Il progetto REENACT, “A multidisciplinaRy approach to improve Energy-use EfficieNcy in AgriCulTure” è diretto dal Dr. Giorgio Perin del DiBio e mira a ridurre la domanda energetica del settore agricolo, implementando un metodo a base biologica per fissare l'azoto atmosferico in fertilizzanti. I fertilizzanti azotati vengono attualmente prodotti tramite il processo Haber Bosch, consumando il 2% dei combustibili fossili globali. Ciò comporta più emissioni di gas serra rispetto a qualsiasi altra reazione chimica industriale (1,6% delle emissioni globali di CO₂), incidendo in modo significativo sull’ecosostenibilità della produzione agricola.

I cianobatteri diazotrofi sono microrganismi che hanno sviluppato un meccanismo enzimatico in grado di fissare l’azoto atmosferico in ammonio, attraverso un processo biologico alimentato dall’energia solare. Questi organismi, durante la crescita, fissano anche la CO₂ atmosferica, potendo così contribuire a controbilanciare le emissioni di gas serra di origine antropica. Il progetto REENACT mira a stabilire un processo scalabile per la generazione di fertilizzanti azotati da cianobatteri diazotrofi che sia economicamente vantaggioso ed eco-sostenibile a lungo termine, per migliorare l'efficienza energetica della nostra economia alimentare (Fig.1).

REENACT mira ad aumentare l'efficienza energetica della fissazione biologica dell'azoto, studiando come le condizioni di coltivazione industriale influenzano il coordinamento tra l’attività di fissazione dell'azoto e il processo di fotosintesi che lo alimenta (Fig.2).

Il lavoro di REENACT si realizzerà con la creazione di un consorzio multidisciplinare, che unirà competenze in biotecnologie, ingegneria chimica e analisi dei dati. REENACT, coordinato dal Dr. Giorgio Perin del Dipartimento di Biologia, esperto nell’ottimizzazione del metabolismo di microorganismi fotosintetici, si avvarrà del contributo di altri due membri del Centro Studi “Giorgio Levi Cases”, ovvero la Prof.ssa Eleonora Sforza del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII), esperta nella comprensione e modellazione della crescita di microrganismi fotosintetici in reattori industriali e il Prof. Antonio Canale del Dipartimento di Scienze Statistiche (DSS), esperto di modellistica statistica per dati complessi.

Il progetto si prefigge di studiare l’impatto delle variabili operative (ad esempio regimi di luce, pH e temperatura) sulla coltivazione di Anabaena sp. PCC 7120 in fotobioreattori continui, monitorando l'efficienza nell'uso dell'energia per la fissazione dell'azoto atmosferico. Verranno implementati metodi analitici all’avanguardia per identificare le correlazioni tra produttività della biomassa e parametri operativi con l’obiettivo di sviluppare un modello matematico per descrivere la crescita in condizioni industriali, validando anche il suo potenziale predittivo per guidare l’ottimizzazione della biologia dell’organismo.

Conseguentemente, saranno sfruttati approcci biotecnologici per l’isolamento di ceppi di Anabaena sp. PCC 7120 con una migliore efficienza nell'uso dell'energia per la fissazione dell'azoto. La risposta di questi nuovi isolati sarà validata utilizzando un dispositivo microfluidico per velocizzare la selezione dei ceppi con le caratteristiche più adatte alla coltivazione industriale.

Sarà quindi svolta un’analisi tecnico-economica per confrontare l'indice di efficienza energetica (EEI) della tecnologia sviluppata nell'ambito di REENACT con processi all'avanguardia per la produzione di fertilizzanti azotati a livello regionale e nazionale.

Nel lungo termine, il lavoro di REENACT consentirà di identificare i parametri biologici e operativi con il maggiore impatto sulla crescita per il loro miglioramento attraverso sforzi sinergici tra biotecnologie e ingegneria del processo.