Risorse microbiche per il trattamento delle acque reflue agricole ed alimentari

In the latest decades the demand for freshwater is drastically increased due to several reasons, and it is expected to grow due to the growing population, which it is expected to rise by 20–30% by 2050. Hence, massive water bodies as well as land exploiting must be revised to avoid desertification phenomena. The total water consumption is mainly due to agriculture practices (for almost 50%), to industry and to municipalities. In this context, the technologies for wastewaters treatment represent an important strategy to obtain reclaimed water (RW) which could play a key role in the agriculture practices or in food production. The biotechnologies can provide an eco-sustainable solution to obtain larger amount of RW. Bacteria, yeast, mould and microalgae are able to exploit waste, as agri-food by-products, urban as well as industrial wastewaters obtaining RW and simultaneously high-value compounds. In particular, microalgae have a great potential, being able to exploit non-arable land, non-potable water, capturing CO2 and solar energy useful to combat the green-house gas and global warming problems and thanks their high content of bioactive molecules, microalgae are seen as a potential renewable source and as an effective biological system for treating several varieties of wastewaters. The present PhD thesis was aimed to explore the application of biotechnologies, as phycoremediation and/or constructed wetland (CV), or industrial technologies, as tangential membrane filtration system, as strategy for RW. Through the research activities reported in the present thesis, the effectiveness of the application of useful microorganisms was evaluated in three types of wastewaters of particular interest, especially in the Mediterranean regions. The first chapter includes two papers concerning one of the most important by product of Mediterranean agri-food industry, the olive mill waste water (OMWW). In the first paper, the OMWW were treated to obtain a new functional beverage with a health–promoting effect, through filtration and/or microfiltration and fermentation, using strains belonging to Lactiplantibacillus plantarum, Candida boidinii and Wickerhamomyces anomalus. In the second paper, the recovery of phenol from OMWW through a tangential membrane filtration system was obtained and the concentrates, characterized by antioxidant activity and antimicrobial effects, were added into a commercial blood orange juice as fortifying. Moreover, the permeates of the filtration system were assess as irrigation water. In the second chapter, urban waste water from a Sicilian farm was treated with a CV system and used to irrigate crops (lettuce and tomatoes) and the effect of such a treatment alone, combined with UV and with different drip lines was evaluated in removing microbial load in RW. Moreover, microbiological traits of irrigated crop and soil samples were detected by culturable and unculturable approaches. The third chapter reports a microalgae literature review to highlight the biotechnological applications of microalgae pointing out on traits of strengths, as well as weakness, of each single application field, as food, feed, nutraceutical, cosmetic, biofuel industry and wastewater treatment. Also the production system was deeply studied. The fourth chapter reports two cases study upon microalgae-based wastewater treatment for irrigation purposes. In the first case study the treatment was based on an autochthonous Microalgal Pool (MP) and compared to Chlorella vulgaris and Scenedesmus quadricauda for Escherichia coli removal efficacy. In the second case study the wastewater treatment was performed by an autochthonous microalga species, Klebsormidium sp. K39, and its effect compared to those of C. vulgaris and S. quadricauda concerning BOD, COD, nitrogen, phosphorous and E. coli removal efficacy. Lastly, the fifth chapter is focused on the poly-extremophile microalga species, Galdieria sulphuraria, in order to assess its ability to grow on different buttermilk-based media for biomass producing and for natural pigment accumulation.

Negli ultimi decenni la domanda di acqua dolce è aumentata drasticamente per diverse ragioni, e si prevede che aumenterà a causa della crescita della popolazione, che si prevede aumenti del 20-30% entro il 2050. Quindi, Sia massicci corpi idrici che sfruttamenti del territorio devono essere rivisti per evitare fenomeni di desertificazione. Il consumo totale di acqua è dovuto principalmente alle pratiche agricole (per quasi il 50%), all'industria ed alle città. In questo contesto, le tecnologie per il trattamento delle acque reflue rappresentano un’importante strategia per ottenere acqua depurata che potrebbe svolgere un ruolo chiave nelle pratiche agricole o nella produzione alimentare. Le biotecnologie possono fornire una soluzione ecosostenibile per ottenerne maggiori quantità. Batteri, lieviti, muffe e microalghe sono in grado di valorizzare i rifiuti, come sottoprodotti agroalimentari, le acque reflue urbane e industriali ottenendo acque depurate e contemporaneamente composti ad alto valore. In particolare, le microalghe hanno un grande potenziale, essendo in grado di sfruttare terreni non coltivabili, acqua non potabile, catturando CO2 ed energia solare utili a combattere i problemi dei gas serra e del riscaldamento globale e grazie al loro alto contenuto di molecole bioattive, le microalghe sono considerate come una potenziale fonte rinnovabile e come un efficace sistema biologico per il trattamento di diverse varietà di acque reflue. La presente tesi di dottorato ha avuto lo scopo di esplorare l'applicazione di biotecnologie per l’ottenimento di acque reflue trattate, come la ficodepurazione e/o la fitodepurazione, o tecnologie industriali, come sistemi di filtrazione a membrana tangenziale. Attraverso le attività di ricerca riportate nella presente tesi, è stata valutata l’efficacia dell’applicazione di microrganismi utili in tre tipologie di acque reflue di particolare interesse, soprattutto nelle regioni mediterranee. Il primo capitolo comprende due articoli riguardanti uno dei più importanti sottoprodotti dell'industria agroalimentare mediterranea, le acque reflue di frantoio. Nel primo articolo le acque di vegetazione sono state trattate per ottenere una nuova bevanda funzionale con effetto benefico, mediante filtrazione e/o microfiltrazione e fermentazione, utilizzando ceppi appartenenti a Lactiplantibacillus plantarum, Candida boidinii e Wickerhamomyces anomalus. Nel secondo lavoro è stato ottenuto il recupero del fenolo dalle acque di scarico attraverso un sistema di filtrazione a membrana tangenziale e i concentrati, caratterizzati da attività antiossidante ed effetti antimicrobici, sono stati aggiunti in un succo di arancia rossa commerciale come fortificante. Inoltre, i permeati del sistema di filtrazione sono stati valutati come acqua di irrigazione. Nel secondo capitolo, le acque reflue urbane di un'azienda agricola siciliana sono state trattate con un sistema di fitodepurazione e utilizzate per irrigare colture ortive (lattuga e pomodori) ed è stato valutato l'effetto esclusivo di tale trattamento, combinato con UV e con diverse ali gocciolanti nella rimozione dei microbi caricare in RW. Inoltre, i tratti microbiologici delle colture irrigate e dei campioni di terreno sono stati rilevati mediante approcci coltivabili e non coltivabili. Il terzo capitolo riporta una revisitazione della letteratura sulle microalghe per evidenziare le applicazioni biotecnologiche delle microalghe evidenziando i tratti di forza, così come i punti di debolezza, di ogni singolo campo di applicazione, come l'industria alimentare, dei mangimi, nutraceutica, cosmetica, dei biocarburanti e del trattamento delle acque reflue. Anche il sistema produttivo è stato approfondito. Nel quarto capitolo vengono riportati due casi di studio sul trattamento delle acque reflue a base di microalghe a fini irrigui. Nel primo caso di studio il trattamento era basato su un pool di microalghe autoctono, confrontato con Chlorella vulgaris e Scenedesmus quadricauda per l'efficacia nella rimozione di Escherichia coli. Nel secondo caso studio il trattamento delle acque reflue è stato eseguito da una specie di microalga autoctona, Klebsormidium sp. K39, e il suo effetto rispetto a quelli di C. vulgaris e S. quadricauda riguardo all'efficacia di rimozione di BOD, COD, azoto, fosforo ed E. coli. Infine, il quinto capitolo si concentra sulla specie di microalga poliestremofila Galdieria sulphuraria, al fine di valutare la sua capacità di crescere su diversi terreni a base di latticello per la produzione di biomassa e per l'accumulo di pigmenti naturali.