Coltivazione di Chlorococcum sp. nordico in effluente di digestione anaerobica: effetti della concentrazione di CO2 e della configurazione del reattore

Trasformare le acque reflue in una risorsa

Con la crescita delle città, riversiamo grandi quantità di acque sporche che contengono ancora nutrienti e carbonio utilizzabili. Invece di considerare queste acque solo un problema, gli scienziati stanno esplorando come piccole alghe verdi possano trasformarle in acqua pulita, prodotti utili e contribuire a mitigare il cambiamento climatico. Questo studio esamina una resistente microalga nordica e pone una domanda pratica: in quali condizioni può al meglio depurare le acque reflue, sequestrare anidride carbonica e produrre biomassa preziosa?

Dal fango di depurazione al nutrimento per le alghe

Gli impianti moderni di trattamento delle acque spesso impiegano la digestione anaerobica, un processo in cui i microbi degradano il fango producendo biogas. Ciò che resta è un liquido ricco di azoto e fosforo. Se rilasciati non trattati, questi nutrienti possono innescare fioriture algali dannose in laghi e mari. I ricercatori hanno usato questo liquido residuo come mezzo di crescita per una ceppaia nordica della microalga verde Chlorococcum. Poiché le alghe crescono tramite fotosintesi, è stato fornito anche anidride carbonica (CO2), a imitazione dei flussi gassosi che potrebbero provenire dai camini. Modificando il livello di CO2 e il tipo di contenitore di coltura, hanno testato quanto efficacemente le alghe potessero crescere, rimuovere nutrienti e convertire il carbonio in biomassa.

Trovare il punto di equilibrio per l’anidride carbonica

Il team si è innanzitutto concentrato sull’aria che le alghe ‘respirano’. Hanno confrontato quattro concentrazioni di CO2: aria ordinaria (CO2 molto bassa) e aria arricchita al 3, 6 o 9 percento di CO2. Troppa poca CO2 ha causato carenza per le alghe e mantenuto l’acqua a un pH eccessivamente alcalino, con conseguente scarsa crescita. Troppa CO2 ha invece abbassato il pH in modo eccessivo e ha anch’essa ostacolato le cellule. Il punto ottimale si è rivelato il 6 percento di CO2, che ha prodotto quasi cinque volte più biomassa rispetto all’aria comune e il più alto tasso di cattura di CO2 per litro di coltura. Tuttavia, le alghe cresciute con aria normale hanno rimosso più ammonio e fosforo dall’acqua, in parte perché processi chimici nell’acqua alcalina hanno eliminato una quota di azoto come gas, indipendente dalla componente biologica.

Progettare la casa giusta per le alghe

Successivamente, gli scienziati hanno esaminato come il design fisico del reattore — la “casa” delle alghe — influisca sulle prestazioni. Usando il livello ottimale del 6 percento di CO2, hanno confrontato una semplice colonna a bolle, un reattore airlift con un tubo interno che promuove la circolazione, e una colonna a bolle contenente portatori plastici galleggianti che offrono superfici per l’adesione delle alghe. Tutti e tre i design hanno mantenuto l’acqua a un pH confortevole, quasi neutro. Il reattore airlift ha prodotto il maggior numero di cellule nel minor tempo, risultando attraente quando è richiesta una crescita rapida. Tuttavia, la semplice colonna a bolle ha raggiunto la biomassa finale più elevata e ha rimosso la maggior quantità di ammonio e fosforo, sebbene ci abbia impiegato un po’ più a lungo. La versione con portatori ha leggermente migliorato l’uso della CO2 ma non ha fornito un vantaggio netto in termini di crescita o rimozione di nutrienti per questa specifica ceppaia algale.

Le alghe come piattaforma per futuri carburanti

Oltre a depurare l’acqua e catturare CO2, le microalghe sono interessanti perché i loro componenti oleosi possono essere trasformati in biodiesel. I ricercatori hanno misurato proteine, carboidrati e diversi tipi di lipidi nella biomassa algale. I livelli di proteine e zuccheri sono rimasti abbastanza costanti attraverso i diversi livelli di CO2 e tipi di reattore, indicando che la ceppaia è metabolicamente stabile. Al contrario, la frazione lipidica ha risposto in modo marcato alla CO2. Con bassa CO2, le alghe producevano relativamente poco grasso e favorivano molecole poliinsature associate alle membrane cellulari. A livelli più alti di CO2 hanno accumulato molto più grasso e si sono spostate verso molecole monoinsature più adatte per il biodiesel, con profili vicini agli standard dei combustibili esistenti. È importante notare che cambiare il design del reattore non ha alterato questa composizione biochimica, il che significa che gli ingegneri possono scegliere i reattori in base a costi e prestazioni senza compromettere la qualità del prodotto.

Cosa significa per acque più pulite e obiettivi climatici

Per un osservatore non specialista, questo studio mostra che un’alga nordica robusta può trasformare un flusso di rifiuto problematico del trattamento delle acque reflue in acqua più pulita, carbonio catturato e potenziali biocarburanti utili. Il lavoro individua una finestra operativa pratica: un arricchimento moderato di CO2 intorno al 6 percento abbinato a reattori airlift per crescita rapida o a colonne a bolle per una depurazione più completa, a seconda che la priorità sia la velocità o la rimozione dei nutrienti. Sebbene permangano sfide come i costi di raccolta e l’ingegneria su larga scala, i risultati suggeriscono che i sistemi basati su microalghe potrebbero aiutare le città a rispettare le normative sulle acque pulite, ridurre l’inquinamento da nutrienti e supportare obiettivi climatici ed energetici integrando il trattamento dei rifiuti con la produzione di biomassa.

Citazione: Mohammadkhani, G., Mahboubi, A., Funk, C. et al. Cultivation of Nordic Chlorococcum sp. in anaerobic digestion effluent: Effects of CO₂ concentration and reactor configuration. Sci Rep 16, 13625 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51126-5

Parole chiave: trattamento delle acque con microalghe, cattura dell’anidride carbonica, effluente da digestione anaerobica, potenziale delle alghe per biocarburanti, progettazione di fotobioreattori