Physiological and productive responses of Miscanthus genotypes to different climatic constraints in Mediterranean environment

Strong global growth and development has increased demand for energy to refine, manufacture and transport products to support the lifestyles of an increasingly developing and globalized world. In recent decades, fossil fuels have become important sources of energy. However, with increasing demand, there has been developing concern over the sustainability of fossil fuels relating to their potential future sources and harmful byproducts of use, specifically large net carbon releases, which has spurred interest towards the use of alternative renewable energy sources. Potential alternatives are available including wind, solar, hydro, and biomass, all of which are touted to have greater environmental benefits relative to fossil fuels. There has been increasing interest in the use of perennial grasses as energy crops in the US and Europe since the mid-1980s. The characteristics which make perennial grasses attractive for biomass production are their high yield potential, the high contents of lignin and cellulose of their biomass and their generally anticipated positive environmental impact. For this purpose, three different researches were carried out with the aim of studying i) the adaptation and biomass production potential of 18 Miscanthus accessions, representing 5 Miscanthus species, collected from a wide geographical range (Numata, 1974) for suitability to semi-arid Mediterranean climates; ii) the effect of harvest time (autumn and winter time) on biomass yield, morph-biometric characters, moisture content, cellulose, hemicelluloses and lignin contents for second generation bioethanol production and ash content for combustion purposes in a long term plantation of Miscanthus x giganteus in a Mediterranean environment; iii) the effect of heat stress, in controlled-environment, on 5 Miscanthus genotypes, coming from the Miscanthus germplasm collection at Institute of Biological, Environmental and Rural Sciences (IBERS) of the Aberystwyth University Wales UK, to identify if the high temperature have a negative effect on the growth, partitioning and physiology of Miscanthus plants. Results suggest that some Miscanthus accessions are suitably adapted to maintain high biomass in a semi-arid Mediterranean environment and that the most commonly available commercial Miscanthus genotypes (M. x giganteus and Goliath) are not well adapted to the Mediterranean climate or environments where water is a limiting factor, and there are other Miscanthus accessions that produce high biomass in water limited semi-arid regions. Long term Miscanthus plantations strictly depend by the thermopluviometric trend of the growing season, decreasing biomass yield as rainfall reduces and the biomass for specific end uses presents higher quality (in terms of more hemicellulose and cellulose content than ash content), with winter harvest. Relative to low temperature, high temperature decreased the plant height (~48%), above-ground dry biomass (~66%), below-ground dry biomass (~26%) and photosynthetic response to absorbed light (~13%). The most widely available and commonly used variety of Miscanthus is sensitive to high temperatures and there are other genotypes that have a higher capacity for carbon assimilation in high temperature environments.

L'aumento della popolazione mondiale e lo sviluppo tecnologico ha determinato una crescente richiesta di energia per sostenere lo stile di vita di un mondo sempre più globalizzato. Negli ultimi decenni, i combustibili fossili sono stati utilizzati come esclusiva fonte di energia. Tuttavia, l'eccessivo sfruttamento di tali risorse, ha determinato una serie di preoccupazioni riguardanti la loro sostenibilità, in termini di emissioni di CO2 nell'atmosfera e produzione di sottoprodotti nocivi per l'ambiente. Per questi motivi, negli ultimi anni, è cresciuto sempre di più l'interesse verso altre fonti di energia alternativa e rinnovabile, come l'energia eolica, solare, idroelettrica e, negli ultimi anni, quella ricavabile dalle biomasse. Tutte queste forme di energia presentano il vantaggio di avere un impatto ambientale minore rispetto ai combustibili fossili. Per quanto riguarda le biomasse, già dal 1980, un interesse sempre crescente è stato rivolto alle colture poliennali, sia in Europa che in USA. Le colture poliennali utilizzabili per la produzione di biomassa e quindi di energia, presentano delle caratteristiche positive, come elevate rese, alti contenuti di lignina e di cellulosa e un impatto ambientale generalmente molto basso. Date queste premesse, nell'ambito di questa tesi di dottorato sono state condotte tre linee di ricerca con l'obiettivo di studiare i) l adattamento e la produzione di biomassa di 18 accessioni di Miscanthus, appartenenti a 5 specie di Miscanthus, raccolte in ambienti naturali (Numata, 1974) idonei al clima semi-arido mediterraneo, ii) l'effetto dell epoca di raccolta (autunno e inverno), in ambiente mediterraneo, sulla resa e qualità della biomassa, sui caratteri morfo-biometrici, contenuto di umidità, cellulosa, emicellulosa e lignina per la produzione di bio-etanolo di seconda generazione e il contenuto di ceneri per la combustione, in una piantagione di M. x giganteus di lungo termine, iii) l'effetto dello stress termico, in ambiente controllato, in 5 genotipi di Miscanthus, provenienti dalla collezione di germoplasma dell'Institute of Biological, Environmental and Rural Sciences (IBERS), presso l'Università di Aberystwyth UK, per studiare se le temperature elevate hanno un effetto negativo sulla morfologia e fisiologia delle specie. I risultati ottenuti suggeriscono che alcune accessioni di Miscanthus si adattano meglio a svilupparsi e produrre alte quantità di biomassa in ambiente caldo-arido mediterraneo e che i più comuni genotipi di Miscanthus presenti sul mercato (M. x giganteus e Goliath) non si adattano molto bene a climi o luoghi dove la risorsa idrica del suolo è un fattore limitante. Per queste caratteristiche esistono e potrebbero essere usate altre accessioni di Miscanthus, che garantiscono elevate rese con limitate quantità di acqua. Le rese di biomassa delle piantagioni di lungo termine di Miscanthus dipendono in larga misura dall andamento termopluviometrico durante il ciclo colturale: le rese diminuiscono se durante il ciclo di crescita le piogge sono scarse. L'epoca di raccolta influisce sulla qualità della biomassa per fini energetici (contenuto di cellulosa ed emicellulosa, rispetto alle ceneri). Le alte temperature hanno determinato una diminuzione dell'altezza finale delle piante di Miscanthus (~48 %), della biomassa secca (~66%), della biomassa ipogea (~26%) e della risposta fotosintetica (~13%). Le varietà di Miscanthus più diffuse e comuni sul mercato sono sensibili alle alte temperature ed esistono altri genotipi che hanno una migliore capacità di fotosintesi e di accrescimento in ambienti caratterizzati da elevate temperature.