lunedì 22 giugno 2015

LE COLTURE ALGALI


Le alghe sono protisti fotosintetici responsabili di circa metà della produzione fotosintetica della Terra, la restante parte è effettuata in prevalenza da piante.

Le alghe differiscono dalle piante in quanto nelle prime lo zigote non è in alcun modo protetto dai tessuti materni, mentre lo zigote di una pianta si sviluppa in un embrione pluricellulare all’interno dei tessuti materni. Le alghe mostrano una notevole varietà di forme: alcune sono unicellulari, mentre altre sono filamentose e costituite da cellule distinte o da cenociti (strutture pluricellulari provvisti di setti trasversali). Altre ancora sono pluricellulari e possono formare complesse ramificazioni oppure presentare forma laminare. Alcune alghe presentano una struttura definita in tessuti e organi( Zanichelli, 2001).

Sistematica delle alghe(Strasburger, 2001)

Alghe procariotiche
Terza divisione: Cyanobacteriota, Cyanophyta, alghe azzurre.
Quarta divisione: Prochlorobacteriota, Prochlorophyta.

Alghe eucariotiche
Sesta divisione: Glaucophyta.
Settima divisione: Euglenophyta.
Ottava divisione: Cryptophyta.
Nona divisione: Chlorarachniophyta.
Decima divisione:   Dinophyta.
Undicesima divisione:  Haptodophyta.
Dodicesima divisione:  Heterekontophyta (crysophyta).
1 classe: Chloromonadophyceae.
2 classe:  Xanthophyceae.
3 classe:  Chrysophyceae.
4 classe: Bacillariophyceae (diatomee, alghe silicee).
5 classe: Phaeophyaceae (alghe brune).
Tredicesima divisione: Rhodophyta, alghe rosse.
 1 sottoclasse: Banguiphycidae.
  2 sottoclasse: Florideophycidae.
Quattordicesima divisione: Chlorophyta, alghe verdi.
1 classe: Prainophyceae.
2 classe: Chlorophyceae.
3 classe: Ulvophyceae.
4 classe: Cladophorophyceae.
5 classe: Bryopsidophyceae.
6 classe: Dasycladophyceae.
7 classe: Trentepohliophyceae.
8 classe: Pleurastrophyceae (Trebouxiophyceae).
9 classe: Klebsormidiophyceae.
10 classe: Zygnematophyceae (Conjugatae).
11 classe: Charophyceae (alghe a candelabro).



Classificazione sintetica:

Phylum
Nome comune
Forma

Locomozione

Pyrrophyta
Dinoflaggelati
Unicellulari
Due flagelli
Chrysophyta
Diatomee
Generalmente unicellulari
Nessuna
Phaeophyta
Alghe brune
Pluricellulari
Due flagelli

Rodophyta
Alghe rosse
Pluricellulari, unicellulari
Nessuna

Chlorophyta
Alghe verdi
Unicellulari,
coloniali,
pluricellulari
Flagelli in certi stadi del ciclo vitale
(Zanichelli, 2001).

MICROALGHE

Le alghe più indicate per la produzione d'olio appartengono alla categoria delle microalghe che raggruppa organismi fotosintetici unicellulari noti per le loro alte produzioni ma anche per la loro capacità sotto stress d'azoto d'aumentare la percentuale d'olio sul totale della biomassa. Sulle microalghe abbiamo conoscenze più estese rispetto alle macroalghe perchè studiate per l’utilizzo nell’alimentazione dei pesci da più di 50 anni.
Le alghe come le piante possono assorbire il diossido di carbonio dall’atmosfera e convertirlo in biomassa.
Possono essere coltivate utilizzando acque di scarico, salmastre e  industriali.
La produttività sembra essere molto alta con un’efficienza fotosintetica del 5% e più di 50 t/ha/anno di s.s (REU technical series 46 Fao, 2004)

Vasche di più di 25 ha a microalghe sono state realizzate negli Stati Uniti per trattare acque di scarico in maniera vantaggiosa. Attualmente è molto promettente l’uso dei nuovi bio-reattori (in materiale plastico) strutturati in modo da sfruttare al massimo l’energia solare e garantire al contempo il massimo ricircolo dei nutrienti e dell’aria all’interno della biomassa algale. Questi nuovi bioreattori possono essere situati nella vicinanza delle industrie che producono abbondante diossido di carbonio  come gas esausto, per esempio le industrie elettriche alimentate a carbone. I gas esausti possono essere usati, una volta trattati, per alimentare i bio-reattori, come in parte le acque di raffreddamento delle turbine se trattate.

Anche se l’anidride carbonica è rilasciata quando il combustibile derivato dalla biomassa algale è bruciato, l'integrazione delle centrali con i bioreattori di microalghe raddoppia l'energia prodotta per unità di diossido di carbonio rilasciata.
Inoltre i materiali derivati dalla biomassa algale possono essere utili nei modi più svariati prolungando nel tempo la capacità di sequestro del diossido di carbonio
(REU technical series 46 Fao, 2004). Le microalghe indicate sono diverse e da adottare in base alle caratteristiche d'impianto e alle finalità di produzione. Ad esempio la microalga marina Botryococcus braunii BBG-1 è molto promettente avendo  un’alta produzione idrocarburica in condizioni ottimali raggiungendo fino al 60% d'olio sulla biomassa totale ma se sotto stress in condizioni non ottimali la percentuale si riduce ad un 30%.  La sua crescita ottimale si realizza tra i 20 e i 25 gradi (Sheehan, 1998).
Presso il Dipartimento di Biotecnologie dell'Università di Firenze sono state provate  colture di diverse tipologie di microalghe ottenendo spesso per alcune specie un notevole incremento d'olio sulla biomassa algale totale se le microalghe erano sottoposte ad uno stress d'azoto di breve durata. Dopo 4 giorni dalla carenza d'azoto s'aveva generalmente il picco massimo della produzione lipidica per poi scendere gradatamente e stabilizzarsi su valori comunque alti. In particolare i risultati più favorevoli sono stati ottenuti sia in termini produttivi che in resa oleica dale microalghe: Chlorella; Scenedesmus; Tetraselmis; Nannochloropsis. Per Chlorella sono state riscontrati valori massimi di 1,14 g l/d e valori di produzione lipidica sotto stress d'azoto pari al 30% dei lipidi sulla biomassa totale. Per Scendesmus invece tali valori erano dell'ordine di 1,205 g l /d e 20 % di lipidi sia in condizioni ottimali che in carenza d'azoto. Tetraselmis dava valori molto alti di 1,8 g l/d contro percentuale d'olio sul totale della biomassa sotto stress d'azoto pari a 36 % di lipidi sulla biomassa. Nannochloropsis dava invece  valori  di 1,59 g l/d contro una % d'olio sulla biomassa del 60% e che si manteneva stabile a 4-7-9 giorni dall'inizio dello stress per carenza d'azoto.
Le microalghe possono essere usate per produrre olio o biomassa adoperando acque reflue o comunque non adoperabili a fini civili o agricolturali  e per diminuire il tasso di CO2 delle emissioni delle centrali elettriche sopratutto se alimentate a carbone. L'impianto può essere a vasca all'aperto a luce naturale o in bioreattori al chiuso anche con luce artificiale.
 In tutti i casi i costi energetici maggiori si hanno nella raccolta e nel rimescolamento della sospensione acqua-alga, operazioni dispendiose in termini energetici ma che si spera nel prossimo futuro di ridimensionare (Kadam, 2002).
 Negli Stati Uniti nello stato della Carolina del nord è stato costruito nel 1998 un impianto da 140 milioni d'euro per la coltivazione d'alghe da olio in appositi bio-reattori da destinare all’industria alimentare e zootenica (Sheehan, 1998). Dalla coltivazione delle alghe però possiamo ottenere contemporaneamente olio per biocarburanti e fertilizzanti naturali, anche con impianti a bassa tecnologia ma con rese nettamente minori. Kadam (2005) prospetta un costo ad ettaro per colture d'alghe in vasche all'aperto pari a 40.000$. Nell'impianto ipotizzato le vasche di coltura delle alghe sono alimentate con le acque reflue sia civiche che agriculturali.
La scelta delle microalghe come coltura oleaginosa è dovuta alla resa oleica che secondo dati forniti dal Dipartimento di Fisica dell'università del New Hamphishire negli Stati Uniti è calcolata sui 40-150.000 litri l'anno per ogni ettaro, rispetto a 300-1.000 l/ha della colza ad esempio. Dai residui dell’estrazione dell’olio per il prof.Berzin del Massachusetts Institute of Technology è ancora possibile tramite fermentazione anaerobica ottenere etanolo in una quantità maggiore del 20% rispetto all’olio estratto (da:Sci/Tech.2006).


L'olandese Kluyer Centre e l'Msu (Università di Stato del Missisipi) stanno portando avanti diversi progetti e studi sulle microalghe come fonte d'energia. Dalla coltivazione di microalghe si possono ottenere contemporeaneamente olio per biocarburanti e fertilizzanti naturali. Il Kluyer Centre adotta impianti per il trattamento delle alghe piuttosto semplici basati su vasche esposte al sole e su apparecchi per la spremitura a freddo e per la macinatura degli scarti.  Con un impianto simile localizzato allo sbocco di acque reflue in mare sarebbe possibile depurare acque di scarto da impianti industriali (metalli pesanti), acque reflue da coltivazioni agricole sottoposte a forte concimazione chimica (i composti azotati e fosforici favoriscono la crescita delle alghe) e acque reflue da impianti per l'allevamento del bestiame(per esempio, deiezioni di maiali e del pollame).
Dalle alghe si può ottenere, oltre all'olio vegetale anche biomassa da i residui dell’estrazione lipidica da utilizzare opportunamente triturata come fertilizzante naturale.  Le varietà d'alghe consigliate sono il Phaeodactylum tricornutium e il Botryococcus braunii (Confagricoltura, 2007). Per l'impiego nei motori diesel, il biocarburante va processato e trasformato in biodiesel secondo la già nota reazione di transisterificazione usando come reagente metanolo (estraibile dalla cellulosa e dalla lignina) o etanolo che da rese minori ma ha il vantaggio d'essere meno inquinante e più facile da stoccare, inoltre può essere ricavato dalla fermentazione di canna o barbabietola da zucchero e altre risorse rinnovabili locali prodotte dalle aziende agricole.
Larga parte dell'anidride carbonica derivante dalla fermentazione verrebbe riciclata dalle alghe per produrre biomassa e olio. I ricercatori pensano alla “bio-raffineria” come estensione delle aziende agricole, finalizzata alla produzione decentrata di energia per far funzionare generatori autonomi d'elettricità e carburanti per trattori (Confagricoltura2007).  Le microalghe se coltivate in grande scala possono davvero rappresentare il futuro per la bioenergia. Da esse possiamo ricavare vettori energetici in gran quantità a patto d’avere una sufficiente convenienza energetica. Oggi l’enfasi della ricerca mondiale è su come limitare i costi di raccolta che rappresentano i ¾ dei costi energetici totali. Una strada potrebbe essere l’uso di flocculanti prodotti dalle alghe stesse tramite l’ingegneria genetica (bioflocculanti) oppure chimici o naturali. I flocculanti hanno tuttavia lo svantaggio di avere a loro volta alti costi economici ed energetici.
Si spera quindi di trovare flocculanti naturali, magari estratti da materiale di scarto che possano fare al caso nostro.




G.N.

lunedì 15 giugno 2015

LEUCAENA (Leucanea leucocephala)

La Leucaena ( Leucaena leucocephala ).


Famiglia Leguminose (Fabaceae).

Classificazione (Usda, 2007).

 Leucaena Leucocephala (Lam) de Wit.
Regno
Plantae – Piante
Sottoregno
Tracheobionta – Piante vascolari
Superdivisione
Spermatophyta – Piante a seme
Divisione
Magnoliophyta – Piante a fiore
Classe
Magnoliopsida – Dicotiledoni
Sottoclasse
Ordine
Famiglia
Fabaceae – Leguminose
Sottofamiglia
Mimosoideae
Tribù
Mimoseae
Genere
Leucaena spp.
Specie
L. leucocephala






Nomi scientifici affini.
 L.glanea, L. benth, L. laticifera, L. salvadorensis, L. glabra.

Specie affini:
Molte specie sono affini e simili morfologicamente alla  L. leucocephala (Tab.6.4.2): L. esculenta, L. macrophylla, L. trichodes, L. pulvurenta, L. diversifolia.
Tutte sono usate in alternativa alla L. leucocephala che comunque detiene il potenziale agroforestale più alto.

Germoplasma
Alcune varietà di L.leucocephala sono già state create e sperimentate (Tab.6.4.3) con successo nella silvicoltura per legna da ardere, polpa di carta, legname da costruzione e nell’alimentazione dei ruminanti, non ultimo l’uso come concime verde e pianta azotofissatrice da inter-mixed cropping.





Tab.6.4.2. Specie e potenziale forestale del genere Leucaena (Ritchie, 1979).

Specie di Leucaena
Data scoperta
Luogo
Altura
Altezza albero
Potenziale forestale
Leucocephala
1763
Mess/C.Am.
Bassa
22
Eccellente
Esculenta
1875
Messico
Alta
25
Eccellente
Trichodes
1842
S.Messico
Bassa
22
Buono
Macrophylla
1844
O.Messico
Bassa
18
Buono
Collinsii
1928
S.Messico
Media
13
Buono
Diversifolia
1842
Mess/C.Am.
Alta
18
Buono
Pulvurenta
1842
N.Messico
Bassa
20
Nullo
Shannoni
1914
C.America
Bassa
9
Basso
Lanceolata
1886
E.Messico
Bassa
9
Basso
Retusa
1852
Texas
Bassa
8
Basso

Tab 6.4.3. Varietà di L.lecocephala testate dal 1970. (Ritchie, 1979).

Varietà
Origine
Tipo
Commenti
Perù
Argentina
Perù
Ottimo per foraggio
Cunningham
Australia
Perù
Alta resa come foraggio
K8
Messico
Salvador
Uniforme, gigante, pochi semi
K28
Salvador
Salvador
Simile K8
K29
Honduras
Salvador
Pochi semi
K67
Salvador
Salvador
Gran variabilità genetica
K72
Hawaii
Salvador
Molti semi
K132
Messico
Salvador
Legumi molto lunghi



Origine e diffusione

Specie nativa di suoli neutrali e alcalini del Sud Messico e del Centro America. Altre specie del genere sono frequenti dal Texas al Perù dal livello del mare a 2.500 metri. Ha centro di diversificazione primaria nel sud Messico dove i baccelli sono mangiati giovani arrostiti o cucinati e pressati in torte di fagioli nel Guerrero, Chiapas e Oaxaca. Presente in abbondanza presso le rovine Maya, probabilmente coltivata dagli stessi come complemento della dieta e come biomassa fertilizzante. Lo stato d’Oaxaca prende il nome da ‘’Huaxin’’ come in lingua Maya è chiamata la leucaena.
Gli spagnoli ne scoprirono l’uso dei legumi come foraggio equino. Da Acapulco base di partenza dei galeoni spagnoli fu diffusa in tutta la zona tropicale. La maggior variabilità genetica però è principalmente presente nell’aerale originario il Messico meridionale dove è attualmente minacciata dalla deforestazione. Banche e collezioni genetiche sono presenti in Salvador, Hawaii, Australia.
Nel 1900 leucaena si diffuse come albero fissatore d’azoto per piantagioni di caffè, cacao, pepe in Indonesia e Africa. Ora è naturalizzato tra il 30 N° e 30 S° parallelo sui suoli meno acidi fino ai 1500 metri ove trova le condizioni ideali. La maggior parte delle leucaene nel mondo trae origine dal tipo “hawaiano’’ denominato così per la sua preponderanza nelle isole hawaiane.

Cenni Ecologi
Vuole terreni alcalini o neutri, quantomeno poco acidi, vive fino ai 1500 m d’altezza senza difficoltà, teme il ristagno idrico e i terreni alluminosi. Può vivere in condizioni di relativa aridità e avendo le radici molto profonde rimane verde anche nei periodi più siccitosi scongiurando possibili incendi. Grazie a questo e all’abbondante nodulazione può vivere in  e colonizzare agevolmente, terreni nudi, aridi, poco fertili. La sua proverbiale rusticità e resistenza a tagli incendi, malattie, parassiti e aridità è diventata leggendaria. Leucaena chiede 25-30 C° d’optimum come temperature e cresce poco intorno ai 10 C°. La leucaena oltre il 35° parallelo non resiste ad  inverni freddi e agli episodi freddi prolungati, questo ne limita la distribuzione. Tollera precipitazioni dai 300 mm annuali fino ai 700 mm annuali di pioggia senza problemi, teme però i ristagni idrici. Si crede pianta capace di sfruttare  a proprio vantaggio l’umidità data la densa fogliatura. E’ moderatamente tollerante la salinità. Sopra i 1.500 mt non è competitiva allo stato selvatico (tranne la diversifolia e la esculenta).

Cenni botanici, varietà e caratteristiche
L. ha varianti nane, arboree e arbustive.
Vi sono tre tipologie varietali: l’hawaiana, la salvadoregna e la peruviana. Il tipo hawaiano e piccolo, ramificato dal basso, con piccoli baccelli dai molti semi e foglie piccole. E’ usato per l’alimentazione sia animale che zootecnica o come fertilizzante. Il tipo salvadoregno è gigante, dal fusto eretto con ramificazione alta, meno infestante, dall’altissima velocità di crescita e con foglie grandi tre volte l’hawaiano così come i baccelli, inoltre la resa in semi è generalmente più bassa.
Cresce fino ai 20 metri in 5 anni, 4 metri l’anno se piantato isolato e in sei anni raggiunge i 20 metri e i 25 cm in diametro con una corona a 15 metri da cui dipartono i rami.
 Se tagliato alla base l’albero produce delle branche che da sotto il taglio raggiungono in 2 anni i 10 metri. La leucaena cresce di 1 metro nel primo mese, 3 metri in 3mesi e 5metri in 5mesi per poi stabilizzarsi e ingrossare il tronco.
 La crescita in altezza proseguirà quindi con incremento minore. Se tagliato spesso e pascolato la leucaena si mantiene arbustiva e ricca in foglie atta a proteggere il terreno dall’erosione, a fornire concime verde e pascolo.
Le varietà Hawaian Gigant K8, K132, K67, K72, K28, K29 traggono tutte origini dal tipo salvadoregno. Il tipo peruviano è una via di mezzo tra le altre due tipologie. Ha foglie grandi e vigore del salvadoregno con la diramazione bassa e l’alta densità e boscosità del tipo hawaiano che ha alto potere infestante (alcuni erbicidi e l’estirpazione delle radici sono efficienti per limitare l’area d’impianto).
 Le foglie sono composte e bipennate perché divise in  foglioline molto fini da 8 a 15 mm in larghezza e composte con 11-12 paia di foglioline per ramo (pinna). Gli alberi rimangono sempreverdi fino a quando l’umidità lo consente. I baccelli sono lunghi fino ai 30 cm e piatti globosi con piccoli semi coriacei all’interno. Si consumano verdi per lo più.
Contengono il 30% di proteine. Il seme per il 50% in peso è guscio. Le radici  sono penetranti e in 2 mesi nei suoli friabili raggiungono già il metro di profondità, sono profonde e mai superficiali, ricche in noduli e fissano l’azoto al suolo nella quantità di 500 kg/ha/anno se l’albero è regolarmente tagliato e pascolato in modo da inibire l‘induzione a fiore. Il tronco è denso giallo e duro adatto ai più svariati usi. Se tagliato ricresce rapidamente, a differenza delle radici.
La propagazione vegetativa è allo studio, l’innesto sembra abbastanza facile da fare ma non è diffuso come pratica. La pianta contiene un alcaloide detto “Minosina” che ne rende tossica l’ingestione in alte dosi. L’alcaloide provoca caduta del pelo e dei capelli in uomo e animali, per questo ne va limitata l’assunzione ad un 20% della razione giornaliera per i ruminanti mentre per l’uomo n’è sconsigliato l’uso quotidiano. Se ne possono evitare gli effetti facendo precipitare la minosina con il sulfuro di ferro.


 Avversità e malattie.

Teme il ristagno idrico, l’acidità del terreno e non sopravvive nei terreni alluminosi. I parassiti sono la “leucaena leafspot” una larva (Camptomeris leucaenae) sporadica in Centro e Sud America. I baccelli secchi sono attaccati da alcuni insetti come la Pseudococcus citri e la Ferrisia virgata. Il legno è raramente intaccato, ma sembra che nelle Hawaii a volte lo Xylosandrus compactus provochi danni alle piantagioni. La L. soffe le malerbe nelle prime fasi di crescita.

Cenni colturali e produzioni.

La resa in produzione della L. varia a seconda della temperatura.La resa in foraggio tocca nelle Hawaii un massimo di 27 kg/ha/giorno. Bisogna calcolare bene l’intervallo di raccolta (da 60 a 90 a 150 gg) in modo da ottimizzare le rese (varia in base alla temperatura).
 Il seme della leucaena è piccolo e coriaceo, va scarificato prima d’essere seminato. La leucaena è piantata con densità variabile da 2.500 a 10.000 piante /ha con spazio tra le file di 50cm - 75cm. E’ suscettibile alle malerbe che nelle prime fasi di crescita vanno controllate. Come legna da ardere e carbone di legna la L. nella sua varietà “Hawaian Giant” da rese di 293 metri cubi/ha/anno o 115,7 t/ha/anno di s.s, quando raccolte a 2,5 anni d’età nelle piantagioni chiuse (5 volte più dell’eucalipto nelle stesse condizioni).Il potere calorifico come si vede dalle tabelle sottostanti è molto alto (Tab. 6.4.5 e Tab. 6.4.6), soprattutto del carbone ottenuto dal legno.

Tab. 6.4.5 Resa stimata in legno e caratteristiche della leucaena tipo gigante nelle Filippine. (Ritchie, 1979).

Età
Densità
Diametro
Altezza tronco
Resa in tronco m3/ha/anno
2
2.500
9,2
4,6
26,5
2,5
44.000
8,9
2,4
239,3
7
3.000
14,9
7,4
45,6




Tab. 6.4.6  Potere calorifico della varietà “hawaiana gigante” in Indonesia comparata con petrolio e carbone. (Ritchie, 1979).


Combustibile
Potere calorifico
Umidità
Ceneri

cal/kg
-%-
-%-
Legno Leucaena
3.895
10
1,6
Carbone Leucaena
7.250
---
1,0
Pellet
2.700
30
1,2
Olio minerale
10.000
--
--

Nelle Filippine si riportano dati da 4.170 a 4.680 di potere calorifico per il tipo salvadoregno. La leucaena si presta benissimo ad essere coltivata insieme all’eucalipto al quale fornisce l’azoto necessario aumentando la crescita in biomassa totale. Garantisce un ottimo controllo dell’erosione ed è pianta privilegiata in ogni piano di riforestazione tropicale su terreno neutro-alcalino. Ancora si dovrebbe ampliare la variabilità genetica della Leucaena perché sarebbe cruciale disporre di varietà adatte a terreni con ristagno idrico, acidi, alluminosi.A tal fine e da una decina d’anni in corso un progetto del Ciat costaricano.
Il ruolo nelle piccole fattorie contadine e nell’agro-forestry potrebbe divenire fondamentale per uno sviluppo sostenibile. L’elevata capacità antierosiva, la resistenza all’aridità e la capacità di sfruttare terreni marginali e suoli poveri che migliora col tempo ne fa una delle colture da bioenergia più promettenti per la zona tropicale (Ritchie, 1979).



G.N.