Studi metabolici e applicazioni bioenergetiche di diatomee marine

Le diatomee sono organismi unicellulari fotoautotrofi eucarioti caratterizzati da un particolare scheletro siliceo. Costituiscono il pi๠grande gruppo del fitoplancton marino e svolgono un ruolo ecologico essenziale costituendo la base della catena trofica marina e contribuendo al mantenimento dei cicli geochimici oceanici. Sono inoltre considerate i pi๠efficienti organismi fotosintetici e da sole sono responsabili di circa un quarto dell'assorbimento dell'anidride carbonica fissata sul pianeta. La presente tesi dottorale ha la finalità  di studiare il potenziale ruolo biotecnologico delle diatomee. In particolare, considerata la crescente preoccupazione per gli effetti dell'innalzamento dei gas climalteranti nell'atmosfera e i conseguenti scompensi causati dal riscaldamento globale, l'attività  di ricerca ਠstata indirizzata allo studio del metabolismo lipidico nelle diatomee marine e alla capacità  di questi organismi di poter essere utilizzate come materiale organico per la produzione di bio-oli da convertire in biocarburanti. La tesi comprende concettualmente tre fasi organizzate intorno a: ? selezione dei ceppi e valutazione delle potenzialità  metaboliche e della produttività  lipidica; ? studio della sintesi lipidica e dei fattori biochimici e molecolari connessi alla plasticità  metabolica; ? utilizzo per applicazioni biotecnologiche ed energetiche. Per la selezione dei ceppi modello, ਠstata testata la produttività  in biomassa e lipidi di 21 ceppi microalgali, di cui 17 diatomee e 4 microalghe verdi. Il confronto dei dati effettuato attraverso metodi statistici basati sull'analisi multivariata ha permesso di selezionare due diatomee centriche, Thalassiosira weissflogii e Cyclotella cryptica, come potenziali candidati per la produzione di biomasse e bio-oli (d'Ippolito et al. 2015). Queste potenzialità  sono state quindi testate attraverso un complesso schema di esperimenti finalizzati all'ottimizzazione della coltivazione e allo studio degli effetti dell'anidride carbonica e della deprivazione o limitazione di azoto, fosforo e silicio sulla produzione delle biomasse e di lipidi, in particolare triacilgliceroli, con entrambe le specie. Risultati incoraggianti sono stati ottenuti con entrambe le specie raggiungendo valori massimi di produttività  in biomassa liofila di circa 121.4 mg L-1 giorno-1 e 22.1 mg L-1 giorno-1 di estratto lipidico per T. weissflogii e di 75.0 mg L-1 giorno-1 e di 24.9 mg L-1 giorno-1, rispettivamente, per C. cryptica (Botte et al., manoscritto in preparazione). Questi studi hanno anche evidenziato la straordinaria resilienza delle diatomee a differenti condizioni ambientali e di coltivazione, dimostrando un'inusuale versatilità  delle vie biochimiche e plasticità  nella regolazione del metabolismo. Per approfondire questi aspetti, sulle due diatomee sono state condotti studi utilizzando le moderne tecnologie -omiche, principalmente trascrittomica e lipidomica, che hanno fornito nuove informazioni sulla regolazione dei pathway lipidici in risposta a stimoli esterni selettivi. In particolare i risultati ottenuti hanno fornito chiare indicazione sulla biosintesi de novo delle principali classi lipidiche e dimostrato l'interconversione indotta da fattori biotici tra lipidi strutturali e lipidi di riserva (in particolare triacilgliceroli). Il rilievo applicativo di questi processi e l'applicabilità  industriale della plasticità  metabolica osservate in laboratorio sono stati valutati in test di produzione di biomassa in campo utilizzando la diatomea T. weissflogii. La sperimentazione ਠstata effettuata su un impianto in provincia di Salerno costituito da fotobioreattori inclinati in PVC morbido con una capacità  totale netta di 8000 litri, utilizzando fumi di scarico da motore a combustione alimentato con oli vegetali. I risultati hanno evidenziato una chiara divergenza tra le rese in laboratorio e le rese outdoor anche se la produttività  di biomassa e la resistenza del ceppo microalgale consentono di essere fiduciosi per le future potenzialità  applicative.