Structure and functioning of natural microbial communities involved in circular economy applications using nature-based solutions
Author(s)
Garbini, Gian Luigi
Date Issued
July 29, 2024
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The European Commission has recently promoted the European Green Deal, a series of actions aimed at boosting the efficient use of resources with a view to achieving a clean economy, restoring biodiversity, and reducing pollution for achieving the ambitious and challenging aim of a European Union climate neutral in 2050. The Circular Economy (CE) is a key component of the European Green Deal, and it has the ambition to create a sustainable, low-carbon, resource-efficient, and competitive economy in which resource input and waste emission and energy leakage are minimised.
Microorganisms can have a key role for circular economy, for example they are useful for recovery agro-zootechnical waste as both fertilizers and energy source. Microorganisms are in fact involved organic matter degradation, nutrient cycles and energy flow. Moreover, microorganisms play a key role in maintaining ecosystems stability and providing key ecosystem regulating services that ensure soil and water quality.
Keeping in mind the principle of CE, the overall purpose of this thesis was to evaluate the effects on soil microbial communities of two types of organic amendments and unveiling the role of microbial communities involved in different related processes.
A first work has analysed if adding a cattle manure digestate and the sulfamethoxazole (SMX) antibiotic to a soil can affect the structure and functioning of a natural soil microbial community (prokaryotic cells and fungi). the result showed that the addiction of digestate, which contained allochthons prokaryotic, fungi and organic matter, induced a shift in the soil microbial community. Moreover, an increase in both the overall microbial populations and bacterial species responsible for nitrogen processing was found. These beneficial effects carried by digestate initially reduced in the presence of antibiotics, which negatively impacted certain groups of microorganisms while favouring certain fungal groups. The effects of antibiotic was temporary, thanks to the presence of antibiotic-resistant bacteria that were presumably introduced into the soil together with the digestate and were capable of mitigating its effects.
A second work has analysed if a municipal compost can increase the performance (energy production) of soil microbial fuel cells (MFCs). MFC is a recent biotechnology for produce electricity exploiting electrogenic bacteria, a group of bacteria able to utilize organic matter and release electrons to an extracellular donor. The microbial community was analysed at the anode, cathode and bulk soil.. Compost addiction, significantly increased TMFC efficiency in terms of power generation and voltage thanks to stimulation of electrogenic bacteria at anode. The advantage of using urban compost and obtaining MFC performance comparable with others such as glucose or acetate, is in its low cost because it is a by-product, in line with circular economy. Finally, a review paper has examined in depth electroactive bacteria (EAB) in natural ecosystems and their functions known so far. This review explores the possible application of EAB in microbial fuel cells for bioremediation of persistent contaminants (POPs) and heavy metals. Moreover, recent work involving plant microbial fuel cells and constructed wetlands are also reported.
La Commissione europea ha recentemente promosso l'European Green Deal, una serie di azioni volte a incrementare l'uso efficiente delle risorse al fine di realizzare un'economia pulita, ripristinare la biodiversità e ridurre l'inquinamento per raggiungere l'ambizioso e impegnativo obiettivo di un'Unione Europea neutrale dal punto di vista climatico nel 2050.
L'economia circolare (CE) è una componente chiave del Green Deal europeo e ha l'ambizione di creare un'economia sostenibile, a basse emissioni di carbonio, efficiente sotto il profilo delle risorse e competitiva, in cui l'apporto di risorse, l'emissione di rifiuti e la dispersione di energia siano ridotti al minimo.
I microrganismi possono avere un ruolo chiave per l'economia circolare, ad esempio sono utili per il recupero dei rifiuti agro-zootecnici come fertilizzanti e fonte di energia. I microrganismi sono infatti coinvolti nella degradazione della materia organica, nei cicli dei nutrienti e nel flusso energetico. Inoltre, i microrganismi svolgono un ruolo chiave nel mantenere la stabilità degli ecosistemi e nel fornire servizi di regolazione degli ecosistemi che garantiscono la qualità del suolo e dell'acqua.
Tenendo presente il principio della CE, lo scopo generale di questa tesi è stato quello di valutare gli effetti sulle comunità microbiche del suolo di due tipi di modifiche organiche e di svelare il ruolo delle comunità microbiche coinvolte in diversi processi correlati.
Un primo lavoro ha analizzato se l'aggiunta di un digestato di letame bovino e dell'antibiotico sulfametoxazolo (SMX) a un terreno può influenzare la struttura e il funzionamento di una comunità microbica naturale del suolo (cellule procariotiche e funghi). Il risultato ha mostrato che l'aggiunta di digestato, che conteneva alloctoni procariotici, funghi e materia organica, ha indotto un cambiamento nella comunità microbica del suolo. Inoltre, è stato riscontrato un aumento sia delle popolazioni microbiche complessive sia delle specie batteriche responsabili dell'elaborazione dell'azoto. Questi effetti benefici del digestato si sono inizialmente ridotti in presenza di antibiotici, che hanno influito negativamente su alcuni gruppi di microrganismi, favorendo invece alcuni gruppi fungini. L'effetto dell'antibiotico è stato temporaneo, grazie alla presenza di batteri resistenti agli antibiotici, presumibilmente introdotti nel suolo insieme al digestato e in grado di mitigarne gli effetti.
Un secondo lavoro ha analizzato se un compost municipale può aumentare le prestazioni (produzione di energia) delle Microbioal Fuel Cells (MFC). Le MFC sono una recente biotecnologia per la produzione di elettricità che sfrutta i batteri elettrogeni, un gruppo di batteri in grado di utilizzare la materia organica e di rilasciare elettroni a un donatore extracellulare. La comunità microbica è stata analizzata all'anodo, al catodo e nel terreno... La dipendenza dal compost ha aumentato significativamente l'efficienza delle MFC in termini di produzione di energia e di tensione grazie alla stimolazione dei batteri elettrogeni all'anodo. Il vantaggio di utilizzare il compost urbano e di ottenere prestazioni MFC paragonabili ad altri, come il glucosio o l'acetato, sta nel suo basso costo perché è un sottoprodotto, in linea con l'economia circolare.
Infine, un articolo di revisione ha esaminato in modo approfondito i batteri elettroattivi (EAB) negli ecosistemi naturali e le loro funzioni finora conosciute.
Questa rassegna esplora la possibile applicazione degli EAB nelle celle a combustibile microbiche per il biorisanamento di contaminanti persistenti (POP) e metalli pesanti. Inoltre, sono riportati anche recenti lavori che coinvolgono le celle a combustibile microbiche vegetali e le zone umide costruite.
Additional information
Dottorato in Ecologia e Gestione Sostenibile delle Risorse Ambientali