Chlorella vulgaris: la microalga dal grande potenziale

Ad oggi cresce la necessità di trovare una soluzione efficace in termini di energie alternative e rinnovabili, contaminazioni degli ecosistemi, crisi alimentare e delle risorse. Questo porta a porci un grande interrogativo: qual è la soluzione? Non esiste una panacea per tutti i problemi, ma qualcosa che le si avvicini sì: la microalga Chlorella vulgaris.

Descrizione e morfologia

Chlorella vulgaris è un’ alga Chlorophyta, comunemente note come alghe verdi, eucariotica unicellulare. La specie è cosmopolita della acque dolci (fiumi, laghi e lagune) e la si può trovare in endosimbiosi con altri organismi quali platelminti, ciliati e cnidari del genere Hydra.

La microalga ha una forma sferica dal diametro di 2-10 µm ed è priva di flagelli. Oltre alla deducibile presenza di cloroplasti ricchi di pigmenti fotosintetici, condivide diversi elementi con le cellule delle piante superiori (Fig.1).

Chlorella vulgaris è un organismo mixotrofo, ovvero in grado di adottare sia un metabolismo autotrofo che eterotrofo o una loro combinazione.

Chlorella vulgaris si riproduce per autosporulazione, la più comune forma di riproduzione asessuata delle alghe. Dalla cellula madre si formano quattro cellule figlie dotate di propria parete cellulare. Al termine della maturazione le quattro cellule figlie vengono liberate grazie alla disgregazione della parete cellulare materna i cui resti diverranno la fonte del loro nutrimento.

Ultrastruttura schematica di Chlorella vulgaris
Figura 1 – Ultrastruttura schematica di Chlorella vulgaris

Chlorella vulgaris e biorisanamento

Ad oggi, considerata la crescente necessità, le potenzialità biorisananti di Chlorella vulgaris sono oggetto di studi sempre più mirati ed approfonditi. Fra tutte le applicazioni in termini di biorisanamento, sicuramente risulta di maggiore interesse la sua capacità di mitigare gli effetti della CO2 nell’ambiente.

Chlorella vulgaris è infatti in grado di tollerare elevati livelli di CO2 e di convertirla in O2 e biomassa. Un recente studio di Mountourakis et al. (2021) ha infatti osservato che Chlorella vulgaris non solo è in grado di tollerare concentrazioni di CO2 superiori al 40%, ma che queste concentrazioni rappresentano una condizione ideale di crescita in cui si ha un’intensificazione dell’attività fotosintetica con conseguente aumento di biomassa e produzione di ossigeno (Fig.2). Un’incubazione della microalga ad un’intensità luminosa superiore a 50 μmol m-2 s-1 (corrispondente a circa 11 W m-2) alla concentrazione di CO2 pari al 40% porta ad una conversione completa di questa in O2 nell’arco di 4-6 giorni. Inoltre, a queste condizioni la biomassa di Chlorella vulgaris risulta quadruplicata senza l’aggiunta di ulteriori input energetici nel sistema.

Cinetica della produzione totale di O2 in relazione al tempo di una coltura di Chlorella vulgaris incubata all'intensità luminosa di 50 μmol m-2 s-1 in un'atmosfera al 40% di CO2
Figura 2 – Cinetica della produzione totale di O2 in relazione al tempo di una coltura di Chlorella vulgaris incubata all’intensità luminosa di 50 μmol m-2 s-1 in un’atmosfera al 40% di CO2 [Fonte: Mountourakis et al., 2021]

Oltre alla CO2, Chlorella vulgaris è in grado di sequestrare dall’ambiente grandi quantità di nutrienti e contaminanti, tra cui metalli pesanti e composti dell’azoto e del fosforo. Questo fa di Chlorella vulgaris una specie di spicco nei trattamenti delle acque di scarico, come acque reflue civili e industriali o effluenti zootecnici.

Nel caso di acque di scarico trattate con Chlorella vulgaris, il contenuto di fosfati subisce una riduzione del 60% nei primi 10 giorni di trattamento e una riduzione dei nitrati dell’84%. Ciò rende questa microalga di rilevante importanza nel biorisanamento dei fertilizzanti.

Chlorella vulgaris ha una notevole capacità di assorbimento di vari metalli pesanti tramite la tecnica del biosorbimento. Questo avviene perchè nella parete cellulare della microalga sono presenti gruppi ossidrilici (-OH). Questi gruppi rendono polare la cellulosa della parete cellulare che è in grado quindi di creare dei legami con gli ioni metallici e ad absorbirli, sequestrandoli dall’ambiente. A questo punto Chlorella vulgaris attua il processo della detossificazione, dove i metalli pesanti sono convertiti in forme non tossiche.

Un’alternativa alla detossificazione è l’isolamento di questi metalli in modo che non interferiscano col metabolismo cellulare. Questo è dato dalla formazione di complessi metallo-proteine in grado di accumularsi nei vacuoli. Fra queste proteine le più presenti, in generale nelle microalghe, sono le le metallotioneine e le fitochelatine.

Fra i vari metalli pesanti di notevole interesse è il piombo. Dewi & Nuravivah (2018) hanno osservato che l’abilità di absorbimento da parte di Chlorella vulgaris è direttamente proporzionale alla concentrazione di Pb nelle coltura (Fig.3). In ogni caso, più aumentava l’absorbimento del metallo, più questo portava ad interferenze della crescita. Questa risultava massima ad una concentrazione di piombo pari a 3 mg/l e minima nel controllo e a 5 mg/l.

Absorbimento medio del piombo in mg/l alle differenti concentrazioni iniziali dello stesso
Figura 3 – Absorbimento medio del piombo in mg/l alle differenti concentrazioni iniziali dello stesso [Fonte: Dewi & Nuravivah, 2018]

Anche se ancora poco studiato, il fenomeno del biorisanamento dei pesticidi nelle acque è di grande interesse. Ulteriori studi ed approfondimenti sono necessari, ma è stato visto che Chlorella vulgaris è in grado di rimuovere diverse classi di pesticidi dalla acque principalmente attraverso i maccanismi del bioassorbimento e della biodegradazione.
Sembra che Chlorella vulgaris abbia anche un certo potenziale nel biorisanamento di acque contaminate da radionuclidi. Anche questo risulta comunque un fenomeno poco studiato e di cui esiste una letteratura molto limitata.

Più noto è invece l’utilizzo di Chlorella vulgaris per il trattamento delle acque di scarico del settore tessile. Queste acque presentano caratteristiche molto varie, ma sono tutte caratterizzate dalla presenza di coloranti, azoto ammoniacale, elevata presenza di solidi sospesi e metalli pesanti. A causa di queste caratteristiche, questi effluenti possono arrecare un considerevole danno alla vita acquatica portando a fenomeni di eutrofizzazione, alterazione di pH e aumento delle richieste chimiche e biochimiche di ossigeno.

Differenti studi eseguiti sia su scala laboratoriale che industriale hanno svelato le eccellenti capacità di Chlorella vulgaris nel trattamento di questi effluenti. Questa microalga è in grado di degradare i coloranti azoici (il 60%-70% dei coloranti utilizzati nell’indutria tessile) in composti organici più semplici o CO2 attraverso il biosorbimento. Si ipotizza che la microalga assimili i coloranti tramite adsorbimento e che li utilizzi per accrescere la propria biomassa.

Lim et al. (2010) hanno osservato una riduzione di colore nell’intervallo del 41.8 – 50% in acque trattate con Chlorella vulgaris. Inoltre, hanno riscontrato una riduzione dell’azoto ammoniacale del 44.4 – 45.1% e del COD del 38.3 – 62.3% (Fig.4). La riduzione del COD potrebbe essere dovuta alla produzione di ossigeno da parte della microalga. Questo stimolerebbe la degradazione della materia organica presente nelle acque di scarico.

Riduzione del contenuto di azoto ammoniacale e della richiesta chimica di ossigeno (COD) nel trattamento di acque di scarico del settore tessile con e senza l'aggiunta di nutrienti supplementari
Figura 4 – Riduzione del contenuto di azoto ammoniacale e della richiesta chimica di ossigeno (COD) nel trattamento di acque di scarico del settore tessile con e senza l’aggiunta di nutrienti supplementari [Fonte: Lim et al., 2010]

Biocombustibili e bioenergia

Di crescente interesse è anche la possibilità di sfruttare Chlorella vulgaris per la produzione di biocombustibili, bioetanolo e biogas. Questo grazie al contenuto di amido e lipidi, abbondantemente presenti nella microalga. Cresciuta in particolari condizioni di stress, come la carenza di azoto, fosforo e zolfo, il contenuto lipidico o di amido di Chlorella vulgaris può raggiungere il 50 – 60% del suo peso secco (Fig. 5 ). Lo stesso profilo lipidico può mutare a seconda delle condizioni di crescita.

Cellule di Chlorella vulgaris cresciute in condizioni di carenza di zolfo. In bianco i granuli d'amido
Figura 5 – Cellule di Chlorella vulgaris cresciute in condizioni di carenza di zolfo. In bianco i granuli d’amido [Fonte: Brányiková et al., 2011]

I biocombustibili prodotti da microalghe sono in generale non tossici e biodegradabili. Inoltre, grazie al loro elevato contenuto di acido palmitico, palmitoleico, oleico e linoleico, rispettano i requisiti europei per la produzione di biodiesel. Anche il contenuto di acqua e ceneri è in accordo con la maggior parte di normative sulla produzione di biodiesel. Dal punto di vista dell’efficienza, il potere calorifico del biodiesel (38000 kJ kg-1) è leggermente inferiore a quello del diesel da petrolio (42000 kJ kg-1).

Rilevante è anche la produzione di bioetanolo dall’amido. Questo è idrolizzato dall’enzima glucoamilasi che lo converte in zuccheri semplici (d-glucosio). La biomassa è sucessivamente utilizzata come substrato al quale viene aggiunto un lievito (Saccharomyces cerevisiae) che inizia il processo di fermentazione del glucosio. Il prodotto di questa fermetnazione è proprio l’etanolo. Nonostante il potenziale, il mais è attualmente la materia prima principale per la produzione di bioetanolo a livello globale.

La versatilità e i rapidi tassi di crescita di Chlorella vulgaris e microalghe in genere porta ad una produzione superiore rispetto ad altre coltivazioni (soia e colza) sfruttando spazi nettamente inferiori. Basti pensare che la produzione di oli in Chlorella vulgaris inizia in 3-5 giorni, mentre una coltivazione più tradizionale (es. mais) impiega dai 3 mesi ai 3 anni affinché possa cominciare a produrre in maniera efficiente. La produzione di oli arriva ad essere 10-100 volte superiore a parità di spazi rispetto a qualsiasi altra coltivazione. La produzione di amido invece può arrivare a 7-70 tonnellate per ettaro in un periodo di 150-250 giorni. Basti pensare che a parità di spazi e condizioni, il mais ne produce 4 tonnellate.

Esistono però anche alcuni svantaggi. Uno di questi è rappresentato dalla limitata possibilità di concentrare un’eccessiva biomassa. Questo perchè in una cultura l’aumento di biomassa riduce anche la penetrazione della luce, inibendo quindi la fotosintesi e la crescita. Inoltre, ad oggi la gestione delle colture di microalghe ha ancora costi piuttosto elevati rispetto all’agricoltura convenzionale.

Da considerare anche il potenziale di Chlorella vulgaris nella produzione di biogas (biometano). Sakarika & Kornaros (2019) hanno misurato la produzione di metano (Biochemical methane potential assays) da biomasse di Chlorella vulgaris inoculate con fanghi provenienti da impianti di trattamento delle acque a differenti condizioni di temperatura. Oltre alla microalga, viene utilizzata la cellulosa come substrato. I risultati mostravano che la produzione totale di metano era considerevolmente superiore in Chlorella vulgaris (108.6 ± 3.7 ml CH4) rispetto alla cellulosa (66.76 ± 1.47 ml CH4) in condizioni mesofile (37°C) (Fig. 6).

Tuttavia, il potenziale massimo della cellulosa si mostrava in 30 giorni, mentre quello di Chlorella vulgaris in 100. Questo è probabilmente dovuto alla maggiore difficolà del microbiota nel degradare la parete cellulare della microalga.

Produzione di metano da biomassa di Chlorella vulgaris in condizioni mesofile (37°C)
Figura 6 – Produzione di metano da biomassa di Chlorella vulgaris in condizioni mesofile (37°C) [Fonte: Sakarika & Kornaros, 2019]

Nonostante la già ampia letteratura scientifica riguardante le potenzialità di Chlorella vulgaris per la produzione di biocomustibili e bioenergia, dovranno essere condotti ulteriori studi. Questi in particolare dovranno essere indirizzati alla risoluzione dei principali problemi legati all’uso della microalga, come l’abbattimento dei costi.

Chlorella vulgaris come risorsa alimentare

Come la più nota Spirulina, chiamata erroneamente “alga” anche se trattasi di cianobatteri ascrivibili al genere Arthrospira, Chlorella vulgaris possiede eccellenti proprietà nutrizionali, il che la rende eccellente come additivo o integratore alimentare e persino come colorante ad uso alimentare.

Essa presenta un ampio spettro di biomolecole la cui funzione risulta essenziale per gli organismi viventi tra cui proteine, lipidi, carboidrati, vitamine e minerali.

Chlorella vulgaris presenta un contenuto totale di proteine pari al 42 – 58% del peso secco ed il suo profilo aminoacidico risulta in linea, se non addirittura migliore, rispetto a quello suggerito dal World Health Organisation (WHO) e dal Food and Agricultural Organisation (FAO) per la nutrizione umana.

Il contenuto lipidico può variare dal 5% al 40% del peso secco, a seconda delle condizioni di crescita, ed è rappresentato da glicolpidi, oli, fosfolipidi ed acidi grassi. In scarse condizioni di crescita, ad esempio ad alti livelli di CO2 ed un basso tenore di azoto, il contenuto può persino raggiungere il 58%. A seconda delle applicazioni, il profilo degli acidi grassi può mutare in relazione alle condizioni di crescita: condizioni mixotrofiche possono portare ad un accumulo di acidi grassi saturi e monoinsaturi come acido palmitico, acido oleico, acido plamitoleico ed acido stearico, contenuto adatto alla produzione di biodisel. In condizioni favorevoli di crescita, Chlorella vulgaris ha una preferenza nell’accumulo di grassi polinsaturi, migliori al fine di un uso alimentare, come l’acido linoleico.

Un importante contributo nutrizionale in Chlorella vulgaris è rappresentato dai carboidrati, i quali rappresentano il 12 – 55% del peso secco. Bisogna in ogni caso evidenziare che la più alta concentrazione di carboidrati è ottentuta in condizioni di crescita in cui l’apporto di azoto è limitato. L’amido è il polisaccaride maggiormente rappresentato in Chlorella vulgaris. Di rilevante importanza è il polisaccaride β1→3 glucano di rilevante importanza per la salute, in quanto svolge una funzione di contenimento dei livelli ematici di colesterolo e glucosio riducendo il rischio di insorgenza di malattie cardiovascolari. Per quanto riguarda gli zuccheri, il ramnosio è quello maggiormente presente (45 – 54%) seguito da galattosio (14-26%), xylosio (7-19%), arabinosio (2-9%), mannosio (2-7%) e glucosio (1-4%).

Chlorella vulgaris è anche un’importante fonte mi minerali e vitamine. Degno di nota è il contenuto di potassio, elemento coinvolto nella contrazione muscolare e trasmissione degli impulsi nervosi, nella sintesi proteica, nel metabolismo dei carboidrati e nella regolazione degli equilibri dei fluidi e dei minerali tra l’interno e l’estero delle cellule. Importante è anche il contenuto di magnesio, elemento dal contributo importante nella contrazione muscolare, nell’ attività nervosa e nel metabolismo energetico (processi di immagazzinamento, trasferimento ed utilizzo dell’energia). Altro elemento particolarmente rappresentato è lo zinco, coinvolto in numerosi processi metabolici fra cui la sintesi delle biomolecole, nonchè cofattore dell’enzima superossido dismutasi che svolge un’attività di protezione nei confronti dei processi ossidativi. Presenti anche ferro, calcio ed altri elementi in tracce.

Anche il profilo vitaminico risulta importante ed è legato, quindi alterabile, alle condizioni di crescita. Chlorella vulgaris presenta uno spettro piuttosto completo: vitamina A, coinvolta nella crescita e differenziazione cellulare, vitamina B, fondamentale per l’attività enzimatica nei processi metabolici, e vitamine C ed E che svolgono un’attività antiossidante. A titolo esemplificativo, si riportano nella seguente tabella differenti profili vitaminici riscontrati in differenti studi:

Esempi di profili vitaminici di Chlorella vulgaris. Il contenuto di vitamine è espresso in mg su 100 g di biomassa secca
Figura 7 – Esempi di profili vitaminici di Chlorella vulgaris. Il contenuto di vitamine è espresso in mg su 100 g di biomassa secca [Fonte: Safi et al., 2014]

Da annoverare anche i pigmenti. La clorofilla (a e b) è il pigmento più abbondante in Chlorella vulgaris e può raggiungere il 2% del peso secco. Abbondante è anche il contenuto di feofitina e carotenoidi fra cui β-carotene, astaxantina, cantaxantina, violaxantina e luteina. I pigmenti svolgono importanti attività antiossidanti, regolatorie e protettive e sono coinvolte nella prevenzione di malattie croniche, in particolare quelle cardiovascolari.

Prospettive future

La versatilità di Chlorella vulgaris renderebbe quindi possibile il suo impiego per la soluzione di differenti problematiche attuali. Affinché questo accada, saranno necessari ulteriori studi mirati ed, infine, una più complessa riconversione dell’apparato industriale.

Nonostante gli attuali limiti, questa “piccola” microalga potrebbe quindi rappresentare una risorsa chiave per il futuro.

Bibliografia

  • Al-lwayzy SH, Yusaf T, Al-Juboori RA. Biofuels from the Fresh Water Microalgae Chlorella vulgaris (FWM-CV) for Diesel Engines. Energies. 2014; 7(3):1829-1851. https://doi.org/10.3390/en7031829
  • Brányiková, I., Maršálková, B., Doucha, J., Brányik, T., Bišová, K., Zachleder, V., & Vítová, M. (2011). Microalgae–novel highly efficient starch producers. Biotechnology and bioengineering, 108(4), 766–776. https://doi.org/10.1002/bit.23016
  • Demirbas, M.F. Biofuels from algae for sustainable development. Applied Energy. 2011, 88(10), 3473-3480. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.01.059
  • Dewi, E.R.S., Nuravivah, R. Potential Of Microalgae Chlorella vulgaris As Bioremediation Agents of Heavy Metal Pb (Lead) On Culture Media. E3S Web Conf., 31 (2018) 05010. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20183105010
  • El-Kassas, H. Y., & Sallam, L. A. (2014). Bioremediation of the textile waste effluent by Chlorella vulgaris. Egyptian Journal of Aquatic Research, 40(3), 301-308. https://doi.org/10.1016/j.ejar.2014.08.003
  • Endah R., Sulistya D., Riza N. Potential Of Microalgae Chlorella vulgaris As Bioremediation Agents of Heavy Metal Pb (Lead) On Culture Media. E3S Web Conf., 31 (2018) 05010. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20183105010
  • Freitas, Hércules Rezende. “Chlorella Vulgaris as a Source of Essential Fatty Acids and Micronutrients: A Brief Commentary.” The open plant science journal 10.1 (2017): 92–99. https://benthamopen.com/FULLTEXT/TOPSJ-10-92
  • Lim, S. L., Chu, W. L., & Phang, S. M. (2010). Use of Chlorella vulgaris for bioremediation of textile wastewater. Bioresource technology, 101(19), 7314–7322. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.04.092
  • Mountourakis, F.; Papazi, A.; Kotzabasis, K. The Microalga Chlorella vulgaris as a Natural Bioenergetic System for Effective CO2 Mitigation—New Perspectives against GlobalWarming. Symmetry 2021, 13, 997. https://doi.org/10.3390/sym13060997
  • Safi, Carl, Bachar Zebib, Othmane Merah, Pierre-Yves Pontalier and Carlos Vaca-Garcia. “Morphology, composition, production, processing and applications of Chlorella vulgaris: A review.” Renewable & Sustainable Energy Reviews 35 (2014): 265-278. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.04.007
  • Sakarika, M., & Kornaros, M. (2019). Chlorella vulgaris as a green biofuel factory: Comparison between biodiesel, biogas and combustible biomass production. Bioresource technology, 273, 237–243. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.11.017
  • Yuvraj (2022). Microalgal Bioremediation: A Clean and Sustainable Approach for Controlling Environmental Pollution. In: Arora, S., Kumar, A., Ogita, S., Yau, Y.Y. (eds) Innovations in Environmental Biotechnology. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-4445-0_13

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