Nozioni di base sulle alghe

algaeurope.org   Donne di alghe

Capitolo 1
La piccola pianta che ha salvato il nostro pianeta

Capitolo 2
Che cos'è tutto sulle alghe?

Capitolo 3
Storia e politica delle alghe

Capitolo 4
Quali sono i vantaggi competitivi delle alghe?

Capitolo 5
Classificazione delle alghe

Capitolo 6
Selezione delle specie algali

Capitolo 7
Coltivazione algale

Capitolo 8
Le alghe ci hanno reso umani?

Le alghe convertono la CO2

Le alghe convertono la CO2 in un legame vegetale e rilasciano O2

Nozioni di base sulle alghe del Dr. Mark Edwards

CAPITOLO 1: La piccola pianta che ha salvato il nostro pianeta

ALe alghe hanno salvato il nostro pianeta trasformando la nostra atmosfera in ossigeno, permettendo alla vita di esistere. Le alghe ci hanno salvato di nuovo fornendo il primo cibo della Terra. Le alghe potrebbero salvare ancora una volta il nostro pianeta?

La Terra primitiva non sosteneva né creature viventi né cibo. Circa 3.7 miliardi di anni fa non esisteva vita perché la superficie terrestre era troppo calda e non c'era ossigeno. L'atmosfera terrestre era composta da una coltre di CO2 mortale e intrappolante il calore e gas metano.

I reperti fossili mostrano che una minuscola pianta emerse nella zuppa primordiale e fece una cosa straordinaria. La pianta ha assorbito l'energia del sole e ha utilizzato una reazione chimica, la fotosintesi, per dividere una molecola di CO2 e una d'acqua. La minuscola pianta ha convertito l'atomo di carbonio in un legame vegetale verde ad alta energia, un idrocarburo, prendendo due atomi di idrogeno da H2O e rilasciando la molecola di ossigeno nell'atmosfera. Le alghe avevano iniziato il loro lavoro per cambiare l'atmosfera.

L'abiogenesi, lo studio di come è emersa la vita sulla terra, utilizza una teoria del brodo primordiale e suggerisce che le condizioni chimiche sulla Terra hanno creato gli elementi costitutivi essenziali della vita. Mentre continua il dibattito su come sia stata sintetizzata esattamente la prima vita, i fossili suggeriscono che la prima cellula vegetale, i cianobatteri, noti anche come alghe blu-verdi, aveva le dimensioni di una nanoparticella, 5 µ (micron). Il periodo alla fine di questa frase è di circa 500 µ.

Le alghe raccolgono sistematicamente l'energia solare, sequestrano atomi di carbonio e rilasciano ossigeno. Muovendosi alla velocità incredibilmente lenta di una minuscola molecola alla volta, le alghe hanno trasformato l'aspra atmosfera di anidride carbonica che non poteva sostenere la vita in un'atmosfera di ossigeno che sosteneva la vita. Le alghe hanno impiegato altri 3 miliardi di anni per creare ossigeno sufficiente per supportare altre forme di vita perché le piante terrestri si sono evolute dalle alghe solo circa 500 milioni di anni fa.

La trasformazione atmosferica delle alghe ha permesso lo sviluppo di altre piante acquatiche, pesci, insetti, piante terrestri, anfibi, rettili e infine animali terrestri. Anche se le microalghe sono le piante più piccole del nostro pianeta, ogni giorno le alghe creano il 70% dell'ossigeno atmosferico, più di tutta la foresta e i campi messi insieme.

Il secondo regalo delle alghe: il cibo
Il contributo delle alghe alla nostra atmosfera ricca di ossigeno è eguagliato dall'altro dono di questa piccola pianta, che funge da base della catena alimentare. Molte delle prime piante e creature acquatiche dipendevano dalle alghe come fonte di cibo. Le alghe servono come cibo nutriente per tutto, dal più piccolo fitoplancton al più grande mammifero sulla terra, la grande balenottera azzurra, perché la pianta offre un eccellente insieme di proteine, minerali e vitamine. Ogni giorno, mentre le alghe catturano CO2 e rilasciano ossigeno puro, la biomassa verde fornisce cibo a organismi 100 volte più di qualsiasi altra fonte di cibo sulla Terra.

Le condizioni brutali sulla Terra hanno significato che le prime cellule di alghe dovevano evolversi e ri-evolvere milioni di volte mentre i loro microambienti si schiantavano con tempeste elettriche e calore intenso seguiti da gelate e piogge di meteoriti di rocce surriscaldate. Le alghe hanno mostrato un'incredibile persistenza e hanno sviluppato un'ampia varietà di meccanismi di difesa che hanno permesso alle piante di sopravvivere e di propagarsi. La capacità delle alghe di adattarsi rapidamente per sopravvivere ha portato a circa 10 milioni di specie di alghe, ognuna con capacità di crescita e composizione della biomassa uniche.

Poiché le alghe formavano il gradino più basso della catena alimentare, hanno sviluppato una brillante strategia di sopravvivenza: la capacità di crescere più velocemente di quanto i suoi predatori potessero mangiare. Gli erbivori che si nutrivano di alghe mangiavano molte ma non tutte le piante a crescita rapida. La capacità di propagarsi più velocemente di quanto i suoi predatori potessero divorarli ha creato un enorme vantaggio competitivo e ha assicurato la sopravvivenza delle alghe. Le alghe potrebbero essere state il primo pasto gratuito perché molte specie hanno sviluppato la capacità di raddoppiare la propria biomassa prima di mezzogiorno. Una singola cellula algale può creare un milione di figli in un giorno.

Le fioriture di alghe erano comuni negli antichi oceani, laghi e stagni. I combustibili fossili che bruciamo oggi sono costituiti principalmente da alghe fossilizzate. A scuola viene insegnato ai bambini che il petrolio greggio proviene dai dinosauri, ma i dinosauri hanno vagato per la terra circa 200 milioni di anni troppo tardi per diventare la biomassa preferita per i combustibili fossili.

La maggior parte delle specie di alghe sono così piccole che sono visibili solo al microscopio. Tuttavia, le alghe possono raggrupparsi, raggrupparsi, raggrupparsi o crescere in formazioni visibili e commestibili. Le alghe in genere sono più pesanti dell'acqua e si depositano, creando uno strato di neve verde sul fondo di uno stagno. L'energia solare verde delle alghe alimenta la crescita di trilioni di organismi ogni giorno mentre l'energia immagazzinata dalle alghe risale la catena alimentare.

Le alghe marine chiamate alghe o macroalghe spesso crescono in forme che hanno l'aspetto di piante terrestri con pseudo radici, tronchi e foglie. Questa evoluzione parallela consente alle alghe marine di crescere fino a dimensioni grandi come alberi. Le macroalghe vengono spesso mangiate direttamente da pesci e mammiferi come lontre marine, lamantini, delfini e balene. Le macroalghe forniscono una varietà di colori brillanti per gli oceani e molta più biomassa di quella che gli erbivori possono mangiare.

Le alghe crescono nelle foreste sotto le calotte polari, nei terreni sotto i ghiacciai, nei deserti più caldi e aridi, nelle piscine, negli acquari e nei corsi d'acqua. La semplicità delle alghe consente a queste piante di essere incredibilmente robuste; non solo sopravvivono, ma producono biomassa di alto valore in ambienti estremamente difficili. Gli ambienti più difficili esistenti sulla Terra oggi probabilmente sembrano addomesticati a una pianta che è sopravvissuta alle dure condizioni ambientali miliardi di anni fa.

Ingressi abbondanti
Le alghe utilizzano input abbondanti e spesso in eccesso, tra cui luce solare, CO2 e rifiuti, acqua salata o oceanica. La fotosintesi delle alghe sottrae CO2 e sostanze nutritive all'acqua circostante e produce biomassa vegetale costituita da varie forme di lipidi (oli), proteine ​​e carboidrati. Il processo rilascia nell'atmosfera una notevole quantità di ossigeno puro.

Le alghe utilizzano input abbondanti ed economici

Le alghe utilizzano input abbondanti ed economici

Le alghe fungono da principale fonte di cibo per molti organismi in ambienti naturali senza coltivazione umana. Le alghe selvatiche che crescono in ambienti naturali producono una crescita della biomassa incredibilmente rapida, ma non sono né affidabili né sostenibili perché la produzione in genere si blocca a causa della limitazione dei nutrienti o dell'attacco dei predatori. La coltivazione di alghe in stagni, abbeveratoi o contenitori consente significativi miglioramenti della produttività rispetto alle alghe selvatiche perché possono essere forniti nutrienti sufficienti e i predatori gestiti o evitati.

La limitazione dei nutrienti più comune negli ambienti naturali si verifica da carbonio, azoto o fosforo. I nutrienti inorganici, come l'azoto, sono disponibili solo nella misura in cui sono disponibili come ioni liberi, diluiti nell'acqua. Tuttavia, le alghe possono consumare rapidamente gli ioni disponibili in ambienti naturali come le lagune. Ancora una volta, le alghe si sono adattate strategicamente e molte specie hanno la capacità di consumare nutrienti organici da biomassa biologica o altri rifiuti.

Le alghe potrebbero salvarci di nuovo?
Le alghe umili hanno salvato il nostro pianeta sequestrando due libbre di CO2 in ogni chilo di biomassa algale. Oggi, la nostra atmosfera e gli oceani trasportano enormi quantità di CO2 dall'inquinamento da combustibili fossili causato dall'uomo. Le alghe possono svolgere un ruolo nel salvare nuovamente il nostro pianeta riducendo il carico di carbonio atmosferico. Le alghe possono anche ridurre i gas serra producendo combustibili liquidi per il trasporto a emissioni zero che riciclano il carbonio atmosferico sostituendo i combustibili fossili per il trasporto. I combustibili carbon neutral sono realizzati con materie prime di alghe quando l'energia di coltivazione, raccolta e raffinazione proviene da fonti rinnovabili come solare, vento, onde, geotermia o olio di alghe.

I combustibili algali offrono un vantaggio significativo in quanto bruciano in modo pulito, senza particolato nero di fuliggine. L'inquinamento da fuliggine nera che causa malattie polmonari, malattie respiratorie e cancro è derivato dalla fossilizzazione delle alghe in petrolio greggio, carbone e scisto nell'arco di 400 milioni di anni. I combustibili algali vengono prodotti in poche settimane e non sono fossilizzati, quindi bruciano in modo pulito in modo simile ai loro cugini terrestri: l'olio vegetale.

Le alghe promettono di fornire soluzioni tanto necessarie per le nostre società sempre più calde, affollate, affamate e consumatrici di energia. L'opportunità dinanzi a noi è quella di coltivare le alghe in un modo che coinvolga le persone di tutto il mondo a produrre cibo ed energia sostenibili ea prezzi accessibili per le loro esigenze familiari e comunitarie a livello locale.

CAPITOLO 2: Che cos'è tutto sulle alghe?

Biscotti alla Spirulina

Biscotti alla Spirulina. Foto per gentile concessione: thedorkyfrench.com

La catena del valore delle alghe.
Ale lghe potrebbero essere le migliori amiche dell'umanità. Le alghe possono fornire cibo e carburante sostenibili e convenienti, nonché soluzioni ecologiche e innovative. Qualsiasi cibo, fibra o materiale che può essere ricavato da colture terrestri può essere ricavato da alghe perché le piante terrestri si sono evolute dalle alghe 500 milioni di anni fa. Le alghe offrono una gamma molto più ampia di colori, consistenze, sapori e composti rispetto alle piante terrestri. Qualsiasi combustibile, plastica o altro materiale ottenuto da combustibili fossili può essere ricavato da alghe perché i combustibili fossili sono semplicemente alghe fossilizzate o organismi che si nutrono di alghe.

L'attributo algale più utile non è che possiamo ricavare qualsiasi cosa dalle alghe. Ciò che distingue le alghe dalle piante terrestri e dai combustibili fossili è il modo in cui vengono prodotti il ​​cibo, l'energia e i co-prodotti delle alghe. La nostra atmosfera è sovraccarica di CO2, che viene naturalmente riciclata o sequestrata con la produzione di alghe. Le colture alimentari falliranno con il riscaldamento globale, ma le alghe prosperano con il caldo. Il nostro mondo ha terreni coltivati ​​insufficienti per le colture alimentari, tuttavia le alghe possono produrre cibo ed energia supplementari su terreni non coltivati.

A livello globale, le società stanno vivendo una carenza di acqua dolce, ma le alghe prosperano nei rifiuti, nella salamoia o nell'acqua dell'oceano. Abbiamo già superato il picco del petrolio e le alghe possono fornire combustibili liquidi per il trasporto a un costo inferiore rispetto all'estrazione del petrolio greggio. Gli agricoltori affrontano una grave carenza di risorse naturali come il fosforo che le alghe possono recuperare, nonché riciclare e riutilizzare i nutrienti dai flussi di rifiuti animali e umani.

La coltivazione delle alghe può produrre biomassa preziosa utilizzando risorse fossili nulle o minime che competono con le colture alimentari terrestri e non richiedono terreni fertili, acqua dolce, combustibili fossili, fertilizzanti e prodotti chimici agricoli fossili. La co-localizzazione della produzione di alghe nelle fattorie o nelle discariche municipali consente alle alghe di trasformare questi costosi flussi di rifiuti da un centro di costo a profitto che fornisce energia, mangimi e fertilizzanti organici. La co-localizzazione della produzione di alghe vicino a fonti di carbonio come centrali elettriche o cementifici o birrifici offre potenziali soluzioni per l'inquinamento oltre alla produzione di biomassa per biocarburanti e preziosi co-prodotti. Mentre le alghe puliscono l'aria e l'acqua, la biomassa verde trasforma la CO2 e i nutrienti di scarto in preziosi zuccheri, proteine, lipidi, carboidrati e altri composti organici.

OI nostri attuali sistemi alimentari e di trasporto sono estremamente inquinanti per l'aria, il suolo e l'acqua. Le alghe possono produrre cibo e carburante a emissioni zero con un'impronta ecologica positiva. I nostri combustibili attuali bruciano emettendo particelle di fuliggine nere sporche, ma le alghe bruciano in modo pulito. I combustibili algali vengono prodotti in poche settimane e non hanno subito 300 milioni di anni di fossilizzazione profonda e sporca. I combustibili algali bruciano in modo pulito perché sono essenzialmente olio vegetale.

Le alghe fanno una ricerca affascinante perché secondo il principale libro di testo Alghe di James Graham, Lee Wilcox e Linda Graham, si stima che esistano 10 milioni di specie di alghe. Probabilmente il 90% di tutti i loro composti speciali resta da scoprire, descrivere e coltivare. Le alghe producono molti più composti di quelli che si trovano nelle piante terrestri o negli animali perché ci sono molte più specie di alghe rispetto ad altri organismi. Le alghe beneficiano di oltre 3 miliardi di anni in più di adattamento ed evoluzione rispetto alle piante terrestri e hanno creato ingegnose strategie di sopravvivenza per massimizzare la loro crescita e vitalità e per respingere i predatori.

I componenti algali sono già integrati in tutti i nostri alimenti, mangimi, cosmetici e medicinali. Un test di mercato presso l'Arizona State University ha rilevato che quasi il 70% dei prodotti che i consumatori acquistano comunemente al supermercato contiene componenti algali. La maggior parte delle persone non mangia direttamente le alghe, ma apprezza i prodotti a base di componenti algali che includono: farina di alghe al posto di farina di grano, mais o soia; oli algali più sani e meno grassi dell'olio di mais e nutrienti algali come gli Omega 3.

Il delizioso cioccolato algale a basso contenuto calorico consentirà ai consumatori di mangiare la loro torta senza sensi di colpa per le alte calorie. Oltre a ridurre i grassi e i nutrienti più elevati rispetto ai cibi a base di terra, la ricerca in Russia e Giappone suggerisce che le alghe possono alterare l'attività enzimatica nel fegato che controlla il metabolismo degli acidi grassi, con conseguente riduzione dei livelli di grassi, colesterolo e trigliceridi nel sangue .

Biscotto Al Cioccolato
Le alghe sono posizionate in modo univoco per fornire una catena del valore di prodotti e soluzioni per i bisogni umani critici. La catena del valore comprende alimenti sostenibili, combustibili, soluzioni ecologiche e innovative, rappresentate in Algae's Green Promise.

La promessa verde delle alghe

Cibo

  • Cibo. Le alghe forniscono cibi ad alto contenuto proteico, a basso contenuto di grassi, nutrienti, sani e deliziosi. Le alghe forniscono più vitamine, minerali e sostanze nutritive rispetto alle piante terrestri e sono un alimento salutare naturale. Le alghe non forniscono una soluzione completa per la malnutrizione a causa delle loro poche calorie.
  • Nota: il valore alimentare delle alghe sarà subottimale fino a quando non verranno trovate soluzioni per alcuni problemi chiave; rendendo digeribili le pareti cellulari dure e producendo meno acidi nucleici. Tutte le altre promesse verdi attendono solo sistemi di produzione di alghe coltivate su macro e micro scala.
  • Ingredienti. I componenti delle alghe migliorano circa il 70% dei prodotti nei supermercati moderni, tra cui latticini, birra, bibite, marmellate, prodotti da forno, zuppe, salse, ripieni di torte, torte, glasse, coloranti, rimedi per l'ulcera, aiuti digestivi, colliri, creme dentali , creme per la pelle e shampoo.
  • Foraggio. Le alghe producono alimenti per animali ricchi di proteine, a basso costo e nutrienti con numerose vitamine, minerali e sostanze nutritive. Sostituire la metà dei cereali forniti agli animali venduti come esportazioni statunitensi farebbe risparmiare 20 milioni di acri di terra coltivata e diversi trilioni di galloni di acqua dolce. La produzione locale di alghe nei villaggi alimenterebbe milioni di animali e salverebbe 20 milioni di acri all'anno di foreste e praterie dalla desertificazione a causa del foraggio animale.
  • Pesca. Le alghe forniscono un alto contenuto proteico; mangimi per pesci, vitamine e sostanze nutritive a basso costo e nutrienti. Le alghe possono essere coltivate in situ, nell'acqua con i pesci pinna ei crostacei. I pesci tendono a crescere più velocemente e con più vitalità sulle alghe rispetto ai grani di terra perché i pesci mangiano le alghe nel loro habitat naturale.

Carburante

  • Combustibili — biodiesel. Gli oli algali spremuti direttamente dalla biomassa algale producono biocarburante rinnovabile e sostenibile ad alta energia da luce solare, C02 e acque reflue. Sostituire la produzione statunitense di etanolo richiederebbe 2 milioni di acri di deserto, la metà di una contea dell'Arizona. Sostituire il mais con le alghe come materia prima per i biocarburanti salverebbe ogni anno 40 milioni di acri di terra coltivata, 2 trilioni di galloni d'acqua, 240 milioni di tonnellate di erosione del suolo e un vasto inquinamento idrico.
  • Combustibili: carburante per jet, etanolo e idrogeno. Le alghe possono produrre una varietà di combustibili liquidi per il trasporto ad alta energia, inclusa la benzina. Sebbene la raffinazione richieda generalmente più energia rispetto alla spremitura del petrolio algale, è probabile che gli Stati Uniti abbiano un surplus di capacità di raffineria di etanolo. Le alghe possono essere raffinate nelle raffinerie di combustibili fossili negli stessi prodotti ottenuti da combustibili fossili perché i combustibili fossili sono semplicemente alghe fossilizzate.
  • Combustibili fossili. La sostituzione della produzione di etanolo statunitense farebbe anche risparmiare 7 miliardi di galloni di combustibili fossili utilizzati per produrre etanolo. Spostare 1/10 della produzione agricola degli Stati Uniti dal diesel sporco al diesel algale pulito pulirebbe l'ambiente e risparmierebbe 20 miliardi di galloni di combustibili fossili all'anno. Risparmi ancora maggiori di combustibili fossili deriverebbero dall'utilizzo di oli algali per sostituire una parte del diesel utilizzato da camion, treni, navi e aerei.
  • Fuoco — cucinare. Il fumo nero dei fuochi di cottura e del riscaldamento con legna, erbacce e letame provoca la morte per fumo per 1.6 milioni e la disabilità per 10 milioni, per lo più donne e bambini ogni anno. La combustione pulita e l'olio di alghe ad alta energia possono porre fine alla morte del fumo e alle numerose disabilità del fumo. La sostituzione dell'olio di alghe con legno, letame e materiali agricoli farà risparmiare un'enorme quantità di lavoro dalla raccolta di legna da ardere e consentirà il rimboschimento delle foreste.

Soluzioni ecologiche

  • Acqua fresca. L'esecuzione delle acque reflue attraverso l'algacoltura alimenta le piante e pulisce l'acqua. La produzione di carburante, foraggio o fertilizzante utilizzando acque reflue o acqua salata consente di risparmiare acqua che altrimenti verrebbe utilizzata per le colture a terra. Sostituire la metà delle esportazioni alimentari statunitensi con alimenti di algacoltura risparmierebbe 30 milioni di acri di terra coltivata, 2 trilioni di galloni d'acqua e 5 miliardi di galloni di combustibili fossili.
  • Aria fresca. I gas di scarico delle ciminiere attraverso l'algacoltura rimuovono CO2, ossidi di azoto, zolfo e metalli pesanti come il mercurio da centrali elettriche o impianti industriali, sequestra i gas serra e pulisce l'aria. Le alghe rappresentano solo una soluzione parziale poiché la pianta cresce solo con il sole e le centrali elettriche funzionano 24 ore al giorno. Alcuni produttori hanno segnalato il successo con le luci di coltivazione per la produzione notturna.
  • Fertilizzante. Le alghe che fissano l'azoto possono fornire fertilizzanti ad alto contenuto di azoto a costi molto bassi sia nella produzione che negli input energetici. Il prodotto è naturale, supporta la produzione di alimenti biologici e può fornire fertilizzanti locali a basso costo agli agricoltori di sussistenza a livello globale. La cenere di alghe mantiene il valore fertilizzante dopo essere stata bruciata nei fuochi di cottura.
  • Foreste. L'olio di alghe ad alta energia può porre fine alla necessità di denudare foreste e praterie per cucinare e riscaldare il combustibile. Gli abitanti dei villaggi possono ripiantare le loro foreste con alberi di noci o legumi per il cibo per compensare le basse calorie fornite dai cibi algali.

Nuove soluzioni

  • Tessuti. I carboidrati algali sono simili al legno e possono essere trasformati in tessuti, carta e materiali da costruzione. La carta algale e i materiali da costruzione salvano le foreste. I tessuti salvano i terreni coltivati ​​per le colture alimentari e forniscono calore. Le alghe possono essere trasformate in plastica biodegradabile, biocarburanti o altri prodotti raffinati.
  • Aiuti esteri. Gli aiuti esteri americani forniscono cibo americano sovvenzionato, minano o distruggono la produzione alimentare locale perché gli agricoltori non possono competere con il cibo sovvenzionato dagli Stati Uniti. Regalare cibo non riesce ad affrontare la causa principale della fame e della povertà: il controllo locale sulle risorse alimentari e l'impegno della comunità. Gli aiuti esteri dell'algacultura trasferirebbero conoscenze e alcuni materiali di avviamento per coltivare alimenti algali, combustibili, foraggi, fertilizzanti e medicinali a livello locale.
  • Carestia e soccorso in caso di calamità. Le alghe, con il loro ricco insieme di vitamine e minerali, attivano il sistema immunitario e scongiurano la fame fornendo carburante, foraggio, tessuti, fertilizzanti e medicine raffinate. Il soccorso in caso di calamità con la produzione di algacoltura locale può prevenire la fame nella comunità per milioni di persone. La produzione locale di alghe risolve il problema critico della distribuzione del cibo.
  • Belle medicine. Medicinali, vaccini e prodotti farmaceutici di alta qualità e convenienti possono essere ottenuti da coprodotti algali o coltivati ​​in alghe bioingegnerizzate per produrre composti avanzati come antibiotici, vitamine, nutraceutici e vaccini. Questi composti vengono oggi coltivati ​​in piante e animali terrestri, quindi le alghe offrono una produzione significativamente più rapida ea costi inferiori. Le alghe di design coltivate localmente nei villaggi potrebbero salvare milioni di vite fornendo vaccini a basso costo o altri medicinali che non necessitano di confezionamento o distribuzione. Le medicine raffinate, in particolare i farmaci personalizzati su misura per un individuo, possono offrire più valore di tutti gli altri co-prodotti algali messi insieme.

Il primo sistema di produzione alimentare naturale sulla Terra, l'algacoltura, offre vantaggi straordinari. Le soluzioni ai sistemi di coltivazione commerciali e su piccola scala daranno il via a una corsa all'oro verde per produrre cibo, combustibili, foraggi, fertilizzanti e medicinali di alto valore e convenienti dalle alghe.

I prodotti alimentari algali possono creare un'abbondanza di cibo ed energia riducendo la domanda di prodotti alimentari che richiedono vasti terreni coltivati, acqua dolce, fertilizzanti e combustibili fossili. La produzione di cibo che aggiunge solo ossigeno all'atmosfera e non inquina gli ecosistemi locali fornirà un rendimento netto molto positivo per l'ambiente.

Adattato da: Green Solar Gardens: la promessa delle alghe per porre fine alla fame, 2009.

spirulina raccolta

Spirulina raccolta per il cibo.

CAPITOLO 3: Storia e politica delle alghe

Nall'inizio ogni società umana che viveva vicino a un oceano, un estuario o un lago usava le alghe per il cibo, il foraggio per i propri animali, fertilizzanti per i propri campi e medicinali per tagli, contusioni e disturbi allo stomaco. Le alghe essiccate fornirono il primo cibo pronto portatile e probabilmente servivano come wampum in commercio, insieme a perline di conchiglie bianche. Le prove archeologiche mostrano che i primi Neanderthal del Mediterraneo mangiavano alghe insieme ai crostacei.

La straordinaria capacità di produttività delle alghe è stata riconosciuta come una potenziale soluzione per la fame globale per oltre un secolo. L'entusiasmo per le alghe come soluzione alimentare globale è esploso più volte e ogni volta è esploso in modo ignobile. Nel 1890, gli esperti si preoccuparono della previsione di Thomas Malthus secondo cui la crescita della popolazione avrebbe superato il cibo e raccomandarono fonti di cibo non tradizionali tra cui lievito, funghi e alghe.

Un'iniziativa simile andò e venne dopo la prima guerra mondiale. Gli scienziati continuarono la loro ricerca di fonti alimentari sostenibili. Dopo la seconda guerra mondiale, oltre la metà della popolazione mondiale era impoverita e affamata e gli esperti raccomandavano l'agricoltura non convenzionale come via d'uscita dalla trappola malthusiana. Le alghe sono emerse come il miglior antidoto disponibile e numerosi progetti pilota hanno tentato la produzione di alghe.

I ricercatori hanno annunciato di essere stati in grado di coltivare alghe nutrienti utilizzando materiali poco costosi in condizioni di laboratorio controllate nel 1948. Se coltivata in condizioni ottimali, stagni soleggiati, caldi e poco profondi alimentati da semplice CO2, la clorella ha convertito circa il 20% dell'energia solare disponibile in biomassa vegetale contenente oltre 50% di proteine ​​quando essiccato. A differenza della maggior parte delle piante, la proteina della Clorella era completa dei 10 aminoacidi allora considerati essenziali ed era ricca di calorie, grassi e vitamine.

Clorella con microscopia ottica

Clorella con microscopia ottica. Foto: Dr. Barry H. Rosen

La stampa è diventata esuberante riguardo al potenziale delle alghe e Rivista di Colliers ha abbozzato una fattoria del futuro in cui grosse bobine di tubo di vetro producevano migliaia di tonnellate di proteine ​​in fattorie automatizzate. Gli esperti, per non essere da meno dei giornalisti, hanno creato scenari plausibili in cui le alghe avrebbero risolto l'approvvigionamento alimentare mondiale con un costo vicino allo zero.

Sfortunatamente, i ricercatori sono inciampati nella legge di Murphy e tutto ciò che poteva andare storto lo ha fatto. Invece di essere robusta, la clorella si è rivelata un organismo molto capriccioso e ha semplicemente smesso di crescere con piccoli cambiamenti di temperatura, densità, luce, pH e sostanze nutritive. La pianta era così fragile che la raccolta con le centrifughe danneggiava la biomassa così come il calore necessario per la deumidificazione. Le pareti cellulari dure della clorella la rendevano indigeribile, il che aggiungeva il costo e l'energia del calore o ulteriori lavorazioni meccaniche.

Mentre la maggior parte dei ricercatori ha rinunciato alla loro ricerca per risolvere la fame nel mondo con le alghe, la NASA ha studiato l'uso delle alghe negli anni '1950 come modo per nutrire gli astronauti durante i lunghi voli spaziali. In quella che è stata chiamata la "corsa delle alghe", i progetti sovietici e americani hanno gareggiato per sviluppare un sistema di supporto vitale aerospaziale autonomo che utilizzasse le alghe per convertire i rifiuti degli astronauti in aria pulita, acqua e forse cibo. Gli scienziati non sono stati in grado di risolvere i problemi di contaminazione e peso e il programma è stato scartato.

Come parte di questo sforzo, almeno un documento di ricerca è stato pubblicato nel 1961 nel Journal of Nutrition intitolato "L'alimentazione delle alghe negli esseri umani". Riassume la scarsa ricerca sulle alghe come cibo umano. Il team di ricerca dell'esercito americano ha esaminato la clorella dal Giappone che è stata coltivata in stagni, raccolta, centrifugata, lavata, riscaldata ed essiccata sotto vuoto fino a ottenere una polvere verde. La loro analisi ha mostrato che la composizione era: proteine: 59%, grassi (oli): 19%, carboidrati: 13%, umidità: 3% e ceneri: 6%.

Gli autori hanno scoperto che gli integratori alimentari di alghe fino a 100 grammi al giorno erano tollerati dai loro cinque soggetti umani. L'alga verde utilizzata, la clorella, ha conferito al cibo integrato un forte sapore simile agli spinaci. Le preparazioni più accettabili erano i biscotti, la torta al cioccolato, il pan di zenzero e il latte freddo. Supplementi più grandi hanno creato problemi allo stomaco ma i sintomi sono scomparsi dopo che gli integratori sono stati sospesi. Il team ha concluso che le alghe essiccate possono essere tollerate come integratore alimentare, ma sarebbe necessaria un'ulteriore elaborazione prima che possa diventare un'importante fonte di cibo. Questi risultati hanno relegato le alghe a un piccolo settore del mercato degli alimenti salutari. La ricerca americana sulle alghe come fonte di cibo è praticamente evaporata.

Fortunatamente per l'umanità, la Rivoluzione Verde è iniziata negli anni '1950 e gli alimenti algali sono rifioriti grazie a tre fattori che hanno contribuito quasi allo stesso modo:

  • L'invenzione di pompe più potenti per l'irrigazione
  • Nuove tecnologie per la produzione di fertilizzanti sintetici
  • Progressi nella genetica molecolare che hanno creato semi ad alto rendimento

Pompe più potenti e tubi più grandi hanno permesso agli agricoltori di sovraccaricare le acque sotterranee per l'irrigazione. Gli agricoltori hanno anche accumulato più fertilizzanti, pesticidi ed erbicidi sui loro campi. La Rivoluzione Verde era iniziata e i raccolti di cereali sono raddoppiati su una base erosiva di combustibili fossili a basso costo e acqua dolce.

Le fonti di cibo non agricole erano inutili a causa dei progressi nella produzione di cereali alimentari. I consumatori sono stati condizionati dalla fantascienza, dai giornalisti e dai film a diffidare delle fonti alimentari non tradizionali.

Gli autori di fantascienza hanno reso popolare il concetto di alimenti sintetici e hanno anticipato reazioni sfavorevoli dei consumatori e conseguenze indesiderate come la pomodoro killer e Frankenfoods. HG Wells' La macchina del tempo, 1895, La guerra dei mondi, 1898 e Il cibo degli dei, 1905, di Aldus Huxley Brave New World, 1932 e di Ward Moore Più verde di quanto pensi, 1947, tutti mettevano in guardia contro le panacee biotecnologiche.

Harry Harrison Fare spazio! Fare spazio! nel 1966 e di Paul Ehrlich Bomba della popolazione, nel 1968 ha spiegato gli orribili esiti della crescita illimitata della popolazione. Lo scenario apocalittico di Harrison includeva plancton, lievito e alghe come alimenti di base per le masse affamate. La clorella aveva un sapore di pesce, quindi i marketer hanno deciso di produrre una versione migliorata che hanno etichettato come Soylent Green. Ciò ha portato all'adattamento cinematografico del 1973 del libro di Harrison, Soylent Green, il che suggerisce che la cultura della biomassa algale utilizzi non solo rifiuti umani, ma anche esseri umani riciclati. Anche con il cannibalismo, l'invenzione non poteva sfamare tutti. Scarsità di acqua e fertilizzanti, pestilenze, pestilenze e avvelenamenti da pesticidi hanno rovinato i raccolti e l'acqua inquinata. L'effetto serra si è intensificato, aumentando inondazioni, violenti temporali e siccità. L'arte infatti imitava la vita.

Un remake di Soylent Green riporterebbe l'industria delle alghe indietro di almeno un decennio. Mentre gli autori di fantascienza stimolavano i timori del pubblico nei confronti dei cibi Franken, le persone sperimentavano in prima persona la melma verde nei loro acquari, piscine e corsi d'acqua ricreativi. La stampa era ansiosa di trasmettere i sensazionali pericoli delle alghe che hanno creato tossine mortali, maree rosse assassine e zone morte che hanno ucciso molti organismi viventi.

Il presidente Jimmy Carter ha avviato diversi progetti algali per portare gli Stati Uniti verso l'indipendenza energetica, ma l'attenzione è diventata lo spostamento della produzione della rete elettrica dal petrolio al carbone. L'ultimo residuo della ricerca sulle alghe di Carter, il programma di 18 anni sulle specie acquatiche, è stato interrotto dall'amministrazione Clinton quando ha preso la decisione politica di spostare la ricerca e lo sviluppo del governo dai biocarburanti algali all'etanolo da mais. Lo sfortunato risultato di questa politica è stato che le università e le loro facoltà non sono state in grado di ricevere sovvenzioni per studiare le alghe per oltre un decennio.

La ricerca sulle alghe ha ricevuto un duro colpo negli anni '1990, quando il Congresso ha ignorato la scienza e ha scommesso sul futuro dei biocarburanti statunitensi sull'etanolo da mais. Il mais ha ricevuto sussidi e incentivi in ​​un'ondata di greenwashing che prometteva che l'etanolo sarebbe stato sostenibile, rinnovabile, pulito e avrebbe sostituito le importazioni di petrolio. La ricerca esistente ha mostrato che l'etanolo da mais è l'opposto di queste affermazioni. Ogni acro di produzione di mais erode sei tonnellate di suolo, inquina le acque sotterranee e rilascia 2.5 tonnellate di CO2 più ossidi di azoto, particolato e smog. I 9 miliardi di galloni di etanolo prodotti nel 2008 hanno compensato meno del 3% delle importazioni di petrolio degli Stati Uniti al costo di miliardi di sussidi e inquinamento ambientale. L'Energy Policy Act del 2005 ha stabilito uno standard sui combustibili rinnovabili che impone una maggiore produzione rinnovabile, ma ha lasciato le alghe fuori dalla politica delle energie rinnovabili.

Le alghe sono ricomparse come soluzione per i biocarburanti nel 2008 quando sono emerse due associazioni di settore seguite da una rivista di settore, Rivista dell'industria delle alghe. I primi incontri di settore dell'Algal Biomass Organization e della National Algae Association nel 2007 hanno attirato un piccolo numero di scienziati e alcuni imprenditori di biocarburanti. L'Algal Biomass Organization Summit del 2009 a San Diego ha attirato oltre 800 persone e ha ricevuto copertura dalla stampa internazionale.

La politica delle alghe deve affrontare un futuro impegnativo perché le alghe devono competere economicamente ed ecologicamente con altre soluzioni di energia verde. Altre soluzioni di energia rinnovabile producono elettricità ma non benzina, diesel o carburante per aerei. Le alghe rappresentano da sole la soluzione praticabile per il passaggio all'indipendenza energetica con i combustibili liquidi per il trasporto necessari per navi, aerei, camion e aerei per i prossimi 50 anni.

CAPITOLO 4: Quali sono i vantaggi competitivi delle alghe?

NLe alghe unicellulari di dimensioni anonime sono tra le prime forme di vita della Terra. Sono sopravvissuti in molti degli ambienti più difficili della Terra per 3.7 miliardi di anni. La semplicità delle alghe consente a queste piante di essere incredibilmente robuste: non solo sopravvivono, ma producono biomassa di alto valore in ambienti difficili. In buone condizioni di coltivazione, le alghe producono biomassa proteica ed energetica con rese da 30 a 100 volte più produttive per acro rispetto alle piante terrestri.

Le alghe sono fondamentali per la vita sulla Terra poiché producono la materia organica alla base della catena alimentare. La biomassa viene mangiata da tutto, dal più piccolo krill alle grandi balene blu. Le alghe producono anche la maggior parte dell'ossigeno necessario per altre forme di vita acquatica e forniscono circa il 70% del nostro ossigeno atmosferico giornaliero.

Le alghe, nome latino delle alghe, si presentano in tutte le forme e dimensioni. Le microalghe sono organismi microscopici unicellulari spesso più piccoli di 5µ (micron) di larghezza. Il periodo alla fine di questa frase è di circa 100µ.

Le alghe crescono su tutta la Terra, anche sotto entrambe le calotte glaciali. I loro ambienti preferiti sono i luoghi umidi o l'acqua, ma le alghe sono comuni sia sulla terra che negli ambienti acquatici. Suoli, rocce, alberi e ghiaccio contengono cellule di alghe essiccate e molte sono ancora vitali. Varie specie di alghe crescono in tutti i tipi di acqua, il che le rende eccellenti per il controllo dell'inquinamento.

Le alghe costituiscono circa il 10% delle alghe e ci sono specie più grandi che vivono in ambienti marini come le alghe: alghe brune che possono raggiungere i 180 piedi. Le alghe possono sembrare avere tronchi e foglie simili alle piante terrestri ma queste strutture sono in realtà cellule indifferenziate chiamate pseudofoglie. Nelle regioni tropicali, le alghe coralline aiutano a costruire coralli e supportano la formazione di barriere coralline e altre specie che vivono in simbiosi con le spugne.

Kelp, diatomee e alghe verdi fibrose

Kelp, diatomee e alghe verdi fibrose

Lontano dagli oceani, la maggior parte delle alghe non vive nei corsi d'acqua, ma nel suolo. Le alghe vivono in simbiosi nelle radici delle piante terrestri dove scompongono i composti del suolo e rendono i nutrienti biodisponibili per le piante. Le alghe azzurre, note anche come cianobatteri, servono anche alle colture fissando l'azoto dall'atmosfera nei noduli radicali o direttamente sulle superfici delle piante. Molte pianure, montagne e deserti sono ricoperte da croste di alghe che trattengono il terreno, forniscono una base per le piante con radici e trattengono l'umidità critica del suolo. Bioingegneria delle alghe materiali da costruzione come il calcare, che è il materiale utilizzato dagli egiziani per costruire le Grandi Piramidi.

Crosta Algale

Crosta Algale

Varie alghe massimizzano diversi componenti. Alcune specie offrono oltre il 50% di lipidi (olio), altre il 60% di proteine ​​e altre il 90% di carboidrati. Il prodotto alimentare, la proteina, di alcune specie ha poco odore o sapore naturale, quindi il prodotto può assumere le caratteristiche desiderate come qualsiasi odore, colore, consistenza, densità o sapore. I test del gusto alla cieca tra alghe e semi di soia favoriscono le alghe perché le alghe non hanno il sapore amaro e amidaceo della soia non trasformata. Come i cereali, la biomassa delle alghe beneficia della lavorazione degli alimenti per massimizzare il gusto, la consistenza, il colore e l'attrattiva in bocca.

Le alghe sono molto efficienti nel convertire la luce, l'acqua e il carbonio in biomassa contenente composti oleosi (lipidi) che possono essere estratti e trasformati in benzina, diesel verde o carburante per aerei. La biomassa rimanente, principalmente proteine ​​e carboidrati, può essere trasformata in alimenti, medicinali, vaccini, minerali, mangimi per animali, fertilizzanti, pigmenti, condimenti per insalate, gelati, budini, lassativi e creme per la pelle. Un esempio di composizione delle alghe mostra una specie algale in cui il 40% della biomassa vegetale è olio.

Composizione di alghe
Le alghe grasse, dette anche alghe oleaginose, sono specie che producono grandi quantità di lipidi. Le alghe verdi potrebbero non sembrare una materia prima di petrolio biogreggio, ma il petrolio utilizzato nei veicoli di oggi è derivato da biomassa preistorica che proveniva in gran parte dalle fioriture di alghe nelle antiche zone umide e negli oceani.

La decomposizione della biomassa naturale è iniziata oltre 200 milioni di anni fa nel periodo carbonifero in condizioni di enorme calore e pressione. L'olio pompato dal Mare del Nord è costituito da alghe aptofite decomposte chiamate coccolitoforidi. Le alghe costituiscono anche i componenti principali della terra di diatomee, dell'argillite e del carbone. Gli egizi costruirono le loro piramidi con calcare formato da alghe.

Vantaggi delle alghe
Il vantaggio di produttività delle alghe 30-100 volte l'anno per acro si verifica in gran parte a causa delle differenze tra piante terrestri e piante acquatiche. Le alghe si esprimono in un numero quasi illimitato di specie e ceppi, il che le rende un organismo unico. Diverse caratteristiche chiave differenziano le alghe dalle piante terrestri.

Le alghe sono organismi a base d'acqua che crescono in acqua dolce, salina, salmastra, marina o di scarico. Le piante terrestri richiedono acqua dolce per la crescita perché grandi ioni di sale ostruiscono il loro sistema idraulico e radicale, affamando la pianta di acqua e sostanze nutritive. Le alghe prosperano nell'acqua salata perché si sono evolute in antichi oceani molto salati. Gli ioni di sale non rappresentano un problema per le alghe perché le alghe non hanno radici.

Le alghe hanno sviluppato strategie critiche di crescita, propagazione e sopravvivenza nei loro diversi miliardi di anni sulla Terra. Le piante terrestri si sono evolute dalle alghe solo 500 milioni di anni fa e richiedono un'intera stagione di crescita, 120-140 giorni per produrre semi per una nuova generazione. Nel tempo in cui le piante terrestri crescono attraverso una generazione, le alghe possono propagarsi attraverso milioni di generazioni perché le alghe non hanno una stagione di crescita. Le alghe sono diverse dalle piante terrestri in molti modi.

Vantaggi competitivi delle alghe

  • Sovrastruttura. Le piante terrestri investono gran parte della loro energia nella costruzione della struttura cellulosica, inclusi tronco, foglie e steli per resistere al vento e alle intemperie. Le alghe non hanno tale requisito. L'acqua sostiene le alghe come un grembo naturale.
  • Sex. Le piante terrestri investono il 35% della loro energia nella costruzione e nel sostegno del loro apparato sessuale. Le alghe sono organismi semplici e unicellulari che non devono preoccuparsi delle strutture sessuali. Quando le condizioni sono buone, le alghe si propagano sessualmente. Quando si verifica un fattore di stress, le cellule possono proliferare asessualmente.
  • Radici. Le piante terrestri investono il 25% della loro energia nelle radici che le bloccano in posizione e rendono le piante dipendenti dall'umidità del suolo in situ e dai nutrienti biodisponibili, tipicamente forniti dai microbi del suolo come le alghe. Le alghe non hanno radici e alcune specie sviluppano flagelli, che possono muovere per spostare sostanze nutritive, umidità o energia solare.
  • Velocità di crescita. Le piante terrestri come i cereali richiedono una stagione di crescita completa dalla primavera all'autunno, spesso 140 giorni o più per produrre un singolo raccolto. Le alghe hanno imparato a prosperare quando vengono nutrite e possono crescere rapidamente fino alla maturità. Una cellula di alga può produrre più di un milione di figli in un solo giorno.
  • Direzione. Le piante terrestri crescono lentamente in una direzione, verso il sole e possono raddoppiare la loro biomassa in 10 giorni. Poi rallentano progressivamente la crescita fino alla maturità. Le alghe crescono in tutte le direzioni, a 360°, e possono triplicare o quadruplicare quotidianamente la sua biomassa.
  • Vendemmia continua. Le alghe crescono così rapidamente che metà della biomassa algale può essere raccolta giornalmente. La raccolta può avvenire ogni giorno in cui splende il sole, che può essere di 360 giorni all'anno in luoghi come Arizona, New Mexico, Colorado e Texas.
  • Stagione di crescita continua. Alcuni produttori di alghe coltivano alghe tutto l'anno utilizzando specie adattate per ogni stagione. Alcuni produttori utilizzano luci di coltivazione per aumentare l'energia solare. Diversi produttori stanno sperimentando LED e altre forme di luce per estendere la crescita oltre le ore diurne.
  • Produzione robusta. Un singolo evento durante un'intera stagione di crescita, come picchi di temperatura, siccità, insetti, vento o grandine, può devastare un intero raccolto di cereali. In caso di maltempo, le alghe si riposano e rallentano il loro tasso di crescita o vanno in letargo. Quando il tempo migliora, le alghe riprendono la loro rapida crescita.
  • Fissazione dell'azoto. Le alghe azzurre note come cianobatteri sono in grado di fissare l'ossigeno dall'atmosfera, il che favorisce la crescita perché l'azoto è spesso il nutriente limitante nell'acqua stazionaria.
  • Composizione. La biomassa verde delle piante terrestri come il mais può essere per l'80% non oleosa o di scarto perché la maggior parte della composizione della pianta è una struttura cellulosica piuttosto che una proteina per il cibo o gli oli che producono energia. Alcuni ceppi di alghe producono il 50% di lipidi, oli che possono essere convertiti direttamente in carburante per aviogetti o diesel verde.
  • Energia immagazzinata. Le piante terrestri come il mais possono essere convertite in etanolo che brucia con meno calore e fornisce solo il 64% del MPG della benzina. Le alghe convertono il sole, la CO2 e altri nutrienti in lunghe catene di carbonio che possono essere convertite in combustibili liquidi per il trasporto più potenti come JP-8, carburante per aerei e diesel verde che possono avere dal 30 al 50% in più di energia per gallone rispetto alla benzina.
  • Energia positiva. La produzione di etanolo con il mais è un dissipatore di energia perché consuma più energia, principalmente gasolio ed elettricità, di quella fornita dal carburante. Le alghe possono produrre combustibili utilizzando combustibili fossili minimi o nulli.
  • Sostenibile. I raccolti della terra consumano enormi quantità di risorse fossili che si esauriranno: terreno fertile, acqua dolce, combustibili fossili, fertilizzanti e prodotti chimici agricoli fossili. Le alghe non competono con le colture terrestri per le risorse e possono crescere con abbondanti risorse che non si esauriscono, tra cui luce solare, acque reflue e CO2 in eccesso.
  • Ecologicamente positivo. La moderna produzione di cereali aggiunge 2.5 tonnellate di CO2 per acro più ossidi di azoto, particolato e smog. Ogni acro di raccolto erode sei tonnellate di suolo, che trasporta sostanze nutritive e sostanze chimiche che inquinano le zone umide, i fiumi e i laghi. La coltivazione delle alghe emette solo ossigeno nell'atmosfera mentre sequestra CO2 ed evita l'erosione del suolo e l'inquinamento dell'ecosistema.
  • Indipendenza geografica. A differenza delle colture terrestri, numerose specie di alghe crescono negli ambienti più ostili della Terra. Nei sistemi di coltivazione chiusi e semichiusi, le alghe possono essere coltivate praticamente a qualsiasi altitudine, latitudine, longitudine o geografia.

Le alghe sono organismi robusti che offrono molti vantaggi rispetto alle colture terrestri. Le alghe rimangono l'organismo più sottosviluppato sulla Terra. Addomesticare le alghe per ottenere i suoi numerosi benefici rappresenta una delle sfide più avvincenti del 21° secolo.

CAPITOLO 5: Classificazione delle alghe

Ale lghe sono piante viventi che infrangono le regole per la classificazione delle piante perché si sono evolute in molte forme diverse: cellule, piante multicellulari, batteri e in combinazioni quasi infinite. Mentre le varie specie condividono determinate caratteristiche, alghe diverse, anche della stessa specie, mostrano una straordinaria varietà per forma, dimensione, struttura, composizione e colore.

Una singola specie algale può cambiare forma, composizione e colore in un solo giorno in base a variabili di coltura come l'energia luminosa disponibile, i nutrienti, la temperatura e l'acidità, il pH. Simile a tutti gli organismi viventi, quando le alghe sono stressate, passano alla modalità di sopravvivenza, che cambia la velocità e la composizione del metabolismo cellulare. I fattori di stress possono indurre le alghe a immagazzinare più olio a spese di proteine ​​o carboidrati, da utilizzare per l'energia in un secondo momento. Alcune alghe sembrano accumulare più petrolio per salire in cima alla colonna d'acqua dove possono raccogliere più energia solare.

La classificazione delle alghe in gruppi tassonomici segue le stesse regole utilizzate per la classificazione delle piante terrestri. La classificazione delle piante terrestri è stata prima delle alghe perché molte specie di alghe di dimensioni nanometriche non potevano essere viste prima dei microscopi avanzati. I principali gruppi algali si distinguono in base a pigmentazione, forma, struttura, composizione della parete cellulare, caratteristiche dei flagelli, prodotti immagazzinati e metodo di propagazione.

Le alghe mostrano così tante variazioni, anche all'interno di ciascuna specie, che esprimono eccezioni a quasi tutte le regole di classificazione. È interessante notare che molte specie possono cambiare il modo in cui si propagano in base alle condizioni ambientali. Quando le condizioni sono buone, si propagano sessualmente. Quando le condizioni peggiorano, sono in grado di utilizzare uno o più metodi asessuati come la divisione cellulare, la frammentazione o le spore.

La capacità di vedere piccole differenze nelle cellule algali con il microscopio elettronico ha cambiato sostanzialmente le classificazioni dagli anni '1960. Le modifiche alla classificazione continuano man mano che vengono scoperti nuovi elementi di differenziazione.

Le alghe si differenziano dalle altre piante perché generalmente:

  • Mostra la capacità di eseguire la fotosintesi con la produzione di ossigeno molecolare, che è associato alla presenza di clorofilla a, b or c;
  • Non hanno tessuti o organi di trasporto specializzati costituiti da cellule interconnesse che spostano nutrienti e metaboliti tra i diversi siti all'interno dell'organismo;
  • Si riproducono sessualmente o asessualmente per produrre gameti che generalmente non sono circondati da tessuto parentale multicellulare protettivo.

Le piante terrestri si sono evolute dalle alghe circa 500 milioni di anni fa e hanno evoluto cellule specializzate per assorbire e spostare i nutrienti e per la riproduzione. Le alghe si distinguono dalle piante superiori per la mancanza di vere radici, steli o foglie. Alcune alghe, come le alghe, sembrano avere foglie, ma sono pseudo foglie costituite dalla stessa struttura cellulare del resto della pianta. Gli scienziati ritengono che le macroalghe, le alghe marine, si siano sviluppate in un'evoluzione parallela con le piante terrestri.

Le collezioni di colture di specie algali sono disponibili presso l'Università di Toronto, UC Berkeley, l'Università del Texas, l'Università di Copenaghen, lo Scottish Marine Institute, l'Accademia cinese delle scienze, l'Università di Praga e la Federazione mondiale delle collezioni culturali. La maggior parte delle collezioni fornisce informazioni sulla composizione e sulla cultura, vendite di cultura, dettagli descrittivi e immagini. L'eccellente collezione dell'Università del Texas offre un'ampia gamma di parametri ricercabili. Il Laboratorio di immagine algale a Bowling Green fornisce gratuitamente immagini digitali di alghe per scopi didattici.

Molte specie sono unicellulari e microscopiche, tra cui fitoplancton e altre microalghe, mentre altre sono multicellulari e possono crescere alte quanto alberi come le alghe. Phicology, lo studio delle alghe, include lo studio delle forme procariotiche note come alghe blu-verdi o cianobatteri. Alcune alghe vivono anche in simbiosi con licheni, coralli e spugne. L'organismo unicellulare di base, le alghe, ha l'aspetto generale illustrato nella figura.

Cellula di alghe

Cellula di alghe

Le piante di alghe verdi eucariotiche (in greco "vero noce") sono strutturate come una noce con un guscio che protegge il loro materiale genetico, che è organizzato in organelli. Le alghe verdi creano strutture discrete con funzioni specifiche e hanno un doppio nucleo o nuclei legati alla membrana. Le cellule procariotiche delle alghe azzurre, i cianobatteri, non contengono nucleo o altri organelli legati alla membrana.

Le alghe possono essere piccole creature vivaci anche se non sono animali. Molti possono nuotare, come i dinoflagellati che hanno piccole strutture a forma di frusta chiamate flagelli, che li tirano o li spingono attraverso l'acqua. Alcune alghe schiacciano parte del loro corpo in avanti e strisciano lungo le superfici solide. Alcune alghe possono persino formare boccioli oculari in grado di rilevare la luce, che è fondamentale per il loro approvvigionamento energetico.

Altre specie sono costituite da filamenti fini con cellule unite da un capo all'altro. Alcuni si raggruppano per formare colonie mentre altri galleggiano indipendentemente. Le alghe possono crescere in quasi tutte le forme come coni, tubi, filamenti o cerchi. Le alghe formano molte più forme delle piante terrestri e possono cambiare forma o struttura per adattarsi alle condizioni locali. Passi importanti nella complessità cellulare si sono verificati con la progressione evolutiva da un virus a un batterio e quindi dalle cellule procariotiche dei batteri alle cellule eucariotiche delle alghe. Le pareti cellulari consentono alle alghe di proteggersi dall'ambiente circostante, tipicamente acqua e pressione, detta pressione osmotica.

Pareti cellulari algali

Pareti cellulari algali

Le pareti cellulari regolano la pressione osmotica prodotta dall'acqua che cerca di fluire dentro o fuori la cellula attraverso le sue membrane semipermeabili a causa di una differenza nelle concentrazioni della soluzione. Le alghe in genere possiedono pareti cellulari costituite da cellulosa, glicoproteine ​​e polisaccaridi. Alcune specie hanno una parete cellulare composta da acido silicico (silicio) o alginico.

Le alghe rosse, ad esempio, sono un grande gruppo di circa 10,000 specie di alghe marine per lo più multicellulari, comprese le alghe. Questi includono le alghe coralline, che vivono in simbiosi con i coralli, secernono carbonato di calcio e svolgono un ruolo importante nella costruzione delle barriere coralline. Alghe rosse come dulse (Palmaria palmata) e laver (nori o gim) sono una parte tradizionale della cucina europea e asiatica e sono usati per fare altri prodotti come agar, carragenina e altri additivi alimentari.

L'ampia classificazione delle alghe comprende:

  • Bacillariophyta — diatomee
  • Charophyta - stoneworts
  • Chlorophyta — alghe verdi
  • Chrysophyta — alghe dorate
  • Cianobatteri — blu-verde
  • Dinophyta — dinoflagellati
  • Phaeophyta — alghe brune
  • Rhodophyta — alghe rosse
Diatomee, stoneworts e dinoflagellati

Diatomee, stoneworts e dinoflagellati

Le alghe verdi si sono evolute con i cloroplasti, che consentono la fotosintesi e migliorano notevolmente l'O . disponibile2. Le alghe blu-verdi hanno ricevuto la maggior parte delle ricerche recenti perché molti scienziati formati nella ricerca sui batteri hanno iniziato a studiare il valore commerciale di questa pianta, classificata sia come alga blu-verde che come batteri; cianobatteri.

Prochlorococcus, un'alga blu-verde potrebbe essere l'organismo più piccolo sulla Terra, solo 0.6 micron (milionesimi di metro), ma è uno degli organismi più abbondanti sul pianeta. Una singola goccia d'acqua può contenere più di 100,000 di questi organismi unicellulari. Sallie Chisholm del MIT studia il Prochlorococcus e afferma che trilioni di queste minuscole cellule costituiscono foreste invisibili e forniscono circa la metà della fotosintesi negli oceani.

Classificazione delle alghe

Gruppo tassonomico Clorofilla I carotenoidi Prodotti per l'archiviazione
Bacillariophyta corrente alternata β-carotene, ± -carotene raramente fucoxantina Oli di crisolaminarina
Chloro phycophyta (alghe verdi) a, b β-carotene, ± -carotene raramente carotene e licopene, luteina Amido, oli
Chrysophycophyta (alghe dorate) corrente alternata -carotene, fucoxantina Oli di crisolaminarina
Cianobatteri (alghe blu-verdi) corrente alternata -carotene, ficobiline
Phaeco phycophyta (alghe brune) corrente alternata β-carotene, ± fucoxantina, violaxantina Laminarina, carboidrati solubili, oli
Dinophyta (dinoflagellati) corrente alternata -carotene, peridinina, neoperididnina, dinoxantina, neodinoxantina. Amido, oli
Rhodo phycophyta (alghe rosse) a, raramente d -carotene,zeaxantina, ± β carotene Amido della Florida, oli

 

Colori
Il verde spesso associato alle alghe deriva dalla clorofilla ma le alghe contengono anche pigmenti di molti colori, soprattutto ciano, rosso, arancione, giallo, blu e marrone. Alcune varietà sono incolori. Le alghe verdi appaiono verdi perché il verde è l'unico colore della luce che non assorbe. Le alghe rosse assorbono uno spettro completo di colori e riflettono il rosso. Le alghe rosse possono crescere più in profondità negli oceani rispetto alla maggior parte delle altre specie perché sono attrezzate per assorbire la luce blu che penetra in profondità nell'oceano.

Le alghe usano i pigmenti per catturare la luce solare per la fotosintesi, ma ogni pigmento reagisce solo con una gamma ristretta dello spettro. Pertanto, le alghe producono una varietà di pigmenti di diversi colori per catturare più energia del sole. Le alghe incanalano la luce nella clorofilla a, che converte l'energia luminosa in legami ad alta energia di molecole organiche.

Alghe verdi, blu e rosse

Alghe verdi, blu e rosse

Le alghe forniscono colore agli erbivori che si nutrono di loro. Le alghe conferiscono la dominante verdastra al pelo bianco del noto bradipo gigante. Le alghe vivono nei peli cavi degli orsi polari e forniscono il pigmento rosa per i fenicotteri, che consumano sia nei gamberi che nelle alghe. Carotenoidi algali simili danno la pigmentazione rosa al salmone.

La centrale nucleare di Palo Verde in Arizona ha attirato un fenicottero rosa nei suoi stagni di raffreddamento diversi anni fa. Il povero uccello è diventato bianco e ha creato speculazioni sulla stampa mondiale su possibili perdite di radiazioni. Fortunatamente, un biologo ha scoperto che gli stagni non avevano abbastanza beta-carotene nelle alghe per sostenere la colorazione rosa dell'uccello. Il fenicottero volò in un altro stagno con alghe e riacquistò rapidamente il suo colore rosa.

Le alghe possono crescere in simbiosi con i funghi per creare licheni, il materiale ruvido colorato sul lato soleggiato di rocce e alberi. Le alghe e il fungo condividono una dipendenza reciproca poiché le alghe producono cibo per entrambe le piante e in cambio ottengono acqua e minerali dal fungo. Il fungo fornisce anche una protezione fondamentale contro l'essiccamento, seccandosi e morendo al sole.

L'uso di piante alghe-licheni per pigmenti e coloranti è anteriore a Giulio Cesare. Il classico colore rosso delle tuniche romane derivava dai pigmenti estratti dai licheni conosciuti come ricci. Le donne romane apprezzavano la pianta e la usavano come rossetto per dare più colore ai loro volti. Quasi tutti i cosmetici moderni contengono componenti di alghe per migliorare il colore, l'emulsione e/o la ritenzione di umidità.

CAPITOLO 6: Selezione delle specie algali

AI produttori di alghe selezionano ceppi di alghe specifici per composti preziosi coltivati ​​nella biomassa algale. La biomassa algale comprende principalmente lipidi, utilizzati per produrre biocarburanti, proteine ​​per alimenti, mangimi e nutraceutici e amidi e carboidrati che possono essere trasformati in una serie di prodotti.

I lipidi sono lunghe molecole a catena di carbonio che immagazzinano energia per la pianta e fungono da componenti strutturali delle membrane cellulari. I lipidi sono oli che rendono la pianta più vivace in modo che si sposti lungo la colonna d'acqua verso l'energia solare. Alcune specie di alghe sono naturalmente molto ricche di lipidi, ad esempio l'80% in peso secco, ma crescono molto lentamente. Altre specie crescono molto velocemente e immagazzinano naturalmente circa il 20% di lipidi, ma quando sono stressate dalla limitazione dei nutrienti, immagazzinano circa il 40% di lipidi.

Le proteine ​​sono grandi composti organici costituiti da amminoacidi, disposti in una catena lineare collegata da legami peptidici. Il codice genetico della pianta determina la sequenza degli amminoacidi, ma le limitazioni dei nutrienti possono causare cambiamenti nella produzione degli amminoacidi. La maggior parte delle proteine ​​sono enzimi che catalizzano le reazioni biochimiche e il metabolismo delle piante. Altre proteine ​​mantengono la forma cellulare e forniscono funzioni di segnalazione all'interno della pianta.

Le alghe utilizzano la fotosintesi e l'energia solare per produrre glucosio dall'anidride carbonica. Il glucosio viene immagazzinato principalmente sotto forma di granuli di amido, in plastidi come cloroplasti e amiloplasti. Le alghe possono produrre glucosio solubile in acqua, zucchero vegetale, ma consumano spazio considerevole. Le alghe hanno adattato la capacità di produrre glucosio sotto forma di amido, carboidrati complessi che non sono solubili e si accumulano in modo compatto. L'amido è il carboidrato più importante nella dieta umana e i carboidrati algali possono sostituire le farine di cereali alimentari come mais, frumento, patate o riso. Gli amidi possono anche essere fermentati in un'ampia varietà di alcoli o biocarburanti.

Il percorso da seguire basato sul Programma per le specie acquatiche e l'esperienza di altre ricerche sulla produzione di alghe mostra che specie algali robuste per la produzione di biocarburanti necessitano delle seguenti proprietà:

  • Produce un contenuto lipidico elevato e costante.
  • Cresce continuamente il che richiede il superamento del problema di stabilità comune alle colture di alghe.
  • Dimostra un'elevata efficienza fotosintetica.
  • Cresce con le differenze climatiche stagionali e gli sbalzi di temperatura giornalieri.
  • Crea incrostazioni minime dall'attacco ai lati o al fondo dei contenitori.
  • Facili da raccogliere ed estrarre lipidi con pareti cellulari morbide o flessibili.

I coltivatori di alghe possono selezionare e acquistare specie dalle collezioni di colture disponibili presso l'Università del Texas, l'Università di Toronto, la UC Berkeley, l'Università di Copenaghen, l'istituto marino scozzese, l'Accademia cinese delle scienze, l'Università di Praga e la Federazione mondiale delle collezioni culturali . La maggior parte delle collezioni fornisce vendite di cultura, composizione e immagini. La Galleria delle Alghe allo Smithsonian National Museum of Natural History include informazioni considerevoli sulle alghe e collegamenti a siti di alghe.

La variazione di composizione tra le specie varia enormemente. Alcune alghe contengono l'80% di lipidi mentre altre producono il 60% di proteine ​​e altre ancora contengono il 92% di carboidrati. La selezione delle specie è fondamentale non solo per la composizione desiderata, ma per una serie di variabili di struttura e crescita che variano ampiamente tra specie e ceppi.

Variazione della composizione tra le specie algali

Variazione della composizione tra le specie algali

Quando le alghe hanno poche sostanze nutritive, come azoto, fosforo o zolfo, diminuiscono la produzione di acidi grassi polinsaturi essenziali e possono produrre proteine ​​di qualità inferiore con meno amminoacidi. La privazione di nutrienti può far sì che le alghe aumentino la produzione di lipidi, ma in genere rallenta o arresta la propagazione e la crescita. I bioingegneri stanno lavorando su alghe che aumentano i lipidi senza privare i nutrienti. Diversi laboratori di ricerca hanno creato ceppi di alghe GM che secernono olio senza raccolta, consentendo una produzione continua. Evitare la raccolta e l'estrazione dell'olio elimina enormi fattori di tempo e costi.

Le varietà algali offrono una combinazione quasi illimitata di caratteristiche. Gli attributi speciali vengono migliorati attraverso schermate di selezione per organismi naturali, bioingegneria e ibridazione. Esperti di alghe come Drs. Milton Sommerfeld e Jerry Brand hanno investito molti decenni nella ricerca di zone umide, laghi e deserti alla ricerca di alghe naturali che dimostrino proprietà desiderabili. Il Dr. Bruce Rittmann ha lavorato sulla modificazione genetica delle alghe per produrre più olio o altri composti avanzati. Molti produttori di alghe hanno lavorato per ibridare i ceppi algali mediante fertilizzazione incrociata al fine di massimizzare le caratteristiche di crescita desiderabili, la facilità di raccolta ed estrazione e i composti desiderabili.

Ogni specie algale offre una diversa proporzione di lipidi, amidi e proteine, Tabella 1. Alcune alghe sono ricche di proteine ​​e altre sono per lo più amidi o lipidi. Le variazioni nella coltura possono modificare sostanzialmente la composizione della biomassa algale.

Tabella 1. Composizione di varie alghe (% di sostanza secca)

Alghe lipidi Proteina carboidrati
Anabaena cilindrica 4-7 43-56 25-30
Aphanizomenon flos-aqua 3 62 23
Arthrospira maxima 6-7 60-71 13-16
Botryococcus braunii 86 4 20
Chlamydomonas rheinhar. 21 48 17
Chlorella ellissoidea 84 5 16
Clorella pirenoidosa 2 57 26
Chlorella vulgaris 14-22 51-58 12-17
Dunaliella salina 6 57 32
Euglena gracilis 14-20 39-61 14-18
Primnesio parvum 22-38 30-45 25-33
Porphyridium cruentum 9-14 28-39 40-57
Scenedesmus obliquus 12-14 50-56 10-17
Spirulina platensis 4-6 46-630 8-14
Spirulina maxima 6-7 60-71 13-16
Spirogira sp. 11-21 6-20 33-64
Spirulina platensis 4-9 46-63 8-14
Synechococcus sp. 11 63 15

 

Gli oli algali sono estremamente ricchi di acidi grassi insaturi e varie specie di alghe forniscono:

  • L'acido linoleico, un acido grasso insaturo omega-6 utilizzato per saponi, emulsionanti, oli ad asciugatura rapida e un'ampia varietà di prodotti di bellezza. Le proprietà di ritenzione dell'umidità sono apprezzati rimedi cutanei utilizzati per levigare e idratare, come antinfiammatorio e per ridurre l'acne.
  • Acido arachidonico, un acido grasso omega-6 presente anche nell'olio di arachidi. Questo prodotto modera l'infiammazione e svolge un ruolo importante nel funzionamento del sistema nervoso centrale.
  • acido eicospentaenoico, un acido grasso omega-3 e offre gli stessi benefici dell'olio di pesce, che ovviamente deriva dalle alghe. La ricerca suggerisce che l'EPA può migliorare l'attività cerebrale, ridurre la depressione e moderare il comportamento suicidario.
  • Acido docasaesaenoico, un acido grasso omega-3 generalmente presente nell'olio di pesce ed è l'acido grasso più abbondante presente nel cervello e nella retina. La carenza di DHA è associata al declino cognitivo e all'aumento della morte delle cellule neurali. Il DHA è esaurito nella corteccia cerebrale dei pazienti gravemente depressi.
  • acido gamma-linolenico, un acido grasso omega-6 che si trova nell'olio vegetale ed è stato estratto per la prima volta dall'enagra. Viene venduto come integratore alimentare per il trattamento di problemi di infiammazione e malattie autoimmuni. La ricerca è in corso sul suo valore terapeutico per il cancro per sopprimere la crescita e le metastasi del tumore.

I componenti algali si trovano comunemente negli ingredienti alimentari. Una famiglia normale che utilizza normali prodotti lattiero-caseari può scoprire che il 70% degli articoli nel carrello della spesa contiene ingredienti a base di alghe. Le carragenine che costituiscono le pareti cellulari di diverse specie di alghe rosse e brune sono una famiglia di polisaccaridi lineari. Il materiale della parete cellulare della carragenina è un colloide, utilizzato come stabilizzante o emulsionante ed è comunemente presente nei prodotti lattiero-caseari e da forno.

Agar. Questa sostanza, un polisaccaride, solidifica quasi tutto ciò che è liquido. L'agar è un agente colloidale utilizzato per addensare, sospendere e stabilizzare. Tuttavia, è meglio nota per la sua capacità unica di formare gel termicamente reversibili a basse temperature. L'agar è stato utilizzato in Cina dal 17° secolo ed è attualmente prodotto in Giappone, Corea, Australia, Nuova Zelanda e Marocco.

Agar

Agar

Oggi, l'agar serve agli scienziati di tutto il mondo come mezzo simile alla gelatina per la crescita di organismi negli studi scientifici e medici. L'agar è ampiamente utilizzato nell'industria farmaceutica come lassativo o come veicolo inerte per prodotti farmaceutici in cui è richiesto un lento rilascio del farmaco. La batteriologia e la micologia utilizzano l'agar come agente di irrigidimento nei terreni di crescita.

L'agar è anche usato come stabilizzante per emulsioni e come componente di preparazioni cosmetiche per la pelle, unguenti e lozioni. Viene utilizzato in pellicole fotografiche, lucido da scarpe, stampi per impronte dentali, saponi da barba, lozioni per le mani e nell'industria conciaria. Negli alimenti, l'agar viene utilizzato come sostituto della gelatina, come agente anti-essiccante in pane e pasticceria e anche per gelificare e addensare. L'agar viene utilizzato nella produzione di formaggio fuso, maionese, budini, creme, gelatine e nella produzione di prodotti lattiero-caseari congelati.

Nori, la parola giapponese per alghe, è popolare in tutto il mondo ma soprattutto in Asia dove viene servita con una varietà di nomi come kombu, wakame, hai dai, laminaria e limu. I cuochi scozzesi lo chiamano dulse e gli irlandesi chiamano il loro prodotto dillisk. Amanori è specificamente quegli alimenti realizzati dalla specie Porphyra perché contiene aminoacidi essenziali, vitamine e minerali. In Corea, Porphyra, è conosciuto come kim o lavor. Fornisce cibi sani privi di zuccheri e grassi associati alla dieta occidentale.

Popolazioni selvatiche dell'entroterra, le alghe d'acqua dolce sono state raccolte e consumate fin dalla preistoria per il loro gusto fresco e il loro valore nutritivo. Uno dei più comuni, il nostoc è costituito da lunghe catene di perline e forma un aggregato gelatinoso di filamenti. I singoli filamenti sono microscopici ma le aggregazioni si presentano come globuli di tutte le dimensioni e sembrano simili all'uva.

nostoc

nostoc

I microscopici filamenti della Spirulina non formano globuli ovali ma spesso si ammassano in grumi galleggianti che vengono spinti contro la riva dal vento. Altre specie di alghe appaiono come fili di masse fluttuanti o filamenti aggrappati a rocce in acqua in rapido movimento. La Spirulina, sotto forma di polvere, guida la maggior parte degli alimenti convenzionali sia per quanto riguarda le proteine ​​totali che per quelle utilizzabili. Solo pollame e pesce sono superiori con più del 45% di proteine ​​utilizzabili. La Spirulina abbina carne e latticini con dal 30% al 45% di proteine. Spirulina e nostoc offrono più proteine ​​in peso rispetto a qualsiasi altro ortaggio. Nutrizionali Earthrise produce 500 tonnellate di Spirulina commestibile ogni anno nella sua fattoria di 100 acri nel sud della California.

Fattorie Earthrise

Fattorie Earthrise

La selezione delle specie algali continuerà ad essere un problema critico per i produttori di alghe perché la giusta scelta delle specie migliora la coltivazione, il raccolto, l'estrazione e il valore dei prodotti prodotti. Fortunatamente, le collezioni di specie algali offrono ampie informazioni sulle specie nelle loro collezioni e rendono queste specie disponibili in modo affidabile a costi modesti.

Adattato da: Strategia per le alghe verdi: porre fine alle importazioni di petrolio e progettare alimenti e combustibili sostenibili, 2008

CAPITOLO 7: Coltivazione delle alghe

Ale leghe crescono in sistemi aperti, chiusi o semichiusi in vasche rotonde, lunghe o tubolari che massimizzano l'accesso dell'intera biomassa alla luce solare. La crescita si verifica solo nello strato superiore, circa due pollici, del terreno di coltura, a meno che non si verifichi una miscelazione. La crescita di nuove cellule blocca la luce solare per le piante sottostanti. La miscelazione semi-continua è necessaria per dare a tutte le alghe luce sufficiente. Alcuni sistemi di produzione mettono le sorgenti luminose vicino o nell'acqua per aumentare la luce solare.

La crescita avviene sulla base di una serie di variabili che non solo limitano la crescita, ma possono modificare la composizione delle alghe. Le variabili primarie includono le seguenti.

Leggero. Di solito la luce solare fornisce luce sufficiente, ma funziona anche la luce artificiale, specialmente per i sistemi di coltivazione indoor. Alcuni sistemi di coltivazione possono essere inclinati per ottimizzare l'orientamento al sole e alla luce riflessa. Diversi produttori stanno sperimentando la luce piegata utilizzando specchi o cavi di vetro e altri stanno utilizzando luci a LED che riducono al minimo il consumo di energia.

Miscelazione. Poiché la maggior parte della crescita avviene nello strato superiore della superficie che si affaccia alla fonte di luce, la miscelazione è imperativa. Ogni cellula ha bisogno di entrare e uscire dalla luce per i suoi periodi di crescita di luce e buio mentre assorbono CO2 ed espirano O2. Le alghe sono più pesanti dell'acqua e affonderebbero lontano dalla loro fonte di luce senza mescolarsi.

Le alghe crescono così velocemente da diventare rapidamente limitate dai nutrienti in acqua ferma. Non possono muoversi e pascolare per il cibo perché di solito non hanno propulsione. La miscelazione apporta nutrienti e CO2 a ciascuna cellula di alghe e fornisce un'esposizione alla luce intermittente. La miscelazione aiuta anche a rilasciare O2 dall'acqua all'atmosfera. Una miscelazione eccessiva o insufficiente impedisce la crescita e metodi di miscelazione approssimativi possono creare danni alle cellule a causa dello stress da taglio.

Alcune alghe hanno sviluppato due interessanti caratteristiche differenziate: flagelli e macchie oculari. In uno specifico stadio di crescita, alcune alghe sviluppano flagelli, sottili proiezioni dal corpo come code di spermatozoi che si muovono con un movimento simile a una frusta per spingere le alghe. Il punto dell'occhio riconosce la luce e i flagelli spingono la pianta verso la luce. Il movimento è molto lento, forse un pollice all'ora.

Acqua. Le alghe crescono bene in quasi tutti i tipi di acqua. Sono particolarmente abili nell'usare la fotosintesi per convertire i nutrienti e i metalli disciolti nelle acque reflue in biomassa verde dove i metalli possono essere rimossi e recuperati. I sistemi di produzione possono utilizzare acque reflue, acque grigie e acqua salata o oceanica, a seconda delle specie coltivate. I sistemi di coltivazione possono riciclare l'acqua, quindi l'unica perdita deriva dall'evaporazione.

CO2. Circa la metà del peso secco della biomassa microalgale è carbonio, tipicamente derivato da CO2 o carbonati, e viene alimentato continuamente durante la luce del giorno. Ogni 100 tonnellate di biomassa algale fissano circa 183 tonnellate di CO2. Il cibo preferito delle alghe, la CO2, deve essere aggiunto come gas o sotto forma di bicarbonato perché le alghe coltivate crescono troppo velocemente per essere in grado di assorbire una quantità sufficiente di CO2 dall'acqua. La maggior parte dell'acqua è troppo diluita in CO2 per un'elevata produzione. L'aria compressa miscelata con CO2 fino al 20%, in genere fornisce carbonio per la fotosintesi algale. La CO2 industriale oi gas di scarico sono fonti tipiche, ma alcune centrali elettriche a carbone producono zolfo in eccesso, che può inibire la crescita delle alghe. Alcuni produttori come Solazyme utilizzano una fonte di carbonio organico sotto forma di acido acetico o glucosio.

Nutrienti. Le alghe alimentano la loro crescita con gli stessi fertilizzanti utilizzati per le piante terrestri, ma i fertilizzanti possono provenire da flussi di rifiuti troppo salati per le piante terrestri. La crescita delle alghe consuma molto meno azoto e altri fertilizzanti per libbra di biomassa rispetto ai cereali alimentari come il mais e le sostanze nutritive sono più facili e meno costose da applicare. I fertilizzanti chimici disciolti o i nutrienti del flusso di scarto sono utilizzati dalle alghe con molta più efficienza rispetto alle piante terrestri perché le minuscole alghe unicellulari consumano direttamente i nutrienti e non devono trasportare i nutrienti per lunghe distanze. Anche il fertilizzante inutilizzato può essere riutilizzato con l'acqua riciclata.

pH. L'acidità dell'acqua può essere specifica per il tipo di alghe prodotte. Il controllo del pH dell'acqua rappresenta una buona strategia per ritardare la crescita delle alghe concorrenti. È probabile che il pH dell'acqua sia più alto a mezzogiorno a causa dell'elevata attività fotosintetica, che consuma il massimo di CO2.

Stabilità. Il mantenimento di un ambiente di crescita stabile presenta difficoltà con l'elevata velocità di crescita. Il terreno di coltura può trattenere troppo di qualsiasi nutriente o O2, il che può creare stress e/o cambiamenti nella composizione delle piante. Alcuni produttori catturano l'O2 rilasciato e vendono il gas puro come prodotto a valore aggiunto.

Produzione di algacoltura
La biomassa algale cresce in stagni o contenitori chiamati biofabbriche o sistemi di produzione di alghe coltivate (CAPS). Acqua, nutrienti inorganici, CO2 e luce vengono forniti alla coltura di alghe per promuovere la crescita della biomassa. Le alghe preferiscono una luce diffusa non troppo brillante, quindi alcuni sistemi utilizzano ombreggiature che limitano la luce e la diffondono. Varie specie producono meglio a temperature specifiche, quindi alcuni sistemi utilizzano acqua riciclata all'esterno della biofabbrica per mantenere la temperatura ottimale.

Anche se la CO2 può rappresentare circa il 5% del costo di produzione, tale costo può essere ridotto al minimo posizionando la biofabbrica vicino a un impianto elettrico o produttivo che produce CO2. I nutrienti possono essere forniti dalle acque reflue, recuperati dal serbatoio delle alghe o dal fertilizzante raccolto. Dopo che l'olio di alghe è stato rimosso, la biomassa rimanente contiene notevoli sostanze nutritive.

Crescita della biomassa

Crescita della biomassa

I sistemi chiusi offrono il vantaggio che l'acqua ricca di nutrienti può essere riciclata attraverso il sistema. Questa pratica riduce significativamente il costo dei nutrienti aggiunti. Inoltre riduce al minimo la perdita di acqua per evaporazione. I sistemi di algacoltura che utilizzano acqua ad alta salinità, come i flussi di rifiuti agricoli o l'acqua salata, producono una biomassa con una quantità considerevole di sale che deve essere rimossa durante l'estrazione del sottoprodotto. Alcuni modelli di business indicano l'utilizzo di alghe per raccogliere metalli pesanti dalle acque reflue industriali, che vengono poi estratti e venduti sul mercato dei prodotti chimici.

La raccolta può avvenire giornalmente mediante filtrazione, centrifugazione o flocculazione. Le cellule sospese nel brodo vengono separate dall'acqua ei nutrienti residui vengono riciclati alla produzione di biomassa. L'olio di alghe viene estratto dalla biomassa recuperata e convertito in biodiesel. Parte della biomassa non petrolifera può essere utilizzata come mangime per animali, fertilizzante e per altri prodotti secondari.

Parte della biomassa esaurita viene sottoposta a digestione anaerobica per produrre biogas che genera elettricità, che alimenta la miscelazione della biomassa e il trasporto dell'acqua. Gli effluenti della digestione anaerobica possono essere utilizzati per una maggiore produzione di alghe o come acqua di irrigazione ricca di sostanze nutritive. La maggior parte dell'energia generata dal biogas viene consumata nella produzione di biomassa e l'energia in eccesso può essere venduta alla rete. Alcuni sistemi utilizzano pannelli solari con celle fotovoltaiche per convertire l'energia solare direttamente in elettricità, che in genere viene utilizzata direttamente o immagazzinata nelle batterie.

Sistema di produzione dell'algacoltura

Sistema di produzione dell'algacoltura

In una coltura continua si alimenta terreno di coltura fresco a velocità costante e si preleva la stessa quantità di brodo microalgale. L'alimentazione si interrompe durante la notte ma la miscelazione continua per impedire la sedimentazione della biomassa. Fino al 20% della biomassa, prodotta durante il giorno, può essere consumata durante la notte per sostenere le cellule fino all'alba. La perdita notturna di biomassa dipende dal livello di luce di crescita, dalla temperatura di crescita e dalla temperatura notturna. Alcuni sistemi di produzione stanno sperimentando le luci notturne per aumentare la produttività.

Le microalghe contengono percentuali elevate, ma variabili, dei macronutrienti chiave: tipicamente 20-50% di proteine, 5-30% di carboidrati e 10-30% di lipidi, con circa il 10% di ceneri o rifiuti. Le proporzioni di ciascun nutriente possono essere modificate dalla selezione della specie, dal variare delle condizioni di crescita o dalla raccolta delle alghe in diversi stadi di crescita. La maggior parte delle specie è ricca di aminoacidi e offre una varietà di pigmenti. La composizione zuccherina dei polisaccaridi è molto variabile, ma la maggior parte delle specie ha elevate proporzioni di glucosio, 20-87%. Le microalghe contengono quantità significative di micronutrienti e antiossidanti come vitamine, acido ascorbico, riboflavina, carotenoidi e una varietà di nuovi lipidi.

Dopo che la componente petrolifera è stata utilizzata per il biocarburante, la biomassa ad alto contenuto proteico rimanente può essere deumidificata e conservata in una forma conveniente come una torta, che non richiede refrigerazione e ha una durata di conservazione di circa due anni. La torta di alghe può essere separata in vari alimenti, ingredienti alimentari, foraggi, fertilizzanti, medicinali fini o altri componenti.

Componenti, prodotti e usi algali

Componenti, prodotti e usi algali

La produzione di alghe per alimenti, combustibili, medicinali o altri co-prodotti può essere carbon neutral perché l'energia necessaria per produrre e trattare le alghe può provenire dal metano prodotto dalla digestione anaerobica del residuo di biomassa rimasto dopo l'estrazione del petrolio. Il modesto fabbisogno energetico per la miscelazione e la raccolta può provenire anche da altre fonti non di carbonio come eolica, geotermica o solare.

La biomassa raccolta è estremamente malleabile, nel senso che può essere immagazzinata nella stessa forma dei prodotti di mais, frumento, riso o soia. Questi includono latte ricco di proteine, purè morbido di qualsiasi dimensione, forma o consistenza, tortilla, cracker o farina. La biomassa può essere trasformata in proteine ​​vegetali testurizzate con aggiunta di fibre o estruse per produrre additivi per carni che migliorano la ritenzione di umidità e aumentano le proteine ​​riducendo i grassi.

È probabile che i nostri alimenti futuri siano arricchiti con alghe e composti avanzati delle alghe.

Adattato da: Strategia per le alghe verdi: porre fine alle importazioni di petrolio e progettare alimenti e combustibili sostenibili, 2008

CAPITOLO 8: Le alghe ci hanno reso umani?

ALe alghe hanno salvato il nostro pianeta 3.5 miliardi di anni fa trasformando la calda e mortale CO2 e l'atmosfera di metano a abbastanza ossigeno per sostenere la vita. Solo 2 milioni di anni fa, le alghe potrebbero aver compiuto un'altra incredibile impresa fornendo i micronutrienti che hanno innescato l'allargamento del cervello umano. Cervelli che si espandevano tre volte più grandi degli scimpanzé, differenziavano il nostro Omosessuale antenati dai loro cugini preumani e primati.

Una misteriosa fonte di nutrienti ha innescato l'allargamento del cervello, l'encefalizzazione, circa 2 milioni di anni fa. Gli scienziati concordano sul fatto che i primi ominoidi dovevano trovare una dieta più energetica più ricca rispetto alla loro precedente dieta dei primati di noci, foglie, corteccia, germogli, radici e insetti. La nuova dieta doveva essere ricca di nutrienti vitali, in particolare proteine ​​e omega-3 per supportare l'allargamento del cervello. I libri di testo suggeriscono che presto Omosessuale ha intrapreso un percorso verso l'encefalia espandendo la propria dieta per includere la carne di selvaggina della savana, che avrebbe fornito l'energia e i nutrienti necessari per sviluppare e supportare cervelli più grandi.

Tuttavia, l'acquisizione di carne avrebbe richiesto un cervello piccolo (leggermente più grande del cervello degli scimpanzé) e ominoidi magri per competere con gli animali selvatici per acquisire carne. presto Omosessuale massa muscolare, dimensioni e velocità sacrificate per camminare in posizione eretta e un leggero aumento delle dimensioni del cervello. Lo scenario della carne di selvaggina ignora l'energia sostanziale e il rischio di sopravvivenza associati alla competizione con animali selvatici molto più grandi, più veloci e più forti con abilità di cacciatore e cacciatore specializzate. I predatori africani 2 milioni di anni fa erano due volte più grandi di oggi.

Il cervello umano si è ingrandito un milione di anni prima dell'invenzione delle armi da caccia o dei fuochi da cucina. Aveva presto Omosessuale carne cacciata senza armi, molto probabilmente sarebbero diventati la catena alimentare. Anche se avessero trovato la carne, non avevano i denti per strappare o masticare la carne cruda. I loro stomaci non potevano digerire la carne cruda, che probabilmente avrebbe dato loro una furiosa diarrea. Una fonte di cibo nutriente, sicura, conveniente e digeribile ricca di omega-3 deve aver preceduto il consumo di carne di selvaggina per consentire le fasi iniziali dell'ingrossamento del cervello.

Homo precoce dal cervello piccolo

A sinistra: Homo precoce con cervello piccolo. A destra: potenti tigri dai denti a sciabola.

Gli acidi grassi Omega-3
Il DHA comprende il 27% dei grassi polinsaturi e il 97% degli acidi grassi omega-3 nel cervello. L'acido arachidonico (ARA), un grasso polinsaturo a catena lunga omega-6, comprende il 35% dei grassi polinsaturi e il 48% degli acidi grassi omega-6 nel cervello. Insieme DHA e ARA rappresentano quasi i due terzi del grasso strutturale nel cervello. Sono essenziali per il normale sviluppo e funzionamento del cervello, nonché per le operazioni degli occhi e del cuore. Questi acidi grassi sono concentrati nella regione del cervello responsabile di complesse capacità di pensiero, fondamentali per l'acquisizione di cibo.

I mammiferi hanno una capacità limitata di sintetizzare DHA e ARA dai precursori alimentari, quindi gli acidi grassi erano probabilmente i nutrienti limitanti che limitavano l'evoluzione di dimensioni del cervello più grandi nella maggior parte dei lignaggi dei mammiferi. I cibi vegetali selvatici disponibili nella savana africana, erbe, cereali, tuberi e noci contengono ARA e DHA trascurabili. Il tessuto muscolare e gli organi dei ruminanti africani selvatici avrebbero fornito solo livelli moderati di questi acidi grassi chiave.

Giù la catena alimentare
Piuttosto che risalire la catena alimentare alla carne di selvaggina, il primo passo dei primi ominoidi potrebbe essere stato invece lungo la catena alimentare quando ingerivano le alghe nella loro acqua potabile. Il consumo di alghe potrebbe essere stato intenzionale, ma più probabilmente è stato accidentale perché le minuscole cellule algali erano visibili solo nel senso che rendevano l'acqua leggermente verde. I laghi e le zone umide della Rift Valley, dove gli umani hanno sviluppato cervelli più grandi, ospitano alcuni dei più antichi laghi e zone umide della Terra che producono abbondanti riserve naturali di alghe spirulina ricche di proteine ​​e nutrienti. La Spirulina è l'integratore nutritivo algale più venduto oggi sul mercato perché fornisce un set completo di nutrienti essenziali. Una tribù di ominoidi sul lato sottovento di un lago di alghe potrebbe aver ingerito diversi grammi di alghe ogni giorno nella sua acqua potabile. Questi pochi grammi di alghe non avrebbero fornito fibre o proteine ​​sufficienti per una dieta completa. Le alghe avrebbero agito come un integratore alimentare naturale per fornire i nutrienti essenziali, le vitamine e gli antiossidanti che hanno fornito la scintilla verde per l'encefalia.

Presto Omosessuale potrebbe essere stato attratto dall'acqua dolce verde perché la loro dieta blanda, secca e granulosa era quasi priva di dolcezza. Le alghe attirano un'ampia varietà di altri microrganismi nutrienti, inclusi lieviti, funghi, batteri, virus e altri microrganismi che avrebbero fornito un valore nutritivo aggiuntivo. Quando ingerite, le alghe creano una sensazione di sazietà dal rilascio moderato di glucosio, che sarebbe stata una manna dal cielo per le madri con bambini affamati. Le alghe facilitano anche la digestione, quindi le madri potrebbero essersi assicurate che i loro figli bevessero acqua dolce verde carica di alghe dopo i pasti. Sul lato sottovento dei laghi e delle zone umide, il vento spinge le alghe in stuoie che potrebbero essere raccolte facilmente con un movimento della mano. Queste alghe concentrate potrebbero essere state attraenti per il suo sapore dolce e per il valore proteico.

Quando i loro cervelli si sono ingranditi, presto Omosessuale potrebbero aver ampliato la loro dieta sfruttando l'ecosistema acquatico per alimentatori di alghe carichi di proteine ​​​​algali e sostanze nutritive come invertebrati, pesci conchiglia e pinne, insetti e anfibi. I nutrienti algali erano disponibili localmente, tutto l'anno ed erano facili da raccogliere e pronti da mangiare o da essiccare e conservare per un consumo successivo. Le alghe potrebbero essere servite come il gustoso cibo pronto originale e hanno fornito proteine ​​​​sane con un set completo di aminoacidi critici, acidi grassi essenziali che hanno supportato lo sviluppo del cervello e del corpo, nonché vitamine e minerali fondamentali. Le popolazioni indigene dell'Africa continuano a raccogliere alghe da stuoie galleggianti sull'acqua per utilizzarle come integratori alimentari.

Donne che raccolgono alghe

Donne che raccolgono le alghe. Drawing in Human Nature, marzo 1978, di Peter Furst.

Salute
I primi cervelli umani non erano l'unica parte del corpo che beneficiava delle alghe. Oggi le quattro malattie da carenza più diffuse a livello globale nella sanità pubblica sono: malnutrizione, anemia nutrizionale (carenza di ferro e vitamina B12), xeroftalmia (carenza di vitamina A) e gozzo endemico (carenza di iodio). Ognuna di queste carenze nutrizionali avrebbe sfidato i pre-umani che non avevano né armi da caccia né abilità di caccia e non avevano nemmeno fuochi per cucinare. I cibi vegetali della foresta e della savana, specialmente in inverno e in primavera, avrebbero imposto gravi carenze nutrizionali ai primi ominoidi. Senza fuochi di cottura per ammorbidire le pareti cellulari e rilasciare sostanze nutritive in alimenti come noci, cereali, germogli e radici, gran parte del valore nutritivo sarebbe andato perso all'inizio Omosessuale.

Può sembrare improbabile che un minuscolo integratore di alghe possa fornire una quantità sufficiente di vitamina A, iodio, ferro, zinco e altri nutrienti anche quando la dieta locale non lo fa. Tipicamente, questi oligoelementi critici esistono nell'acqua locale ma in una diluizione estremamente debole. Le persone, in particolare i bambini, non sono in grado di bere abbastanza acqua per acquisire sufficiente iodio. In molti ecosistemi è disponibile poca acqua dolce da bere. Il segreto dell'alto valore nutritivo delle alghe deriva dalla sua capacità di bioaccumulare i nutrienti nell'acqua a 1,000 volte i livelli ambientali. Ciò significa che anche quando alcuni nutrienti, minerali o vitamine possono mancare nella dieta umana, le alghe possono concentrare quei nutrienti nella biomassa verde.

Una volta che i cervelli e i corpi degli ominoidi hanno raggiunto la massa critica, Homo sapiens ampliarono le loro diete e alla fine divennero cacciatori. Il primo ritrovamento fossile di un'arma da caccia ha solo 400,000 anni. L'aggiunta di armi da caccia e fuochi da cucina ha quindi consentito una dieta più diversificata e lo sviluppo del cervello umano moderno, della comunicazione e della cooperazione.

Il percorso dietetico per diventare umani potrebbe non essere stato un passo avanti nella catena alimentare per raccogliere la carne di selvaggina della savana. Più probabilmente, i nostri antenati hanno prima fatto due passi giù nella catena alimentare acquatica per i benefici nutrizionali delle alghe, in particolare degli omega-3. Dopo che i loro cervelli si erano ingranditi grazie ai nutrienti delle alghe, i nostri antenati erano pronti a fare il grande passo avanti nella rete trofica trofica terrestre per raccogliere la carne di selvaggina.

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