Alghe: un futuro più verde

Ultimamente, le alghe sono diventate abbastanza di moda.
Questo non è ovviamente da attribuire (solo) ai ristoranti giapponesi, ma a tanti piccoli progetti di ricerca (spesso dimostrativi) che si stanno sviluppando nel mondo. Negli Stati Uniti sono nate aziende che fanno delle alghe un vero business, con il commercio di biocarburanti, oli per la pelle, creme e alimenti. Sono state costruite piccole centrali per produrre biocarburanti sui cavalcavia delle autostrade. Perfino a Expo i più attenti hanno trovato un esempio di tali strutture.

Ma cosa fa delle alghe una prospettiva interessante per il genere umano? La risposta sta nei biocarburanti di origine algale.

Alghe, chi siete davvero?
Alga è un termine generico per definire un gruppo di organismi eucarioti, che possiedono clorofilla come pigmento fotosintetico e non presentano una vera differenziazione dei tessuti (foglie o radici delle piante). Fra le alghe ci sono organismi unicellulari, come Chlorella, e forme pluricellulari, come Laminaria, che possono raggiungere 50 metri in lunghezza. La maggior parte delle specie di alghe sono acquatiche, e possono vivere in ambienti dolci (Charophyta) o salati (Macrocystis). In genere sono organismi autotrofi, e producono energia chimica per fotosintesi, ma alcune specie possono essere mixotrofe, o eterotrofe (senza apparato fotosintetico). Le alghe comprendono circa 72500 specie studiate [1], ma si stima ne esistano molte di più. Tali organismi rivestono un ruolo fondamentale: sono responsabili del 50% dell’ossigeno prodotto sulla terra ogni anno [2].

Immagine4 Alghe e piante da terra: la sfida
Iniziamo con una definizione: per coltivazione energetica si intendono le colture che hanno come principale scopo la produzione di zuccheri o olii da dedicare alla produzione di biocarburanti. Le alghe si inseriscono proprio in questo contesto. Così come succede per le piante, esistono specie di alghe che accumulano i prodotti della fotosintesi sotto forma di catene di polisaccaridi (un esempio è Chlorella, o Spirogyra), e specie che immagazzinano energia in catene lipidiche (ad esempio, Dunaliella sp.). Detto questo, cerchiamo di capire cosa davvero differenzia le alghe delle piante terrestri, nell’ottica di produrre biocarburanti.

  1. Le alghe si sono evolute per svolgere le attività fotosintetiche sfruttando la poca luce filtrata dall’acqua: questo le rende particolarmente efficienti nell’utilizzo di energia solare. In particolare, l’efficienza di conversione solare/biomassa delle tradizionali coltivazioni di terra (come ad esempio, il mais) è circa di 0.3%. Per alcune alghe tale parametro si attesta intorno al 2-3%, cioè circa 10 volte superiore [3].
  2. La semplicità: non presentano una vera differenziazione dei tessuti. Questo significa che l’energia ottenuta tramite fotosintesi non viene impiegata per la costruzioni di strutture complesse, e può essere direttamente accumulata.
  3. La loro superficie è totalmente fotosintetica [4]. Le piante, al contrario, concentrano il pigmento fotosintetico solo in piccole porzioni della loro superficie complessiva (generalmente, nelle foglie). Questo permette alle alghe di produrre rapidamente una grande quantità di biomassa.
  4. L’evoluzione delle alghe è avvenuta in uno stato principalmente in acqua, di conseguenza non hanno sviluppato strutture complesse tipiche di molti vegetali, come radici o cortecce, che possono essere problematiche nella produzione di biocarburanti.

La vera forza delle alghe
Abbiamo visto che le alghe possono essere considerate un ottimo punto di partenza per la produzione di biocarburanti. Ma parliamo di coltivazioni di alghe: la vera rivoluzione, arriva adesso. Consideriamo la produzione di biocarburanti in larga scala, e osserviamo cosa possono offrirci le alghe.

  • Velocità
    Le alghe hanno cicli vitali (crescita, maturazione, fase adulta) dell’ordine di ore o giorni. Le piante hanno bisogno di molto più tempo, alcuni mesi, per produrre una buona quantità di biomassa. Questo, ovviamente, a vantaggio di produttività ed economia di risorse (acqua, concimi…).
  • Non competizione con l’agricoltura
    La produzione di biocarburanti è dominata da coltivazioni energetiche di terra, principalmente canna da zucchero, frumento e soia. Con un sistema di questo tipo, per soddisfare il 50% della richiesta di biocarburanti negli Stati Uniti con palma da olio sarebbe necessario utilizzare 1/4 del territorio fertile e arabile degli U.S.A. [5], a discapito ovviamente delle coltivazioni per usi alimentari. Si deve considerare,inoltre, che secondo recenti stime la richiesta di cibo nel mondo crescerà del 70% entro il 2050 [6]. Sebbene sia ora ben funzionante, l’industria delle biomasse da terra non può essere sostenibile nel lungo termine.

    Immagine4
    Quella evidenziata in blu è la superficie di terreno coltivabile da dedicare alla produzione di biocarburanti per soddisfare il 10% del fabbisogno dei soli Stati Uniti. Le alghe al contrario, occuperebbero una superficie nettamente inferiore.

    Le alghe rappresentano una risposta interessante a questo tipo di problema, perché non necessitano di terre arabili per la crescita: possono venire coltivate in bioreattori, vasche, e addirittura in mare. Inoltre, il loro sviluppo non richiede l’uso di pesticidi, il che evita la contaminazione di acqua e suolo, e la fertilizzazione è limitata ai delimitati ambienti di cultura (le vasche, o i bioreattori). Insomma, le alghe appaiono avere il potenziale di sostituire il carburanti fossili.

Immagine1
Sistema a vasche aperte
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Fotobioreattori
  • Non necessitano di acque pure
    Si stima che l’industria dell’agricoltura sia responsabile per il 70% dell’utilizzo dell’acqua dolce nel mondo [6]. Coltivazioni algali costituiscono una risposta positiva a questo dato, perché possono crescere in acque reflue, acque di mare, salmastre. Anzi, le acque di scarto costituiscono un possibile mix di nutrienti adatto a diversi tipi di alghe: esse possono accumulare metalli pesanti, pesticidi, sostanze tossiche organiche e inorganiche e radioattive nelle cellule [7]. Questo fa delle alghe degli organismi efficaci nella purificazione di acque reflue.


In definitiva…

Purtroppo, alla situazione attuale, il principale ostacolo alla diffusione delle alghe per la produzione di biocarburanti è il prezzo del prodotto finale. In realtà, sono allo studio innovative tecniche di coltivazione, che sulla carta promettono costi del combustibile comparabili a quelli alla pompa (Per approfondimenti, si veda Roesijadi G, Macroalgaeas a biomass feedstock: a preliminary analysis.). Lo sfruttamento di alghe per la produzione di biocarburanti è ancora nelle sue prime fasi. Le coltivazioni da terra (si pensi al mais, o al grano) hanno subito notevoli cambiamenti nei secoli per raggiungere la produzione odierna, che sarebbe stata insperata con le varietà presenti un tempo. Le alghe usate per la produzione di biocarburanti sono ancora specie poco addomesticate, e potrebbero richiedere tempo per valutarne i miglioramenti genetici necessari per renderle competitive nella produzione di carburanti.

Ma perché i biocarburanti?
Per concludere, una precisazione riguardo ai biocarburanti.
Il biodiesel o bioetanolo prodotto da coltivazioni algali, così come quello prodotto da coltivazioni terrestri, inquinano. Non è quindi giusto pensare che circolare con auto alimentate in questo modo potranno risolvere i nostri problemi di particolato. E’ meglio affermare, invece, che inquinano meno dei carburanti prodotti da combustibili fossili: non producono alcune sostanze molto nocive come diossido di zolfo, o idrocarburi
aromatici.
Ciò che risulta maggiormente attraente dei biocarburanti è il contributo in termini CO2 con la combustione. Attenzione! L’anidride carbonica non è un inquinante, ma, com’è noto, è un importante gas a effetto serra.
I combustibili fossili si sono formati in miliardi di anni nella crosta terrestre, un tempo assai più lungo di quello che impiega l’uomo oggi a bruciarli. L’uso attuale di tali risorse non rinnovabili rilascia 29 miliardi di tonnellate all’anno di CO2 nell’aria [8]; tale quantità non viene compensata dal ciclo del carbonio presente nella Terra. Con lo sviluppo di biocarburanti, il trend è diverso: il carbonio rilasciato nell’aria durante la combustione è lo stesso (in massima parte) che viene assorbito durante la crescita dell’organismo. Il rilascio netto di anidride carbonica nell’aria è praticamente nullo.

Testo a cura di: Riccardo Romano
Editor: Stefano Bertacchi

Bibliografia

[1] Guiry M. D. (2012).

[2] Field CB, Behrenfeld MJ, Randerson JT, Falkowski P (1998) Primary production of
the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science 281:237–240.

[3] Formighieri C (2015) Solar-to-Fuel Conversion in Algae and Cyanobacteria, Springer.

[4] Formighieri C, Bassi R (2012) Algae as a new biomass resource – possibilities and
constraints. In: Meyers RA (ed) Encyclopedia of sustainability science anstechnology
(ESST). Springer, New York, NY. ISBN 978-1-4419-0851-3.

[5] Y. Chisti, BiotechnologyAdvances 25 (2007) 294-306

[6] Stephens E, Ross Il, Hankamer B (2013) Expanding the microalgal industry – continuing
controversy or compelling case? CurrOpinChemBiol 17:444-452.

[7] Bulent S., Mehmet T., Feray S., Mehmet A., Ozur C. (2013) Relatioship of Algae to
Water Pollution and Waste Water Treatment.

[8] Da Stat Rew. BP.

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