Progetto BIOSEA Ottimizzazione delle Filiere Bioenergetiche per una Sostenibilità Economica ed Ambientale

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1 Progetto BIOSEA Ottimizzazione delle Filiere Bioenergetiche per una Sostenibilità Economica ed Ambientale Relazione tecnico-scientifica del Coordinatore sulle attività svolte Terzo anno ( ) Coordinatore di Progetto Prof. Gianpietro Venturi 1

2 1 Sommario 1 Sommario... 2 Relazione del Coordinatore... 5 Responsabile: Prof. Gianpietro Venturi Relazione del Coordinatore Premessa Attività svolta dal Coordinatore nel terzo anno (2013) Stato di avanzamento delle attività Sintesi delle attività svolte per la divulgazione di risultati intermedi Indicazioni sulle attività previste per la chiusura del progetto Attività delle singole UU.OO CRA-PLF - Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta PLF U.O. I CRA-PLF - Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta PLF U.O. II UNICATT - Istituto di Agronomia, Genetica e Coltivazioni erbacee, Università Cattolica S. Cuore U.O. II UNICATT - Istituto di Agronomia, Genetica e Coltivazioni erbacee, Università Cattolica S. Cuore U.O. III UNIPD - Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE) Università degli Studi di Padova U.O. III UNIPD - Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE) Università degli Studi di Padova Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Sintesi delle attività svolte dall unità operativa nel corso del triennio U.O. IV UNIBO - Dipartimento di Scienze Agrarie (DipSA) - Alma Mater Studiorum Università di Bologna U.O. IV UNIBO - Dipartimento di Scienze Agrarie (DipSA) - Alma Mater Studiorum Università di Bologna

3 2.4.1 Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) U.O. V CRA-CIN Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura - Centro di ricerca per le colture Industriali U.O. V CRA-CIN Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura - Centro di ricerca per le colture Industriali Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) U.O. VI UNIFI Università di Firenze, Centro interdipartimentale di Ricerca sulle Energie Alternative e Rinnovabili (CREAR) U.O. VI UNIFI Università di Firenze, Centro interdipartimentale di Ricerca sulle Energie Alternative e Rinnovabili (CREAR) U.O. VII UNIPI Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Agro-ambientali - Università di Pisa U.O. VII UNIPI Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Agro-ambientali - Università di Pisa U.O. VIII SSSA Scuola Superiore Sant Anna U.O. VIII SSSA Scuola Superiore Sant Anna U.O. IX CRA-RPS Centro di ricerca per lo studio delle relazioni tra pianta e suolo U.O. IX CRA-RPS Centro di ricerca per lo studio delle relazioni tra pianta e suolo Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) U.O. X INEA - ISTITUTO NAZIONALE DI ECONOMIA AGRARIA U.O. X INEA - ISTITUTO NAZIONALE DI ECONOMIA AGRARIA Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) U.O. XI CRA-ING Unità di Ingegneria Agraria U.O. XI CRA-ING Unità di Ingegneria Agraria Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) U.O. XII CRA-SCA (Consiglio per la ricerca e sperimentazione in agricoltura Unità di ricerca per i sistemi colturali degli ambienti caldo-aridi, Bari) U.O. XII CRA-SCA (Consiglio per la ricerca e sperimentazione in agricoltura Unità di ricerca per i sistemi colturali degli ambienti caldo-aridi, Bari)

4 Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Sintesi delle attività svolte dall unità operativa nel corso del triennio U.O. XIII UNICT - Dipartimento di Scienze delle Produzioni Agrarie e Alimentari (DISPA), Università degli Studi di Catania U.O. XIII UNICT - Dipartimento di Scienze delle Produzioni Agrarie e Alimentari (DISPA), Università degli Studi di Catania U.O. XIV CNR - Istituto per la Valorizzazione del Legno e delle Specie Arboree (IVALSA) UOS di Catania (già UOS di Catania del CNR-ISAFOM) U.O. XIV CNR - Istituto per la Valorizzazione del Legno e delle Specie Arboree (IVALSA) UOS di Catania (già UOS di Catania del CNR-ISAFOM) Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Elenco Allegati ) Allegato 1 Elenco delle pubblicazioni e attività di divulgazione dei risultati Allegato 1 - Elenco delle pubblicazioni e attività di divulgazione dei risultati

5 Relazione del Coordinatore Responsabile: Prof. Gianpietro Venturi 5

6 1 Relazione del Coordinatore Responsabile: Prof. Gianpietro Venturi 1.1 Premessa La relazione ha l obiettivo di fornire un quadro delle attività svolte nel 2013 (III anno) nell ambito del progetto Biosea, da ciascuna delle unità di ricerca coinvolte, e di verificare lo stato di allineamento delle attività progettuali rispetto a quanto previsto. Si ritiene dunque opportuno, prima di fornire una descrizione delle attività e del relativo stato di avanzamento, ricordare le vicende che hanno caratterizzato l avvio del Progetto e che, in qualche caso, hanno comportato adeguamenti tecnici. Il Progetto BIOSEA, bando rientrante nel Progetto Bioenergetico D.M. 246/07 del 23/10/2007, G.U. n. 94 del 27/11/2007, è stato proposto e presentato al MIPAF dal Coordinatore nel febbraio A seguito di valutazione è stato rimodulato nel dicembre dello stesso anno e, definitivamente, nel gennaio Con D.M. 7508/7303/09 del 23/03/2009, previa accettazione del Coordinatore Prof. Gianpietro Venturi, è stato concesso un contributo a favore del DiSTA (Dipartimento di Scienze Tecnologiche dell Università di Bologna), registrato presso l'ufficio Centrale di Bilancio il 07/04/2009. Il Progetto quindi ha iniziato ufficialmente la propria attività. In seguito, a causa del ricorso presentato da uno dei soggetti esclusi dal finanziamento, il Progetto è stato sospeso con provvedimento di autotutela il 19/05/2009. E' stata avviata una nuova procedura di valutazione, con la nomina di una nuova Commissione. A seguito della graduatoria scaturita dalla nuova valutazione, il Progetto è stato rimodulato (nota n. 1042/10 del 12/04/2010) e con D.M /7303/10 del 23/07/2010 è stato riconcesso il finanziamento al DiSTA ed è stato riconfermato il Coordinatore Generale, che ha accettato (nota n. 887/10 del 23/03/2010). Il Progetto ha quindi ripreso ufficialmente la propria attività. Al momento della comunicazione del provvedimento di sospensione del finanziamento, la maggior parte delle Unità Operative aveva già avviato le attività di rispettiva competenza. Fortunatamente, una volta riavviato il Progetto, è stato possibile, nella maggior parte dei casi, recuperare e valorizzare le attività già avviate nella prima fase. Il Progetto si inserisce in un contesto di grande attenzione verso il mondo delle bioenergie, e delle agroenergie in particolare, a livello non solo italiano ma anche europeo e mondiale. Il progetto ha la 6

7 possibilità di fornire affidabili risultati sperimentali proprio perché ottenuti su sperimentazioni sufficientemente prolungate ed in ambienti e su colture sufficientemente diversificate. Il Progetto prevede attività di sperimentazione sia su colture pluriennali che su colture annuali. Nel caso delle seconde, la sperimentazione prevede l'analisi di risultati ottenuti in anni e luoghi diversi, caratterizzati da differenti andamenti meteorologici, con l'obiettivo di verificare i campi di variazione dei risultati e la risposta delle varie colture a differenti situazioni ambientali. In questa ottica sono state indagate alcune delle fitotecniche per le quali le conoscenze disponibili erano ritenute insufficienti. Nel caso delle colture pluriennali, assumono particolare interesse i risultati ottenuti in anni via via più lontani da quello di impianto, a causa della sostanziale scarsità di risultati sperimentali disponibili su periodi prolungati di tempo. E' infatti necessario conoscere per ogni coltura il livello produttivo nell'intero ciclo e per quanti anni potrà durare tale ciclo e in quali situazioni pedo-climatiche e colturali. In questo caso, si è potuto usufruire di campi impiantati da qualche anno. Obiettivo generale del Progetto è fornire il maggior numero possibile di informazioni attendibili sugli aspetti sopra sintetizzati. 1.2 Attività svolta dal Coordinatore nel terzo anno (2013) Come negli anni precedenti, l impegno del Coordinatore ha riguardato diversi aspetti tutti convergenti sull obiettivo generale di stimolare l attività di ricerca delle 14 U.O. e di far conoscere i risultati ottenuti. In particolare, l attività di coordinamento ha riguardato aspetti A) tecnico-scientifici direttamente attinenti le ricerche in atto; B) politici tramite contatti, spesso informali, con Istituzioni e soprattutto mondo operativo per far conoscere il Progetto e quindi valorizzarlo; C) divulgativi, con collaborazioni all organizzazione di iniziative pubbliche, interventi personali a tali iniziative, e con coordinamento di pubblicazioni; D) amministrativi. Più in particolare: A) Aspetti tecnico-scientifici Il Coordinatore ha curato contatti con i Responsabili delle U.O. per essere informato sull andamento delle ricerche e discutere i pochissimi casi che richiedevano piccoli cambiamenti di indirizzo. Per quest ultima attività, l impegno è stato modesto poiché la presentazione iniziale delle ricerche era stata ben curata e perciò non si sono presentati particolari problemi. Il delicato lavoro svolto nel primo anno in seguito alla ripartenza del progetto si è infatti rivelato molto proficuo. Gli indirizzi allora delineati si sono dimostrati corretti e le U.O. hanno potuto quindi seguire senza difficoltà le attività programmate. 7

8 B) Aspetti politici Il Coordinatore si è dedicato soprattutto ad aspetti legati alla politica generale del progetto in un ottica sia nazionale che europea. In questo anno infatti, le bioenergie sono state oggetto di grande interesse e discussione a livello UE, sia in Consiglio che in Commissione, sia in riunioni e in convegni in diversi Paesi membri dell Unione. Diversi gli argomenti, sui quali sostenitori ed avversarsi si sono affrontati discutendo principalmente la concorrenza fra destinazioni food e non food delle produzioni agricole. Resa dei terreni e sicurezza alimentare i temi centrali, ma anche bilanci energetici, ambientali e quindi economici e sociali. Argomento globale complesso con le varie ripercussioni sulle decisioni che coinvolgono il futuro delle bioenergie. Uno fra gli aspetti ora di attualità riguarda le modalità di calcolo di bilanci ambientali ed in particolare quali parametri considerare e come. L introduzione o meno dell ILUC ha richiesto molte riunioni e accese discussioni. Sono evidentemente aspetti di interesse diretto del progetto, poiché per le decisioni future, dell UE e nazionali, si ravvisa l esigenza di disporre di una grande quantità di nuove piccole conoscenze, che potranno essere ricavate da questo e dagli analoghi progetti in atto in diversi Stati membri dell UE ed anche extraeuropei. C) Aspetti divulgativi Su questo aspetto notizie più specifiche verranno fornite al punto 1.4. L impegno del Coordinatore è stato dedicato al coordinamento di un numero speciale di una rivista di prestigio quale l Italian Journal of Agronomy che ha pubblicato uno speciale con alcune delle relazioni presentate alla giornata di studio sull Arundo donax organizzata dal BIOSEA nel Il Coordinatore ha anche tenuto le relazioni introduttive dei convegni di Udine e di Padova (quest ultimo sulle colture per biodiesel organizzato in ambito BIOSEA) organizzati dalle rispettive Università. Altro impegno è stato quello di stimolare le U.O. a divulgare tempestivamente i risultati ad ora ottenuti. D) Aspetti amministrativi Infine l attività amministrativa. Questa attività, la cui responsabilità formale riguarda il Direttore e il Segretario Amministrativo del Dipartimento, ha richiesto, oltre al normale impegno di risposta alle U.O sui quesiti riguardanti modalità di rendicontazione e attribuzione di spese a specifici, previsti capitoli, anche un impegno aggiuntivo per la predisposizione di una rimodulazione richiesta da alcune U.O. 8

9 Infatti, le richieste delle U.O. e un attenta valutazione della situazione generale del progetto, hanno indotto il Coordinatore a richiedere una proroga di un anno rispetto alla data prevista ( ) di chiusura del progetto. Tale proroga è stata concessa dal Ministero (decreto del Direttore Generale N del 03/10/2013) e la chiusura del progetto è stata quindi spostata al Le difficoltà amministrative presentatesi l anno scorso in seguito all accorpamento dei Dipartimenti conseguente alla Riforma Gelmini dovrebbero essere state superate. Attualmente è in fase di predisposizione la rimodulazione, attività posticipata rispetto a quanto si sarebbe voluto, in conseguenza del ritardo di alcune U.O. nel fornire la documentazione Sintesi delle attività di coordinamento del terzo anno Così come negli anni precedenti, l obiettivo generale dell impegno del Coordinatore è stato la valorizzazione del Progetto attraverso varie tipologie di attività. L impegno, quindi, è stato mantenere ed incrementare i contatti con attori della ricerca, dei settori pubblico e privato, italiani e stranieri, con il mondo operativo dell agricoltura e dell industria e con Istituzioni dell UE, nazionali e regionali. In molti casi sono stati privilegiati contatti e collegamenti informali, resi possibili e facilitati dal ruolo del Coordinatore nell ambito della Piattaforma Tecnologica nazionale Biofuels Italia (Presidente), di quello ricoperto fino all inizio del 2013 in quella europea PT UE Biofuels (membro dello Steering Committee) e del gruppo di lavoro WG1 (Worging Group Biomass) (membro) di quest ultima. Notevole impegno è stato dedicato a stimolare l attività di divulgazione delle U.O. con pubblicazioni scientifiche, presentazioni a convegni, conferenze, seminari, ecc. A tale attività ha più volte partecipato direttamente anche il Coordinatore. In proposito il Coordinatore ha partecipato attivamente tenendo la relazione introduttiva a due Convegni (Udine e Padova) descritti nel dettaglio più avanti e ha tenuto due letture, al Rotary e all Accademia Nazionale dell Agricoltura nelle quali ha trattato anche il tema delle bioenergie. Più in particolare, fra le attività del Coordinatore svolte nel terzo anno (2013), possono essere citate le seguenti: - ha curato i contatti con le U.O., per informazioni sull andamento delle ricerche e discussione di piccoli adeguamenti via via resisi necessari. - Ha tenuto contatti con i membri del Comitato Scientifico, in particolare favorendo lo scambio di idee ed il confronto su aspetti generali delle bioenergie di interesse per il Progetto. - Ha continuato ad informare alcuni Colleghi europei sulle attività del Progetto. Grazie all attività di informazione svolta nei confronti dei Colleghi europei, il progetto è conosciuto 9

10 ed apprezzato in ambito europeo dove è riconosciuto come una delle iniziative di ricerca italiana di interesse per lo sviluppo delle bioenergie. - Ha continuato a seguire lo sviluppo e l aggiornamento del sito web del Progetto (biosea.dista.unibo.it) stimolando i Responsabili delle U.O. ad inviare i lavori scientifici realizzati in ambito BIOSEA e a dare notizia di iniziative. - Ha continuato a dedicare impegno fra le attività previste nell ambito del WP4 all analisi del ciclo di vita attraverso la metodologia LCA, analisi destinata ad essere sviluppata su tutte e tre le filiere bioenergetiche coperte dal progetto. La metodologia LCA, pensata per consentire l analisi e la quantificazione degli impatti ambientali legati alla produzione (nel caso specifico, produzione di bioenergia), riveste già ora grande interesse scientifico ed ha incontrato un importante sviluppo applicativo, ponendosi come uno degli stream di grande interesse per il mondo della ricerca nel prossimo futuro. L UE ne sta di fatto valutando le possibilità di applicazione nei criteri ufficiali di classificazione delle fonti e delle forme di bioenergie. L attività di Coordinamento in proposito è stata molto proficua e si ricorda che ne è scaturito un documento preparato l anno scorso sotto la responsabilità e la guida del Dott. Andrea Monti, Coordinatore del WP4 (documento disponibile). In chiusura del Progetto si spera di organizzare una giornata dedicata al tema LCA. - Ha creato uno special issue in Italian Journal of Agronomy (Convegni di Bologna e Bari. Arundo donax, valutazione agronomiche, energetiche e di sostenibilità. Vol 8 No 1s (2013).), che ha pubblicato alcune delle relazioni del Convegno organizzato l anno scorso dal Progetto sull Arundo donax. Lo speciale è disponibile al seguente indirizzo: - Ha infine svolto l attività di supporto alle U.O. per gli aspetti amministrativi. 1.3 Stato di avanzamento delle attività Il capitolo 2 della relazione presenta, per ciascuna UU.OO., il dettaglio delle attività svolte per ciascun task, lo stato di avanzamento delle stesse rispetto a quanto previsto dal progetto, ed i risultati conseguiti in questa prima fase. Le tabelle seguenti riepilogano, per ciascun task e relativi sub-task, lo stato delle attività per le UU.OO. coinvolte. In linea generale, lo stato di avanzamento appare sostanzialmente in linea con il timing previsto dal progetto, sebbene in alcuni casi i ritardi iniziali nell avvio del progetto abbiano determinato un parziale disallineamento delle attività rispetto al timetable originario, che è tuttavia in corso di recupero. La proroga di un anno permetterà di completare le poche attività in ritardo sulle previsioni iniziali, ma soprattutto di meglio analizzare i tanti risultati ottenuti e, si auspica, di divulgarli a livello scientifico e tecnico. 10

11 Si segnala che molte U.O. pur avendo completato le attività minime previste dal progetto e dai relativi Work package stanno comunque finalizzando attività aggiuntive sfruttando culture già avviate, sperimentazioni in atto avviate ai fini del progetto e quindi valorizzando ulteriormente l investimento fatto sul progetto. Tabella 1 Stato di avanzamento delle attività WP 1 Task 1.1 Sub-task Task e sub-task Filiera Bio-termoelettrica Valutazione delle potenzialità produttive di cloni o ibridi di specie arboree a rapido accrescimento (SRF) UU.OO. coinvolte CRA-PLF; SSSA Non avviato Stato avanzamento In corso X Concluso X Sub-task Valutazione dell impiego di reflui zootecnici nella fertilizzazione di arundo e pioppo CRA-CIN X Sub-task Sub-task Verifica delle potenzialità produttive di genotipi di sorgo da fibra in semina tradizionale e anticipata Valutazione della produttività di arundo in funzione dell agrotecnica CRA-CIN; UNIBO; UNICT CRA-SCA SSSA X X X X X Sub-task Bilancio Energetico UNICT; CRA-SCA; UNIBO Bilancio del carbonio CRA-SCA UNICT X X X X X Sub-task Ottimizzazione dell uso delle ceneri in agricoltura CRA-RPS X Sub-task Task 1.2 Sub-task Sub-task Sub-task Task 1.3 Sub-task Prime valutazioni delle potenzialità produttive di specie da biomassa meno note da introdurre nelle filiere esistenti Filiera Bio-diesel Confronto fenologico-produttivo fra genotipi di colza e carinata Valutazione dell effetto della concimazione azotata e della tecnica di lavorazione del terreno su genotipi di colza Confronto fra colza, carinata e girasole a diversi itinerari tecnici Filiera Bio-etanolo Verifica delle potenzialità produttive di genotipi di sorgo da zucchero a diverse latitudini in funzione dell epoca di semina Verifica delle potenzialità produttive di genotipi di sorgo da zucchero a diverse latitudini in funzione della disponibilità idrica UNIBO UNICT UNIPI; UNIPD CRA-SCA UNIPI UNICT, UNIBO UNICT Sub-task Studio di tecniche colturali a livelli di input differenziati CRA-SCA, UNICT X X X X X X X X X X X 11

12 Tabella 2 Stato di avanzamento delle attività WP 2 Task 2.1 Sub-task Task e sub-task Filiera Bio-termoelettrica Costituzione di nuovi cloni di specie arboree SRF a partire da materiale già selezionato dall U.O. UU.OO. coinvolte CRA-PLF Non avviato Stato avanzamento In corso X Concluso Sub-task Miglioramento della capacità germinativa di sorgo da fibra in condizioni di stress abiotici e costituzione di nuovi ibridi ad elevata produttività CNR- IVALSA X Sub-task Task 2.2 Sub-task Valutazione della variabilità genetica di arundo e specie affini con tecniche di genetica molecolare Filiera Bio-etanolo Miglioramento della capacità germinativa di sorgo da zucchero in condizioni di stress abiotici e costituzione di nuovi ibridi ad elevata produttività CRA-CIN CNR- IVALSA; UNICATT X X X Tabella 3 Stato di avanzamento delle attività WP 3 Task 3.1 Task 3.2 Task 3.3 Task 3.4 Task e sub-task Analisi dirette delle principali caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse per energia biotermoelettrica prodotte con diverse modalità nell ambito del WP1 Valutazione dell efficienza degli impianti esistenti utilizzando biomasse con differenti pre-trattamenti Analisi di impianti esistenti sul territorio italiano ed eventuale verifica dell adattabilità delle diverse tipologie di biomassa a impianti combinati (combustione, gassificazione, pirolisi) Caratterizzazione qualitativa degli oli per la produzione di biodiesel UU.OO. coinvolte UNIBO; CRA-CIN; CREAR (UNIFI); UNICT CREAR (UNIFI) CREAR (UNIFI) CRA-SCA in collaborazione con UNIPI UNIPD Non avviato Stato avanzamento In corso X X X X Concluso X X X X 12

13 Tabella 4 Stato di avanzamento delle attività WP 4 Task e sub-task UU.OO. coinvolte Stato avanzamento Non avviato In corso Concluso Task 4.1 Analisi Economica INEA Task 4.2 Analisi di impatto ambientale (LCA) (in collaborazione con diverse unità e con coordinamento del progetto) UNIBO CRA-SCA UNICT X X X X Task 4.3 Analisi Territoriale (GIS) CRA-SCA X Task 4.4 Meccanizzazione e logistica CRA-ING X 1.4 Sintesi delle attività svolte per la divulgazione dei risultati Interventi pubblici del Coordinatore Nel 2013 il Coordinatore ha partecipato a quattro riunioni pubbliche tenendo relazioni specifiche sulle tematiche del progetto, nelle quali venivano trattati anche aspetti relativi alle bioenergie. In particolare: - Il 17 gennaio al Rotary di Bologna Est ha svolto la relazione Le mille agricolture. - Il 25 gennaio a Udine al Congresso Filiere agroenergetiche in FGV: valutazione della sostenibilità aziendale e territoriale organizzato da Università di Udine, Regione Autonoma Friuli-Venezia Giulia e Fiera di Udine, ha tenuto la relazione Alcune considerazioni sulla sostenibilità delle bioenergie. - Il 4 febbraio, nell Aula Magna della Facoltà di Agraria di Bologna, nell ambito degli incontri tematici Il progresso in agricoltura organizzati dall Accademia Nazionale di Agricoltura, ha tenuto la lettura Le colture erbacee nel passato, nel presente, nel futuro. - Il 18 giugno ad Agripolis, Padova nell ambito delle giornate di studio BIOSEA Le Brassicacee più idonee per biodiesel organizzate dall U.O. Università di Padova (Prof. G. Mosca) ha presentato la relazione La filiera biodiesel del Progetto BIOSEA. Le quattro presentazioni sono disponibili sul sito del Progetto ( alcune sul sito Biofuels Italia della Piattaforma Tecnologica Nazionale dei biocarburanti ( e quella del 18 giugno sul sito dell Accademia Nazionale di Agricoltura ( ed anche sugli Annali dell Accademia, anno accademico 205 e 206, pag

14 Sugli stessi annali è anche riportata notizia, pag , del Convegno sull Arundo donax organizzata dal Progetto Biosea del 25 maggio Indicazioni sulle attività previste per l anno 2014 Le attività di ricerca delle U.O saranno dedicate al completamento degli obiettivi inizialmente definiti, così come indicato nel timetable (cap.1.3 che riporta lo stato di avanzamento col dettaglio delle attività programmate per i singoli task e sub-task). In diversi casi verranno effettuate ricerche aggiuntive rispetto a quanto previsto. Infatti, la disponibilità di colture pluriennali impiantate da qualche anno è un occasione troppo ghiotta che i ricercatori, se ne hanno l opportunità, non si lasciano scappare. Ogni impianto in essere, rappresenta, infatti, un patrimonio irripetibile, di valore tanto maggiore quanto più vecchio. Infatti, per molte specie pluriennali sono scarsi i dati sperimentali sulla durata utile. Oltre all attività di ricerca, proseguirà quella di divulgazione con la compilazione di pubblicazioni scientifiche e tecniche e, auspicabilmente, con la partecipazione dei ricercatori a convegni e congressi. Un ruolo importante per la divulgazione sarà ricoperto dal sito ( che si cercherà di tenere sempre aggiornato. Le U.O., in collaborazione con il coordinamento, cercheranno di organizzare tre convegni uno, di carattere tecnico-scientifico, programmato a Pisa in collaborazione fra le U.O. SSSA e UNIFI tratterà diversi aspetti tecnico-scientifici della filiera agroenergetica. Uno a Catania organizzato dalla U.O. UNICT sarà dedicato principalmente alla LCA; il terzo probabilmente a Roma vedrà come protagonista l U.O. INEA e tratterà aspetti economici e generali delle agro-energie. Nelle organizzazioni dei convegni si è programmato di coinvolgere Accademie, Università, Associazioni agricole e industriali. Purtroppo, l attuale situazione economica del Paese rende non facile assicurare la presenza di organismi pubblici o privati non direttamente coinvolti nel Progetto. Di conseguenza, il taglio dei tre convegni dovrà essere diverso a seconda delle valutazioni che potranno essere via via ritenute più attendibili. 14

15 2 Attività delle singole UU.OO

16 2.1 CRA-PLF - Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta PLF Ottimizzazione delle Filiere Bioenergetiche esistenti per una sostenibilità economica ed ambientale Responsabile scientifico: Dr Giuseppe Nervo 16

17 2.1 U.O. I CRA-PLF - Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta PLF Titolo della ricerca: Ottimizzazione delle Filiere Bioenergetiche esistenti per una sostenibilità economica ed ambientale Responsabile scientifico: Dr Giuseppe Nervo Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno 2013 Le attività già avviate presso l Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta (PLF), finalizzate alla selezione e costituzione di nuovi cloni di pioppo e salice da utilizzare per la produzione di biomasse lignocellulosiche, sono proseguite secondo i piani di lavoro previsti per ciascuna Task. Poiché per alcuni impianti le rilevazioni relative alla produttività in biomassa e all adattabilità alle condizioni pedoclimatiche di differenti areali di coltivazione del Nord e del Centro Sud Italia sono in corso o sono in fase di elaborazione, si riportano di seguito solo i risultati relativi agli impianti realizzati a Casale Monferrato per i quali si è già provveduto all elaborazione statistica dei dati raccolti. Per gli impianti sperimentali non considerati in questa relazione si rimanda ai risultati già riportati nella relazione dello scorso anno. In ottemperanza a quanto già previsto sia nella scheda di progetto che nella precedente relazione di attività, nel 2013 si è provveduto alla realizzazione di due nuovi impianti in Sicilia, allo scopo di verificare il comportamento di alcune selezioni clonali sia di P.x canadensis che di P. alba in ambienti aridi meridionali. Inoltre sono proseguite le attività di valutazione della tolleranza a stress abiotici (salinità) e di radicazione in condizioni limitanti, a seguito di prove in vivo ed in vitro con alcune delle migliori selezioni clonali di P. alba, P. x canadensis e salice. 17

18 Tabella Task e sub-task nei quali l U.O è coinvolta e relativo stato di avanzamento Task / sub-task nei quali l U.O. è coinvolta Task 1 Valutazione delle potenzialità produttive e della resistenza a stress biotici di differenti genotipi di pioppo di diversa origine, per produzioni bioenergetiche Task 1 Work Package.1.A Rilevazione precoce degli accrescimenti e della resistenza alle principali avversità biotiche in condizioni di laboratorio, serra e campo a Casale Monferrato. Task 1 Work Package 1.B Rilevazione della produttività e dello stato fitosanitario di cloni di P. alba, e P. x canadendis, in impianti sperimentali, dislocati in differenti areali del nostro Paese Task 2 Miglioramento e selezione di cloni di Salix alba S. matsudana e di loro ibridi per la produzione di biomasse lignocellulosiche Task 2 Work Package 2.A Selezione per accrescimento e resistenza alle avversità biotiche di genotipi di salice (Salix alba e S. matsudana e i loro ibridi) A Casale Task 2 Work Package 2.B Rilevazione della produttività e dello stato fitosanitario di genotipi di salice (Salix alba e S. matsudana e i loro ibridi), in impianti sperimentali, dislocati in differenti areali del nostro Paese Non avviato Stato di avanzamento Avviato/ in corso X X X X X X Concluso Task 3 Valutazione di cloni di pioppo e salice per la tolleranza e stress abiotici X Task 3 Work Package 1.A Valutazione degli accrescimenti di cloni di pioppo e salice per resistenza a stress abiotici, in condizioni di laboratorio, serra e pieno campo X 18

19 Relazione sull attività svolta Task 1 Valutazione delle potenzialità produttive e della resistenza a stress biotici di differenti genotipi di pioppo di diversa origine, per produzioni bioenergetiche a.1 - Descrizione dettagliata dell attività svolta, relativamente alla Task 1 Work Package 1.A Rilevazione precoce degli accrescimenti e della resistenza alle principali avversità biotiche in condizioni di laboratorio, serra e campo a Casale Monferrato. Nel 2013 è proseguita l attività di valutazione delle rese produttive di alcune selezioni clonali di P. x canadensis allevati in due diversi impianti sperimentali realizzati presso l azienda Mezzi del CRA-PLF di Casale Monferrato. Come già riportato nella precedente relazione una prova di confronto era stata allestita utilizzando 21 nuovi cloni, oltre a due cloni testimoni di riferimento (Orion e Baldo), allevati alla densità di piante per ettaro ( sesto di 2 x 0,6 metri). Un secondo impianto, realizzato nel 2010 alla densità di piante per ettaro (sesto di 3 x 3 metri) ha consentito il confronto di 9 selezioni clonali con i due cloni testimone I-214 e Orion, secondo uno schema sperimentale a blocchi randomizzati con 4 ripetizioni. La determinazione della resa in biomassa anidra (t/ha) è stata effettuata a seguito di rilievi del diametro medio delle piante, rilevato a 1,30 centimetri da terra. Relativamente alla resistenza alle principali malattie fogliari del pioppo (defogliazione primaverile, bronzatura e ruggine) si è proceduto all osservazione ed alla verifica del comportamento dei diversi cloni sia in vivaio che in piantagioni, secondo modalità ed accorgimenti sperimentali già riportati nella precedente relazione. Lo stesso dicasi per l afide lanigero del pioppo (Phloeomyzus passerinii) per il quale sono proseguiti i saggi di laboratorio per la valutazione del livello di resistenza. Per il pioppo bianco (P.alba) è proseguita la rilevazione degli accrescimenti dei cloni a confronto nella piantagione effettata a Casale Monferrato alla densità di piante per ettaro (spaziatura 3 3 metri) utilizzando 20 cloni, scelti tra i 60 già utilizzati per la prova allestita a Caramagna Piemonte (CN). Work Package 1.B Rilevazione della produttività e dello stato fitosanitario di cloni di P.alba, e P. x canadensis, in impianti sperimentali, dislocati in differenti areali del nostro Paese. Oltre alle prove condotte a Casale Monferrato le selezioni clonali di P.x canadensis e P. alba ottenute a seguito di programmi di breeding condotti presso il CRA-PLF sono state valutate anche in altri areali del Nord e Centro Italia, utilizzando differenti dispositivi sperimentali. 19

20 Nuove selezioni clonali (40 genotipi) di P. x canadensis sono state valutate in due prove allestite a Mantova ed a Spello (PG) alla densità di piante /ha, mentre presso l Azienda Ovile della sede distaccata PLF di Roma 11 selezioni clonali di P. x canadensis sono state poste a confronto con il clone I-214, in una piantagione realizzata nel 2011 alla densità di piante/ha. Poiché la rilevazione degli accrescimenti annuali sarà effettuata entro il mese di febbraio 2014, per tali prove si rimanda a quanto già riportato nella precedente relazione. I rilievi sono in corso anche per la prova sperimentale di confronto di 60 nuovi cloni di pioppo bianco (P. alba) condotta a Caramagna Piemonte (CN) alla densità di piante /ha, sia per quella allestita presso l azienda Ovile del CRA-PLF di Roma. Nel dicembre 2013 sono stati realizzati due nuovi impianti sperimentali in Sicilia, ponendo a confronto 8 cloni selezionati di P. x canadensis con tre testimoni commerciali, mentre per il pioppo bianco sono stati posti a confronto 26 genotipi, secondo uno schema sperimentale con 3 replicazioni di 9 piante per parcella. Per ovviare alle precedenti criticità, in entrambe gli impianti sono stati adottati opportuni accorgimenti a protezione delle piante oltre che per garantire interventi idrici di soccorso nei periodi estivi b.1- Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli, relativamente alla Task 1 La prova sperimentale allestita a Gela a febbraio 2012, utilizzando 30 genotipi di P. alba, è risulta parzialmente compromessa per un elevata percentuale di fallanze, dovute sia ad un incendio che ha danneggiato l impianto di irrigazione nei mesi estivi sia alla presenza di animali (capre e conigli selvatici) che hanno danneggiato seriamente le piante a livello del colletto. Per questo si è ritenuto di dover provvedere alla realizzazione di un nuovo impianto, su terreno di differente proprietà, adottando i necessari accorgimenti c.1 - Eventuali miglioramenti od approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale, relativamente alla Task 1 Poichè sopralluoghi effettuati nell autunno 2013 all impianto di pioppo bianco realizzato a Gela in Sicilia hanno evidenziato una percentuale elevata di mortalità si è ritenuto di dover provvedere alla realizzazione di un nuovo impianto, adottando opportuni accorgimenti sia a protezione delle piante (schelter ) che per garantire una disponibilità idrica di soccorso anche nei periodi estivi (impianto di irrigazione a goccia) d.1 - Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale, relativamente alla Task 1 20

21 Le attività relative alla Sub Task 1A sono sostanzialmente in linea con il piano dei lavori previsti, tranne che per le criticità relative ad alcuni impianti realizzati nel Centro Sud (Capannori e Gela) che hanno comportato un ritardo dei tempi per il completamento del programma della Sub Task 1B e.1 - Prossimi step, con particolare attenzione alle attività previste per l anno 2013, relativamente alla Task 1 Per le altre prove già avviate sia al Nord che al Centro e Sud Italia, si continuerà con la rilevazione degli accrescimenti e della produttività, oltre che allo stato sanitario dei diversi genotipi a confronto. Task 2 Miglioramento e selezione di cloni di Salix alba e S. matsudana e di loro ibridi per la produzione di biomasse lignocellulosiche a.2 - Descrizione dettagliata dell attività svolta, relativamente alla Task 2 Work Package 2.A Selezione per accrescimento e resistenza alle avversità biotiche di genotipi di salice (Salix alba e S. matsudana e loro ibridi). Presso l azienda Mezzi del CRA_PLF di Casale Monferrato è proseguita la conduzione dell impianto sperimentale di salice realizzato nel 2010 allo scopo di valutare la produttività ed il comportamento di 22 nuovi cloni a confronto con i testimoni Drago e Levante. La prova condotta secondo uno schema sperimentale con tre ripetizioni e parcella elementare di 9 piante, poste alla distanza di 3 metri sulla fila e tra le file (densità di piante/ha) ha consentito la determinazione della biomassa anidra (t/ha) ottenuta per ciascun clone. Ulteriori osservazioni hanno riguardato l incidenza della cicalina Asymmetrasca decedens in pieno campo, valutata sulla base della percentuale di foglie danneggiate e/o accartocciate. Work Package 2.B Rilevazione della produttività e dello stato fitosanitario di di genotipi di salice (Salix alba e S.matsudana e loro ibridi), in impianti sperimentali, dislocati in differenti areali del nostro Paese. La sperimentazione condotta a Caramagna Piemonte (CN) su terreno di medio impasto, non irrigato, ha consentito la determinazione degli accrescimenti di 80 genotipi di salice, allevati alla densità di piante/ha, secondo uno schema sperimentale a blocchi randomizzati con 4 ripetizioni e parcelle elementari di 9 piante. I dati raccolti, in fase di elaborazione, hanno riguardato gli accrescimenti e la produzioni in biomassa anidra (in t ha -1 ) ottenuta. 21

22 b.2.- Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli, relativamente alla Task 2 Come già riportato per il pioppo bianco, la prova sperimentale di adattabilità di differenti genotipi di salice allestita in Sicilia nell anno 2012, è risulta compromessa a seguito di danni da animali (capre e conigli selvatici), oltre che incendi verificatosi nei mesi estivi. Per questo si è deciso di interrompere la sperimentazione e fare riferimento un per questa specie alla prova già in corso presso l azienda Cesurni di Bagni di Tivoli (Roma) c.2 -- Eventuali miglioramenti od approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale, relativamente alla Task 2 Relativamente alla Tak 2 non sono previsti approfondimenti rispetto al progetto iniziale d.2 - Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale, relativamente alla Task 2 Le attività relative alla Sub Task 2A sono sostanzialmente in linea con il piano dei lavori previsti, mentre fatto salvo per le criticità riscontrate nell impianto di Gela (CL) a seguito delle quali si è optato per l attività già avviata presso l azienda Cesurni di Bagni di Tivoli e.2 - Prossimi step, con particolare attenzione alle attività previste per l anno 2014, relativamente alla Task 2 Nel 2014 si prevede di completare la valutazione delle differenti selezioni clonali di salice allevate nei diversi areali del Nord, e del Centro Italia, oltre a proseguire con la rilevazione del comportamento nei confronti della cicalina Asymmetrasca decedens e dello stato fitosanitario complessivo dei diversi genotipi a confronto. Task 3 Valutazione di cloni di pioppo e salice per la tolleranza a stress abiotici a.3 - Descrizione dettagliata dell attività svolta, relativamente alla Task 3 Work Package 1.A Valutazione degli accrescimenti di cloni di pioppo e salice per resistenza a stress abiotici, in condizioni di laboratorio, serra e pieno campo. 22

23 Presso la serra ed i laboratori dell Unità di ricerca PLF di Casale Monferrato sono state allestite prove per la valutazione della capacità di radicazione e crescita in vivo ed in vitro di selezioni clonali di P. alba, P. x canadensis e salice, in presenza di concentrazioni variabili da 0 a 200 ppm di cloruro di sodio (NaCl) b.3.- Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli, relativamente alla Task 3 L allevamento in vitro di alcuni cloni di P. x canadensis, risultato difficoltoso, ha in parte compromesso la prova di valutazione della tolleranza alla salinità c.3 -- Eventuali miglioramenti od approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale, relativamente alla Task 3 L adozione del sistema di coltivazione in vitro su substrati caratterizzati da differente concentrazione di nutrienti potrebbe consentire un miglioramento dei protocolli sperimentali consentendo ulteriori approfondimenti rispetto alla proposta iniziale d.3 - Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale, relativamente alla Task 3 Le attività relative alla Task 3 sono coerenti con quanto inizialmente previsto anche se richiedono un approfondimento della sperimentazione per una consentire la selezione dei genotipi di pioppo e salice maggiormente tolleranti la salinità e.3 - Prossimi step, con particolare attenzione alle attività previste per l anno 2013, relativamente alla Task 3 Nel 2014 si prevede di poter completare le prove in vivo ed in vitro per la valutazione della tolleranza alla salinità e per la capacità di radicazione di selezioni clonali di P. alba, P. x canadensis e salice Risultati conseguiti Task 1 Valutazione delle potenzialità produttive e della resistenza a stress biotici di differenti genotipi di pioppo di diversa origine, per produzioni bioenergetiche 23

24 La determinazione delle potenzialità produttive e della resistenza a stress biotici dei cloni di pioppo P. xcanadensis e P. alba è stata effettuata in differenti areali del Nord e Centro Italia come di seguito riportato. Work Package 1.A Rilevazione precoce degli accrescimenti e della resistenza alle principali avversità biotiche in condizioni di laboratorio, serra e campo a Casale Monferrato. Negli impianti realizzati presso l Azienda Mezzi di Casale Monferrato con i cloni di pioppo ibrido P. x canadensis, posti alla densità di e piante per ettaro, sono state effettuate a fine 2013, rilevazioni allo scopo di determinare la crescita delle piante. Per l impianto più fitto (8.333 piante per ettaro) si riportano i dati ottenuti al termine del secondo anno di prova, in quanto quelli rilevati a fine 2013 sono ancora in fase di elaborazione. Come evidenziato in figura , gli accrescimenti dei cloni a confronto nell impianto più fitto (8.333 piante per ettaro), rilevati al termine del secondo anno mediante misurazione del diametro delle piante a 130 centimetri da terra, hanno evidenziato risultati interessanti, soprattutto se rapportati all accrescimento dei due cloni commerciali (Orion e Baldo) di riferimento. Figura Impianto realizzato a Casale Monf. nel 2010 utilizzando vari cloni di canadensis, alla densità di piante /ha; diametro rilevato alla fine del secondo anno P. x 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, ORION BALDO 24

25 Le selezioni clonali siglate come , , , , , , , sono risultate superiori al clone commerciale Orion,, attestandosi su valori di accrescimento prossimi a quelli riscontrati per il clone commerciale Baldo. Nell impianto più rado, con densità di piante per ettaro, la produzione in biomassa anidra rilevata alla fine del secondo anno di impianto ha evidenziato rese produttive superiori a 10 tonnellate per ettaro anno di biomassa secca per 6 cloni di P. x canadensis, con particolare evidenza per il clone siglato come (Figura ), verosimilmente superiore al clone Orion utilizzato come testimone di riferimento. Il clone I-214 ampliamente coltivato per la produzione di legno da destinare all industria del compensato è risultato il meno produttivo, a dimostrazione della necessità di effettuare ed utilizzare anche per il pioppo selezioni genetiche specifiche per le differenti utilizzazioni industriali o energetiche. Figura Produzione di biomassa anidra (t/ha) rilevata alla fine del secondo anno nell impianto realizzato presso l azienda Mezzi del CRA-PLF di Casale Monferrato, utilizzando 11 cloni di P. x canadensis, alla densità di piante /ha 20 Biomassa (t ha -1 anno -1 ) AB AB AB AB A AB AB AB B B A Cloni I-214 ORION La valutazione del comportamento dei diversi cloni di P. x canadensis nei confronti delle principali avversità biotiche ha sostanzialmente confermato le indicazioni già ottenute in precedenza. I rilievi eseguiti nei mesi di aprile e maggio su tutte le piante dei cloni di P. x canadensis allevate in pieno campo a Casale Monferrato hanno sostanzialmente confermato un alto livello di resistenza a Venturia populina per le selezioni siglate come e , oltre a , , , , , e , Elevata resistenza alla bronzatura, malattia fogliare causata da Marssonina brunnea, è stata accertata per 25

26 quasi tutte le nuove selezioni di P. x canadensis; solo i cloni siglati come e hanno evidenziato una certa suscettibilità al patogeno. Le ripetute osservazioni effettuate in pieno campo, hanno consentito di verificare l elevato livello di resistenza della maggior parte dei cloni di P. x canadensis anche nei confronti della ruggine del pioppo (Melampsora larici populina). Solo alcuni cloni ( , , , , , ) hanno confermato una certa suscettibilità, comunque inferiore rispetto a quella osservata sui vecchi cloni commerciali quali I-214, Boccalari e Beauprè. Relativamente ai cloni di pioppo bianco (P.alba) posti a confronto a Casale Monferrato alla densità di piante per ettaro (spaziatura 3 3 metri) è stato possibile quantificare le rese in biomassa anidra per ciascuno dei 20 cloni a confronto (Figura ). Figura Produzione di biomassa (t/ha) al quinto anno, di 20 cloni di P. alba allevati alla densità di piante /ha presso l Azienda Mezzi di Casale Monferrato 15 Biomassa (t ha -1 anno -1 ) GA 107D PA 078 PA 079 PA 075 PA 089 PI PI PI PI DI-102 VILLAFRANCA Cloni I dati riportati in figura relativamente ai migliori cloni posti a confronto con il testimone Villafranca, evidenziano elevati rese superiori a 10 t/ha / anno di sostanza secca per i cloni , , , , , PA078 e buona produttività per i cloni e PI , , , , benché le differenze non siano risultate significative all analisi statistica (ANOVA) verosimilmente a causa della variabilità elevata, imputabile alle piante stroncate/atterrate dalla tromba d aria del 29 luglio Task 2 Miglioramento e selezione di cloni di Salix alba e S.matsudana e di loro ibridi per la produzione di biomasse lignocellulosiche 26

27 Work Package 2.A Selezione per accrescimento e resistenza alle avversità biotiche di genotipi di salice (Salix alba e S. matsudana e loro ibridi) a Casale Monferrato. L impianto sperimentale di cloni di salice allestito nel 2010 presso l azienda Mezzi di Casale Monferrato ha consentito la determinazione della produttività in biomassa anidra (t/ha/anno) per ciascuno dei 24 cloni a confronto (Figura ). Interessanti rese produttive sono state riscontrate per cinque nuove selezioni clonali (SE03-001, , , , ), peraltro non statisticamente differenti rispetto a quelle dei due cloni commerciali di riferimento; Drago e Levante. Al riguardo va rilevato che questi stessi 5 cloni sono finora risultati resistenti anche agli attacchi di Asymmetrasca decedens, cicalina particolarmente polifaga e largamente diffusa in Pianura Padana. Peraltro le osservazioni effettuate per diversi anni in pieno campo a Casale Monferrato su un totale di 42 selezioni clonali di salice in fase avanzata di selezione, hanno evidenziato un elevato livello di resistenza alla cicalina Asymmetrasca decedens in 18 cloni, mentre 20 si sono dimostrati altamente suscettibili agli attacchi della stessa cicalina. Figura Biomassa anidra (t/ha/anno) rilevata alla fine del quarto anno nell impianto realizzato a Casale Monferrato alla densità di piante /ha, utilizzando 24 cloni di Salix spp A AB Biomassa (t ha -1 anno -1 ) ABCD ABC ABCD CD ABC ABC ABCD BCD BCD ABC ABC ABCD ABC ABCD ABC ABC ABC ABCD CD ABCD D S DRAGO LEVANTE SI SI SE SE SE SE SE SE SE Cloni 27

28 Work Package 2.B Rilevazione della produttività e dello stato fitosanitario di genotipi di salice (Salix alba e S.matsudana e loro ibridi), in impianti sperimentali, dislocati in differenti areali del nostro Paese. Relativamente alla prova sperimentale di confronto con 80 genotipi di salice allevati alla densità di piante/ha a Caramagna Piemonte (CN) le produzioni in biomassa anidra (in t ha -1 ) ottenute alla fine del 5 anno e già riportate nella precedente relazione hanno evidenziato risultati molto eterogenei, con rese medie comprese tra 5 e 50 tonnellate per ettaro a seconda dei cloni (Figura ). I dati relativi al sesto anno, ancora da rilevare potranno fornire indicazioni utili per individuare le migliori selezioni, mentre la prevista ceduazione consentirà l accertamento della capacità di ricaccio per ciascun clone. Figura Rappresentazione del comportamento dei 80 cloni di Salix spp. a confronto a Caramagna Piemonte raggruppati in 10 classi di produttività espressa in biomassa anidra (t/ha) >50 45,1-50,0 Classi di produttività (t/ha) 40,1-45,0 35,1-40,0 30,1-35,0 25,1-30,0 20,1-25,0 15,1-20,0 10,1-15,0 5,1-10,

29 Task 3 Valutazione di cloni di pioppo e salice per la tolleranza a stress abiotici Work Package 1.A Valutazione degli accrescimenti di cloni di pioppo e salice per resistenza a stress abiotici, in condizioni di laboratorio, serra e pieno campo Le forti gelate riscontrate a Casale Monferrato nell inverno , con temperature minime di - 20 C verificatesi per alcuni giorni, hanno consentito la valutazione dei possibili danni da freddo alle piante di pioppo e salice presenti nei diversi impianti. Così mentre per i pioppi P. x canadensis e P. alba non sono stati riscontrati danni particolarmente evidenti, nel caso di alcuni genotipi di salice si sono osservate necrosi che hanno interessato parte o tutta la chioma. Nella primavera 2013 si è riscontrato un mancato o anomalo germogliamento delle gemme poste sui rami e/o in porzioni poco lignificate del fusto di alcuni cloni di salice (SE , SE , SE , SE , SI ) mentre i cloni S e hanno manifestato sintomi meno gravi generalmente localizzati su porzioni più o meno estese del fusto (Figura ). Figura Manifestazioni di mancato o anomalo germogliamento primaverile di alcuni cloni di salice particolarmente sensibili alle gelate riscontrate a Casale Monferrato nell inverno Divulgazione dei risultati Parte dei risultati finora ottenuti nell ambito del Progetto Biosea sono stati oggetto di divulgazione a seguito di comunicazioni orali in Congressi, Workshop ed incontri tecnici a livello nazionale ed internazionale. Oltre alle pubblicazione già riportate nelle precedenti relazioni, nel 2013 sono stati pubblicati su riviste e/o presentati in convegni internazionali i lavori di seguito riportati. 29

30 1) Rosso, L., Facciotto, G., Bergante, S., Vietto, L., Nervo, G Selection and testing of Populus alba and Salix spp. as bioenergy feedstock: Preliminary Results. Applied Energy 102 (2013) ) Rosso, L., Bergante, S., Vietto, L., Facciotto, G., Populus alba e Salix spp. per la produzione di biocarburanti. In: IX Congresso Nazionale SISEF 'Multifunzionalità degli Ecosistemi Forestali Montani: Sfide e Opportunità per la Ricerca e lo Sviluppo' (Tonon G. Ventura M. Bucci G. eds) Bolzano, sett Comunicazioni Orali - Riassunti. c9.7.1#209 p.62. 3) Rosso, L., Vietto, L., Bergante, S., Nervo, G., Facciotto, G., Lignocellulosic biomass as feedstock for biofuels production. In: Proceedings of 21th European Biomass Conference & Exhibition, 3-7 june 2013, Copenhagen Denmark,

31 2.2 U.O. II UNICATT - Istituto di Agronomia, Genetica e Coltivazioni erbacee, Università Cattolica S. Cuore Titolo della ricerca: Miglioramento genetico del sorgo per usi energetici Responsabile scientifico: Dr. Stefano Amaducci 31

32 2.2 U.O. II UNICATT - Istituto di Agronomia, Genetica e Coltivazioni erbacee, Università Cattolica S. Cuore Titolo della ricerca: Miglioramento genetico del sorgo per usi energetici Responsabile scientifico: Dr. Stefano Amaducci Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno 2013 Nell anno 2013 è stato pianificato un esperimento in pieno campo per la caratterizzazione fisiofenologica di sei varietà di sorgo già testate negli anni precedenti: ABF306, TrudanHL, Harmattan, Sucro506, Bulldozer, Tarzan. Il piano sperimentale prevedeva una più approfondita caratterizzazione del genotipo ABF306, di nostra costituzione, anche sotto differenti regimi di concimazione azotata. La semina tardiva (23 maggio), dovuta all impossibilità di lavorazione del terreno, e le successive avverse condizioni climatiche, con temperature molto al di sotto della media stagionale (~7 ºC), hanno portato all emergenza di poche plantule e di un conseguente campo pieno di fallanze, di certo non utile ai fini di una caratterizzazione di campo. Per questo motivo è stato messo a punto un esperimento in vaso, con sei differenti genotipi per lo screening iniziale di ulteriori varietà di sorgo. L attività svolta è più approfonditamente descritta nel successivo paragrafo. Tabella Task e sub-task nei quali l U.O. è coinvolta e relativo stato di avanzamento Task 1-3 e 5 Task / sub-task nei quali l U.O. è coinvolta Non avviato Stato di avanzamento Avviato/ in corso Concluso X Task 4 X Relazione sull attività svolta Nell ambito dell azione 4 del Progetto BIOSEA, nell estate 2013 è stata condotta una prova sperimentale in vaso presso l azienda sperimentale Vittorio Tadini al fine di meglio caratterizzare 6 differenti varietà di sorgo in nostro possesso in funzione della loro risposta a condizioni di limitata disponibilità idrica. 32

33 Sono stati presi in considerazione i seguenti genotipi: IS10234 e IS16173, IS22330 e IS20351, OPV3, ICSV700 rispettivamente tollerante e sensibile della razza caudatum per la prima coppia, e durra per la seconda. I semi sono stati fatti germinare in piastra in incubatore, quindi trapiantati in vasi di plastica del volume di 16L precedentemente riempiti con suolo prelevato in campo (8 Kg della seguente composizione: 24,4% argilla, 63,7% limo, 11,9% sabbia). All emissione della 6-7 foglia, i vasi sono stati portati a capacità di campo e la loro estremità chiusa con dei sacchetti in polietilene (PE) trasparente; una piccola fessura è stata praticata sul fondo del sacchetto per consentire alla pianta di crescervi attraverso. Il foro di uscita è stato sigillato con del nastro adesivo per ridurre al minimo le perdite d acqua attraverso di esso. Questo tipo di procedura, esperimento dry-down, ampiamente utilizzato in letteratura (Luquet et al., 2008, Xin et al., 2008), permette di stimare la perdita di acqua tramite traspirazione delle piante, eliminando le perdite dovute all evaporazione da parte del terreno. È stato adottato un disegno sperimentale a blocchi completamente randomizzati con cinque ripetizioni, per un totale di 150 piante (5 piantine per ognuno dei 6 genotipi). Lo stress idrico è stato indotto sospendendo l irrigazione fino al raggiungimento della frazione di acqua disponibile nel suolo desiderata, pari a 0.2 FTSW (Fraction of Transpirable Soil Water), e mantenuto costante per 5 giorni. Al termine di questo periodo è stato effettuato il primo campionamento distruttivo; sono state, quindi, ripristinate le ottimali condizioni di disponibilità idrica, mantenute per altri 5 giorni al termine dei quali è stato effettuato l ultimo campionamento distruttivo. Per tutta la durata dell esperimento sono stati monitorati i seguenti paramentri fisio-fenologici: - Fenologia e area fogliare - Contenuto in clorofilla - Misurazione degli indici di fluorescenza - Tasso di traspirazione - Misurazione degli scambi gassosi I campionamenti distruttivi sono stati, invece, utili al fine della determinazione della biomassa totale prodotta e dei relativi indici di tolleranza e suscettibilità allo stress idrico (Maiti et al., 1994; Yousin et al., 2000), del contenuto idrico relativo (RWC) e dell area fogliare Risultati conseguiti La frazione di acqua disponibile nel suolo FTSW è stata monitorata giornalmente attraverso metodo gravimetrico come rapporto tra l acqua disponibile nel suolo (ASW, determinata come differenza tra il contenuto idrico del suolo e l acqua presente al punto di appassimento) e la quantità totale di 33

34 acqua traspirabile nel suolo (TTSW, calcolata come differenza tra l acqua presente a capacità di campo meno quella residua al punto di appassimento). L accurata stima dell FTSW consente di studiare in maniera appropriata il comportamento fisiologico della pianta in risposta all avanzamento dello stress. Da un punto di vista agronomico, la determinazione della biomassa secca prodotta è uno dei parametri principali per l identificazione di genotipi che, anche in condizioni di stress idrico, siano in grado di produrre buone quantità di biomassa. Tale determinazione è stata eseguita al momento dei due campionamenti distruttivi sia per la porzione aerea delle piante, che per quella radicale (Tabella ). In condizioni di stress idrico il genotipo IS22330 si differenzia dagli altri per una maggiore produzione di biomassa aerea secca e per una scarsa attinenza ad approfondire il proprio apparato radicale, dimostrato dal basso valore del rapporto tra biomassa radicale e biomassa aerea, nettamente sbilanciato a favore di quest ultima, visibile al momento dei campionamenti distruttivi rispettivamente nella quinta ed ottava colonna della Tabella L analisi della ripresa vegetativa permette di stimare un altro importante parametro: il tasso di crescita (Tabella ). Questo dato, senza dubbio fondamentale da un punto di vista produttivo, indica la più o meno spiccata capacità del genotipo di tollerare un periodo di carenza idrica e di conservare un altrettanto buona capacità di ripresa in seguito alla nuova ritrovata disponibilità d acqua. Il parametro relativo al contenuto idrico relativo delle foglie (RWC) è, invece, specchio della quantità d acqua residua nella foglia al momento della raccolta nonchè, quindi, della capacità del genotipo di trattenere al suo interno una maggiore quantità d acqua attuando una rapida chiusura delle aperture stomatiche prevenendo un ulteriore ed insensata perdita della stessa. Differenze significative sono apprezzabili solo per la coppia di genotipi IS16173 e IS10234 (Tabella ), segno che comunque le altre varietà di sorgo posseggono, in virtù della loro natura di piante C4, un ottimo controllo delle aperture stomatiche in condizioni di stress. Nell analisi della superficie fogliare, non sono state osservate differenze statisticamente significative tra i genotipi, ma solo tra le due tesi analizzate (dati non mostrati). Ci si riserva comunque la possibilità nel prossimo anno di approfondire tale fondamentale analisi con misurazioni più frequenti per l intera durata della sperimentazione. Il contenuto di clorofilla è stato misurato attraverso l utilizzo di uno strumento portatile SPAD-510 (Soil-Plant Analyses Development) in grado di stimare la quantità di clorofilla a livello fogliare attraverso la trasmittanza registrata a due lunghezze d onda (650 nm e 940 nm), assorbite in modo 34

35 differente dalla clorofilla (Martinez E. et al., 2004). Tale valore fornisce un buon indicatore dello stato di salute del tessuto fotosintetico della pianta (Nageswara te al. 2001). Il risultati, però, non sono stati utili (e per questo motivo non riportati) a discriminare quale genotipo di sorgo fosse effettivamente sensibile o tollerante lo stress idrico; nessuna differenza significativa emerge dall analisi statistica nè tra i genotipi nè tra le tesi. Quasi sicuramente questo è sintomo di un ottima ripresa dei fotosistemi delle piante durante le ore notturne, così come è anche dimostrato dagli indici di fluorescenza misurati al buio. Essendo la molecola della clorofilla quella che maggiormente influenza la fotosintesi, lo studio della sua fluorescenza è molto utile per studiare gli effetti degli stress ambientali sulle piante. Infatti, tali stress determinano una riduzione della fluorescenza della clorofilla a causa della sua degradazione. Allo scopo di determinare la risposta dei genotipi allo stress idrico, sono stati valutati alcuni indici di fluorescenza della clorofilla, tra i quali: resa quantica del fotosistema II (Fv/Fm), estinzione fotochimica (qp), estinzione non fotochimica (NPQ), efficienza del fotosistema II (ɸPSII). Dai risultati riportati in Tabella , il valore di resa quantica del fotosistema Fv/Fm misurato al buio non è statisticamente significativo per tutta la durata dell esperiemento, neppure al momento del primo campionamento distruttivo. L efficienza del fotosistema II rivela, invece, differenze significative nell interazione genotipo*tesi. I genotipi sensibili IS e IS16173 mostrano, in condizioni di stress, valori di efficienza più bassi rispetto ai corrispettivi genotipi tolleranti IS22330 e IS Inoltre, gli stessi genotipi sensibili presentano un differenze statisticamente significative tra le due tesi irrigue. Mentre per IS16173 le condizioni di stress fanno aumentare la dispersione di elettroni per via non fotochimica, per IS20351 avviene l opposto. La dispersione per via fotochimica è sempre molto elevata per la tesi irrigata, mentre lo stress idrico riduce sensibilmente l attività dei fotosistemi abbassandone il valore di quencing fotochimico. Il genotipo tollerante OPV3 è quello che meno risente dello spegnimento energetico della clorofilla per via fotochimica in condizioni di carenza irrigua. Il tasso di traspirazione giornaliera è stato, al contrario, molto utile per la discriminazione dei genotipi di sorgo analizzati. Lo studio ha evidenziato come questo decresca di pari passo al diminuire dell acqua disponibile nel suolo FTSW. In particolare, è stato possibile calcolare il tasso di traspirazione normalizzato NTR dividendo il valore della traspirazione giornaliera per quello registrato per la corrispettiva tesi irrigata. In questo modo è stato possibile individuare un valore di FTSW soglia (Tabella ), caratteristico di ogni genotipo, al di sotto del quale la traspirazione inizia a decrescere (Casadebaig et al., 2008). Il valore è indice della capacità del genotipo di continuare a estrarre acqua dal suolo anche quando le condizioni di crescita iniziano ad essere 35

36 limitanti. Differenze significative si apprezzano per la coppia di genotipi IS16173 e IS10234 appartenenti alla razza caudatum. Il genotipo IS22330 dimostra, invece, il valore di FTSW soglia più basso in assoluto. Il tasso di traspirazione di ogni genotipo è la manifestazione macroscopica di quanto avviene a livello cellulare nella regolazione delle aperture stomatiche. Le aperture stomatiche sono, infatti, sede degli scambi gassosi, CO2, O2 e vapore acqueo, che avvengono tra il mesofillo fogliare e l ambiente esterno. Tali aperture sono regolate da numerosi segnali chimico-fisici ed ambientali (concentrazione di acido abscissico, turgore cellulare, pressione di vapore saturo nell atmosfera, ecc...) a cui rispondono con estrema rapidità. Comprendere il comportamento e la regolazione di tali aperture significa comprendere anche la risposta della pianta a condizioni di stress. Avvalendosi di un analizzatore portatile di gas a raggi infrarossi, CIRAS-2 (PP- Systems, Amesbury, USA), è stato possibile misurare i valori di conduttanza stomatica (mmol m 2 s -1 ), fotosintesi netta (μmol m -2 s -1 ) e traspirazione (mmol m 2 s -1 ) per i sei genotipi sotto analisi (Tabella ) durante tutta la durata dell esperimento allo stesso orario, ovvero tra le 12 e le 14. Per tutti i genotipi è possibile riscontrare un trend decrescente dei tre valori analizzati corrispondente al decremento della disponibilità idrica nel suolo. In Tabella è riportata, invece, l analisi statistica relativa al momento del primo campionamento distruttivo. Per le coppie di genotipi ICSV700 OPV3 e IS20351 IS22330, il genotipo tollerante mostra valori di conduttanza stomatica, fotosintesi netta e traspirazione sensibilmente più bassi del corrispettivo genotipo sensibile. Questo dato non conferma quello di produzione di biomassa secca riportato precedentemente. Si è dunque ipotizzato che i genotipi tolleranti potessero mettere in atto una strategia conservativa di tolleranza dello stress idrico chiudendo gli stomi prima dei loro corrispettivi genotipi sensibili, riuscendo così ad evitare inutili perdite di acqua per via stomatica. 36

37 Tabella Analisi statistica della produzione di biomassa nei due campionamenti distruttivi Primo campionamento distruttivo Secondo campionamento distruttivo Genotipo ICSV700 OPV3 IS20351 IS22330 IS16173 Tesi Biomassa aerea (g) Biomassa radicale (g) Biom. Radicale / Aerea Biomassa aerea (g) Biomassa radicale (g) Biom. Radicale / Aerea ctrl 37 a 28,8 a 0,99 a 55,1 a 20,3 b 0,38 b stress 15,7 cd 14,1 cd 1,06 a 29,7 def 10,1 de 0,35 b ctrl 31,9 ab 11,9 cdef 0,32 c 39,2 bcde 13 cde 0,33 b stress 17,5 cd 8,1 g 0,59 b 28,3 ef 11,1 de 0,42 b ctrl 33,4 ab 20,9 b 0,63 b 49,4 ab 26,8 a 0,57 a stress 14,5 d 10,7 defg 0,88 a 28,9 ef 11,8 de 0,43 b ctrl 30,9 b 13,6 cde 0,39 c 49,3 ab 23,4 ab 0,48 ab stress 20,6 c 8,5 fg 0,44 bc 32,1 cdef 10,5 de 0,33 b ctrl 34,3 ab 12 cdef 0,35 c 43,4 abc 19,6 bc 0.44 b stress 15,3 cd 8,6 fg 0,63 b 24,2 f 8,5 e 0,36 b IS10234 ctrl 32 ab 15,3 c 0,46 bc 41,7 bcd 17,1 bcd 0,42 b stress 16,9 cd 10,2 efg 0,98 a 25,8 f 8,9 e 0,35 b LSD (5%) 5,98 3,45 0,20 12,38 7,22 0,17 Tabella analisi statistica relativa al tasso di crescita e contenuto idrico relativo RWC dei genotipi sottoposti a stress idrico Tasso di crescita (g day -1 ) % RWC ICSV700 2,62 ± 0,26 ab 69,50 ± 11,27 d OPV3 3,17 ± 0,37 a 71,83 ± 11,66 cd IS ,61 ± 0,08 cd 72,88 ± 13,63 cd IS ,08 ± 0,49 a 77,80 ± 9,44 bc IS ,01 ± 0,34 bc 70,31 ± 7,87 d IS ,66 ± 0,17 d 79,67 ± 5,12 b LSD (5%) 0,97 6,03 37

38 Tabella Analisi statistca degli indici di fluorescenza analizzati al momento del primo campionamento distruttivo per i sei genotipi Genotype thesis Fv/Fm ɸPSII NPQ qp ICSV 700 OPV 3 IS IS IS IS ctrl 0,82 ± 0,008 0,43 ± 0,06 c 0,19 ± 0,05 c 0,65 ± 0,05 abc stress 0,78 ± 0,026 0,30 ± 0,13 de 0,19 ± 0,03 c 0,54 ± 0,06 fg ctrl 0,82 ± 0,010 0,52 ± 0,14 ab 0,17 ± 0,04 c 0,68 ± 0,06 ab stress 0,78 ± 0,020 0,32 ± 0,24 d 0,22 ± 0,09 bc 0,62 ± 0,05 cde ctrl 0,81 ± 0,010 0,54 ± 0,14 a 0,35 ± 0,08 a 0,68 ± 0,04 ab stress 0,77 ± 0,060 0,21 ± 0,08 f 0,21 ± 0,08 bc 0,52 ± 0,09 g ctrl 0,81 ± 0,006 0,46 ± 0,19 bc 0,16 ± 0,03 c 0,64 ± 0,07 bcd stress 0,76 ± 0,016 0,33 ± 0,17 d 0,18 ± 0,06 c 0,58 ± 0,02 efg ctrl 0,81 ± 0,008 0,44 ± 0,16 c 0,19 ± 0,05 c 0,59 ± 0,06 def stress 0,78 ± 0,027 0,25 ± 0,20 ef 0,26 ± 0,07 b 0,60 ± 0,08 cdef ctrl 0,81 ± 0,008 0,48 ± 0,13 abc 0,18 ± 0,08 c 0,70 ± 0,06 a stress 0,79 ± 0,011 0,34 ± 0,19 d 0,16 ± 0,07 c 0,56 ± 0,05 efg LSD (5%) n.s. 0,06 0,07 0,06 Tabella Valore di FTSW soglia registrati per i sei genotipi Genotipo FTSW soglia ICSV 700 0,39 a OPV 3 0,38 a IS ,31 b IS ,27 b IS ,41 a IS ,31 b LSD (5%)

39 Tabella Analisi statistica di conduttanza stomatica, fotosintesi netta e traspirazione dei sei genotipi analizzati al momento del primo campionamento distruttivo Genotype Thesi gs Pn T ICSV700 OPV3 IS20351 IS22330 IS16173 IS10234 Ctrl 311,8 ± 99,8 cd 33,6 ± 6 bc 8,1 ± 0,7 ab Stress 183,8 ± 72,6 de 22,6 ± 10,2 d 6,1 ± 2,1 de Ctrl 396,2 ± 96,9 b 39,7 ± 2,7 ab 8,5 ± 0,8 ab Stress 113,5 ± 51,9 ef 14,1 ± 7,9 e 4,5 ±1,4 f Ctrl 280,2 ± 68,9 cd 31,3 ± 5,9 c 7,4 ± 1,2 bcd Stress 154 ± 40,9 ef 19,5 ± 5,9 de 5,2 ± 1,2 ef Ctrl 320 ± 127,4 bc 33,1 ± 8,3 bc 7,5 ± 1,5 bc Stress 66,7 ± 28,9 f 6,4 ± 5,4 f 3 ± 1,2 g Ctrl 274,2 ± 89,1 cd 25,8 ± 7,6 cd 7,9 ± 0,7 b Stress 200,5 ± 37,8 de 21,8 ± 3,2 de 6,2 ± 1 cde Ctrl 503 ± 92,4 a 44,8 ± 2,2 a 9,6 ± 1 a Stress 209,8 ± 127,1 de 22,9 ± 12,2 d 5,6 ± 1,5 ef LSD (5%) 97,4 8,1 1,5 La sperimentazione in vaso è stata adottata per condurre una più accurata caratterizzazione dell acqua presente nel terreno effettivamente disponibile per la pianta. Tale fattore è essenziale per la determinazione del livello di stress a cui si è voluto discriminare il comportamento e le strategie messe in atto dalle differenti piante nella risposta allo stress idrico. L accuratezza di tale misurazione non si sarebbe potuta ottenere attraverso un tradizionale esperimento in pieno campo. I genotipi IS20351 e IS22330, che è stato possibile selezionare attraverso il precedentemente descritto esperimento condotto nell anno 2013 in qualità di genotipi rispettivamente sensibile e tollerante lo stress idrico, sono oggetto della più approfondita e moderna tecnica di analisi di espressione genica RNA-Seq. Attraverso l utilizzo delle metodologie del deep sequencing (Illumina Genome Analyzer) una popolazione di RNA viene convertita ad una libreria di frammenti cdna con adattatori attaccati ad una o ad entrambe le estremità. Dopo amplificazione, ogni molecola viene sottoposta a sequenziamento in modo da ottenere corti frammenti di sequenza (reads). La loro lunghezza varia tra 30 e 70bp. In seguito le reads vengono mappate su di un genoma di riferimento o su trascritti di riferimento e contate, per ottenere su scala genomica una mappa di trascrizione che fornisca sia la struttura dei trascritti (introne/esone) sia il livello di espressione per ciascun gene. I 39

40 geni individuati e i marcatori molecolari ad essi associati saranno poi utilizzati per la Marker Assisted Selection di nuove linee e ibridi tolleranti alla siccità. Le analisi di espressione sono attualmente in fase di elaborazione. 40

41 DAFNAE - UNIPD 2.3 U.O. III UNIPD - Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE) Università degli Studi di Padova Titolo della ricerca: Ottimizzazione degli input colturali in B. napus e B. carinata a destinazione biodiesel Responsabile scientifico: Prof. Giuliano Mosca 41

42 DAFNAE - UNIPD 2.3 U.O. III UNIPD - Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE) Università degli Studi di Padova Titolo della ricerca: Ottimizzazione degli input colturali in B. napus e B. carinata a destinazione biodiesel Responsabile scientifico: Prof. Giuliano Mosca Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno 2013 Nel corso del 2013 non è stata svolta alcuna attività di ricerca. E proseguita invece l elaborazione dei dati già raccolti. Tabella Task e sub-task nei quali l U.O. è coinvolta e relativo stato di avanzamento Task / sub-task nei quali l U.O. è coinvolta Epoche di semina autunnali in colza invernale da olio Concimazione azotata Caratterizzazione qualitativa degli oli per la produzione di biodiesel Effetto della riduzione delle lavorazioni del terreno Non avviato Stato di avanzamento Avviato/ in corso Concluso X X X X Sintesi delle attività svolte dall unità operativa nel corso del triennio Breve sintesi delle attività e dei risultati di progetto In accordo con gli obiettivi progettuali prefissati, negli anni , , e presso l Azienda agraria sperimentale Lucio Toniolo dell Università degli Studi di Padova sono stati realizzati dei protocolli di coltivazione low input attraverso i quali sono stati studiati gli adattamenti morfo-fisiologici delle principali varietà disponibili nell ambito del panorama varietale di colza invernale 00 ai seguenti fattori agronomici: densità di semina, concimazioni azotate primaverili decrescenti e riduzione delle lavorazioni del terreno. Per quanto riguarda Brassica carinata la sperimentazione ha avuto come oggetto l individuazione della più idonea epoca di 42

43 DAFNAE - UNIPD semina in relazione alla limitata resistenza che questa specie costantemente dimostra per i freddi invernali Risultati conseguiti Epoche di semina autunnali L ibrido Excalibur si è confermata varietà in grado di raggiungere rese produttive molto stabili ed elevate. Catalina pur essendo varietà costituita meno di recente, rispetto ad altre, ha ottenuto ottime produzioni in tutte le epoche di semina e si è distinta per un peso di 1000 semi particolarmente elevato. PR45D01 è risultata la varietà con la resa minore in funzione di una emergenza generalmente meno omogenea. L epoca di semina anticipata ha consentito di raggiungere rese del tutto paragonabili a quelle dell epoca ottimale con il pregio di aver prodotto semi dal peso maggiore e nel caso di Excalibur con un più basso contenuto in zolfo nell olio estratto. La quantità di S è un parametro molto importante per l utilizzo dell olio di colza come biocombustibile, la normativa DIN V ne stabilisce un contenuto massimo, calcolato secondo la normativa UNI EN ISO 20884/20846, pari a 10 mg kg -1. Excalibur coltivata in epoca posticipata ha prodotto un olio che non rientrava nei limiti di legge per il contenuto in zolfo. L interazione varietà x epoca di semina ha messo in evidenza una più importante variazione del peso dei 1000 semi per Catalina. Caratteristiche dell olio estratto Volendo verificare se la variazione del peso dei 1000 semi ottenuta dalla modulazione dell epoca di semina influenza le caratteristiche qualitative dell olio, si è deciso di sottoporre ad analisi l olio della varietà Excalibur, apparsa più produttiva e stabile nell areale di coltivazione considerato. L epoca di semina non incide significativamente sulla composizione acidica dell olio estratto. Nemmeno il numero di iodio viene modificato dalle due epoche di semina mentre la quantità di zolfo risulta molto diversa (+33,8% rispetto all epoca anticipata). Di norma la quantità di zolfo allocata nel seme di Excalibur è relativamente costante durante il ciclo vegetativo, tuttavia la variazione nel peso di mille semi conseguente ad una diversa epoca di semina potrebbe comportare un effetto di maggiore diluizione dello zolfo a causa del maggiore contenuto in olio. Una ulteriore possibile spiegazione della variazione del contenuto di zolfo potrebbe essere riconducibile ad una diversa risposta del colza alle variazioni microclimatiche conseguenti alla semina ritardata. Riduzione delle lavorazioni del terreno Il rinnovato interesse per le tecniche di minima lavorazione ci ha spinto ad analizzare gli effetti sull accrescimento radicale e sulla produttività del colza invernale da olio specie di un certo interesse per l Italia e per la quale sono state condotte pochissime esperienze in tal senso. Nel corso del , su di un terreno medio-limoso dell Azienda agraria sperimentale dell Università di Padova sono state coltivate due varietà di colza (Monsanto-Dekalb), l ibrido CHH Excalibur e la varietà ad impollinazione libera Catalina sottoponendole a tre modalità di preparazione del terreno lavorazione tradizionale( aratura a 0,35 m, 40 semi/m 2 ); lavorazione ridotta (discatura a 0,15 m, 40 semi/m 2 ) e semina su terreno sodo (67 semi/m 2 ). L accrescimento della parte di apparato radicale fibroso è stata rilevata tramite carotaggio, prelevando campioni di terreno fino alla profondità di 1 43

44 DAFNAE - UNIPD m e del diametro di 70 mm poi suddivisi in sub-campioni di 0,1 m di lunghezza. Ad inizio levata l effetto della lavorazione si è fatto sentire sull accrescimento della porzione fittonante della radice. A prescindere dalla varietà impiegata in terreno sottoposto ad aratura tradizionale si è osservato un maggior approfondimento (160 mm vs. 130 mm, nella media delle altre due tecniche) del fittoncino. Differenze che scompaiono già nella successiva fase di fioritura. A differenza di quanto già osservato da Bonari(1995), in questo caso, la riduzione dell intensità di lavorazione non ha modificato lo sviluppo dell apparato radicale fibroso. Solo nell orizzonte più superficiale (0,1 m di profondità) si è potuta rilevare una maggiore RLD nel caso dell aratura. In quello della discatura si sono osservati un aumento del diametro radicale e una sensibile riduzione di RLD in corrispondenza dell orizzonte cm. I dati finora acquisiti suggeriscono la possibilità di ridurre l impatto delle lavorazioni nella coltivazione del colza in semina autunnale senza modificarne la geometria radicale e la produttività, con tutti i vantaggi economici e agro-ambientali che ne possono derivare(minor erosione, calpestamento e ossidazione della sostanza organica). La minima lavorazione e la semina su sodo sembrano applicabili con successo indipendentemente dalla vigoria del genotipo, anche se gli ibridi CHH potrebbero far superare più agevolmente eventuali situazioni di stress. Non si esclude tuttavia che, nelle fasi iniziali della coltura, l apparato radicale del colza, così come osservato per la biomassa epigea, possa risultare più sviluppato in terreno arato, effetto da associare all importante assorbimento di azoto nel periodo invernale ( effetto cover ). Non va infine sottovalutato che la scelta della semina diretta su sodo comporta un possibile maggior costo dovuto all aumento della quantità di seme e la necessità di organizzare cantieri di lavorazione aziendali idonei per la riduzione del calpestamento. Concimazione azotata (dosi e varietà) Una riduzione delle applicazioni minerali è di fatto auspicabile per garantire sostenibilità ambientale ed economica ai vari sistemi culturali. In un ottica di razionalizzazione dell input azoto (N), la coltivazione di varietà di colza N-efficienti capaci cioè di raggiungere rese in granella significative anche in condizioni nutritive sub-ottimali appare oggi imperativa. In questo studio condotto negli anni , e , la risposta produttiva e l N-efficienza di tre cultivar di colza rappresentative delle principali tipologie genetiche disponibili (ibrido CHH, Excalibur vs. ibrido CHH semi-nano, PR45D01 vs. varietà a impollinazione libera, Viking), sono stati investigati in risposta ad apporti azotati primaverili decrescenti (150, 100, 50 e 0 kg N ha -1 ). In media nelle tre stagioni di prova, Excalibur e Viking hanno presentato gli assorbimenti maggiori ( kg N ha -1 ), mentre PR45D01, contraddistinto da habitus vegetativo contenuto, ha presentato utilizzi di N inferiori (134 kg N ha -1 ), (P 0,05). La resa in seme della coltura è risultata in media superiore alle 3 t ha -1 s.s., confermando la buona adattabilità all areale Padano-Veneto. L ibrido convenzionale si è rivelato il genotipo più performante (3,6 t ha -1 s.s.), fornendo produzioni maggiori di PR45D01 e Viking (3,3 t ha -1 s.s.), (P 0,05). L interpolazione delle rese di prodotto osservate in campo al variare della concimazione ha messo in luce risposte diversificate tra i genotipi convenzionali e la cultivar semi-nana. Per massimizzare 44

45 DAFNAE - UNIPD la produzione Excalibur e Viking hanno manifestato fabbisogni minerali inferiori ( kg N ha - 1 ) rispetto a quelli di PR45D01 (207 kg N ha -1 ). Considerando i parametri di N-efficienza, Excalibur ha mostrato l efficienza d uso migliore (NUE: 20,1 kg seme / kg N disponibile dal suolo e concime), in funzione di un elevata efficienza di assorbimento (NUpE: 0,83 kg N assorbito / kg N disponibile dal suolo + concime), (P 0,05). Per l ibrido semi-nano e la varietà a impollinazione libera sono state stimate NUE inferiori (18,3 kg kg -1 ); in particolare PR45D01 ha rivelato una modesta NUpE (0,74 kg kg -1 ), nonostante sia dotata di un elevata efficienza di utilizzo di N (NUtE: 24,9 kg seme / kg N assorbito), (P 0,05). In conclusione per la realizzazione di itinerari agronomici impostati su un razionale utilizzo dell input azoto per il momento è preferibile l impiego di varietà ibride di taglia convenzionale. Indagine sulla morfologia radicale di ibridi ad habitus vegetativo divergente Nel precedente paragrafo sono state messe in luce differenze in termini di assorbimento azotato e NUpE (i.e, efficienza assorbimento azoto) tra cultivar convenzionali (ibrido CHH e varietà a impollinazione libera), e varietà semi-nana (ibrido). E ipotizzabile che tali diversità siano correlate ad una morfologia radicale coerentemente diversificata con l habitus vegetativo che caratterizza i genotipi a confronto. In tal senso, è stata allestita una prova in ambiente confinato in cui sono stati indagati gli apparati radicali di un ibrido CHH a taglia convenzionale (Excalibur) ed uno semi-nano (PR45D01). I risultati ottenuti confermano la presenza di differenze morfologiche a livello radicale tra le cultivar a confronto. Lungo tutto il periodo di sperimentazione (da 0 a 50 giorni dalla semina), l ibrido a taglia normale ha fornito biomasse e lunghezze radicali maggiori rispetto al genotipo semi-nano (P 0,05). Questi aspetti morfologici associati all elevata produzione di biomassa epigea hanno garantito ad Excalibur una maggiore utilizzazione dell azoto rispetto a PR45D01. L elevato assorbimento palesato dalla cultivar convenzionale sembra connessa alla lunghezza delle radici, la quale tra tutti i parametri investigati è risultato quello maggiormente legato all N organicato nella biomassa aerea (R 2 : 0,91; P 0,05). Particolarmente interessanti sono risultate inoltre le relazioni emerse tra peso fresco (p.f.) della biomassa epigea e accrescimento radicale sia in termini ponderali che di lunghezza (p.f. biomassa aerea vs. p.f. radici: R 2 : 0,77; P 0,05; p.f. biomassa aerea vs. lunghezza radici: R 2 : 0,87; P 0,05). Dette relazioni rendono il p.f. aereo un attendibile indicatore dello sviluppo radicale. Modellizzazione fenologica della specie Quest ultima tematica è stata sviluppata attraverso un periodo di ricerca presso l Institut Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung - CAU University di Kiel (D), dal quale è derivato un articolo scientifico dal titolo A Phenological Model of Winter Oilseed Rape According to the BBCH Scale sottoposto alla rivista Field Crop Research (IF: 2,232). 45

46 Conclusioni DAFNAE - UNIPD La definizione di un idoneo itinerario colturale in grado di sostenere la resa di prodotto rappresenta il principale limite al consolidamento del colza invernale da olio negli avvicendamenti nazionali e nella filiera bioenergetica di riferimento. Le strategie perseguibili per mitigare tale criticità devono però considerare le attuali esigenze in materia di sostenibilità ambientale ed economica e quindi, non possono prescindere da un utilizzo razionale degli input agronomici in funzione della scelta varietale e delle caratteristiche ambientali dell areale di coltivazione. Nell ambito Veneto non sembra possibile definire una tecnica agronomica univoca per tutte le principali tipologie varietali disponibili. Di fatto, l ottimizzazione dell iter-colturale deve avvenire diversificando l utilizzo dei fattori tecnici tra genotipi a taglia convenzionale e materiali ad habitus vegetativo ridotto. In particolare, gli ibridi tradizionali sembrano caratterizzati da potenziale produttivo elevato raggiungibile anche con tecniche agronomiche low-input improntate su bassi popolamenti di campo e moderati apporti azotati. Gli ibridi semi-nani invece, necessitano di una maggiore intensificazione della tecnica agronomica attraverso l applicazione di elevate densità di semina e dosi di azoto. Considerando l input epoca di semina, un anticipo delle operazioni di avvio della coltura (prima decade di settembre) sembra una strategia perseguibile con successo indipendentemente dalla scelta varietale. In conclusione resta chiaro che i limiti che ancora si frappongono alla produzione del colza sono i seguenti: 1. Fattori ambientali e adattamento 2. Alcuni aspetti fisiologici (induzione a fiore, scalarità di fioritura, 3. Architettura della pianta e biomass partitioning 4. Variabilità del n semi/siliqua 5. Vicarianza tra apparati fotosintetici (foglie e altre strutture) 6. Disponibilità sul mercato sementiero di varietà o ibridi adatti 7. Attivazione di idonei programmi di difesa 8. Logistica (difesa, raccolta e stoccaggio, essiccazione...) 9. Tempi di attivazione della filiera (parte agricola) Solo il loro superamento consentirebbe al colza di raggiungere rese di prodotto certamente ancora più interessanti per la produzione di olio da convertire in biodiesel. A supporto dei processi decisionali coinvolti nell ottimizzazione del management colturale risulterebbe utile l impiego del BBCH model il quale è in grado di simulare con sufficiente precisione la fenologia della specie in differenti areali europei caratterizzati da diverse tecniche agronomiche e scelte varietali. 46

47 DAFNAE - UNIPD Divulgazione dei risultati Nell ambito del Progetto BIOSEA è stata organizzata una giornata dimostrativa per la visita delle prove presso l Azienda agraria sperimentale L. Toniolo dell Università degli Studi di Padova, sita a Legnaro, e svoltasi il 17 Maggio Nel 18 giugno 2013 in Agripolis a Legnaro (PD) a cura di DAFNAE è stato organizzato un meeting conclusivo sulle attività programmate nell ambito dell azione progettuale Biodiesel del BIOSEA. Elenco delle pubblicazioni su rivista con referees o capitolo di libro 1) Marini L., Tamburini G., Petrucco-Toffolo E., Lindstrom S.AM., Zanetti F., Mosca G., Bommarco R., Options for replacing agronomic inputs with ecosystem services. J. Applied ecology (submitted). 2) Böttcher U., Rampin E., Hartmann K., Zanetti F., Flenet F., Morison M., Kage H. (2012). A Phenological Model of Winter Oilseed Rape According to the BBCH Scale. Submitted to Field Crop Res. 3) Zanetti F., Mosca G., Rampin E., Vamerali T. (2011). Adaptability and sustainable management of high-erucic Brassicaceae in Mediterranean environment. In "Oilseeds", 6, ISBN Elenco delle pubblicazioni su rivista senza referees 1) Zanetti F., Rampin E., Mosca G. (2010). Soia, colza e girasole come cambiano le rese in olio. Inf. Agr., 22: ) Rampin E., Mori N., Marini L., Zanetti F., Mosca G., Girolami V., Contaldo N., Bertaccini A. (2010). Segnalato su colza il fitoplasma del giallume dell astro. Inf. Agr., 17: Elenco delle pubblicazioni in Atti di Congresso 1) Lucchini P., Bandiera M., Barion G., Mosca G., Vamerali T., Intensificazione colturale del colza invernale da olio attraverso la modulazione dell'epoca e della densità di semina. In Atti XLI Conv. Naz. S.I.A., Reggio Calabria, Sett. 2013, (ISBN ) 2) Vamerali T., Bandiera M., Zanetti F., Barion G., Mosca G., Risposta morfologica e produttiva del colza invernale da olio alla variazione dell epoca di semina. In Atti XLI Conv. Naz. S.I.A., Bari, Sett. 2012, (ISBN ) 3) Vamerali T., Zanetti F., Bandiera M., Barion G., Mosca G., Risposta del sistema radicale del colza alla riduzione delle lavorazioni del terreno. In Atti XLI Conv. Naz. S.I.A., Bari, Sett. 2012, (ISBN ) 4) Zanetti F., Rampin E., Vamerali T., Mosca G. (2011). Relevance of soil texture for root growth of oilseed rape and potential reduction of nitrate leaching. 7 Int. Symp. on Structure and Function of Roots, Novy Smokovec (Slovakia) 5-9 Sept. 2011: (Presentazione orale) 5) D Avino L., Lazzeri L., Rampin E., Zanetti F., Spugnoli P., Dainelli R., Mosca G. (2011). Oil crop sustainability assessment: three years of Brassica napus L. cultivation in North East Italy for biodiesel production. 19th Biomass Conf. and exhibition, 6-10 June 2011, Berlin:

48 DAFNAE - UNIPD 6) Rampin E., Zanetti F., Vamerali T., Mosca G. (2011). Morphological bases of yield in new oilseed rape hybrids with different shoot vigour. 13 Int. Rapeseed Congr., Praga, 5-9 Giu., 2011: (Presentazione orale) 7) Rampin E., Zanetti F., Vamerali T., Mosca G. (2011). Sowing date effects on phenology, morphology and seed yield of oilseed rape. 13th Int. Rapeseed Congr., Praga, 5-9 Giu., 2011: ) Zanetti F., Rampin E., Vamerali T., Mosca G. (2011). Root morphology and nitrogen uptake in new hybrids of winter oilseed rape. 13th Int. Rapeseed Congr., Praga, 5-9 Giu., 2011: ) Zanetti F., Rampin E., Mori N., Marini L., Mosca G., (2011). Accumulation kinetics of fatty acids in new high erucic genotypes of winter oilseed rape. 13th Int. Rapeseed Congress, Praga, Giugno 5-9, 2011: ) Zanetti F., Rampin E., Vamerali T., Mosca G. (2010). Genetic variability of fatty acid accumulation in different genotypes of HEAR. XIth ESA Congr., Montpellier, 29 Agosto - 3 Sett., 2010: ) Rampin E., Zanetti F., Vamerali T., Mosca G. (2010). Nitrogen nutrition in different oilseed rape cultivars. 11 ESA Congr., 29 Agosto 3 Sett., 2010: ) Rampin E., Loddo S., Zanetti F., Vamerali T., Mosca G. (2009). Cinetiche d accumulo dei principali acidi grassi in nuove cultivar di colza HEAR. 28 Conv. Naz. SIA, Fi, Sett.: Tra i Prodotti della ricerca BIOSEA si segnala inoltre che nell'ambito della Scuola di Dottorato in Scienze delle Produzioni vegetali hanno concluso il ciclo di formazione e ottenuto il titolo di Dottori di ricerca due neo laureati in Scienze e Tecnologie agrarie, oggi inseriti nel mondo operativo privato (Soc. Maschio di Campodarsego, Padova). Il primo Dr. PhD Enrico Rampin ha discusso una Tesi intitolata OTTIMIZZAZIONE AGRONOMICA E SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE IN COLZA INVERNALE DA OLIO, il secondo Dr. PhD Stefano Loddo ha discusso una Tesi intitolata MIGLIORAMENTO DELL EFFICIENZA D USO DELL AZOTO IN COLTURE ERBACEE INVERNALI. Inoltre sono state discusse 20 tesi di laurea tra 1 e 2 livello nell ambito del Corso di studio STAG (Scienze e Tecnologie Agrarie) presso la Scuola di Agraria e Medicina Veterinaria dell Università degli Studi di Padova. 48

49 2.4 U.O. IV UNIBO - Dipartimento di Scienze Agrarie (DipSA) - Alma Mater Studiorum Università di Bologna Studio di aspetti agronomici ed ambientali per ottimizzare la sostenibilità di filiere bioenergetiche esistenti Responsabile scientifico: Dott. Lorenzo Barbanti

50 2.4 U.O. IV UNIBO - Dipartimento di Scienze Agrarie (DipSA) - Alma Mater Studiorum Università di Bologna Titolo della ricerca: Studio di aspetti agronomici ed ambientali per ottimizzare la sostenibilità di filiere bioenergetiche esistenti Responsabile scientifico: Dott. Lorenzo Barbanti Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno Riassunto Nel WP1 l Attività 1 (Confronto fra genotipi di sorgo da fibra e zuccherino combinati con diverse epoche di semina) è terminata, ripetendo la prova effettuata nel 2012, dopo che nel triennio era già stata ultimata la sperimentazione inizialmente prevista per questa Attività. Nel 2013 sono stati quindi confrontati due genotipi di sorgo (un ibrido da fibra ed uno zuccherino), in combinazione con tre epoche di semina (fine aprile, seconda metà di maggio e giugno), su terreno nudo (prima, seconda e terza epoca) e in successione a triticale coltivato come intercalare (seconda e terza epoca). Per supportare il sorgo, soprattutto in semina tardiva, durante la siccità estiva, si è irrigato con 140 mm su tutta la superficie della prova. Il ritardo di semina rispetto a fine aprile ha determinato una riduzione di taglia del sorgo particolarmente pronunciata nel caso dell epoca tardiva su precedente triticale. La produzione finale di biomassa secca ha subito un calo consistente fra la prima epoca (25 Mg ha -1 ) e le due successive su terreno nudo (rispettivamente, 20 e 14 Mg ha - 1 ). Su precedente triticale, la flessione produttiva ha raggiunto il 70% in terza epoca. Anche sommando la produzione di biomassa fornita dal triticale (6 e 11 Mg ha -1 nelle due rispettive epoche), la doppia coltura non ha raggiunto la produzione ottenuta col solo sorgo in semina a fine aprile. È giunta al termine anche l Attività 2 del WP1 (Nuove colture di potenziale interesse per le filiere bioenergetiche esistenti), che comprendeva il confronto fra impianto annuale e poliennale di topinambur, e la valutazione di nuove specie minori da biomassa poliennali. Nel primo caso, si sono conclusi i rilievi biometrico-produttivi su topinambur impiantato nel 2010 e 2012; l impianto effettuato nel 2011 non prevedeva raccolta poliennale. Si è confermato anche nel 2013 il trend osservato nelle precedenti annate: dopo uno (2012) e tre anni dall impianto (2010), il topinambur ha comunque manifestato buona capacità d ricaccio, raggiungendo un altezza apprezzabile (1,5 2 m) accanto a una fittezza (~100 culmi m -2 ) che tipicamente connota la coltura da ricaccio. Tra le due epoche di raccolta, a inizio (settembre) e completa senescenza (novembre), si è assistito alla riduzione della biomassa epigea (soprattutto foglie) a vantaggio dell accumulo di biomassa ipogea 50

51 (rizomi). Per quanto riguarda invece le specie minori da biomassa, solamente la Festuca arundinacea e il Bromus inermis sono sopravvissute al, peraltro mite, inverno 2012/13; infatti i due sorghi poliennali (Sorghum Silk e Sorghum almum) hanno ricacciato in modo scarso e irregolare, fornendo un ulteriore prova della loro scarsa adattabilità alle condizioni del nord Italia. Festuca e bromo hanno invece raggiunto un livello produttivo discreto (rispettivamente 17 e 11 Mg ha -1 ), migliorando il dato osservato nell anno di impianto (2012) ma rimanendo ben lontani dal livello raggiunto dal sorgo da fibra (ibrido Bulldozer) inserito come specie annuale di riferimento (27 Mg ha -1 ). Se ne conclude che anche queste due essenze difficilmente incontreranno successo come colture da biomassa. L Attività 3 (Confronto fra specie poliennali a diverse latitudini) è proseguita con il confronto fra Arundo donax, Miscanthus x giganteus e Cynara cardunculus con e senza concimazione azotata nelle parcelle impiantate nel La progressiva senescenza degli impianti si è manifestata in tutta le sua ampiezza nel 2013, con un ulteriore riduzione del vigore vegetativo in tutte e tre le specie, malgrado un non sfavorevole decorso meteorologico. Nel miscanto il diradamente delle parcelle del concimato non ha più permesso di quantificare la produzione di biomassa aerea in questo trattamento. Nell arundo la differenza di biomassa prodotta fra concimato e non è apparsa sfumata, al contrario che nel cardo. In tutte e tre queste specie, la dodicesima stagione vegetativa coincidente con l annata 2013 indica il raggiungimento di un decadimento ormai irreversibile. Nel WP3 l U.O. è impegnata in tre Attività (Valutazione delle emissioni di elementi inquinanti (VOC) derivanti dalla combustione di specie da biomassa erbacee; Studio delle problematiche legate al processo di conversione di sorgo zuccherino in bioetanolo; Valutazione dei principali aspetti del processo di trasformazione di colza e carinata in biodiesel) svolte in collaborazione con enti esterni (rispettivamente CNR-Ibimet e le associazioni di categoria AssoDistil e Assocostieri). A queste si sono aggiunte due ulteriori attività non prevista dal Progetto iniziale, volte alla stima del potenziale metanigeno e alcoligeno di alcune specie tra quelle in prova nell ambito del WP1. La seconda e la terza attività sulla valutazione dei problemi del settore dell alcol e del biodiesel sono attualmente in corso, come studi di completamento delle attività sperimentali di campo. L Attività relativa ai VOC è stata, invece, compiutamente effettuata nel corso del In base agli accordi presi durante la ricerca, l interesse si è spostato dai VOC derivanti dalla combustione di quattro biomasse (sorgo, arundo, miscanto e, in aggiunta, switchgrass) biomasse a quelli legati al più avanzato processo di pirolisi accoppiata a GC/MS, valutando lo sviluppo di tali composti in funzione delle caratteristiche chimiche della componente organica delle diverse biomassa, in funzione di diverse condizioni di temperatura applicate durante la pirolisi. In generale, sono stati identificati numerosi componenti volatili di natura eterogenea (aldeidi, chetoni, alcoli, acidi, furani, pirani, diossani, fenoli, zuccheri e lattoni). Sono state parimenti rilevate differenze quantitative nei VOC sia tra diverse biomasse, sia in una stessa biomassa al variare la temperatura della pirolisi da 600 a 900 C. Fra le biomasse saggiate emerge come quella di arundo si differenzia dalle altre per quanto riguarda un aumento dei VOC originanti dalla degradazione della lignina e una riduzione di quelli derivanti dai carboidrati strutturali, quando la temperatura di pirolisi sale a 900 C. Le prove in definitiva hanno fornito informazioni dettagliate e utili a caratterizzare le biomasse derivate da diverse colture energetiche e sottoposte a due diverse condizioni di degradazione termochimica, 51

52 rappresentando altresì la base per futuri approfondimenti relativi all influenza del contenuto minerale della biomassa sulla formazione dei VOC durante il processo di pirolisi. Tabella Task e sub-task nei quali l U.O. è coinvolta e relativo stato di avanzamento Stato di avanzamento Task / sub-task nei quali l U.O. è coinvolta Non avviato Avviato/ in corso Concluso WP1 / Attività 1 Confronto fra genotipi di sorgo da fibra e zuccherino combinati con diverse epoche di semina X WP1 / Attività 2 Nuove colture di potenziale interesse per le filiere bioenergetiche esistenti. 2a: Confronto fra impianto annuale e poliennale di Helianthus tuberosus WP1 / Attività 2 Nuove colture di potenziale interesse per le filiere bioenergetiche esistenti. 2b: Valutazione di altre specie minor in funzione della disponibilità di materiale genetico X X WP1 / Attività 3 Confronto fra specie poliennali a diverse latitudini X WP3 / Attività 4 Valutazione delle emissioni di elementi inquinanti (VOC) derivanti dalla combustione di specie da biomassa erbacee (in collaborazione con CNR Ibimet) WP3 / Attività 5 Studio delle problematiche legate al processo di conversione di sorgo zuccherino in bioetanolo (in collaborazione con AssoDistil) WP3 / Attività 6 Valutazione dei principali aspetti del processo di trasformazione di colza e carinata in biodiesel (in collaborazione con Assocostieri) X X X WP3 / Attività 7 Valutazione del potenziale metanigeno di alcune specie tra quelle in prova nell ambito del WP1 X WP3 / Attività 8 Valutazione del potenziale alcoligeno di alcune specie tra quelle in prova nell ambito del WP1 X WP4 / Attività 9 Analisi di impatto ambientale (LCA) X Relazione sull attività svolta Attività in WP1 Attività 1 Confronto fra genotipi di sorgo da fibra e zuccherino combinati con diverse epoche di semina. Si è conclusa nel 2013 l attività di ricerca dopo un quinquennio di prove. Dopo il triennio iniziale ( ) nel corso del quale erano stati ottenuti risultati produttivi sostanzialmente equivalenti fra semina precoce (prima decade di aprile) e tardiva (seconda decade di maggio), l attività di 52

53 ricerca è proseguita inserendo nella combinazione genotipi x epoche di semina il triticale ( Triticosecale Wittmack) coltivato come intercalare sempre per la produzione di biomassa, nell ipotesi di valorizzare la parte della stagione di crescita precedente la semina tardiva del sorgo. Con questa premessa, nel 2013 è stata ripetuta con la stessa impostazione la prova effettuata nel 2012,confrontando due genotipi di sorgo (Bulldozer, ibrido da fibra; Sucros 506, zuccherino) in combinazione con tre date di semina (29/4; 28/5; 20/6) a intervallo medio di 26 giorni tra l una e l altra, in combinazione con l assenza (1^, 2^ e 3^ epoca) o la presenza (2^ e 3^ epoca) del triticale (cv. Amarillo) seminato il 5/3 e raccolto allo stadio di inizio fioritura (27/5; 2^ epoca) e maturazione lattea (18/6; 3^ epoca). Il complesso delle 10 tesi scaturenti dalla combinazione dei tre fattori è stato disposto con schema sperimentale a blocco randomizzato con quattro ripetizioni, per un totale di 40 parcelle da 27 m 2 (6 file da 0,45 m x 10 m di lunghezza). Come nelle precedenti annate, la prova è stata effettuata presso l Azienda dell Università di Bologna (AUB) - Terreni di Cadriano (BO; N, E, 32 m s.l.m.). L appezzamento che ha ospitato la prova nel 2013 aveva caratteristiche fisico-chimiche del tutto simili a quelle degli appezzamenti ospitanti le prove del precedente triennio: tessitura medio impasto - limosa con assenza di scheletro, ph basico, limitata presenza di calcare totale e attivo, contenuto di sostanza organica medio-basso, discreta dotazione di P e K assimilabili, C.S.C. medioalta, sodio scambiabile molto basso. L appezzamento, coltivato a frumento tenero nella precedente annata, è stato arato (30 cm di profondità) nell autunno 2012 ed erpicato 2-3 volte con diversi strumenti in funzione dell epoca di semina. In successione a triticale la semina del sorgo è avvenuta in condizioni di minimum tillage, con lavorazione interessante in pratica il solo letto di semina. La fertilizzazione di fondo ha consistito in un apporto di fosforo pari a 92 kg P2O5 ha -1 da concime minerale (0-46-0) con interramento autunnale. Il potassio non è stato distribuito stante la buona dotazione del terreno. Parimenti, non è stata effettuata alcuna fertilizzazione organica. L azoto è stato distribuito in ragione di 120 kg di N ha -1 da urea sia su triticale (suddiviso in due epoche in copertura), sia su sorgo nelle prime fasi vegetative (maggio-giugno in funzione dell epoca di semina). La distribuzione su sorgo è stata seguita da tempestivo interramento tramite sarchiatura. La semina è avvenuta con seminatrice di precisione a distribuzione pneumatica, utilizzando circa il doppio del seme rispetto alla densità prevista (12 piante m -2 ), che è stata raggiunta tramite diradamento. La date di raccolta sono state modulate in funzione dei quelle di semina: 23/9; 10/10 e 23/10 nelle tre rispettive epoche di semina. In tal modo, la lunghezza del ciclo semina raccolta è stata di. 147, 135 e 125 giorni nelle tre rispettive epoche. Il decorso meteorologico durante la stagione vegetativa 2013 (Figura ) è stato caratterizzato da buone precipitazioni unite a temperature tendenzialmente inferiori alle medie stagionali fino alla tarda primavera. In seguito si è manifestata la tipica siccità estiva (5 mm ne mese di luglio), accompagnata da temperature massime che solo in una breve fase (terza decade di luglio prima di agosto) si sono posizionate al di sopra dei 30 C. Per supportare la coltura durante i mesi estivi, tenendo conto delle esigenze idriche delle semine intermedia e tardiva non ancora affrancate all avvio della stagione secca, si è intervenuto con irrigazione di soccorso per aspersione, distribuendo sull intera superficie della prova un totale di 140 mm suddivisi in sette interventi fra inizio giugno e fine agosto. 53

54 Figura Andamento termo-pluviometrico durante la stagione vegetativa nell annata 2013 a Cadriano (BO) Temperature ( C) Precipitazioni (mm) MAR APR MAG GIU LUG AGO SET 0 All inizio e alla fine della stagione vegetativa, nelle parcelle dei genotipi comuni alle due/tre epoche di raccolta sono stati prelevati campioni di terreno (profilo 0-0,9 m, suddiviso in tre strati di 0,3 m) per la determinazione dell umidità (stufa a 105 C). La differenza di umidità fra inizio e fine vegetazione, sommata algebricamente alle precipitazioni e alle eventuali irrigazioni ha permesso di calcolare l evapo-traspirazione effettiva (ETa); dividendo la biomassa secca prodotta per ETa è stata determinata l efficienza di uso dell acqua (WUE) da parte del sorgo. In corrispondenza con uno stato avanzato di vegetazione (8/8, 26/8 e 23/9 nelle tre rispettive semine), sono stati prelevati anche campioni di terreno e di piante per la quantificazione della biomasse ipogea ed epigea in relazione all epoca di semina e alla precessione (nudo vs. triticale). Le determinazioni della biomassa radicale sono attualmente in corso. La conduzione delle prove ha previsto il conteggio dell emergenza e una serie di rilievi allometrici in corso di vegetazione (altezza, numero di accestimenti, diametro basale e numero foglie). Alla raccolta è stata determinata la produzione di biomassa fresca e secca per unità di superficie e la suddivisione della biomassa secca fra i diversi organi (fusti, foglie e panicoli). Campioni della biomassa secca sono stati analizzati per la composizione della fibra e per il contenuto di ceneri. Le analisi sono attualmente in corso Attività 2 Nuove colture di potenziale interesse per le filiere bioenergetiche esistenti. Attività 2.a Confronto fra impianto annuale e poliennale di Helianthus tuberosus (topinambur). È terminato nel 2013 il confronto fra impianto annuale e poliennale di topinambur iniziato nel 2009, con l obiettivo di valutare il potenziale produttivo della specie in termini di biomassa epigea 54

55 ottenuta annualmente dal ricaccio vegetativo, e di biomassa ipogea (rizomi) raccolti solo alla fine, portando alla distruzione della coltura. La prova è situata nella stessa azienda e su un terreno molto simile a quello dell Attività 1. Nel 2013, ultimo anno di prova, non sono stati più attuati nuovi impianti, proseguendo l attività di indagine sugli impianti effettuati nel 2010 (3^ vegetazione) e 2012 (2^ vegetazione). Per ragioni di spazio l impianto del 2011 era avvenuto su una superficie troppo limitata per consentire valutazioni oltre l anno di impianto. Con il 2013 l attività di ricerca si conclude, avendo contemplato nel quinquennio un ampia casistica di topinambur di diverse età: quattro casi di coltura al 1 anno di vegetazione, 3 al secondo, 2 al terzo e quarto. Nel corso del 2013, il topinambur impiantato nelle due annate (2010 e 2012) è stato oggetto di rilievi allometrici in corso di vegetazione (altezza, diametro basale, numero di foglie e di ramificazioni). Verso la fine della stagione vegetativa sono state effettuate due epoche di raccolta: precoce, a inizio senescenza (2/9); tardiva, a senescenza completa (8/11). In ciascuna epoca è stata raccolta la biomassa epigea (fusti e foglie) ed ipogea (rizomi) su superfici rappresentative delle quattro ripetizioni, determinando la produzione di biomassa fresca e secca per unità di superficie e la suddivisione della biomassa secca fra i diversi organi (fusti, foglie e rizomi). Campioni essiccati a 60 C (biomassa epigea) e freschi surgelati (rizomi e fusti) sono stati conservati per le analisi di composizione della fibra e dell inulina contenuta nei fusti e nei rizomi. Le analisi sono attualmente in corso. Attività 2.b Valutazione di altre specie minori in funzione della disponibilità di materiale genetico. È terminata l attività di valutazione di altre specie minori per la produzione di biomassa. Dopo diversi tentativi realizzati tra il 2009 e il 2011 con le specie via via disponibili, nel 2012 era stato avviato un unico campo a blocco randomizzato (quattro ripetizioni) con parcelle di dimensioni adeguate (29,7 m²) che racchiudeva le seguenti quattro specie poliennali, oltre a un sorgo da biomassa come confronto annuale: - Sorghum Silk, ibrido intespecifico complesso tra Sorghum Krish (S. halepense Pers. x S. roxburghii Stapf) e S. arundinaceum Stapf, tutti con pari numero di cromosomi (2n = 20). Viene coltivato come foraggera poliennale in Australia, dove è stato selezionato come possibile sostituto del Sorghum almum. Viene indicato come più tardivo, vigoroso, tollerante al freddo invernale e alle malattie fogliari del Sorghum almum. - Sorghum almum Parodi, ibrido interpsecifico S. halepense Pers. x S. bicolor (L.) Moench (numero di cromosomi 2n = 40), probabilmente originario dell Argentina, coltivato come foraggera poliennale in Australia e nel sud degli Stati Uniti. Ha persistenza non molto elevata ed è relativamente facile da eradicare. - Festuca arundinacea Schreb. cv. Kora. Si tratta di una graminacea poliennale a percorso fotosintetico C3, utilizzata nella costituzione di prati ad uso foraggero e caratterizzata da ampia adattabilità a mutevoli condizioni ambientali e da foraggio (fieno) un po grossolano. 55

56 - Bromus inermis Leyss. ecotipo commerciale. Si tratta di un altra graminacea poliennale C3 sviluppata come essenza foraggera. Rispetto a F. arundinacea, dovrebbe essere caratterizzato da maggiore resistenza al secco e da minore adattabilità a terreni umidi, pesanti. - Sorghum bicolor (L.) Moench. cv. Bulldozer. Il sorgo da fibra Bulldozer è stato inserito come specie da biomassa annuale caratterizzata da elevata potenzialità produttiva. La prova era ubicata sullo stesso appezzamento ospitante il topinambur di cui all Attività 2.a. La semina delle poliennali era avvenuta nella primavera 2012; la semina del sorgo annuale è stata attuata nel 2012 e ripetuta nel Nel corso del 2013 si è tentato di sostituire il Panicum maximum Jacq. (cv. Gatton), seminato senza successo nel 2012 a causa della scarsa germinabilità del seme, con Andropogon gerardii Vitman (Big bluestem) e Sorghastrum nutans (L.) Nash (Indiangrass) cv. Cheyenne. Neppure la semina di queste due essenze ha avuto esito favorevole, malgrado le ottimali condizioni termo-pluviometriche in cui è avvenuta la semina (13/5) e la copertura delle parcelle con tessuto non tessuto. Successive prove in scatola Petri hanno evidenziato una germinabilità a 25 C molto scarsa per entrambe i semi, nonostante la loro recente produzione (2012 negli USA). Delle rimanenti quattro poliennali, i due ibridi interspecifici di sorgo hanno dato origine a un ricaccio molto rado e irregolare all interno della parcella, confermando la sensibilità al freddo degli organi svernanti (rizomi) osservata nelle precedenti annate e rendendo di fatto impossibile la prosecuzione dello studio a livello parcellare. Solamente le rimanenti due specie (F. arundinacea e B. inermis), conosciute anche come essenze da foraggio e che svernano come emicriptofite anziché come geofite, hanno superato indenni l inverno, riprendendo a vegetare attivamente nella primavera Pertanto, solo su queste due essenze a confronto con il sorgo Bulldozer è proseguito il lavoro di studio relativo all Attività 2.b, essendo tutte le altre specie risultate o a germinabilità/emergenza troppo scarsa, o a insufficiente sopravvivenza invernale. Le due poliennali hanno ricevuto una concimazione di 120 kg ha -1 di azoto ureico suddiviso in due apporti paritetici distribuiti alla ripresa vegetativa (22/3) e poco dopo il primo taglio (22/5). Il sorgo è stato seminato il 13/5, emerso in circa dieci giorni, scerbato, diradato a 12 piante m -2, e successivamente concimato in copertura con la stessa dose di azoto ureico (120 kg ha -1 ) e sarchiato per l interramento del concime (12/6). Le due poliennali e il sorgo sono stati oggetto di rilievi fenologici in corso di vegetazione. Le raccolte, su superfici rappresentative all interno delle parcelle, nel caso delle due essenze prative (Festuca e Bromus) sono state effettuate due volte, in primavera (21/5) e sul modesto ricaccio autunnale, a fine vegetazione (23/10). Il sorgo è stato raccolto a maturazione fisiologica (27/9). Alla raccolta è stata determinata la produzione di biomassa fresca e secca per unità di superficie, la densità colturale (n. di fusti m -2 ) e la suddivisione della biomassa secca fra i diversi organi (fusti, foglie e panicoli). Campioni della biomassa secca sono in via di analisi per la composizione della fibra e per il contenuto di ceneri. Attività 3 Confronto fra specie poliennali a diverse latitudini. 56

57 L attività prevede la prosecuzione di prove su Arundo (A. donax), Miscanto (M. sinensis giganteus) e Cardo (Cynara cardunculus) iniziate nel 2002 a Cadriano nell ambito di un Progetto nazionale (TISEN; miscanto e cardo) e di uno europeo (Bio-Energy Chains; arundo). Le tre specie sono allevate a due livelli di azoto: nessun apporto e normale concimazione (120 kg N ha -1 a -1 su Arundo; 100 su Miscanto e Cardo). Le sei combinazioni specie x concimazione sono coltivate in parcelle elementari di superficie discreta (36 m 2, miscanto e cardo; 187 m 2, arundo) con quattro ripetizioni di campo, per un totale di 24 parcelle elementari. Alla raccolta autunnale è stata determinata la produzione di biomassa fresca e secca per unità di superficie, la suddivisione della biomassa secca fra i diversi organi (fusti, foglie ed eventuali organi riproduttivi), oltre ai principali caratteri biometrici (densità di culmi per metro quadro, altezza e diametro basale). Limitatamente ad arundo e miscanto concimati, campioni della biomassa secca sono in via di analisi per la composizione della fibra e il contenuto di ceneri. Sulla base di questi dati, la produzione potenziale di energia termo-elettrica per combustione, da bio-etanolo di seconda generazione e da biogas saranno calcolate come nella precedente Attività Attività in WP3 Attività 4 Valutazione delle emissioni di elementi inquinanti (VOC) derivanti dalla combustione di specie da biomassa erbacee (attività svolta in collaborazione con CNR - Ibimet). Nell ambito della collaborazione con l Istituto di Biometereologia, IBIMET del CNR di Bologna il DipSA (Dipartimento di Scienze Agrarie) dell Università di Bologna, l attività prevedeva la caratterizzazione di diverse biomasse vegetali dal punto di vista dei composti organici volatili che vengono rilasciati quando sono sottoposte al processo di pirolisi. La presenza di tali composti chimici durante il processo di pirolisi può essere sfavorevole in quanto, benché tali specie siano combustibili e quindi contribuiscano ad accrescere il potere calorifico del gas, esse possono danneggiare o influenzare i successivi processi di trattamento, e perché l emissione nell atmosfera è limitata da normative ambientali. La misura di tali composti rientra quindi tra i parametri che sono indicativi della complessità del processo, ma anche delle possibilità di trovare combinazioni adeguate a trattare efficacemente biomasse aventi origine diversa e quindi ottimizzare i processi di conversione delle biomasse in calore e biogas e liquidi. Come previsto dal progetto, la presenza dei composti organici volatili ottenuti durante il processo di pirolisi è stata valutata in funzione della diversa tipologia di biomassa vegetale, valutando in particolare lo sviluppo di tali composti in funzione delle caratteristiche chimiche della componente organica della biomassa, a parità di condizioni operative di conversione energetica e in funzione di diverse condizioni di temperatura applicate durante la pirolisi. La scelta di valutare il rilascio di VOC anche in diverse condizioni di temperatura è stata effettuata considerando che la pirolisi analitica consente non solo di quantificare i composti rilasciati ma simula anche i tassi di riscaldamento della pirolisi veloce, consentendo quindi di individuare composti di degradazione delle biomasse durante tale processo per comprendere le caratteristiche potenziali di utilizzo delle biomasse in impianti a scala reale. Poiché l indagine dei composti organici volatili rilasciati dalla trasformazione delle biomasse richiede una strumentazione analitica sempre più sensibile per la loro caratterizzazione e 57

58 quantificazione, si è ritenuto opportuno utilizzare metodologie di laboratorio che consentono di operare in condizioni di pirolisi a scala ridotta e quindi di rispondere ad esigenze di semplicità gestionale e flessibilità. Tali analisi consentono anche di simulare la produzione di composti volatili che si sprigionano durante la trasformazione termochimica delle biomasse vegetali in biogas e biooli in un impianto a scala reale e di valutare quindi l impatto ambientale di un specifico sistema di trasformazione delle biomasse vegetali. La pirolisi analitica prevede la degradazione termica indotte dall'energia termica, in atmosfera inerte, seguita dall analisi chimica vera e propria mediante un gascromatografo e uno spettrometro di massa combinati (Py-GC/MS) permettendo di ottenere sia la separazione dei frammenti molecolari generatisi per pirolisi, sia i relativi spettri di massa; da quest'ultimi è poi possibile procedere all'identificazione delle varie componenti. Fra le specie vegetali per la produzione di biomassa lignocellulosica sono state scelte: la specie annuale Sorghum bicolor (L.) Moench (sorgo da fibra) ibrido Bulldozer e le specie polieannali Arundo donax L.(canna comune), Panicum virgatum L. (switchgrass), Miscanthus giganteus Greef et Deuter (miscanto). Per il campionamento dei VOC è stata quindi applicata la tecnica analitica della pirolisi abbinata alla gas-cromatografia-spettrometria di massa (Py-GC-MS) resa disponibile dall Università di Bologna presso il Laboratorio di Scienze Ambientali R. Sartori, Centro Interdipartimentale di Ricerca in Scienze Ambientali (CIRSA). Attività 5 Esame delle problematiche legate al processo di conversione di sorgo zuccherino in bioetanolo. I contatti presi con AssoDistil e con le associazioni di categoria degli agricoltori italiani si stanno concretizzando in elementi utili per una disamina delle problematiche del settore, alla luce delle più recenti evoluzioni in materia di colture a possibile destino alcoligeno e delle attuali propensioni dei trasformatori. Gli elementi raccolti saranno tradotti in risultati che si prevede di riferire nella relazione finale del progetto. Attività 6 Esame delle problematiche legate al processo di trasformazione di colza e carinata in biodiesel. Analogamente all Attività 5, l Attività 6 si sta traducendo in contatti con Assocostieri, associazione di categoria delle industrie dell olio di semi e del bio-diesel, e le associazioni degli agricoltori. Anche in questo caso, gli elementi raccolti saranno tradotti in risultati che si prevede di riferire nella relazione finale del progetto. Attività 7 Valutazione degli effetti di pre-trattamenti alcalini a moderata intensità su due colture dedicate tra quelle in prova nell ambito del WP1 e su un residuo colturale. È proseguita nel 2013 la valutazione del potenziale metanigeno di colture da biomassa, un attività inizialmente non prevista dal Progetto ma che costituisce un approfondimento in un settore in forte espansione in Europa e in Italia, giustificando un impegno destinato a durare fino alla fine del Progetto. L obiettivo della ricerca nell annata 2013 è stato valutare gli effetti di pre-trattamenti alcalini della biomassa ligno-cellulosica sulla produzione potenziale di metano da biomasse di due colture inserite nelle prove nell ambito del WP1 e di un residuo colturale. 58

59 Le matrici vegetali prese in considerazioni, provenienti delle prove sperimentali di Cadriano, sono state: una coltura poliennale, Arundo, un ibrido di sorgo da biomassa, B 133, e un residuo colturale, paglia di orzo. Le matrici sono state essiccate a 60 C e macinate a 2 mm per le successive analisi e per l incubazione anaerobica. La caratterizzazione di ogni singola matrice è stata fatta per: solidi totali (ST, 48 h a 105 C); solidi volatili (SV, 4 h a 550 C); zuccheri solubili totali (estrazione in acqua con rapporto solido liquido 1:20, per 12 h a temperatura ambiente); carboidrati strutturali (cellulosa ed emicellulosa) e lignina (acid insolubile lignin, AIL) seguendo il metodo NREL (National Renewable Energy Laboratory) adatto per la caratterizzazione di biomassa da destinare alle filiere bio-energetiche, proposto da Sluiter et al. (2011). I pre-trattamenti alcalini sono stati condotti in serum bottles poste a 25 C per 24 h in agitazione continua (120 rpm), a diverse concentrazioni di NaOH (0,05; 0,10; 0,15 N). In ogni bottiglia, il substrato è stato mescolato con un appropriata quantità di soluzione di NaOH mantenendo una concentrazione di ST del 10%. Alla fine dei pre-trattamenti, una parte del substrato pre-trattato è stato inviato all incubazione anaerobica con aggiunta diretta dell inoculo, mentre la restante parte è stata suddivisa nella frazione liquida e solida per le successive analisi. Sulla frazione solida sono stati determinati i carboidrati strutturali e l AIL seguendo il metodo NREL. Per l incubazione anaerobica, l inoculo è stato prelevato da un impianto commerciale di biogas alimentato a matrici vegetali e adattato alla temperatura dell esperimento ed affamato per 10 giorni prima dell impiego. Il test anaerobico è stato condotto in 3 repliche a 35 C per 58 gg, in serum bottles da 100 ml, con un carico organico di 4 g SV l -1 ed un volume finale di liquido pari a 60 ml (80% v/v di inoculo, 20% di acqua). Per ciascun substrato, i tre livelli di trattamento sono stati confrontati con un non trattato (untreated). Come controlli sono stati inseriti il solo inoculo (blank) e inoculo + glucosio puro (4 g SV l -1 ). L anaerobiosi è stata ottenuta insufflando le serum bottles con azoto gassoso prima della loro chiusura all inizio dell esperimento. Il biogas prodotto è stato quantificato ad intervalli regolari (per un totale di 12 volte, ad intervalli via via crescenti) misurando lo spostamento di volume attraverso una bottiglia Mariotte; la sua composizione (CH4, CO2, componenti minori) è stata caratterizzata tramite un MicroGC (Agilent Technologies). La produzione specifica di CH4 prodotta è stata cumulata, espressa in ml g -1 SV e riportata in condizioni standard di temperatura e pressione (273 K, 100 kpa). L efficienza del pre-trattamento è stata calcolata rapportando il CH4 prodotto per ogni singolo pre-trattamento al CH4 prodotto dal substrato non trattato. Inoltre, è stato calcolato il T80 (technical digestion time) ovvero il tempo in giorni necessario per produrre l 80% del CH4 prodotto. Sui seguenti parametri sono stati effettuati l ANOVA e il test SNK (P 0,05) per la separazione delle medie dei fattori statisticamente significativi: ST, SV, zuccheri solubili, cellulosa, emicellulosa, AIL e produzione specifica di CH4. Attività 8 Valutazione della produzione di bioetanolo di seconda generazione di alcune specie tra quelle in prova nell ambito del WP1. Per il primo anno si relaziona circa la produzione di bioetanolo di seconda generazione da colture da biomassa, un attività inizialmente non prevista dal Progetto ma che costituisce un approfondimento in un settore emergente in Europa, giustificando un impegno destinato a durare anche oltre la durata del Progetto. L obiettivo della ricerca nell annata 2013 è stato valutare le 59

60 caratteristiche intrinseche di quattro colture, tra quelle inserite nelle prove del WP1, per la stima della produzione potenziale di bioetanolo di seconda generazione. Le colture da biomassa oggetto della prova, provenienti delle prove sperimentali di Cadriano svoltesi nel 2011, sono state due colture poliennali, Arundo e Switchgrass, e due ibridi di sorgo da biomassa, B 133 e Bulldozer. Insieme a queste sono state analizzate e testate anche un residuo agricolo, ovvero la paglia d orzo, e la frazione organica dei residui di cucina (FORSU, costituito nella fattispecie da carta da cucina, bucce di mela e d arancia). Questi substrati, che non erano previsti nel progetto, sono stati inseriti per ampliare le caratteristiche di composizione rispetto ai substrati ottenibili dalle prove del WP1, onde fornire un ulteriore test finalizzato all approfondimento delle conoscenze relativamente al processo di trasformazione della biomassa. Le matrici vegetali di Arundo, Switchgrass, B 133 e Bulldozer sono state essiccate a 60 C e macinate a 2 mm per le successive analisi qualitative della biomassa e per le fasi di idrolisi enzimatica e fermentazione. La caratterizzazione di ogni singola matrice è stata fatta per solidi totali (TS, a 105 C), frazioni fibrose (emicellulosa, cellulosa, lignina (ADL)) eseguite secondo il metodo Van Soest. Per paglia d orzo, FORSU e B133 si è invece proceduto alla determinazione degli zuccheri solubili totali (estrazione in acqua con rapporto solido liquido 1:20, per 12 h a temperatura ambiente); carboidrati strutturali (cellulosa ed emicellulosa) e lignina (acid insolubile lignin, AIL) seguendo il metodo NREL (National Renewable Energy Laboratory) adatto per la caratterizzazione di biomassa da destinare alle filiere bio-energetiche, proposto da Sluiter et al. (2011). Il processo di trasformazione in bioetanolo è stato condotto secondo una configurazione SSF (simultaneous saccharification and fermentation), ovvero idrolisi enzimatica e fermentazione sono avvenute nello stesso batch. Tale configurazione risulta più efficiente in termini di bilancio energetico ed economico complessivo per l intero processo, rispetto a quella che prevede l uso di due batch separati per idrolisi enzimatica e fermentazione, ma pone sia i lieviti che gli enzimi in condizioni di temperatura non ottimali. Considerati le diverse temperature ottimali per lievito (variabile a seconda del microorganismo utilizzato) ed enzima (50 C circa), sono stati utilizzati due diversi lieviti, al fine di valutare eventuali differenze nella produzione complessiva di etanolo. In particolare Saccharomyces cervisiae, il cui optimum di temperatura è di 30 C, è stato scelto perché il più ampiamente utilizzato e perché caratterizzato da un elevato rendimento, mentre il Kluyveromyces marxianus perché fermenta in condizioni ottimali di 40 C, una temperatura prossima a quella degli enzimi. L idrolisi enzimatica è stata condotta utilizzando enzima cellulasi commerciale (Celluclast 1,5 L), prodotto dal fungo Trichoderma reseei. Le prove SSF sono avvenute con tre repliche per ciascuna combinazione coltura x lievito, in bottiglie schott da 500 ml in condizioni di anaerobiosi ottenuta insufflando le bottiglie con azoto gassoso. Le condizioni anaerobiche sono state mantenute durante il processo utilizzando opportuni gorgogliatori riempiti d acqua che permettessero la fuoriuscita della CO2 prodotta durante la fermentazione ed allo stesso tempo impedissero l entrata di O2. Ciascuna bottiglia è stata sterilizzata in autoclave (121 C, 20 min.) ed il processo è avvenuto a condizioni di ph 4.8 utilizzando una soluzione di tampone citrato a concentrazione 50 mm, con ph corretto aggiungendo Na(OH). Ogni bottiglia conteneva una soluzione minerale, anch essa opportunamente sterilizzata in autoclave (121 60

61 C, 20 min) per creare condizioni ottimali dei lieviti (0.5 ml di (NH4)2SO4 a 150 g L -1, 1.5 ml di KH2PO4 a g L -1, 0.5 ml MgSO4 7H2O a 75 g L -1, 2.5 ml di CaCl2 2H2O a 100 g L -1 ) a cui sono stati aggiunti 0.5 g di estratto di lievito. Ciascun lievito con densità ottica (OD) misurata con spettrofotometro a λ = 600 è stato aggiunto in quantità pari a 3 ml. La concentrazione di biomassa è stata del 5% (peso biomassa su peso soluzione), ed il volume finale di tutta la soluzione in ciascuna bottiglia è stato di 100 ml. La dose enzimatica è stata di 35 FPU g -1 di sostanza organica, calcolata secondo il metodo NREL (National Renewable Energy Laboratory) sulla misura dell attività cellulasica. Le temperature di incubazione sono state di 45 C per i campioni inoculati con Kluyveromyces marxianus (K) e 37 C per il lievito Saccharomyces cerevisiae (S). Tutte le prove sono avvenute in agitazione a 120 rpm ed hanno avuto una durata complessiva di 96 ore. L etanolo prodotto è stato quantificato tramite HPLC (Agilent 1100) con detector a indice di rifrazione (RI), usando una colonna (BioRad Aminex HPX-87H, mm) a 60 C e H2SO4 4 mm come fase mobile flussato a 0.5 ml min -1. Su B 133, Paglia e Forsu, i substrati maggiormente rappresentativi tra quelli utilizzati, è stata valutata anche l efficienza di conversione della cellulosa (CCE; %), calcolata come i valori di EtOH prodotto durante l SSF meno il glucosio solubile moltiplicato per il coefficiente di conversione di g di EtOH per grammo di zucchero, sul contenuto di cellulosa presente nella matrice a sua volta moltiplicata per 0.511: EtOH(g) prodottodurante SSF - Glucosio solubile (g) CCE % Cellulosa (g) presente Per i parametri riguardanti le caratteristiche della biomassa (cellulosa, emicellulosa, ADL, lignina e glucosio solubile) è stata eseguita l analisi della varianza ad una via, mentre per EtOH e CCE è stata eseguita l analisi della varianza a due vie per i fattori coltura, lievito e relativa interazione, con test LSD (P 0,05) per la separazione delle medie delle fonti statisticamente significative Attività in WP4 Attività 9 Analisi di impatto ambientale (LCA) (Responsabile scientifico Dr. Andrea Monti). L attività è stata interamente svolta e relazionata nella precedente annata Risultati conseguiti Risultati in WP1 Attività 1 Confronto fra genotipi di sorgo da fibra e zuccherino combinati con diverse epoche di semina. Nella Figura si riporta l altezza dei due ibridi nelle tre epoche di semina e, limitatamente alla seconda e terza epoca, su terreno nudo e in successione al triticale coltivato come intercalare. 61

62 Occorre precisare che un forte temporale con presenza di grandine ha colpito la località ospitante le prove del WP1 in data 27/8, determinando nel caso del sorgo un marcato allettamento delle piante che hanno continuato a crescere e svilupparsi, rendendo però inattendibile la prosecuzione dei rilievi colturali. Pertanto, in considerazione di questa situazione, dopo l ultimo rilievo effettuato prima del fortunale (13/8), è stato effettuato un rilievo finale su piante selezionate tra quelle raccolte (in data 23/9, 10/10 e 23/10 rispettivamente in 1^, 2^ e 3^ epoca di semina). I dati nella Figura si riferiscono pertanto alla particolare situazione venutasi a creare. Con tale premessa, in prima semina (29/4) Bulldozer è risultato sensibilmente più alto di Sucros 506 (oltre un metro di differenza), confermando quanto emerso nel 2012; nelle epoche successive il divario fra i due genotipi si è ridotto, rimanendo comunque avvertibile fino all ultima semina (20/6). In entrambi i genotipi il posticipo di 29 giorni fra 1^ e 2^ semina e di 21 giorni fra 2^ e 3^ ha determinato un sensibile calo della taglia finale delle piante, soprattutto in 3^ epoca con sorgo seminato in successione a triticale. Figura Altezza di due ibridi di sorgo da biomassa (Bulldozer, fibra; Sucros 506, zuccherino) in tre epoche di semina su terreno nudo e in successione a triticale come intercalare nel 2013 a Cadriano (BO) 450 Altezza (cm) /6 22/6 13/7 3/8 24/8 14/9 5/10 26/10 S506-1^-Nudo Bull.-1^-Nudo S506-2^-Nudo Bull.-2^-Nudo S506-2^-Trit. Bull.-2^-Trit. S506-3^-Nudo Bull.-3^-Nudo S506-3^-Trit. Bull.-3^-Trit. La produzione di biomassa e la percentuale di sostanza secca presentano differenze marcate fra le diverse combinazioni di fattori (Tabella ). Fra i due genotipi, la maggior taglia di Bulldozer si è tradotta in un 10-20% in più di biomassa prodotta in tutte le combinazioni studiate, ad eccezione che su terreno nudo in 2^ epoca. L epoca di semina su terreno nudo ha determinato un calo produttivo di circa il 20% fra prima e seconda epoca; di circa il 50% fra prima e terza. Il precedente triticale non ha determinato decremento produttivo rispetto al terreno nudo in 2^ epoca, laddove in 3^ epoca si è osservato un calo di circa il 40%, che sale al 70% se il confronto viene fatto con la prima semina. La percentuale di sostanza secca della biomassa raccolta presenta dati progressivamente calanti, coerentemente con il ritardo dell epoca di semina e la riduzione della stagione di crescita. In particolare, la ridotta crescita in 3^ epoca su precedente triticale si è tradotta in piante più ricche di foglie che di steli (dati non mostrati), quindi inevitabilmente più umide alla 62

63 raccolta. Infine, l efficienza d uso dell acqua presenta un quadro simile a quello osservato nel 2012: i valori di WUE rimangono sostanzialmente indifferenziati, mediamente buoni in tutte le combinazioni saggiate ad eccezione che in 3^ epoca in successione a triticale. In questa combinazione, la forte decurtazione della biomassa prodotta senza parallela riduzione del quantitativo di acqua consumata (ETa) si è tradotta in un dimezzamento dei valori di WUE, sempre in analogia con quanto osservato nel corso del Tabella Produzione di biomassa, percentuale di sostanza secca, altezza, allettamento alla raccolta ed efficienza di utilizzo dell acqua (WUE) di due ibridi di sorgo in tre epoche di semina su terreno nudo e in successione a triticale come intercalare nel 2013 a Cadriano. Tra parentesi, errore standard (n = 4) Epoca Ibrido Terreno Biomassa (Mg SS ha -1 ) S.S. (%) Altezza (cm) WUE (g SS L -1 ) 1^ Sucros 506 nudo 23,5 (1,3) 30,8 (0,6) 295 (10) 5,4 (0,3) Bulldozer Nudo 26,7 (1,8) 31,2 (1,0) 389 (11) 6,1 (0,4) 2^ Sucros 506 Nudo 19,9 (1,0) 27,3 (0,7) 279 (13) 7,0 (0,4) Bulldozer nudo 19,2 (1,6) 27,9 (0,6) 344 (16) 6,7 (0,4) Sucros 506 triticale 19,2 (0,7) 24,2 (0,6) 286 (9) 6,3 (0,4) Bulldozer triticale 22,8 (0,9) 25,3 (0,3) 343 (29) 7,4 (0,2) 3^ Sucros 506 nudo 12,5 (1,0) 17,7 (0,6) 274 (11) 4,8 (0,4) Bulldozer nudo 14,8 (1,1) 21,1 (0,7) 272 (30) 5,6 (0,4) Sucros 506 triticale 7,2 (2,0) 18,0 (0,6) 118 (46) 2,5 (0,6) Bulldozer triticale 9,0 (1,5) 18,6 (0,5) 117 (36) 3,3 (0,3) 63

64 Tabella Produzione di biomassa complessiva della successione annuale triticale sorgo da biomassa a confronto con il solo sorgo, in funzione delle epoche di semina e dei due ibridi in prova nel 2013 a Cadriano. Tra parentesi, errore standard (n = 4) Epoca Ibrido Terreno Sorgo Triticale Sorgo + Trit. Mg SS ha -1 1^ Sucros 506 nudo 23,5 (1,3) 23,5 (1,3) Bulldozer nudo 26,7 (1,8) 26,4 (1,8) 2^ Sucros 506 nudo 19,9 (1,0) 19,9 (1,0) Bulldozer nudo 19,2 (1,6) 19,2 (1,6) Sucros 506 triticale 19,2 (0,7) 5,5 (0,2) 24,7 (0,7) Bulldozer triticale 22,8 (0,9) 5,5 (0,2) 28,4 (1,1) 3^ Sucros 506 nudo 12,5 (1,0) 20,3 (0,6) Bulldozer nudo 14,8 (1,1) 18,1 (1,6) Sucros 506 triticale 7,2 (2,0) 11,3 (0,4) 18,4 (1,7) Bulldozer triticale 9,0 (1,5) 11,3 (0,4) 20,3 (1,2) Il triticale nelle due epoche di raccolta (inizio fioritura, 27/5; maturazione lattea, 20/6) ha rispettivamente prodotto circa 6 e 11 Mg di biomassa secca per ettaro (Tabella ). Sommando tale quantitativo alla biomassa del sorgo, le produzioni della doppia coltura superano quelle del solo sorgo in 2^ epoca (+36% nella media dei due ibridi); le raggiungono appena in 3^ epoca. Né in 2^ né in 3^ epoca di semina l inserimento del triticale permette di raggiungere il livello produttivo del sorgo in 1^ epoca su terreno nudo. Si confermano pertanto nel 2013 i risultati emersi nella precedente annata, in base ai quali la doppia coltura annuale si rivela inefficace ai fini dell aumento produttivo, nelle condizioni in cui si sono svolte le prove. Le analisi in corso permetteranno di valutare gli effetti dei fattori studiati sul potenziale energetico delle biomasse prodotte. Attività 2 Nuove colture di potenziale interesse per le filiere bioenergetiche esistenti. Attività 2.a Confronto fra impianto annuale e poliennale di Helianthus tuberosus (topinambur). Nel 2013 il topinambur, originante comunque da ricacci di colture impiantate pochi anni prima ha raggiunto altezze di circa 1,5 m nel caso dell impianto più vecchio (2010); circa 2 m in quello più giovane (2012). Anche in questo caso, i rilievi biometrici sono stati interrotti in occasione del fortunale del 27/8, ma il trend descritto fino a quel punto e l esperienza degli anni precedenti lasciano supporre che la coltura fosse ormai prossima al plafond di altezza. 64

65 Figura Altezza del topinambur nel 2013 a Cadriano (BO) con impianto effettuato nel 2010 e Altezza (cm) /5 3/6 17/6 1/7 15/7 29/7 12/8 I dati alla raccolta rispecchiano i risultati ottenuti nel precedente quadriennio (Tabella ), tenendo conto che in questa annata conclusiva non vi era più topinambur di neo-impianto, ma solo originante dai ricacci. Con questa premessa, tra raccolta precoce (settembre) e tardiva (novembre) si è osservato il solito forte calo nella densità di culmi; anche in epoca tardiva la densità rimane dell ordine di alcune decine di culmi per metro quadro, contro i 5-6 nell anno di impianto. Anche la biomassa epigea si è ridotta fortemente fra le due epoche, per effetto della filloptosi e della parallela traslocazione degli assimilati agli organi di riserva. I valori di biomassa epigea osservati nel 2013 appaiono tra i più alti per topinambur da ricaccio, a indicazione del fatto che la coltura non si esaurisce nel volgere di pochi anni. La biomassa dei rizomi è aumentata sensibilmente tra le due epoche di raccolta, sempre in analogia con quanto osservato nelle precedenti annate. L andamento opposto tra le due epoche della biomassa epigea e ipogea ha determinato un forte incremento dell harvest index, che è passato da circa il 10% a quasi il 40%. All interno della biomassa epigea, i fusti hanno rappresentato la frazione di gran lunga preminente (> 80%) già in prima epoca, mentre in seconda epoca la presenza di foglie secche ancora attaccate è risultata marginale e quindi non quantificata. Le analisi in corso, fibra e ceneri sulla porzione epigea, inulina sui fusti e sui tuberi, permetteranno di meglio precisare il potenziale energetico della coltura nelle sue diverse componenti. 65

66 Tabella Densità colturale, produzione di biomassa epigea (fusti più foglie) e ipogea (tuberi), harvest index (H.I.) dei tuberi e incidenza dei fusti sulla biomassa epigea, in due epoche di raccolta nel 2013 con topinambur impiantato nel 2010 e Tra parentesi, errore standard (n = 4) Cicloanno Epoca Densità culmi (n. m -2 ) Biomassa epigea (Mg SS ha -1 ) Biomassa rizomi (Mg SS ha -1 ) H.I. (rizomi % totale) Fusti (% biom. epigea) precoce 113,2 (10,0) 27,0 (0,7) 3,4 (0,5) 11 (1,7) 88 (1,9) tardiva 44,8 (4,7) 13,2 (1,0) 8,3 (0,8) 39 (2,9) 100 (0) precoce 73,8 (3,3) 28,1 (1,2) 2,4 (0,2) 8 (0,9) 85 (2,7) tardiva 34,4 (1,2) 18,4 (1,6) 10,7 (0,5) 37 (1,9) 100 (0) Attività 2.b Valutazione di altre specie minori in funzione della disponibilità di materiale genetico. I risultati ottenuti nel 2013 sulle due essenze sopravissute tra le quattro impiantate nel 2012, mostrano una produzione di biomassa di un certo interesse, quasi doppia a quella dell anno precedente caratterizzato da forte siccità estiva, malgrado lo stesso numero di raccolte operate (2 in entrambe le annate). Lo sfalcio primaverile (21/5) si è dimostrato di gran lunga il più produttivo; dopo tale data, entrambe le specie (bromo e festuca) sono rimaste a lungo quiescenti, ricacciando apprezzabilmente solo a fine estate e dando origine a un taglio autunnale (23/10) di modesta entità. La festuca è risultata sempre più produttiva del bromo, come nell anno di impianto (2012). La diversa composizione della biomassa tra le due epoche riflette il diverso stadio fenologico al momento della raccolta: fioritura maturazione lattea a fine maggio; levata in ottobre. Malgrado la migliore performance delle due essenze in questa seconda annata dall impianto, rimane notevole il differenziale produttivo rispetto al sorgo: festuca, la migliore delle due, ha infatti prodotto oltre un terzo in meno biomassa del miglior ibrido di sorgo da fibra (Bulldozer) tra quelli in prova (Tabella ). Si evince pertanto come queste foraggere difficilmente possano competere come colture da biomassa, malgrado una gestione agronomica relativamente agevole grazie al fatto di essere piante a taglia bassa e stelo fine, facilmente affienabili. La analisi attualmente in corso (ceneri e composizione fibre) permetteranno di valutare meglio il potenziale bio-energetico di queste due specie. 66

67 Tabella Produzione di biomassa, percentuale di sostanza secca e densità culmi in due specie erbacee poliennali con sfalcio primaverile e autunnale nel 2013 a Cadriano (BO). Tra parentesi, errore standard (n = 4) Specie Epoca Biomassa (Mg SS ha -1 ) S.S. (%) Culmi (n. m -2 ) Fusti (% s.s.) Foglie (% s.s.) Infioresc. (% s.s.) Bromo 1^ 10,1 (1,8) 40,5 (5,7) 580 (56) 51 (1,7) 28 (2,0) 20 (1,9) Festuca 1^ 14,4 (0,9) 40,9 (2,6) 807 (18) 65 (2,5) 18 (0,9) 18 (0,9) Bromo 2^ 1,3 (0,1) 28,6 (1,6) 524 (33) 20 (0) 80 (0) 0 (0) Festuca 2^ 2,7 (0,2) 25,6 (1,5) 536 (46) 20 (0) 80 (0) 0 (0) Bromo 1^+2^ 11,4 (1,8) 28,7 (5,1) 552 (31) 48 (2,0) 34 (2,6) 18 (1,8) Festuca 1^+2^ 17,1 (0,8) 37,3 (1,7) 671 (16) 58 (1,8) 28 (1,4) 15 (0,5) S. bicolor (ctrl) 27,3 (1,9) 31,2 (1,2) 12,7 (0,8) 78,5 (1,1) 15,7 (1,1) 5,8 (0,4) Attività 3 Confronto fra specie poliennali a diverse latitudini. Le tre specie poliennali inserite in questo confronto (arundo, miscanto e cardo) sono in coltivazione a Cadriano dal 2002, avendo quindi raggiunto nel 2013 la 12^ stagione vegetativa. Nelle ultime annate si è osservato una progressiva riduzione del vigore in tutte e tre le specie, ed anche nel Panicum virgatum (switchgrass) che è coltivato sempre dal 2002 a latere di arundo, miscanto e cardo. Nel 2013 la riduzione della spinta vegetativa è apparsa particolarmente accentuata, segno di un decadimento difficilmente controvertibile. Nel miscanto, addirittura, non è stato più possibile raccogliere le parcelle concimate (N1), che risultavano ormai troppo diradate e invase da flora avventizia per poter dare origine a dati produttivi attendibili. Con questa premessa, l arundo si è confermata la specie più produttiva (Tabella ), senza apparente differenza fra concimato e non concimato, a differenza di quanto osservato nelle più recenti annate. Il miscanto ha raggiunto una resa in biomassa pari a circa la metà dell arundo; le parcelle concimate che non è stato possibile raccogliere, mostravano un vigore simile a quelle non concimate in analogia con le precedenti annate in cui il miscanto non ha dato origine a forti differenze per effetto della concimazione. Anche il cardo, infine, ha proseguito nel trend di riduzione produttiva osservato nelle ultime annate, scendendo al di sotto dei 5 Mg ha -1 di biomassa secca nel concimato; alla metà nel non concimato. Rispetto alla precedente, siccitosa annata, il cardo ha recuperato qualcosa solo nella produzione di acheni, che ha superato di poco i 500 kg ha -1 in presenza di concimazione, contro poco più di 100 kg ha -1 nel La percentuale di sostanza secca delle tre colture, non influenzata dalla concimazione, è risultata analoga a quella delle precedenti annate, rispecchiando il diverso stadio a cui le tre piante sono state raccolte: vegetanti arundo e miscanto, anche se quest ultimo che negli ultimi anni ha sensibilmente anticipato la senescenza; molto secco il cardo. Le analisi in corso (ceneri e fibre) permetteranno di valutare il potenziale energetico delle tre biomasse. 67

68 Tabella Produzione di biomassa, percentuale di sostanza secca, densità culmi e produzione di acheni (cardo) in tre colture poliennali con e senza concimazione azotata nel 2013 a Cadriano (BO). Tra parentesi, errore standard (n = 4) Specie N (g ha -1 ) Biomassa (Mg SS ha -1 ) S.S. (%) Culmi (n. m -2 ) Arundo 0 18,0 (0,9) 41,3 (1,4) 59,8 (5,8) ,2 (0,6) 40,6 (1,2) 63,4 (5,0) Miscanto 0 8,6 (1,2) 46,1 (1,0) 78,9 (11,5) Acheni Mg SS ha -1 Cardo 0 2,4 (0,5) 82,4 (1,4) 2,0 (0,1) 0,15 (0,05) 100 4,8 (0,3) 83,6 (1,3) 2,3 (0,1) 0,57 (0,08) Risultati in WP3 Attività 4 Valutazione delle emissioni di elementi inquinanti (VOC) derivanti dalla combustione di specie da biomassa erbacee (attività svolta in collaborazione con CNR - Ibimet). Sono stati identificati numerosi componenti volatili che appartengono a diverse classi chimiche: aldeidi, chetoni, alcoli, acidi, furani, pirani, diossani, fenoli, zuccheri e lattoni (Tabella ). Si sono rilevate differenze quantitative sia dal confronto dei composti volatili rilasciati durante la pirolisi delle diverse biomasse (Figura e 1.1.5), sia nell ambito della medesima biomassa quando si confrontano i profili di VOC ottenuti in entrambe le condizioni di pirolisi, a temperatura pari a 600 C e a 900 C (Figura e ). In generale, il profilo di VOC ottenuto durante la pirolisi delle biomasse oggetto di studio è risultato dominato dai composti volatili 4-vinyl guaiacol (14-24%) e 4-vinyl phenol (10-28%), entrambi prodotti di degradazione della lignina (Figura c e c), indipendentemente dalla tipologia di biomassa analizzata e dalle condizioni di temperatura di pirolisi. I composti volatili 4- hydroxy-5,6-dihydro-(2h)-pyranone (2-12%) e hydroxyacetone (4-8%), entrambi prodotti di decomposizione della cellulosa (Figura a, b; Figura a, b), pur presenti in quantità minori contribuiscono a caratterizzare il profilo di VOC delle biomasse analizzate. Se il profilo dei VOC rilevati conferma in generale la composizione tipica dei VOC rilasciati dalla pirolisi delle biomasse erbacee, tuttavia si rilevano differenze significative e peculiari tra le diverse biomasse analizzate. 68

69 Tabella Composti volatile organici (VOC) identificati durante la pirolisi Py-GC-MS di biomasse lignocellulosiche derivate dalle colture energetiche Arundo donax L. (canna comune), Sorghum bicolor (L.) Moench (sorgo da fibra) ibrido Bulldozer, Miscanthus giganteus Greef et Deuter (miscanto), Panicum virgatum L. (switchgrass) Peak # RT (min) Compound Chemical class Formula MW MS base peak 1 1,36 formaldehyde aldehydes CH 2O C 2 1,43 methanol alcohol CH 4O C 3 1,60 acetaldehyde aldehydes C 2H 4O C 4 1,62 glyoxal (ethanedial) aldehydes C 2H 2O C 5 1,70 acetone (2-propanone) ketones C 3H 6O C 6 1,80 methyl glyoxal (pyruvaldehyde) aldehydes C 3H 4O C 7 2,20 acetic acid acid C 2H 4O C 8 2,49 hydroxyacetone (acetol; 1-hydroxy-2- ketones C 3H 6O C propanone) 9 4,18 acetoxy-acetaldehyde aldehydes C 10H 10N 4O C 10 4,36 butandial aldehydes C 4H 6O C 11 5,43 2-furaldehyde (furfural) furans C 5H 4O C 12 5,92 furfuryl alcohol furans C 5H 6O C 13 6,22 dihydro-4-hydroxy-2(3h)-furanone furans C 4H 6O C 14 7,13 2-(5H)-furanone furans C 4H 4O C 15 7,18 2-methylcyclopentanone ketones C 6H 10O C 16 7,33 cyclopentanedione ketones C 5H 6O C 17 7,98 1,3-dioxolane-2-methanol dioxolanes C 4H 8O C 18 8,49 phenol phenols C 6H 6O HL 19 8,79 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyranone pyrans C 5H 6O C 20 9,33 2-hydroxy-3-methyl-2-cyclopentene-1- ketones C 6H 8O C one 21 9,87 2-methylphenol (o-cresol) phenols C 7H 8O GL 22 9,90 2-(propan-2-one)-tetrahydrofuran furans C 7H 12O C 23 9,99 tetrahydro-2h-pyran-2-methanol pyrans C 6H 12O C 24 10,20 4-methylphenol (p-cresol) phenols C 7H 8O GL 25 10,43 2,5-dimethyl-4-hydroxy-3(2H)-furanone furans C 6H 8O C 26 10,48 guaiacol (2-methoxyphenol) phenols C 7H 8O GL 27 10,89 3-ethyl-2-hydroxy-2-cyclopenten-1-one ketones C 7H 10O C 28 11,01 3-methyl-2,4(3H,5H)-furandione furans C 5H 6O C 29 11,75 4-ethylphenol phenols C 8H 10O HL 30 12,15 anhydro isosaccharino-d-lactone lactones C 6H 10O C 31 12,22 4-methyl guaiacol phenols C 8H 10O GL Origin 69

70 Peak # RT (min) Compound Chemical class Formula Nell ambito dei suddetti emerge come la biomassa di Arundo si differenzia dalle altre biomasse analizzate per quanto riguarda il livello dei composti volatili rilasciati in maggiore percentuale e originati dalla degradazione della lignina: il profilo dei VOC di Arundo è infatti caratterizzato dal 70 MW MS base peak 32 12,27 1,2-benzenediol phenols C 6H 6O GL 33 12,47 1,4:3,6-dianhydro glupyranose sugars C 6H 8O C 34 12,57 4-vinylphenol phenols C 6H 8O HL 35 12,75 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (5- furans C 6H 6O C hydroxymethyl-2-furfural) 36 13,32 3-methoxy-1,2-benzenediol (3-methoxybenzene-1,2-diol) phenols C 7H 8O GL 37 13,56 4-ethyl guaiacol (2-Methoxy-4- phenols C 9H 12O GL ethylphenol) 38 13,98 ascopyrone P ((2S)-5-hydroxy-2- pyrans C 6H 8O C (hydroxymethyl)-2,3-dihydro-4h-pyran- 4-one) 39 14,10 4-vinyl guaiacol (2-Methoxy-4- phenols C 9H 10O GL vinylphenol) 40 14,62 syringol phenols C 8H 10O SL 41 14,73 eugenol phenols C 10H 12O GL 42 15,34 vanillin phenols C 8H 8O GL 43 15,46 cis-isoeugenol phenols C 10H 12O GL 44 15,96 4-methylsyringol (2,6-dimethoxy-4- phenols C 9H 12O SL methylphenol) 45 16,02 trans-isoeugenol phenols C 10H 12O GL 46 16,16 2-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-ethanal aldehydes C 9H 10O GL 47 16,53 methylguaiacylketone (acetoguaiacone) ketones C 9H 10O GL 48 17,02 4-ethylsyringol phenols C 10H 14O SL 49 17,11 1-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2- ketones C 10H 12O GL propanone (Guaiacylacetone; Vanillyl methyl ketone) 50 17,52 4-vinylsyringol phenols C 10H 12O SL 51 18,00 cis-methoxyisoeugenol phenols C 11H 14O SL 52 18,61 trans-methoxyisoeugenol phenols C 11H 14O SL 53 18,73 syringaldehyde phenols C 9H 10O SL 54 19,19 methoxyeugenol phenols C 11H 14O SL 55 19,49 4-hydroxy-3,5-methoxy acetophenone ketones C 10H 12O SL 56 19,64 4-hydroxy-2-methoxycinnamaldehyde aldehydes C 10H 10O GL 57 20,02 1-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)-2- propanone Origin ketones C 11H 14O SL Sono riportati: l indice di ritenzione (RT) su colonna cromatografica HP5, la classe chimica di appartenenza, la formula chimica, il peso molecolare (MW), lo ione di massima abbondanza dello spettro di massa, e l origine del composto in funzione dei diversi componenti lignocellulosici dei campioni. C= composti derivati dai carboidrati quali cellulosa e emicellulosa; HL= composti derivati dall idrossiprenile della lignina; GL= composti derivati dal guaiacolo della lignina; SL= composti derivati dal siringolo della lignina.

71 maggiore contenuto in percentuale di 4-vinylguaiacole dal minor contenuto di 4-vinylphenol, rispetto ai profili delle rimanenti biomasse (Figura c). Nell ambito dei maggiori prodotti derivati dai carboidrati si rileva la maggiore produzione di 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyranone durante la pirolisi delle biomasse di Arundo e Panicum (Figura b) e la minore formazione di hydroxyacetone (Figura a) durante la pirolisi della biomassa di Sorghum. 71

72 Figura Confronto tra i composti organici volatili indentificati durante la pirolisi delle biomasse derivate da Arundo donax L. (canna comune), Sorghum bicolor (L.) Moench (sorgo da fibra) ibrido Bulldozer, Miscanthus giganteus Greef et Deuter (miscanto), Panicum virgatum L. (switchgrass) in condizioni di pirolizzazione a 600 C a b (segue) 72 b

73 (segue) c c d d 73

74 Figura Confronto tra composti organici volatili indentificati durante la pirolisi delle biomasse derivate da Arundo donax L. (canna comune), Sorghum bicolor (L.) Moench (sorgo da fibra) ibrido Bulldozer, Miscanthus giganteus Greef et Deuter (miscanto), Panicum virgatum L. (switchgrass) in condizioni di pirolizzazione a 900 C a b a (segue) 74 b

75 (segue) c d 75

76 Da un analisi dettaglia dei diversi profili di VOC si rilevano ulteriori differenze sia tra le differenti biomasse analizzate a parità di condizioni termiche operative di pirolisi, sia quando le medesime biomasse sono sottoposte a differenti temperature di degradazione termochimica. La composizione dei VOC rilasciati durante la pirolisi a 600 C della biomassa di Arundo evidenzia la presenza significativa di composti derivati dalla degradazione dei carboidrati: hydroxyacetone (8%; Figura a) e 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyranone (12%; Figura b), e nell ambito dei composti volatili originati dalla decomposizione della lignina (Figura c), di 4-vinylguaiacol (17%) e 4-vinylphenol (10%). Arundo si distingue dalle altre colture per rilasciare una maggiore quantità di componenti minori (Figura b, c, d): guaiacol (5%), 4-methyl guaiacol (2%), trans-isoeugenol (3%), 2,5-dimethyl-4-hydroxy-3(2H)-furanone (<1%) cis-isoeugenol (<1%), 4- methylsyringol (>1%) quando la pirolisi è effettuata a 600 C. Quando la biomassa di Arundo è sottoposta al processo di pirolisi a 900 C si rileva una maggiore produzione di alcuni composti volatili che la differenziano dalle rimanenti biomasse. In particolare, tra i composti più abbondanti si evidenzia il maggiore contenuto in percentuale di 4-vinylguaiacol (24%; Figura c) e 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyranone (9%; Figura b). Tra i composti minori in termini di abbondanza relativa (livelli <5%), la biomassa di Arundo durante tali condizioni di pirolisi rilascia una maggiore quantità di composti derivati sia dalla degradazione dei carboidrati, quali ad esempio 2,5-dimethyl-4-hydroxy-3(2H)-furanone (Figura b), ma soprattutto di composti volatili originati dalla decomposizione della lignina (Figura b, c, d) quali 4-methyl guaiacol, cis-isoeugenol, 4-methylsyringol, trans-isoeugenol, methylguaiacylketone, 4-ethylsyringol,1-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-propanone, 4-hydroxy-3,5 methoxyacetophenone, 1-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)-2-propanone. Il profilo di VOC rilasciati durante la pirolisi a 600 C della biomassa di Sorghum bicolor ibrido Bulldozer mostra un elevata produzione dei composti volatili derivati dalla degradazione della lignina (Figura c): 4-vinylphenol (21%) e 4-vinylguaiacol (16%). Rispetto all Arundo, il Sorghum si caratterizza per un minore rilascio di composti volatili derivati dalla degradazione dei carboidrati: hydroxyacetone (5%; Figura a) e 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyranone (5%; Figura b). Nell ambito dei componenti minori (< 5% dell area totale dei VOC) si rileva una maggiore formazione di diversi composti volatili provenienti dalla degradazione della lignina (Figura b, c, d): 1,2-benzendiol, 4-vinyl phenol, vanillin, methylguaiacylketone, 1-(4- hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-propanone, 4-vinylsyringol, cis-methoxyisoeugenol, transmethoxyisoeugenol, syringaldehyde, methoxyeugenol, 4-hydroxy-3,5-methoxy acetophenone, 4- hydroxy-2-methoxycinnamaldehyde, 1-(4-hydroxy-3,5-dimethoxyphenyl)-2-propanone. Quando la pirolisi è effettuata a temperatura molto elevate (900 C) la biomassa di Sorghum si differenzia dalle biomasse delle altre colture tendenzialmente per il maggiore contenuto in percentuale di hydroxyacetone, acetaldehyde e guaiacol (Figura a, b). Relativamente ai composti volatili che si formano durante la pirolisi alla temperatura di 600 C della biomassa di Miscanthus si rileva che i maggiori componenti del profilo di VOC di tale coltura sono rappresentati dai composti derivati dalla lignina (Figura a, b): 4-vinylphenol (19%) e 4- vinylguaiacol (14%). Miscanthus si caratterizza anche per una maggiore formazione di composti minori, quali composti volatili derivati dalla degradazione dei carboidrati: cyclopentanedione e 2-76

77 hydroxy-3-methyl-2-cyclopentene-1-one (Figura b), e, similmente alla biomassa derivante da Arundo, di composti derivati dalla lignina come il guaiacol (Figura b). Quando la pirolisi viene effettuata a 900 C, il miscanto si distingue dalle altre biomasse per una maggiore produzione di phenol, 2-methylphenol, 4-methylphenol e 4-ethylphenol (Figura b, c). Il profilo di VOC rilasciati durante la pirolisi a 600 C della biomassa di Panicum evidenzia un elevata produzione dei composti volatili derivati dalla degradazione dei carboidrati: hydroxyacetone (8%; Figura a) e 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyranone (11%; Figura b) e dei composti volatili 4-vinylguaiacol (15%) e 4-vinylphenol (18%) originati dalla decomposizione della lignina (Figura c). Quando la pirolisi della biomassa di Panicum è effettuata alla temperatura di 900 C si ha una maggiore formazione di furfuryl alcohol e 4-vinyl phenol rispetto alle altre biomasse. Similmente alla biomassa di Arundo, durante la pirolisi alla temperatura di 900 C, il Panicum si caratterizza per una maggiore produzione di 4-vinyl guaiacol e, nell ambito dei composti minori, anche di cis-isoeugenol, 4-methylsyringol, trans-isoeugenol, e 4-ethylsyringol. I profili di composti volatili rilasciati durante il processo di pirolisi sono stati analizzati in relazione alle caratteristiche chimico-strutturali della biomassa e in particolare alla loro provenienza dalla degradazione sia dei carboidrati (cellulosa ed emicellulosa), sia della lignina. Sebbene non siano emerse differenze significative nella composizione qualitativa dei composti volatili rilasciati durante la pirolisi sia a 600 C che a 900 C (Tabella ), dall analisi del profilo dei VOC della biomassa di Arundo si rileva un numero maggiore di composti, principalmente derivati dalla degradazione della lignina, quando la pirolisi è effettuata a 900 C rispetto alle condizioni di pirolisi a temperatura inferiore (600 C). L analisi quantitativa evidenzia differenze nella formazione di VOC durante la pirolisi di diverse biomasse in funzione della loro degradazione dalle diverse componenti lignocellulosiche. In generale si rileva che i composti volatili derivati dalla degradazione della lignina prevalgono, costituendo circa il 53-77% del totale dei composti volatili rilasciati durante il processo di pirolisi, pur variando in funzione della temperatura di pirolisi (Tabella e Figura , ). Ad eccezione della biomassa di Sorghum che non presenta differenze rilevanti nella formazione di VOC nelle due diverse condizioni di pirolizzazione, le biomasse originate dalle altre colture quando sono sottoposte a pirolisi a 900 C si caratterizzano per rilasciare una minore quantità dei composti volatili derivati dalla componente carboidratica delle biomasse e per produrre una maggiore formazione dei composti volatili derivati dalla degradazione della lignina, rispetto al rilascio di VOC in condizioni di pirolisi a temperatura inferiore. Questo andamento riflette le caratteristiche termochimiche di degradazione dei diversi componenti della biomassa. Infatti se la cellulosa presenta un intervallo limitato di temperatura alla quale degrada tramite pirolisi (nell ordine di C), la lignina degrada in un intervallo di temperatura molto più ampio: C. 77

78 Tabella Composti volatili rilevati durante la pirolisi delle biomasse derivate dalle colture energetiche Arundo donax L. (canna comune), Sorghum bicolor (L.) Moench (sorgo da fibra) ibrido Bulldozer, Miscanthus giganteus Greef et Deuter (miscanto), Panicum virgatum L. (switchgrass) Peak Compound A. donax S. bicolor M. giganteus P. virgatum # C C C C C C C C 1 formaldehyde X X X X X X X X 2 methanol X X X X X X X X 3 acetaldehyde X X X X X X X X 4 glyoxal X X X X X X X X 5 acetone X 6 methyl glyoxal X 7 acetic acid X X X X X X X X 8 hydroxyacetone X X X X X X X X 9 acetoxy-acetaldehyde X X X X X X X X 10 butandial X X X X X X X X 11 2-furaldehyde X X X X X X X X 15 2-methylcyclopentanone X X X X X X X X 16 cyclopentanedione X X X X X X X X 17 1,3-dioxolane-2-methanol X X X X X X X X 22 2-(propan-2-one)-tetrahydrofuran X X X X X X X 23 tetrahydro-2h-pyran-2-methanol X 12 furfuryl alcohol X X X X X X X X 13 dihydro-4-hydroxy-2(3h)- furanone X X X X X X X X 14 2-(5H)-furanone X X X X X X X X 18 phenol X X X X X X X X 19 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)- pyranone X X X X X X X X 20 2-hydroxy-3-methyl-2- cyclopentene-1-one X X X X X X X X 21 2-methylphenol X X X X X X X X 24 4-methylphenol X X X X X X X X 25 2,5-dimethyl-4-hydroxy-3(2H)- furanone X X X X X X X X 26 guaiacol X X X X X X X X 27 3-ethyl-2-hydroxy-2-cyclopenten- 1-one X X X X X X X X 28 3-methyl-2,4(3H,5H)-furandione X X X X X X X X 29 4-ethylphenol X X X X X X X X 30 anhydro isosaccharino-d-lactone X X X X X X 31 4-methyl guaiacol X X X X X X X X 32 1,2-benzenediol X X X X X X X X 33 1,4:3,6-dianhydro glupyranose X X X X X X X 34 4-vinylphenol X X X X X X X X 35 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde X X X X X X X X 36 3-methoxy-1,2-benzenediol X X X X X X X X 37 4-ethyl guaiacol X X X X X X X X 78

79 Peak Compound A. donax S. bicolor M. giganteus P. virgatum # 600 C C C C C C C C 39 4-vinyl guaiacol X X X X X X X X 40 syringol X X X X X X X X 41 eugenol X X X X X X X X 42 vanillin X X X X X X X X 43 cis-isoeugenol X X X X X X X X 44 4-methylsyringol X X X X X X X X 45 trans-isoeugenol X X X X X X X X 46 2-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)- ethanal X X X X X X X X 47 methylguaiacylketone X X X X X X X X 48 4-ethylsyringol X X X X X X X X 49 1-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)- 2-propanone X X X X X X X X 50 4-vinylsyringol X X X X X X X X 51 cis-methoxyisoeugenol X X X X X X X X 52 trans-methoxyisoeugenol X X X X X X X X 53 syringaldehyde X X X X X X X 54 methoxyeugenol X X X X X X X X 55 4-hydroxy-3,5-methoxy acetophenone X X X X X X X 56 4-hydroxy-2 methoxycinnamaldehyde X X X X X X X 57 1-(4-hydroxy-3,5 dimethoxyphenyl)-2-propanone X X X X X X X Allo scopo di ottenere ulteriori informazioni dettagliate relative alla formazione di VOC in relazione alle modifiche strutturali della lignina durante le diverse condizioni di degradazione termochimica, i composti volatili fenolici sono stati analizzati in base al residuo aromatico presente nella molecola e originato dalle diverse componenti della lignina. La lignina si forma per deidrogenazione enzimatica degli alcoli p-cumarilico, coniferilico e sinapilico, composti fenilpropanoidici la cui porzione aromatica viene indicata con i prefissi p-idrossifenile (H), guaiacile (G) e siringile (S) (Figura ). La struttura delle varie forme di lignina provenienti dai diversi tessuti vegetali determina la formazione dei diversi composti volatili, appartenenti alla classe dei fenoli, durante i processi di degradazione termochimica. In particolare al variare della struttura della lignina varia il contenuto relativo nei diversi residui aromatici H, G e S nelle molecole volatili generate dalla pirolisi. Questo comporta che le quantità relative di VOC con sostituzioni di H, G e S possono essere utilizzate per caratterizzare la biomassa stessa e mettere in evidenza variazioni strutturali della lignina provocate da diversi fattori degradativi. I prodotti fenolici di pirolisi della lignina possono essere quindi distinti in derivati dell idrossiprenile (H), derivati del siringolo (S) e derivati del guaiacolo (G). E stata effettuata, quindi, un indagine semiquantitativa calcolando le aree dei picchi dei derivati fenolici di tipo H, S e G di ciascun cromatogramma e normalizzando al totale delle aree dei composti derivati dalla lignina. I composti volatili sono stati raggruppati in prodotti derivati da H, S e G. I risultati ottenuti hanno evidenziato differenze significative tra le diverse tipologie di biomasse analizzate in funzione delle diverse condizioni operative di pirolisi. A parità di condizioni operative di pirolisi (600 C), la biomassa di 79

80 Arundo si differenzia dalle altre biomasse analizzate per un maggiore rilascio dei composti volatili derivati del guaiacolo, rappresentando il 60% di tutti i composti originati dalla lignina. Figura Composizione del proflio dei composti organici volatili in relazione al residuo aromatico presente nella molecola e derivato dalle diverse componenti della lignina: idrossiprenile (hydroprenyl), siringile (syringyl) e giuaiacile (guaiacyl) durante la pirolisi delle biomasse derivate da Arundo donax L. (canna comune), Sorghum bicolor (L.) Moench (sorgo da fibra) ibrido Bulldozer, Miscanthus giganteus Greef et Deuter (miscanto), Panicum virgatum L. (switchgrass) in condizioni di pirolizzazione a 600 C e a 900 C. I dati sono espressi come percentuale sul totale dei composti derivati dalla lignina I composti volatili derivati del siringolo e idrossiprenile rappresentano rispettivamente il 12% e il 27% del totale dei VOC derivati dalla degradazione della lignina. Le biomasse di Sorghum, Miscanthus e Panicum si caratterizzano per un rilascio maggiore dei composti volatili derivati dell idrossiprenile, pari al 40-50% di tutti composti derivati dalla lignina. Le condizioni termiche di pirolisi hanno influenzato la formazione dei suddetti composti organici volatili derivati dalle diverse lignine e tale effetto è risultato variabile in funzione della tipologia di biomassa analizzata (Figura ). In particolare, all aumentare della temperatura di pirolisi, la biomassa derivata da Arundo si distingue per rilasciare una maggiore frazione dei composti volatili derivati del siringolo. Il contributo dei composti derivati dall idrossiprenile diminuisce, e parallelamente rimane inalterata la produzione di VOC derivati dal guaiacolo. Relativamente alla produzione di VOC dalla biomassa di Sorghum, similmente ad Arundo, aumenta il contributo della frazione di VOC derivati dal siringolo, 80

81 mentre la frazione di VOC derivati dal guaiacolo della lignina è inalterata all aumentare della temperatura di pirolisi da 600 C a 900 C. Sia per Miscanthus che Panicum, le condizioni di pirolisi a temperature elevate (900 C) favoriscono la produzione di composti volatili derivati dal siringolo e idrossiprenile, rappresentando complessivamente il 60-64% di tutti i VOC derivati dalla lignina. Ne consegue che tali biomasse si caratterizzano per un aumento del rapporto tra i VOC derivati dall idrossiprenile e i VOC derivati dal guaiacolo. Tale andamento può essere dovuto al diverso grado di dipendenza dei prodotto volatili dalla temperatura: i composti volatili derivati dall idrossiprenile sono generalmente formati a temperature molto elevate e si originano anche dai composti derivati del guaiacolo che in tali condizioni sono soggetti a scissione chimica dei gruppi metossile dell unità guaiacile. Combinando le precedenti analisi dei profili di VOC è quindi possibile riassumere l effetto complessivo della temperatura di pirolisi sulla formazione dei singoli composti volatili in relazione alla loro diversa origine degradativa dalle componenti lignocellulosiche (Figura , ). Per quanto riguarda la pirolisi di Arundo, una temperatura elevata (900 C) durante tale processo di degradazione termochimica determina una diminuzione dei composti volatili derivati dai carboidrati (es. acetaldehyde, hydroxyacetone, butandial,2-(5h)-furanone, cyclopentanedione, 2-hydroxy-3- methyl-2-cyclopentene-1-one; Figura a), mentre parallelamente induce un evidente aumento dei composti derivati dalla lignina (Figura b) sia dalla componente guaiacolo (4- vinylguaiacol; composto principale nel profilo di tale biomassa), sia in composti minori derivati dalla componente siringolo della lignina (4-vinylsyringol e methoxyeugenol). Nel caso della pirolisi della biomassa di Sorghum bicolor ibrido Bulldozer, l aumento della temperatura di pirolisi da 600 C a 900 C determina un aumento di composti sia derivati dai carboidrati, quali acetaldehdyde e hydroxyacetone (Figura a), sia di composti derivati dalla lignina (Figura b): phenol (marker della componente idrossiprenile della lignina), 2-methylphenol e 4 methylphenol (originati dalla componente guaiacolo della lignina). Parallelamente si rileva una diminuzione di componenti derivati dalla componente siringolo della lignina (syringol e 4-vinylsyringol). Quando la pirolisi della biomassa di Miscanthus è effettuata a temperature pari a 900 C, rispetto a condizioni di pirolisi a 600 C, si evidenzia una generale diminuzione dei composti volatili derivati dai carboidrati (quali ad esempio, acetaldehyde, acetoxy-acetaldehyde, butandial, 2-furaldehyde, furfuryl alcohol, 2-methylcyclopentanedione; Figura a), dei composti derivati dalla componente guaiacolo della lignina (guaiacol, 4-ethylguaiacol e transisoeugenol (Figura a, b), mentre si rileva un aumento significativo dei composti 4-vinylphenol, presente in quantità significativa e marker della componente idrossiprenile della lignina, e di componenti minori quali il 4-vinylsyringol derivato dalla degradazione della componente siringolo della lignina (Figura b). Le diverse condizioni di temperatura di pirolisi della biomassa di Panicum determina una marcata diminuzione di diversi composti volatili derivati dalla decomposizione della componente carboidratica della biomassa: acetoxy-acetaldehyde, 2-furaldehyde, furfuryl alcohol, cyclopentanedione, 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyranone (Figura a). 81

82 Figura Confronto tra la produzione di composti organici volatili durante la pirolisi delle biomasse derivate da Arundo donax L. (canna comune) in condizioni di pirolizzazione a 600 C e a 900 C a a b b 82

83 Figura Confronto tra la produzione di composti organici volatili durante la pirolisi delle biomasse derivate da Sorghum bicolor (L.) Moench (sorgo da fibra) ibrido Bulldozer, in condizioni di pirolizzazione a 600 C e a 900 C a a b b 83

84 Figura Confronto tra la produzione di composti organici volatili durante la pirolisi delle biomasse derivate da Miscanthus giganteus Greef et Deuter (miscanto), in condizioni di pirolizzazione a 600 C e a 900 C a a b b 84

85 Figura Confronto tra la produzione di composti organici volatili durante la pirolisi delle biomasse derivate da Panicum virgatum L. (switchgrass), in condizioni di pirolizzazione a 600 C e a 900 C a a b b Similmente a Miscanthus, anche nel caso di Panicum, condizioni di temperatura pari a 900 C durante il processo di pirolisi comporta un aumento del composto principale del profilo rilevato: 4-85

86 vinylphenol derivato dalla componente idrossiprenile della lignina e dei componenti minori derivati dalla componente siringolo della lignina: methoxyeugenol e 4-vinylsyringol (Figura b). Tale biomassa si distingue dalle rimanenti per una maggiore produzione anche di altri due composti derivati dalla componente siringolo della lignina: syringol e 4-methylsyringol (Figura b). In conclusione, il metodo della pirolisi accoppiato alla GC/MS ci ha fornito informazioni dettagliate e utili a caratterizzare le biomasse derivate da diverse colture energetiche e sottoposte a due diverse condizioni di degradazione termochimica. Sono emerse differenze nella formazione di composti volatili in funzione delle diverse caratteristiche chimiche della componente organica della biomassa e in funzione delle differenti condizioni di temperatura applicate durante la pirolisi. Ulteriori approfondimenti potranno essere relativi all influenza del contenuto minerale della biomassa (in particolare la frazione inorganica) sulla formazione di tali composti volatili durante il processo di pirolisi. Precedenti sperimentazioni hanno infatti rilevato come tale fattore possa influenzare significativamente la produzione di VOC in funzione delle diverse tipologie di biomasse. Attività 7 Valutazione del potenziale metanigeno di alcune specie tra quelle in prova nell ambito del WP Caratteristiche dei substrati In Tabella sono riportati i risultati delle principali caratteristiche qualitative dei tre substrati presi in considerazione. Il contenuto di ST e SV era simile per tutti i substrati, ad eccezione della paglia leggermente più secca dei campioni delle due colture. Gli zuccheri solubili erano presenti in quantità nettamente diverse: B 133 mostrava un quantitativo di circa 5 volte superiore rispetto all Arundo (123 vs. 23 mg g -1 ST) e di circa 20 volte superiore rispetto alla paglia (123 vs. 6 mg g -1 ST). Il contenuto di cellulosa risultava più elevato per Arundo e paglia (325 mg g -1 ST) che per B 133 (268 mg g -1 ST); anche l emicellulosa presentava lo stesso andamento: Arundo e paglia mostravano i valori più elevati (221 mg g -1 ST) seguiti dal B 133 (205 mg g -1 ST; tab. 7.1). L AIL variava fra i tre substrati: paglia (199 mg g -1 ST) ha mostrato una posizione statisticamente intermedia fra Arundo e B 133 (rispettivamente, 227 e 199 mg g -1 ST). Tabella Principali caratteristiche qualitative dei substrati testati Colture ST SV mg g -1 Zuccheri solubili Cellulosa Emicellulosa AIL mg g -1 ST Arundo 925 b 920 a 23 b 325 a 222 a 227 a B b 945 a 123 a 268 b 205 b 199 b Paglia 945 a 918 a 6 c 326 a 220 a 210 ab Lettere in comune indicano differenze non significative (SNK test; P 0,05). 86

87 7.2 Produzione di metano ed efficienza dei pre-trattamenti I pre-trattamenti alcalini testati hanno determinato un incremento variabile rispetto alla resa specifica di CH4 dei due substrati non trattati (in media +16%; Tabella ). Arundo mostrava una resa specifica di base (untreated) di 190 ml CH4 g -1 SV, in progressivo aumento all aumentare della concentrazione di NaOH fino ad un massimo di 246 ml CH4 g -1 SV alla concentrazione più elevata di NaOH (0,15 N; Tabella ). Si realizzava in tal modo un aumento del 30% della resa specifica rispetto alla biomassa non trattata. Il sorgo B 133 untreated mostrava rese di CH4 più elevate rispetto agli altri substrati (248 ml g -1 SV), cui si accompagnavano incrementi modesti in seguito ai pre-trattamenti: 1, 9 e 11% alle tre concentrazioni crescenti di NaOH, corrispondenti a produzioni di 250, 270, 275 ml CH4 g -1 SV (Tabella ). La paglia untreated mostrava una resa di CH4 superiore ad Arundo untreated (232 vs. 190 ml CH4 g -1 SV; Tabella ), pur possedendo caratteristiche qualitative simili. I pre-trattamenti alcalini applicati alla paglia consentivano di ottenere produzioni specifiche più elevate rispetto agli altri substrati: rispettivamente 268, 288 e 284 ml CH4 g -1 SV per le tre dosi crescenti di NaOH (Tabella ). In tal modo gli incrementi relativi ottenuti dalla paglia nei primi due livelli di NaOH (15 e 24%) appaiono molti simili a quelli osservati per Arundo, mentre al livello più alto la paglia ha mostrato una lieve flessione (incremento pari al 22%; Tabella ). Tabella Produzione di CH4 (ml g -1 SV) a dosi crescenti di pre-trattamento alcalino ed efficienza relativa del pre-trattamento rispetto all untreated (Diff. %) Pretrattamenti CH4 (ml g -1 SV) Arundo B 133 Paglia Diff. (%) CH4 (ml g -1 SV) Diff. (%) CH4 (ml g -1 SV) Untreated 190 d b c - 0,05 N 216 c b b 15 0,10 N 230 b a a 24 0,15 N 246 a a a 22 Lettere in comune indicano differenze non significative (SNK test; P 0,05) Diff. (%) In letteratura viene riportato che, fra tutti i reagenti alcalini utilizzati per i pre-trattamenti, NaOH è uno dei reagenti più efficaci nella rimozione della lignina e nel conseguente miglioramento della produzione di biogas. Infatti, come mostrato nella Figura a, all aumentare della concentrazione di NaOH corrispondeva una riduzione significativa di AIL, soprattutto in matrici prettamente ligno-cellulosiche come le tre saggiate. Alla concentrazione più elevata di NaOH corrispondeva una riduzione di AIL compresa tra 10 e 25%, rispettivamente per Arundo e paglia. Invece, correlando l incremento delle concentrazioni di NaOH con la produzione cumulata di CH4 (Figura b), è stato possibile notare la linearità dell effetto della soda in due matrici su tre (Arundo e B 133), mentre nella paglia si è raggiunto un plateau produttivo alla concentrazione più elevata di NaOH con conseguente indebolimento della relazione tra concentrazione di NaOH e produzione di CH4. (Figura b). Questo plateau, come anche la differenza statisticamente non significativa trovata nelle produzioni di CH4 in B 133 alle concentrazioni più elevate di soda, 87

88 dimostrano che il pre-trattamento alcalino ha verosimilmente permesso un alterazione delle struttura fibrosa, che consente ai microrganismi coinvolti nella digestione anaerobica di degradare più facilmente la sostanza organica trasformandola in metano. Figura Correlazione fra la riduzione della lignina (a) e la produzione di metano (b) all aumentare della concentrazione di NaOH 240 a 220 r = 0,92* AIL (mg g -1 TS) r = 0,86* Arundo B 133 Paglia r = 0,95* 350 b 300 r = 0,68 ns CH 4 (ml g -1 VS) 250 r = 0,86* r = 0,97* ,00 0,05 0,10 0,15 Concentrazione NaOH (N) In generale, in tutti i substrati testati il T80 dopo il pre-trattamento alcalino si è ridotto dall 8 al 47% rispetto ai substrati non trattati. In particolare, il pre-trattamento a dose più elevata di soda ha permesso di raggiungere l 80% della produzione di metano in 10, 12 e 14 giorni in meno rispetto al non trattato, rispettivamente per Arundo, B 133 e paglia (Tabella ). Comunque, Arundo 88

89 mostrava un T80 del non trattato e dei trattati superiore rispetto a B 133 e paglia (Tabella ), dovuto molto probabilmente alla maggiore recalcitranza di questo substrato. Inoltre, è stato osservato che la produzione di CH4 a T80 aumentava parimenti al diminuire del T80, ottenendosi in tal modo una maggiore produzione di metano in un lasso di tempo più breve (CH4 giornaliero; Tabella ). Tabella Technical digestion time (T80), produzione di CH4 a T80 (ml g -1 SV) e CH4 giornaliero nell arco del T80 dei substrati non trattati e trattati con dosi crescenti di NaOH di Arundo, B 133 e paglia Substrati Arundo B 133 Paglia NaOH T80 CH4 a T80 CH4 giornaliero N giorni ml g -1 SV ml g -1 SV d -1 untr ,8 0, ,9 0, ,4 0, ,1 untr ,8 0, ,1 0, ,6 0, ,0 untr ,0 0, ,8 0, ,2 0, ,8 7.3 Conclusioni I pre-trattamenti testati in questo esperimento hanno dimostrato la capacità di migliorare la produzione specifica di CH4 in tutti i substrati ligno-cellulosici presi in considerazione. La rimozione della lignina è stata maggiore in substrati più recalcitrati (Arundo e paglia), al cui interno si è tradotta in significativi incrementi di produzione specifica di CH4. Risulta interessante notare che con un modesto impiego di energia sussidiaria (mantenimento dei 25 C per le 24 h di pretrattamento) si ottenga un incremento fino al 30% della produzione di CH4, rispetto ai canoni standard di pre-trattamento con temperature superiori ai 50 C riportati in letteratura. Tale metodologia appare inoltre facilmente trasferibile su scala industriale, ad esempio sfruttando il calore prodotto dalla cogenerazione di un impianto di biogas. Per di più, la riduzione del tempo necessario ad arrivare all 80% della produzione massima di metano, abbinato ad un aumento della produzione di metano stesso, si potrebbe tradurre in una diminuzione del tempo di ritenzione idraulica, riducendo i costi di produzione di metano da substrati agricoli e/o incrementando la capacità di digestione di un impianto reale di digestione anaerobica. In definitiva, quindi, l utilizzo di colture ligno-cellulosiche ad elevata rusticità potenzialmente adatte a terreni marginali, unita 89

90 all impiego di pre-trattamenti a modesta intensità, rappresentano importanti tasselli in una strategia volta a mitigare la competizione fra produzioni food e non-food, favorendo uno sviluppo sostenibile del settore bio-energetico. Attività 8 Valutazione della produzione di bioetanolo di seconda generazione di alcune specie tra quelle in prova nell ambito del WP Produzione di etanolo e comportamento dei lieviti. In termini di etanolo prodotto (Tabella ) i due lieviti hanno mostrato variazioni tra loro non significative (6.5 e 5.4 g L -1 di EtOH rispettivamente per Kluyveromyces e Saccharomyces), al pari dell interazione fra lievito e coltura. Viceversa, differenze significative sono state osservate per le quattro colture: Switchgrass è risultato il più produttivo seguito da Bulldozer (-30%) e quindi da B133. Arundo infine ha mostrato di gran lunga il dato peggiore (-65% rispetto a Switchgrass), evidenziando caratteristiche della biomassa poco favorevoli rispetto al processo adottato. I due substrati utilizzati per ampliare il range di variabilità, FORSU e Paglia, si sono dimostrati rispettivamente il più produttivo (12.2 g L -1 ), ed il meno produttivo (2.5 g L -1 ), anche se non sono state osservate differenze significative fra FORSU e Switchgrass, e tra Paglia e Arundo. Tabella Produzione di etanolo da diverse biomasse, utilizzando diversi lieviti Fattore EtOH (g L -1 ) Lievito S. cerevisiae 6.5 K. marxianus 5.4 Sign. Stat. n.s Coltura Arundo 3.7 c Switchgrass 10.6 a B b Bulldozer 7.3 b Paglia 2.5 c FORSU 12.2 a Sign. Stat. ** Coltura Lievito Sign. Stat. n.s. Lettere diverse indicano differenze significative (LSD test, P 0,05). 8.2 Produzione di etanolo e caratteristiche delle fibre. Per quanto concerne la composizione della biomassa delle quattro colture (Tabella ), i due sorghi da biomassa hanno mostrato un contenuto in cellulosa ed emicellulosa inferiore alle colture poliennali. Nei due sorghi, infatti, la cellulosa è significativamente inferiore allo Switchgrass che a sua volta segue l Arundo. L emicellulosa è presente in percentuali significativamente maggiori nello Switchgrass, rispetto alle altre tre colture fra cui non sono state osservate differenze 90

91 significative. La mancanza di correlazione positiva fra contenuto di cellulosa ed emicellulosa nella biomassa e la produzione di etanolo (dati non mostrati) conferma che la conformazione strutturale e la disposizione spaziale delle tre componenti (cellulosa, emicellulosa e ADL) sono coinvolte nella conversione della biomassa ligno-cellulosica ad etanolo, come altri studi hanno mostrato e come lo studio sulla efficenza di conversione della cellulosa descritto in seguito sembra assecondare. Tabella Principali caratteristiche qualitative dei substrati testati e relativa produzione di etanolo Coltura Emicellulosa (%) Cellulosa (%) ADL (%) EtOH (g L -1 ) Arundo 27,0 b 38,2 a 9,9 a 3,8 c Switchgrass 31,6 a 33,6 b 8,6 b 10,7 a B133 25,6 b 25,7 c 6,4 c 5,8 bc Bulldozer 25,5 b 28,0 c 5,9 c 7,3 b Lettere diverse indicano differenze significative (LSD test, P 0,05). 8.3 Produzione di etanolo e caratteristiche dei carboidrati. I due substrati che derivano dal settore agricolo, Paglia e B 133, hanno mostrano valori simili in termini di carboidrati strutturali e lignina, mentre si sono statisticamente differenziati nel contenuto di glucosio solubile (Tabella ). Viceversa, FORSU è risultato sostanzialmente diverso sia da B133 che da Paglia per quanto riguarda i carboidrati strutturali, mostrando un più alto contenuto di cellulosa ed una minore presenza di emicellulosa e lignina. La diversa composizione della biomassa osservata nelle tre matrici vegetali ha influenzato i valori di efficienza di conversione della cellulosa. In particolare Paglia, con il più basso valore in CCE, si è dimostrata poco idonea come fonte di produzione di bioetanolo di seconda generazione. A confronto con essa, B 133 e FORSU hanno mostrato valori di CCE rispettivamente superiori del 100% e del 170%. Alla luce dei risultati ottenuti, è possibile spiegare che il contenuto totale della cellulosa non basta da solo ad indicare l idoneità di una matrice vegetale per la produzione di bioetanolo di seconda generazione. Infatti, l etanolo prodotto non sembra correlato alla cellulosa, come dimostrano le diverse produzioni ottenute da Paglia e B 133 che hanno valori simili in contenuto di cellulosa. 91

92 Tabella Analisi della composizione della biomassa (mg g -1 TS) ed efficienza di conversione della cellulosa (CCE) Substrate Soluble glucose Cellulose Hemicellulose AIL CCE (%) B a 328 b 203 a 180 a 67 b Forsu 37 a 549 a 108 b 43 b 84 a Paglia 0 b 326 b 206 a 194 a 32 c Lettere diverse indicano differenze significative (LSD test, P 0,05). Parimenti, si rileva che il contenuto di glucosio solubile è troppo basso per influenzare la produzione di etanolo: infatti il glucosio solubile osservato in FORSU ( 37 mg g -1 TS) corrisponde a solo 0.9 g L -1 della produzione teorica di etanolo, pari a meno del 10% della produzione osservata. Tuttavia non è da escludersi che gli zuccheri solubili abbiano un ruolo positivo all interno del processo, permettendo ai substrati più recalcitranti (ovvero cellulosa) di essere degradati. L aumento della quantità di glucosio solubile ed in parallelo di etanolo fra Paglia e FORSU supporta questa ipotesi. In generale, dal confronto dei valori di CCE e EtOH fra Paglia e B133, si può evincere che l idoneità di ogni biomassa ad essere destinata alla produzione di bioetanolo di seconda generazione non dipende solo dal contenuto di glucosio solubile e di cellulosa, ma anche da altre caratteristiche fisiche e chimiche della biomassa stessa. Infatti, come già osservato da altri autori, l estensione dei legami della lignina con la cellulosa influenza l idrolisi di quest ultima a glucosio, molto più del contenuto totale di lignina. Questo, associato al diverso contenuto di glucosio solubile, può spiegare i diversi valori di EtOH e CCE osservati in B 133 e paglia, sebbene il loro contenuto di cellulosa e lignina non sia statisticamente differente. 8.4 Conclusioni L azione dei lieviti non è risultata significativa rispetto alla produzione di etanolo. Questo significa che la configurazione SSF può essere utilizzata anche con lieviti il cui ottimo di temperatura è lontano da quello degli enzimi, permettendo in tal modo un minore impiego di input energetici sotto forma di calore necessario, ed un aumento dell efficienza energetica dell intero processo. Fra le colture dedicate ed oggetto di prove agronomiche, la biomassa prodotta da Switchgrass è apparsa la più idonea alla produzione di bioetanolo di seconda generazione, mentre Arundo ha mostrato un elevata refrattarietà. Bulldozer, infine, si è caratterizzato per una biomassa tale da consentire una discreta produzione specifica di etanolo. Per quanto concerne i risultati del parametro di efficienza di conversione della cellulosa, FORSU è risultato il substrato meno recalcitrante, seguito dal sorgo B133 e, infine, dalla Paglia d orzo. I valori osservati del parametro in questione suggeriscono che la disposizione spaziale e le componenti strutturali (ovvero cellulosa, emicellulosa e lignina), e forse anche il contenuto di glucosio solubile, sono gli elementi chiave per valutare l idoneità di una matrice ad essere utilizzata come fonte per la produzione di bioetanolo di seconda generazione. Allo scopo di aumentare l efficienza del processo e diminuire la refrattarietà della biomassa, i pretrattamenti con vari agenti fisico-chimici sono considerati un promettente strumento, grazie all aumento del contenuto di glucosio solubile e alla riduzione della lignina. 92

93 Attività in WP4 Attività 9 Analisi di impatto ambientale (LCA) (Responsabile scientifico Dr. Andrea Monti). L attività è già stata completata nella precedente annata. Non vi sono pertanto nuovi risultati Divulgazione dei risultati Nel corso del 2013, parte dei risultati ottenuti dall U.O. nell ambito del Progetto sono stati divulgati attraverso comunicazioni a congressi nazionali/internazionali e articoli scientifici. Copie dei lavori in elenco sono allegate alla presente relazione. 1. Barbanti, L., Capecchi, L., Vecchi, A., Di Girolamo, G., Effetti dell epoca di semina e dell inserimento di un intercalare sul comportamento bio-agronomico del sorgo da biomassa. Atti del XLII Convegno Nazionale della Società Italiana di Agronomia. Reggio Calabria, Settembre, Barbanti, L., Grigatti, M., Di Girolamo, G., Bertin, L., Ciavatta, C., Methane potential and energy balance of annaul and multi-annual biomass crops. EnergyThink, Bologna, 27 Novembre ( 3. Capecchi L., Di Girolamo G., Vecchi A., Barbanti L., Efficienza di utilizzo dell azoto in impianti maturi di specie erbacee perenni da biomassa nel nord Italia. Italian Journal of Agronomy 8 suppl. 1, Capecchi L., Nissen L., Grigatti M., Mattarelli P., Barbanti L., Second generation bioethanol from municipal organic waste, barley straw and fiber sorghum. Atti di Ecomondo 17^ Fiera Internazionale del Recupero di Materia ed Energia e dello Sviluppo Sostenibile. Rimini, 6-9 Novembre, Capecchi L., Nissen L., Mattarelli P., Grigatti M., Barbanti L., Produzione di bioetanolo di seconda generazione da colture da biomassa annuali e poliennali. Atti del XLII Convegno Nazionale della Società Italiana di Agronomia. Reggio Calabria, Settembre, Di Girolamo, G., Grigatti, M., Barbanti, L., Angelidaki, I., Effects of hydrothermal pretreatments on Giant reed (Arundo donax) methane yield. Bioresource Technology 174, Di Girolamo, G., Grigatti, M., Barbanti, L., Capecchi, L., Bertin, L., Ciavatta, C., Improvement of the methane production of biomass crops and agricultural residues by alkaline pre-treatments. EnergyThink, Bologna, 27 Novembre ( 8. Di Girolamo, G., Grigatti, M., Barbanti, L., Vecchi, A., Ciavatta, C., Produzione di biomassa e resa in metano di colture dedicate annuali e poliennali. Atti del XLII Convegno Nazionale della Società Italiana di Agronomia. Reggio Calabria, Settembre, Di Girolamo, G., Grigatti, M., Bertin, L., Ciavatta, C., Barbanti, L., Colture dedicate per la digestione anaerobica. Atti di Ecomondo 17^ Fiera Internazionale del Recupero di Materia ed Energia e dello Sviluppo Sostenibile. Rimini, 6-9 Novembre, Di Girolamo, G., Grigatti, M., Bertin, L., Ciavatta, C., Barbanti, L., Colture dedicate da biomassa e residui colturali per la produzione di CH4: effetto di trattamenti alcalini a moderata intensità. Atti di Ecomondo 17^ Fiera Internazionale del Recupero di Materia ed Energia e dello Sviluppo Sostenibile. Rimini, 6-9 Novembre,

94 2.5 U.O. V CRA-CIN Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura - Centro di ricerca per le colture Industriali Verifica degli effetti dell utilizzo di reflui zootecnici nella fertilizzazione di colture bioenergetiche dedicate; Studio delle caratteristiche eco fisiologiche di Arundo donax L; Analisi ed individuazione della variabilità genetica e fenotipica del genere Arundo; Valutazione di germoplasma di Arundo in Pianura Padana Responsabile scientifico: Dr. Enrico Ceotto 94

95 2.5 U.O. V CRA-CIN Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura - Centro di ricerca per le colture Industriali Titolo della ricerca: 1) Verifica degli effetti dell utilizzo di reflui zootecnici nella fertilizzazione di colture bioenergetiche dedicate; 2) Studio delle caratteristiche eco fisiologiche di Arundo donax L; 3) Analisi ed individuazione della variabilità genetica e fenotipica del genere Arundo; 4) Valutazione di germoplasma di Arundo in Pianura Padana. Responsabile scientifico: Dr. Enrico Ceotto Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno 2013 Nel 2013 è proseguito lo studio degli effetti delle applicazioni ripetute di liquami bovini, e di concimi di sintesi, sulla produttività e sulle asportazioni di azoto di Arundo e pioppo. Dopo cinque anni di applicazioni ripetute di liquami sulle stesse parcelle, dal 2008 al 2012, nel 2013 sono stati valutati gli effetti residui di fertilità delle applicazioni di liquami bovini su Arundo e pioppo. Per quanto riguarda l Arundo, nel periodo dal 2008 al 2012 l applicazione di fertilizzanti ha sempre incrementato in modo significativo le produzioni rispetto al testimone non trattato (Testimone). Inoltre, la dose più elevata di liquami bovini (LB20) ha sempre permesso di conseguire un vantaggio produttivo sia rispetto alla dose inferiore di liquame (LB20), sia rispetto al trattamento con concimi minerali (Conc.min.). I risultati del 2013 mostrano un incremento di produzione rispetto al Testimone per LB10 e LB20 (Figura ). Le produzioni del trattamento Conc.min. sono statisticamente diverse rispetto al Testimone, mentre quelle dei trattamenti con liquame non sono diversi né dal Testimone, né dalla concimazione minerale. Nel 2013 i trattamenti LB10 e LB20 hanno fornito produzioni superiori, anche se in modo non significativo, rispetto al Testimone. Le produzioni del trattamento Conc.min. sono statisticamente diverse rispetto al Testimone, mentre quelle dei trattamenti con liquame non sono diversi né dal Testimone, né dalla concimazione minerale. Di particolare interesse è la produzione del Testimone, che dopo sei anni fornisce ancora prestazioni di tutto rispetto, circostanza che indica una elevata efficienza della coltura nell assorbire azoto dal terreno. Nel caso del pioppo, nel 2013 la produzione del biomassa è stata particolarmente elevata per il testimone, a dispetto del fatto la coltura è stata impiantata nel 2002, e quindi è ormai al termine del ciclo produttivo. Per contro, il vantaggio produttivo dei trattamenti LB10 e LB20 rispetto al testimone è molto attenuato nella terza raccolta rispetto a quanto osservato nella prima e nella seconda raccolta. 95

96 Di particolare interesse sono i dati ottenuti dalle analisi del contenuto di nitrati nel suolo, analizzati nel corso del 2013 su campioni raccolti nel dicembre Questi dati esperimono la quantità di nitrati, presenti nel profilo del suolo da 0 ad 80 cm, all inizio dell inverno e quindi potenzialmente lisciviabili, sulle prove Arundo liquami, sulle prove gemelle pioppo liquami e sorgo liquami, e su una coltura di frumento (che segue frumento), che viene presa come riferimento. Per il terzo anno consecutivo, l Arundo ha dimostrato di possedere una particolare abilità nel contenimento dei nitrati presenti nel profilo del suolo. Per contro, il pioppo ed il sorgo da biomassa, mostrano una buona capacità di controllo dei nitrati con il trattamento testimone non fertilizzato, ma mostrano un sensibile aumento di nitrati nel suolo con i trattamenti fertilizzanti. Emblematico al riguardo è il caso del pioppo, che passa da 18 kg di azoto nitrico con il Testimone ai 53 con LB10 ai 171 con il trattamento LB20. Più contenuti, ma comunque evidenti gli incrementi di nitrati determinati dai trattamenti fertilizzanti sul sorgo. L Arundo può essere quindi considerata come un eccellente spazzino di nitrati, caratteristica che potrebbe essere convenientemente sfruttata in aree vulnerabili. Un nostro articolo, pubblicato nel 2013, ha messo in luce le ragioni per le quali l Arundo possiede un tasso giornaliero di crescita elevatissimo, 522 kg s.s. ha -1 giorno -1, ed una elevatissima efficienza dell uso della radiazione (RUE), 5.74 g s.s. MJ -1 di radiazione PAR intercettata. Infatti, l Arundo ha un coefficiente di estinzione della luce (k) di circa 0.3. Con k=0.3 si ottiene un miglior irraggiamento delle foglie che si trovano al di sotto di un valore di LAI elevato. Le conseguenze di un k=0.3 sono due: 1) la coltura riesce a mantenere un LAI elevato poiché anche le foglie poste più in basso ricevono adeguato irraggiamento; 2) un elevato numero di foglie, tutte ben irradiate, fornisce complessivamente un risultato molto efficiente in termini di efficienza dell uso della radiazione solare. Nel 2013 è proseguita la valutazione della produttività di 22 cloni di Arundo del campo catalogo realizzato ad Anzola dell Emilia nel Le produzioni di sostanza secca hanno variato da un minino di 62.3 Mg ha -1 per il clone Capo D Orlando ad un massimo di 99.6 Mg ha -1 per il clone Asti (Figura ). In realtà, soltanto i tre cloni meno produttivi sono significativamente diversi dal clone di Asti. In buona sostanza il nostro studio conferma la limitata variabilità genetica tra cloni di Arundo raccolti in diverse regioni d Italia. Le prove di confronto tra ibridi di sorgo sono proseguite nel Le produzioni di sostanza secca sono variate da Mg ha -1 di TRUDAN HL a di BULLDOZER. L analisi statistica ha indicato che il gruppo di ibridi BULLDOZER, B133, JUMBO, GOLIATH e B150 è statisticamente omogeneo e superiore soltanto al gruppo dei tre ibridi meno produttivi: P.S.E , P811 e TRUDAN HL. E importante sottolineare che gli ibridi BULLDOZER, B133, JUMBO e B150 hanno superato la soglia di 30 Mg ha -1 anche nel precedente anno Trattasi, con tutta evidenza di prestazioni straordinarie per una coltura condotta senza irrigazione e con modesti apporti di azoto. 96

97 Tabella Task e sub-task nei quali l U.O. è coinvolta e relativo stato di avanzamento Relazione sull attività svolta Effetti dell applicazione di liquami bovini su Arundo e pioppo Descrizione dettagliata dell attività svolta Nel 2013 è proseguito lo studio degli effetti delle applicazioni ripetute di liquami bovini, e di concimi di sintesi, sulla produttività e sulle asportazioni di azoto di Arundo e pioppo. Nel 2013, dopo cinque anni di applicazioni ripetute di liquami sulle stesse parcelle, dal 2008 al 2012, nel 2013 sono stati valutati gli effetti residui di fertilità delle applicazioni di liquami bovini su Arundo e pioppo. Rispetto ad un testimone non fertilizzato (Testimone), è stato applicato il trattamento di concimazione minerale (Conc. min.), ma non sono stati applicate le due dosi di liquame bovino, rispettivamente 10 e 20 mm (LS10 e LS20). L obiettivo è verificare, nel corso di un biennio, se ed in quale misura applicazioni ripetute di liquami producano effetti sulla produttività e sul contenuto di azoto di Arundo e pioppo. Nel corso del 2013 sono state effettuate le analisi del contenuto di nitrati di campioni di terreno raccolti nel dicembre 2013 sulle prove Arundo liquami, pioppo liquami e sorgo liquami, e su una coltura aziendale di frumento. Le analisi hanno riguardato gli strati di terreno 0-20 cm, cm, cm, cm. Dette analisi completano un triennio di indagini che hanno messo in luce una sorprendente capacità dell Arundo di assorbire i nitrati potenzialmente lisciviabili presenti nel profilo del suolo. Durante il 2013 sono stati analizzati con lo strumento LECO Truspec, per la determinazione dei contenuti di C, H, ed N, i campioni di biomassa raccolti negli anni 2009, 2010, 2011 e 2012 (quattro anni) sulle prove Arundo e pioppo liquami. Sulla base delle concentrazioni di azoto delle biomasse, sono state calcolate, per la coltura di Arundo, le relazioni tra azoto applicato ed azoto assorbito (efficienza dell uso dell azoto) e tra azoto applicato ed azoto assorbito dalla coltura (recupero apparente o recovery). 97

98 Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli Non vi sono discordanze né sono state incontrate difficoltà. Eventuali miglioramenti od approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale La valutazione delle diverse relazioni esistenti tra azoto applicato, azoto assorbito dalla colture e produzione di biomassa, costituisce un approfondimento rispetto al progetto iniziale. Alla fine del progetto saranno disponibili i risultati di 5 anni di applicazioni ripetute di liquami bovini su colture perenni e biomassa, integrati da un biennio di valutazione degli effetti residui di fertilità. Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale Regolare stato di avanzamento Prossimi step, con particolare attenzione alle eventuali attività previste per l anno 2014 Nel corso del 2014 è previsto il completamento di un lavoro scientifico, già in fase di stesura, sugli effetti delle applicazioni di liquami bovini su Arundo. Detto lavoro verrà sottoposto a rivista internazionale. Si prevede inoltre la divulgazione, ad uno o più convegni scientifici, di un triennio ( ) dei risultati sulla capacità di contenimento dei nitrati nel suolo da parte di colture da biomassa ad uso energetico. La efficienza dimostrata dall Arundo, a confronto di altre specie, riveste infatti particolare importanza sia sotto il profilo scientifico, sia per le possibili ricadute applicative. Relativamente alle attività sperimentali di campo, nel 2014 è previsto il completamento della valutazione degli effetti residui di applicazioni di liquami su Arundo Studio delle caratteristiche ecofisiologiche di Arundo Descrizione dettagliata dell attività svolta Nel giugno 2013 è stato ultimato e pubblicato il lavoro Comparing radiation interception and use efficiency for the energy crops giant reed (Arundo donax L.) and sweet sorghum (Sorghum bicolor L. Moench). Detto lavoro ha messo a confronto, per la due specie: i tassi di crescita giornalieri e la loro estensione nel tempo; la capacità della canopy di intercettare la radiazione solare foto sinteticamente attiva; il coefficiente di estinzione della luce, quindi la distribuzione della luce all interno della canopy; l efficienza con la quale le due specie convertono la radiazione solare intercettata in biomassa utile. Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli 98

99 Nessuna discordanza. Eventuali miglioramenti od approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale La pubblicazione del lavoro su prestigiosa rivista internazionale rappresenta un miglioramento rispetto al progetto iniziale, poiché in fase di impostazione non era possibile prevedere i risultati che sarebbero scaturiti dallo studio. Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale Regolare stato di avanzamento. Prossimi step, con particolare attenzione alle eventuali attività previste per l anno 2014 Le attività relative a questa tematica si ritengono concluse Analisi ed individuazione della variabilità genetica e fenotipica del genere Arundo Descrizione dettagliata dell attività svolta E proseguita la valutazione comparativa dei caratteri biometrici e produttivi dei 22 cloni di Arundo coltivati nel campo catalogo realizzato nel 2008 presso l Azienda sperimentale di Anzola dell Emilia. Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli Nessuna discordanza né difficoltà riscontrate Eventuali miglioramenti od approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale Nessun approfondimento Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale Normale stato di avanzamento del programma iniziale Prossimi step, con particolare attenzione alle attività previste per l anno 2014 Le attività relative a questa tematica si ritengono concluse. 99

100 Produttività del sorgo da fibra Descrizione dettagliata dell attività svolta Nel 2013 è stata svolta una prova di confronto di 12 varietà di sorgo da biomassa. La prova è stata seminata il 14 maggio Si è trattato di una seconda semina poiché la prima semina, effettuata nella seconda metà di aprile, ha avuto un esito insoddisfacente a causa delle avverse condizioni meteorologiche, che hanno ostacolato l emergenza della coltura. La prova è stata fertilizzata con 70 kg N ha -1, applicati in copertura il 31 maggio La raccolta è stata effettutata nei giorni dal 14 al 17 ottobre A differenza degli anni precedenti, nei quali la raccolta veniva effettuata in corrispondenza della fioritura di ciascun ibrido, nel 2013 si è voluto offrire pari condizioni agli ibridi precoci ed a quelli tardivi. Infatti, un nostro lavoro pubblicato nel corso del 2013, ha indicato che il sorgo da biomassa ha un tasso di crescita elevato e costante durante tutta la stagione vegetativa, che si prolunga fino ai primi di ottobre. Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli Nessuna discordanza rispetto a quanto previsto. La difficoltà è consistita nel dover riseminare la prova, poiché le piogge battenti del mese di aprile hanno determinato una emergenza poco soddisfacente della coltura. E esperienza comune che il tallone di Achille del sorgo, è rappresentato dal periodo compreso tra semina ed emergenza, durante il quale piogge battenti, ovvero l assenza di precipitazioni, possono determinare il fallimento della semina. Eventuali miglioramenti od approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale Un lavoro pubblicato da questa U.O. nel corso del 2013 ha permesso di approfondire la ecofisiologia del sorgo da biomassa negli ambienti della pianura Padana. Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale Regolare stato di avanzamento Prossimi step, con particolare attenzione alle eventuali attività previste per l anno 2014 Poiché le potenzialità produttive del sorgo da biomassa sono state ampiamente valutate negli anni precedenti, non si prevede un ulteriore prolungamento delle attività sul sorgo per l anno Le attività relative a questa tematica si ritengono quindi concluse Risultati conseguiti Effetti dell applicazione di liquami bovini su Arundo e pioppo Premessa: poiché lo studio degli effetti delle fertilizzazioni con liquame bovino su Arundo consiste in una prova poliennale ripetuta sulle stesse parcelle sperimentali, per una migliore comprensione dei risultati ottenuti nel corso del 2013, è necessario fare un breve excursus dei risultati ottenuti nei 100

101 Testimone Conc.min. LB10 LB20 Testimone Conc.min. LB10 LB20 Testimone Conc.min. LB10 LB20 Testimone Conc.min. LB10 LB20 Testimone Conc.min. LB10 LB20 Produzione s.s. (Mg ha -1 ) precedenti 5 anni di ripetuta applicazione di liquami, a confronto con una dose di concimi minerali ed un testimone non fertilizzato. Nel periodo dal 2008 al 2012 l applicazione di fertilizzanti ha sempre incrementato in modo significativo le produzioni rispetto al testimone non trattato (figura ). Inoltre, la dose più elevata di liquami bovini (LB20) ha sempre permesso di conseguire un vantaggio produttivo sia rispetto alla dose inferiore di liquame (LB20), sia rispetto al trattamento con concimi minerali (Conc.min.). Figura Arundo: effetti della applicazione di liquami bovini e di concimi minerali, a confronto con un testimone non fertilizzato, negli anni dal 2008 al b ab a a b a a a c b b a c b b b b a a a Nel 2012 il livello delle produzioni è stato inferiore rispetto agli anni precedenti, a causa di una forte deficit delle precipitazioni occorso nel periodo compreso tra settembre 2011 e agosto 2012, che è stato del 45% inferiore rispetto al valore medio di 734 mm, riferito al periodo Tutto ciò premesso, e ritenuto che cinque anni consecutivi rappresentino un periodo adeguato alla valutazione degli effetti dei liquami, si è deciso per il biennio successivo (2013 e 2014) di proseguire lo studio valutando l effetto residuo di fertilità dei trattamenti con liquami, conservando ancora la fertilizzazione minerale e, ovviamente il testimone non fertilizzato. Ebbene, i risultati del 2013 i trattamenti LB10 e LB20 hanno fornito produzioni superiori, anche se in modo non significativo, rispetto al Testimone (Figura ). Le produzioni del trattamento Conc.min. sono statisticamente diverse rispetto al Testimone, mentre quelle dei trattamenti con liquame non sono diversi né dal Testimone, né dalla concimazione minerale. Di particolare 101

102 Produzione s.s. (Mg ha -1 ) interesse è la produzione del Testimone, che dopo sei anni fornisce ancora prestazioni di tutto rispetto, circostanza che indica una elevata efficienza della coltura nell assorbire azoto dal terreno. Figura Arundo: valutazione dell effetto di fertilità residua dei trattamenti liquame bovino10 mm (LB10) e liquame bovino 20 mm (LB20) a confronto con concimazione minerale (Conc.min.) ed un testimone non fertilizzato (Testimone). Effetti sulle produzioni di sostanza secca nel a ab 40 b ab Testimone Conc.min. LB10 LB20 Gli effetti osservati sulle produzioni di Arundo del 2013 trovano puntuale riscontro anche nelle concentrazioni di azoto della biomassa. Infatti, concentrazione di azoto è più elevata nel trattamento Conc.min., intermedia per i trattamenti LB10 ed LB20, ed inferiore per il Testimone (Figura ). 102

103 Azoto % s.s. Figura Arundo, anno 2013: valutazione dell effetto di fertilità residua dei trattamenti liquame bovino 10 mm (LB10) e liquame bovino 20 mm (LB20). Effetti sulle concentrazioni di azoto nella biomassa Testimone Conc.min. LB10 LB20 Le analisi del contenuto di N dei campioni di biomassa della prova Arundo liquami, effettuate per le annate dal 2009 al 2012, hanno permesso di valutare le relazioni esistenti tra azoto applicato e produzione di biomassa, e tra azoto applicato ed azoto assorbito dalla coltura. Per quanto concerne la relazione tra azoto applicato e produzione di biomassa, è stata stimata una efficienza dell uso dell azoto pari a 69.5 kg di sostanza secca prodotta per ogni kg di azoto applicato (Figura ). Questa stima si riferisce alle annate dal 2009 al 2011, nelle quali la coltura ha usufruito di una buona disponibilità idrica. Nel 2012, invece, annata nella quale la produttività è stata verosimilmente limitata dall acqua, l efficienza dell uso dell azoto è stata di 31 kg di sostanza secca per kg di azoto applicato (Figura ). 103

104 Prodzione s.s. (kg ha -1 ) Figura Relazione tra azoto applicato e produzione in Arundo. Delle rette di regressione rappresenta l efficienza dell uso dell azoto (NUE), che corrisponde ai kg di sostanza secca prodotta dalla coltura per ogni kg di azoto applicato come fertilizzante. Il valore della NUE è diverso tra le annate normali (dal 2009 al 2011) ed il 2012 che è stata un annata molto siccitosa y = 69.53x R² = annate normali dal 2009 al y = 31.13x R² = annata arida 2012 Testimone Conc.min. LB10 LB N applicato (kg ha -1 ) Il rapporto tra azoto assorbito dalla coltura di Arundo ed azoto applicato come fertilizzanti è del 25%, valore che si riferisce complessivamente a tutte le annate ed a tutti i trattamenti (Figura ). Di particolare interesse è il fatto che il testimone non fertilizzato asporta mediamente kg N ogni anno, e che questo valore tende a rimanere costante negli anni, malgrado la ripetuta assenza di apporti di azoto (Figura ). Tuttavia, è opportuno considerare che, in una pianta perenne come l Arundo, l azoto presente nella biomassa raccolta non è necessariamente espressione dell assorbimento effettuato dalla coltura nel corso della stessa annata, poiché può derivare, almeno in parte, dalla traslocazione delle riserve di azoto contenute nei rizomi, che verosimilmente agiscono come una serbatoio di accumulo al quale la coltura attinge in caso di necessità. 104

105 N assorbito (kg ha -1 ) Figura Relazione tra azoto applicato ed azoto assorbito dalla coltura di Arundo. La pendenza della retta di regressione rappresenta la frazione di azoto assorbito per ogni kg di azoto applicato y = 0.247x R² = Testimone Conc.min. LB10 LB N applicato (kg ha -1 ) Nel 2013 è stata effettuata la terza raccolta della prova pioppo liquami, che ha ricevuto trattamenti identici alla Arundo liquami. Nel caso del pioppo, tuttavia, la raccolta della biomassa è ad intervallo biennale, quindi la terza raccolta completa un ciclo di 6 anni. Nel 2013 la produzione del biomassa è stata particolarmente elevata per il testimone, a dispetto del fatto che il pioppo è stato impiantato nel 2002, ed è quindi oramai prossimo al termine del ciclo produttivo. Per contro, il vantaggio produttivo dei trattamenti LB10 e LB20 rispetto al testimone è molto attenuato nella terza raccolta rispetto a quanto osservato nella prima e nella seconda raccolta (Figura ). 105

106 Produzioni di s.s. (Mg ha -1 ) Figura Pioppo: effetti della applicazione di liquami bovini e di concimi minerali, a confronto con un testimone non fertilizzato, negli anni dal 2008 al Control IF LB10 LB20 Pioppo liquami Di particolare interesse sono i dati ottenuti dalle analisi del contenuto di nitrati nel suolo, analizzati nel corso del 2013 su campioni raccolti nel dicembre Questi dati esperimono la quantità di nitrati, presenti nel profilo del suolo da 0 ad 80 cm, all inizio dell inverno e quindi potenzialmente lisciviabili, sulle prove Arundo liquami, sulle prove gemelle pioppo liquami e sorgo liquami, e su una coltura di frumento (che segue frumento), che viene presa come riferimento. Per il terzo anno consecutivo, l Arundo ha dimostrato di possedere una particolare abilità nel contenimento dei nitrati presenti nel profilo del suolo (Figura ). Per contro, il pioppo ed il sorgo da biomassa, mostrano una buona capacità di controllo dei nitrati con il trattamento testimone non fertilizzato, ma mostrano un sensibile aumento di nitrati nel suolo con i trattamenti fertilizzanti. Emblematico al riguardo è il caso del pioppo, che passa da 18 kg di azoto nitrico con il Testimone ai 53 con LB10 ai 171 con il trattamento LB20. Più contenuti, ma comunque evidenti gli incrementi di nitrati determinati dai trattamenti fertilizzanti sul sorgo. Nel caso del frumento, infine, la elevata quantità di nitrati presente nel profilo è attribuibile al fatto che la coltura viene raccolta a luglio, il terreno viene lavorato nel corso dell estate e la mineralizzazione dell azoto prosegue per tutta la stagione senza che alcuna coltura assorba attivamente nitrati dal profilo. Ebbene, rispetto a questa situazione, le colture da energia, che hanno una prolungata attività vegetativa nel corso dell estate, si dimostrano capaci di contenere in modo efficace il contenuto di nitrati presente nel suolo in autunno. Riassumendo, l Arundo si è dimostrata molto più efficiente rispetto ad altre colture nel contenere la quantità di nitrati presente nel profilo del suolo. Dopo aver accertato questo comportamento per tre 106

107 Arundo Testimone Arundo Conc.min. Arundo LB10 Arundo LB20 Pioppo Testimone Pioppo Conc. Min. Pioppo LB10 Pioppo LB20 Sorgo Testimone Sorgo Conc.min. Sorgho LB10 Sorgo LB20 Frumento N-NO3 totale 0-80 cm (kg ha -1 ) anni successivi, l Arundo può essere considerata come un eccellente spazzino di nitrati, caratteristica che potrebbe essere convenientemente sfruttata in aree vulnerabili. Per contro, il nostro studio ha evidenziato la inopportunità ambientale di elevate applicazioni di liquami al pioppo. Figura Contenuto di nitrati nel profilo del suolo in autunno. I valori riportati si riferiscono allo strato da 0 ad 80 cm e derivano dai valori cumulati misurati per strati di 20 cm (0.-20; 20-40, e 60-80). I dati si riferiscono alla prova Arundo liquami, alle prove gemelle pioppo liquami e sorgo liquami, e ad una coltura aziendale di frumento (che segue frumento), presa come riferimento

108 Studio delle caratteristiche ecofisiologiche di Arundo e sorgo da biomassa Un nostro articolo, pubblicato nel 2013, ha messo in luce le principali differenze tra la ecofisiologia dell Arundo e quella del sorgo da biomassa. L Arundo ha un tasso giornaliero di crescita elevatissimo, 522 kg s.s. ha -1 giorno -1, ed una elevatissima efficienza dell uso della radiazione (RUE), 5.74 g s.s. MJ -1 di radiazione PAR intercettata. Tuttavia, questi valori si combinano con una stagione effettiva di crescita piuttosto breve, da inizio maggio ai primi di agosto. Infatti, a dispetto di una prolungata copertura fogliare, la crescita dell Arundo subisce un crollo estivo nel mese di agosto, e la radiazione intercettata non viene, da quel punto in poi, utilizzata in modo efficiente per la produzione di biomassa epigea. Resta da accertare se nella seconda parte dell estate la biomassa prodotta viene trasferita nei rizomi, ovvero se la coltura entra in una fese di stasi. Il sorgo da biomassa, invece, ha un tasso di crescita tipico delle colture C4 che crescono in condizioni di ampia disponibilità idrica e nutrizionale, 360kg s.s. ha -1 giorno -1, che rimangono stabili per tutta la stagione vegetativa, fino a fine settembre. La RUE del sorgo ottenuta in questo studio è in perfetto accordo con i valori riportati in letteratura, 3.48 s.s. MJ -1 di radiazione PAR intercettata. Le ragioni per le quali l Arundo, che è una specie a ciclo fotosintetico C3, ha una RUE più elevata rispetto al sorgo, che è a ciclo fotosintetico C4, sono state chiarite dal nostro studio. Infatti, l Arundo ha un coefficiente di estinzione della luce (k) di circa 0.3, stimato nel nostro esperimento (Figura ). Con k=0.3 si ottiene un miglior irraggiamento delle foglie che si trovano al di sotto di un valore di LAI elevato. Le conseguenze di un k=0.3 sono due: 1) la coltura riesce a mantenere un LAI elevato poiché anche le foglie poste più in basso ricevono adeguato irraggiamento; 2) un elevato numero di foglie, tutte ben irradiate, fornisce complessivamente un risultato molto efficiente in termini di efficienza dell uso della radiazione solare. 108

109 - Ln (PAR trasmessa/par incidente) Figura Relazione tra il logaritmo naturale della frazione della PAR trasmessa rispetto alla PAR incidente, e l indice di area fogliare (LAI) della coltura. La pendenza della retta di regressione è il valore stimato del coefficiente di estinzione della luce per l Arundo y = 0.298x R² = Indice di area fogliare m 2 (foglie)/m 2 (suolo) Analisi ed individuazione della variabilità genetica e fenotipica del genere Arundo Nel 2013 è proseguita la valutazione della produttività di 22 cloni di Arundo del campo catalogo realizzato ad Anzola dell Emilia nel Le produzioni di sostanza secca hanno variato da un minino di 62.3 Mg ha -1 per il clone Capo D Orlando ad un massimo di 99.6 Mg ha -1 per il clone Asti (Figura ). In realtà, soltanto i tre cloni meno produttivi sono significativamente diversi dal clone di Asti. In buona sostanza il nostro studio conferma la limitata variabilità genetica tra cloni di Arundo raccolti in diverse regioni d Italia. Inoltre, è opportuno sottolineare che produzioni così elevate vengono normalmente ottenute in parcelle di piccole dimensioni, ma non sono verosimili a livello di pieno campo. Infatti, l Arundo trae particolare vantaggio dagli effetti di bordo, sia per la notevole altezza della coltura, che favorisce un migliore irraggiamento delle foglie, sia per l ampiezza degli apparati radicali, sia in senso verticale, sia in senso orizzontale. 109

110 ASTI VILLASOR FREGENE CERVIA FONTANE BIANCHE S. SEVERO PIAZZA ARMERINA MARINA DI BIBBONA AREZZO UMBERTIDE PONTECAGNANO RUTIGLIANO VILLA S.GIOVANNI TREBBO DI RENO LANZAROTE TORVISCOSA PISA OSIMO 1 CASTELMAGGIORE BUDRIO OSIMO 2 CAPO D'ORLANDO Produzione s.s. (Mg ha -1 ) Figura Produzioni di sostanza secca di 22 cloni di Arundo provenienti da regioni del nord, centro, sud Italia e da Lanzarote (Isole Canarie, Spagna) 120 Campo catalogo Arundo anno a ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab b b b Valutazione di germoplasma di sorgo in Pianura Padana Le prove di confronto tra ibridi di sorgo sono proseguite nel Le produzioni di sostanza secca sono variate da Mg ha -1 di TRUDAN HL a di BULLDOZER (Figura ). L analisi statistica ha indicato che il gruppo di ibridi BULLDOZER, B133, JUMBO, GOLIATH e B150 è statisticamente omogeneo e superiore soltanto al gruppo dei tre ibridi meno produttivi: P.S.E , P811 e TRUDAN HL. E importante sottolineare che gli ibridi BULLDOZER, B133, JUMBO e B150 hanno superato la soglia di 30 Mg ha -1 anche nel precedente anno Trattasi, con tutta evidenza di prestazioni straordinarie per una coltura condotta senza irrigazione e con modesti apporti di azoto. 110

111 BULLDOZER B133 JUMBO GOLIATH B 150 HERKULES B 140 S 506 ZERBERUS P.S.E P 811 TRUDAN HL Produzione (Mg s.s ha -1 ) Figura Produzione di biomassa di 12 ibridi di sorgo da biomassa ad Anzola dell Emilia (BO) nel a a a a a ab ab ab ab b b b Divulgazione dei risultati Nel corso del 2013 i risultati ottenuti con il progetto BIOSEA sono stati divulgati come segue: 1. Intervista televisiva ad Enrico Ceotto del 7 gennaio 2013, su sorgo e canna comune, Focus 14, a cura della emittente Emilia - Romagna Agricoltura, pubblicata in data 28 gennaio Accessibile su YouTube al seguente indirizzo: iudoy3zo 2. Giornata dell'innovazione presso il CRA-CIN, effettuata con il patrocinio del CRA il 13 marzo Partecipazione di Enrico Ceotto con una comunicazione orale e n.4 poster. La pagina web della giornata dell'innovazione al CIN è accessibile al seguente indirizzo: 3. Partecipazione al convegno RAMIRAN 2013, 15th International Conference, tenutosi a Versailles, dal 2 al 5 giugno

112 Elenco completo delle pubblicazioni prodotte dalla UO CRA-CIN con i risultati del progetto: 1. Mariani C., Cabrini R., Danin A., Piffanelli P., Fricano A.; Gomarasca S.; Di Candilo M.; Grassi F.; Soave C. (2010). Origin, diffusion and reproduction of the giant reed (Arundo donax L.): a promising weedy energy crop. Annals of Applied Biology, 157, 2, Di Candilo M., Ceotto E., Librenti I., Faeti V. (2010) Manure fertilization on dedicated energy crops: productivity and energy implications. In: Claudia S.C. Marques dos Santos Cordovil, Luis Ferreira (eds.) Proceedings of the 14th Ramiran International Conference, of the FAO ESCORENA Network on the Recycling of Agricultural, Municipal and Industrial Residues in Agriculture. 4 pp. 3. Di Candilo M., Ceotto E., Del Gatto A., Mangoni L., Pieri S., Diozzi M., Valutazione delle caratteristiche produttive ed energetico-qualitative di varietà di sorgo da fibra e da zucchero in ambienti del Centro-nord Italia. Dal Seme, n. 3 / 10, Ceotto E., Di Candilo M., Sustainable bioenergy production, land and nitrogen use. In: Lichtfouse E. (ed.) Biodiversity, Biofuels, Agroforestry and Conservation Agriculture. Sustainable Agriculture Reviews, Vol. 5, Ceotto E., Di Candilo M., Marletto V., Canopy cover and solar radiation conversion efficiency of the herbaceous perennial giant reed (Arundo donax L.). Proceeding of 19th European Biomass Conference and Exhibition, From Research to Industry and Markets, Berlin, Germany, 6-10 June 2011, Di Candilo M., Grassi F., Ceotto E., Soave C., 2011.Assessment of Phenotypic and Genotypic Characteristics of 22 Giant Reed Ecotypes (Arundo donax L.) of Different Regions. Proceeding of 19th European Biomass Conference and Exhibition, From Research to Industry and Markets, Berlin, Germany, 6-10 June 2011, Di Candilo M., Ceotto E., Applicazione di liquami bovini alle colture dedicate da energia: produttività, implicazioni energetiche e sul bilancio del carbonio. In: Foppa Pedretti E., Mengarelli C. (eds.) Atti del Convegno Attualità della Ricerca nel Settore delle Energie Rinnovabili da Biomassa. Ancona, dicembre Volta A., Villani G., Ceotto E., M. Di Candilo, Marletto V ARMIDA: Modello di accrescimento per le colture perenni da energia. Calibrazione e validazione su canna comune (Arundo donax L.). Italian Journal of Agrometeorology, Atti del XV Convegno Nazionale di Agrometeorologia Ceotto E., Di Candilo M., Perennial versus annual Energy Crops: solar radiation interception and Use Efficiency of Miscanthus and Fiber Sorghum. Proceedings of 20th European Biomass Conference and Exibition, June 2012, Milan, Italy:

113 10. Volta A., Villani G., Marletto V., Di Candilo M., Ceotto E., ARMIDA: Arundo and Miscanthus Crop Growth Simulation Model. Proceedings of 20th European Biomass Conference and Exibition, June 2012, Milan, Italy: Badeck F.W., Rizza F., Soave C., Di Candilo M., Ceotto E., Leaf CO2 assimilation Irradiance-Response of Giant Reed (Arundo donax L.). Proceedings of 20th European Biomass Conference and Exibition, June 2012, Milan, Italy: Di Candilo M., Ceotto E., Seasonal Dynamic of above and Belowground Dry Matter accumulation in Giant Reed (Arundo donax L.). Proceedings of 20th European Biomass Conference and Exibition, June 2012, Milan, Italy: Di Candilo M., Ceotto E., Cattle slurry application on Energy crops: a sustainable practice? Proceedings of 20th European Biomass Conference and Exibition, June 2012, Milan, Italy: Ceotto E., Castelli F., Di Candilo M., The perennial energy crop giant reed (Arundo donax L.) as a soil nitrate scavenger for cattle slurry application. Proceedings of RAMIRAN 2013, 15th International conference, Versailles, 2-5 June S1.22, 4 pp Ceotto E., Di Candilo M., Castelli F., Badeck F.W., Rizza F., Soave C., Volta A., Villani G., Marletto V., Comparing radiation interception and use efficiency for the energy crops giant reed (Arundo donax L.) and sweet sorghum (Sorghum bicolor L. Moench). Field Crops Research, 149, Questa U.O. proseguirà le attività fino al 31 dicembre

114 2.6 U.O. VI UNIFI Università di Firenze, Centro interdipartimentale di Ricerca sulle Energie Alternative e Rinnovabili (CREAR) Ottimizzazione delle filiere bioenergetiche per una sostenibilità economica e ambientale Responsabile scientifico: Prof. Francesco Martelli

115 2.6 U.O. VI UNIFI Università di Firenze, Centro interdipartimentale di Ricerca sulle Energie Alternative e Rinnovabili (CREAR) Titolo della ricerca: Ottimizzazione delle filiere bioenergetiche per una sostenibilità economica e ambientale Responsabile scientifico: Prof. Francesco Martelli Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno 2013 All interno del progetto BIOSEA il ruolo del CREAR (Centro di ricerca sulle energie alternative e rinnovabili dell Università degli Studi di Firenze) è stato quello di stabilire ed approfondire le correlazioni tra le diverse tipologie di biomassa coltivate sul territorio italiano e le tecnologie di conversione ad oggi disponibili per la produzione di energia (elettrica, termica e cogenerazione). Lo scopo del lavoro è quello di fornire un quadro sulla situazione dei biocombustibili solidi utilizzati a scopi energetici in impianti stazionari per la produzione di energia e, allo stesso tempo, di indagare sul potenziale uso di biomasse diverse da quelle generalmente utilizzate. Lo studio, come previsto dal progetto, produrrà allo scadere dei tre anni un report composto da 7 capitoli, ognuno dei quali affronterà specifiche tematiche delle filiere bioenergetiche ad oggi disponibili in Italia. Nel corso del primo periodo sono stati conclusi i primi 4 capitoli del Report, con oggetto le seguenti tematiche: - Cap 1 Analisi e selezione delle tipologie di biomassa - Cap 2 Caratterizzazione chimico-fisica delle biomasse considerate - Cap 3 Tecnologie e sistemi di pretrattamento - Cap 4 Analisi delle tecnologie di conversione Nel corso dell anno 2013 è stato analizzato e completato l aspetto centrale dello studio, il Capitolo 5, incentrato sulle tecnologie di conversione più idonee alle diverse tipologie di biomassa analizzate e, quindi, fortemente dipendente dalle considerazioni e dall analisi fatta nei capitoli precedenti. L analisi degli impianti più appropriati per la conversione energetica delle biomasse risulta essere materia fondamentale per lo sviluppo di nuove filiere energetiche che possano basarsi su biomasse ad oggi poco considerate per questo tipo di finalità. D altro canto gli impianti di conversione energetica delle biomasse non risultano flessibili, in quanto sono progettati per lavorare in determinate condizioni di utilizzo e con determinate caratteristiche della biomassa. Le biomasse, infatti, non sono materie prime standardizzate in quanto le caratteristiche chimico-fisiche e 115

116 l umidità variano sensibilmente da specie a specie. E bene ricordare che esistono sistemi, cosiddetti di pretrattamento, che preparano ed, in qualche modo, uniformano il materiale vegetale da spedire all impianto, come ad esempio gli impianti di essiccazione, densificazione (macchine pellettizatrici, brichettatrici, etc) e cippatura che, comunque, non influiscono sulla loro composizione chimica. Al fine di presentare il lavoro in modo visivamente comprensibile e rapidamente consultabile, sono state create e compilate delle tabelle in cui sono state incrociate le caratteristiche di funzionamento degli impianti e le biomasse trattabili all interno di essi, applicando un colore dal verde al rosso a seconda delle problematiche e della facilità con cui la biomassa selezionata può essere processata. Questo argomento è dunque l oggetto del capitolo 5 che, sotto forma di tabella, incrocia le varie tecnologie di conversione con le biomasse analizzate al fine di evidenziare le tecnologie che meglio si adattano alle tipologie di biomassa. Il Capitolo 6, inerente allo screening degli impianti a biomassa presenti sul territorio italiano, è tuttora in corso a causa della non facile reperibilità di alcune informazioni utili a costituire una sorta di database degli impianti. Il capitolo 7, infine, riguarda le conclusioni del lavoro dei capitoli dal 1 al 5 ed è stato completato. Tabella Task e sub-task nei quali l U.O. è coinvolta e relativo stato di avanzamento Task / sub-task nei quali l U.O. è coinvolta Attività 1 Analisi e selezione delle tipologie di biomassa Attività 2 Caratterizzazione chimico-fisica delle biomasse considerate Attività 3 Tecnologie e sistemi di pretrattamento Non avviato Stato di avanzamento Avviato/ in corso Concluso X X X Attività 4 Analisi delle tecnologie di conversione Attività 5 Analisi dell utilizzo di biomassa in impianti di conversione termochimica Attività 6 Screening degli impianti a biomassa sul territorio Italiano Attività 7 Conclusioni X X X X Relazione sull attività svolta Attività 5 Analisi dell utilizzo della biomassa in impianti termochimici L attività 5 è oggetto del quinto capitolo del Report così strutturato: Introduzione 116

117 Tecnologie Di Conversione Biomasse E Impianti Di Conversione Combustione Gassificazione Pirolisi Co-Firing Biomasse Ligno-Cellulosiche Pioppo (Populus Spp.) Acacia (Robinia Pseudoacacia) Paulownia Spp. Eucalipto ( Eucalyptus Spp.) Ginestra ( Spartium Junceum) Acacia Saligna Ricinus Comunis Sorghum Bicolor Canapa (Cannabis Sativa) Cardo (Cynara Cardunculus) Canna Comune (Arundo Donax) Panico Verga (Panicum Virgatum) Miscanto (Miscanthus Sinensis X Giganteus) Saggina Spagnola (Phalaris Arundinacea) Canna D egitto (Saccharum Spontaneum) Sparto (Lygeum Spartum) Saracchio (Ampelodesmos Mauritanicus) Erba Di Guinea (Panicum Maximum) Sorghum Silk 117

118 Sorghum Almum Sarmenti Della Vite Potature D olivo Lolla Di Riso Sanse Vergini Stocchi Di Mais Gusci Di Nocciola Gusci Di Mandorla Paglia Di Grano Tenero Stocchi Di Girasole Panello Proteico Di Girasole Lista Aziende Gassificatori Per Cogenerazione Su Piccola Scala Sistemi Di Pirolisi Bibliografia Attività 6 Screening degli impianti a biomassa sul territorio italiano L attività 6 è stata strutturata nell ottica di creare una sorta di database degli impianti a biomassa presenti sul territorio italiano. L attività, largamente avviata, è in fase di conclusione a seguito di problematiche nate durante la raccolta delle informazioni, non facilmente reperibili. Attività 7 Conclusioni Le conclusioni si basano sulle considerazioni e sui dati raccolti nei capitoli precedenti e pongono l attenzione sulle biomasse più promettenti da utilizzare per ogni tipologia di impianto di conversione Risultati conseguiti L attività di ricerca svolta nel corso dell anno 2013 ha portato alla creazione di tabelle facilmente consultabili che pongono l attenzione sulla possibilità di utilizzare determinate biomasse in sistemi termochimici di conversione energetica per la produzione di energia. L individuazione delle biomasse di interesse e la loro composizione chimico-fisica è argomento trattato nei Capitoli 1 e 2, mentre la descrizione e l analisi delle tecnologie esistenti per trattare la biomassa vegetale è l argomento trattato nei Capitoli 3 e

119 Il Capitolo 5, Analisi dell utilizzo della biomassa in impianti termochimici, rappresenta dunque una sintesi delle attività precedenti e si riportano, a titolo esemplificativo, le tabelle per le tre principali tecnologie di conversione: combustione, pirolisi e gassificazione. Combustione , 23, , 20, 21, Griglia fissa Griglia trasportata Griglia mobile Underfeed stoker Griglia vibrante Cigar burner Cono rotante Letto fluido bollente Letto fluido ricircolante Umidità: < 35% Pezzatura:Cippato, LIMITI OPERATIVI BIOMASSA IN INGRESSO pellet o balle Ceneri: limitato Umidità:< 40-55% Pezzatura: cippato o pellet Ceneri: elevato Umidità: elevata Pezzatura:cippato o materiale triturato Ceneri: < 10% Umidità:< 45% Pezzatura:< 50 mm Ceneri: < 2% SPECIE ARBOREE Pioppo 5 8 Particelle piccole 4 Solo erbacee Particelle piccole 7 Particelle piccole Robinia 8 Particelle piccole Solo erbacee Particelle piccole 7 Particelle piccole Eucalipto 5 8 Particelle piccole 4 Solo erbacee Particelle piccole 7 Particelle piccole Paulownia 8 Particelle piccole Solo erbacee Particelle piccole Particelle piccole Ricino arboreo 8 Particelle piccole Solo erbacee Particelle piccole Particelle piccole Acacia saligna 8 Particelle piccole Solo erbacee Particelle piccole Particelle piccole Ginestra 8 Particelle piccole Solo erbacee Particelle piccole Particelle piccole SPECIE ERBACEE ANNUALI Sorgum bicolor Con temp. di combustione non elevate 12 Quasi esclusivamente per biomasse legnose 8 Griglia rafreddata ad acqua 5 Densificato, ma problemi con ceneri Densificato, ma problemi con ceneri Cannabis sativa 25 Solo negli impianti Cynara cardunculus più grandi Steli Steli Quasi esclusivamente per biomasse legnose 8 Con ceneri sotto il 10% Con materiale ben tritato 26 Griglia rafreddata ad acqua 5 Griglia rafreddata ad acqua Combustori batch a piccole balle 11 Densificato - Steli mescolati a Steli mescolati a biomassa legnosa biomassa legnosa 11 10, SPECIE ERBACEE POLIENNALI Arundo donax Possibilità sinterizzazione ceneri Con temp. di combustione non elevate 13 Quasi esclusivamente per biomasse legnose Griglia rafreddata ad acqua 5 Panicum virgatum Con temp. di combustione non elevate 12 Quasi esclusivamente per biomasse legnose Griglia rafreddata ad acqua 6 Mescolato a biomassa legnosa Mescolato a biomassa legnosa Miscanthus sinensis 3 Con temp. di combustione non elevate 1 Quasi esclusivamente per biomasse legnose Griglia rafreddata ad acqua 6, 25 Anche combustori batch a piccole balle Possono insorgere problemi di slagging 7 Possono insorgere problemi di slagging 7 Phalaris arundinacea Essiccata 18 Con temp. di combustione non elevate 13 Quasi esclusivamente per biomasse legnose Griglia rafreddata ad acqua Problemi agglomerazione nel letto Possono insorgere problemi di slagging Saccharum spontaneum Con temp. di combustione non elevate 13 Quasi esclusivamente per biomasse legnose Lygeum spartum Con temp. di combustione non elevate Quasi esclusivamente per biomasse legnose Ampelodesmos mauritanicus Con temp. di combustione non elevate Quasi esclusivamente per biomasse legnose Panicum maximum Con temp. di combustione non elevate Quasi esclusivamente per biomasse legnose Sorghum silk Con temp. di combustione non elevate Quasi esclusivamente per biomasse legnose Sorghum almum Con temp. di combustione non elevate Quasi esclusivamente per biomasse legnose SCARTI AGROINDUSTRIALI Sarmenti di vite Esempi non trovati Potature d'olivo 12 Possibilità di slagging 9 Possibilità di slagging 9 Possibili problemi Lolla di riso Grandi impianti 2 Grandi impianti 5 2 Troppe ceneri 5 agglomerazione nel letto Previa essiccazione Grandi impianti previa Grandi impianti previa Problemi agglomerazione nel Sanse vergini Troppe ceneri 3 essiccazione 27 essiccazione letto 16 Possibili problemi Combustori batch a Mescolato a biomassa Stocchi di mais 2 Troppe ceneri con ceneri piccole balle legnosa Problemi agglomerazione nel Gusci di mandorla Ceneri bassofondenti Ceneri bassofondenti Ceneri bassofondenti 14 Ceneri bassofondenti letto 15 Gusci di nocciola Mescolato a biomassa Paglia di grano tenero Troppe ceneri legnosa 5 Possibili problemi Stocchi di girasole Grandi impianti 13 Troppe ceneri con ceneri 5 Problemi agglomerazione nel letto 16 Densificato Problemi agglomerazione nel letto 15 Densificato Panello proteico girasole Con temp. di combustione non elevate Troppe ceneri 119

120 Pirolisi Pirolisi* Co-firing SPECIE ARBOREE Pioppo 5 Robinia 5 Eucalipto Paulownia 12 Ricino arboreo Acacia saligna Ginestra SPECIE ERBACEE ANNUALI Sorgum bicolor Cannabis sativa 7 Con carbone 9 Cynara cardunculus Con lignite 2 SPECIE ERBACEE POLIENNALI Arundo donax Panicum virgatum 4 Con carbone 9 Miscanthus sinensis Con carbone 1 Phalaris arundinacea 11 Con carbone Saccharum spontaneum Lygeum spartum Ampelodesmos mauritanicus Panicum maximum Sorghum silk Sorghum almum Festuca arundinacea SCARTI AGROINDUSTRIALI Sarmenti di vite 6 Potature d'olivo 6 Lolla di riso 4 Sanse vergini 4 Con lignite e carbone 8 Stocchi di mais 13 Contenuto Cl elevato 3 Gusci di mandorla Con lignite Gusci di nocciola 6 Con lignite Paglia di grano tenero 5 Con carbone, griglia fissa (10%) 10 Stocchi di girasole 7 Panello proteico girasole 7 Con carbone 120

121 Gassificazione LIMITI OPERATIVI BIOMASSA IN INGRESSO Gassificatori updraft Gassificatori downdraft Gassificatori crossdraft Open top downdraft Gassificatori letto fluido bollente Umidità: 60% wb Pezzatura: cm Contenuto ceneri: <6% Temp. Fusione ceneri: >1000 C Umidità: < 10-25% db Pezzatura: cm Contenuto ceneri: <6% Temp. Fusione ceneri: >1100 C Umidità: < 10-20% wb Pezzatura: 0.5-2cm Contenuto ceneri: Temp. Fusione ceneri:> 1250 C Umidità: Pezzatura: Contenuto ceneri: Temp. Fusione ceneri: Umidità: <30% wb Pezzatura: < 5 cm Contenuto ceneri: < 25% Temp. Fusione ceneri: >850 C Gassificatori letto fluido ricircolante Umidità: <50% wb Pezzatura: < 1 cm Contenuto ceneri: elevato Temp. Fusione ceneri: >850 C SPECIE ARBOREE Pioppo 5 Robinia 8 8 Eucalipto 13 Paulownia Ricino arboreo Acacia saligna Ginestra Possibili problemi per fusione ceneri Essiccazione difficoltosa e ceneri elevate SPECIE ERBACEE ANNUALI Sorgum bicolor Contenuto ceneri può essere eccessivo Problemi con ceneri Tecnologia non perfezionata Tecnologia non perfezionata Cannabis sativa 9 Problemi con ceneri Tecnologia non perfezionata 10 Tecnologia non perfezionata 10 Cynara cardunculus Ceneri e K solitamente troppo elevate 11 Ceneri e K solitamente troppo elevate 11 Ceneri troppo elevate Ceneri possibilmente troppo elevate 1 Ceneri possibilmente troppo elevate 1 SPECIE ERBACEE POLIENNALI Arundo donax Contenuto ceneri può essere eccessivo Problemi con ceneri Panicum virgatum 5 Problemi con ceneri Problemi con ceneri Miscanthus sinensis 9 Problemi con ceneri Phalaris arundinacea Problemi con ceneri Problemi con ceneri Saccharum spontaneum Contenuto ceneri può essere eccessivo Problemi con ceneri Lygeum spartum Problemi con ceneri Ampelodesmos mauritanicus Problemi con ceneri Panicum maximum Problemi con ceneri Problemi con ceneri Problemi con ceneri Sorghum silk Sorghum almum Festuca arundinacea SCARTI AGROINDUSTRIALI Contenuto ceneri può essere eccessivo Contenuto ceneri può essere eccessivo Problemi con ceneri Problemi con ceneri Problemi con ceneri Sarmenti di vite 3 Problemi con ceneri Potature d'olivo 11 Contenuto ceneri può essere eccessivo Problemi con ceneri Lolla di riso Problemi con ceneri Problemi con ceneri 2 Sanse vergini 5 Problemi con ceneri Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata 15 Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Contenuto ceneri può essere eccessivo Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata 15 Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Contenuto ceneri può essere eccessivo Tecnologia commercialmente non perfezionata Stocchi di mais Essiccati e densificati 3 Problemi con ceneri Gusci di mandorla 3 Gusci ricchi d'olio da evitare Gusci ricchi d'olio da evitare Gusci di nocciola 12 6 Gusci ricchi d'olio da evitare Gusci ricchi d'olio da evitare Paglia di grano tenero 3 Problemi con ceneri Pellettizata 14 Possibili problemi con ceneri Stocchi di girasole Problemi con ceneri Problemi con ceneri Problemi con ceneri Panello proteico girasole Problemi con ceneri Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Tecnologia commercialmente non perfezionata Divulgazione dei risultati I risultati ottenuti sono stati presentati ai partner del progetto per illustrare il lavoro svolto. Si è provveduto, inoltre, ad inviare la versione delle tabelle allegate al secondo capitolo: vari studi in ambito agronomico che gli altri partner del progetto hanno condotto o stanno conducendo dovrebbero dare loro l opportunità di completare parte dei dati mancanti, rafforzando le dinamiche di collaborazione proprie del progetto e rendendo disponibili dati aggiornati e specifici per il panorama italiano. Per la fine del lavoro è prevista una pubblicazione in atti di convegno sulle bioenergie. 121

122 122

123 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA 2.7 U.O. VII UNIPI Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Agroambientali - DiSAAA-a (ex Dipartimento di Agronomia e Gestione dell Agroecosistema - DAGA) - Università di Pisa Riduzione degli input colturali in Helianthus annuus, Brassica napus e Brassica carinata destinate alla produzione di bio-carburanti Responsabile scientifico: Prof. Marco Mazzoncin

124 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA 2.7 U.O. VII UNIPI Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Agroambientali - DiSAAA-a (ex Dipartimento di Agronomia e Gestione dell Agroecosistema - DAGA) - Università di Pisa Titolo della ricerca: Riduzione degli input colturali in Helianthus annuus, Brassica napus e Brassica carinata destinate alla produzione di bio-carburanti Responsabile scientifico: Prof. Marco Mazzoncini Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno 2013 La U.O. DiSAAA-a Pisa (ex DAGA) ha partecipato al Progetto Biosea principalmente attraverso 2 attività di campo: la prima ha riguardato lo studio della produttività delle brassicacee (sub TASK 1.2.1) e la seconda, l influenza di agrotecniche differenziate sulla produttività di Helianthus annuus, Brassica napus e Brassica carinata (sub TASK 1.2.3); la seconda attività si è articolata in due diverse esperienze: una realizzata nell ambito di una ricerca di lungo periodo in corso dal 1993 presso il Centro di Ricerche Agro-Ambientali Enrico Avanzi dell Università di Pisa (CiRAA), e l altra inserita nella sperimentazione aziendale condotta dall Azienda Agricola Martello di Cenaia (PI) che da tempo collabora con il CiRAA. Entrambe le esperienze hanno posto a confronto due sistemi di gestione colturale che si differenziano per un diverso livello di impiego di mezzi tecnici e quindi di energia immessa nel sistema (diverse tecniche di lavorazione principale del suolo, impiego di colture di copertura, diverso livello di anticipazione dei nutrienti e modalità di controllo della flora infestante). Le due strategie produttive destinate alle colture di girasole, colza e brassica carinata (quest ultima coltivata soltanto nei campi sperimentali dell Università di Pisa) sono state identificate come sistema a basso impiego di mezzi tecnici o low input e sistema convenzionale, riflettendo quest ultimo, le strategie e le tecniche adottate convenzionalmente dalle aziende della regione. Mentre le attività di campo riconducibili alla sub TASK si sono concluse con le raccolte 2012 avendo avuto inizio nel 2009 (triennio di ricerca , e ), le attività di campo relative alla sub TASK si sono protratte anche nel 2013 visto che per questa tematica le attività erano iniziate con le semine del 2010 (raccolta 2011) e non avevano prodotto apprezzabili risultati a seguito del fallimento della prima annata ( ) e del parziale fallimento della seconda ( ) realizzata in doppia epoca di semina. Di conseguenza nel corso del 2013 le attività della UO si sono concentrate nella elaborazione dei risultati ottenuti nel triennio relativamente alla sub TASK e alla conduzione della prova di campo relativa alla sub TASK Quest ultima ricerca ha potuto evidenziare la differente capacità produttiva delle due specie saggiate, B. napus e B. carinata e le differenze, anche sostanziali, tra i genotipi di B. carinata saggiati, sia in termini di capacità produttiva che di precocità.

125 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA Tabella Task e sub-task nei quali l U.O. è coinvolta e relativo stato di avanzamento Task / sub-task nei quali l U.O. è coinvolta WP1 task 1.2 sub task WP1 task 1.2 sub task WP3 task 3.4 Stato di avanzamento Non avviato Avviato/ in corso Concluso X X X Relazione sull attività svolta Descrizione dettagliata dell attività svolta - sub TASK Anche nel è stato impostato un confronto varietale tra genotipi diversi di Brassica carinata che sono stati posti a confronto, in semina autunnale e primaverile (fine inverno), con un ibrido di colza tra i più produttivi. Il confronto varietale realizzato nel ha interessato i seguenti genotipi: Selezioni 1, 2, (varietà di Brassica carinata in via di costituzione), ISCI 7, CT 180, CT 207 (varietà di Brassica carinata commercializzate da Agrium Italia S.p.A.); PR46WR10 (ibrido di colza commercializzato da Pioneer seeds); quest ultima accessione è stata inserita nel confronto come termine di riferimento essendo considerata, anche in molti ambienti dell Italia Centrale, tra le migliori dal punto di vista produttivo. Il confronto varietale è stato realizzato presso il Centro di Ricerche Agro-Ambientali Enrico Avanzi (CiRAA) dell Università di Pisa su terreni pianeggianti di medio impasto tendenzialmente limosi. Le accessioni, saggiate sia in semina autunnale che primaverile, sono state studiate secondo uno schema sperimentale di campo a parcella suddivisa con quattro replicazioni; parcelle elementari di 21m 2. La tecnica colturale seguita per la realizzazione del confronto varietale del è riportata in tabella 2. - sub TASK Nel corso del 2013 le attività riconducibili alla sub TASK si sono concentrate sull elaborazione dei risultati delle prove di campo realizzate nel triennio , e , sia presso il CiRAA che presso l Azienda Martelli, e nella prosecuzione delle analisi chimiche delle biomasse vegetali ottenute nel precedente triennio di ricerca. 125

126 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA Tabella CIRAA Confronto varietale Brassica carinata: calendario delle operazioni colturali del Eventuali discordanze rispetto alle attività previste da progetto, eventuali difficoltà/problemi riscontrati e soluzioni adottate per superarli Il confronto varietale realizzato nel si è articolato su due epoche di semina diverse (autunnale e di fine inverno) rispetto all unica epoca prevista dal progetto. Con questo si è cercato di compensare la mancanza di informazioni sulla tematica, generata dal fallimento del confronto varietale del (a semina esclusivamente autunnale) e dal parziale insuccesso del confronto realizzato in doppia epoca di semina nel Eventuali miglioramenti o approfondimenti apportati rispetto al progetto iniziale Niente da segnalare Stato di avanzamento delle attività rispetto al programma iniziale Non si rileva alcun scostamento rispetto al programma iniziale delle attività. Prossimi step, con particolare attenzione alle attività previste per l anno 2014 Nel corso del 2014, i dati raccolti nel triennio saranno oggetto di un analisi cumulata e, nel caso dei risultati ottenuti in ambito sub TASK 1.2.3, ulteriormente rielaborati al fine di evidenziare le ricadute agro-ambientali e economiche collegate alle strategie produttive (convenzionali e low-input) applicate alle due specie. Sempre nel corso del 2014 è previsto il completamento delle analisi chimiche delle biomasse raccolte nei trienni dalle attività di campo e delle analisi qualitative delle granelle di colza e girasole Risultati conseguiti - sub TASK L andamento stagionale dell autunno-inverno 2012 e della primavera 2013 si è contraddistinto per la prolungata piovosità che, nell ambiente di prova, ha svantaggiato le semine autunnali (a causa del protrarsi di condizioni di saturazione idrica del suolo caratterizzato anche da falda molto superficiale) e avvantaggiato le cultivar in semina primaverile che non hanno 126

127 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA risentito delle condizioni di stress idrico e termico che nella zona si verificano spesso già nel mese di maggio. Dal punto di vista produttivo l epoca di semina autunnale è stata comunque la migliore facendo segnare un incremento della produzione granellare di circa il 25%. Nell ambito della semina autunnale, l ibrido di Brassica napus PR46WR10 ha fornito le maggiori rese in granella (2,45 t/ di s.s./ha); risultati produttivi paragonabili sono stati ottenuti anche da CT207 e CT180, entrambe, come PR46WR10, di ciclo medio-tardivo. Nell ambito delle selezioni saggiate la Sel.1 è apparsa quella più interessante (a conferma dei risultati ottenuti in precedenti esperienze). E interessante osservare che in genere la biomassa costituita dai residui colturali è risultata tendenzialmente superiore in Brassica carinata (in media +6% con punte del 62% nel caso della cultivar CT207). A differenza di quanto osservato nel 2012, in semina primaverile (di fine inverno), le accessioni di Brassica carinata saggiate non hanno manifestato una maggiore primaverilità rispetto alla PR46WR10, determinando quindi cali produttivi non significativamente diversi da quelli registrati per B. napus (-24%); rispetto a questo trend generale sono state evidenziate forti variazioni tra i genotipi di B. carinata saggiati: da -13% a - 31%. - sub TASK L elaborazione dei dati raccolti nel corso del triennio , e ha permesso di evidenziare i punti di forza e di debolezza connessi all applicazione dei sistemi di coltivazione a basso impiego di mezzi tecnici su colza e girasole (per maggiori dettagli vedere la sezione 1.2.2) Divulgazione dei risultati I risultati ottenuti non sono stati ancora utilizzati come base per pubblicazioni di carattere scientifico e/o divulgativo; essi sono stati però presentati pubblicamente nel corso di una giornata di studio dal titolo Brassicacee idonee per biodiesel Sintesi dei risultati agronomici organizzata dalla UO Padova e tenutasi il 18 giugno 2013 a Agripolis (PD) Sintesi delle attività svolte dall unità operativa nel corso del triennio Breve sintesi delle attività e dei risultati di progetto Le attività programmate dalla U.O. Pisa, si sono articolate nel triennio , e per quanto riguarda le ricerche riconducibili alla sub TASK (produttività delle brassicacee) mentre per quelle relative alla sub-task (tecniche colturali), essendosi avviate già nel 2009, il triennio di riferimento è risultato il , e Quindi, nel corso del 2013 si è provveduto a concludere le attività di campo relative alla sub TASK e, nell ambito della sub TASK 1.2.3, a analizzare i risultati ottenuti nel triennio e a completare le analisi chimiche dei campioni di biomassa ottenuti dalle attività di campo ormai concluse. Per quanto riguarda la sub TASK (imperniata sul confronto produttivo, in semina autunnale e primaverile, tra un test, rappresentato da una cultivar di Brassica napus notoriamente produttiva, e diversi genotipi di Brassica carinata), il primo dei tre anni di studio non ha prodotto risultati apprezzabili, soltanto gli ultimi due hanno evidenziato la maggiore capacità produttiva di Brassica 127

128 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA nupus rispetto a Brassica carinata nelle migliori condizioni di crescita; i risultati ottenuti evidenziano anche significative differenze di capacità produttiva tra i genotipi di brassica carinata saggiati e la loro maggiore propensione a semine primaverili. Relativamente alla sub TASK (basata sullo studio della risposta produttiva di girasole e Brassica napus a sistemi colturali a basso input applicati a uno schema rotazionale rigido e di lungo periodo attività condotta presso il Centro di Ricerche Agro-ambientali Enrico Avanzi - e a uno schema libero tipico delle aziende della regione attività condotta presso l Azienda Agricola Martello Nadia di Cenaia (Pisa), i risultati del triennio hanno evidenziato la possibilità di ricorrere proficuamente alla strategia low input sia per il girasole che il colza e la brassica carinata. In relazione alla tecnica di impianto e alle condizioni climatiche, in regime di basso input le rese granellari delle colture hanno subito flessioni variabili (da inapprezzabili a consistenti) che hanno condizionato in modo meno che proporzionale il loro risultato economico che talvolta è risultato anche superiore a quello conseguito con sistemi produttivi convenzionali (soprattutto per il colza) Risultati conseguiti sub TASK Dei tre anni di studio soltanto il e il hanno prodotto risultati apprezzabili a seguito del fallimento della prima annata di prova ( ). Nel corso degli ultimi 2 anni il confronto tra genotipi di B. carinata è avvenuto sia in epoca di semina autunnale che primaverile. I dati dell ultimo biennio confermano la maggiore potenzialità produttiva di B. napus anche se alcune accessioni di B. carinata si sono collocate sullo stesso livello di produzione. In condizioni di crescita sub-ottimali, B. carinata si è dimostrata maggiormente in grado di superare stress legati a ristagni idrici superficiali e sottosuperficiali, alte temperature e stress idrici. Le cultivar di B. carinata saggiate hanno evidenziato anche una maggiore alternatività di B. napus quando, in epoca di semina primaverile, l emergenza non è stata rapida (2012). sub TASK Di seguito verranno illustrati i risultati del triennio di attività separatamente per le colture del girasole e colza. Girasole La tecnica di coltivazione low input del girasole si è differenziata nei due siti di studio: più in sintonia con i principi dell agricoltura conservativa e mirata a una estrema semplificazione della preparazione del terreno nel caso dei campi sperimentali dell Università di Pisa, e moderatamente semplificata nel caso dell Azienda agricolo Martello (tabelle e ). In entrambi i siti sperimentali si era ritenuto opportuno far precedere la coltura del girasole da una cover crop leguminosa allo scopo di mantenere il terreno coperto in autunno-inverno, organicare carbonio e fornire azoto alla composita nella primavera-estate successiva alla sua devitalizzazione. La cover crop prescelta è stata la Vicia villosa nel caso del CiRAA e la Vicia sativa nel caso dell Azienda Martello; in entrambi i casi coltivate in purezza (ad eccezione del 3 anno al CiRAA). Per l impianto della cover, avvenuto sempre nel mese di settembre, al CiRAA è stata impiegata una lavorazione minima con erpice a dischi e successivo passaggio con erpice rotativo mentre nell Azienda privata è stata effettuata una discissura a circa 35 cm con i successivi affinamenti del letto di semina realizzati con erpici. Per il sistema convenzionale la tecnica di riferimento è stata l aratura nel caso dell Azienda Martello e la discissura per il CiRAA (entrambe alla profondità di 35 cm). Per quanto riguarda la concimazione, nel sistema convenzionale sono stati 128

129 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA apportati NPK in ragione delle asportazione complessive attese sulla base di un obiettivo produttivo prefissato in considerazione delle esperienze maturate nell ambiente di coltivazione; nel sistema low input si è fatto riferimento alle asportazioni operate dalla sola granella ridotte, nel caso dell azoto, del quantitativo di azoto ipoteticamente apportato dalla veccia in precessione (65-81 kg/ha). Il controllo della veccia e delle piante infestanti è avvenuto sempre per mezzo di erbicidi e la semina del girasole in tutti i casi è avvenuta con seminatrici da sodo. I risultati produttivi ottenuti presso il CiRAA sono riportati in tabella , e evidenziano significative riduzioni delle rese granellari del girasole coltivato nel sistema low input (-39, 32 e 69% rispettivamente nel 2010, 2011 e 2012). Le scarse performance del girasole su sodo possono attribuirsi alla più frequente predazione dei semi e delle plantule da parte degli uccelli selvatici (2010 e 2011). Il pessimo risultato del 2012 è da imputarsi, invece, al diverso itinerario tecnico seguito quell anno (particolarmente siccitoso in inverno) nei due sistemi: a differenza di una semina tempestiva (ai primi di aprile) del girasole convenzionale, nel sistema low-input la scarsa piovosità invernale ha indotto uno scarso sviluppo della veccia che ha suggerito di procrastinare la semina su sodo del girasole che (a cause delle sopraggiunte piogge primaverili) potrà essere effettuata soltanto il 30 maggio in presenza di una eccessiva biomassa della cover (che nel frattempo aveva proseguito la sua crescita). Ciò ha determinato un cattivo contatto seme terreno e quindi una scarsa germinazione in campo con ovvie ricadute sulla produttività finale della coltura. I risultati ottenuti presso l Azienda Martello (tabella ) sono stati più confortanti evidenziando un significativo calo produttivo del girasole low-input soltanto nel 2011 (-50%); nel 2010 la flessione produttiva è stata del 5% (su livelli di produzione di circa 3.1 t di granella secca per ha), mentre nel 2012 si è assistito perfino ad un incremento della resa granellare di circa il 18%. La bassa produttività del girasole low-input del 2011 trova ragione nelle difficoltà di emergenza della coltura dovute alla eccessiva produzione di biomassa della cover che ha reso difficoltoso l interramento della stessa e, in fase di semina, l intimo contatto tra seme e terreno. Di contro, il buon risultato produttivo del 2012 è da ascriversi sia alla mancanza di ogni interferenza negativa indotta dalla cover crop (che per scelta aziendale non è stata coltivata nel ) sia alla migliore emergenza rilevata su terreno sodo da imputarsi, in un annata eccezionalmente siccitosa, alla migliore conservazione dell umidità del letto di semina rispetto alle condizioni verificatesi nel sistema convenzionale nel quale l aratura è stata eseguita a fine marzo. Colza Rispetto al girasole, la tecnica di coltivazione low input e quella convenzionale adottate per il colza non si sono differenziate sostanzialmente nei due siti di studio (tabelle e ). Sia al CiRAA che nell Azienda Martello, il sistema low-input si è caratterizzato per l impiego della lavorazione minima per la preparazione del letto di semina della brassicacea, il reintegro delle asportazioni operate dalla sola granella al lordo di eventuali apporti di azoto da leguminose in precessione diretta (favino nel caso del CiRAA). I risultati produttivi relativi al triennio , e , sono riportati nelle tabelle e Nel caso della sperimentazione condotta al CiRAA (tabella ), nei primi due anni di ricerca, il passaggio dal sistema convenzionale a quello low-input non ha determinato significative alterazioni della capacità produttiva della brassicacea (+6% nel 2010 e 0% nel 2011) mentre nel 2012, nel sistema a basso impiego di mezzi tecnici si è assistito a una riduzione della 129

130 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA resa granellare del 47%. L annata in questione si è caratterizzata per la scarsissima piovosità invernale ed estiva che ha condizionato negativamente l efficacia del diserbo di pre-emergenza e conseguentemente la flora infestante si è sviluppata in modo rapido e aggressivo facendo registrare (a raccolta) una biomassa secca superiore a quella della coltura di colza. In merito a questo effetto, si deve ricordare che l appezzamento sul quale è stata realizzata la ricerca, è gestito dal 1993 secondo tecniche di lavorazione semplificata che hanno determinato, nel tempo, un accumulo di semi infestanti nello strato più superficiale del terreno; in queste condizioni e in assenza di sistematici interventi di riduzione della seed-bank (false semine), il mancato controllo chimico della flora infestante può determinare intollerabili fenomeni di competizione con la coltura come quello registrato nel corso del I risultati ottenuti dall Azienda agricola Martello (tabella ), hanno evidenziato la superiorità del sistema high-input rispetto al sistema low-input in termini produttivi. I decrementi produttivi del colza low-input osservati nel triennio sono stati del 21, 22 e 11% rispettivamente nel , e Sotto questo aspetto i risultati ottenuti presso l Azienda privata differiscono profondamente da quelli ottenuti presso il Centro di Ricerche dell Università di Pisa non tanto perché le rese granellari del sistema low-input siano risultate più basse di quelle osservate al Centro ma semplicemente perché il livello produttivo del sistema convenzionale è stato sempre decisamente elevato per l ambiente di riferimento (3,2 t ss/ha in media). Probabilmente la quantità di azoto appartato nel sistema low-input non ha trovato sufficiente integrazione con altro N da leguminose in precessione a differenza di quanto avvenuto al CiRAA dove per motivi di ricerca, la precessione è sempre stata rappresentata da favino Divulgazione dei risultati I risultati ottenuti non sono stati ancora utilizzati come base per pubblicazioni di carattere scientifico e/o divulgativo; essi sono stati però presentati pubblicamente nel corso di una giornata di studio dal titolo Brassicacee idonee per biodiesel Sintesi dei risultati agronomici organizzata dalla UO Padova e tenutasi il 18 giugno 2013 a Agripolis (PD). 130

131 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA Tabella Caratterizzazione dell agrotecnica del girasole nei due sistemi studiati presso il Centro di Ricerche Agro-Ambientali Enrico Avanzi (CiRAA) - Università di Pisa Tabella Caratterizzazione dell agrotecnica del girasole nei due sistemi studiati presso l Azienda Agricola Martello Nadia (Cenaia Pisa) 131

132 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA Tabella Girasole, aspetti produttivi - Centro di Ricerche Agro-Ambientali Enrico Avanzi (CiRAA) - Università di Pisa Tabella Girasole, aspetti produttivi - Azienda Agricola Martello Nadia (Cenaia Pisa) 132

133 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA Tabella Caratterizzazione dell agrotecnica del colza nei due sistemi studiati presso il Centro di Ricerche Agro-Ambientali Enrico Avanzi (CiRAA) - Università di Pisa Tabella Caratterizzazione dell agrotecnica del colza nei due sistemi studiati presso l Azienda Agricola Martello Nadia (Cenaia Pisa) 133

134 DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE, ALIMENTARI E AGRO-AMBIENTALI UNIVERSITA DI PISA Tabella Colza, aspetti produttivi - Centro di Ricerche Agro-Ambientali Enrico Avanzi (CiRAA) - Università di Pisa Tabella Colza, aspetti produttivi - Azienda Agricola Martello Nadia (Cenaia Pisa) 134

135 2.8 U.O. VIII SSSA Scuola Superiore Sant Anna Problematiche della messa a punto delle tecniche agronomiche in rapporto alla riduzione dei costi di produzione Responsabile scientifico: Prof. Enrico Bonari 135

136 2.8 U.O. VIII SSSA Scuola Superiore Sant Anna Titolo della ricerca: Problematiche della messa a punto delle tecniche agronomiche in rapporto alla riduzione dei costi di produzione Responsabile scientifico: Prof. Enrico Bonari Attività svolte dall unità operativa nel terzo anno (2013) Breve sintesi delle attività e dei risultati dell anno 2013 Nell anno 2013 le attività della U.O. Sant Anna hanno riguardato la prosecuzione delle sperimentazione su impianti in atto da alcuni anni (SRF e ARUNDO). Per quanto riguarda la SRF di pioppo è proseguita la sperimentazione sui due cloni Monviso e AF2 oggetto di confronto in base a tre livelli irrigazione su due tipi diversi di suolo. Il dato presentato si riferisce alla seconda utilizzazione avvenuta a fine inverno Naturalmente il ciclo teorico di 10/12 anni non consente di tirare delle conclusioni, ma i risultati presentati evidenziano delle interessanti differenze in merito ai cloni sui diversi trattamenti. In particolare si evidenzia l importanza della tipologia di suolo che conferma la preferenza di questa specie per terreni freschi e di medio impasto; la differenza osservata, nella tesi non irrigata, fa registrare una differenza di oltre 15 t ss/ha anno a favore del terreno franco rispetto all altro. Per l Arundo Donax, l U.O. si è concentrata sullo studio delle epoche di taglio con l obiettivo di valutarne: 1) le attitudini al ricaccio estivo e 2) le potenzialità nell utilizzo come substrato per la produzione di Biogas. Negli ultimi anni, infatti, il proliferare di impianti di digestione anaerobica sul territorio nazionale, anche in aree poco vocate alla coltivazione di mais, ha spinto la ricerca allo studio di substrati alternativi al silo mais, che attualmente è il più utilizzato. Per valutare il possibile impiego della canna comune in questo settore si è ritenuto interessante anche valutare l effetto della doppia raccolta sulle caratteristiche della biomassa, sul suo BMP (Biochemical Methane Potential), e sulle rese potenziali in biogas ottenibili da un ettaro coltivato. Dai primi risultati la doppi raccolta consente di ottenere produzioni pari a quelle derivanti da un'unica raccolta a fine ciclo e i caratteri giovanili delle piate tagliate sottoposte a tagli frequenti sembrerebbero determinare degli incrementi di resa in bimetano ad ettaro fino al +40% rispetto a quanto ottenibile da un singolo taglio. In tal senso presentiamo i risultati di due sperimentazioni. La prima è stata finalizzata alla risposta produttiva a diverse epoche e frequenze di taglio. I risultati hanno evidenziato appunto che ad una buona resa quantitativa è possibile abbinare una maggiore produzione di biomassa fermentescibile, nello specifico le foglie. La seconda sperimentazione, invece, ha posto a confronto la dinamica e la produzione in biometano dell Arundo raccolta in diverse epoche e confrontate con il mais da insilato, attraverso una prova di 136

137 digestione condotta in batch. I risultati ottenuti hanno permesso di evidenziare che fino alla fine di agosto la biomassa fresca prodotta da Arundo donax ha un potenziale metanigeno paragonabile a quello del mais insilato, ma anche che, la cinetica della produzione del metano è comunque diversa da quella silo mais, per una la più alta resistenza alla fermentazione, soprattutto nelle fasi iniziali della digestione. Tabella Task e sub-task nei quali l U.O. è coinvolta e relativo stato di avanzamento Task / sub-task nei quali l U.O. è coinvolta Sub task Valutazione cloni o ibridi di specie SRF Sub task Produttività Arundo Non avviato Stato di avanzamento Avviato/ in corso X Concluso X Relazione sull attività svolta Valutazione cloni o ibridi di specie SRF (sub task 1.1.1) Si riporta per completezza espositiva un sunto della descrizione della sperimentazione su SRF di pioppo già descritta lo scorso anno. Due cloni commerciali (Monviso e AF2) di pioppo sono stati sottoposti a tre differenti regimi d irrigazione: 100% e 50% del reintegro dell evapotraspirazione potenziale e nessun apporto irriguo. Questa impostazione è stata eseguita in due aree sperimentali caratterizzate da due differenti tipologie di suolo (franco vs sabbioso-franco). L impianto è stato realizzato nel 2009 con una densità di 7400 piante ad ettaro (2.7 x 0.5 m). I fattori clone e trattamento irriguo sono stati replicati (24 parcelle complessivamente) in entrambi i tipi di suolo. Il turno di taglio è biennale. Sono stati effettuati rilievi mensili durante la stagione vegetativa per la stima della sopravvivenza, dell altezza e del diametro dei fusti. Contemporaneamente è stata determinata la produzione di biomassa aerea e la sua ripartizione (foglie, rami e fusti), attraverso campionamenti distruttivi di 4 piante per combinazione di fattori. L obiettivo della sperimentazione è la determinazione della produttività di SRF di pioppo e l analisi di crescita della coltura in condizioni differenti di suolo ed apporto idrico, al fine di migliorare le conoscenze circa le possibilità di adattamento della coltura e di determinare parametri di crescita ai fini modellistici. 137

138 Figura Schema cronologico dei cicli di taglio per ciascuno dei due tipi di suolo Valutazione su sperimentazione della canna comune in campo (sub task 1.1.4) La sperimentazione della canna comune in campo è stata eseguita presso il Centro di Ricerche Agro-Ambientali Enrico Avanzi (CIRAA) a San Piero a Grado, Pisa. La coltura è stata impiantata utilizzando rizomi nel Lo schema sperimentale che è stato realizzato è stato quello completamente randomizzato (Completely Randomized Design, CRD) disponendo una parcella suddivisa in unità sperimentali (3 x 2 m). I prelievi per caratterizzare le rese in biomassa sono stati eseguiti in tre epoche diverse durante la stagione vegetativa e una doppia raccolta per le prime due epoche (n = 3): - I taglio (A1): raccolta eseguita il 26/06/2013; - II taglio (A2): raccolta eseguita il 15/07/2013; - III taglio (A3): raccolta eseguita il 25/10/2013; - IV taglio (A4): gennaio I ricrescita (RA1): raccolta eseguita il 25/10/2013; - II ricrescita (RA2): raccolta eseguita il 25/10/2013. Ciascun prelievo, uno per parcella, che rappresentava la replica sperimentale, ha interessato un area di 0,5 m 2, scegliendo piante che avessero svolto la loro crescita nel naturale ombreggiamento colturale, evitando le file esterne della parcella o la vicinanza a vuoti lasciati da prelievi precedenti. Su ciascun campione è stato misurato il peso totale della sostanza secca ed effettuata la ripartizione foglie-steli in sottocampioni, nello specifico 10 culmi. La biomassa fresca è stata trinciata e una quota (500 g) è stata conservata tal quale a -20 C per le successive analisi e per la digestione anaerobica; una quota (circa 10 kg) è stata insilata in tre repliche. L effetto dell epoca di taglio sulle rese quantitative della canna comune e sulla percentuale di foglie è stato analizzato con un Analysis of Variance (ANOVA) ad una via, utilizzando il software R (versione 3.0.1). Le differenze tra le medie sono state determinate mediante il test Least Significant Difference (LSD). 138

139 Valutazione del potenziale metanigeno di canna comune (sub task 1.1.4) Su una coltivazione in pieno campo di canna comune è stata effettuata la valutazione agronomica di diverse epoche di raccolta definite precoci, a partire dal mese di giugno fino al mese di settembre, I tagli precoci danno alla coltura la possibilità di ricrescere, e quindi virtualmente consentono di poter ottenere un secondo raccolto.. Le suddette epoche di primo taglio prevedono taglio in epoca variabile da giugno (A1) a settembre (A5) ad intervalli di 20 giorni. Ad ogni campionamento è stato effettuato il taglio su 1 mq di superficie per ogni replica. Su ogni campione vengono effettuati rilievi produttivi e prte della biomassa fresca, non separata in foglie e steli, viene invece impiegata per la preparazione di trinciato fresco (conservato a -20 C). Il potenziale metanigeno o BMP (Biochemical Methane Potential) viene determinato correntemente in reattori continui o batch. La metodologia adottata prevede l utilizzo di reattori batch del volume di 2 L, per una durata della digestione di 45 giorni. I digestori ad inizio prova sono caricati con tre componenti base: - Inoculo; - Biomassa (o altro substrato da testare); - Soluzione di sali minerali (tampone ph, macronutrienti, micronutrienti). L inoculo proviene da digestato prelevato da un digestore anaerobico commerciale in funzionamento, alimentato con materiali affini alle biomasse da testare (energy crops, sottoprodotti agricoli). L inoculo viene filtrato e pre-digerito in condizioni mesofile (37-39 C), riducendo l esposizione all aria, per 3-4 giorni. La biomassa viene quantificata secondo uno stretto rapporto ponderale rispetto al suo contenuto di solidi volatili (volatile solids, sostanza organica) e a quello dell inoculo. Su una aliquota di inoculo in predigestione viene determinato il contenuto di sostanza secca e di ceneri e la seguente relazione tra VS dell inoculo e della biomassa dovrà essere rispettata: VS inoc = 2VS biom Vale a dire che la sostanza organica dell inoculo deve essere il doppio di quella del substrato. Il rapporto tra solidi volatili dell inoculo e quello del substrato è stato oggetto di svariati studi, in quanto è un fattore determinante per la ripetibilità e l attendibilità dei risultati ottenuti. Gli studi più recenti tendono a privilegiare il contenuto di VS dell inoculo, contando quindi su una relativa abbondanza della sostanza organica digerente rispetto a quella da digerire. Il rapporto definito di 2:1 si può definire come quello canonico e più comunemente adottato ed accettato in questo ambito scientifico. Si preferisce non alimentare la reazione con una quantità di inoculo fissa (es. 200g per giara), dato che inoculi con contenuto diverso di TS (total solids, sostanza secca) e di VS 139

140 darebbero luogo ad ingestati con diverse concentrazioni di TS e di VS, visto che il volume di diluizione è sempre lo stesso (=1 L). I digestati hanno ogni volta %TS e %VS diverse, per cui ogni volta è necessario determinare questi parametri, ridefinire il contenuto di inoculo e, di conseguenza, ricalcolare la quantità di biomassa da inserire, anche se la biomassa fosse la stessa. Per definire la quantità di inoculo da immettere nelle giare, il parametro da seguire è quello della concentrazione totale di VS all interno della giara, espresso in gvstot/l. Dato che il contenuto della giara è pari ad 1 L, la concentrazione è data semplicemente dalla somma di VSinoc e VSbiom, e quindi da 1,5VSinoc. La concentrazione totale di VS viene sempre mantenuta tra 20 e 25 gvstot/l. La quantità di biomassa tal quale da aggiungere sarà determinata secondo la seguente relazione: Q biom = VS biom %VS biom = VS inoc 2 %VS biom Una volta aggiunto l inoculo e la biomassa, nel reattore deve essere immessa una soluzione di minerali, che ha varie funzioni. La soluzione è costituita da 4 soluzioni madre (A1, A2, B e C), diluite opportunamente con acqua demineralizzata e preparate in volumi standard: - A1, tampone fosfato + cloruro di ammonio; - A2, cloruri di calcio e magnesio; - B, microelementi; - C, solfuro di sodio. La procedura corretta di inserimento delle diverse soluzioni prevede di procedere nell ordine A1- A2-B-C, facendo seguire all aggiunta di ogni soluzione una parziale diluizione con acqua demi, secondo la sequenza: A1 acqua A2 acqua B acqua C acqua fino a volume di 5 L Effettuato il caricamento dei reattori con i tre componenti base, questi sono pronti per la chiusura, l inserimento nella camera coibentata e termostatata del digestore, e per il flussaggio con N2, in seguito al quale può avere inizio la registrazione dei dati di pressione istantanea. Con frequenza settimanale o inferiore, i gas vengono campionati ed analizzati con un microgascromatografo per la determinazione della composizione del biogas. Lo strumento è opportunamente calibrato impiegando una miscela al 50% da metano e al 50% da anidride carbonica. La pressione viene registrata in continuo durante la prova, per cui anche sottraendo gas durante le operazioni di campionamento, nessuna informazione sulla quantità di gas prodotto viene persa. Le registrazioni consentono di costruire la cumulata del biogas prodotto da inizio a fine prova. 140

141 2.8.3 Risultati conseguiti Valutazione cloni o ibridi di specie SRF (sub task 1.1.1) PRODUZIONE: in assenza di irrigazione (figura ), per entrambi i cloni (AF2 e Monviso), si osserva una minore produzione di biomassa anche se con valori significativamente diversi fra loro. Invece per quanto riguarda i livelli 50 e 100 ETP non si osservano differenze significative fra i cloni. In particolare risulta interessante la relazione irrigazione-suolo, con una diversa risposta dei pioppi ai differenti livelli irrigui sui due tipi di suolo. Solo nel caso del suolo sabbioso- franco si osserva una differenza non significativa fra il livello 50 e 100 ETP. Figura Resa annua, al secondo ciclo di tagli (marzo 2013). Fr = suolo franco, SF = Suolo sabbioso-franco. Le lettere diverse, sopra la colonna, rappresentano differenze significative fra le medie MONITORAGGIO DELLA CRESCITA: il rilievo, a cadenza mensile, della biomassa dei pioppi nelle sue componenti (foglie, fusti, rami) ha permesso di descriverne l'andamento nel tempo. Come esempio vengono qui riportati (figura ) i dati relativi ai cloni impiantati su terreno sabbiosofranco. I valori del "legno" (fusto e rami insieme) confermano, quanto già osservato in precedenza, che in assenza di irrigazione la biomassa legnosa per pianta risulta nettamente inferiore rispetto agli altri livelli irrigui. Tale differenza è particolarmente evidente al secondo anno dal ricaccio (2012). E' proprio nel secondo anno che la pianta produce la maggior parte della biomassa anche se nell'estate 2012 è particolarmente evidente un arresto della crescita. L'effetto dell'irrigazione si osserva anche per quanto riguarda la produzione di biomassa fogliare, in particolare per Monviso. Lo studio dell'andamento nel tempo della biomassa fogliare ci ha permesso di valutare il massimo di produzione ed ottenere un valore indicativo di quante foglie rimangono al suolo, in termini di macronutrienti (figura ). 141

142 Figura Andamento della biomassa legnosa (somma di fusto e rami) e di quella fogliare durante il secondo ciclo produttivo. La barra verticale rappresenta la deviazione standard dalla media EFFICIENZA ED USO DEI MACRONUTRIENTI: l'analisi dei macronutrienti presenti nella biomassa epigea si è concentrata su: azoto, fosforo e potassio. Di seguito riportiamo alcune riflessioni riguardanti la presenza di azoto nei cloni Monviso e AF2 cresciuti su terreno sabbioso-franco, ma ulteriori approfondimenti sono in fase di elaborazione anche per gli altri macronutrienti. In figura si può osservare come la concentrazione di azoto nelle foglie e nel fusto sia molto simile per i due cloni (come media dei tre livelli irrigui) mentre a livello di asportazioni il clone Monviso presenta valori molto più alti rispetto ad AF2. La quantità di azoto che ritorna al suolo tramite le foglie (ottenuta sommando le produzioni massime di biomassa fogliare del 2011 e del 2012) non sembra così diversa nei due cloni. 142