Riciclo e valorizzazione dei sottoprodotti dell’industria olearia: effetti sul microbiota del sistema suolo-pianta

Abstract

Il presente lavoro di Dottorato s’inquadra nell’ottica del riciclo e della valorizzazione degli scarti derivanti dalle attività agro-industriali ed in particolare quelli prodotti dall’industria olearia. Nel bacino del Mediterraneo, infatti, l’attività di estrazione di olio d’oliva genera una grande quantità di sottoprodotti in un breve periodo dell’anno. Questi sottoprodotti sono ricchi di polifenoli difficili da degradare e presentano, quindi, una possibile fonte di contaminazione ambientale. Per tale ragione assume enorme importanza la ricerca di strategie di smaltimento e riciclo che, oltre che minimizzare tali svantaggi, possano valorizzare questi scarti trasformandoli in risorsa. Il riutilizzo in agricoltura di tali sottoprodotti sembra una buona strategia per trasformarli in risorsa, attraverso, ad esempio, il diretto spandimento in campo eseguito secondo appropriate norme stabilite dai governi nazionali. Le sanse, possono inoltre essere sottoposte al processo di compostaggio che, trasformandole in un ammendante di qualità, può permetterne l’impiego come substrato da invasatura in sostituzione della torba o di altro materiale organico-minerale. Ciò può contribuire a ridurre i crescenti problemi economico - ambientali connessi all’impiego della torba e all’utilizzo di concimi chimici. E’ noto che le comunità microbiche del suolo svolgono funzioni molto importanti nel corretto funzionamento dell’ecosistema suolo-pianta, come, ad esempio, la ciclizzazione e la disponibilità dei nutrienti, il mantenimento della struttura del suolo e la difesa dai patogeni delle piante. In questa cornice d’implementazione di strategie di riciclo e valorizzazione degli scarti di frantoio appare, quindi, importante verificare, se la loro incorporazione nel suolo possa avere sul microbiota del sistema suolo-pianta conseguenze negative o se, al contrario, questa possa portare ad un miglioramento delle sue funzioni. A tal proposito negli ultimi decenni lo studio dell’ecologia microbica viene affrontato attraverso l’utilizzo dei metodi molecolari basati sull’estrazione del DNA metagenomico. E’ ormai noto che quest’approccio consente di avere una visione più completa della biodiversità microbica di un ambiente perché evita il passaggio della coltivazione in laboratorio e quindi lo svantaggio ad essa connessa dato dal fatto che solo l’1% dei microrganismi esistenti si stima essere coltivabile. In questo lavoro sono state utilizzate due tipologie di sanse, quella tradizionale, prodotta dal sistema estrattivo continuo a 3 fasi, e quella umida, prodotta dal sistema estrattivo a 2 fasi. Entrambi questi scarti sono, inoltre, stati utilizzati sia tal quali che previo processo di compostaggio. Nella prima parte della tesi è stata affrontata una prova di spandimento in pieno campo (oliveto) di entrambi i tipi di sansa, sia tal quale che compostata. Nella seconda parte della tesi sono state, invece, allestite due prove con l’obiettivo di valutare la valorizzazione degli scarti di frantoio come possibili sostituti della torba per la coltivazione di piante in vaso. Una prima prova su piccola scala ha riguardato la parziale incorporazione nel substrato da invasatura di sansa umida, sia utilizzata tal quale sia previo compostaggio. Una seconda prova, è stata quindi allestita nell’ambito di un progetto europeo, con l’obiettivo di valutare l’utilizzo su larga scala di substrati da invasatura per la coltivazione in vaso di piante ornamentali, formulati con quantità crescenti di compost di sansa. Dalla prova di spandimento in pieno campo, l’utilizzo dei sottoprodotti tal quali e compostati provocava modificazioni alle comunità batteriche e fungine del suolo, in particolare, mentre i batteri erano solo transitoriamente influenzati dagli ammendanti, la comunità dei funghi era profondamente influenzata, specialmente dagli ammendanti non compostati. Quando i sottoprodotti sono stati utilizzati per la formulazione di substrati da invasatura, la sansa tal quale causava, rispetto alla sansa compostata e specialmente nelle fasi iniziali di coltivazione in vaso, una evidente alterazione della crescita e della diversità delle popolazioni batteriche di suolo e rizosfera. Questa evidenza era supportata anche dall’identificazione delle popolazioni batteriche presenti dopo 30 giorni che confermava lo squilibrio della comunità da parte della sansa tal quale, mentre il compost induceva effetti simili al controllo. La sansa provocava profonde modificazioni anche alla comunità fungina e questo era particolarmente evidente nel suolo. Nella rizosfera, anche il compost produceva effetti alterando la composizione della comunità, come suggeriva l’identificazione delle popolazioni 30 giorni. L’analisi delle dinamiche confermava che questi effetti permanevano per tutta la durata della prova. Queste evidenze, nel complesso, suggerivano che gli effetti osservati dopo 30 giorni avevano una relazione con il rallentamento della crescita della pianta che avveniva proprio nel primo periodo di coltivazione. Inoltre, dalla prova su larga scala si osservava come il compost in parziale sostituzione della torba apportasse, in alcuni casi, miglioramenti alla pianta che, tuttavia, solo in parte erano correlati all’impatto osservato sulle comunità batteriche e fungine di suolo e radici. Infatti, nonostante si osservasse un’influenza sui batteri e sui funghi del suolo, questi effetti non erano significativamente connessi alla crescita della pianta, invece, a livello delle radici e solo nel caso dei batteri, una correlazione significativa (negativa) era presente suggerendo l’importanza delle popolazioni batteriche che abitano questo comparto. Concludendo, il compostaggio dei sottoprodotti dei frantoi oleari si è rivelato un ottimo metodo per riciclare e soprattutto valorizzare questa tipologia di scarto agro-industriale, e, in particolare, nell’ambito dell’industria florovivaistica. Inoltre, chiare evidenze supportano la relazione tra il microbiota del sistema suolo-pianta e la salute della pianta, suggerendo l’importanza dell’identificazione delle popolazioni presenti in questo ecosistema per così meglio comprendere quali in particolare sono mediatrici degli effetti descritti.

The present PhD Thesis regards the recycling and valorisation of agro-industrial wastes, in particular those coming from olive industry. It is well known that the Mediterranean area is characterized by an increasing olive oil production that poses several environmental challenges since it produces a large amount of olive mill waste (OMW) in a short period of time. The oil extraction by-products, particularly those coming from the new two-phase extraction technology (TPOMW), represent a serious environmental problem, mainly for their phenol content, and are considered as potential environmental pollutants. For this reason an increasing attention is attracting scientists to find winning strategies to recycle and valorise these wastes. The OMW-reuse in agriculture seems to be a good recycling way, as they can be used as field amendments in compliance with national standards. Furthermore, TPOMW, referred as olive husk, can be composted and thus transformed in a high-quality product that can be used as peat substitute in the nursery plant cultivation. Peat is, in fact, the most widely used substrate for potted plant production in nurseries but, due to concerns about destruction of peat bogs and the heavy costs for its transport from possessing countries, olive mill wastes can be considered for their potential as substitutes for peat. It’s well known that soil microorganisms play a key role in the plant-soil system, enhancing nutrients cycling and availability, improving soil structure and contrasting plant diseases caused by pathogens. In this frame of environmental sustainability, namely the implementation of OMW-valorization methods, the investigation of the effects of OMW incorporation on the plant-soil microbiota is crucial, since it could have possible negative or positive effects on these functions improvement. In the last decades the study of microbial ecology is carried on by the molecular approach based on metagenomic DNA extraction from environmental samples. This approach can give a more complete insight of biodiversity present in an environment because it avoids bias due to laboratory cultivation. In this work thesis, two different solid OMWs were used: traditional husk coming from a three phase extraction system, and humid husk, coming from the new two phase extraction technology. These wastes were used either fresh or composted and their effects were investigated on the plant-soil microbiota. In the first part of the work these two waste, either fresh and composted, were used as soil amendments on an olive orchard. In the second part, they were used as peat surrogates either in a greenhouse potted olive plant cultivation or in the cultivation of ornamental trees at industry scale. The olive tree cultivation, the humid husk, either fresh or composted, partially replaced peat in the growth medium, while, in the farmscale cultivation trial, increasing amounts of composted husk replaced peat in the nursery medium composition. In the field trial, results indicated that soil amendments had an impact on soil microrganisms. While bacteria were only transiently influenced, fungi were strongly affected both in the community structure and abundance. These evidences clearly indicated that bacteria in an open environment, such as the field, had a good resilience capacity, differently from fungi. As fresh and composted husk were used in pot olive tree cultivation, the fresh one caused a strong influence both on bacterial and fungal populations of soil and rhizosphere samples. In particular, humid husk strongly impacted bacteria both in the dynamic populations and in their composition after 30 days as DGGE analysis and NGS sequencing showed after this period. Differently, composted husk showed weaker effects especially in the community composition since it caused similar effects to those of the control. The fungal community was also strongly impacted by both treatments, especially by the fresh one. These effects could be observed after 30 days of cultivation in the fungal dynamics, abundance and composition as suggested by DGGE and qPCR analysis and sequencing approach in soil and rhizosphere samples. In particular, while fresh husk had a stronger impact on fungal soil community than the composted one, in rhizosphere, both OMW-containing media affected fungal community. These results taken together with plant growth analysis showed a clear relationship between the strong influence on microbial community after 30 days and the observed slowdown of plant growth occurring after the first period of cultivation (0-120 days). The results of the farm-scale cultivation trial indicated that increasing the amount of composted husk in the nursery medium composition, only partially enhanced the plant growth. Furthermore, this compost impacted bacterial and fungal community structure after six months of cultivation. In particular, although soil bacteria and fungi were strongly impacted from composted husk, no significant correlations were found with plant growth. On the contrary, endophytic bacteria of roots that were less impacted than the respective soil community from compost, showed significant (negative) correlation with plant growth, suggesting the importance of these microrganisms inhabiting roots. In this work the composting of olive mill wastes was a successful strategy in the frame of olive industry by-products valorisation. Furthermore, clear evidences support the relationship between plant-soil microbiota and plant health suggesting the importance of identifying microbial populations specifically involved in the mediaton role of beneficial effects on plants.