Composizione della comunità microbica dei rifiuti alimentari prima della digestione anaerobica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12703 (2023) Citare questo articolo

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La digestione anaerobica è ampiamente utilizzata per elaborare e recuperare valore dagli scarti alimentari. Gli impianti commerciali di digestione anaerobica dei rifiuti alimentari cercano miglioramenti nell’efficienza del processo per consentire una maggiore produttività. Esistono informazioni limitate sulla composizione delle comunità microbiche nei rifiuti alimentari prima della digestione, limitando lo sfruttamento razionale del potenziale catalitico dei microrganismi nei processi di pretrattamento. Per colmare questa lacuna di conoscenze, sono state caratterizzate per 3 mesi le comunità batteriche e fungine presenti nei campioni di rifiuti alimentari provenienti da un impianto di digestione anaerobica commerciale. L’abbondanza dei geni batterici dell’rRNA 16S era di circa cinque ordini di grandezza superiore all’abbondanza della sequenza dello spaziatore intergenico fungino (ITS), suggerendo la dominanza numerica dei batteri sui funghi nei rifiuti alimentari prima della digestione anaerobica. Vengono presentate le prove della proliferazione di massa di batteri nei rifiuti alimentari durante lo stoccaggio prima della digestione anaerobica. La composizione della comunità batterica mostra variazioni nel tempo, ma i lignaggi all’interno della famiglia delle Lactobacillaceae sono costantemente dominanti. Il contenuto di azoto e il pH sono correlati alla variazione della comunità. Questi risultati costituiscono una base per comprendere l’ecologia microbica dei rifiuti alimentari e offrono opportunità per migliorare ulteriormente la produttività della digestione anaerobica.

Nel 2017 sono stati generati a livello globale 2 miliardi di tonnellate di rifiuti solidi urbani. Di cui l'84% è stato raccolto e solo il 15% è stato riciclato1. Circa il 60% di questo flusso di rifiuti è organico2 e può essere digerito anaerobicamente per il recupero energetico. Nel rapporto sulla generazione di rifiuti del governo australiano del 2018, l’87% dei rifiuti alimentari è stato smaltito in discarica, creando problemi di gas di discarica e percolato. Solo l’1% dei rifiuti alimentari è destinato a impianti di recupero energetico3. La cattiva gestione della frazione organica dei rifiuti urbani può causare la generazione di gas serra, percolato di discarica e altri prodotti nocivi derivanti dalla decomposizione incontrollata dei rifiuti organici4, 5. Il gas e il percolato di discarica sono dannosi per l'ambiente e sollevano problemi di sicurezza6, 7. Ingegnerizzato la digestione anaerobica (AD) dei rifiuti organici può alleviare la pressione delle discariche raccogliendo biogas e sostanze nutritive dai rifiuti organici. Questo studio si concentra sulla frazione di rifiuti alimentari del flusso di rifiuti organici.

La digestione anaerobica si basa su microrganismi che decompongono le sostanze organiche in assenza di ossigeno8. Il processo di digestione prevede quattro fasi (idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi) ciascuna svolta da diversi gruppi di microrganismi. Le matrici alimentari complesse vengono idrolizzate a livello extracellulare in composti più semplici, quindi acidificati e acetificati, che infine fermentano in acetato, anidride carbonica e diidrogeno da parte dei batteri9. Questi prodotti servono poi come substrati per la produzione di metano da parte degli archaea metanogenici10. I sistemi di digestione anaerobica commerciale sono stati ottimizzati nel corso di decenni, concentrandosi su rese più elevate di biogas, rapporti metano:anidride carbonica più elevati e rese inferiori di solidi residui11. Raramente si è prestata attenzione all’aumento della produttività del digestore, nonostante il compromesso economico che una maggiore capacità di carico può offrire12. Ciò è sorprendente dato che la maggior parte delle entrate per le strutture AD provengono dai pagamenti per lo smaltimento dei rifiuti alimentari. Pertanto, l’aumento della velocità di carico del digestore migliora la sostenibilità finanziaria di tali strutture e allontana più rifiuti organici dalle discariche.

Il cibo ha una comunità microbica associata ed è altamente suscettibile alla decomposizione abiotica e alla biodegradazione. La morte inizia non appena il cibo viene raccolto, lavorato o prodotto. Gli impianti di digestione anaerobica ricevono i rifiuti alimentari in una fase iniziale di decadimento da una comunità microbica indigena sempre più attiva13. Nonostante il potenziale della comunità microbica indigena dei rifiuti alimentari di svolgere un ruolo nella digestione anaerobica a valle, sono disponibili dati limitati sulla comunità microbica delle materie prime dei rifiuti alimentari (rifiuti alimentari prima della digestione anaerobica) per le strutture AD. Ad esempio, non sono note la diversità e l’uniformità delle comunità batteriche e fungine nei rifiuti alimentari e il modo in cui la composizione della comunità microbica è influenzata da parametri ambientali quali pH, contenuto di acqua e contenuto di elementi. Dato che la composizione dei rifiuti alimentari può variare, è ragionevole aspettarsi che vari anche la composizione della comunità microbica, sebbene ciò non sia mai stato studiato.