L'integrazione degli impianti di biogas con le coltivazioni fuori terra. Seconda parte

Nella Prima parte abbiamo analizzato le possibili economie che offre l'integrazione dell'impianto di biogas con la coltivazione di funghi, una soluzione promettente in termini di maggiore sostenibilità - i funghi non richiedono illuminazione come le colture intensive in serra o in vertical farm - ma non ancora sfruttata. L'integrazione dell'impianto di biogas con la coltura in serra è stata già praticata con successo per quanto riguarda l'arricchimento dell'atmosfera con CO₂.

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L'utilizzo del digestato come fonte di nutrienti per la coltivazione di microalghe per produrre biodiesel è stato per anni il cavallino di battaglia di una frazione della comunità scientifica appoggiata dall'ideologia ecologista, spesso a vantaggio di multinazionali in cerca di greenwashing.

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L'integrazione dell'impianto di biogas con il sistema di produzione agricolo può essere completa se si ricorre alla coltivazione in serra, che consentirebbe di riutilizzare contemporaneamente la CO₂, i nutrienti disciolti nella frazione liquida del digestato e anche il digestato solido in sostituzione - almeno parziale - della torba.

Come conseguenza dell'attività microbica che si verifica durante la digestione anaerobica, il digestato si arricchisce dei nutrienti disponibili nelle matrici in alimentazione, acquisendo le seguenti caratteristiche: basso livello di ossigeno disciolto, aumento del suo contenuto di solidi sospesi, aumento dell'umidità (perché assieme a CO₂ e CH₄ la digestione produce anche H₂O), azoto - maggiormente in stato ammoniacale - e aumento del tenore di sali disciolti.

Alcuni studi hanno dimostrato che il digestato contiene fitormoni disciolti nella sostanza organica e altri composti bioattivi che hanno il potenziale di promuovere la crescita delle piante, aumentando la tolleranza agli stress biotici e abiotici (¹). Tuttavia, in letteratura sono stati riportati risultati antitetici sulla fitotossicità del digestato: diversi autori hanno confermato che il digestato ha causato reazioni fitotossiche, mentre altri hanno suggerito l'uso del digestato come biostimolante innovativo per aumentare il valore aggiunto della digestione anaerobica nell'ottica dell'economia circolare.

L'orticoltura protetta moderna è recentemente passata da sistemi coltivati in suolo a sistemi senza suolo. I sistemi senza suolo potrebbero supportare una produzione vegetale efficiente e sostenibile. I substrati di coltivazione senza suolo adottati in orticoltura possono essere organici (ad esempio torba) o inorganici (ad esempio vermiculite, lana di roccia, perlite e/o sabbia). I substrati senza suolo, i fertilizzanti, l'irrigazione, i prodotti chimici e la struttura della serra comportano diversi livelli di input di combustibili fossili con le conseguenti emissioni associate. Inoltre, la selezione del substrato come mezzo di coltura si basa sia sulle prestazioni agronomiche che su considerazioni economiche.

La torba è uno dei componenti organici più utilizzati per la preparazione dei substrati di coltura, grazie alle sue caratteristiche agronomiche, idrologiche e fisico-chimiche. Tuttavia, la torba è una risorsa ritenuta non rinnovabile (almeno sulla scala di tempo umana) sulla quale sono in atto aspre discussioni sui - non del tutto dimostrati - impatti economici e ambientali correlati allo sfruttamento delle torbiere.

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Pertanto, la ricerca agronomica più recente si concentra su substrati alternativi e fonti di nutrienti per l'orticoltura fuori suolo in una prospettiva di economia circolare e di salvaguardia dell'ambiente.

Per quanto riguarda le soluzioni nutritive, la pratica della fertirrigazione in pieno campo con digestato liquido, reflui zootecnici, acque di vegetazione e acque municipali depurate è una realtà da anni. Per contro, ci sono pochi studi pubblicati sugli effetti dei digestati sulla produzione idroponica.

Passiamo dunque in rassegna i risultati ottenuti in molteplici esperimenti in condizioni controllate sulla resa insieme ad altri parametri agronomici e microbiologici per confrontare il digestato solido e liquido con substrati di coltura e soluzioni nutritive convenzionali (²).

L'uso del digestato come fertilizzante per l'orticoltura in serra

Cetrioli

Sono stati condotti diversi studi sull'uso del digestato da svariate origini e il suo effetto sulla produttività e qualità dei cetrioli. Digestati zootecnici (pollina, letame bovino e ovino) e oleicoli (scarti di olive e polpa di agrumi, con qualche aggiunta di letame di bestiame e insilato di mais) hanno mostrato che le frazioni liquide e solide di origine oleicola hanno migliorato significativamente la crescita.

La struttura unica e la composizione chimica di questi digestati facilitano il rilascio graduale di nutrienti, rendendoli adatti per un uso a lungo termine. Altri studi condotti su digestati da altre matrici (letame suino, pollina, vinaccia e rifiuti di cucina) hanno dimostrato che l'applicazione del 3% di digestato ha prodotto la massima resa in peso secco del cetriolo, nonché un aumento di pH, azoto, potassio, contenuto di fosforo e attività enzimatica del substrato, senza aumentare il rischio di salinizzazione.

In un altro studio, i digestati ad alto contenuto di NPK e le loro frazioni liquide hanno mostrato un aumento del numero di foglie e dell'area fogliare.

In un altro studio, i risultati migliori sono stati osservati nei trattamenti con digestato di liquami suini misto con cenere in un rapporto di 4:1.

Pomodori

In uno studio con digestato concentrato i risultati hanno mostrato che la poltiglia concentrata ha aumentato il contenuto di amminoacidi, proteine, zuccheri solubili, β-carotene, tannini e vitamina C nei pomodori, nonché il contenuto di batteri, attinomiceti e funghi nel substrato di coltura.

Uno studio su piantine di pomodoro coltivate su un substrato costituito da sedici parti (in peso) di digestato solido, una parte di vermiculite, due parti di perlite attivata e una parte di carbone ha mostrato un buon equilibrio tra i nutrienti forniti dal digestato e le proprietà fisiche degli altri materiali.

Sono stati condotti studi per valutare l'efficacia del digestato liquido come fertilizzante e il suo effetto sulle proprietà delle piante e del suolo in due stagioni di crescita in una serra. È stato scoperto che l'applicazione di digestato liquido con integrazione di fertilizzanti ha portato a maggiori rese rispetto a digestato solo e soluzione di acqua e fertilizzanti. Inoltre, il trattamento con digestato ha portato a un contenuto di azoto più elevato nella zona delle radici delle piante, livelli più elevati di acido titolabile, zuccheri solubili totali, proteine e solidi solubili nel frutto e un frutto più sodo. Ciò indica che l'uso di digestato non solo fornisce un contenuto di azoto più elevato senza inquinare il substrato, ma migliora anche la qualità e il sapore del frutto.

Un altro studio con digestato di origine animale ha mostrato che la crescita, la resa e la qualità dei pomodori coltivati aggiungendo digestato all'acqua di irrigazione quattro e sei volte nell'intero ciclo erano migliori. Nel corso delle due stagioni di coltivazione di pomodori con una miscela di digestato liquido e biochar hanno aumentato il numero di frutti per pianta (+15%), il peso dei frutti (+24%) e il contenuto di zuccheri disciolti - gradi Brix - (+41%).

Un altro studio ha mostrato un aumento positivo della resa con biofertilizzante composto dal 70% di cenere di biomassa, +25% digestato, +5% di zolfo.

Peperoni

Nella sperimentazione sul campo di peperoni dolci è stato utilizzato un biofertilizzante di rizobatteri derivato da digestato anaerobico di frutta/verdura e melasso, con un contenuto di azoto minerale ridotto dell'80%. Lo studio ha dimostrato che questo biofertilizzante ha portato a rese per ettaro significativamente più elevate rispetto ai controlli, che avevano livelli di azoto ridotti dell'80% e livelli di azoto completi del 100%. Si è scoperto che diverse matrici, come letame essiccato e digestato liquido, hanno avuto un effetto positivo sulla crescita delle piante di peperoni in termini di altezza della pianta, numero di rami e foglie per pianta, area fogliare per pianta e massa fogliare fresca e secca per pianta. Inoltre, queste fonti organiche hanno aumentato la concentrazione dei macro e micronutrienti più importanti nelle foglie di peperoni, con conseguente aumento delle rese iniziali e totali e miglioramento della qualità dei frutti. I risultati migliori sono stati ottenuti con digestato essiccato rispetto a digestato liquido o letame.

La combinazione di digestato e fertilizzante organico ha avuto effetti significativi sulle piante di peperone. La fertilizzazione con digestato ha prodotto una maggiore quantità di materia fresca e secca nei frutti rispetto al trattamento con fertilizzazione minerale. L'uso di digestato come fertilizzante ha aumentato il contenuto di carbonio del terreno dopo il raccolto. Inoltre, le piante e i frutti studiati hanno mostrato un eccellente assorbimento di potassio e azoto.

In un esperimento di germinazione i semi sono stati immersi in una piccola quantità di digestato liquido. I semi di peperone trattati con la soluzione contenente l'80% di digestato liquido hanno mostrato una buona germinazione e una migliore crescita. Inoltre, il contenuto di vitamina C, zuccheri solubili e proteine nei frutti di peperone è aumentato proporzionalmente alla percentuale di digestato applicato.

Ortaggi a foglia

Rispetto ai fertilizzanti azotati, gli ortaggi a foglia richiedono più fosforo e potassio. Uno studio dell'Università di Thessaloniki (³) dimostra l'efficienza del digestato da un impianto di biogas agricolo, utilizzato come fertilizzante per la coltivazione idroponica di lattuga baby con sistema galleggiate in serra. In particolare, nonostante la crescita della pianta sia stata influenzata dalle crescenti concentrazioni di digestato, le caratteristiche qualitative della lattuga baby hanno dimostrato una maggiore capacità antiossidante ed un'efficiente produzione di metaboliti secondari. Inoltre, le riduzioni delle concentrazioni di nutrienti nei substrati di crescita hanno dimostrato un maggiore recupero delle risorse residue, suggerendo che lo sfruttamento del digestato può sostituire parzialmente alcuni fertilizzanti inorganici. Per questo motivo, lo sfruttamento del digestato liquido può essere considerato un metodo promettente per riciclare e riutilizzare nutrienti e carbonio all'interno delle serre, riducendo l'impatto ambientale dei prodotti finali. Pertanto, questa pratica agronomica offre opportunità uniche per il raggiungimento di una produzione alimentare più sostenibile ed ecologica, creando sinergie tra i settori agricolo e bioenergetico.

Il dosaggio del digestato zootecnico (ad esempio, letame bovino, liquame suino e lettiera avicola) per gli ortaggi a foglia dovrebbe essere basato sul contenuto di NH4⁺, tenendo conto della sua significativa influenza sulla crescita delle piante. In un esperimento sul campo, gli spinaci sono stati fertilizzati con digestato da letame bovino. Le rese sono state della stessa qualità e quantità di quelle ottenute con fertilizzante minerale.

Sono stati condotti studi sugli spinaci fertilizzati con digestato di biogas e fertilizzante inorganico. In un altro esperimento, la resa ottenuta con digestato integrato con fertilizzanti minerali è stata maggiore rispetto al controllo con solo fertilizzanti. Inoltre, l'uso del digestato come fertilizzante ha aumentato il valore nutrizionale degli spinaci aumentandone il contenuto di zinco, un elemento essenziale per la nutrizione umana. Secondo il riferimento (²) già citato il digestato può essere utilizzato per coltivare lattuga a foglia piccola in sistemi idroponici. Sebbene concentrazioni più elevate di digestato possano influenzare la crescita delle piante, la lattuga a foglia piccola così prodotta ha mostrato una migliore capacità antiossidante e produzione di metaboliti secondari.

Anche il digestato di latticini può essere utilizzato efficacemente come fertilizzante organico e fonte di nutrienti nei sistemi idroponici, aumentando il contenuto di fenoli e antiossidanti nelle foglie di lattuga senza ridurre significativamente la resa. La frazione solida del digestato come ammendante organico e fonte di azoto per lattuga e cavolo riccio ha avuto un effetto positivo sulle proprietà del substrato, aumentandone il contenuto di sostanza organica, migliorando il pH e la disponibilità di basi scambiabili.

È stato condotto uno studio in cui la torba è stata parzialmente sostituita fino all'80% da digestato di origine vegetale nella coltivazione di basilico (Ocimum basilicum). I risultati hanno mostrato che l'aggiunta del 50% di digestato alla torba ha dato le stesse rese della coltivazione su sola torba. Le proprietà fisiche della torba e della miscela torba-digestato erano simili. Tuttavia, la capacità di ritenzione idrica è stata leggermente ridotta nella miscela digestato-torba rispetto alla torba pura.

Altre verdure

Secondo il riferimento (²) già citato, il digestato ha mostrato indicatori di qualità più elevati per la coltivazione di basilico e menta piperita (Mentha x piperita L.) rispetto alla coltivazione su un substrato solido (agriperlite). I ricercatori affermano che aggiungendo il 20% di digestato anaerobico al substrato di torba insieme a fertilizzanti minerali integrativi, sono aumentati i pesi fresco e secco delle piante. In particolare, crescevano più alte e accumulavano più sostanza secca nelle foglie.

L'applicazione di urea, digestato di letame bovino, digestato di pollina, letame bovino fresco e pollina fresca ha aumentato l'altezza della pianta, il numero di foglie e il peso fresco e secco dei ravanelli.

I risultati di un altro studio hanno mostrato che l'uso di digestato da scarti di buccia di frutta nella coltivazione di ravanelli ha aumentato l'altezza della pianta, il numero di foglie e il peso fresco delle foglie della pianta, e si è ottenuta una resa maggiore.

Uno studio condotto all'Università svedese di Scienze Agrarie (⁴) sulla coltivazione in serra di cavolo cinese (Brassica rapa, ssp. chinensis) ha comparato la crescita su torba con diverse soluzioni: solo digestato, soluzione di nutrienti con la stessa composizione del digestato, digestato con aggiunta di nutrienti per approssimare la sua composizione a quella ottimale e soluzione di nutrienti ottimale (Foto 1). Come ipotizzato, le prestazioni di crescita nel digestato assomigliavano alla crescita nelle soluzioni minerali create per imitare il digestato. Ciò era anche il caso di quando il digestato veniva modificato con nutrienti per assomigliare a una soluzione nutritiva commerciale. Ciò suggerisce che la disponibilità di nutrienti nel digestato è elevata e che il digestato può sostituire completamente il fertilizzante minerale e con la piccola aggiunta di nutrienti selezionati funziona ancora meglio.

Foto 1: Comparazione fra le tesi sperimentali dello studio svedese

(Fonte foto: (⁴))

Questo studio ha fatto la promettente scoperta che dopo l'aggiunta di macro e micronutrienti, il digestato nitrificato può essere utilizzato con successo come fertilizzante nella produzione di verdure a foglia su substrati di coltura a base di torba. L'integrazione del digestato con nutrienti ha aumentato del 10% la resa del cavolo cinese, raggiungendo rese commercializzabili simili a quelle ottenute utilizzando fertilizzanti minerali standard. Inoltre, le piante fertilizzate con il digestato integrato avevano un peso secco superiore del 17% rispetto alle piante trattate con fertilizzanti minerali standard. Questo aumento di peso è stato probabilmente il risultato dell'aggiunta di P, S e/o B, poiché le concentrazioni di questi nutrienti nei tessuti dei germogli erano basse (nell'intervallo di carenza per S e B) nelle piante fertilizzate con il digestato non modificato. Tuttavia, questo studio non è stato replicato nel tempo e quindi si deve prendere come meramente indicativo.

Bibliografia

(¹) Scaglia, Barbara & Pognani, Michele & Adani, Fabrizio. (2015). Evaluation of hormone-like activity of the dissolved organic matter fraction (DOM) of compost and digestate. The Science of the total environment. 514C. 314-321. 10.1016/j.scitotenv.2015.02.009.

(²) Domenico Ronga, Leonardo Setti, Chiara Salvarani, Riccardo De Leo, Elisa Bedin, Andrea Pulvirenti, Justyna Milc, Nicola Pecchioni, Enrico Francia, Effects of solid and liquid digestate for hydroponic baby leaf lettuce (Lactuca sativa L.) cultivation, Scientia Horticulturae, Volume 244, 2019, Pages 172-181, ISSN 0304-4238.

(³) Ntinas, G.K.; Bantis, F.; Koukounaras, A.; Kougias, P.G. Exploitation of Liquid Digestate as the Sole Nutrient Source for Floating Hydroponic Cultivation of Baby Lettuce (Lactuca sativa) in Greenhouses. Energies 2021, 14, 7199.

(⁴) Weimers Kristina, Bergstrand Karl-Johan, Hultberg Malin, Asp Håkan; Liquid Anaerobic Digestate as Sole Nutrient Source in Soilless Horticulture-Or Spiked With Mineral Nutrients for Improved Plant Growth; Frontiers in Plant Science Volume 13, 2022. DOI=10.3389/fpls.2022.770179.