Ricerca e innovazione forestale a supporto della bio-economia globale. G. Scarascia-Mugnozza Università della Tuscia, Viterbo

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1 Ricerca e innovazione forestale a supporto della bio-economia globale G. Scarascia-Mugnozza Università della Tuscia, Viterbo Workshop «Wood Security e Innovazioni», CRA - Roma 27 novembre 2013

2 I numeri del settore Foresta-Legno in Italia (prodotti forestali, legno, carta) Fatturato Mld Export 14.6 Mld ma la produzione legnosa Import 7.5 Mld nazionale ammonta soltanto a Saldo commerciale 7.1 Mld 1 Mld ca. Piccole imprese (< 50 dip.) 85,000 Medie imprese (> 50 dip.) 2,200 Occupati 450,000 (inoltre Macchine Lavorazione Legno: 1.5 Mld ; 70% esportato)

3 Foreste e territorio Importanza dei servizi ambientali delle foreste: valore di 2 Miliardi per il C-sequestration in Italia 1954 (ma anche l agricoltura e la 2000 protezione del suolo saranno determinanti nel Kyoto2)

4 Stato delle foreste nel mondo (MEA 2005; FAO 2012) copertura forestale 6 Gha (10,000 anni fa) 4 Gha (oggi)

5 Dinamiche forestali a livello globale Prosegue, anche se in diminuzione, la deforestazione soprattutto tropicale (-13 Mha/anno) Nuovi Paesi con espansione delle foreste (es. Cina e India), oltre a quelli industrializzati (+7Mha/anno) Crescente importanza delle piantagioni forestali Problema della degradazione e danneggiamento delle foreste naturali (politiche FLEGT-Forest Law Enforcement Governance and Trade, REDD-Reducing Emissions from Deforestation & Degradation)

6 Sfide mondiali (grand challenges) a livello forestale Cambiamenti climatici e del territorio (adattamento e mitigazione, SE) Fabbisogno crescente di biomasse (gestione forestale, logistica e trasformazione del legno) Biotecnologie forestali (produttività e sostenibilità)

7 Human footprint

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10 Relazione tra eventi estremi e cambiamenti globali? Hugo Ahlenius, UNEP/GRID-Arendal

11 GEO CARBON

12 Fate of Anthropogenic CO 2 Emissions ( average) 8.3±0.4 PgC/yr 90% 4.3±0.1 PgC/yr 46% 1.0±0.5 PgC/yr 10% + 2.6±0.8 PgC/yr 28% Calculated as the residual of all other flux components GEO CARBON 26% 2.5±0.5 PgC/yr Source: Le Quéré et al. 2012; Global Carbon Project 2012

13 FORESTRY AND CLIMATE CHANGES Impacts of Climate Changes Carbon sequestration Energy production Vulnerability Adaptation Mitigation v Wood & Fiber v Changes in consumption

14 Servizi ecosistemici delle foreste Mediterranee e stima del loro valore economico

15 Bertini et al., 2012 (CRA-SEL, Arezzo)

16 Italy: Changes in productivity under future warming scenarios Fagus sylvatica Quercus cerris Quercus ilex Mancini, 2011 (PhD Thesis); Vitale et al., 2011 Increased CO 2 effects not included

17 Questioni aperte e programmi di ricerca Quali scenari di impatto/migrazioni sugli ecosistemi in Italia/Mediterraneo? Continuità della capacità di sequestro del carbonio? Quale gestione per mitigare il rischio «incendi forestali»? Quale selvicoltura per contenere eventi estremi (precipitazioni, frane, diffusione parassiti)? Quali strumenti economici e di mercato per la gestione dei servizi ecosistemici? Programmi H2020, EraNet, COST, LIFE

18 Ma dov èla biomassa legnosa? Fabbisogno attuale in Italia: 40 Mm 3 (80% importato) in Italia serviranno in più almeno 15 Mt ( 30 Mm 3!!) di legno e altre biomasse vergini in EU almeno 400 Mt ( 800 Mm 3!!)

19 INCREMENTO ANNUO LEGNOSO DELLE FORESTE ITALIANE In realtàl Italia taglia solo il 25-30% Incremento annuo Mio m 3 (24.7 Mio Mg) Incremento per ha 4.1 m 3 ha 1 (Italia) 5.1 m 3 ha 1 (Alpi) 3.5 m 3 ha 1 (Appennino centro- nord) 3.4 m 3 ha 1 (Appennino centro- sud e Isole) Total annual gross increment - Forest della produttivitàforestale Alps Northern-Central Apennines c èun po di margine per Southern Apennines and Islands 1000 m aumentare le utilizzazioni ma con juicio (da Colletti, CFS 2011)

20 e in Europa?

21 Fabbisogno di legno per industria e energia in EU From Matau 2010

22 Differenza tra fabbisogno e disponibilità di legno in EU From Matau 2010

23 L Europa (ma non l Italia) èattualmente autosufficiente per il fabbisogno legnoso per industria e energia. Ma i bisogni europei (e globali) sono in forte aumento (> 1-2% annuo) e si prevede un deficit a partire dal Quali opzioni per soddisfare le richieste: aumentare il tasso di utilizzazione forestale? (in EU al 60-70%, in Italia al 25%) con sostenibilità maggiore efficienza di uso delle risorse legnose piantagioni legnose dedicate (superando gli yield gaps?)

24 Necesssarie innovazioni di prodotto e di processo per rendere economicamente coonveniente la mobilizzazione del legname (da Cavalli et al. 2008)

25 Gestione forestale e mobilizzazione risorse con tecniche innovative di telerilevamento 3D e sistemi informativi forestali telerilevamento 2D (OFD multi-stagione con rendering 3d, IRFalsoCol.) telerilevamento 3D (Lidar CHM/ cloud dati/.las) delimitazione a video delle U.F. (poligoni omogenei) Gestione forestale adattativa Scrinzi e Colle 2013

26 Potenzialitàproduttive di biomasse per energia in Europa nel 2030 Le colture dedicate da biomasse lignocellulosiche potranno fornire fino a 20 EJ all anno (440 Mtep) (de Wit & Faaij, 2010 B&B)

27 Questioni aperte e programmi di ricerca Nuove tecnologie meccanico-informatiche di mobilizzazione della biomassa? Riduzione impatti meccanizzazione sull ecosistema Sistemi informativi forestali e geomatica per la gestione forestale sostenibile Quali nuovi strumenti di osservazione terrestre al servizio della gestione forestale? Analisi di vocazionalità e LCA per colture legnose da biomassa Programmi GMES, PON, PSR, Joint Technology Initiatives, Technology Platform

28 Prima vs. Seconda Generazione di Biocarburanti: Fare carburanti con il mais mette a rischio l alimentazione 85% Ethanol

29 Perché la Seconda Generazione di Biocarburanti? Forniscono sviluppo economico CO2 O2 H2O I biocarburanti sono rispettosi dell ambiente Fissazione mediante la fotosintesi Anidride carbonica Combustione Etanolo, butanolo Fermentazione Pretrattamento - idrolisi Zuccheri L'uso delle biomasse è "neutro" sulle emissioni di biossido di carbonio

30 Fase III: La Mappa del Mercato dei Biocarburanti in Europa Impianti a scala dimostrativa: 1 Chemtex, Italia (materia prima: Arundo donax) 2 Abengoa, Spagna (materia prima: paglia dall orzo, residui forestali) 1 Inbicon, Danimarca (materia prima: paglia dal grano) Impianti a scala pilota: 1 Chemtex, Italia (capacità: 40-50M l/a; materia prima: Arundo donax) 1 NILE, Romania (capacità:2t dry materia prima/d; materia prima: conifere) Produzione di biocarburanti Ricerca e sviluppo tecnologico: 1 Chemtex, Italia 1 progetto nazionale di 20 M 1 progetto EU 15 M Source: BIOMAP ( Strumento di mappatura e disseminazione per progetti legati al biofuel

31 Costo Relativo dei Diversi Passaggi del Processo Produttivo di Bioetanolo Percentuale del costo complessivo Percentuale del costo di conversione Percentuale del costo totale 5 0 Materia prima Pretrattamento SFS fermentazione Distillazione Produzione di cellulasi Costo energetico del ciclo Source: Wyman, 1999.

32 Le biotecnologie forestali diventano indispensabili per far fronte al fabbisogno di biomasse, sostenibili e a elevata produttività: 1. Riproduzione vegetativa Talee Pinus taeda, NC, USA, S. McKeand Innesto Pinus taeda, NC, USA, S. McKeand Embriogenesi somatica Picea abies, Swee Tree, Svezia 2. Breeding assistito dall'uso di marcatori molecolari 3. Omics 4. Ingegneria genetica Pinus taeda, NC, USA, S. McKeand Breeding tradizionale Populus spp., Viterbo, Italia, M. Sabati

33 Addomesticare il pioppo usando l'ingegneria genetica per migliorare il suo utilizzo come coltura bioenergetica Perchéil pioppo? Il pioppo éconsiderato una pianta ideale per la produzione di biomassa lignocellulosica Gli attuali genotipi di pioppo sono in grado di produrre circa 24 ton di biomassa/ha/anno ; ~ litri di etanolo/ton L etanolo prodotto ha un rendimento superiore del 24% per ettaro rispetto alla maggior parte delle altre colture, come il panico verga(j.tuskan, 2006) Genotipi adattati a crescere attraverso ampi range geografici Una piantaggione di pioppo ibridio fertirrigato nel Oregan USA (source: J. Eaton, GWR) Contiene azotofissatori endofiti (Doty et al. 2005) Problemi da risolvere? Ha bisogno di molta acqua per crescere Una piantagione di 2 anni : 2.7 million l/anno/ha (source: J. Eaton, GWR USA) Non è molto efficiente nell utilizzo dell acqua Specie riparie È modetaramente sensibile alla salinità Le attese previste relative alla crescita ed alla produzione diminuiscono del 50% a ECe ds/m (source: A. Blaylock, University of Wyoming) Progetto: il miglioramento genetico del pioppo alla tolleranza alla salinità e all'efficienza nell'uso dell'acqua A. Harfouche, E. Kuzminsky, M. Sabatti, G. Scarascia Mugnozza (UNITUS, CRA) e I. Beritognolo (CNR)

34 The Potential of Genomic Selection 10+ years 8+ years 8+ years B T P Top-grafting + Clonal propagation 4 years 8+ years <1yr Conventional breeding B T P Genomic selection 4 years 1yr B T P years 1yr First generation B T P GS = genetic improvement based on prediction models developed by estimating the combined effect of all existing markers simultaneously on a phenotype. Models are developed by phenotyping and high-density genotyping a training population, so that all loci that regulate a phenotype are in LD with at least one marker. 4 years 1yr B T P Advanced breeding and propagation Advanced breeding and propagation and application of genomic selection Future generations Second generation Third generation Harfouche, A., Meilan, R., Kirst, M., Morgante, M., Boerjan, W., Sabatti, M., Scarascia Mugnozza, G. (2012). Trends in Plant Science, 17: 64-72

35 Biotecnologie per l ambiente: l alberi forestali biotech per la fitodepurazione Una applicazione è l utilizzo delle piante forestali biotech per risanare i terreni da inquinamento dovuto a TCE TCE (TriCloroEtilene o Trielina): è una sostanza organoalogenata è un ottimo solvente per molti composti organici è un sospetto cancerogeno Prova di campo con i pioppi transgenici con il gene cytochrome P450 2E1, un enzima chiave per metabolizzare una varieta di sostanze alogenate In Italia, è stata riconosciuta da tempo una sorgente di contaminazione legata alle aziende chimiche che hanno determinato la presenza di TCE Le piante trasgeniche CYP2E1 metabolizzano più TCE rispetto al controllo Source: Doty et al. unpublished CYP2E1 è stato studiato ed utilizzato per produrre piante transgeniche al fine di valutare il loro ruolo come biodepuratori C è un maggiore assorbimento di TCE nei suoli dove sono allevati alberi transgenici

36 Questioni aperte e programmi di ricerca Metodologie innovative di breeding per produttività, qualità, ambiente? Vincoli alla ricerca biotecnologica? Sostenibilità delle colture lignocellulosiche? Ricerca interdisciplinare industria-università-enti di ricerca? Valorizzazione della proprietà intellettuale e trasferimento tecnologico? Programmi Cluster Green Chemistry, Public- Private partnership, ERC, H2020

37 Emphasis on biomass for energy because: free from intermittency flexibility less environmental impact (long term crops) higher energy conversion efficiency (output/input up from 2 to 4) Grazie!