Specie erbacee native per la produzione di

Specie erbacee native per la
produzione di biomasse
Leonardo Sulas
CNR, ISTITUTO PER IL SISTEMA PRODUZIONE ANIMALE
IN AMBIENTE MEDITERRANEO
Le colture agroenergetiche: un’opportunità per
l’agricoltura?
Dott. Leonardo Sulas
CNR.- ISPAAM,
Traversa La Crucca 3, località Baldinca
07100 SASSARI
Tel. +39 079 2841606
[email protected]
Uta 24 Ottobre 2012
Sin dal 1984, attività di ricerca su due linee:
SISTEMI FORAGGERI SOSTENIBILI
VALORIZZAZIONE DI GERMOPLASMA
Risorse genetiche di specie
foraggere native
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Usi multipli e nuovi impieghi di specie native in aree
mediterranee
•
•
•
•
Agricultura biologica
Cover crop per sistemi colturali erbacei/arborei
Sistemi silvopastorali e fasce antincendio
Protezione del suolo, recupero aree
fitorisanamento, etc.
• Uso medicinale, farmaceutico, insetticida
• Funzione paesaggistica e usi ricreativi
manomesse,
• bioenergia
Anche se numerose specie vengono elencate come energy crops, poche specie
possono essere coltivate in ambiente mediterraneo senza irrigazione.
Ideotipo della coltura da bioenergia:
rese elevate, basso costo, ridotto input energetico, basso fabbisogno di nutrienti,
ridotta presenza di contaminanti, etc
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Caratteristiche della biomassa
•
•
•
•
•
•
l’umidità
la densità reale ed apparente
contenuto in oli, zuccheri
l rapporto carbonio/azoto (C/N)
il potere calorifico superiore e inferiore
la composizione elementare (C, N, H, O…).
Caratteristiche
Filiere di conversione
Tipologia utilizzo finale
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Colture energetiche dedicate
• Ligno –cellulosiche
- Erbacee annuali
- Erbacee perenni
- Legnose
• Oleaginose
• Alcoligene
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Colture energetiche dedicate
1. Competizione vs colture food (2050)
2. Specie realmente idonee alla coltivazione in
ambiente mediterraneo asciutto
3. Richieste dell’industria
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Materie prime
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Cardi
• specie native nei Paesi Mediterranei
• Cardo a ciclo annuale:
1) cardo mariano (Silybum marianum, Milk thistle, Ardu biancu)
• Cardo a ciclo poliennale:
2) cardo gentile (coltivato) (Cynara cardunculus var. altilis, Cynara, Ardu),
3) cardo selvatico (Cynara cardunculus var. silvestris, Cardoon, Ardu leu),
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Cardi
mariano
gentile
selvatico
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Silybum marianum Gaertner
S. marianum (Milk thistle) è una
specie erbacea spinosa a ciclo
annuale nativa di aree mediterranee.
Specie infestante è conosciuta sin
dall’antichità come pianta medicinale
per la presenza nei sui semi (acheni)
della silimarina, un complesso
biattivo antiepatotossico.
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Impiego del cardo mariano come pianta medicinale
Teofrasto (IV secolo AC), 1st
Diocuride (I secolo DC)
Plinio
(I secolo DC)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Etnobotanica in Sardegna:
uso alimentare e medicinale (Atzei, Cossu, etc.)
• Alimentazione: specie edule, ottima verdura, cruda, cotta
o sott’olio
• Si utilizza: parte terminale del fusto prima della fioritura,
foglia tenera privata delle spine marginali, capolino
dischiuso
• Applicazione demoiatrica: epatoprotettore,
disintossicante epatico, diuretico, ipertensivo, eupepticodigestivo, sudorifero antiemorragico
• Anche uso esterno per piaghe, ulcere, etc., (infusi e
decotti delle diverse parti)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Silybum marianum Gaertner
• Cardo mariano, c. di Santa Maria, c. lattario, ardu
biancu, Milk thistle
• Originaria del bacino del Mediterraneo è oggi diffusa in
Europa centrale, America del sud e Australia
• Specie erbacea spinosa, a ciclo biennale o annuale e
tipica di ambienti ruderali (nitrofila) mediterranei
• Foglie inf. grandi lucide e coriacee caratteristicamente
variegate di bianco, lanceolate lobate con spine gialle sui
lobi; Foglie sup. minori, amplessicaule dentate
• Capolini isolati su lunghi peduncoli
• Frutti sono acheni lisci e glabri con pappo candido e
tegumenti impermeabili e con elaisomi attrattivi per le
formiche e che ne favoriscono quindi la dispersione
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Silybum marianum Gaertner
• Il cardo mariano è più noto come pianta
medicinale per la presenza nei suoi semi
della silimarina, (1,5-3% dell’achenio
miscela di flavolignani: silibina, silidianina e
silicristina) sostanza bioattiva con azione
anti-epatotossica ed epato-protettiva
• La silimarina è risultata in gradi di
limitare gli effetti spesso letali dei funghi
del genere Amanita (alfa-ammanitina,
falloidina)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Infestante di colture autunno vernine,
pascoli migliorati e naturali
“Silybum marianum was the most important weed in the 2° year and cuts
were necessary after spring grazing to avoid its self-reseeding”
(Sulas et al., 1992, EGF meeting )
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
idea
• Elevata biodiversità di molti areali Mediterranei garantisce la
disponibilità di specie e genotipi autoctoni, rustici, ben adattati
e potenzialmente utili per la produzione di biomassa in regime
asciutto
• Alcune specie conosciute solo come infestanti possono
essere considerate come fonte di biomassa
• L’idea di base è quella di convertire in opportunità quei
caratteri tipici di una specie infestante (adattamento, abilità
competitiva, produzione di seme e persistenza, etc.)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Problema ricorrente
Opportunità:
Insilamento fitomassa
Progetto di ricerca “Colture erbacee per la
produzione di biomassa a fini energetici”
• Triennio 2008-10 + altra attività
• Per la raccolta di adeguati quantitativi di
seme, è stata effettuata una collezione di
popolazioni locali individuate in siti
differenziati per caratteristiche pedoclimatiche
• I capolini sono stati trebbiati con l’ausilio di
una trebbiatrice parcellare per l’ottenimento
del seme pulito
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Badesi
Portotorres
Osilo
Saccheddu
Buddusò
Bitti
Bolotana
Nurri
Domusnovas
Giba
Siti di raccolta accessioni
Di
Silybum marianum
Prove di coltivazione di cardo mariano per la
produzione di biomassa
•
•
•
•
•
•
Collezione germoplasma di popolazioni naturali
Valutazione germinabilità e vitalità col test tetrazolo
Impianto e coltivazione a livello parcellare
Rilievi , misurazioni e sfalci su aree di saggio
Raccolta meccanica
Campionamenti per valutare produzione di sostanza
secca e ripartizione della fitomassa nelle sue
componenti
• Analisi della composizione chimica (C, H, N, O, S),
ceneri e loro composizione
• Potere calorifico di componenti della fitomassa
• Contenuto in olio e sua composizione in acidi grassi
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Peso 1000 semi (acheni) = 20 g
Popolazione
1000 semi
OSL
21,7 b
PRT
22,6 a
SCC
22,9 a
BDS
19,5 c
BLT
18,4 c
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Prove di coltivazione di cardo mariano per la
produzione di biomassa (triennio 2008-2010)
• Semina delle parcelle
• Distanza tra file 40 cm; investimento 6 piante m2
• concimazione solo all’impianto con circa 90 kg ha-1 di P2O5 e
35 kg ha-1 di N
• A partire dall’autunno, rilievi su 3 aree di saggio per parcella:
1. emergenza e densità delle piante (n. m-2),
2. rilievi fenologici e biomorfologici (altezza pianta, diametro
stelo),
3. produzione di sostanza secca (t ha-1),
4. ripartizione della fitomassa in foglie, steli principali e
secondari e capolini;
5. Subcampioni
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Cardo mariano
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
300
Altezza (cm)
250
200
150
100
50
0
2007
2008
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
2009
2010
2011
500
450
SS per pianta (g)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
2007
2008
2009
2010
Carrubba and
La Torre, 2003
2011
Guarnaccia et al., 2005
194 cm
158 g pianta-1
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
2007
2008
2009
2010
2011
storico
429
528
638
697
612
474
2007
2008
2009
25
SS (t ha-1)
20
15
10
5
0
2010
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
2011
Produzioni di sostanza secca
di 25 accessioni di cardo
mariano in Iran (Shokropour et al., 2011)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Numero foglie per pianta
Anno
Min
Max
Media
2007
2008
2009
2010
2011
93
102
102
54
62
193
200
262
98
191
138
148
158
75
130
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Ripartizione percentuale della sostanza
secca
Steli I
Steli II
Foglie
Capolini
min
Max
Media*
16
18
27
21
26
26
35
33
21
22
30
27
* Media dati 5 annate
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
MIn
Max
Media
22
31
27
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
N°
Capolini x pianta
30
25
20
15
cap grandi
cap medi
cap piccoli
10
cap verdi
5
0
BLT
PRT
BDS
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
OSL
SCC
Semi totali x capolino
200
180
160
140
grandi
120
medi
piccoli
100
80
60
40
20
0
BLT
PRT
BDS
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
OSL
SCC
Composizione chimica e potere
calorifico
Umidità
(%)
Materia
volatile
(%)
Foglie
10.2
79.3
10,9
Steli
10,9
87,5
Capolini
9,6
10
Cardoon
Carbonio
Potere
fissato
calorifico
(%)
(MJ kg-1)
C
(% )
H
(% )
N
(%)
O
(%)
S
(%)
16,9
37,0
5,3
1,0
56,9
<0,3
7,5
16,7
39,3
5,5
0,5
54,7
<0,3
85,2
9,7
18,1
42,9
5,8
1,2
50,3
<0,3a
73
13.1
14.9
39
4.6
1.5
52,7
0,2
Angelini et al., 2009
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Ceneri e composizione
Ceneri
Composizione
K2O
Na2O
CaO
Fe2O3
Foglie
10,5
5,7
7,5
23,0
0,058
Steli
9,6
10,2
11,8
11,7
0,135
23,8
7,2
15,9
0,038
Capolini 16,7
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Produzione di seme
Min
Max
Media
Fonte
28 g pianta-1
Guarnaccia et al., 2005
18
30
24 g pianta-1
Carruba e La Torre, 2003
10
25
(g pianta-1)
Sulas, dati non pubblicati
0,5
1,6
1,2 t ha-1
Andrezeiwska et al., 2011
Densità piante
Acheni non formati
Produzione attesa vs effettivamente raccolta
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Contenuto in olio e composizione in acidi grassi di 8
popolazioni sarde di cardo mariano (Sulas, 2012 dati non pubblicati)
u.m
olio
Palmitico
Palmitoleico
Eptadecanoico
Eptadecenoico
Stearico
Oleico
Linoleico
Linolenico
Arachico
Eicosenoico
Lignocerico
Beenico
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
media
min
max
Cynara*
18,3
8,4
0,0
0,0
0,0
4,8
22,1
58,4
0,2
2,9
0,9
0,0
2,3
11,8
7,7
0,0
0,0
0,0
3,9
18,8
55,5
0,1
2,6
0,8
0,0
2,1
24,7
9,0
0,0
0,0
0,0
5,3
24,8
62,5
0,2
3,4
1,1
0,0
2,5
21,3
9,8
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
3,1
42,6
44,5
* Raccuia et al.,
2011
Fig. 1. Accrescimento indisturbato stagionale e
percentuale di SS da febbraio a giugno 2007.
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Azotofissazione simbiotica
140 kg N per ettaro per anno
a) 6 sacchi di Urea agricola
b) 10 sacchi di Nitrato ammonico
Valore prudenziale senza considerare Below ground N:
N ipogeo della leguminosa (apparato radicale + rizodeposizione)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Costi diretti e indiretti per la coltura di
cardo mariano
(Sulas et. al., 2007)
Fattore
Diretti
-1
MJ ha
1938.4
651.1
42.5
407.0
552.9
Unità
Input
Aratura
Fresatura
Concimazione
Semina
Raccolta
Total Energy Input
-1
GJ ha
Indiretti
-1
MJ ha
110.4
45.1
3773.2
67.2
459.5
Totale
-1
MJ ha
2048.8
696.2
3815.7
474.2
1012.3
8.0
N da fonte rinnovabile (azotofissazione simbiotica)
per la coltura annuale da bioenergia
Silybum vs Cynara
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Bilancio energetico di una coltura di
cardo mariano
Total Energy Input
Output
Biomassa
Potere calorifico
8,0
GJ ha-1
t ha-1
MJ kg
13,8
14,8
240
20,4
16,1
300
Total Energy Output
GJ ha-1
Net Energy Gain
GJ ha-1
231
293
Energy Ratio
%
30
37
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Approfondimenti su cardo mariano:
Progetto PRIN 2007 (u.o. CNR ISPAAM SS)
• Analisi degli endofiti da popolazioni locali di cardo mariano (isolamento
in coltura pura della frazione endofitica dal tessuto vegetale, la
valutazione quantitativa della carica endogena e una preliminare indagine
tassonomica ha escluso la presenza di alcune delle specie patogene
umane potenzialmente ospitate (Dott.ssa Rosella Muresu)
• Allestimento delle miscele da incubare ottenute da residui dell'industria
ortofrutticola e da cardo mariano e prove di degradazione in vitro delle
miscele con liquido ruminale bovino (Prof Andrea Squartini, Università di
Padova)
% proteine % NDF
steli I
steli II
foglie
capolini
1,5
2,0
4,6
8,3
72,3
67,6
25,7
44,5
% ADF
% ADL
%E.E.
54,5
51,0
20,4
29,9
10,4
9,6
9,3
8,2
0,7
1,3
1,9
1,0
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Approfondimenti su cardo mariano:
Progetto CISIA 2011-2012 (u.o. CNR ISPAAM SS)
• Analisi di campioni vegetali per il contenuto in composti bioattivi
(polifenoli e flavonoidi totali, tannini condensati) e per la capacità
antiossidante in vitro (dott.sse Bullitta e Piluzza)
• Test su colture cellulari per la determinazione della capacità
antiossidante di estratti naturali ottenuti da specie della flora
mediterranea considerate di potenziale interesse per la promozione del
benessere animale (Dott. Leopoldo Iannuzzi, sede Napoli)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Capacità antiossidante totale (TEAC), contenuto in polifenoli totali
(TotP), polifenoli non tannici (NTP), polifenoli tannici (TP) e flavonoidi
(TotF) in una popolazione naturale di cardo mariano
TEAC
(mmol/100 g DW)
TotP
(mgGAE/g
DW)
NTP
(mgGAE/g
DW)
TP
(mgGAE/g
DW)
TotF
(mgCE/g DW)
5.92±2.27
11.34±1.44
ABTS
DPPH
foglie
6.04±0.84
7.60±1.56
17.27±0.52 11.35±1.98
capolini
3.35±0.26
3.30±0.62
11.82±0.95
7.83±0.25
4±1.15
4.88±0.52
steli
2.43±0.07
2.66±0.27
6.76 ±0.54
5.40 ±0.49
1.36 ±0.12
3.91±0.09
(Piluzza , Bullitta e Sulas, 2012,dati non pubblicati)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Considerazioni (I)
• S. marianum ha un potenziale interessante per la produzione
di biomassa in ambiente mediterraneo asciutto
• Non richiede irrigazione e non compete con colture food
• Il suo ciclo annuale consente un elevato grado di flessibilità,
rispetto a specie poliennali, nell’ambito dei sistemi colturali
esistenti
• Allevatori sono più propensi a destinare un’infestante per
scopi bioenergetici piuttosto che una coltura da foraggio o
granella
• E’ risultato finora indenne da attacchi di patogeni e insetti e in
grado di controllare specie non seminate
• Duplice prodotto: fitomassa + seme (maggiore valore aggiunto
da olio e silimarina)
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
Attività in corso e da sviluppare
• Messa a punto del sistema colturale in rotazione
con leguminosa (N da fonte rinnovabile)
• Germinabilità semente in campo ed effetto della
data di semina
• Raccolta meccanica
• Disponibilità e costituzione varietale
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Germinabilità
• Germinabilità in armadio germinatoio vs
campo
1a
1b
1c
media
2a
2b
2c
media
Germinabilità %
100
93
93
96
97
97
93
95
• 2011-2012 prova in campo con date di semina
differite da settembre a novembre (6 date)
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Germinabilità
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Coltivazione a livello internazionale
• Polonia, Romania, Ungheria, Argentina, Cina,
Italia (solo pochi ettari)
• Domanda in crescita di silimarina
• Varietà disponibili: Silma + linee in Germania,
Ungheria, UK e Nuova Zelanda
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(Foto archivio Cra-Ing)
Testata mais a 6 file (parte superiore)
+
Testata classica da frumento (parte inferiore)
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Chrysanthemum coronarium
Sulas, CNR-ISPAAM SS
In collaborazione con Disageva e Agris
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Call: FP7 - KBBE-2011-5
21 partecipanti
14 paesi
4 anni
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Progetto UE OPTIMA
L. Sulas, CNR ISPAAM Sassari
National Research Council
CNR-ISPAAM
Institute for Animal Production System in Mediterranean Environment
Task 3.1
Characterization of native (and endemic) grasses and
novel plant varieties adapted to Southern European
conditions
Subtask 3.1.1 – Collection of native grasses and new varieties
Subtask 3.1.2 - Biology and crop physiology characterization
Subtask 3.1.3 - Potential yield and quality of feedstock
OPTIMA – 2° Meeting - Santorini, 1st-2nd October 2012
WP3 – Plant Agronomy
Subtask 3.1.3 - Potential yield and quality of feedstock
 Regrowth after cutting (September)
Festuca arundinacea
Piptatherum miliaceum
Dactylis glomerata
Ampelodesmos mauritanicus
OPTIMA – 2° Meeting - Santorini, 1st-2nd October 2012
Carried out activities Task 4.2 - Productivity in marginal large fields
Arundo donax
Miscanthus giganteus
Panicum virgatum
Randomized block design 3 rep.
Plot size: 50 m2
185
cm
OPTIMA – 2nd Meeting - Santorini, 1°-2° October 2012
Considerazioni (II) e questioni aperte
• Sperimentazioni per ottenere indicazioni utili
all’individuazione di varietà idonee per gli areali
di coltivazione
• Ricerca agronomica a livello di sistema colturale
• Colture energetiche da biomassa e da olio come
potenziale opportunità per il territorio
• Politiche regionali a supporto delle agro-energie
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