Metagenomics and functionality of microbial communities involved in Smartcomp composting and in the agronomic quality of the final product
Author(s)
Guidoni, Leonardo
Date Issued
September 29, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The increasing world population poses great challenges in waste management, with global municipal waste production estimated to reach 3.4 billion tonnes per year by 2050. In Europe, since 1990 the European Union issued several Directives to promote sustainable waste management. Bio-waste constitutes the largest part of the municipal solid waste and represents a valuable source to produce energy, fertilizers and biogas. However, most of this waste is still largely managed through unsustainable ways like landfilling and incineration, contributing to groundwater contamination, heavy metal exposure and greenhouse gas emissions.
Currently, among more sustainable options, composting is the most used method. Composting is a simple technology and does not require complex equipment, nonetheless, it presents some challenges such as long processing times and insufficient quality that does not compete with chemical fertilizers. To increase composting efficiency, it is important to optimize physiochemical parameters such as pH, C/N ratio, moisture and aeration. Because bio-waste does not have alone the optimal physiochemical characteristics for composting, bulking agents like sawdust, woodchips and straw are added to adjust starting conditions. These materials are not only influencing the physiochemical properties of compost but also the microbial community that transforms the organic matter.
Microbial communities are central to the composting process. Fungi and bacteria are the most important microorganisms involved and usually include saprophytes capable of degrading several types of substrates, including the recalcitrant ones like lignin. Bacteria typically dominate during the thermophilic phase, where temperatures can reach 60°C, while fungi are more active during the starting and final phase. The study of microbial dynamics during composting is fundamental to optimizing the composting process. Technologies like high-throughput sequencing (HTS) enabled complete microbial profiling without the limitation of culture-based approach, that remains fundamental for isolating novel strains with potential biotechnological applications. Some isolated microorganisms have been tested as inoculants to increase the efficiency of compost. This methodology, known as bioaugmentation, has gained attention but is still debated in the scientific community because of contrasting results and difficulties in replication and results comparison. Similar obstacles exist for the assessment of compost maturity, because many parameters are context dependent and are not standardized at international level.
The research carried out during this PhD aimed to contribute to the implementation of the composting process, from the formulation of compost mixtures to the quality evaluation of the final product.
An initial study tested three different proportions of woodchips as bulking agent for bio-waste composting, measuring both physical (e.g. temperature and moisture) and chemical (e.g. pH, N content) parameters. At the same time, microbial community analysis was carried out using both culture-dependent methods and HTS. The results obtained enabled the determination of correct bulking agent ratio, the isolation of microorganisms with potential use for bioaugmentation, the investigation of microbial dynamics and the identification of taxa associated with specific mixtures.
Building on this, a more complete analysis of the fungal community was performed. Four distinct mixtures (two designed to represent optimal composting conditions and two under suboptimal
conditions) were designed using woodchips or a perlite and cardboard blend. HTS identified a core fungal community shared across all mixtures and its succession through composting phases. Moreover, it determined indicator taxa linked to specific mixtures, especially during the late stages, offering cues for their use as biomarkers for compost quality assessment.
Subsequently, the possibility of reusing phytopathogen-infected woody material as a bulking agent under optimal composting conditions was explored. Using Phytophthora cinnamomi as a model plant pathogen, its persistence was investigated using three different diagnostic techniques: baiting, qPCR and HTS. By the end of the composting process, no P. cinnamomi was found, confirming that a composting process under optimal conditions can effectively eradicate this pathogen. Moreover, with HTS it was possible to identify the decline of the DNA of other plant pathogens which were present in the starting material. This study demonstrated the possibility to produce a pathogen free compost from recycled horticultural and nursery waste without the need for complex composting infrastructure.
In a final experiment, the bacterium Bacillus velezensis, isolated during the first study, was selected for compost bioaugmentation. This experiment was carried out with the collaboration of Dr. Paolo Roberto di Palma and Dr. Giulio Gazzola of the Laboratory of Technologies for the Reuse, Recycling, Recovery and Valorization of Waste and Materials (USER Division, SSPT Department, ENEA Casaccia, Italy), that provided bioreactors for composting and sensors for monitoring process parameters. The use of B. velezensis increased microbial activity, as demonstrated by higher temperatures during the thermophilic phase, CO2 emissions and carbon degradation. Unfortunately, this did not reflect in changes in the chemical properties of the final product in comparison with the non-bioaugmented treatments. To obtain more marked differences, further research is needed to optimize the concentration of inoculum to be added.
The results of this PhD research contribute significantly to composting process optimization and to the understanding of its microbial ecology and demonstrate how molecular diagnostics can serve to improve compost efficiency, safety and quality. These contributions will help with the development of more suited waste management practices.
L’aumento della popolazione mondiale pone grandi sfide nella gestione dei rifiuti, con una produzione globale di rifiuti urbani stimata a 3,4 miliardi di tonnellate all’anno entro il 2050. In Europa, a partire dal 1990, l’Unione Europea ha emanato diverse Direttive per promuovere una gestione sostenibile dei rifiuti. La frazione organica dei rifiuti urbani rappresenta la parte più consistente e costituisce una risorsa preziosa per la produzione di energia, fertilizzanti e biogas. Tuttavia, la maggior parte di questi rifiuti viene ancora gestita in modi poco sostenibili, come la discarica e l’incenerimento, contribuendo alla contaminazione delle acque sotterranee, all’esposizione a metalli pesanti e alle emissioni di gas serra.
Attualmente, tra le opzioni più sostenibili, il compostaggio è il metodo più utilizzato. Si tratta di una tecnologia semplice, che non richiede attrezzature complesse, ma che presenta alcune criticità, come i lunghi tempi di processo e una qualità del prodotto finale spesso insufficiente a competere con i fertilizzanti chimici. Per aumentare l’efficienza del compostaggio è fondamentale ottimizzare parametri chimico-fisici come pH, rapporto C/N, umidità e aerazione. Poiché i rifiuti organici non possiedono di per sé caratteristiche ottimali, vengono aggiunti materiali strutturanti (bulking agents) come segatura, cippato e paglia per correggere le condizioni iniziali. Questi materiali influenzano non solo le proprietà chimico-fisiche del compost, ma anche la comunità microbica che trasforma la sostanza organica.
Le comunità microbiche sono centrali nel processo di compostaggio. Funghi e batteri sono i principali microrganismi coinvolti e includono solitamente saprofiti in grado di degradare diversi substrati, anche i più recalcitranti come la lignina. I batteri dominano tipicamente durante la fase termofila, in cui le temperature possono raggiungere i 60°C, mentre i funghi sono più attivi nelle fasi iniziale e finale. Lo studio delle dinamiche microbiche è quindi fondamentale per l’ottimizzazione del processo di compostaggio. Tecnologie come l’High-Throughput Sequencing (HTS) consentono una caratterizzazione completa delle comunità microbiche, superando i limiti degli approcci colturali, che rimangono comunque essenziali per isolare nuovi ceppi di interesse biotecnologico. Alcuni microrganismi isolati sono stati testati come inoculi per aumentare l’efficienza del compost, in una pratica nota come bioaumentazione. Questa metodologia ha suscitato crescente interesse, ma è ancora dibattuta a causa di risultati contrastanti e difficoltà di replicazione e confronto tra studi. Analoghe problematiche si riscontrano nella valutazione della maturità del compost, in quanto molti parametri sono dipendenti dal contesto e non standardizzati a livello internazionale.
La ricerca condotta in questo dottorato ha mirato a contribuire al miglioramento del processo di compostaggio, dalla formulazione delle miscele alla valutazione della qualità del prodotto finale. Un primo studio ha testato tre differenti proporzioni di cippato come materiale strutturante nel compostaggio di rifiuti organici, monitorando parametri fisici (ad es. temperatura e umidità) e chimici (ad es. pH, contenuto di azoto). In parallelo, è stata analizzata la comunità microbica mediante approcci colturali e HTS. I risultati hanno permesso di definire il corretto rapporto di materiale strutturante, isolare microrganismi di potenziale interesse per la bioaumentazione, studiare le dinamiche microbiche e identificare taxa associati a specifiche miscele.
Successivamente, è stata condotta un’analisi più approfondita della comunità fungina. Sono state progettate quattro miscele (due rappresentanti condizioni ottimali e due subottimali), utilizzando
cippato o una combinazione di perlite e cartone. L’HTS ha permesso di identificare un nucleo di comunità fungine condivise in tutte le miscele e di seguirne la successione durante le diverse fasi di compostaggio. Inoltre, sono stati individuati taxa indicatori legati a specifiche miscele, soprattutto nelle fasi finali, suggerendo un potenziale utilizzo come biomarcatori per la valutazione della qualità del compost.
Un ulteriore studio ha esplorato la possibilità di riutilizzare materiale legnoso infetto da fitopatogeni come materiale strutturante in condizioni di compostaggio ottimali. Utilizzando Phytophthora cinnamomi come patogeno modello, la sua persistenza è stata indagata con tre tecniche diagnostiche: baiting, qPCR e HTS. Al termine del processo di compostaggio, P. cinnamomi non è stata rilevata, confermando che un processo condotto in condizioni ottimali è in grado di eradicare efficacemente questo patogeno. Inoltre, grazie all’HTS è stato possibile osservare il declino del DNA di altri fitopatogeni presenti nel materiale iniziale. Lo studio ha dimostrato la possibilità di produrre un compost privo di patogeni a partire da scarti orticoli e vivaistici riciclati, senza la necessità di infrastrutture complesse.
Infine, il batterio Bacillus velezensis, isolato durante il primo studio, è stato selezionato per esperimenti di bioaumentazione del compost. Questa prova è stata realizzata in collaborazione con il Dr. Paolo Roberto di Palma e il Dr. Giulio Gazzola del Laboratorio Tecnologie per il Riuso, Riciclo, Recupero e Valorizzazione di Rifiuti e Materiali (Divisione USER, Dipartimento SSPT, ENEA Casaccia, Italia), che hanno fornito bioreattori e sensori per il monitoraggio dei parametri di processo. L’inoculo di B. velezensis ha aumentato l’attività microbica, come dimostrato da temperature più elevate nella fase termofila, maggiori emissioni di CO₂ e una più intensa degradazione del carbonio. Tuttavia, ciò non si è tradotto in variazioni significative nelle proprietà chimiche del prodotto finale rispetto ai trattamenti non bioaumentati. Per ottenere differenze più marcate, saranno necessari ulteriori studi per ottimizzare la concentrazione di inoculo da applicare.
I risultati di questa ricerca di dottorato contribuiscono in modo significativo all’ottimizzazione del processo di compostaggio e alla comprensione della sua ecologia microbica, dimostrando come le tecniche di diagnostica molecolare possano migliorare efficienza, sicurezza e qualità del compost. Questi contributi supporteranno lo sviluppo di pratiche di gestione dei rifiuti più sostenibili.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, Tecnologie e Biotecnologie per la Sostenibilità
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