Fertilizers from agri-food waste: a sustainable way to improve vegetative and productive performance of different crops

L’agricoltura moderna si trova ad affrontare la sfida di mantenere elevate rese produttive e di ridurre l’impatto ambientale, soddisfacendo al contempo la crescente domanda di prodotti di alta qualità, plasmata da aspettative dei consumatori sempre più elevate. Il passaggio verso modelli produttivi circolari e sostenibili ha stimolato l’esplorazione di input alternativi e strategie di coltivazione volte a minimizzare gli sprechi e a chiudere i cicli dei nutrienti. Questa tesi contribuisce a tale transizione valutando l’uso singolo o combinato di biochar, distillato di legno e biostimolanti sperimentali di origine fermentativa prodotti a partire da scarti agroalimentari come materie prime di partenza, in diversi sistemi di coltivazione fuori suolo e su differenti colture. L’introduzione delinea il quadro teorico della tesi, con particolare attenzione ai sistemi di coltivazione fuori suolo sostenibili, che rappresentano il metodo produttivo adottato in tutte le prove sperimentali, estendendosi ai concetti più ampi di circolarità ed efficienza nell’uso delle risorse nell’orticoltura moderna. Dopo questa sezione introduttiva, la parte sperimentale della tesi è suddivisa in due sezioni principali, ciascuna focalizzata su una distinta linea di ricerca. La prima sezione è dedicata alla valutazione sperimentale del biochar, un materiale ricco di carbonio derivato dalla pirolisi della biomassa, utilizzato da solo o in combinazione con il distillato di legno. Con un focus principale su pomodoro (Solanum lycopersicum L.) e mirtillo americano (Vaccinium corymbosum L.), la tesi integra approcci agronomici, biochimici, meccanici e microbiologici per valutare come questi materiali influenzino le prestazioni delle piante, le caratteristiche del substrato e, soprattutto, la qualità dei frutti. Il biochar rappresenta inoltre un’alternativa sostenibile per la parziale sostituzione di substrati convenzionali come la fibra di cocco, che, sebbene più sostenibile della torba, non è prodotta in Europa e comporta elevati costi ambientali ed economici legati all’importazione. L’esplorazione di materiali di origine locale come il biochar è pertanto essenziale per lo sviluppo di nuove formulazioni di substrati in grado di sostenere le prestazioni colturali riducendo al contempo l’impronta ambientale della produzione orticola. Il biochar è stato incorporato in substrati inerti come fibra di cocco o perlite a concentrazioni comprese tra il 2% e il 10% del volume del contenitore, mentre il distillato di legno, una frazione liquida del processo di pirolisi ricca di composti bioattivi quali acidi organici e fenolici, è stato applicato a concentrazioni comprese tra 2 e 5 mL L⁻¹, mediante fertirrigazione, distribuzione radicale o applicazioni fogliari, a seconda della coltura e del disegno sperimentale. Un risultato rilevante di questa ricerca è che l’aggiunta di piccole percentuali di biochar ai sacchi di coltivazione fuori suolo del pomodoro e al substrato di coltivazione del mirtillo non ha determinato riduzioni di resa, il che rappresenta già un risultato molto positivo; nel caso del mirtillo, il trattamento con il 10% di biochar ha persino mostrato effetti benefici, con un aumento della produzione. Inoltre, le analisi meccaniche hanno evidenziato che il biochar ha migliorato la consistenza, l’elasticità e il modulo elastico apparente dei frutti, aumentando la resistenza del pomodoro alla deformazione e potenzialmente prolungandone la shelf life. Tali effetti sottolineano la rilevanza agronomica e post-raccolta della gestione del substrato in agricoltura. Il distillato di legno ha mostrato effetti costanti, in particolare nel miglioramento di parametri qualitativi dei frutti, tra cui colore, capacità antiossidante e contenuto totale di solidi solubili. Quando applicati congiuntamente, biochar e distillato di legno hanno evidenziato potenziali effetti sinergici sulla qualità dei frutti, sebbene la loro efficacia sia risultata variabile in funzione della specie coltivata e delle condizioni di trattamento. Da un punto di vista molecolare, sono state condotte ulteriori analisi sulle piante di mirtillo per indagare se e come il biochar influenzi l’espressione genica. Inoltre, analisi fisiologiche e molecolari effettuate su giovani piante di mirtillo non produttive, trattate con biochar in condizioni di vaso, hanno rivelato che il biochar influenza l’espressione genica fin dalle prime fasi di sviluppo, modulando in particolare geni legati alla crescita, alla modificazione della parete cellulare e alla segnalazione ormonale, oltre a migliorare l’efficienza fotosintetica e l’ottimizzazione dell’uso della luce. La seconda sezione sperimentale esplora la linea di ricerca incentrata sullo sviluppo e sulla valutazione di biostimolanti sperimentali di origine fermentativa ottenuti dalla valorizzazione degli scarti di lavorazione di pomodoro e kiwi mediante fermentazione lattica. Applicati alle piante di pomodoro, questi biostimolanti hanno incrementato l’attività antiossidante dei frutti, la concentrazione di licopene e l’equilibrio zuccheri–acidi, mantenendo una crescita vegetativa stabile e, in alcuni casi, aumentando la resa. Le analisi microbiologiche hanno indicato che i biostimolanti di origine fermentativa modulano in modo sottile la struttura funzionale delle comunità microbiche del substrato, promuovendo taxa associati al ciclo dei nutrienti e alla tolleranza agli stress. Questi risultati confermano il potenziale della fermentazione microbica come strumento per trasformare gli scarti alimentari in biostimolanti efficaci, rafforzando la circolarità all’interno della filiera orticola. La sezione finale integra i principali risultati e presenta le conclusioni generali e le prospettive future della tesi. I risultati evidenziano come biochar, distillato di legno e biostimolanti di origine fermentativa rappresentino strategie complementari ed efficaci per migliorare la sostenibilità ambientale e funzionale dei sistemi orticoli fuori suolo. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per consolidarne e ampliarne l’applicazione. In particolare, la standardizzazione dei processi produttivi e della composizione dei prodotti rimane una sfida cruciale, poiché materie prime quali residui agricoli e sottoprodotti della biomassa possono variare ampiamente in funzione dell’origine, della storia di lavorazione e delle fluttuazioni stagionali. Gli studi futuri dovrebbero pertanto concentrarsi sulla definizione di procedure produttive riproducibili e di standard qualitativi per garantire la costanza, la sicurezza e l’efficacia di questi materiali. Inoltre, lo sviluppo di protocolli standardizzati e la valutazione di risposte specifiche di genotipo saranno essenziali per supportarne un’adozione affidabile e su larga scala nei moderni sistemi di produzione orticola.