Ottimizzazione delle condizioni termiche e di irraggiamento per una maggiore produzione di ossigeno in Tetradesmus bajacalifornicus

Perché le piccole cellule verdi sono importanti per l’aria del nostro futuro

Con l’aumento dei livelli di anidride carbonica nell’atmosfera a valori record, gli scienziati cercano «macchine» viventi in grado di rimuovere questo gas dall’aria e trasformarlo in qualcosa di utile. Un candidato promettente sono le microalghe: cellule verdi microscopiche che usano la luce solare per crescere, rilasciano ossigeno e accumulano biomassa che può diventare cibo, combustibile o altri prodotti. Questo studio esplora come spingere una microalga poco nota, Tetradesmus bajacalifornicus, a produrre il massimo di ossigeno e biomassa possibile regolando con attenzione due fattori quotidiani: luce e temperatura.

Piccole alghe con grande potenziale

Tetradesmus bajacalifornicus è una microalga a crescita rapida e resistente che tollera condizioni avverse e alti livelli di anidride carbonica. Studi precedenti hanno dimostrato che può sintetizzare composti preziosi con attività antiossidante e antimicrobica, accumulare oli utili per i biocarburanti e prosperare dove altri organismi potrebbero avere difficoltà. Questo la rende interessante per future fattorie di cattura del carbonio e bioraffinerie. Tuttavia, fino ad ora nessuno aveva esaminato in modo sistematico come le combinazioni di intensità luminosa, temperatura e durata del riscaldamento influenzino la sua capacità di produrre ossigeno, indicatore diretto delle prestazioni fotosintetiche e della crescita.

Trovare il punto di equilibrio tra luce e calore

Per individuare le condizioni migliori, i ricercatori hanno utilizzato un apparato sensibile chiamato fotorespirometro, che monitora quanto ossigeno le alghe rilasciano alla luce e quanto ne consumano al buio. Hanno testato una vasta gamma di intensità luminose e temperature che imitano quelle presenti in reattori chiusi con illuminazione artificiale. Con un approccio statistico hanno costruito una superficie di risposta—una sorta di mappa topografica—che mostra come la produzione di ossigeno aumenti o diminuisca quando luce e calore variano insieme. La mappa ha rivelato un picco chiaro: intorno a 38 °C e a un’elevata intensità luminosa, la microalga raggiungeva un tasso di produzione di ossigeno molto alto, paragonabile ad alcune delle migliori ceppi industriali. In termini semplici, più caldo e più luminoso generalmente significava più ossigeno, fino a un certo punto.

Quando il «troppo caldo» rompe il sistema

Tuttavia, ciò che appare ottimale in un test breve può fallire nel tempo. Quando le colture sono state mantenute a questa temperatura elevata in modo continuo sotto forte illuminazione, sono rapidamente declinate. In appena tre giorni i segni di salute fotosintetica sono crollati e le colture sono collassate. Il problema risiede nella sensibilità al calore del macchinario fotosintetico, in particolare di una proteina centrale del sistema che scinde l’acqua e rilascia ossigeno. Il surriscaldamento prolungato danneggia questa proteina, causando l’accumulo di sottoprodotti dannosi e sovraccaricando i sistemi di riparazione naturali delle cellule. Di conseguenza, le alghe non riescono più a mantenere un’elevata produzione di ossigeno né a crescere bene, nonostante le condizioni fossero ideali per le prestazioni a breve termine.

Usare impulsi termici quotidiani invece di stress costante

Per risolvere questo scarto tra prestazione istantanea e sopravvivenza a lungo termine, il team ha testato «impulsi termici» giornalieri. Hanno mantenuto le colture a una temperatura confortevole per la maggior parte del tempo, alzandola poi alla temperatura elevata che migliora le prestazioni solo per una, due o tre ore al giorno. Un impulso termico giornaliero di un’ora si è rivelato benefico: la biomassa è aumentata di circa un ottavo rispetto alle colture che non hanno subito il breve riscaldamento, senza danni duraturi. Impulsi più lunghi, invece, hanno spinto le cellule oltre la loro capacità di far fronte allo stress. Con due e tre ore di stress quotidiano la produzione di ossigeno è diminuita e, con l’esposizione più lunga, le colture sono infine collassate. I ricercatori hanno inoltre verificato riscaldamenti più blandi a 29 °C e 34 °C fino a quattro ore. A 29 °C le alghe tolleravano prolungati riscaldamenti mantenendo la produzione di ossigeno; a 34 °C si comportavano bene per circa un’ora, ma esposizioni più lunghe portavano a un declino persistente.

Progettare fattorie di alghe più intelligenti

Questi risultati trasmettono un messaggio chiaro per la futura cattura del carbonio e la produzione di biomassa basate sulle alghe: la temperatura non riguarda solo quanto è caldo, ma anche per quanto tempo lo è. Raffiche brevi di calore e luce più intense possono essere sfruttate come un allenamento controllato che rafforza la produttività, mentre lo stress costante o prolungato diventa distruttivo. Per reattori chiusi e interni con illuminazione artificiale, dovrebbe essere fattibile programmare sia la luminosità sia il timing degli impulsi termici per mantenere le alghe vicino al loro punto ottimale. In sistemi all’aperto o aperti, dove sole e temperatura sono più difficili da controllare, sarà cruciale scegliere specie resistenti come Tetradesmus bajacalifornicus e pianificare con cura il design e la collocazione dei reattori. Complessivamente, questa microalga emerge come un forte candidato per regioni calde e soleggiate, dove potrebbe contribuire a trasformare l’anidride carbonica in eccesso in ossigeno e biomassa utile—purché vengano rispettati i suoi limiti termici.

Citazione: Villaró-Cos, S., Cerdá-Moreno, C., Viviano, E. et al. Optimising thermal and irradiance conditions for enhanced oxygen production in Tetradesmus bajacalifornicus. Sci Rep 16, 11301 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41958-6

Parole chiave: microalghe, produzione di ossigeno, stress da temperatura, fotobioreattori artificiali, cattura del carbonio