Chlorella vulgaris and Scenedesmus quadricauda: diversified applications for environmental and agricultural systems

The topic of this thesis takes as its guiding principle the multifunctionality of microalgae, focusing on the use of Chlorella vulgaris and Scenedesmus quadricauda as decontaminants of agricultural wastewater, biostimulants for plant growth and for soil fertility. The main objectives of this thesis have been organized into four chapters. The first aim was to evaluate the removal capacity of microalgae with respect to organic and inorganic pollutants from agricultural wastewater. Secondly, the goal was to investigate the biostimulating effect of microalgae extracts on plants of agricultural interest, in particular sugar beet and maize. The third objective was to evaluate the effect of microalgal extracts and living cells on soil biochemical fertility. Finally, the last objective of this thesis was to evaluate the effects on growth of microalgae and tomato plants in a co-cultivation of C. vulgaris or S. quadricauda and tomato plants. The results suggest that it is possible to use cultivation systems of both microalgae to purify agricultural wastewater which contains inorganic compounds and pesticides. The extracts prepared from C. vulgaris and S.quadricauda seem to be promising as biostimulants, both in promoting germination and in the early stages of plant growth in sugar beet. Furthermore, these microalgal extracts were shown to have positive effects on the physiological parameters under investigation of maize plants. With respect to the biochemical fertility of soil, the results highlighted that metabolites of C. vulgaris and S. quadricauda may induce a higher soil biochemical fertility and simultaneously increase tomato plant growth. Finally, the results suggested that the associated cultures of microalgae and tomato plants, in an hydroponic system, may be a cheap and useful way of simultaneously producing a greater quantity of microalgal biomass as well as improved tomato plant growth.

La multifunzionalità delle microalghe è stato il filo conduttore di questa tesi, centrata sull applicazione di Chlorella vulgaris e Scenedesmus quadricauda come decontaminanti delle acque reflue agricole, biostimolanti per la crescita delle piante e la fertilità del suolo. I principali obiettivi di questa tesi sono stati suddivisi in quattro capitoli. Il primo obiettivo è stato quello di valutare la capacità delle microalghe di rimuovere contaminanti organici ed inorganici dalle acque reflue agricole. In secondo luogo, lo scopo è stato quello di investigare l effetto biostimolante di estratti microalgali su piante di interesse agricolo, in particolare la barbabietola da zucchero ed il mais. Successivamente, il terzo obiettivo è stato quello di valutare l effetto di estratti microalgali e di cellule microalgali vive sulla fertilità biochimica del suolo. Infine, l ultimo scopo di questa tesi è stato quello di determinare gli effetti sulla crescita di microalghe e di piante di pomodoro in una co-coltivazione di C. vulgaris o S. quadricauda e piante di pomodoro. I risultati ottenuti suggeriscono che è possibile utilizzare entrambe le microalghe per purificare acque reflue provenienti dall agricoltura, che contengono inquinanti inorganici ed agrofarmaci. Gli estratti ottenuti da C. vulgaris e S. quadricauda sembrano essere promettenti come biostimolanti, sia per favorire la germinazione che i primi stadi di crescita di piante di barbabietola da zucchero. Inoltre, questi estratti microalgali sembrano influenzare positivamente i parametri fisiologici investigati in piante di mais. Riguardo alla fertilità del suolo, i risultati evidenziano che i metaboliti di C. vulgaris e S. quadricauda possono indurre una più alta fertilità biochimica del suolo e, simultaneamente, incrementare la crescita di piante di pomodoro. Infine, i risultati suggeriscono che l associazione di colture di microalghe e piante di pomodoro, in un sistema idroponico, può risultare utile ed economico per ottenere simultaneamente una più elevata biomassa microalgale, così come una maggiore crescita di piante di pomodoro.