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Capítulo 12 Acuapónica: Tipos y enfoques alternativos

1. 12.1 Introducción

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Este capítulo analiza una serie de tecnologías aliadas y alternativas clave que amplían o tienen el potencial de expandir la funcionalidad/productividad de los sistemas acuapónicos o son tecnologías asociadas/independientes que pueden vincularse a la acuapónica. La creación y el desarrollo de estos sistemas tienen como núcleo la capacidad, entre otras cosas, de aumentar la producción, reducir los residuos y la energía y, en la mayoría de los casos, reducir el consumo de agua. A diferencia de la acuapónica, que puede verse que se encuentra en una etapa de desarrollo de la adolescencia, los nuevos enfoques que se discuten a continuación están en su infancia. Sin embargo, esto no significa que no sean tecnologías valiosas por derecho propio y tengan el potencial de suministrar alimentos en el futuro, de manera eficiente y sostenible. Los métodos que se analizan a continuación incluyen aeroponía, aeroaquapónica, algeponics, tecnología biofloc para acuapónica, marapónica y haloponía y acuapónica vertical.

2. 12.2 Aeroponía

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.2.1 Fondo

   La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio de los Estados Unidos (NASA) describe la aeroponía como el proceso de cultivo de plantas suspendidas en el aire sin suelo o medios de producción de alimentos limpios, eficientes y rápidos_. Además, la NASA señala que los cultivos pueden ser plantados y cosechados durante todo el año sin interrupción, y sin contaminación del suelo, pesticidas y residuos, y que los sistemas aeropónicos también reducen el uso de agua en un 98%, el uso de fertilizantes en un 60% y eliminan el uso de plaguicidas por completo. Se ha demostrado que las plantas cultivadas en sistemas aeropónicos absorben más minerales y vitaminas, haciendo que las plantas sean más saludables y potencialmente más nutritivas (NASA Spinoff). Otras ventajas de la aeroponía son las siguientes:

   • El entorno de cultivo puede mantenerse limpio y estéril.

   • Esto reduce las posibilidades de enfermedades de las plantas y la propagación de la infección.

   • Las plántulas no se estiran ni se marchitan durante la formación de raíces.

   • Las plántulas se eliminan fácilmente para el trasplante sin shock de trasplante.

   • El crecimiento de las plántulas se acelera, lo que conduce a un aumento de los ciclos de cultivo y, por lo tanto, más producción anual

   Para Weathers y Zobel (1992), la aeroponía se define como el cultivo de plantas enteras y/o tejidos con sus raíces o todo el tejido alimentado por una niebla aire/agua (a diferencia de la inmersión en agua, suelo, agar nutriente u otros sustratos). Para ellos, las plantas que se cultivan sólo parcialmente con sus raíces en el aire y parte en soluciones nutritivas o que se cultivan durante parte del tiempo en el aire y parte del tiempo en solución nutritiva se cultivan a través de un proceso de aerohidroponía y no areoponía.

   Así, los sistemas aeropónicos funcionan pulverizando o pulverizando la zona de la raíz con solución nutritiva. Las raíces de las plantas se suspenden en el aire y se someten a una pulverización continua o intermitente/periódica de gotas de agua ricas en nutrientes, en forma de gotas o niebla muy fina, con tamaños de gotas de 5 a 50 μm (micras). Es habitual encontrar un kit «hobby/doméstico» con tamaños de gotas de pulverización de 30—80 μm. Los atomizadores ultrasónicos o de niebla seca producen un tamaño de gota\ <5 μm, pero estos requieren aire comprimido y boquillas muy finas, o puede ser posible utilizar transductores ultrasónicos para producir estas niebla.

   En aeroponía, como ocurre con la hidroponía, se puede optimizar el suministro de nutrientes y, en comparación entre hidroponía y aeroponía, Hikosaka et al. (2014) señalan que no se encontró diferencia entre el crecimiento y la calidad de cosecha en lechuga utilizando aeroponía de niebla seca. Sin embargo, hubo un aumento significativo en las tasas de respiración radicular y en las tasas de fotosíntesis de las hojas. También señalan que este sistema también utiliza menos agua y que puede ser más eficiente y fácil de manejar que la hidropónica convencional (Hikosaka et al. 2014). En un documento de revisión sobre las tecnologías modernas de cultivo de plantas en la agricultura bajo ambientes controlados, Lakhiar et al. (2018) señalan que la aeroponía «se considera el mejor método de cultivo de plantas para la seguridad alimentaria y el desarrollo sostenible».

   12.2.2 Origen de la aeroponía

   Richard J. Stoner II es considerado el padre de la aeroponía. La revisión de la NASA sobre la acuapónica (Clawson et al. 2000) señala que el origen de la acuapónica está en gran medida en el estudio de la morfología de las raíces, pero se origina en la naturaleza, por ejemplo, con plantas, por ejemplo, orquídeas que crecen en áreas tropicales donde la niebla ocurre de forma natural. Clawson et al. (2000) señalan el desarrollo de aeroponía de B. T. Barker, quien «logró cultivar manzanos con un spray», y F. W. W. Went, quien en 1957 cultivó tomates y plantas de café en niebla y denominó al proceso «aeroponics». Con respecto al estudio de la morfología de las raíces, Carter en 1942 utilizó aeroponía como una forma de investigar las raíces de piña, y Klotz en 1944 investigó las raíces del aguacate y los cítricos, y luego muchos otros incluyendo Hubick y Robertson; Barak, Soffer y Burger; Yurgalevitch y Janes; y Dutoit, Weathers, y Briggs llevaron a cabo varios experimentos en aeroponía (véase Clawson et al. 2000 para más detalles).

   12.2.3 Problemas crecientes de aeroponía

   Clawson et al. (2000) informan de las pruebas realizadas por Tibbits et al. (1994) de que la nebulización continua puede «contribuir al crecimiento fúngico y bacteriano en las proximidades de o en las plantas», y además algunos investigadores han encontrado que debido a las gotas finas y a los sistemas de empañamiento continuo, puede haber dificultades en la entrega de nutrientes a todas las plantas donde hay una alta densidad de plantas». En este sentido se ha demostrado que la nebulización a intervalos proporciona un sistema más saludable y raíces más saludables en comparación con las técnicas de empañamiento continuo y hidropónicas. El uso de intervalos también hace que las plantas sean más resistentes a cualquier interrupción en la niebla, acondicionando las plantas para que prosperen más tiempo en niveles más bajos de humedad, con una probable reducción en los niveles de patógenos. Para la nebulización efectiva, 'el tamaño de las gotas y la velocidad también son parámetros aeropónicos importantes. La eficiencia de la recolección de niebla de la raíz depende de su tamaño de filamento, tamaño de gota y velocidad» (Clawson et al. 2000).

   12.2.4 Combinación de acuapónica y aeroponía

   Mientras que una serie de emprendedores y entusiastas aficionados están promoviendo la combinación de acuapónica con aeroponía, hay una serie de cuestiones que deben resolverse si se considera esta tecnología combinada para la agricultura futura. Una cuestión que hay que resolver es un nombre para este sistema, y aquí se sugiere que llamemos a este sistema combinado «aquaeroponics».

   Aunque hay numerosos videos e hilos de discusión en la web, sobre la combinación de aeroponía y acuapónica, el campo está vacío de literatura científica. Las discusiones basadas en la web plantean los problemas de la obstrucción de los pulverizadores de niebla y la necesidad de una filtración fina de las soluciones acuapónicas. Otro problema relacionado con los acuaeroponicos es el potencial de que los patógenos crezcan en el ambiente húmedo y aireado, y será necesario realizar investigaciones para determinar esto. Una solución para resolver el problema de los señores es usar vibraciones ultrasónicas para crear las niebla, pero esto no resuelve ningún problema que pueda haber con el crecimiento de patógenos.

3. 12.3 Algeponía

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.3.1 Fondo

   Las microalgas son fotoautotrófos unicelulares (que van desde 0.2 μm hasta 100 μm) y se clasifican en varios grupos taxonómicos. Las microalgas se pueden encontrar en la mayoría de los ambientes, pero en su mayoría se encuentran en entornos acuáticos. El fitoplancton es responsable de más del 45% de la producción primaria mundial, así como de generar más del 50% del OSub2/sub atmosférico. En general, no hay diferencia importante en la fotosíntesis de microalgas y plantas superiores (Deppeler et al. 2018). Sin embargo, debido a su menor tamaño y a la reducción de un número de organelos fisiológicos competitivos internamente, las microalgas pueden crecer mucho más rápido que las plantas superiores (Moheimani et al. 2015). Las microalgas también pueden crecer bajo condiciones de nutrientes limitadas y tienen la capacidad de adaptarse a una gama más amplia de condiciones ambientales (Gordon y Polle 2007). Lo que es más importante, el cultivo de microalgas no compite con la producción de cultivos alimentarios en cuanto a tierras cultivables y agua dulce (Moheimani et al. 2015). Además, las microalgas pueden utilizar eficientemente nutrientes inorgánicos procedentes de efluentes residuales (Ayre et al. 2017). En general, la biomasa microalgal contiene hasta un 50% de carbono, lo que las convierte en un candidato perfecto para la biorremediación atmosférica de COSub2/sub (Moheimani et al. 2012).

   El aumento de la agricultura y la ganadería extensivas en todo el mundo ha dado lugar a aumentos significativos de nitrógeno y fósforo disponibles biológicamente que ingresan a la biosfera terrestre (Galloway et al. 2004). Los sistemas de cultivo y ganadería y alcantarillado aportan cantidades significativas a estas cargas nutritivas (Schoumans et al. 2014). La infiltración de estos nutrientes en las corrientes de agua puede causar problemas ambientales masivos, como las floraciones dañinas de algas y la mortalidad masiva de peces. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la contaminación por nutrientes procedente de la agricultura es reconocida como una de las principales fuentes de eutrofización (Sharpley et al. 2008). Controlar el flujo de nutrientes procedentes de las explotaciones agrícolas hacia el medio ambiente circundante da lugar a desafíos técnicos y económicos que deben superarse para reducir tales efectos. Se han desarrollado varios procesos exitosos para tratar efluentes residuales con altas cargas orgánicas. Sin embargo, casi todos estos métodos no son muy efectivos para eliminar elementos inorgánicos del agua. Además, algunos de estos métodos son bastante caros de operar. Un método sencillo para el tratamiento de residuos orgánicos es la digestión anaeróbica (DA). El proceso AD es bien entendido y, cuando se opera de manera eficiente, puede convertir más del 90% de las materias orgánicas de aguas residuales en biometano y COSub2/sub (Parkin y Owen 1986). El metano se puede utilizar para generar electricidad y el calor generado se puede utilizar para varios propósitos adicionales. Sin embargo, el proceso AD da como resultado la creación de un efluente de digestión anaeróbica (ADE) que es muy rico en fosfato inorgánico y nitrógeno, así como en alta demanda de oxígeno de carbono (DQO). En ciertos lugares, este efluente puede tratarse con microalgas y macroalgas (Ayre et al. 2017).

   12.3.2 Sistemas de Crecimiento de Algas

   Dado que el comité de las Naciones Unidas recomendó que los cultivos agrícolas convencionales se complementaran con alimentos ricos en proteínas de origen no convencional, las microalgas se han convertido en candidatas naturales (Richmond y Becker 1986). El primer cultivo de microalgas se logró aunque en 1890 cultivando\ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). Debido al hecho de que las microalgas normalmente se dividen en una determinada hora del día, el término ciclostato se desarrolló con el fin de introducir un ciclo claro/oscuro (circadiano) al cultivo (Chisholm y Brand 1981). El cultivo a gran escala de microalgas y el uso parcial de su biomasa, especialmente como base para ciertos productos como lípidos, probablemente se inició seriamente ya en 1953 con el objetivo de producir alimentos a partir de un cultivo a gran escala de *Chlorella\ * (Borowitzka 1999). Por lo general, las algas se pueden cultivar en líquido utilizando estanques abiertos (Borowitzka y Moheimani 2013), fotobiorreactores cerrados (Moheimani et al. 2011), o una combinación de estos sistemas. Alga también se puede cultivar como biofilms (Wijihastuti et al. 2017).

   Fotobiorreactores cerrados (después de Moheimani et al. 2011): Los cultivos de algas cerradas (fotobiorreactores) no están expuestos a la atmósfera, sino que están cubiertos con un material transparente o contenidos dentro de tubos transparentes. Los fotobiorreactores tienen la clara ventaja de prevenir la evaporación. Los fotobiorreactores cerrados y semicerrados se utilizan principalmente para producir productos de algas de alto valor. Debido al coste total de los gastos operativos (OPEX) y los gastos de capital (CAPEX), los fotobiorreactores cerrados son menos económicos que los sistemas abiertos. Por otro lado, hay menos contaminación y menos pérdidas de COSub2/sub, y al crear condiciones de cultivo reproducibles y flexibilidad en el diseño técnico, esto los convierte en un buen sustituto de los estanques abiertos. Algunas de las debilidades de los sistemas cerrados se pueden superar mediante (a) la reducción de la trayectoria de la luz, (b) la solución de la complejidad de la cizalla (turbulencia), la reducción de la concentración de oxígeno, y (c) un sistema de control de temperatura. Los fotobiorreactores cerrados se dividen principalmente en (a) carboys, (b) tubulares, (c) transporte aéreo y (d) fotobiorreactores de placas.

   Estanques abiertos (después de Borowitzka y Moheimani 2013): Los estanques abiertos son los más utilizados para el cultivo de microalgas al aire libre a gran escala. La mayor producción comercial de algas se basa en canales abiertos (caminos de rodadura) que son menos costosos, más fáciles de construir y operar en comparación con los fotobiorreactores cerrados. Además, el crecimiento de microalgas encuentra menos dificultades en sistemas de cultivo abiertos que cerrados. Sin embargo, sólo unas pocas especies de microalgas (por ejemplo, Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) se han cultivado con éxito en estanques abiertos. Los costos de producción de microalgas comerciales son altos, aproximados a estar entre 4 y 20\ $US/GSUP-1/SUP. En los últimos 70 años se ha desarrollado el cultivo comercial de microalgas en estanques abiertos al aire libre a gran escala, y se han desarrollado estanques sin agitación y se han utilizado sobre una base comercial. Los grandes estanques abiertos sin agitar se construyen simplemente a partir de estanques de agua naturales con camas abiertas que suelen tener menos de 0,5 m de profundidad. En algunos estanques más pequeños, la superficie puede estar revestida con láminas de plástico. Los estanques abiertos sin agitar representan el más económico y menos técnico de todos los métodos de cultivo comercial y se han utilizado comercialmente para la producción de β-caroteno Dunaliella salina en Australia. Estos estanques se limitan principalmente al cultivo de microalgas capaces de sobrevivir en malas condiciones o tienen una ventaja competitiva que les permite superar contaminantes como protozoos, microalgas no deseadas, virus y bacterias. Los estanques agitados, por otro lado, tienen la ventaja de un régimen de mezcla. La mayoría de los estanques agitados son (a) estanques circulares con agitadores giratorios o (b) estanques de vías de rodadura individuales o unidos.

   Los estanques de cultivo circular se han utilizado principalmente para el cultivo a gran escala de microalgas, especialmente en el sudeste asiático. Los estanques circulares de hasta 45 m de diámetro y generalmente de 0,3 a 0,7 m de profundidad están descubiertos, pero hay algunos ejemplos que están cubiertos por cúpulas de vidrio. Las bajas tensiones de cizallamiento que se requieren para la producción de microalgas se producen en estos sistemas, especialmente en el centro del estanque, y esta es una ventaja clara de este tipo de sistemas. Algunas desventajas incluyen costosas estructuras de hormigón, uso ineficiente del suelo con grandes huellas, dificultades para controlar el movimiento del dispositivo de agitación y el costo añadido en el suministro de COSub2/sub.

   Los caminos de rodadura impulsados por rueda de remo son el sistema comercial más común de cultivo de microalgas. Los caminos de rodadura generalmente se construyen en un solo canal o como canales vinculados. Los caminos de rodadura suelen ser poco profundos (0,15 a 0,25 m de profundidad), están construidos en un bucle y normalmente cubren un área de aproximadamente 0,5 a 1,5 ha. Los caminos de rodadura se utilizan principalmente y se recomiendan para el cultivo comercial principal de tres especies de microalgas, incluyendo Chlorella, Spirulina y Dunaliella. Los principales inconvenientes de estos sistemas abiertos son un alto riesgo de contaminación y una baja productividad, debido principalmente a regímenes de mezcla deficientes y a la penetración de la luz. En los caminos de rodadura, se han demostrado posibles concentraciones de biomasa de hasta 1000 mg de peso seco.LSUP-1/SUP y productividades de 20 g de peso seco.msup2/sup.dsup-1/sup.

   El precio de la producción de microalgas hace que los logros económicos dependan en gran medida de la comercialización de productos caros y exclusivos, cuya demanda está naturalmente limitada. Los caminos de rodadura son también el sistema de cultivo más utilizado para el tratamiento de aguas residuales (Parques y Craggs 2010).

   Cultivo sólido (después de Wijihastuti et al. 2017): Un método alternativo de cultivo de microalgas es inmovilizar las células en una matriz de polímero o fijarlas a la superficie de un soporte sólido (biofilm). En general, el rendimiento de biomasa de estos cultivos de biomasa es al menos 99% más concentrado que los cultivos basados en líquidos. La deshidratación es una de las partes más caras y energéticas de cualquier producción masiva de algas. La principal ventaja del crecimiento de la biopelícula es el potencial de reducir el proceso de deshidratación y el consumo de energía relacionado y, por tanto, los costes. El cultivo de biofilm también puede aumentar la captura de luz celular, reducir el estrés ambiental (por ejemplo, pH, salinidad, toxicidad metálica, irradiancia muy alta), reducir el costo de producción y reducir el consumo de nutrientes. Los métodos de cultivo basados en sólidos se pueden utilizar para el tratamiento de aguas residuales (eliminación de nutrientes y metales). Existen tres métodos principales para el cultivo de biofilm: (a) 100% sumergido directamente en medio, (b) parcialmente sumergido en medio y (c) utilizando un sustrato poroso para entregar los nutrientes y la humedad del medio a las células.

   12.3.3 Requisitos de nutrientes para el crecimiento de algas

   Una serie de factores físicos, químicos y biológicos inhibidores pueden inhibir la alta producción de microalgas. Estos se describen en el cuadro 12.1.

   Un conocimiento básico de las limitaciones críticas del crecimiento es probablemente el factor más esencial antes de aplicar cualquier microalga a cualquier proceso. La luz es, con mucho, el factor limitante más importante que afecta el crecimiento de cualquier alga. La temperatura también es un factor crítico para la producción masiva de algas (Moheimani y Parlevliet 2013). Sin embargo, estas variables son difíciles de controlar (Moheimani y Parlevliet 2013). Junto a la luz y la temperatura, los nutrientes son el factor limitante más importante que afecta el crecimiento de cualquier alga (Moheimani y Borowitzka 2007) y cada especie de microalgas tiende a tener sus propios requerimientos nutritivos óptimos. Los nutrientes más importantes son el nitrógeno, el fósforo y el carbono (Oswald 1988). La mayoría

   tabla tbody tr Factores Tabióticos/th td Luz (calidad, cantidad) /td /tr tr class="impar» td/td td Temperatura /td /tr tr class="incluso» td/td td Concentración de nutrientes /td /tr tr class="impar» td/td td OSub2/sub /td /tr tr class="incluso» td/td td COSub2/sub y pH /td /tr tr class="impar» td/td td Salinidad /td /tr tr class="incluso» td/td td Productos químicos tóxicos /td /tr tr class="impar» Los factores bióticos/th td Patógenos (bacterias, hongos, virus) /td /tr tr class="incluso» td/td td Competencia de otras algas /td /tr tr class="impar» Los factores operativos/a td Cizalla producida por mezcla /td /tr tr class="incluso» td/td td Tasa de dilución /td /tr tr class="impar» td/td td La profundidad /td /tr tr class="incluso» td/td td Frecuencia de cosecha /td /tr tr class="impar» td/td td Adición de bicarbonato /td /tr /tbody /tabla

   Cuadro 12.1 Límites al crecimiento y la productividad de las microalgas (Moheimani y Borowitzka 2007)

   Las algas responden a la limitación N aumentando su contenido lipídico (Moheimani 2016). Por ejemplo, Shifrin y Chisholm (1981) informaron que en 20 a 30 especies de microalgas que examinaron, las algas aumentaron su contenido lipídico bajo N-privación. El fósforo es también un importante nutriente necesario para el crecimiento de las microalgas, ya que juega un papel esencial en el metabolismo celular y la regulación, involucrándose en la producción de enzimas, fosfolípidos y compuestos que suministran energía (Smith 1983). Los estudios de Brown y Button (1979) sobre alga verde Selenastrum capricornutum mostraron una aparente limitación del crecimiento cuando la concentración de fosfato del medio fue inferior a 10 nM. COSub2/sub es también un nutriente crítico para lograr una alta productividad de algas (Moheimani 2016). Por ejemplo, si no se agrega COSub2/sub adicional al cultivo de algas, la productividad media puede reducirse hasta en un 80% (Moheimani 2016). Sin embargo, la adición de COSub2/sub a los estanques de algas es bastante costosa (Moheimani 2016). La forma más económica de introducir COSub2/sub en un medio de cultivo es la transferencia directa del gas a los medios mediante el burbujeo a través de piedras porosas sinterizadas o el uso de tubos bajo láminas de plástico sumergidas como inyectores COSub2/sub (Moheimani 2016). Desafortunadamente, en todos estos métodos todavía hay una alta pérdida de COSub2/sub a la atmósfera debido al corto tiempo de retención de las burbujas de gas en la suspensión de algas.

   Aunque añadir N, P y C es fundamental, otros nutrientes también afectan el crecimiento y el metabolismo de las microalgas. La falta de otros nutrientes, como el manganeso (Mn) y varios otros cationes (MgSup2+/SUP, KSUP+/SUP y Casup2+/SUP), también se sabe que reduce el crecimiento de algas (Droop 1973). Los oligoelementos también son críticos para el crecimiento de las microalgas y algunas microalgas también requieren vitaminas para su crecimiento (Croft et al. 2005). Una forma eficaz y económica de suministrar nutrientes es combinando el cultivo de algas y el tratamiento de aguas residuales, que se discute inmediatamente más adelante.

   12.3.4 Tratamiento de algas y aguas residuales

   Con un aumento en el deterioro ambiental y una mayor necesidad de generar fuentes alternativas de alimentación y energía, existe el impulso para explorar la viabilidad de tratamientos biológicos de aguas residuales junto con la recuperación de recursos. Los tratamientos de aguas residuales de microalgas han sido particularmente atractivos, debido a las actividades fotosintéticas de algas, donde la luz se transfiere a biomasa rentable. Bajo ciertas condiciones, la biomasa microalgal cultivada en aguas residuales puede ser equivalente o superior en la producción de biomasa a especies vegetales superiores. Así, el proceso puede transformar un producto de desecho en productos útiles (por ejemplo, piensos para animales, piensos para acuicultura, biofertilizantes y bioenergía). Por lo tanto, el efluente residual ya no es un producto residual negativo, sino que se convierte en un sustrato valioso para producir sustancias importantes y se ha informado de una biorremediación exitosa de las aguas residuales de microalgas durante más de medio siglo (Oswald y Gotass 1957; Delrue et al. 2016). La fitorremediación de algas proporciona una solución ambientalmente favorable para el tratamiento de aguas residuales, ya que puede utilizar nutrientes orgánicos e inorgánicos de manera eficiente (Nwoba et al. 2017). Los cultivos de microalgas tienen un enorme potencial para las etapas posteriores del tratamiento de aguas residuales, especialmente para reducir 'N', 'P' y 'DQO' (Nwoba et al. 2016). Además, la capacidad añadida de las microalgas para crecer a través de diferentes condiciones nutricionales tales como condiciones fotoautotróficas, mixotróficas y heterotróficas también mejora su capacidad para eliminar diversos tipos diferentes de contaminantes y químicos de matrices acuosas. La capacidad de las microalgas en el secuestro de carbono (COSub2/sub) permite la biorremediación de COSub2/sub. La relación sincronizada alga-bacterias establecida también es idealmente sinérgica para la biorremediación de aguas residuales (Muñoz y Guieysse 2006). A través de la fotosíntesis, las microalgas proporcionan oxígeno requerido por las bacterias aeróbicas para la mineralización de la materia orgánica, así como la oxidación de NHSub4/Subsup+/SUP (Muñoz y Guieysse 2006). A cambio, las bacterias suministran dióxido de carbono para el crecimiento de microalgas, reduciendo significativamente la cantidad de oxígeno necesaria para el proceso general de tratamiento de aguas residuales (Delrue et al. 2016). En general, los efluentes residuales con bajas proporciones de carbono a nitrógeno son fundamentalmente adecuados para el crecimiento de organismos fotosintéticos. Lo más importante es que los tratamientos de aguas residuales domésticas y agrícolas de microalgas son una opción atractiva ya que la tecnología es relativamente fácil y requieren energía muy baja en comparación con el estándar de tratamiento de efluentes. La optimización del tratamiento de aguas residuales de microalgas en estanques de gran escala es atractiva, ya que combina el tratamiento eficaz de un producto de desecho nocivo y la producción de biomasa de algas potencialmente valiosa rica en proteínas. La figura 12.1 resume un sistema de circuito cerrado para tratar cualquier residuo orgánico mediante la combinación de digestión anaeróbica y cultivo de algas.

   12.3.5 Algas y Acuapónica

   La mayoría de las veces se considera que las microalgas en la acuicultura y en los sistemas acuapónicos son una molestia, ya que pueden restringir los flujos de agua obstruyendo las tuberías, consumir oxígeno,

   

   Fig. 12.1 Sistema integrado de procesos para utilizar el cultivo de algas para el tratamiento de residuos orgánicos y potenciales usuarios finales. (El proceso está diseñado con base en información de Ayre et al. 2017 y Moheimani et al. 2018)

   puede atraer insectos, reducir la calidad del agua y cuando se descompone puede agotar el oxígeno. Sin embargo, un experimento de Addy et al. (2017) muestra que las algas pueden mejorar la calidad del agua en un sistema acuapónico, ayudar a controlar las caídas de pH relacionadas con el proceso de nitrificación, generar oxígeno disuelto en el sistema, «producir ácidos grasos poliinsaturados como alimento para peces de valor añadido y añadir diversidad y mejorar resistencia al sistema». Uno de los «sagrados griales» de la acuapónica es producir al menos parte de los alimentos que se alimentan a los peces como parte del sistema y es aquí donde se requiere investigación para producir algas que podrían cultivarse con parte del agua acuapónica, muy probablemente en un bucle separado, que luego se pueden alimentar como parte del dieta a los peces.

4. 12.4 Marapónica y haloponía

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Aunque la acuapónica de agua dulce es la técnica acuapónica más ampliamente descrita y practicada, los recursos de agua dulce para la producción de alimentos (agricultura y acuicultura) son cada vez más limitados y la salinidad del suelo está aumentando progresivamente en muchas partes del mundo (Turcios y Papenbrock 2014). Esto ha dado lugar a un mayor interés y/o movimiento hacia fuentes alternativas de agua (por ejemplo, agua salobre a alta salina, así como agua de mar) y el uso de peces eurihalina o de agua salada, plantas halofíticas, algas marinas y glucófitos poco tolerantes a la sal (Joesting et al. 2016). Es interesante observar que, si bien la cantidad de solución salina en las aguas subterráneas sólo se estima en el 0,93% de los recursos hídricos totales del mundo en 12.870.000 kmsup3/sup, esto es más que las reservas subterráneas de agua dulce (10.530.000 kmsup3/sup), que constituyen el 30,1% de todas las reservas de agua dulce (Appelbaum y Kotzen 2016).

   El uso de agua salina en la acuapónica es un desarrollo relativamente nuevo y, como ocurre con la mayoría de los nuevos desarrollos, los términos utilizados para describir la gama o jerarquía de tipos deben establecerse sobre una base firme. En su corta historia, el término marapónica (es decir, acuapónica marina) se ha acuñado para acuapónica de agua de mar (SA), es decir, sistemas que utilizan agua de mar y agua salobre (Gunning et al. 2016). Estos sistemas se encuentran principalmente en tierra, en lugares costeros y, en el caso de SA, cerca de una fuente de agua de mar. Pero hay peces y plantas que crecen y se pueden usar en unidades acuapónicas donde los niveles de salinidad del agua varían. Por lo tanto, aunque tiene sentido etimológico utilizar el término «marapónica» para acuapónica de agua de mar, tiene menos sentido denominar acuapónica de agua salobre utilizando este término. Por lo tanto, sugerimos que hay que añadir un nuevo término al léxico aquapónico y esto es 'haloponía', derivado de la palabra latina halo que significa sal y combinarlo con sufijo ponics. Por lo tanto, la marapónica es un sistema de acuicultura multitrófica integrada en tierra (IMTA) que combina la producción acuícola de peces marinos, crustáceos marinos, moluscos marinos, etc. con la producción hidropónica de plantas acuáticas marinas (por ejemplo, algas marinas, algas marinas y halófitos de agua de mar) utilizando agua de mar de resistencia (aproximadamente 35.000 ppm [35 g/l]). Sin embargo, los sistemas acuapónicos que utilizan agua salina por debajo de los niveles oceánicos en una gama de salinidades deben denominarse haloponías (agua ligeramente salina —1000 a 3000 ppm [1—3 g/L], moderadamente salina 3000—10.000 ppm [3—10 g/L] y alta salinidad entre 10.000 y 35.000 ppm [10—35 g/L]). Estos sistemas son también sistemas IMTA en tierra que combinan la producción acuícola con la producción hidropónica de plantas acuáticas, pero tanto los peces como las plantas se adaptan o crecen bien en lo que puede denominarse agua salobre.

   Aunque el concepto de marapónica es muy nuevo, el interés por la maricultura integrada a base de algas marinas en tierra comenzó a aparecer en la década de 1970, comenzando desde una escala de laboratorio y luego expandiéndose a ensayos a escala piloto al aire libre. En algunos de los primeros estudios experimentales, Langton et al. (1977) demostraron con éxito el crecimiento de las algas rojas, Hypnea musciformis, cultivadas en tanques con efluente de cultivo de moluscos. Alternativamente, cultivos que normalmente se clasificarían como glucófitos, como el tomate común (Lycopersicon esculentum), el tomate cereza (Lycopersicon esculentum var. Cerasiforme) y albahaca (Ocimum basilicum), pueden alcanzar niveles de producción notablemente exitosos hasta 4 g/L (4000 ppm) de salinidad y a menudo se les denomina que tienen niveles de tolerancia a la sal moderada (no debe confundirse con verdaderos halófitos, que son resistentes a altas salinidades). Otros cultivos tolerantes a salinidades poco moderadas incluyen nabo, rábano, lechuga, batata, frijol, maíz, col, espinacas, espárragos, remolacha, calabaza, brócoli y pepino (Kotzen y Appelbaum 2010; Appelbaum y Kotzen 2016). Por ejemplo, Dufault et al. (2001) y Dufault y Korkmaz (2000) experimentaron con residuos de camarón (materia fecal de camarón y alimento descompuesto) como fertilizante para la producción de brócoli (Brassica oleracea italica) y pimiento (Capsicum annuum), respectivamente. Aunque sus estudios no utilizaron técnicas marapónicas, involucraron plantas que se cultivan comúnmente utilizando técnicas acuapónicas (agua dulce). Por lo tanto, debido a sus niveles de tolerancia a la salinidad, estos cultivos tienen un enorme potencial como especies candidatas para la producción en sistemas halopónicos utilizando salinidades bajas a medias.

   Recientemente, varios estudios han demostrado que los halófitos pueden ser regados exitosamente con aguas residuales acuícolas procedentes de sistemas marinos utilizando técnicas hidropónicas o como parte de un sistema acuícola recirculante (RAS). Waller et al. (2015) demostraron la viabilidad del reciclaje de nutrientes a partir de una salinidad de agua salada (16 psu de salinidad [16 000 ppm]) para la lubina europea (D. labrax) mediante la producción hidropónica de tres plantas halofíticas: Tripolium pannonicum (aster), Plantago coronopus (plátano de cuerno de buck) y _ Salicornia dolichostachya_ (agripalma larga).

   La mayor parte del trabajo marapónico realizado hasta ahora implica la integración de dos niveles tróficos: plantas/algas y peces. Sin embargo, un ejemplo de sistema que incorpora más de dos niveles tróficos puede verse en un experimento realizado por Neori et al. (2000), quienes diseñaron un pequeño sistema para el cultivo intensivo en tierra de abulón japonés (Haliotis discus hannai), algas (Ulva lactuca y Gracilaria conferta) y alimentado con pellets dorada dorada (Sparus aurata). Este sistema consistía en agua de mar sin filtrar (2400 l/día) bombeada a dos tanques de abulón y drenada a través de una pecera y finalmente a través de una unidad de filtración/producción de algas marinas antes de ser descargada de vuelta al mar. Los moluscos de alimentación de filtro también podrían utilizarse en un sistema de este tipo. Kotzen y Appelbaum (2010) y Appelbaum y Kotzen (2016) compararon el crecimiento de vegetales comunes usando agua potable y agua moderadamente salina (4187—6813 ppm) y encontraron que la albahaca (Ocimum basilicum), el apio (Apium graveolens), los puerros (Allium ampeloprasum porturum) ce (Lactuca sativa — varios tipos), acelgas suizas (Beta vulgaris. 'cicla'), cebollas primaverales (Allium cepa) y berros (Nasturtium officinale) funcionaron muy bien.

   La marapónica (SA) y la haloponía ofrecen una serie de ventajas sobre los métodos tradicionales de producción de cultivos y peces. Debido a que utilizan agua salina (marina a salobre), se reduce la dependencia del agua dulce, que en algunas partes del mundo se ha convertido en un recurso muy limitado. Por lo general, se practica en un entorno controlado (por ejemplo, un invernadero; tanques de caudal controlados), lo que ofrece mejores oportunidades para una producción intensiva. Muchos sistemas marapónicos y halopónicos están cerrados RAS con biofiltros orgánicos y/o mecánicos y, posteriormente, la reutilización del agua es alta, la contaminación de las aguas residuales se reduce o elimina enormemente, y los contaminantes se eliminan o tratan. Incluso los sistemas que no son RAS pueden reducir significativamente el exceso de nutrientes en las aguas residuales antes de su descarga. Además, la aparición de contaminantes en los sistemas marapónicos y halopónicos no RAS puede reducirse o eliminarse mediante el uso de agua que contenga bajos niveles de contaminantes naturales y el uso de alternativas acuafeeds que no contengan dioxinas ni PCD (por ejemplo, nuevos piensos hechos a partir de macroalgas). Esta mejora en la calidad del agua reduce el potencial de aparición de enfermedades y, por lo tanto, la necesidad de utilizar antibióticos se reduce enormemente. Debido a su configuración versátil y a las bajas necesidades de agua, la marapónica y la haloponía se pueden implementar con éxito en una amplia variedad de entornos, desde zonas costeras fértiles hasta desiertos áridos (Kotzen y Appelbaum 2010), así como en asentamientos urbanos o periurbanos. Otro beneficio potencial es que muchas de las especies que son adecuadas para estos sistemas tienen un alto valor comercial. Por ejemplo, la lubina europea eurihalina (Dicentrarchus labrax) y la dorada (Sparus aurata) pueden obtener un precio de mercado de 9 euros y 6 euros, respectivamente. Además, los halófitos comestibles tienden a tener un precio de mercado alto, con el mar agretti (Salsola soda), por ejemplo, con un precio de mercado de 4 €/4,5 €/kg y el samphire de pantano (Salicornia europaea) que se vende a 18 €/kg en los supermercados.

   Por lo tanto, las pruebas son convincentes. La marapónica y la haloponía proporcionan un campo dinámico y de rápido crecimiento que tiene el potencial de proporcionar una serie de servicios a las comunidades, muchos de los cuales se exploran en otras partes de esta publicación.

5. 12.5 Acuapónica Vertical

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.5.1 Introducción

   Si bien la acuapónica puede ser vista como parte de una solución global para aumentar la producción de alimentos de formas más sostenibles y productivas y donde el cultivo de más alimentos en las zonas urbanas es ahora reconocido como parte de la solución a la seguridad alimentaria y una crisis alimentaria mundial (Konig et al. 2016), los sistemas acuapónicos pueden convertirse ellos mismos en más productivo y sostenible mediante la adopción de tecnologías alternativas de crecimiento y el aprendizaje de tecnologías emergentes como la agricultura vertical y las paredes vivas (Khandaker y Kotzen 2018). Además, al ser eficientes en el espacio, pueden integrarse mejor en las zonas urbanas.

   En el mundo desarrollado la mayoría de los sistemas acuapónicos se colocan en invernaderos para controlar la temperatura; en el norte de Europa y América del Norte, por ejemplo, las temperaturas invernales son demasiado frías en invierno y en zonas mediterráneas como España, Italia, Portugal, Grecia e Israel, las temperaturas de verano son demasiado cálidas. Por supuesto, hay muchas ventajas adicionales en el cultivo de alimentos en invernaderos controlados, tales como la capacidad de regular la humedad relativa y controlar el movimiento del aire, para poner en cuarentena peces, así como plantas de enfermedades y plagas y potencialmente ser capaz de añadir COSub2/sub, para ayudar al crecimiento de las plantas. Sin embargo, el cultivo de productos en un invernadero puede aumentar fácilmente los costos a través de (a) los costos de capital del invernadero (una estimación amplia de US$350/msup2/sup Arnold 2017) y (b) la infraestructura asociada, como los controles del microclima, que incluyen sistemas de calefacción y refrigeración e iluminación. Además de los costes iniciales de infraestructura, también están los costes específicos de producción de invernadero, que incluyen el suministro de energía/energía para calefacción y refrigeración, así como la iluminación.

   La mayoría de los sistemas acuapónicos, como el sistema de la Universidad de las Islas Vírgenes (UVI) (Fig. 12.1), diseñado por el Dr. James Rakocy y sus colegas, utilizan tanques de cultivo horizontales o camas, emulando patrones tradicionales de cultivo en tierra para producir verduras (Khandaker y Kotzen 2018). En otras palabras, el sistema se basa en hilas/conjuntos horizontales de plantas generalmente elevados a alrededor del nivel de la cintura, de modo que las tareas de gestión relacionadas con las plantas puedan llevarse a cabo fácilmente. Los desarrollos paralelos en las tecnologías agrícolas verticales y de muros vivos han surgido casi al mismo tiempo que la acuapónica ha evolucionado y se encuentran de manera similar en la etapa de desarrollo de los adolescentes. Del mismo modo que en la acuapónica, a medida que más personas se involucran, se produce un aumento concomitante en los sistemas y el desarrollo tecnológico para aumentar la productividad y reducir los costos. El acoplamiento de los sistemas verticales de cultivo (sistemas agrícolas verticales y muros de vida) en lugar de los lechos horizontales a los tanques de pescado y filtración es potencialmente una forma clave de aumentar la productividad, ya que debería ser posible aumentar el número de hortalizas cultivadas en comparación con el número producido en los acuapónica de cama horizontal. Los sistemas acuapónicos UVI (Fig. 12.2) producen aproximadamente 32 plantas por metro cuadrado (Al-Hafedh et al. 2008), dependiendo de la especie y el cultivar que se cultiva, pero como señalan Khandaker y Kotzen (2018), aproximadamente 96 plantas pueden cultivarse por metro cuadrado «utilizando elementos consecutivos de la Terapia Urbana [1] Sistema LW que es más de tres veces la densidad

   

   Fig. 12.2 Diagrama esquemático de un sistema típico de UVI que ilustra la relación entre tanques de peces/filtros/tanques de cultivo de plantas que es 2:1:5. Esto muestra que la mayor área está subsumida por las plantas y es en esta área donde se puede considerar el ahorro de espacio. (Khandaker y Kotzen 2018)

   comparado con el sistema de crecimiento horizontal de los UVI». Una estimación conservadora debería duplicar al menos la cantidad máxima cultivada en lechos horizontales a 64 plantas/msup2/sup. En un experimento con lechuga (Lactuca sativa L. cv. Touliatos et al. (2016) sugieren que el «Sistema Agrícola Vertical (VFS) presenta una alternativa atractiva a los sistemas horizontales de crecimiento hidropónico horizontal (y) que podrían lograrse aumentos adicionales en el rendimiento incorporando iluminación artificial en el VFS.

   **Sistemas agrícolas verticales (VFS) **

   Antes de discutir los requisitos específicos para los sistemas verticales, tenemos que discutir los tipos de sistemas disponibles. En VFS hay tres tipos genéricos principales (Fig. 12.3):

   1. Camas horizontales apiladas: En lugar de tener una sola cama de crecimiento horizontal, las camas se apilan como estantes en niveles. Esta disposición significa que en un invernadero, solo la cama superior se enfrentará a la luz natural directa y debe proporcionarse luz suplementaria a todos los niveles. Esto generalmente se proporciona directamente debajo de la cama de cultivo arriba. En principio, esto podría significar que las camas de cultivo podrían apilarse tan altas como lo permita el invernadero, pero, por supuesto, cultivar cosas en altura significa una mayor dificultad en la gestión del sistema, incluyendo la siembra, el mantenimiento y la cosecha, requiriendo elevadores de tijeras y energía adicional para bombear agua rica en nutrientes a todos los niveles. Según Bright Agrotech (Storey 2015), hasta cuatro niveles es rentable y cualquier cosa por encima de eso no es rentable. Storey (2015) señala además que la mano de obra aumenta un 25% en los niveles segundo, tercero y cuarto cuando se requiere un levantamiento de tijeras (Fig. 12.3, Ilustración A).

   

   Fig. 12.3 Sistemas agrícolas verticales y sus disposiciones de iluminación

   2. Sistemas de torre vertical (VTS): Los sistemas de torre vertical comprenden sistemas que cultivan plantas en matrices verticales dentro de un contenedor o una serie de módulos apilados. Dependiendo del sistema, las plantas se cultivan frente a una dirección o si, por ejemplo, se plantan en forma de tubo, entonces se pueden organizar hacia cualquier dirección. Un ejemplo de un sistema de matriz vertical, donde las plantas se cultivan mirando en una sola dirección es el ZipGrowsPTM/Sup que se cuelgan o soportan en filas (Fig. 12.3, Ilustración B1). Las filas entre ellas son de aproximadamente 0,5 metros (20 pulgadas). El crecimiento de una manera más tridimensional ocurre con sistemas apilados o en sistemas tubulares que permiten cultivar más plantas, pero la iluminación es más compleja (Fig. 12.3, Ilustración B2).

   3. Niveles escalonados: estos sistemas contienen canales de plantas rígidos o móviles. El SkyGreens VFS en Singapur utiliza un sistema de canal giratorio que mueve los canales hacia arriba y hacia la luz. La luz natural adicional es más significativa hacia la parte superior y menos hacia la parte inferior (Fig. 12.3, Ilustración C1). Otros sistemas de niveles se escalonan para que cada nivel tenga una interfaz sin obstáculos con la luz de arriba, ya sea luz natural del techo del invernadero o luz artificial. Pero estos sistemas tienen que ser bastante bajos para que la gente pueda llegar a las plantas (Fig. 12.3, Ilustración C2).

   Paredes vivientes

   Las paredes vivas todavía no se han utilizado en acuapónica, excepto en una serie de sistemas de ensayo, como en la Universidad de Greenwich, Londres (Khandaker y Kotzen 2018). Mientras que la mayoría de los VFS utilizan la técnica de película nutritiva (NFT) canales de cultivo o bloques de lana mineral encapsulados, los LW a veces también utilizan sustratos tipo suelo en macetas o comederos, que proporcionan el medio de enraizamiento. Aunque esto está bien para el cultivo de plantas ornamentales, así como verduras y hierbas, cuando se combina con tanques de peces, cualquier adición de suelo al sistema puede complicar el carácter microbiano del sistema y ser perjudicial para los peces. Sin embargo, esto es desconocido y requiere investigación. Los experimentos realizados en la Universidad de Greenwich (Khandaker y Kotzen 2018) indican que a partir de una serie de sustratos inerte probados (incluyendo hidroleica, perlita, paja, musgo Sphagnum, lana mineral y fibra de coco), la fibra de coco y luego la lana mineral fueron superiores en términos de penetración radicular y crecimiento de raíces en lechuga (Lactuca sativa).

   **Vertical v. Horizontal: Factores a considerar

   Hay cuatro aspectos clave que deben tenerse en cuenta al comparar los beneficios (productividad y sostenibilidad) del crecimiento vertical, en comparación con el crecimiento horizontal. Estos son (1) espacio, (2) iluminación, (3) energía y (4) costos del ciclo de vida.

   1. Espacio

   Los beneficios de poder cultivar productos verticalmente, espalda con espalda, deben equilibrarse con la cantidad de espacio que se requiere para proporcionar una distribución uniforme de la iluminación, así como el espacio de fila necesario para la gestión y el mantenimiento. El ancho de una fila en sistemas hidropónicos varía. Como se ha señalado, el sistema estándar ZipGrowsPTM/Sup es de aproximadamente 0,5 metros, mientras que el ancho de fila habitual para el cultivo de tomates y pepinos hidropónico varía de 0,9 a 1,2 metros (Badgery-Parker y James 2010). El cultivo de plantas más pequeñas, como lechuga y hierbas como la albahaca, puede permitir hileras más estrechas, pero, por supuesto, el ancho de fila debe garantizar que los productos no se vean comprometidos por mover artículos como carros y elevadores de tijeras. Un problema clave con el crecimiento vertical es el conflicto que se produce entre tener filas fijas y la iluminación fija, que debe ubicarse en las filas entre las fachadas de plantación. Estas luces impedirán los movimientos de las personas y, por lo tanto, las luces deben ser (i) parte de la estructura en crecimiento o (ii) retráctiles o móviles, para que los trabajadores puedan realizar tareas fácilmente, o (iii) las estructuras de plantación son móviles y las luces permanecen estáticas.

   2. _Iluminación _

   La producción en invernadero de hortalizas y otras plantas se basa en disposiciones espaciales específicas que permiten la siembra, la gestión mediante el crecimiento y la cosecha. La disposición espacial dependerá de los tipos de plantas y de los tipos de mecanización que se instale. Además, el crecimiento se basa eficientemente en el suplemento de luz adicional de diferentes tipos, que tienen sus propios pros y contras. En general, lo que estas luces hacen es proporcionar longitudes de onda específicas para el crecimiento de las plantas y para la producción de frutas o flores. Mientras que es relativamente simple y más común que las plantas livianas sean cultivadas horizontalmente, es más un desafío iluminar uniformemente una superficie vertical.

   En cuanto a los tipos de iluminación, muchos productores se han trasladado a o están tentados a instalar LEDs (diodos emisores de luz), debido a su larga vida útil, hasta 50.000 horas o más (Gupta 2017), sus bajos requisitos de energía y su reciente reducción de costes. Virsile et al. en Gupta (2017) señalan que la mayoría de las aplicaciones de iluminación LED en invernaderos eligen las combinaciones de longitudes de onda rojas y azules con alta eficiencia de fotones, pero que la luz verde y blanca que contiene cantidades sustanciales de longitudes de onda verdes tiene un impacto fisiológico positivo en las plantas. Sin embargo, la combinación de luces azules y rojas crea una imagen gris púrpura, lo que dificulta la evaluación visual de la salud vegetal. El tipo de longitudes de onda elegidas es complejo y puede tener beneficios en diferentes etapas de la vida de la planta e incluso de acuerdo con los cultivares de, por ejemplo, lechuga. Las lechugas de hoja roja, por ejemplo, responden a la iluminación LED azul, aumentando su pigmentación (Virsile et al. en Gupta 2017). Además, la iluminación LED azul puede mejorar la calidad nutricional de las verduras verdes, reduciendo el contenido de nitrato, aumentando los antioxidantes y fenólicos y otros compuestos beneficiosos. Los espectros ligeros también afectan el sabor, la forma y la textura (Virsile et al. en Gupta 2017). Los costos de los LEDs han disminuido significativamente y a medida que la eficacia de los LEDs ha aumentado, el tiempo de retorno de la inversión ha disminuido (Bugbee en Gupta 2017).

   Por supuesto, existe otra iluminación y esto incluye iluminación fluorescente, iluminación de halogenuros metálicos (MH) e iluminación de sodio de alta presión (HPS). El tipo de iluminación que se utiliza en la agricultura vertical y con paredes vivas varía considerablemente según la escala y la ubicación. Las lámparas fluorescentes compactas (CFL) son relativamente delgadas y pueden caber fácilmente en espacios pequeños, pero requieren un lastre inductivo para regular la corriente a través de los tubos. Los CFL utilizan sólo del 20 al 30% de una bombilla incandescente y duran de seis a ocho veces más, pero son casi un 50% menos eficientes que los LED. Son, con mucho, el más barato de los tres tipos principales de luces de cultivo. La tecnología de luz HPS grow tiene más de 75 años y está bien establecida para cultivar bajo vidrio, pero producen mucho calor y por lo tanto no son aptas para la agricultura vertical y las paredes vivas, donde la luz necesita ser entregada bastante cerca de las plantas. El calor producido por las luces LED de crecimiento, por otro lado, es mínimo. Sin embargo, el costo es más alto que otros dos tipos, y la protección ocular es necesaria para la exposición a más largo plazo a los LED, ya que la exposición a largo plazo a los espectros de luz puede ser perjudicial para los ojos. La disposición de las unidades VFS dictará la disposición de iluminación, pero en general estas están iluminadas por LEDs. El método de iluminación de paredes vivas dependerá de la altura de la pared. Cuanto más alta sea la pared, más difícil es aplicar una dispersión uniforme a través de la superficie, aunque hay que señalar que el número de luces utilizadas no debe ser diferente de las utilizadas en camas de cultivo horizontales y, si la pared es alta, es posible que las luces deban ser escalonadas. Como la mayoría de las paredes vivas están ubicadas con fines estéticos, la iluminación debe mantenerse en la medida de lo posible, fuera del camino y la iluminación no sólo debe proporcionar luz adecuada para el crecimiento y la salud de las plantas, sino también para que las plantas se vean bien (Fig. 12.4).

   

   Fig. 12.4 Una pared viva de 4 metros de altura y 5 metros de largo puede iluminarse adecuadamente con seis lámparas de descarga de alta eficiencia. Tenga en cuenta que estos fueron elegidos no sólo para proporcionar luz adecuada para el crecimiento, sino también para que las plantas en la pared viva se vean bien. (Universidad de Greenwich Living Wall. Fuente: Benz Kotzen)

   Los avances en la tecnología LED, donde las frecuencias de iluminación y la intensidad pueden ser diseñados para adaptarse a especies y cultivares individuales, así como sus diversos ciclos de vida, significan que los LEDs se convertirán en la tecnología de elección en un futuro próximo. Además, esto se verá reforzado por la reducción de los costos.

   3. Energía

   Es probable que se requiera más energía para la iluminación tanto para VFS como para LW, ya que incluso la iluminación natural no se puede lograr sobre superficies verticales. Además, se requerirá más potencia de bombeo para el riego y esto será relativo a la altura de los VFS o LW.

   4. _Análisis comparativo del ciclo de vida (ACV) _

   Aunque hay numerosos estudios realizados sobre el análisis del ciclo de vida de la acuapónica y diversos aspectos de los sistemas acuapónicos, no hay estudios comparativos que comparen la acuapónica vertical frente a la horizontal. Esto aún no se ha hecho. Estamos llegando a un punto en el que es probable que la acuapónica vertical justifique más pruebas e investigaciones y, con el tiempo, la acuapónica vertical, que combina sistemas agrícolas verticales o sistemas de pared viva con los tanques de peces y las unidades de filtración, es probable que se vuelva más corriente, siempre y cuando estos puedan ser rentables y sostenible.

6. 12.6 Tecnología Biofloc (BFT) aplicada para acuapónica

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.6.1 Introducción

   La tecnología Biofloc (BFT) se considera la nueva 'revolución azul' en la acuicultura (Stokstad 2010), ya que los nutrientes pueden ser reciclados y reutilizados continuamente en el medio de cultivo, beneficiados por la producción de microorganismos in situ y por el intercambio mínimo o cero de agua (Avnimelech 2015). Estos enfoques podrían hacer frente a algunos problemas graves en el sector, como la competencia por la tierra y el agua y los efluentes vertidos al medio ambiente que contienen exceso de materia orgánica, compuestos nitrogenados y otros metabolitos tóxicos.

   BFT fue desarrollado por primera vez a principios de la década de 1970 por el equipo Aquacop del iFremer-COP (Instituto Francés de Investigación para la Explotación del Mar, Centro Oceánico del Pacífico) con diferentes especies de peneides de camarón, incluyendo Litopenaeus vannamei, L. stylirostris y Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011). En el mismo período, Ralston Purina (una empresa privada estadounidense) en relación con Aquacop aplicó la tecnología tanto en Crystal River (EE.UU.) como en Tahití, lo que llevó a una mayor comprensión de los beneficios del biofloc para el cultivo del camarón. Varios otros estudios permitieron un enfoque integral de la BFT e investigaron las interrelaciones entre agua, animales y bacterias, comparando BFT con un «rumen externo», pero ahora se aplica al camarón. En la década de 1980 y a principios de la década de 1990, tanto Israel como Estados Unidos (Waddell Mariculture Center) iniciaron I+D en BFT con Tilapia y camarón blanco del Pacífico L. vannamei, respectivamente, en los que las preocupaciones ambientales, la limitación del agua y los costos de la tierra fueron los principales agentes causantes que promovieron la investigación ( Emerenciano y otros, 2013).

   

   Fig. 12.5 Tecnología Biofloc (BFT) aplicada para el cultivo de camarón marino en Brasil (a) y para el cultivo de Tilapia en México (b) (Fuente: EMA-FURG, Brasil y Maurício G. C. Emerenciano)

   Las primeras operaciones comerciales de BFT y probablemente las más famosas comenzaron en la década de 1980 en la granja 'Sopomer' en Tahití, Polinesia Francesa, y a principios de la década de 2000 en la granja de acuicultura de Belice o 'BAL', ubicada en Belice, Centroamérica. Los rendimientos obtenidos utilizando tanques de concreto de 1000 msup2/sup y estanques de crecimiento forrados de 1,6 ha fueron de aproximadamente 20-25 toneladas/ha/año con dos cultivos en Sopomer y 11-26 ton/ha/ ciclo en BAL, respectivamente. Más recientemente, BFT se ha expandido con éxito en el cultivo de camarones a gran escala en Asia, América del Sur y Central, así como en invernaderos de pequeña escala en Estados Unidos, Europa y otras áreas. Al menos en una fase (por ejemplo, fase de vivero) se ha utilizado BFT con gran éxito en México, Brasil, Ecuador y Perú. Para la cultura de Tilapia_ a escala comercial, las granjas de México, Colombia e Israel utilizan BFT con producciones alrededor de 7 a 30 kg/msup3/sup (Avnimelech 2015) (Fig. 12.5b). Adicionalmente, esta tecnología se ha utilizado (por ejemplo, en Brasil y Colombia) para producir juveniles de tilapia (\ ~30 g) para otras existencias en jaulas o estanques de tierra (Durigon et al. 2017). El BFT se ha aplicado principalmente al cultivo de camarón y, en cierta medida, a la tilapia. Otras especies han sido probadas y son prometedoras, como se observa en el bagre plateado (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), carpa (Zhao et al., 2014), piracanjuba (Brycon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), cachama (Colossoma macropomum) (Poleo et al., 2011) y otras especies de crustáceos como Macrobrachium rosenbergii (Cangrejo y otros, 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Emerenciano y otros, 2012), F. paulensis (Ballester et al., 2010), Penaeus semisulcatus (Megahed, 2010), L. stylirostris (Emerenciano et al., 2011) y otros P. monodon (Arnold y otros, 2006). El interés por BFT es evidente por el creciente número de universidades y centros de investigación que realizan investigaciones, especialmente en los ámbitos clave de la gestión del crecimiento, la nutrición, la reproducción, la ecología microbiana, la biotecnología y la economía.

   12.6.2 ¿Cómo funciona BFT?

   Los microorganismos desempeñan un papel clave en los sistemas BFT (Martínez-Córdoba et al. 2015). El mantenimiento de la calidad del agua, principalmente mediante el control de la comunidad bacteriana sobre microorganismos autotróficos, se logra utilizando una alta relación carbono-nitrógeno (C:N), ya que los subproductos nitrogenados pueden ser fácilmente absorbidos por bacterias heterotróficas. En el inicio de los ciclos de cultivo se requiere una alta relación carbono-nitrógeno para garantizar un óptimo crecimiento de bacterias heterotróficas, utilizando esta energía para su mantenimiento y crecimiento (Avnimelech 2015). Además, otros grupos de microorganismos son cruciales en los sistemas BFT. La comunidad bacteriana quimioautotrófica (es decir, bacterias nitrificantes) se estabiliza después de aproximadamente 20 a 40 días y podría ser responsable de dos tercios de la asimilación de amoníaco en el sistema (Emerenciano et al. 2017). Por lo tanto, la adición de carbono externo debe reducirse y la alcalinidad consumida por los microorganismos debe ser reemplazada por diferentes fuentes de carbonato/bicarbonato (Furtado et al. 2011). La estabilidad del intercambio de agua cero o mínimo depende de la interacción dinámica entre comunidades de bacterias, microalgas, hongos, protozoos, nematodos, rotíferos, etc. que se producirá de forma natural (MartineZCórdoba et al. 2017). Los agregados (bioflocs) son una rica fuente natural de alimentos proteína-lípidos que están disponibles las 24 horas del día debido a una interacción compleja entre materia orgánica, sustrato físico y gran variedad de microorganismos (Kuhn y Boardman 2008; Ray et al. 2010). La productividad natural en forma de producción de microorganismos desempeña tres funciones principales en los tanques, caminos de rodadura o estanques forrados: (1) en el mantenimiento de la calidad del agua, mediante la absorción de compuestos nitrogenados que generan proteínas microbianas in situ; (2) en nutrición, aumentando la viabilidad del cultivo mediante la reducción de los piensos las relaciones de conversión y la disminución de los costos de los piensos; y 3) la competencia con los patógenos (Emerenciano et al. 2013).

   En cuanto a la calidad del agua para los organismos de cultivo, además del oxígeno, el exceso de materia orgánica particulada y compuestos tóxicos de nitrógeno son la principal preocupación en los sistemas biofloc. En este contexto, existen tres vías para la eliminación del nitrógeno amoniaco: a menor velocidad (1) eliminación fotoautotrófica por algas y a mayor velocidad (2) conversión bacteriana heterotrófica de nitrógeno amoniaco directamente a biomasa microbiana y (3) conversión bacteriana autotrófica de amoníaco a nitrato ( MartinezCórdoba y otros 2015). El nitrato disponible en los sistemas más otros nutrientes menores y mayores acumulados a lo largo del ciclo podría ser utilizado como sustrato para el crecimiento de plantas en sistemas acuapónicos (Pinho et al. 2017).

   12.6.3 BFT en Acuapónica

   La aplicación de BFT en sistemas acuapónicos es relativamente nueva, aunque Rakocy (2012) menciona un proyecto comercial a escala piloto con tilapia. En el cuadro 12.2 se resumen estudios recientes clave que han utilizado BFT en sistemas acuapónicos.

   En general, los resultados demuestran que la tecnología biofloc se puede utilizar e integrar en una producción de peces o camarones. El BFT en comparación con otros sistemas acuícolas convencionales (como RAS) mejoró el rendimiento de plantas y peces y promovió una mejor calidad visual de las plantas (Pinho et al. 2017), pero no en todos los casos (Rahman 2010; Pinho 2018). Pinho et al. (2017) observaron que los rendimientos de lechuga con el sistema BFT fueron mayores en comparación con el sistema de recirculación de agua clara (Fig. 12.6). Esto se debe posiblemente a la mayor disponibilidad de nutrientes proporcionada por el

   Tabla 12.2 Estudios recientes en todo el mundo aplicando el BFT en sistemas acuapónicos para diferentes especies acuáticas y vegetales

   tabla tead tr class="encabezado» Especies acuáticos/ésima th Especies vegetales /th th Principales resultados /th th Referencias /th /tr /thead tbody tr class="impar» TDtilapia/TD td Lechuga /td td La tecnología Biofloc no mejoró la producción de lechuga en comparación con la solución hidropónica convencional /td td Rahman (2010) /td /tr tr class="incluso» TDtilapia/TD td Lechuga /td td Se mejoró el rendimiento y la calidad visual de la lechuga con BFT en comparación con el sistema de recirculación de agua clara /td td Pinho y otros (2017) /td /tr tr class="impar» TDtilapia (vivero) /td td Lechuga /td td El rendimiento de la planta (lechuga) usando Tilapia en una fase de vivero (1—30 g) fue influenciado negativamente por las aguas residuales de biofloc en comparación con las aguas residuales de RAS después de dos ciclos de planta (13 días cada uno). Los aspectos visuales de la planta fueron mejores en RAS en comparación con BFT /td td Pinho (2018) /td /tr tr class="incluso» TDtilapia/TD td Lechuga /td td La presencia de elementos filtrantes (filtro mecánico y filtro biológico) afectó positivamente la producción de lechuga en sistemas acuapónicos en comparación con el tratamiento sin filtros utilizando BFT /td td Barbosa (2017) /td /tr tr class="impar» TDtilapia/TD td Lechuga /td td Baja salinidad (3 ppt) se puede realizar en acuapónica utilizando BFT. Los parámetros visuales y de rendimiento indicaron que la variedad púrpura tuvo mejor rendimiento que las variedades lisas y crisped /td td Lenz y otros (2017) /td /tr tr class="incluso» Peces de Acuario Bagre TDSilver td Lechuga /td td El uso de bioflocs en el sistema aquapónico puede mejorar la productividad de la lechuga en un cultivo integrado con bagre de plata /td td Rocha y otros (2017) /td /tr tr class="impar» TDilitOpenaeus vannamei/i/td td IsarcoCornia ambigua/i /td td El rendimiento de isrimp marino L. vannamei/i no se vio afectado por la producción acuapónica ambigua y mejoró el uso de nutrientes (p. ej. nitrógeno) en el sistema de cultivo /td td Pinheiro y otros (2017) /td /tr /tbody /tabla

   

   ** Fig. 12.6** Invernadero acuapónico experimental comparando tecnología biofloc y aguas residuales RAS en la Universidad Estatal de Santa Catarina (UDESC), Brasil. (Fuente: Pinho et al. 2017)

   mayor actividad microbiana. Sin embargo, esta tendencia no se observó en el estudio de Rahman (2010), quien comparó efluentes del cultivo de peces en un sistema BFT con una solución hidropónica convencional en una producción de lechuga. Además, Pinho

   

   Fig. 12.7 Halofito de alta salinidad Sarcocornia ambigua producción acuapónica integrada con camarón blanco del Pacífico Litopenaeus vannamei aplicando con éxito la tecnología biofloc en la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil. (Fuente: LCM-UFSC, Brasil)

   

   Fig. 12.8 Producción de lechuga Aquaponics integrada con Tilapia utilizando tecnología biofloc (izquierda) y acumulación de sólidos suspendidos en raíces de lechuga (derecha). Barbosa (2017)

   (2018) en un estudio reciente observó que el rendimiento productivo de la lechuga en el sistema acuapónico utilizando Tilapia en una fase de vivero (1—30 g) fue influenciado negativamente por las aguas residuales de biofloc en comparación con las aguas residuales de RAS durante 46 días. La variación en los resultados identifica la necesidad de estudios adicionales en esta área.

   El BFT se puede utilizar con agua de baja salinidad, por ejemplo con algunas variedades de lechuga (Lenz et al. 2017), y se pueden utilizar aguas de mayor salinidad, por ejemplo, con especies de plantas halófitas como Sarcocornia ambigua co-cultivo con camarón blanco del Pacífico Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (Fig. 12.7). El bagre plateado Rhamdia quelen también ha mostrado un buen potencial para la integración de la acuapónica con BFT (Rocha et al. 2017).

   Con BFT, la concentración de sólidos puede afectar gravemente las raíces e impactar la absorción de nutrientes y la disponibilidad de oxígeno. Como resultado, los rendimientos pueden verse afectados, pero también la calidad visual de las plantas (por ejemplo, lechugas), que es un criterio importante para los consumidores. Con esto en mente, el manejo de sólidos es un tema importante para estudios posteriores en los que se considera el impacto de sólidos (fracción de partículas y también fracción disuelta) en sistemas acuapónicos cuando se aplica BFT (Fig. 12.8). Además, es necesario realizar estudios económicos para comparar los costos implicados en los diversos sistemas de acuicultura y cultivo de plantas e identificar la idoneidad en relación con los diferentes lugares y condiciones.

7. 12.7 Digeponics

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   El procesamiento anaeróbico de biomasa intencionalmente cultivada, así como de material vegetal residual de la actividad agrícola, para la producción de biogás es un método bien establecido. El digestato bacterialmente indigerible se devuelve a los campos como fertilizante y para construir humus. Aunque este proceso está muy extendido en la agricultura, la aplicación de esta tecnología en la horticultura es relativamente nueva. Stoknes et al. (2016) afirman que dentro del proyecto «Alimentos para desperdiciar en alimentos» (F2W2F), se ha desarrollado por primera vez un método eficiente para la utilización del digestato como sustrato y fertilizante. El equipo de investigación acuñó el término «digeponics» para este sistema circular. Digeponics, a diferencia de la acuapónica, reemplaza la parte acuícola por un digestor anaeróbico, o, al compararla con un sistema acuapónico de tres bucles que incluye un anaeróbico, la parte acuícola se retira del sistema, dejando dos bucles principales, el bucle de digestión y el bucle hortícola.

   El aporte orgánico requerido que se proporciona en forma de alimento para peces a un sistema acuapónico se reemplaza por desperdicios de alimentos procedentes de la producción humana de alimentos para digeponics. La composición variable de los nutrientes en el flujo de entrada opuesta a la corriente de nutrientes conocida, constante y probablemente optimizada nutricionalmente resultante de la alimentación de los peces probablemente requerirá un análisis de nutrientes más estricto y un régimen de manejo que el requerido en la acuapónica.

   El biogás producido, que contiene principalmente metano y dióxido de carbono, puede utilizarse dentro de la instalación para la producción de electricidad y calor. El gas de escape rico en dióxido de carbono resultante puede utilizarse como fertilizante directamente en el invernadero reduciendo las emisiones en comparación con las plantas clásicas de biogás utilizadas en la agricultura.

   Dado que el «digestato fresco y no tratado en purín líquido anaeróbico (contiene) sustancias tóxicas vegetales, una conductividad eléctrica muy alta (CE) y demanda química de oxígeno (DQO)» (Stoknes et al. 2016), tiene que ser tratado para que sea adecuado para la fertilización vegetal. Se han examinado varios métodos de moderación en el marco del proyecto F2W2F. La CE relativamente elevada del digestato y la flexibilidad operativa de un digestor alimentado con desechos alimentarios de bajo costo alivian algunos de los problemas de acoplamiento estrechos que a menudo se atribuyen a los sistemas acuapónicos acoplados (véase cap. 7. Por lo tanto, la digeponía puede servir como una alternativa interesante a la acuapónica en situaciones donde la parte acuícola representa un reto. Con respecto a un sistema aquapónico de tres bucles que ya comprende un bucle con un digestor anaeróbico, la inclusión de un flujo de residuos de alimentos para insumos orgánicos podría representar una dirección futura interesante. El rendimiento de metano del lodo de acuicultura es bastante limitado. Una inclusión selectiva de biomasa agrícola residual con el objetivo de optimizar el rendimiento de metano podría mejorar el rendimiento general.

8. 12.8 Vermiponía y acuapónica

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Sería negligente en este capítulo no mencionar las lombrices de tierra y su introducción en la acuapónica, y así este capítulo concluye con un breve resumen de estos invertebrados perjudiciales y sus habilidades para convertir residuos orgánicos en fertilizante. Se dice que los gusanos y la forma en que digieren la materia eran de interés para Aristóteles y Charles Darwin, así como para los filósofos Pascal y Thoreau (Adhikary 2012) y estaban protegidos por la ley bajo Cleopatra. Las lombrices de tierra son valoradas en la agricultura y la horticultura, ya que son «vitales para la salud del suelo porque transportan nutrientes y minerales desde abajo a la superficie a través de sus desechos, y sus túneles airean el suelo» (National Geographic).

   La vermicultura moderna se atribuye a Mary Appelhof, quien a principios de los años setenta y ochenta produjo una serie de publicaciones sobre compostaje con gusanos. El vermicompostaje contemporáneo se produce a grandes y pequeñas escalas con el objetivo de eliminar los residuos orgánicos y producir fertilizantes en forma de compost y 'té de gusano'. El té de gusano se puede producir remojando los moldes de gusano o lixiviando los nutrientes del compost a través de humectación o lixiviado humectante natural de la precipitación.

   La vermiponía utiliza los lanzamientos de gusanos principalmente rojos, también conocidos como gusanos tigre (Eisenia fetida) o (E. foetida) para proporcionar nutrientes en un sistema hidropónico. Cuando se introducen gusanos en un sistema aquapónico, sugerimos que el sistema se denomina 'vermi-aquapónica' para diferenciar los sistemas. Por lo tanto, es la introducción de gusanos en los lechos de crecimiento de las partes vegetales de un sistema aquapónico. Cabe señalar que la vermi-aquapónica está en su infancia y se practica principalmente por aficionados y en laboratorios de investigación. Los gusanos se introducen principalmente en los medios de cultivo de las plantas, generalmente lechos de grava, donde pueden ayudar a descomponer cualquier residuo sólido de los peces y cualquier detritus de las plantas y, además, proporcionar nutrientes adicionales para las plantas, y también pueden ser alimentados a los peces carnívoros. En la mayoría de los casos, las camas son de tipo inundación y drenaje, por lo que los gusanos no están constantemente bajo el agua.

   Reconocimientos Los autores agradecen al Consejo Nacional para el Desarrollo Científico y Tecnológico CNPq (Proyecto número 455349/2012-6) y a la Fundación de Investigación Científica y Tecnológica del Estado de Santa Catarina FAPESC (Proyecto número 2013TR3406 y 2015TR453).