From microalgal biomass to bioactive inputs: scalable production, green extraction and sustainable biotechnological applications [Dalla biomassa microalgale agli input bioattivi: produzione scalabile, estrazione ecocompatibile e applicazioni biotecnologiche sostenibili]

The transition toward sustainable agriculture requires innovative inputs capable of improving crop performance while reducing reliance on synthetic agrochemicals. Microalgae represent a promising biological platform, owing to their capacity to generate biomass under diverse conditions and to biosynthesize a wide range of metabolites with agronomic relevance. This doctoral research aimed to explore the biotechnological and agronomic potential of microalgal biomass, with a focus on scalable cultivation, green extraction protocols, and functional assessment of derived products. Chlorella vulgaris CCAP 211/19 was cultivated at laboratory, pilot, and industrial scale, achieving biomass productivities up to 0.16 g/L/day in closed photobioreactors. Biomass recovery was optimized through centrifugation and concentration strategies, providing sufficient material for downstream applications. Extracts were obtained via ultrasound-assisted alkaline lysis both at laboratory and industrial level and subsequently tested in germination bioassays and agronomic trials on zucchini. A clear dose–response effect emerged: high concentrations (1:10) were phytotoxic, while diluted extracts (1:1000–1:10000) enhanced germination and root elongation. In tunnel experiments, repeated foliar and root applications promoted plant growth, chlorophyll accumulation, and increased enzymatic activities linked to nitrogen assimilation and secondary metabolism, confirming the biostimulant role of microalgal extracts. In parallel, a green protocol for fatty acid recovery was established using sustainable solvents (ethyl acetate and 2-methyltetrahydrofuran). The method was optimized on Nannochloropsis spp. and extended to Chlorella vulgaris and Aurantiochytrium, yielding fatty acid profiles enriched in omega-3 and omega-6 polyunsaturated fatty acids. Comparisons with conventional extraction approaches demonstrated comparable or superior efficiency, with reduced environmental impact. Overall, this work provides an integrated assessment of microalgal biomass production, extract valorisation, and application in crop systems. The findings support the dual role of microalgae as sources of biostimulants and nutritionally valuable fatty acids, aligning with circular bioeconomy principles and the European Green Deal.

La transizione verso un’agricoltura sostenibile richiede nuovi input in grado di migliorare le performance colturali riducendo al contempo la dipendenza da prodotti di sintesi. Le microalghe rappresentano una piattaforma biologica promettente grazie alla capacità di produrre biomassa in condizioni diverse e di biosintetizzare metaboliti di interesse agronomico. Questa ricerca di dottorato ha avuto l’obiettivo di valorizzare il potenziale biotecnologico e agronomico della biomassa microalgale, con particolare attenzione alla coltivazione su scala, ai protocolli di estrazione green e alla valutazione funzionale dei prodotti ottenuti. Chlorella vulgaris CCAP 211/19 è stata coltivata a scala di laboratorio, pilota e industriale, raggiungendo produttività fino a 0,16 g/L/giorno in fotobioreattori chiusi. La biomassa è stata recuperata mediante centrifugazione e successiva concentrazione, garantendo materiale sufficiente per le fasi di downstream. Gli estratti sono stati ottenuti tramite lisi alcalina assistita da ultrasuoni, sia a scala di laboratorio che industriale, e successivamente testati in saggi di germinazione e in prove agronomiche su zucchino. È emerso un chiaro effetto dose-risposta: concentrazioni elevate (1:10) hanno mostrato fitotossicità, mentre diluizioni (1:1000–1:10000) hanno favorito germinazione ed allungamento radicale. In prove condotte in tunnel, applicazioni fogliari e radicali ripetute hanno stimolato la crescita, l’accumulo di clorofilla e l’attività di enzimi legati all’assimilazione dell’azoto e al metabolismo secondario, confermando il ruolo biostimolante degli estratti microalgali. Parallelamente è stato messo a punto un protocollo green per l’estrazione di acidi grassi mediante solventi sostenibili (acetato di etile e 2-metiltetraidrofurano). Il metodo, ottimizzato su Nannochloropsis spp. e applicato anche a Chlorella vulgaris e Aurantiochytrium, ha permesso di ottenere profili arricchiti in acidi grassi polinsaturi omega-3 e omega-6. Il confronto con metodi convenzionali ha evidenziato efficienza paragonabile o superiore, con minore impatto ambientale. Nel complesso, il lavoro fornisce una valutazione integrata della produzione di biomassa microalgale, della valorizzazione degli estratti e della loro applicazione in sistemi colturali. I risultati supportano il duplice ruolo delle microalghe come fonte di biostimolanti e acidi grassi nutrizionalmente rilevanti, in linea con i principi della bioeconomia circolare e del Green Deal europeo.