Cozzolino, Stefania (2026) Integrated strategies to optimize the Higher Plant Compartment in Bioregenerative Life Support Systems. [Tesi di dottorato]

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Abstract

I Sistemi Bioregenerativi di Supporto alla Vita (Bioregenerative Life Support Systems, BLSS) sono ecosistemi artificiali chiusi progettati per sostenere l'equipaggio durante missioni spaziali di lunga durata, quando il rifornimento dalla Terra non è più praticabile. Attraverso compartimenti biologici interconnessi, questi sistemi rigenerano cibo, ossigeno e acqua a partire dai prodotti di scarto dell'equipaggio. A questa rigenerazione concorrono gli organismi fotosintetici — microalghe, cianobatteri e piante superiori — che assorbono anidride carbonica e rilasciano ossigeno mediante la fotosintesi; tra questi, le piante superiori svolgono un ruolo chiave, poiché sono le uniche a produrre al contempo biomassa edibile e acqua traspirata. Il programma MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), basato su cinque compartimenti biologici collegati, è tra i programmi più avanzati in questo ambito. Questa tesi affronta strategie integrate per ottimizzare il Compartimento delle Piante Superiori (Higher Plant Compartment, C4b) nei BLSS, con l'obiettivo di massimizzarne produttività, efficienza nell'uso delle risorse e resilienza. Tra le molteplici sfide che caratterizzano la produzione vegetale nello spazio, la ricerca si concentra su tre condizioni operative che, in un sistema a ciclo chiuso, non sono variabili liberamente regolabili ma vincoli imposti dal sistema stesso: l'input nutritivo, l'architettura interna multi-specie e l'involucro atmosferico. Questi tre vincoli sono stati affrontati in altrettanti esperimenti dedicati, condotti nell'ambito di tre distinti progetti finanziati da agenzie spaziali (ESA-MELiSSA, ASI-BIOLUNA ed ESA-PaCMan). Il primo esperimento, dedicato all'input nutritivo, ha valutato una soluzione che riproduce in laboratorio l'effluente del compartimento di nitrificazione a monte (C3) del BLSS MELiSSA come unica fonte di azoto per lattuga e cavolo nero coltivati in idroponica a ciclo chiuso, con concentrazioni crescenti di urea residua e in presenza o assenza dei composti organici residui dello stesso processo. Fornendo la prima caratterizzazione dell'interfaccia C3-C4b dal punto di vista della pianta, l'esperimento ha mostrato che l'urea ha favorito la crescita vegetativa in entrambe le specie, con effetti specie-specifici sull'accumulo di nitrati, mentre la frazione organica ha modulato il metabolismo primario e secondario in modo differente nelle due colture. I risultati dimostrano che l'azoto fornito dal compartimento di nitrificazione può sostenere la coltivazione idroponica senza apporto esterno di azoto, purché la scelta delle specie sia adattata alla composizione chimica dell'effluente. Il secondo esperimento, dedicato all'architettura interna multi-specie, si colloca nell'ambito di un progetto volto a sviluppare un BLSS controllato da intelligenza artificiale, in cui la coltivazione multi-specie è considerata una via per accrescere la stabilità e la resilienza del sistema rispetto alle monocolture. Lattuga, fava e riso sono stati coltivati in consociazione (intercropping) con soluzione nutritiva condivisa oppure specie-specifica, in un unico ambiente controllato e in un ciclo di lunga durata senza rinnovo della soluzione. La consociazione con soluzione condivisa si è dimostrata agronomicamente fattibile e ha incrementato la resa di biomassa edibile in tutte e tre le specie, riducendo lo stress ionico, tamponando l'impoverimento dei nutrienti — così da mantenere la soluzione ricircolante per l'intero ciclo — e favorendo l'arricchimento di un ristretto gruppo di ordini batterici, alcuni dei quali associati alla promozione della crescita vegetale. La condivisione della soluzione tra specie funzionalmente complementari trasforma così la mera coesistenza spaziale in un'interazione produttiva, migliorando simultaneamente resa, qualità nutrizionale, stabilità operativa e assemblaggio microbico. Il terzo esperimento, dedicato all'involucro atmosferico, ha indagato la risposta del cavolo riccio a concentrazioni super-elevate di CO₂ (1.000, 5.000 e 10.000 ppm), rappresentative delle condizioni che possono verificarsi in un BLSS chiuso, dove la CO₂ prodotta dall'equipaggio e dalla digestione anaerobica si accumula in assenza di un tampone atmosferico esterno. La caratterizzazione, svolta nella Plant Characterization Unit (PCU) a tenuta di gas, ha integrato fisiologia fogliare, prestazioni della pianta e bilanci di massa a scala di canopy. Mentre la concentrazione di riferimento ha sostenuto le prestazioni delle piante, i livelli super-elevati hanno indotto una downregolazione della fotosintesi e una riduzione della biomassa edibile e della produzione di O₂, accompagnate da un aumento della traspirazione. Ne deriva un compromesso tra il recupero idrico, accresciuto, e i due output produttivi — cibo e ossigeno — che nessun altro compartimento può sostituire: la CO₂ super-elevata si configura quindi non come un'opportunità di produttività, ma come un vincolo fisiologico da gestire attivamente, da ottimizzare piuttosto che massimizzare. Nel complesso, i risultati dimostrano che le piante superiori possono essere integrate efficacemente nelle architetture BLSS a ciclo chiuso, ma che un funzionamento stabile e di lunga durata richiede l'ottimizzazione simultanea del riciclo dei nutrienti, dell'architettura idroponica multi-specie e della gestione atmosferica: la sfida progettuale non è ottimizzare il compartimento in condizioni ideali, bensì configurarlo per operare efficientemente entro i vincoli imposti dal sistema. Oltre all'applicazione spaziale, il lavoro presenta ricadute terrestri rilevanti, in particolare per le strategie circolari basate sul recupero dell'azoto dalle urine umane, per la comprensione delle risposte delle colture all'aumento delle concentrazioni di CO₂ negli scenari di cambiamento climatico e per l'agricoltura fuori suolo ad alta efficienza in ambienti estremi o isolati.

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