Utilisation of a Thermo-acidophilic Microalga, Galdieria sulphuraria ACUF 427, for Urban Wastewater Treatment

L’inquinamento delle risorse idriche, causato dalla crescente urbanizzazione e dall’aumento della popolazione mondiale, rappresenta una grave minaccia per la salute pubblica e ambientale, e richiede soluzioni sostenibili ed efficienti per il trattamento delle acque reflue. Questa tesi di dottorato affronta gli aspetti salienti del trattamento delle acque reflue urbane valutando l'uso della microalga termo-acidofila Galdieria sulphuraria (G. sulphuraria ACUF 427). I metodi convenzionali di trattamento delle acque reflue spesso devono affrontare limitazioni in termini di costi, di fabbisogno energetico e di resilienza in condizioni estreme. G. sulphuraria prospera in ambienti con acidi, temperatura elevata e elevata salinità ed è capace di crescita autotrofa, eterotrofa e mixotrofica. Questi attributi rendono un candidato promettente per strategie di biorisanamento efficaci ed ecocompatibili. La ricerca ha auto inizio con un’approfondita ricerca sule tema della G. sulphuraria, che ha permesso di evidenziare la versatilità fisiologica, la capacità di produrre composti bioattivi e le sue applicazioni nella rimozione dalle acque reflue di elementi nutrienti, agenti patogeni e metalli pesanti, fino al recupero degli elementi delle terre rare. Gli studi sperimentali, volti ad ottimizzare le prestazioni della microalga nel trattamento delle acque reflue urbane sedimentate primarie hanno permesso di focalizzare la ricerca su due parametri operativi chiave: il pH iniziale del refluo in trattamento mezzo di coltura e la densità della biomassa algale. Nella prima fase sperimentale è stato valutato l'impatto del pH iniziale (2,0 e 4,0) del refluo. A pH 4,0 G. sulphuraria ha raggiunto tassi di rimozione degli inquinanti significativamente più elevati, inclusi 72,41 mg·L⁻¹·d⁻¹ per COD, 4,91 mg·L⁻¹·d⁻¹ per ammonio (N-NH₄⁺), 3,81 mg·L⁻¹·d⁻¹ per ammoniaca (N-NH₃) e 0,864 mg·L⁻¹·d⁻¹ per il fosfato (P-PO₄³⁻). Sebbene non siano state riscontrate differenze statisticamente significative nella resa della biomassa o nella produzione di ficocianina tra i livelli di pH, entrambi i parametri di crescita sono stati superiori nelle acque reflue urbane rispetto al terreno Allen standard. In particolare, l'Escherichia coli è stato eliminato (0 UFC·100 mL⁻¹) in entrambe le condizioni di pH entro quattro giorni. La seconda fase si è concentrata sulla variazione della densità della biomassa algale, valutata mediante la diversa densità ottica (OD, 2, 4 e 6). Le densità di biomassa più elevate sono correlate a una migliore rimozione dei nutrienti e produttività della biomassa stessa. A OD6, i tassi di rimozione hanno raggiunto il picco di 7,49 mg·L⁻¹·d⁻¹ per l'ammonio, 6,43 mg·L⁻¹·d⁻¹ per l'ammoniaca e 0,862 mg·L⁻¹·d⁻¹ per il fosfato. La rimozione del COD ha raggiunto 50,58 mg·L⁻¹·d⁻¹, senza differenze significative tra OD4 e OD6. La crescita delle alghe è stata massima con OD6 (0,241 g·L⁻¹·d⁻¹ in 24 ore) e anche la produzione di ficocianina è aumentata significativamente con l’aumento di OD, seguendo l'ordine OD6 > OD4 > OD2. Questi risultati dimostrano che G. sulphuraria ACUF 427 è una soluzione efficace, adattabile e scalabile per il trattamento delle acque reflue urbane, con l’ulteriore vantaggio di produrre biomassa e pigmenti di elevato valore economico come le ficocianine. Come supplemento alla ricerca sperimentale, è stato condotto uno studio sulla diffusione in Italia di sistemi di depurazione delle acque reflue basate sulla realizzazione di zone umide artificiali. Lo studio ha offerto una prospettiva più ampia sui sistemi di trattamento basati sulla natura, rafforzando l’obiettivo generale della tesi di promuovere strategie di gestione delle acque reflue sostenibili e a basso impatto ambientale.

Water pollution, driven by rapid urbanisation and population growth, poses a critical threat to environmental and public health, demanding sustainable and efficient wastewater treatment solutions. This doctoral thesis addresses this global challenge by investigating the use of the thermo-acidophilic microalga Galdieria sulphuraria ACUF 427 (G. sulphuraria) for urban wastewater treatment. Conventional wastewater treatment methods often face limitations in cost, energy requirements, and resilience under extreme conditions. In contrast, G. sulphuraria thrives in low pH, high temperature, and high salinity environments, and is capable of autotrophic, heterotrophic, and mixotrophic growth. These attributes make it a promising candidate for robust, eco-friendly bioremediation strategies. The research begins with a comprehensive review of G. sulphuraria, highlighting its physiological versatility, its ability to produce bioactive compounds, and its applications in removing nutrients, pathogens, and heavy metals from wastewater, including rare earth element recovery. Experimental studies then evaluate two key operational parameters: initial pH and algal biomass density, to optimise the microalga’s performance in treating primary-settled urban wastewater. In the first experimental phase, the impact of initial pH (2 and 4) was assessed. At pH 4, G. sulphuraria achieved significantly higher pollutant removal rates, including 72.41 mg·L⁻¹·d⁻¹ for COD, 4.91 mg·L⁻¹·d⁻¹ for ammonium (N-NH₄⁺), 3.81 mg·L⁻¹·d⁻¹ for ammonia (N-NH₃), and 0.864 mg·L⁻¹·d⁻¹ for phosphate (P-PO₄³⁻). Although no statistically significant differences were found in biomass yield or phycocyanin production between pH levels, both metrics were enhanced in urban wastewater compared to the standard Allen Medium. Notably, Escherichia coli was eliminated (0 CFU·100 mL⁻¹) in both pH conditions within four days. The second phase focused on algal biomass density, using optical densities (OD) of 2, 4, and 6. Higher biomass densities correlated with improved nutrient removal and productivity. At OD6, removal rates peaked at 7.49 mg·L⁻¹·d⁻¹ for ammonium, 6.43 mg·L⁻¹·d⁻¹ for ammonia, and 0.862 mg·L⁻¹·d⁻¹ for phosphate. COD removal reached 50.58 mg·L⁻¹·d⁻¹, with no significant difference between OD4 and OD6. Algal growth was highest at OD6 (0.241 g·L⁻¹·d⁻¹ in 24 h), and phycocyanin production also increased significantly with OD, following the order OD6 > OD4 > OD2. These findings demonstrate that G. sulphuraria ACUF 427 is an effective, adaptable, and scalable solution for urban wastewater treatment, with the added benefit of producing valuable biomass and pigments. As a supplement to the experimental research, an annexed review of constructed wetlands in Italy offers a broader perspective on nature-based treatment systems, reinforcing the thesis’s overarching goal of advancing sustainable and low-impact wastewater management strategies.