Physiological studies to optimize algal biomass production in phytoremediation processes

Nowadays microalgae are studied, and a number of species already mass-cultivated, for their application in many fields: food and feed, chemicals, pharmaceutical, phytoremediation and renewable energy. Phytoremediation, in particular, can become a valid integrated process in many algae biomass production systems. This thesis is focused on the physiological and biochemical effects of different environmental factors, mainly macronutrients, lights and temperature on microalgae. Microalgal species have been selected on the basis of their potential in biotechnologies, and nitrogen occurs in all chapters due to its importance in physiological and applicative fields. There are 5 chapters, ready or in preparation to be submitted, with different specific matters: (i) to measure the kinetic parameters and the nutrient removal efficiencies for a selected and local strain of microalgae; (ii) to study the biochemical pathways of the microalga D. communis in presence of nitrate and ammonium; (iii) to improve the growth and the removal efficiency of a specific green microalga in mixotrophic conditions; (iv) to optimize the productivity of some microalgae with low growth-rate conditions through phytohormones and other biostimulants; and (v) to apply the phyto-removal of ammonium in an effluent from anaerobic digestion. From the results it is possible to understand how a physiological point of view is necessary to provide and optimize already existing biotechnologies and applications with microalgae

Effetto dell'erbicida Terbutilazina sulla crescita di flagellate marine in coltura

Il fitoplancton è costituito da organismi molto importanti per l'ambiente marino e molto diversificati sia dal punto di vista morfologico che fisiologico.Questi organismi sono normalmente soggetti ai cambiamenti stagionali e alle variazioni dell'ambiente dovute sia a fenomeni naturali che all'impatto antropico, sempre più rilevante. Con questa tesi si è voluto approfondire l'effetto di erbicidi comunemente usati dall'uomo in agricoltura su delle microalghe flagellate rappresentative del Mar Adriatico. L'inquinante scelto è la Terbutilazina, sostanza utilizzata per il diserbo del mais e diffusa in tutta l'area padano-venera, come dimostrano i dati dei campionamenti ARPA, che riportano la presenza di Terbutilazina e del suo prodotto di degradazione Desetil-Terbutilazina a concentrazioni superiori al limite fissato sia nelle acque superficiali che in quelle sotterranee. Anche in mare come riportato in letteratura (Carafa et. al 2009)è stato riscontrato a concentrazioni superiori al limite previsto dalla normativa vigente in Italia. In particolare il meccanismo d'azione di questo erbicida interferisce con la fotosintesi, agendo sulle proteine di membrana dei cloroplasti, rimpiazzando il chinone accettore di elettroni QB della proteina D1 del fotosistema II. Più specie di microalghe fatte crescere in colture 'batch' sono state testate a diverse concentrazioni di erbicida in condizione di luce nutrienti costanti. Questi esperimenti sono stati inoltre condotti a due diverse temperature (20 e 25°C) per studiare l'effetto di questo inquinante in correlazione con l'attuale aumento di temperatura in atto nel pianeta. In una prima fase di screening è stato valutato l'effetto della Terbutilazina su 9 specie di flagellate rappresentative dell'Adriatico, tramite misure dell'efficienza fotosintetica. Grazie a questa prima fase sono state individuate le microalghe e le relative concentrazioni di Terbutilazina da utilizzare negli esperimenti. Per gli esperimenti, sono state scelte le due specie algali Gonyaulax spinifera e Prorocentrum minimum sulle quali si è approfondito lo studio dell'effetto dell'inquinante alle due temperature, attraverso una serie di analisi volte ad individuare le risposte in termini di crescita e di fisiologia delle alghe quali: conteggio delle cellule, torbidità, efficienza fotosintetica, consumo di nutrienti, quantità di clorofilla e di polisaccaridi extracellulari prodotti. La scelta di queste microalghe è stata dettata dal fatto che Gonyaulax spinifera si è rivelata la microalga più sensibile a concentrazioni di erbicida più vicine a quelle ambientali fra tutte le alghe valutate, mentre Prorocentrum minimum è fra le dinoflagellate più frequenti e rappresentative del Mar Adriatico (Aubry et al. 2004), anche se non particolarmente sensibile; infatti P. minimum è stato testato ad una concentrazione di erbicida maggiore rispetto a quelle normalmente ritrovate in ambiente marino. Dai risultati riportati nella tesi si è visto come l'erbicida Terbutilazina sia in grado di influenzare la crescita e la fotosintesi di microalghe flagellate dell'Adriatico anche a concentrazioni pari a quelle rilevate in ambiente, e si è evidenziato che gli effetti sono maggiori alle temperature in cui le microalghe hanno una crescita meno efficiente. Questi studi hanno messo in evidenza anche l'utilità delle misure di fotosintesi tramite fluorimetro PAM nel valutare le risposte delle microalghe agli erbicidi triazinici. Inoltre la diversa risposta delle microalghe osservata, potrebbe avere conseguenze rilevanti sulle fioriture estive di fitoplancton in caso di presenza in mare di Terbutilazina, anche a concentrazioni non particolarmente elevate. Questo lavoro si inserisce in un contesto più ampio di ricerca volto alla modellizzazione della crescita algale in presenza di inquinanti ed in concomitanza con le variazioni di temperatura. Infatti i dati ottenuti insieme a misure di carbonio cellulare, non ancora effettuate, saranno utili per la messa a punto di nuove parametrizzazioni che si avvicinino maggiormente ai dati reali, per poi simulare i possibili scenari futuri variando le condizioni ambientali e le concentrazioni dell'inquinante studiato

Microalgae cultivation with valorisation of CO2 separated from CH4 in a biogas upgrading process: a life cycle assessment

In accordance with the circular economy concept, new trends in industry are addressed to the integration of different production systems in order to minimise waste flows to the environment and resource depletion. The biogas and biomethane industry clearly offers a great potential from this point of view: biogas production is rising worldwide, and the possibility of obtaining a much more valuable energy carrier such as biomethane is pushing towards the further processing of biogas with an upgrading phase, thus obtaining two separated gaseous flows. The main one is indeed a concentrated flow of biomethane, but the process inherently determines the production of another relevant flow, the off gas containing mostly CO2 deriving from the partial oxidation of the organic substrate. The technical difficulties related to storage, as well as the scarce economic value compared to the main product, induce in most cases to consider the off-gas stream as a waste and to release it into the atmosphere. Although merchant CO2 commonly used in various industrial applications has a higher purity grade (>99.5% v/v), the off-gas from biogas upgrading, despite a CO2 concentration around 90% v/v, may equally have potential uses, without the need for further treatment; one of these can be algal cultivation for the production of bioenergy or high added value compounds. Therefore, in the present work the valorisation of a waste CO2 stream from a biogas upgrading process is considered, through its direct blowing in a microalgae cultivation system, aimed at the production of bioactive compounds with high quality standards. The main objective is to quantify the environmental benefits due to the switch from merchant CO2 to waste CO2. In order to do this, the Life Cycle Assessment methodology is used, according to the ISO14040 standards. The microalgal cultivation process is assessed at pilot scale, considering two different scenarios: in the first one the biomass is fed with a stream of merchant CO2 of high purity grade, while in the second one waste CO2 from biogas upgrading is used for the same purpose. The results show that a better environmental performance is achieved when using a stream of waste CO2 rather than pure merchant CO2, thanks to a slight increase in productivity and to lower impacts related to the background process of CO2 production. In conclusion, the present study suggests that there are interesting possibilities to integrate the processes of biogas upgrading and microalgae cultivation, and this symbiosis can bring to positive results in terms of production yields of microalgae cultivation systems and improvement of overall environmental performance. However, further research is needed to ensure that algal biomass quality standards are not compromised when waste CO2 stream is used in the cultivation process

Enhanced and Selective Lipid Extraction from the Microalga P. tricornutum by Dimethyl Carbonate and Supercritical CO2Using Deep Eutectic Solvents and Microwaves as Pretreatment

Microalgae are promising alternative sources of several bioactive compounds that are useful for human applications. However, lipids are traditionally extracted with toxic organic solvents (e.g., mixtures of chloroform and methanol or hexane). In this work, we develop a new lipid extraction protocol for obtaining a fatty-acids-rich extract from the diatom Phaeodactylum tricornutum. Deep eutectic solvents (DESs) and microwaves (MWs) were investigated as pretreatments for environmentally friendly solvent extractions using dimethyl carbonate (DMC) and supercritical CO2(scCO2). Pretreatments with various DESs formed by choline chloride (ChCl) and different hydrogen-bond donors (oxalic acid, levulinic acid, urea, ethylene glycol, and sorbitol) were tested in combination with DMC extraction. DESs formed by ChCl and carboxylic acids gave the best results, increasing both the selectivity and the total fatty acid (TFA) extraction yield of DMC (by 16% and 80%, respectively). DESs combined with MW heating followed by DMC extraction allowed a TFA yield and fatty acid profile comparable to those of the traditional Bligh and Dyer extraction method to be reached, along with a much better selectivity (88% vs 35%). This pretreatment was also demonstrated to significantly improve the extraction efficiency of scCO2, increasing the TFA yield by a factor of 20 and providing highly purified triglyceride extracts

Enhanced and Selective Lipid Extraction from the Microalga <i>P. tricornutum</i> by Dimethyl Carbonate and Supercritical CO₂ Using Deep Eutectic Solvents and Microwaves as Pretreatment

Microalgae are promising alternative sources of several bioactive compounds that are useful for human applications. However, lipids are traditionally extracted with toxic organic solvents (e.g., mixtures of chloroform and methanol or hexane). In this work, we develop a new lipid extraction protocol for obtaining a fatty-acids-rich extract from the diatom <i>Phaeodactylum tricornutum</i>. Deep eutectic solvents (DESs) and microwaves (MWs) were investigated as pretreatments for environmentally friendly solvent extractions using dimethyl carbonate (DMC) and supercritical CO₂ (scCO₂). Pretreatments with various DESs formed by choline chloride (ChCl) and different hydrogen-bond donors (oxalic acid, levulinic acid, urea, ethylene glycol, and sorbitol) were tested in combination with DMC extraction. DESs formed by ChCl and carboxylic acids gave the best results, increasing both the selectivity and the total fatty acid (TFA) extraction yield of DMC (by 16% and 80%, respectively). DESs combined with MW heating followed by DMC extraction allowed a TFA yield and fatty acid profile comparable to those of the traditional Bligh and Dyer extraction method to be reached, along with a much better selectivity (88% vs 35%). This pretreatment was also demonstrated to significantly improve the extraction efficiency of scCO₂, increasing the TFA yield by a factor of 20 and providing highly purified triglyceride extracts

Il sistema agro-alimentare dell’Emilia-Romagna, Rapporto 2014

Il Rapporto 2014 sul Sistema Agroalimentare dell'Emilia-Romagna rappresenta un importante contributo alla conoscenza di un settore fondamentale dell'economia regionale, un utile strumento per gli operatori e una guida per le politiche degli enti locali. Il Rapporto si apre con due capitoli che descrivono da un lato, lo scenario internazionale e, dall'altro le politiche comunitarie e nazionali, per il settore agroalimentare, che modificano lo scenario nel quale gli operatori saranno chiamati a muoversi dal 2014 al 2020. I principali cambiamenti congiunturali del sistema agroalimentare regionale occupano la parte central del Rapporto, con Quattro capitol dedicati all'agricoltura. Successivamente vengono affrontati gli altri aspetti rilevanti del sistema agro-alimentare regionale partendo dall'industria alimentare, con le dinamiche congiunturali e alcuni approfondimenti strutturali dell'occupazione