Biofertilizers and biostimulants from microalgae grown in wastewater: characterization and agronomic trials

Abstract

(English) Chemical fertilizers have played a crucial role in modern agriculture, enabling high productivity rates to meet the demands of a rapidly growing global population. However, it is now evident that its overuse poses significant environmental risks. Biofertilizers have emerged as a promising alternative. Microalgae are photosynthetic microorganisms that show great potential as biofertilizers. They can survive in diverse environments, including wastewater. Using microalgae in wastewater treatment not only produces treated water suitable for reuse, but also generates microalgal biomass that can be converted in valuable bioproducts, including biofertilizers. Moreover, microalgae can produce compounds that function as biostimulants. This doctoral thesis aims to contribute to sustainable agriculture by developing biofertilizers and biostimulants derived from microalgae cultivated in wastewater. The research demonstrates that microalgae can act as an environmentally friendly, effective, and safe alternative to chemical fertilization. First, a microalgal biomass was grown using urban wastewater in 470L High Rate Algal Pond (HRAP) and analyzed in order to study its safety. The nutrient content was: 7.6% N, 1.6% P, and 0.9% K. The biomass did not present pathogens and the content of heavy metals was below the threshold established by the Regulation (EU) 2019/1009. Out of 29 organic compounds analyzed in wastewater and only 3 of them (caffeine, hydroxycinnamic acid, and bisphenol A) were found in the biomass. Then, the efficacy of the biomass as a biofertilizer was studied in two agronomic trials, in a greenhouse, using basil and lettuce plants. These experiments concluded that the best results were obtained by mixing the biomass with the chemical fertilizer, which allowed to reduce the dose of fertilizer by 50%. Then, a novel biofertilizer was also developed by encapsulating microalgae in an organic matrix (polylactic acid) using nanotechnology, in order to make slower the release of nutrients. A nutrient release experiment was performed and the results showed that the encapsulation successfully reduced the nutrient release rate. A life cycle and economic analysis were performed comparing lettuce production using microalgae biofertilizers with inorganic fertilizer. The life cycle assessment revealed that the production of lettuce with the microalgal biomass produced in a wastewater treatment plant has less impact in 10 out of 11 impact categories than the production of lettuce with inorganic fertilizer (ammonium nitrate in this case). The biofertilizer was cost-competitive, being potentially 30% cheaper than inorganic fertilizers. Finally, the microalgal biomass was also studied as a source of biostimulants compounds. Three microalgal strains (Scenedesmus sp., Synechocystis sp., and Phormidium sp.) were grown in wastewater using closed photobioreactos of 2.5L. The results showed that the three strains produced similar phytohormones profile, with indole-3-acetic acid (IAA) being the most abundant. The three strains produced a higher concentration of proteins than carbohydrates. Scenedesmus sp was then grown in the 470L HRAP using wastewater. This biomass presented a high concentration of phytohormones, in particular cytokinins (TZ, 21 mg/gDW) and auxins (IAA, 7 mg/gDW). The microalgal extracts were applied to 35-days-old lettuce plants, some of which were subjected to draught stress. The results showed no significant differences for stressed plants. Plant growth was also compared to a control group that received tap water instead of the microalgal extract. In this case, fresh weight increased by 12–13% when microalgae extracts were applied.

(Català) Els fertilitzants químics han jugat un paper crucial en l'agricultura moderna, permetent altes taxes de productivitat per satisfer les demandes d'una població global que creix ràpidament. No obstant això, ara és evident que el seu ús excessiu planteja importants riscos mediambientals. Els biofertilitzants han sorgit com una alternativa prometedora. Les microalgues són microorganismes fotosintètics que mostren un gran potencial com a biofertilitzants. Poden sobreviure en diversos ambients, incloent les aigües residuals. L'ús de microalgues en el tractament d'aigües residuals no només produeix aigua tractada adequada per a la seva reutilització, sinó que també genera biomassa microalgal que es pot convertir en bioproductes valuosos, inclosos els biofertilitzants. A més, les microalgues poden produir compostos que funcionen com a bioestimulants. Aquesta tesi doctoral pretén contribuir a l'agricultura sostenible mitjançant el desenvolupament de biofertilitzants i bioestimulants derivats de microalgues cultivades en aigües residuals. En primer lloc, es va obtenir una biomassa microalgal utilitzant aigües residuals urbanes en 470L i es va analitzar per estudiar-ne la seguretat. El contingut de nutrients va ser: 7,6% N, 1,6% P i 0,9% K. La biomassa no presentava patògens i el contingut de metalls pesants estava per sota del llindar establert pel Reglament (UE) 2019/1009. Dels 29 compostos orgànics analitzats en aigües residuals, només 3 d'ells (cafeïna, àcid hidroxicinàmic i bisfenol A) es van trobar en la biomassa. A continuació, es va estudiar l'eficàcia de la biomassa com a biofertilitzant en dos assajos agronòmics, en un hivernacle, utilitzant plantes d'alfàbrega i enciam. Aquests experiments van concloure que els millors resultats es van obtenir barrejant la biomassa amb el fertilitzant químic, el que va permetre reduir la dosi de fertilitzant en un 50%. Després, també es va desenvolupar un nou biofertilitzant encapsulant microalgues en una matriu orgànica (àcid polilàctic) utilitzant nanotecnologia, per tal de fer més lent l'alliberament de nutrients. Es va realitzar un experiment d'alliberament de nutrients i els resultats van mostrar que l'encapsulació va reduir amb èxit la taxa d'alliberament de nutrients. Es va realitzar un cicle de vida i anàlisi econòmica comparant la producció d'enciam mitjançant biofertilitzants de microalgues amb fertilitzants inorgànics. L'avaluació del cicle de vida va revelar que la producció d'enciam amb la biomassa microalgal produïda en una depuradora d'aigües residuals té menys impacte en 10 de les 11 categories d'impacte que la producció d'enciam amb fertilitzants inorgànics (nitrat d'amoni en aquest cas). El biofertilitzant era competitiu en costos, sent potencialment un 30% més barat que els fertilitzants inorgànics. Finalment, també es va estudiar la biomassa microalgal com a font de compostos bioestimulants. Tres soques microalgals (Scenedesmus sp., Synechocystis sp. i Phormidium sp.) es van conrear en aigües residuals utilitzant fotobioreactos tancats de 2.5L. Els resultats van mostrar que les tres soques produïen un perfil de fitohormones similar, sent l'àcid indole-3-acètic (IAA) el més abundant. Les tres soques produïen una major concentració de proteïnes que els hidrats de carboni. Scenedesmus sp., va créixer en 470L utilitzant aigües residuals. Aquesta biomassa presentava una alta concentració de fitohormones, en particular citoquinines (TZ, 21 mg/gDW) i auxines (IAA, 7 mg/gDW). Els extractes de microalgues es van aplicar a plantes d'enciam de 35 dies d'antiguitat, algunes de les quals van ser sotmeses a estrès. Els resultats no van mostrar diferències significatives per a les plantes estressades. El creixement de la planta també es va comparar amb un grup de control que rebia aigua de l'aixeta en lloc de l'extracte de microalgues. En aquest cas, el pes fresc va augmentar un 12–13% quan es van aplicar extractes de microalgues.

(Español) Los fertilizantes químicos han desempeñado un papel crucial en la agricultura moderna, permitiendo altos niveles de productividad para satisfacer la demanda de una población global en rápido crecimiento. Sin embargo, ahora es evidente que su uso excesivo conlleva riesgos ambientales significativos. Los biofertilizantes han surgido como una alternativa prometedora. Las microalgas son microorganismos fotosintéticos que muestran un gran potencial como biofertilizantes. Pueden sobrevivir en diversos entornos, incluyendo aguas residuales. El uso de microalgas en el tratamiento de aguas residuales no solo produce agua tratada apta para su reutilización, sino que también genera biomasa microalgal que puede convertirse en bioproductos valiosos, incluidos los biofertilizantes y bioestimulantes. Esta tesis doctoral tiene como objetivo contribuir a la agricultura sostenible mediante el desarrollo de biofertilizantes y bioestimulantes derivados de microalgas cultivadas en aguas residuales. En primer lugar, se cultivó biomasa microalgal utilizando aguas residuales urbanas en una laguna de alta carga de 470L y se analizó su seguridad. El contenido de nutrientes fue: 7,6% de N, 1,6% de P y 0,9% de K. La biomasa no presentó patógenos y el contenido de metales pesados estuvo por debajo del umbral establecido por el Reglamento (UE) 2019/1009. De los 29 compuestos orgánicos analizados en las aguas residuales, solo 3 de ellos (cafeína, ácido hidroxicinámico y bisfenol A) se encontraron en la biomasa. Luego, se estudió la eficacia de la biomasa como biofertilizante en dos ensayos agronómicos en invernadero, utilizando plantas de albahaca y lechuga. Estos experimentos concluyeron que los mejores resultados se obtuvieron al mezclar la biomasa con fertilizante químico, lo que permitió reducir la dosis del fertilizante en un 50%. Posteriormente, se desarrolló un biofertilizante encapsulando microalgas en una matriz orgánica (ácido poliláctico) mediante nanotecnología, con el fin de ralentizar la liberación de nutrientes. Se realizó un experimento de liberación de nutrientes, cuyos resultados mostraron que la encapsulación logró reducir con éxito la tasa de liberación de nutrientes. Se llevó a cabo un análisis del ciclo de vida y un análisis económico comparando la producción de lechuga con biofertilizantes de microalgas frente a fertilizantes inorgánicos. La evaluación del ciclo de vida reveló que la producción de lechuga con biomasa microalgal cultivada en una planta de tratamiento de aguas residuales tiene un impacto menor en 10 de las 11 categorías de impacto analizadas en comparación con la producción de lechuga con fertilizante inorgánico. Además, el biofertilizante fue económicamente competitivo, con un costo potencialmente un 30% menor que el de los fertilizantes inorgánicos. Finalmente, se estudió la biomasa microalgal como fuente de compuestos bioestimulantes. Se cultivaron tres cepas de microalgas (Scenedesmus sp., Synechocystis sp. y Phormidium sp.) en aguas residuales utilizando fotobiorreactores cerrados de 2,5L. Los resultados mostraron que las tres cepas produjeron perfiles de fitohormonas similares, con el ácido indol-3-acético (IAA) como la más abundante. Las tres cepas produjeron una mayor concentración de proteínas en comparación con carbohidratos. Luego, Scenedesmus sp. se cultivó en el HRAP de 470L utilizando aguas residuales. Esta biomasa presentó una alta concentración de fitohormonas, en particular citocininas (TZ, 21 mg/gDW) y auxinas (IAA, 7 mg/gDW). Se aplicaron extractos de microalgas a plantas de lechuga de 35 días, algunas de las cuales fueron sometidas a estrés hídrico. Los resultados no mostraron diferencias significativas en las plantas estresadas. El crecimiento de las plantas también se comparó con un grupo de control que recibió agua del grifo en lugar del extracto de microalgas. En este caso, el peso fresco aumentó entre un 12% y un 13% cuando se aplicaron los extractos de microalgas.