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Macro e microelementi nei sistemi biologici

Nei sistemi biologici gli elementi inorganici sono essenziali per la vita ed è stato valutato che almeno 20 elementi chimici sono coinvolti in interazioni più o meno forti con la biologia degli esseri viventi (Williams, 2002). In base a un criterio quantitati- vo-funzionale per tali elementi si può delineare la seguente classifi cazione:

Macroelementi o macronutrienti.

Idrogeno (H), carbonio (C), azoto (N), fosforo (P) e zolfo (S) sono i principali costituenti di tutte le macromolecole biologiche (carboidrati, proteine, grassi, acidi nucleici) e percentualmente pre- ponderanti nella cellula microbica. Per la digestione anaerobica, il rapporto C:N:P:S ottimale, nell’ambiente di crescita, è in genere 600:15:5:1 (Weiland, 2010). Sodio, potassio, magnesio e calcio, in forma di ioni, che afferiscono alla classe dei macroelementi e ne costi- tuiscono un sottoinsieme, svolgono un fondamentale ruolo di osmoregolazione (regolazione della pressione osmotica nei fl uidi interni di un organismo vi- vente, per impedire che diventino troppo diluiti o troppo concentrati) e nella relazione struttura-funzione di alcuni enzimi (Wackett et al., 2004).

Microelementi o micronutrienti.

So- no presenti in concentrazioni inferiori rispetto ai macroelementi. Ferro (Fe), cobalto (Co), molibdeno (Mo), nichel (Ni), rame (Cu), manganese (Mn), zinco (Zn), selenio (Se) e tungsteno (W) sono i microelementi chimici essenziali allo svol- gimento della maggior parte delle reazioni biochimiche. Le principali funzioni che alcuni di loro svolgono ai fi ni della produzione di metano sono riportate in tabella 1. Tra i microelementi quelli a più bassa concentrazione possono esse- re anche defi niti elementi in tracce, ma più spesso queste due espressioni sono utilizzate come sinonimi.

Effetti dovuti a carenze e sovradosaggi

Relativamente alla digestione anaerobica, sono ancora carenti le infor- mazioni sulle richieste nutrizionali dei batteri, sebbene negli ultimi anni siano state pubblicate alcune indagini per impianti del settore agrozootecnico (Shat- tauer et al., 2011). Il mantenimento delle concentrazioni ottimali degli oligoelementi (elementi chimici necessari in quantità minime, rispetto a carbonio e azoto, per una crescita, uno sviluppo e una fi siologia appropriata di un dato organismo) permette di ottimizzare il processo microbiologico ed evitare ral-

I microelementi sono vitali per la digestione anaerobica

di

Claudio Fabbri Mirco Garuti

L

a produzione di biogas mediante digestione anaerobica avviene attraverso una serie di reazioni biochimiche che coinvolgono diversi consorzi micro- bici ed è costante e continuativa se si instaura cooperazione tra i batteri e se non si presentano fenomeni di inibizione.

I fattori che maggiormente infl uen- zano negativamente la biologia in un digestore riguardano le variazioni re- pentine di temperatura e di alimen- tazione, l’elevata concentrazione di possibili molecole inibenti (ammo- niaca libera in soluzione liquida, fe- noli, acidi grassi a catena lunga), la presenza di composti chimici tossici (disinfettanti, antibiotici) e la carenza di macro e microelementi.

● ANALISI DEL CRPA SUL RUOLO DEI DIVERSI NUTRIENTI NELLA PRODUZIONE DI BIOGAS

Acute carenze di micronutrienti comportano forti inibizioni

nella produzione di biogas, mentre sovradosaggi possono risultare tossici

per i batteri coinvolti nella digestione anaerobica.

È fondamentale monitorarne la concentrazione

nel digestato e integrarli repentinamente

nell’alimentazione dell’impianto

quando risultano carenti

INSERTO ENERGIA RINNOVABILE

Impianto di biogas in cui Crpa svolge

attività di monitoraggio

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lentamenti nella degradazione della so- stanza organica: acute carenze di mi- cronutrienti portano a forti inibizioni di processo che, se mal gestite, pos- sono degenerare in acuti fenomeni di acidosi (eccessivo accumulo di acidità organica) con conseguente blocco nella produzione di biogas. Una ridotta effi - cienza biologica porta alla produzione di un digestato non perfettamente stabilizzato con conseguenti produzioni re- sidue di metano nella fase di stoccaggio.

Al contrario, sovradosaggi non con- sapevoli di macro e micronutrienti possono determinare situazioni in cui le concentrazioni raggiunte di- ventano tossiche per i consorzi mi- crobici. La «Teoria del minimo», ben nota in campo agronomico, è applica- bile anche alla digestione anaerobica: in condizioni stazionarie e ottimali (adeguata alimentazione, miscelazio- ne, temperatura, assenza di inibizioni pregresse), la carenza di un solo micro- elemento può portare a un forte rallentamento di tutto il processo.

L’esperienza del Crpa

Nel corso delle attività di ricerca il Crpa ha analizzato circa 60 impianti di digestione anaerobica alimentati da biomasse residuali agricole e colture dedicate mettendo in relazione la concentrazione degli elementi chimici ai principali parametri biologici.

Le carenze maggiormente riscontra- te hanno riguardato cobalto, nichel, selenio, molibdeno e ferro ed è stata notata una certa variabilità nelle loro concentrazioni medie a seconda del tipo di alimentazione; i valori osservati sono sintetizzati in tabella 2.

Per approfondimenti sulle interazioni tra oligoelementi e altri fattori a essi legati (biodisponibilità e speciazione chimica) si veda il riquadro all’indiriz- zo internet riportato a fi ne articolo.

Il tipo di alimentazione condiziona l’apporto

dei nutrienti

L’apporto di macro e micronutrienti in un impianto di biogas è strettamen- te dipendente dall’inoculo di partenza utilizzato per l’avviamento biologico e dalle biomasse al carico.

Impianti che utilizzano prevalentemente o esclusivamente colture dedicate avranno un apporto in macro e microelementi che è correlato sia alle caratteristiche della varietà vegetale sia alle pratiche agronomiche utilizzate su campo: gli elementi essenziali sono assorbiti dal suolo durante la crescita delle piante e vengono accu- mulati nel fusto e nelle foglie che una volta trinciati saranno utilizzati nel digestore. La concentrazione degli oli- goelementi in impianti di biogas che utilizzano prevalentemente effl uenti

zootecnici sarà invece maggiormen- te infl uenzata dalla tipologia di inte- grazione alimentare effettuata in al- levamento.

Ad esempio, l’utilizzo di signifi cative quantità di liquami suinicoli porta tipicamente a valori di zinco e rame più elevati rispetto a impianti alimentati a liquami bovini o colture dedicate.

Se la componente liquida nell’ali- mentazione è eccessiva, invece, si può incorrere in un dilavamento de- gli elementi in tracce presenti nel di- gestore, così come della sostanza or- ganica o dei batteri.

Analizzare, monitorare, integrare se necessario

La frequenza con cui va effettuata la determinazione dei microelementi (effettuata tipicamente mediante spet- troscopia di emissione con sorgente al plasma ICP-OES - Inductively coupled plasma optical emission spectrometry) di- pende dalla variabilità dell’alimenta- TABELLA 1

- Principali funzioni svolte dai micronutrienti

nella digestione anaerobica

Elemento Funzione

Molibdeno

Stimola la produzione di metano e sembra avere un ruolo nell’inibizione di batteri solforiduttori che competono con i metanigeni per l’acido acetico e che generano signiﬁ cative quantità di H₂S

Selenio

È fondamentale per la crescita batterica in generale, svolge un ruolo nella fase di acetogenesi, ma sembra sia coinvolto a qualche livello anche nella metanogenesi

Cobalto

È presente in speciﬁ ci enzimi coinvolti nella sintesi della vitamina B12 e ha un ruolo fondamentale in enzimi coinvolti nella metanogenesi.

È fondamentale anche per la fase di acetogenesi (produzione di acido acetico) della digestione anaerobica

Nichel

È sicuramente coinvolto a più livelli nella metanogenesi

Ferro

È fondamentale nella metanogenesi (produzione di metano). Viene aggiunto ai digestori anche per abbassare il contenuto di H₂S nel biogas in quanto forma sali precipitati con lo zolfo proveniente dalla degradazione delle proteine

Rame

Allo stato attuale non è certo se il rame sia essenziale per la metanogenesi

Zinco

È importante per il metabolismo batterico in generale in quanto prende parte a numerose reazioni enzimatiche, ma non è chiaro se sia essenziale per la metanogenesi

Manganese

Non è chiaro se rivesta un ruolo fondamentale nella metanogenesi;

è probabile che rivesta un ruolo secondario in enzimi non essenziali alla produzione di metano e che possa essere sostituito da altri elementi (ad esempio magnesio)

TABELLA 2

- Valori medi di macro e microelementi negli impianti di biogas (

¹

)

Elemento Valore medio

(mg/kg s.t.)

Azoto

68.410 ± 19.833

Calcio

21.070 ± 7.008

Potassio

50.066 ± 17.960

Magnesio

5.568 ± 1.552

Sodio

3.831 ± 2.351

Fosforo

9.285 ± 3.422

Zolfo

4.401 ± 987

Molibdeno

4,54 ± 1,94

Selenio

1,32 ± 1,19

Cobalto

1,93 ± 1,82

Nichel

7,61 ± 2,86

Ferro

2.472 ± 1.552

Alluminio

1.063 ± 1.080

Boro

36,39 ± 18,15

Rame

53,22 ± 32,02

Zinco

243 ± 136

Manganese

218 ± 65

Bario

32 ± 16,1

s.t. = solidi totali.

(¹) Dati rilevati dal Crpa in un’indagine su circa 60 impianti.

Le concentrazioni medie dei nutrienti sono risultate soggette a un certa variabilità in relazione al tipo di alimentazione dell’impianto.

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L’Informatore Agrario •^14/2015

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zione dell’impianto e dal tempo di ri- tenzione idraulico.

In un classico piano di controllo per impianti di biogas con un’alimenta- zione costante e un tempo di ritenzio- ne maggiore di 50-60 giorni è sugge- rito un controllo almeno ogni 6 mesi.

Nel caso in cui si presenti una limitazione, l’intervento di integrazione sarà di tipo diverso a seconda della carenza riscontrata.

● Carenza cronica: dopo la prima in- tegrazione degli elementi giudicati carenti, il sistema non rimane in equilibrio perché l’apporto di uno o più oligoelementi con le biomasse al carico risulta essere insuffi ciente o perché il fl usso dei liquidi in ingresso ne deter- mina un veloce dilavamento, tanto che l’impianto necessiterà di un’integrazione continuativa e costante.

● Carenza occasionale: dopo la prima integrazione il sistema rimane in equilibrio e pertanto ulteriori aggiunte non apportano benefi ci.

Le integrazioni possono essere effet- tuate con miscele generiche di sali mi- nerali, la cui composizione non è qua- si mai nota, oppure con prodotti che sono formulati su misura, in base alle reali necessità dell’impianto.

Caso di studio:

impianto in carenza di microelementi

Riportiamo di seguito il caso di un impianto di biogas monitorato nel 2014 dal Crpa. L’impianto è stato alimentato regolarmente con effl uenti suinicoli e bovini, oltre che con insilati di cereali a integrazione della dieta per raggiun- gere la potenza di targa di 1 MWe (ta- bella 3). La volumetria utile comples- siva dell’impianto è di circa 7.200 m³, ripartita in due digestori primari e un post-fermentatore che sono provvisti di un sistema di tubazioni e ricirco- li tale da poterli collegare al bisogno.

Gli effl uenti zootecnici sono misce- lati omogeneamente in una pre-vasca e da qui avviati a un sistema di carico con pompa miscelatrice connessa a una tramoggia per i prodotti palabili.

L’azienda è organizzata con un sistema di automonitoraggio delle quanti- tà caricate, dei parametri di funzio- namento idraulici ed è attrezzata con un laboratorio proprio in cui è possibile determinare il pH, la concentrazione di acidità totale e la concentrazione di alcalinità totale nel digestato.

Le analisi sono condotte normalmen-

TABELLA 3

- Biomasse utilizzate nell’impianto monitorato e incidenza sul COV (

¹

)

Matrice Quantità

(t/giorno) COV (%)

Miscela liquame

suino + bovino

¹³⁹ ^15,47

Silomais

30,6 56,35

Sfarinati di cereali

3,8 19,97

Pollina

2,9 4,92

Silotriticale

1,3 2,14

Glicerina

0,3 1,16

Totale 177,9 100

(¹) COV = carico organico volumetrico, quantità di sostanza organica caricata giornalmente per unità di volume di digestore.

L’impianto è stato alimentato con efﬂ uenti zootecnici integrati con insilati di cereali che hanno contribuito per oltre il 50% al carico organico volumetrico.

9.000 8.000 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0

Acidità totale (mg/kg) 1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 1-11 1-12 1-1

2013 2014

Digestore primario F1 Digestore primario F2 Post-fermentatore

GRAFICO 1

- Andamento dell’acidità totale nei tre digestori dell’impianto monitorato

L’aumento dell’acidità totale, in particolar modo nel digestore primario F1, ha determinato dal 15 settembre un rallentamento della microbiologia dell’impianto, che ha raggiunto una situazione critica nei sette giorni successivi.

te con cadenza mensile, ma nei casi di emergenza possono assumere frequenza anche giornaliera. Il monitoraggio comprende anche l’analisi della qualità del biogas con determinazione in continuo della percentuale di metano, idrogeno solforato e ossigeno.

Esito del monitoraggio

Nel periodo di inizio autunno, dopo circa due mesi di assenza di analisi, sono stati rilevati i primi segnali di un problema di sofferenza biologica, ini- zialmente non considerati gravi grazie al fatto che la produzione elettrica è sempre stata ai massimi livelli.

La presenza di elevate quantità di liquami ha agito come ottimo equili- bratore, sia in termini di lavaggio dei digestori sia di apporto di alcalinità, ma nel contempo ha rallentato l’evi- denza di un problema di instabilità biologica.

A partire dal 15 settembre si sono manifestati i primi segni di un rallentamento della microbiologia quando, da un’analisi di routine su uno dei due digestori primari, è stata misu- rata una concentrazione di acidità totale relativamente elevata (5.713 mg HAceq/kg - milligrammi di acido acetico equivalenti per chilogram- mo) rispetto ai valori normalmente misurati.

Tale andamento è stato monitorato in crescita nei sette giorni consecu- tivi con evidenze, seppur di minore importanza, anche nel secondo digestore primario e nel post-fermentato- re (grafi co 1).

Le analisi per quantifi care la concentrazione gli acidi grassi volatili nel digestato, condotte nei giorni immediatamente successivi, hanno conclamato la crisi biologica (tabella 4): l’acido ace- tico ha raggiunto livelli di 5.550 mg/kg, quando negli impianti in equilibrio normalmente si riscontrano valori dell’ordine di 200-400 mg/kg, mentre le concentrazioni degli altri acidi or-

Apparecchiatura per determinare il pH,

la concentrazione di acidità totale

e di alcalinità totale nel digestato

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TABELLA 4

- Concentrazione di acidi grassi volatili nel digestato dell’impianto monitorato

Acido grasso

volatile Digestore primario (F1) (mg/kg)

Acido acetico

5.550

Acido propionico

180

Acido butirrico

90

Acido isobutirrico

110

Acido valerico

< 30

Acido isovalerico

240

Acido caproico

< 30

Le analisi hanno evidenziato un’alta concentrazione di acido acetico nel digestore primario, mentre quelle degli altri acidi organici sono rimaste contenute.

TABELLA 5

- Concentrazione dei principali microelementi nei digestori dell’impianto monitorato

Elemento

Digestore

primario (F1) Digestore primario (F2) mg/kg s.t.

Molibdeno

3,26 8,77

Selenio

0,65 0,44

Cobalto

0,57 1,37

Ferro

1.210 2.660

Nichel

3,83 5,49

Zinco

583 278

s.t. = solidi totali

Il monitoraggio ha evidenziato concentrazioni differenti

dei microelementi fra i due digestori primari e una carenza di cobalto, selenio e nichel.

62,5 60,0 57,5 55,0 52,5 50,0 47,5 45,0

Metano nel biogas (%)

1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 1-11 1-12

2014

GRAFICO 2

- Qualità del biogas nell’impianto monitorato

L’integrazione dei micronutrienti carenti ha permesso di consumare l’eccesso di acidità organica manifestatosi a settembre, facendo salire rapidamente la percentuale

di metano nel biogas.

ganici sono rimaste entro valori mol- to limitati.

Le analisi dei micronutrienti, invece, hanno messo in evidenza una ripar- tizione squilibrata fra i due digestori primari (tabella 5) e una carenza di co- balto, selenio e nichel.

Nonostante non sia stato possibile identifi care immediatamente le cause dello squilibrio, si è proceduto con l’u- tilizzo di un prodotto studiato apposi- tamente e contenente 0,5 kg di selenio, 0,5 kg di cobalto e 2,5 kg di molibdeno, seguito da un dosaggio, maggiormente frazionato nel tempo, di 1.000 kg di ferro sotto forma di idrossido. Tali aggiunte hanno permesso un rapidissi- mo ripristino della stabilità biologica.

Nella fase immediatamente succes- siva all’integrazione, la percentuale di metano è salita repentinamente (grafi - co 2), grazie al consumo di acidità orga- nica accumulata e il livello della stessa nei mesi successivi si è stabilizzato a un livello intorno a 2.800-3.000 mg HAceq/kg.

Indicazioni operative

Il monitoraggio analitico degli im- pianti, anche in condizioni di appa- rente stabilità biologica, è da ritenersi fondamentale per identifi care e risol- vere problemi che possono divenire repentinamente limitanti per la buo- na funzionalità dell’impianto.

Nel caso mostrato è stato messo in evidenza uno dei problemi che sempre più spesso si osservano negli impianti:

il mancato equilibrio degli elementi nu- tritivi fondamentali per la vita biologi- ca. Selenio, cobalto, molibdeno, nichel e ferro sono generalmente i principali elementi da tenere controllati, in par- ticolare se la maggior parte del carico è riconducile all’utilizzo di colture dedi- cate. Come nel caso presentato, la pre- senza di effl uenti zootecnici nella dieta, anche in elevate quantità, non è condizione suffi ciente per garantire i corretti apporti. Un controllo analitico per l’in- dividuazione di eventuali carenze più specifi che è quindi utile al raggiungi-

mento di un’ottimale condizione ope- rativa. Alla luce di carenze evidenti è bene integrare macro e microelemen- ti affi nché non diventino un fattore li- mitante per il processo biologico, ma per le ragioni esposte in precedenza e per la grande adattabilità dei sistemi biologici, è bene osservare che i livelli ottimali non sono pienamente noti e possono essere più o meno diversifi cati a seconda delle situazioni.

Claudio Fabbri, Mirco Garuti Crpa - Centro ricerche produzioni animali Reggio Emilia

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e/o la bibliograﬁ a:

www.informatoreagrario.it/

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L’Informatore Agrario •^14/2015

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I microelementi sono vitali per la digestione anaerobica

● ARTICOLO PUBBLICATO SUL SUPPLEMENTO A L’INFORMATORE AGRARIO N. 14/2015 A PAG. 61

BIBLIOGRAFIA

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Saito M.A., Goepfert T.J. (2008) - Some thoughts on the concept of colimitation: Three defi nitions and the importance of bioavai- lability. Limnol. Oceanogr., 53: 276-290.

Schattauer A., Abdoun E., Weiland P., Plochl M., Heiermann M. (2011) - Abun- dance of trace elements in demonstration biogas plants. Biosystems Engineering, 108: 57-65.

Wackett L.P., Dodge A. G., Ellis L. B. M.

(2004) - Microbial genomics and the perio- dic table. Applied And Environmental Microbiology, 70: 647-655.

Weiland P. (2010) - Biogas production:

current state and perspectives. Appl. Mi- crobiol. Biotechnol., 85: 849-860.

Williams R.J.P (2002) - The fundamen- tal nature of life as a chemical system: the part played by inorganic elements. Journal of Inorganic Biochemistry, 88: 241-250.

Gli effetti di una limitazione in uno o più oligoelementi sono infl uenzati da molteplici interazioni (Saito et al., 2008) che possono essere raggruppa- te nelle seguenti quattro:

● tipo 0: l’unico elemento carente non è sostituibile da altri metalli e la ri- sposta nella produzione di biogas risponde alla teoria del minimo;

● tipo 1: due elementi risultano essere limitanti e agiscono a livello di due vie biochimiche molto diverse come duplicazione cellulare e metanogenesi; la loro carenza può manifestarsi con un effetto sinergico oppure in- dipendente;

● tipo 2: la carenza di un elemento può essere totalmente o parzialmen- te colmata dalla presenza di un altro elemento che agisce sulla stessa via metabolica;

● tipo 3: due elementi risultano essere carenti e uno di essi è essenziale per il trasporto dell’altro all’interno della cellula.

In relazione all’effetto di una limitazione nella produzione di biogas do- vuta a carenza di oligoelementi, è doveroso ricordare gli aspetti riguardanti la loro biodisponibilità e speciazione chimica (distribuzione di un elemen- to nelle specie chimiche defi nite in un sistema, in cui per specie chimica viene indicata la specifi ca forma dell’elemento in termini di composizione isotopica, stato di ossidazione e/o struttura molecolare o del complesso).

Con il termine biodisponibilità si indica, in questo contesto, il grado in cui macro e microelementi sono disponibili per l’interazione con la cellula batterica: nel digestato essi possono essere presenti, in diverse proporzioni, come ioni in soluzione acquosa, in forma di carbonati, legati alla matrice organica, in forma di precipitato come solfuri o silicati. La possibilità che i micronutrienti si presentino in una forma più o meno biodisponibile di- pende da tutti quei fattori che infl uenzano il loro equilibrio termodinamico (solubilità dei sali, pH, temperatura, concentrazione degli ioni in soluzione, pressione parziale dei gas), dalle matrici in ingresso e dalla forma chimica in cui essi vengono integrati (Ortner et al., 2014).

Il ferro, ad esempio, può essere integrato in forma di cloruro ferrico, cloruro ferroso, idrossido di ferro, ossido di ferro, carbonato di ferro o ancora

in forma di chelati.

• INTERAZIONE TRA OLIGOELEMENTI INTERAZIONE TRA OLIGOELEMENTI

E BIODISPONIBILITÀ E BIODISPONIBILITÀ

INSERTO ENERGIA RINNOVABILE

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