Ottimizzazione statistica di una composizione di fertilizzanti sostenibile basata su larve di mosca soldato nera come fonte di azoto

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20505 (2022) Citare questo articolo

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Nel presente lavoro è stata studiata l'ottimizzazione statistica di un rivestimento sostenibile per fertilizzanti NPK (azoto-fosforo-potassio) core-shell. Il rivestimento verde ambientale è stato arricchito in azoto utilizzando una biomassa e una fonte rinnovabile, vale a dire la frazione ricca di azoto delle larve di mosca soldato nera (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae) allevate su rifiuti vegetali. È stato proposto un approccio razionale con l'obiettivo di calcolare la migliore formulazione del rivestimento, considerando sia il suo comportamento produttivo, come l'adesione al nucleo, sia le sue proprietà fisiche, come l'omogeneità o la plasticità. In una prospettiva di economia circolare, insieme alla frazione ricca di azoto proveniente da BSFL (dal 51 al 90% in peso), acqua e glicerolo sono stati considerati per la formulazione del rivestimento in proporzioni diverse: dal 10 al 32% in peso e dallo 0 al 17 in peso% rispettivamente. La tecnica di progettazione degli esperimenti è stata implementata per limitare il numero totale di test per la formulazione del rivestimento (18 test). È stata utilizzata l'ANOVA, con l'obiettivo di ottenere modelli matematici per derivare una formulazione più precisa e obiettiva. I risultati mostrano che l'uso di glicerolo può essere evitato, così come è necessaria solo una quantità limitata di acqua (11% in peso) per ottenere una formulazione di rivestimento ottimizzata che, successivamente, soddisfi le proprietà tecnologiche e fisiche più rilevanti per la produzione del rivestimento. .

Si prevede che la popolazione mondiale raggiungerà i 9,7 miliardi nel 2050 e i 10,9 miliardi nel 21001. Questa crescita dovrà fare i conti con il cambiamento climatico e i suoi effetti sulla produzione alimentare globale, poiché si prevede che entro la fine del ventunesimo secolo il cambiamento climatico trasformare tra l’1,8% e il 4,6% del territorio globale in terre aride, colpendo oltre 270 milioni di persone2. Attualmente, anche i terreni coltivati ​​subiranno una crescente pressione causata dall’urbanizzazione3 e, di conseguenza, da uno sfruttamento più intenso4. Inoltre, le attività legate all’agricoltura e all’uso del territorio hanno rappresentato il 71% delle emissioni di gas serra (GHG) provenienti dal sistema di produzione alimentare nel 2015, pertanto è importante rafforzare la sostenibilità e l’efficienza del sistema agricolo5,6.

In questo contesto, i fertilizzanti, e in particolare i “fertilizzanti ecologici” (FEP), rappresentano uno dei pilastri principali dell’agricoltura moderna, poiché consentono un enorme aumento della produzione agricola per unità di terreno, fornendo alle piante i principali nutrienti necessari per la loro crescita7,8,9,10. Per produrre EFF, si preferiscono generalmente materiali naturali, di derivazione naturale o organici, poiché hanno un impatto inferiore sull'ambiente, sono facilmente disponibili e possono aiutare a evitare o limitare gli inquinanti nel suolo, rispetto ai polimeri derivati ​​dal petrolio11,12, 13. Inoltre, possono avere altre caratteristiche positive, come l’aumento del contenuto di sostanza organica del suolo o l’arricchimento del suolo con un particolare nutriente11,14. Tuttavia, i materiali utilizzati per produrre gli EFF mostrano diverse carenze che ne ostacolano la diffusione, ad esempio, i processi di produzione sono spesso complicati o costosi, mentre le condizioni ambientali hanno effetti sconosciuti sugli effettivi modelli di rilascio dei nutrienti12,15,16.

Tra i macronutrienti delle piante, l’azoto è uno dei più esigenti, poiché i fertilizzanti a base di urea sono caratterizzati da una perdita compresa tra il 40 e il 70%17. Questa perdita è la causa di numerosi processi di inquinamento, poiché le acque sotterranee sono contaminate da nitrati lisciviati e l’atmosfera è esposta sia alla volatilizzazione di NH3 che alle emissioni di gas serra, come N2O18,19,20,21. D’altro canto, i fertilizzanti a base di ammoniaca sono estremamente dannosi per l’ambiente in quanto si generano 2000 kg di CO2 per ogni 1000 kg di NH3 ottenuta, e l’intero processo produttivo dipende dall’utilizzo di gas naturale22. In questo contesto è necessaria una fonte alternativa di azoto e una possibile fonte può essere individuata nella conversione dei materiali di scarto organico, risolvendo allo stesso tempo parzialmente i problemi ecologici derivanti dallo smaltimento dei rifiuti organici23,24,25,26 ,27,28. Tra i metodi biologici o chimici per convertire i rifiuti organici, l’utilizzo delle larve di mosca soldato nera (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae) è considerato uno strumento di bioconversione efficiente e sicuro per il loro trattamento29,30,31. Infatti, quando si considera la valorizzazione di sottoprodotti o rifiuti, molto spesso è necessario sfruttare il loro valore in termini di macronutrienti attraverso la conversione, a causa di limiti fisici (forma e dimensione) e biologico-chimici (disponibilità dei macronutrienti). I BSFL sono stati suggeriti per un efficiente riciclaggio dei rifiuti organici in quanto la loro azione porta ad una marcata riduzione del peso iniziale dei rifiuti (fino al 68% della massa secca iniziale32), all'inibizione di agenti patogeni, come la Salmonella33,34, alla riduzione delle emissioni di gas serra35 e delle emissioni odorose36 quando rispetto alle procedure di compostaggio standard. Inoltre, i BSFL hanno un tasso di conversione del mangime altamente efficiente, che porta a una preziosa biomassa ricca di azoto (30–50 in peso%) e lipidi (21–40 in peso%)37, la cui composizione varia a seconda dei rifiuti organici utilizzati. oppure strategia di fermentazione attraverso additivi specifici, come flocculanti industriali, e dispositivi, come la luce artificiale38,39,40,41,42. Da ciò emerge che la frazione BSFL ricca di azoto, contenente principalmente proteine ​​e chitina, potrebbe rappresentare come una preziosa fonte di azoto organico utile per la crescita delle colture e, successivamente, per la produzione di fertilizzanti organici economici e sostenibili43. Tuttavia, l’attuale legislazione europea pone alcuni limiti sulla tipologia di substrati organici da utilizzare per la bioconversione da parte di BSFL, impedendo l’utilizzo del letame e di qualsiasi substrato formalmente riconosciuto come “rifiuto” come mangime per animali44. In particolare, i residui di frutta e verdura sembrano qualificarsi come sottoprodotti ai sensi dell'articolo 184-bis del decreto legislativo n. 152 del 200645. Tali residui sembrano infatti possedere le caratteristiche necessarie per rispettare le quattro condizioni richieste dalla legge per qualificarsi un residuo come sottoprodotto. Le quattro condizioni sono: a) i residui provengono da un processo produttivo di cui sono parte integrante e il cui scopo primario non è la produzione di tali residui; b) l'ulteriore utilizzo della sostanza o dell'oggetto è certo; c) la sostanza o l'oggetto può essere utilizzato direttamente senza alcuna ulteriore lavorazione diversa dalla normale pratica industriale; (d) l'ulteriore utilizzo è legale, vale a dire che la sostanza o l'oggetto soddisfa tutti i requisiti pertinenti di protezione dell'ambiente, del prodotto e della salute per l'uso specifico e non comporterà impatti complessivi negativi sull'ambiente o sulla salute umana. Se il residuo soddisfa le quattro condizioni, quindi, può essere qualificato come sottoprodotto e può essere liberamente riutilizzato senza bisogno di permessi e senza essere soggetto al regime di controllo e tracciabilità dei rifiuti. Inoltre, i residui di frutta e verdura utilizzati in questo lavoro sembrano poter rientrare nella definizione di "mangime" (o "mangime") nel regolamento (CE) n. 178/2002 (articolo 3, paragrafo 4): «qualsiasi sostanza o prodotto, compresi gli additivi, trasformati, parzialmente trasformati o non trasformati, destinati ad essere utilizzati per l'alimentazione orale degli animali». Per questo motivo tali residui non possono essere costituiti da «rifiuti solidi urbani, quali i rifiuti domestici» per espresso divieto contenuto nel Regolamento (CE) n. 767/2009, art. 6, Allegato III (n. 6), tuttavia possono derivare solo da attività industriali (PARLAMENTO EUROPEO, 2009; PARLAMENTO EUROPEO 2002).