Collezione microbica ENEA
Bioenergia, bioraffineria e mycoremediation
Le comunità microbiche costituiscono ‘il motore’ che guida tutti i processi biotecnologici di cui il laboratorio si occupa. Ogni bioprocesso, infatti, ha bisogno di una specificità di percorsi metabolici attivi e che dipendono principalmente dalla tipologia dei substrati e dai prodotti finali che si intende ottenere, oltre che dalle condizioni operative. Di conseguenza, le proprietà strutturali e funzionali delle comunità microbiche coinvolte saranno diverse per ogni processo considerato.
L’approccio concettuale, adottato dal gruppo di lavoro per la selezione delle comunità microbiche miste utilizzate come inoculi, si basa quindi sulla realizzazione di biosistemi ingegnerizzati che rispondono ai principi dell’ecologia e dell’ecologia microbica, sull’ingegnerizzazione degli ecosistemi (ovvero modificando in cui l mediante i quali sono studiate condizioni operative dei bioreattori piuttosto che dei microorganismi, favorendin grado di in grado di promuovere il metabolismo microbico richiesto e/o sulla loro implementazione per potenziare particolari funzioni metaboliche. In altri termini, modificando parametri fisico-chimici e di configurazione di processo si mira a promuovere la disponibilità di specifiche nicchie ecologiche.
Nello specifico:
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Utilizzo di ceppi e pool microbici al fine di migliorare l’efficienza di processi biotecnologici, come la fermentazione o la digestione anaerobica, per la valorizzazione energetica di biomasse di scarto, sottoprodotti e rifiuti, con produzione di biofuels gassosi e liquidi e/o la produzione di molecole d’interesse.
Le componenti microbiche utilizzate sono selezionate da ambienti naturali, quali sedimenti marini/salmastri e di acqua dolce, ambienti ruminali, e dagli stessi scarti/rifiuti organici utilizzati come substrati di alimentazione dei bioprocessi (rifiuti urbani, zootecnici, scarti delle filiere agroalimentari e fanghi attivi). Lo screening della diversità microbica e l’arricchimento selettivo di comunità microbiche idonee ai bioprocessi si basano quindi sui principi dell’ecologia microbica
La selezione mira ad ottenere ceppi e pool microbici in grado realizzare specifiche funzioni metaboliche facilitando fasi critiche dei bioprocessi e aumentando così l’efficienza della resa del prodotto finale, in questo caso biogas, biometano, bioidrogeno, hythane, bioetanolo. I pool microbici selezionati sono utilizzati come starter/inoculo per nei attivare i bioprocessi. In particolare, sono stati isolati ceppi batterici idrogeno-produttori e cellulolitici dagli scarti vegetali della mensa del centro, una comunità microbica mista con proprietà fermentanti altamente performante è stata arricchita da sedimenti lagunari, e una comunità microbica mista è stata arricchita da fanghi attivi, consentendo di brevettare un processo (brevetto n° RM2011A000480) in grado di convertire il glicerolo crudo, scarto dell’industria del biodiesel, in biofuel.
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Implementazione delle comunità microbiche per potenziare particolari funzioni metaboliche, ovvero applicazione di tecniche di bioaugmentation
Sono messe a punto strategie di bioaugmentation effettuate con colture pure o miste, potenziando una o più fasi della digestione anaerobica (combined bioaugmentation). In particolare, sono utilizzate componenti attive nella produzione di idrogeno e/o nelle fasi di acidogenesi ed acetogenesi della digestione anaerobica.
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Utilizzo di funghi ruminali per l’idrolisi della componente lignocellulosica delle biomasse residuali.
Uno dei colli di bottiglia nella valorizzazione energetica delle biomasse residuali è la lenta e difficile degradazione della frazione lignocellulosica, in questo contesto, è studiato il potenziale idrolitico dei funghi anaerobi di origine ruminale. Infatti, sebbene ancora poco caratterizzati, per la loro elevata capacità di degradazione della lignocellulosa in zuccheri semplici e polisaccaridi, i funghi ruminali sono ritenuti una promettente risorsa per migliorare la fase idrolitica del processo di digestione anaerobica incrementando la produzione di biogas e il suo contenuto in metano. Pertanto, sono state sviluppate metodiche per l’isolamento, la selezione e l’utilizzo, mediante strategie di bioaugmentation, nel processo di digestione anaerobica.
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Utilizzo di funghi filamentosi per il risanamento biologico e bio-valorizzazione di reflui industriali e di processo.
Col il termine sempre più diffuso di Mycoremediation, si intende un metodo biologico basato sull’utilizzo di funghi per la rimozione di contaminanti dall’ambiente o da reflui industriali. In questo contesto, sono state sviluppate metodiche per l’isolamento, la selezione e la caratterizzazione molecolare di microorganismi provenienti da diverse matrici ambientali (sedimenti marini contaminati, biomassa in decomposizione, ecc.). Gli isolati sono stati testati e selezionati in base alle loro peculiari abilità metaboliche. L’ENEA ha isolato ceppi fungini che sono stati utilizzati per la defenolizzazione delle acque di vegetazione dei frantoi. Parallelamente, è stato caratterizzato il proteoma ed il metaboloma del fungo durante il processo di abbattimento dei composti fenolici; sono state così identificate diverse molecole d’origine fungina ad azione bio-pesticida, potenziali composti di bio-valorizzazione del refluo. Gli isolati sono stati anche testati per la rigenerazione delle acque di scrubbing, prodotte durante processi di gassificazione e contaminate da Tar.
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Utilizzo di funghi filamentosi per la produzione di enzimi d’interesse agro-industriale.
I funghi possiedono la straordinaria proprietà di adattarsi agli ambienti più disparati, modulando il proprio metabolismo attraverso la fine regolazione di un vero e proprio arsenale enzimatico e proteico, che consente loro di decomporre extracellularmente un’ampia varietà di substrati. In questo scenario, gli enzimi prodotti dai funghi emergono come potenziali catalizzatori biologici da inserire nei processi di produzione di biocarburanti a partire da biomasse ligno-cellulosiche. L’ENEA ha isolato, caratterizzato e testato funghi capaci di produrre enzimi lignolitici, celluloliti, xilanolitici, nonché ad alta attività perossidasica e laccasica, che trovano potenziale impiego nel pretrattamento enzimatico della biomassa ligno-cellulosica.