazione e ottimizzano l'assimilazione dei nutrienti. Gli studi fisiologici hanno rivelato differenze nelle risposte delle piante ai biostimolanti derivati da monocolture rispetto ai consorzi. Questi risultati hanno evidenziato la versatilità dei consorzi di microalghe e il loro potenziale per promuovere pratiche agricole sostenibili. Grazie alla loro adattabilità e multifunzionalità, i consorzi di microalghe incarnano i principi di un'economia circolare. Chiudono i circuiti dei nutrienti, riducono l'inquinamento ambientale e generano preziosi bioprodotti, fornendo un modello sostenibile che bilancia le priorità ecologiche ed economiche. Combinando la ricerca fondamentale con le applicazioni biotecnologiche, questo studio migliora in modo significativo la comprensione dei consorzi di microalghe, gettando le basi per future ricerche e applicazioni più ampie in questo campo.