INSETTI ED ECONOMIA CIRCOLARE: IL CASO STUDIO DEL DITTERO BIOCONVERTITORE HERMETIA ILLUCENS

Prof.ssa Patrizia Falabella, Professore Associato, Dipartimento di Scienze, Università degli Studi della Basilicata

Abstract

La crescente domanda mondiale di proteine e lipidi non può essere soddisfatta dallo sfruttamento intensivo della pesca per la produzione di farine di pesce ad alto contenuto proteico, né dall'uso intensivo di terreno agricolo destinato alle colture proteiche. Gli allevamenti di massa di insetti da utilizzare quale fonte innovativa e sostenibile di proteine e lipidi risultano di notevole interesse anche nell’ottica di un’economia circolare che tende allo “scarto 0”. L’insetto bioconvertitore Hermetia illucens, noto come mosca soldato nera, presenta molteplici caratteristiche che rendono adatto il suo utilizzo nella valorizzazione degli scarti di natura organica, nella gestione dei rifiuti urbani (frazione umida) e nella produzione sostenibile di proteine e lipidi. Inoltre, l’insetto è fonte di molecole bioattive potenzialmente utilizzabili in diverse applicazioni di livello industriale. Le attività di ricerca e sviluppo condotte nel laboratorio di Fisiologia e Biologia Molecolare degli Insetti dell’Università degli Studi della Basilicata coordinato dalla Prof.ssa Patrizia Falabella e che in parte confluiscono nello spin-off accademico – start up innovativa dell’Università degli Studi della Basilicata XFlies intendono approfondire la conoscenza della biologia e della fisiologia dell’insetto H. illucens e fornire applicazioni basate sull’utilizzo dell’insetto nel campo della mangimistica animale e in altri molteplici settori industriali.

Settori di applicazione

Settore della mangimistica animale (acquacoltura e pet food), settore biomedico, settore farmaceutico, settore agricolo, settore ambientale, settore qualità e sicurezza alimentare, settore cosmetico e settore energetico.

Descrizione attività

La crescente domanda a livello mondiale di fonti di proteine e lipidi necessarie all’allevamento di animali da reddito, a oggi, non può più essere soddisfatta dallo sfruttamento intensivo della pesca per la produzione di farine di pesce ad alto contenuto proteico, né dall'uso intensivo di terreno agricolo destinato a colture proteiche (es. soia). Le proteine derivate da insetti possono svolgere concretamente un ruolo importante nella progressiva sostituzione delle proteine derivate dalla soia e dalle farine di pesce, comunemente utilizzate per nutrire gli animali da reddito. Il Reg. UE 1017/2017 infatti consente l’utilizzo degli insetti quali materie prime nella formulazione di mangimi per animali da compagnia e selvaggina e il Reg. UE 893/2017 consente l’utilizzo di Proteine Animali Trasformate (PAT) di sole 7 specie di insetto da utilizzare in acquacoltura purchè allevate su substrati di origine vegetale. La normativa europea è in fase di aggiornamento e a breve sarà consentito l’utilizzo degli insetti anche per gli allevamenti di polli e suini. Sarebbe auspicabile contemplare nella normativa anche la possibilità di nutrire gli insetti bioconvertitori con materie prime quali FORSU, scarti di mensa, reflui zootecnici etc. fermo restando che non si debba mai precludere l’attenzione al loro benessere durante tutte le fasi di sviluppo La possibilità di utilizzare gli insetti anche su substrati diversi da quelli di origine vegetale consentirebbe anche in Europa di contribuire in   maniera significativa all’economia circolare e rendere questo settore ancora più sostenibile anche a livello economico. Il più grande vantaggio dell’allevamento di insetti rispetto all’allevamento di altri animali è il minore impatto ambientale. Nell’allevamento di insetti, il rapporto di conversione tra mangime e proteine è minore rispetto ad altri animali (quasi 1:1) (Van Huis, 2013; Oonincx et al., 2015); l’allevamento di insetti produce meno gas serra e sono ridotte anche le emissioni di ammoniaca rispetto a qualsiasi altro allevamento di bestiame convenzionale (Van Huis, 2013; Costa-Neto, 2013; Oonincx et al., 2010). Gli allevamenti di insetti su scala industriale necessitano di meno acqua e spazi (Oonincx and de Boer, 2012) e presentano un minore impatto idrico per grammo di proteine prodotte rispetto agli allevamenti convenzionali (Mekonnen and Hoekstra, 2012; Miglietta et al., 2015); inoltre, alcune specie di insetti sono in grado di consumare diverse tipologie di scarti organici (Nadeau et al., 2015; Van Huis, 2013).

Tra questi, la mosca soldato nera Hermetia illucens Linnaeus (Diptera: Stratiomyidae), è in grado di alimentarsi su un’ampia varietà di scarti e sottoprodotti organici, rappresentando un valido strumento adatto a valorizzare i prodotti organici di scarto (mediante il processo di bioconversione) e al contempo una fonte di proteine, alternativa e sostenibile, da destinare alla mangimistica animale, processi che si collocano perfettamente nei principi dell’economia circolare che tende allo “scarto 0”. L’insetto H. illucens, durante gli stadi larvali, è in grado di crescere alimentandosi di differenti substrati organici, tra cui scarti dell’industria agroalimentare e dei processi agricoli, reflui zootecnici e frazione organica dei rifiuti solidi urbani. Il suo ciclo vitale è diviso in quattro fasi (uovo, larva, pupa e adulto). Gli adulti si accoppiano a partire da 48 ore dopo lo sfarfallamento e le uova vengono deposte entro pochi giorni in prossimità dell’habitat larvale, quindi in presenza di substrati organici preferibilmente in decomposizione. In condizioni appropriate (temperatura di 27-30° C, umidità ambientale relativa e del substrato alimentare del 70%), le larve raggiungono la fase di prepupa in 15-20 giorni. Le larve che completano il ciclo vitale aumentano la propria massa corporea di oltre 600 volte rispetto alla larva neonata. Sono in grado di trasformare le proteine di bassa qualità presenti nei substrati alimentari di cui si nutrono, in proteine animali nobili, le quali si concentrano fino al 44% del peso complessivo. Elevato è anche l’accumulo di lipidi (in particolare acidi grassi), i quali si concentrano fino al 39-40% del peso complessivo, in relazione alla qualità del substrato alimentare. La sostanza organica di cui la larva si nutre viene ridotta e convertita in biomassa larvale; le deiezioni larvali sono assimilabili ad ammendante compostato misto di elevato valore agronomico adatto all’utilizzo in pratiche agricole (Sheppard et al., 1994; Newton et al., 1977; Newton et al., 2005). La presenza di tutti gli amminoacidi essenziali, rende la farina derivata dalle larve di H. illucens simile alla farina di pesce. Questo è di grande interesse per i produttori di mangimi per pesci, alla costante ricerca di fonti alternative, sostenibili e di qualità.

La mosca soldato nera è in grado di controllare la proliferazione della mosca domestica, Musca domestica L., sia sottraendo risorse alimentari che emettendo segnali chimici interspecifici di breve durata (Axtell and Arends, 1990; Furman et al., 1959; Sheppard, 1983; Tingle et al., 1975). Inoltre è stato dimostrato che le larve di H. illucens sono in grado di abbattere la carica microbica di batteri patogeni (Escherichia coli 0157:H7 e Salmonella enterica) in letame e liquami di origine animale (Erickson et al., 2004). La mosca adulta non è dotata di apparato boccale, quindi non è in grado di alimentarsi o mordere, non risultando quindi vettore di malattie. L'elevato numero di uova deposte (da 500 a 1000 per singola deposizione, per ciascuna femmina) e il breve ciclo di vita hanno reso le larve di questo insetto popolari tra gli acquariofili e i proprietari di terrari che utilizzano le larve come mangime eccellente per rettili o pesci. Le larve di H. illucens sono in grado di nutrirsi di un’ampia varietà di substrati organici in decomposizione che sono tipicamente colonizzati da molteplici microrganismi diversi come batteri e funghi. La necessità di sopravvivere in questi habitat ha consentito lo sviluppo in questo insetto di potenti e robusti meccanismi di difesa contro i microrganismi patogeni costituiti da peptidi antimicrobici (AMPs). Diversi studi riportano risultati riguardanti l’elevata attività antimicrobica di estratti di larve di H. illucens. Tali caratteristiche consentono di identificare questo insetto quale candidato ideale per lo studio dei peptidi antimicrobici/anticancro. Tra i principali obiettivi della ricerca scientifica del gruppo di ricerca guidato dalla Prof.ssa Falabella vi è l’identificazione e la caratterizzazione strutturale e funzionale di peptidi antimicrobici. L’applicazione principale risiede nel poter utilizzare i peptidi antimicrobici quali molecole alternative ai farmaci convenzionali verso i quali cellule batteriche sviluppano fenomeni di resistenza e come molecole alternative ai tradizionali chemioterapici (Pendleton et al., 2013; Dang et al., 2006; Choi et al., 2012).

Inoltre, le esuvie pupali e le mosche adulte rappresentano una ricca fonte di chitina, il polisaccaride più diffuso in natura, dopo la cellulosa. In virtù delle sue proprietà quali la biodegradabilità, la bio-compatibilità, la non tossicità, la capacità di adsorbimento e l'attività antimicrobica, la chitina e il suo principale derivato, il chitosano, trovano molte applicazioni nel campo industriale e biomedico. Entrambi sono ampiamente utilizzati nei sistemi di drug delivery, in rivestimenti antibatterici e nell'ingegneria tissutale. Il chitosano è anche usato nel trattamento delle acque reflue in virtù della sua capacità di chelare e rimuovere metalli pesanti dall'acqua. L'attività antimicrobica del chitosano lo rende adatto ad essere utilizzato come materiale di rivestimento biopolimerico naturale per preservare la qualità e prolungare la durata di conservazione dei prodotti alimentari. Il chitosano è anche usato come matrice per incorporare additivi funzionali, come antiossidanti, colori, nutrienti e nutraceutici, al fine di migliorare e preservare la qualità del cibo (Dutta et al., 2009; Wang et al., 2016). A oggi la fonte principale di chitosano a livello globale proviene dai gusci dei crostacei. La chitina e il chitosano derivati da insetti e in particolare da H. illucens rappresentano una fonte alternativa, soprattutto se inquadrata nel processo di valorizzazione di sottoprodotti e di produzione di mangimi innovativi.

L’insetto H. illucens rappresenta il fulcro delle attività di ricerca e sviluppo condotte nel laboratorio di Fisiologia e Biologia Molecolare degli Insetti dell’Università degli Studi della Basilicata coordinato dalla Prof.ssa Patrizia Falabella, anche attraverso lo spin-off accademico XFlies.

Le diverse linee di ricerca che scaturiscono a partire dallo studio di base della mosca soldato nera sono fortemente finalizzate allo sviluppo di biotecnologie innovative e di nuovi prodotti a partire dalla conoscenza e dall’”imitazione” della fisiologia dell’insetto H. illucens (biomimetica), allo scopo di fornire applicazioni basate sull’utilizzo dell’insetto nel campo della mangimistica animale e in altri molteplici settori industriali. Le attività condotte dal gruppo di ricerca possono essere così sintetizzate:

1. Utilizzo dell’insetto illucens per la gestione dei rifiuti solidi urbani
2. Valorizzazione di scarti organici derivanti dal comparto agroalimentare attraverso il processo di bioconversione mediato dall’insetto illucens finalizzato alla produzione di farine integrali (costituite da proteine e lipidi) utilizzabili per la formulazione di mangimi destinati al settore dell’acquacoltura e del pet food;
3. Prove di alimentazione delle larve di illucens su diverse tipologie di scarti organici al fine di ottimizzare il profilo qualitativo e quantitativo delle farine integrali;
4. Utilizzo delle deiezioni dell’insetto illucens come ammendante di elevato valore agronomico in pratiche agricole;
5. Utilizzo della chitina e del chitosano estratto dalle esuvie pupali e degli adulti dell’insetto illucens per la produzione di rivestimenti commestibili biodegradabili (edible coatings) da impiegare per l'estensione della shelf-life di prodotti agro-alimentari;
6. Utilizzo della chitina estratta dalle esuvie pupali e degli adulti dell’insetto illucens per la produzione di nanochitina da impiegare nel settore cosmetico e per la messa a punto di tessuti bio-funzionali e nanostrutturati da utilizzare nel comparto bio-medico;
7. Utilizzo del chitosano estratto dalle esuvie pupali e degli adulti dell’insetto illucens per la realizzazione di bendaggi da impiegare per la rapida guarigione delle ferite;
8. Utilizzo del chitosano estratto dall'esoscheletro delle esuvie pupali e degli adulti dell’insetto illucens per la realizzazione di filtri di depurazione delle acque;
9. Utilizzo dei lipidi estratti da illucens per la formulazione di prodotti per l’igiene e la cura personale;
10. Identificazione e caratterizzazione di nuovi peptidi antimicrobici/antitumorali (AMPs) derivati da illucens da utilizzare quali potenziali innovativi antimicrobici;
11. Studio delle basi molecolari e funzionali della percezione olfattiva dell’insetto illucens utile a ottimizzare le strategie produttive per aumentare la fitness dell’insetto, sia nelle performance di alimentazione che in quelle riproduttive, ottimizzando l'allevamento su scala industriale.

Le attività di ricerca e sviluppo mirano a realizzare, in rete con partner aziendali, una nuova filiera produttiva basata sull’economia circolare, attraverso l’utilizzo di una tecnologia innovativa, consolidata in molte realtà a livello europeo e nel mondo, in grado di convertire gli scarti agroalimentari in materie prime rappresentate dalla componente proteica e lipidica per mangimi e da altre molecole bioattive da indirizzare a diversi settori industriali. Queste attività si inseriscono pienamente nella realtà produttiva lucana, in cui il settore dell'agrifood rappresenta una risorsa fondamentale per l’economia la quale intende recuperare competitività, a livello nazionale e internazionale, anche attraverso la forte spinta dell’innovazione tecnologica.

Bibliografia

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Short CV Prof.ssa Patrizia Falabella

Professore associato, AGR/11, Università della Basilicata (dal 2008). 2002-2008: ricercatore, AGR/11, Università della Basilicata. Formazione 1994: Laurea in Scienze delle Preparazioni Alimentari, Università della Basilicata. Periodi di ricerca all'estero: Dal maggio a ottobre 2007. Research Scientist presso la University of Georgia, Athens (USA), in collaborazione con il Prof. Dr. Michael R. Strand, con una borsa di studio finanziata dalla University of Georgia, per lo sviluppo di un progetto di ricerca comparativo focalizzato sulle interazioni ospite-parassitoide, programma interamente finanziato dal Department of Entomology della predetta University of Georgia.

 Attività di ricerca. Studio delle basi molecolari e funzionali delle interazioni ospite-parassitoide negli insetti. Analisi del ruolo dei polydnavirus nell'induzione di sindromi patologiche a carico di insetti parassitizzati. Isolamento e caratterizzazione di fattori di virulenza codificati da parassitoidi a potenziale azione insetticida. Biotecnologie per il controllo degli insetti infestanti. Biomimetica: Studio delle basi molecolari della percezione olfattiva negli insetti per lo sviluppo di nanobiosensori per il monitoraggio della shelf-life degli alimenti. Insetti come organismi modello per lo studio di pathway biochimici conservati. Insetti come fonte di nuove molecole e materiali con applicazione in ambito industriale e biomedicale: Hermetia illucens nella valorizzazione dei sottoprodotti mediante bioconversione, con la produzione di farine ad alto contenuto energetico che possono essere utilizzate per la formulazione di mangimi per il settore dell'acquacoltura e del cibo per gli animali. Hermetia illucens, un insetto modello per l'estrazione di: Chitina, e la sua conversione in chitosano, per diverse applicazioni e lipidi, utili per la formulazione di prodotti per la cura della persona. Analisi molecolare e funzionale dei peptidi antimicrobici prodotti da Hermetia illucens.

E’ stata responsabile locale di Unità di Ricerca di progetti nazionali (PRIN 2006, PRIN 2008, PRIN 2017, PON R&I 2014-2020) e responsabile scientifico di progetti regionali su fondi europei (PSR Basilicata 2014-2020 sottomisure 16.1 e 16.2, PO FESR 2014-2020). Fa parte dell'editorial board di PLOSONE, Nature-Scientific Reports, Bulletin of Insectology, Frontiers in Physiology-Invertebrate Physiology. E’ Prorettore con delega alle funzioni concernenti la didattica dal 2018; è coordinatore del Dottorato di Ricerca in Applied Biology and Environmental Safeguard. Attività didattica. E’ attualmente titolare del corso di “Entomologia e Zoologia” (Corso di Laurea in Scienze Forestali e Ambientali) e “Introduzione alle biotecnologie entomologiche” (Corso di Laurea in Biotecnologie). Dati bibliometrici: autore o co-autore di 65 pubblicazioni recensite su Scopus (1419 cit, h=23). ORCID 0000-0003-0304-6867

Gruppo di ricerca: Rosanna Salvia (RTD A), Carmen Scieuzo (post doc), Antonio Franco (dottorando)