La betaina come booster per i digestori anaerobici

La betaina, chiamata anche betaina di glicina o trimetilglicina, è un amminoacido semplice derivato dalla glicina. Il suo nome viene dalla sua scoperta nel 19esimo secolo nel melasso di barbabietola (Beta vulgaris), nel quale è presente in concentrazioni variabili da 3 a 12 grammi per 100 millilitri (¹).

Esistono diversi tipi di betaine che si trovano in tutti gli esseri viventi: piante, animali e microrganismi. Tutte presentano capacità biostimolanti vegetali naturali con potenziali applicazioni in agricoltura, sia attraverso l'applicazione diretta nell'acqua irrigua che come additivi per i fertilizzanti.

In particolare, la taurina betaina e l'acido gamma-aminobutirrico betaina sono stati identificati nei lombrichi. Le betaine svolgono un ruolo fondamentale nella stabilizzazione degli enzimi, nella protezione delle strutture proteiche e nel rafforzamento dei lipidi e delle membrane cellulari. Di conseguenza, le betaine hanno dimostrato una significativa efficacia nel migliorare la tolleranza a diversi fattori di stress ambientale come la salinità, la siccità e lo stress ossidativo.

Esse forniscono una maggiore resilienza alle condizioni ambientali avverse e potenziali applicazioni nelle strategie di mitigazione dello stress. I biostimolanti derivati dal digestato, tra cui chitina, polisaccaridi, brassinosteroidi, idrolizzati proteici, betaine, fitormoni, sostanze umiche e microbi benefici contribuiscono all'aumento della biomassa, alla crescita e alla fruttificazione migliorate e al miglioramento dei profili metabolici e antiossidanti delle colture. Inoltre, aumentano la ritenzione idrica e la tolleranza allo stress, dimostrando il loro potenziale di migliorare sia la produttività che la resilienza delle colture, rendendoli componenti fondamentali per i sistemi agricoli sostenibili (²).

Secondo uno studio dell'Università di Agraria di Atene (³), la betaina di glicina fornisce efficace protezione delle piante contro lo stress termico e da irraggiamento, lo stress idrico e salino, la tossicità da metalli pesanti e lo stress da ristagno idrico o allagamento.

Le betaine agiscono come osmoregolatori (regolatori della pressione osmotica) fra l'ambiente e l'interno delle cellule. Non solo le piante possono beneficiare di questa proprietà: nell'Ue le betaine sono considerate novel food e vengono utilizzate anche nell'industria cosmetica e come integratori per uso veterinario e zootecnico.

Poiché la betaina esercita la sua azione osmoregolatrice a livello cellulare, diverse ricerche sono state condotte per capire se si possa utilizzare per migliorare il processo di digestione anaerobica, specialmente nel caso della digestione di residui e sottoprodotti ad alto tenore di sale (NaCl, cloruro di sodio).

Uno studio coreano ha messo a confronto l'utilizzo di diversi osmoprotettori (glicina betaina, colina, carnitina e trealosio) nella digestione di rifiuti alimentari contenenti sale. Nel caso di matrici contenenti da 10 a 35 grammi di NaCl per litro, la glicina betaina e la colina hanno aumentato la produzione di metano di circa 2 volte rispetto ai rifiuti alimentari senza osmoprotettori. Per i rifiuti alimentari non lavati contenenti 11,6 grammi di NaCl per litro, la glicina betaina ha aumentato la produzione di metano di circa 6 volte.

Tra gli osmoprotettori testati, la glicina betaina è stata la più efficace nell'aumentare la produttività di metano nella digestione anaerobica dei rifiuti alimentari con salinità.

L'analisi della glicina betaina negli estratti cellulari mediante cromatografia liquida ad alta prestazione ha mostrato che la glicina betaina si accumulava nelle cellule dei fanghi anaerobici, alleviando lo stress fisiologico indotto dal sale nei microrganismi. L'applicazione degli osmoprotettori ha fornito un sostituto efficace ad altri metodi convenzionali per ridurre gli effetti inibitori dell'alto contenuto di sale, come la diluizione e la codigestione. Sebbene la glicina betaina sia benefica, esiste un dosaggio ottimale; quantità eccessive possono essere dannose. Ad esempio, lo studio coreano ha dimostrato che l'aggiunta di 1,5 grammi di glicina betaina per litro di digestato è efficace per la digestione anaerobica dei rifiuti alimentari ad alto tenore di sale (⁴), mentre uno studio cinese (⁵) indica un dosaggio di 2 a 2,5 grammi di betaina per litro di digestore come ideale per la digestione di resti da cucina contenenti da 5 a 10 grammi di NaCl per litro.

L'aggiunta di betaina a un digestore anaerobico potrebbe ridurre la produzione di idrogeno solforato (H₂S), ma non esiste bibliografia specifica su questo fatto, bensì considerazioni teoriche. L'H₂S è un fattore di stress per le popolazioni microbiche del digestato, per cui l'aggiunta di betaina promuove una comunità microbica più equilibrata e influenza la disponibilità di composti contenenti zolfo. La betaina agisce come osmolita, aiutando i microrganismi a tollerare lo stress causato dall'elevata salinità e da altre condizioni che potrebbero altrimenti portare ad un aumento della produzione di H₂S.

Secondo uno studio dell'Università di Shanghai (⁶) il cloruro di sodio non è l'unico fattore di stress dell'ecosistema batterico nel digestore anaerobico. Anche l'ammoniaca, altri sali di sodio, boro e potassio, assiema all'H₂S, aumentano la pressione osmotica attraverso le membrane plasmatiche dei microrganismi.

In sintesi, influenzando le comunità microbiche, mitigando lo stress osmotico e influenzando il metabolismo dello zolfo, la betaina forse può essere uno strumento utile per ridurre la produzione di H₂S nei digestori anaerobici.

In uno studio sulla digestione delle acque reflue del lievito di panificazione (⁷) è stata monitorata la produzione di gas e la composizione delle fasi gassosa e liquida. La coesistenza favorevole di batteri solfato riduttori e metanigeni è stata spiegata dalla presenza e dal metabolismo della trimetilammina, un prodotto di degradazione della betaina. La concentrazione di solfuri è diminuita a scapito della degradazione della betaina con prodotti finali S e N₂. Poiché il trattamento biologico delle acque reflue era complicato dall'alto contenuto di SO₄^2-, che produceva H₂S, e anche dall'alto contenuto totale di azoto, che produceva NH₃, l'aggiunta di betaina diventava una strategia valida per ottimizzare la produzione di metano.

In un altro studio sulla digestione anaerobica in condizioni di alta concentrazione di ammoniaca, NH₃ (⁸), è stato riscontrato che l'aggiunta di betaina ad un reattore parzialmente inibito dall'NH₃ ripristinava la produzione di metano fino al 69% rispetto al controllo a bassa concentrazione di NH₃. Un effetto quasi identico (56% della produzione in assenza di NH₃) si può ottenere mediante l'aggiunta di cloruro di magnesio (MgCl₂) che ha un costo decisamente inferiore alla betaina.

Analisi critica

Dalla - relativamente scarsa - bibliografia disponibile, sembrerebbe che l'aggiunta di betaina al digestore aumenti l'efficienza di digestione anaerobica delle matrici, specialmente quando queste contengono quantità rilevanti di NaCl.

Ma stanno davvero così le cose?

Un'attenta lettura dei papers in bibliografia ci fa sospettare che i ricercatori coreani e cinesi siano caduti in una fallacia logica. Nessuno degli studi ha incluso un controllo contenente solo betaina, in modo da determinare inequivocabilmente se l'aumento di Bmp (biochemical methane potential o potenziale metanigero), osservato durante la digestione di matrici saline, sia causato dall'ipotetico effetto osmoprotettivo della betaina, oppure se questa sia un cosubstrato a tutti gli effetti.

In particolare, il dosaggio utilizzato nello studio coreano (⁴) è di 1,5 grammi per litri di digestato, ma in una prova batch "normale" (cioè un inoculo con circa il 3% di Sv (sostanza volatile)), la quantità di substrato necessaria va da 10 a 15 grammi di sostanza volatile per litro di inoculo, quindi la quantità di betaina è circa un decimo della quantità di substrato.

Ci fornisce qualche indizio uno studio inglese (⁹), secondo il quale la betaina è un substrato a tutti gli effetti ma la sua produzione di metano è irrisoria. Il Bmp sarebbe di 3,6 millimoli di CH₄ per 5,4 millimoli di betaina, che tradotto in unità tecniche corrisponde a 80,64 centimetri cubi normalizzati per 117,15 grammi di betaina anidra ovvero 0,7 centimetri cubi normalizzati per grammo di sostanza volatile.

L'aggiunta di betaina fa "ingrassare" i batteri. I ricercatori inglesi hanno riscontrato un aumento della biomassa batterica causato dall'accumulo di dimetilglicina, il prodotto di degradazione della betaina. I microorganismi non hanno convertito la dimetilglicina in biogas nei successivi 30 giorni e la presenza di questo composto all'interno delle loro membrane plasmatiche sarebbe il fattore effettivamente responsabile dell'effetto osmoprotettivo.

Detto studio non risolve del tutto la questione, in quanto le prove sono state realizzate con una coltura pura di solo archaea marini, qualcosa di molto diverso rispetto all'inoculo anaerobico di un digestore che contiene un'enorme biodiversità di microrganismi.

Un altro studio (¹⁰) dimostra che l'aggiunta di betaina comporta benefici in termini di aumento della resa di metano solamente nel caso - estremo e abbastanza raro - di digestori che lavorano con alte contrazioni di sali. Nelle condizioni di lavoro abituali dei digestori agricoli, l'aggiunta di betaina non ha alcun effetto rilevabile.

Da un punto di vista pratico, la convenienza di aggiungere betaina al digestore è da valutare economicamente. Il prezzo della betaina all'ingrosso, importata dalla Cina, sarebbe compreso tra 25 e 40 dollari statunitensi per chilogrammo.

Assumendo che siano valide le conclusioni degli studi cinese e coreano, per avere un effetto apprezzabile sull'ecosistema batterico sarebbe necessario un dosaggio di 1,5 grammi per litro di digestato. Allora servirebbero 1,5 tonnellate per ogni 1000 metri cubi di impianto, ovvero 32mila - 52mila euro per ogni 1000 metri cubi. Il minimo dosaggio riscontrato in letteratura è stato di 0,117 grammi per litro (¹¹), ma lo studio si riferisce alla digestione di acque fognarie ad alto tenore salino.

L'approccio basato sull'estrapolazione di dati dalla letteratura alla realtà di un impianto agricolo è dunque estremamente riduttivo ed errato dal punto di vista logico. L'eventuale dosaggio ottimale di betaina, ammesso e non concesso che questa comporti qualche beneficio per un impianto in concreto, andrebbe determinato mediante prove di laboratorio realizzate con inoculo prelevato direttamente dall'impianto, e con le matrici solitamente in uso.

Vale la pena effettuare tali prove qualora si abbia ragionevole certezza dei fattori di stress: NaCl (qualora la dieta includa siero caseario o effluenti da salumifici), H₂S e NH₃ (impianti che utilizzano molta pollina e liquami zootecnici). L'aggiunta di melasso di barbabietola alla dieta del digestore sembra una strategia migliore dell'acquisto di betaina pura, in quanto gli zuccheri contenuti nel melasso produrranno certamente metano, e la betaina si accumulerà lentamente come dimetilglicina nella biomassa batterica, aumentando la resilienza del sistema biologico e la stabilità a lungo termine del processo. Andrebbe però determinata la concentrazione di betaina nel melasso, in quanto essa è molto variabile da un lotto all'altro.

Bibliografia

(¹) Xu, K., & Xu, P. (2014). Betaine and Beet Molasses Enhance L-Lactic Acid Production by Bacillus coagulans. PLoS ONE, 9(6), e100731. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0100731.

(²) Sani, M.N.H., Amin, M., Bergstrand, KJ. et al. Harnessing biostimulants from biogas digestates for high-value resource recovery: a review. Environ Chem Lett 23, 139–164 (2025). https://doi.org/10.1007/s10311-024-01801-8.

(³) Nikoleta-Kleio Denaxa, Athanasios Tsafouros, Efstathios Ntanos, Peter A. Roussos, Chapter 8 - Role of glycine betaine in the protection of plants against environmental stresses, Editor(s): Mansour Ghorbanpour, Muhammad Adnan Shahid,  Plant Stress Mitigators, Academic Press, 2023, Pages 127-158, ISBN 9780323898713, https://doi.org/10.1016/B978-0-323-89871-3.00009-4.

(⁴) Oh, G., Zhang, L. and Jahng, D. (2008), Osmoprotectants enhance methane production from the anaerobic digestion of food wastes containing a high content of salt. J. Chem. Technol. Biotechnol., 83: 1204-1210. https://doi.org/10.1002/jctb.1923.

(⁵) Liu, Yanping & Yuan, Yu & Wang, Wei & Wachemo, Akiber Chufo & Zou, Dexun. (2019). Effects of adding osmoprotectant on anaerobic digestion of kitchen waste with high level of salinity. Journal of Bioscience and Bioengineering. https://doi.org/128.10.1016/j.jbiosc.2019.05.011.

(⁶) Haiping Yuan, Nanwen Zhu. (2014). Progress in inhibition mechanisms and process control of intermediates and by-products in sewage sludge anaerobic digestion, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 58, 2016, Pages 429-438, ISSN 1364-0321, https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.261.

(⁷) Koplimaa, Mariane & Menert, Anne & Blonskaja, Viktoria & Kurissoo, Tõnu & Zub, Sergei & Saareleht, Maarit & Vaarmets, Elena & Menert, Terje. (2010). Liquid and Gas Chromatographic Studies of the Anaerobic Degradation of Baker's Yeast Wastewater. Procedia Chemistry. 2. 120-129. https://doi.org/10.1016/j.proche.2009.12.019.

(⁸) Yixin Yan, Miao Yan, Irini Angelidaki, Dafang Fu, Ioannis A. Fotidis, Osmoprotectants boost adaptation and protect methanogenic microbiome during ammonia toxicity events in continuous processes, Bioresource Technology, Volume 364, 2022, 128106, ISSN 0960-8524, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.128106.

(⁹) Watkins AJ, Roussel EG, Parkes RJ, Sass H.2014. Glycine Betaine as a Direct Substrate for Methanogens (Methanococcoides spp.). Appl Environ Microbiol 80: https://doi.org/10.1128/AEM.03076-13.

(¹⁰) Ildefonso Rocamora, Stuart T. Wagland, Francis Hassard, Raffaella Villa, Miriam Peces, Ioannis A. Fotidis, Edmon W. Simpson, Oliver Fernández, Yadira Bajón-Fernández, Supplementation strategies to control propionic acid accumulation resulting from ammonia inhibition in dry anaerobic digestion: Osmoprotectants, activated carbon and trace elements, Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 13, Issue 2, 2025, 116015, https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.116015.

(¹¹) I. Vyrides, H . Santos, A . Mingote, M . J . Ray, D . C . Stuckey; Are Compatible Solutes Compatible with Biological Treatment of Saline Wastewater? Batch and Continuous Studies Using Submerged Anaerobic Membrane Bioreactors (SAMBRs); Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 7437–7442, American Chemical Society https://doi.org/10.1021/es903981k.