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Capítulo 13 Dietas de pescado en acuapónica

1. 13.1 Introducción

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

   Se reconoce que los alimentos acuáticos son beneficiosos para la nutrición y la salud humanas y desempeñarán un papel esencial en futuras dietas saludables sostenibles (Beveridge et al. 2013). Para lograrlo, el sector acuícola global debe contribuir a aumentar la cantidad y calidad de los suministros de pescado entre ahora y 2030 (Thilsted et al. 2016). Este crecimiento debe promoverse no sólo aumentando la producción y/o el número de especies, sino también mediante la diversificación de los sistemas. Sin embargo, el pescado procedente de la acuicultura ha sido incluido recientemente en el debate sobre seguridad alimentaria y nutrición (FSN) y en las estrategias y políticas futuras, lo que demuestra el importante papel de esta producción para prevenir la desnutrición en el futuro (Bénét et al. 2015), ya que los peces proporcionan una buena fuente de proteínas y grasas insaturadas, así como minerales y vitaminas. Es importante señalar que muchas naciones africanas están promoviendo la acuicultura como respuesta a algunos de sus desafíos actuales y futuros de producción de alimentos. Incluso en Europa, la oferta de pescado no es actualmente autosuficiente (con una oferta o demanda interna desequilibrada) y depende cada vez más de las importaciones. Por lo tanto, garantizar el desarrollo exitoso y sostenible de la acuicultura mundial es una agenda imperativa para la economía mundial y europea (Kobayashi et al. 2015). En general, la sostenibilidad es necesaria para mostrar tres aspectos clave: la aceptabilidad ambiental, la equidad social y la viabilidad económica. Los sistemas acuapónicos ofrecen la oportunidad de ser sostenibles, combinando sistemas de producción animal y vegetal de una manera rentable, respetuosa con el medio ambiente y socialmente beneficiosa. Para Staples y Funge-Smith (2009), el desarrollo sostenible es el equilibrio entre el bienestar ecológico y el bienestar humano, y en el caso de la acuicultura, un enfoque ecosistémico se ha entendido recientemente como un área prioritaria para la investigación.

   La acuicultura ha sido el sector de producción de alimentos de más rápido crecimiento durante los últimos 40 años (Tveterås et al. 2012), siendo una de las actividades agrícolas más prometedoras para satisfacer las necesidades alimentarias mundiales en el futuro cercano (Kobayashi et al. 2015). Las estadísticas de producción total de la acuicultura (FAO 2015) revelan un incremento anual de la producción mundial del 6%, que se espera que proporcione hasta el 63% del consumo mundial de pescado para 2030 (FAO 2014), para una población estimada de nueve mil millones de personas en 2050. En el caso de Europa, el aumento previsto se observa no sólo en el sector marítimo, sino también en los productos producidos en tierra. Algunos de los desafíos esperados para el crecimiento de la acuicultura en los próximos años son la reducción en el uso de antibióticos y otros tratamientos patológicos, el desarrollo de sistemas y equipos de acuicultura eficientes, junto con la diversificación de especies y el aumento de la sostenibilidad en el

   área de producción y uso de piensos. El paso de la harina de pescado (FM) en los piensos a otras fuentes de proteínas es también un reto importante, así como la relación «pescado en pescado». Hay una larga historia, que se remonta a la década de 1960, de promover el crecimiento del sector de la acuicultura hacia la sostenibilidad adecuada, incluyendo el estímulo para adaptar y crear fórmulas nuevas y más sostenibles para piensos, reducir el derrame de piensos y reducir la tasa de conversión de alimentos (RCF). Aunque se reconoce que la acuicultura es el sector de producción animal más eficiente, si se compara con la producción animal terrestre, todavía hay margen para mejorar en términos de eficiencia de recursos, diversificación de especies o métodos de producción y, además, una clara necesidad de un enfoque ecosistémico que adopte plena ventaja del potencial biológico de los organismos y proporcionar una adecuada consideración de los factores ambientales y sociales (Kaushik 2017). Este crecimiento de la producción acuícola tendrá que ser apoyado por un aumento en la producción total prevista de piensos. Se necesitarán aproximadamente tres millones de toneladas adicionales de piensos cada año para apoyar el crecimiento de la acuicultura previsto para 2030. Además, es necesario sustituir la harina de pescado y el aceite de pescado (FO) por sustitutos vegetales y terrestres, lo que requiere una investigación esencial sobre los piensos preparados para la cría de animales.

   Las industrias animal y acuícola forman parte de un sector de producción global, que también es el foco de las futuras estrategias de desarrollo. La encuesta anual de Alltech (Alltech 2017) revela que la producción total de piensos para animales atravesó mil millones de toneladas métricas, con un aumento del 3,7% en la producción desde 2015, a pesar de una disminución del 7% en el número de molinos de piensos. China y Estados Unidos dominaron la producción en 2016, representando el 35% del total de la producción mundial de piensos. La encuesta indica que los 10 principales países productores tienen más de la mitad de las fábricas de piensos del mundo (56%) y representan el 60% de la producción total de piensos. Esta concentración en la producción significa que muchos de los ingredientes clave utilizados tradicionalmente en las formulaciones para piensos de acuicultura comerciales son productos de comercio internacional, lo que somete a la producción acuícola a cualquier volatilidad del mercado mundial. Por ejemplo, se espera que la harina de pescado se duplique en el precio de aquí a 2030, mientras que es probable que el aceite de pescado aumente en más del 70% (Msangi et al. 2013). Esto ilustra la importancia de reducir la cantidad de estos ingredientes en los piensos para peces, a la vez que aumenta el interés y la concentración en fuentes nuevas o alternativas (García-Romero et al. 2014a, b; Robaina et al. 1998, 1999; Terova et al. 2013; Torrecillas et al. 2017).

   Si bien se han desarrollado nuevas plataformas costa afuera para la producción acuícola, también hay un enfoque significativo en los sistemas acuícolas de recirculación marina y de agua dulce (RAS), ya que estos sistemas utilizan menos agua por kg de alimento para peces utilizado, lo que aumenta la producción de peces al mismo tiempo que reduce los impactos ambientales de acuicultura, incluyendo reducciones en el uso del agua (Ebeling y Timmons 2012; Kingler y Naylor 2012). Las RAS pueden integrarse con la producción de plantas en sistemas acuapónicos, que encajan fácilmente en modelos de sistemas alimentarios locales y regionales (véase el capítulo 15) que pueden practicarse en grandes centros de población o cerca de ellos (Love et al. 2015a). El agua, la energía y los piensos para peces son los tres mayores insumos físicos para sistemas acuapónicos (Love et al. 2014, 2015b). Aproximadamente el 5% de los piensos no son consumidos por los peces de piscifactoría, mientras que el 95% restante es ingerido y digerido (Khakyzadeh et al. 2015). De esta cuota, entre el 30 y el 40% se retiene y se convierte en nueva biomasa, mientras que la

   Desarrollo de piensos acuapónicos y bioeconomía circular

   

   Fig. 13.1 Representación esquemática de un enfoque multidisciplinario para valorizar localmente biosubproductos para dietas acuapónicas. (Basado en «I+D+I hacia el desarrollo acuapónico en las islas ultraperiféricas y la economía circular»; proyecto ISLANDAP, Interreg MAC/1.1A/2072014-2019)

   restante del 60 al 70% se libera en forma de heces, orina y amoníaco (FAO 2014). En promedio, 1 kg de alimento (30% de proteína bruta) libera a nivel mundial alrededor de 27,6 g de N y 1 kg de biomasa de peces libera alrededor de 577 g de DBO (demanda biológica de oxígeno), 90,4 g de N y 10,5 g de P (Tyson et al. 2011).

   La acuapónica es actualmente un sector pequeño pero de rápido crecimiento, que está claramente indicado para aprovechar los siguientes desafíos políticos y socioeconómicos: 1) los productos acuáticos satisfacen las necesidades de seguridad alimentaria y nutrición, 2) se establecen regiones autosuficientes en todo el mundo, 3) acuicultura es un sector clave, pero los ingredientes globales y la producción mundial de piensos son objeto de atención, 4) la innovación en la agricultura promueve la biodiversidad de formas más sostenibles y como parte de la economía circular y 5) hay una mayor absorción de alimentos producidos localmente. Estos aspectos guardan relación con las recomendaciones de la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (Le Gouvello et al. 2017), considerando la sostenibilidad de la acuicultura y el alimento para peces, que ha recomendado que se realicen esfuerzos para localizar la producción acuícola y el enfoque circular, y para la puesta en marcha de un programa de control de calidad para nuevos productos y subproductos, así como la elaboración de piensos locales para peces dentro de las regiones. Hasta la fecha, la acuapónica como «pequeñas explotaciones acuícolas» podría proporcionar ejemplos para la aplicación de la bioeconomía y la producción a escala local, promoviendo así formas de utilizar productos y subproductos de materia orgánica no aptos para otros fines, por ejemplo, insectos y gusanos de granja, macroalgas y microalgas, hidrolizados de pescado y subproductos, nuevas plantas agroecológicas y bioactivos y micronutrientes producidos localmente, reduciendo al mismo tiempo la huella ambiental con una producción de alimentos de calidad (pescado y plantas) y avanzando hacia la generación cero de residuos. Además, la acuapónica es un buen ejemplo para promover una forma multidisciplinar de aprendizaje sobre la producción sostenible y la valorización de los biorecursos, por ejemplo, el «Proyecto Islandap» (INTERREG V-A MAC 20142020) (Fig. 13.1).

   Las siguientes secciones de este capítulo revisan el estado del arte de las dietas, ingredientes y aditivos de pescado, así como los desafíos nutricionales y sostenibles a tener en cuenta cuando se producen piensos acuapónicos específicos.

2. 13.2 Desarrollo Sostenible de la Nutrición Pescada

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   El desarrollo sostenible de la nutrición de los peces en la acuicultura tendrá que corresponder a los desafíos que la acuapónica plantea con respecto a la creciente necesidad de producir alimentos de alta calidad. La manipulación del nitrógeno, el fósforo y el contenido mineral de las dietas de peces utilizadas en la acuapónica es una forma de influir en las tasas de acumulación de nutrientes, reduciendo así la necesidad de suplementación artificial y externa de nutrientes. Según Rakocy et al. (2004), los residuos de pescado y piensos proporcionan la mayor parte de los nutrientes que necesitan las plantas si se mantiene la relación óptima entre la entrada diaria de alimento para peces y las zonas de cultivo de plantas. Los residuos sólidos de peces llamados «lodos» en sistemas acuapónicos resultan en la pérdida de aproximadamente la mitad de los nutrientes de entrada disponibles, especialmente fósforo, que teóricamente podrían utilizarse para la producción de biomasa vegetal, pero la información sigue siendo limitada (Delaide et al. 2017; Goddek et al. 2018). Si bien el objetivo de la sostenibilidad de la nutrición de los peces en la acuicultura se alcanzará en el futuro mediante el uso de dietas personalizadas, los piensos para peces en acuapónica deben satisfacer las necesidades nutricionales tanto para peces como para plantas. Los aumentos de la sostenibilidad se derivarán en parte de una menor dependencia de la harina de pescado (FM) y el aceite de pescado (FO) y de ingredientes naturales nuevos, de alta energía y baja huella de carbono. Para salvaguardar la biodiversidad y el uso sostenible de los recursos naturales, el uso de FM y FO basados en la pesca silvestre debe limitarse en los acuafeeds (Tacon y Metian 2015). Sin embargo, el rendimiento de los peces, la salud y la calidad del producto final pueden verse alterados al sustituir la FM dietética por ingredientes alternativos. Por lo tanto, la investigación sobre nutrición de peces se centra en el uso eficiente y la transformación de los componentes dietéticos para proporcionar los nutrientes esenciales necesarios que maximicen el rendimiento del crecimiento y logren una acuicultura sostenible y resiliente. Sustituir a la FM, que es una fuente de proteína excelente pero costosa en las dietas de pescado, no es sencillo debido a su perfil único de aminoácidos, alta digestibilidad de nutrientes, alta palatabilidad, cantidades adecuadas de micronutrientes, además de tener una falta general de factores anti-nutricionales (Gatlin et al. 2007).

   Muchos estudios han demostrado que la FM puede ser reemplazada con éxito por harina de soja en aquafeeds, pero la harina de soja tiene factores anti-nutricionales tales como inhibidores de tripsina, aglutinina de soja y saponina, que limitan su uso y altos porcentajes de reemplazo en el cultivo de peces carnívoros. La sustitución elevada de FM por comidas vegetales en dietas de peces también puede reducir la biodisponibilidad de nutrientes en peces, lo que da lugar a alteraciones nutritivas en la calidad final del producto (Gatlin et al. 2007). También puede causar alteraciones indeseables en el medio acuático (Hardy 2010) y reducir el crecimiento de los peces debido a la reducción de los niveles de aminoácidos esenciales (especialmente metionina y lisina), y la reducción de la palatabilidad (Krogdahl et al. 2010). Gerile y Pirhonen (2017) señalaron que un reemplazo 100% de FM con harina de gluten de maíz redujo significativamente la tasa de crecimiento de la trucha arco iris, pero el reemplazo de FM no afectó el consumo de oxígeno ni la capacidad de natación.

   Los altos niveles de material vegetal también pueden afectar la calidad física de los pellets y complicar el proceso de fabricación durante la extrusión. La mayoría de las fuentes alternativas de nutrientes derivados de plantas para alimentos para peces contienen una amplia variedad de factores antinutricionales que interfieren con el metabolismo de las proteínas de los peces al afectar la digestión y la utilización, lo que conduce a una mayor liberación de N en el medio ambiente, lo que puede afectar la salud y el bienestar de los peces. Además, las dietas que incluyen altos niveles de ácido fítico alteraron el fósforo y la digestión de proteínas que conducen a una alta liberación de N y P en el entorno circundante. La ingesta y la palatabilidad de los piensos, la digestibilidad y la retención de nutrientes pueden variar según la tolerancia y los niveles de las especies de peces y pueden cambiar la cantidad y composición de los residuos de pescado. Teniendo en cuenta estos resultados, las formulaciones de dieta de peces en acuapónica deben investigar los niveles dietéticos de «tolerancia» de factores antinutricionales (es decir, fitato) para diferentes ingredientes alimentarios y para cada especie de pez utilizada en acuapónica, así como los efectos de la adición de minerales como Zn y fosfato en las dietas. También hay que señalar que incluso si el material vegetal es considerado como una opción ecológicamente racional para reemplazar la FM en los acuafeeds, las plantas necesitan riego y, por lo tanto, pueden inducir impactos ecológicos en forma de huella hídrica y ecológica (Pahlow et al. 2015) a partir de la escorrentía de nutrientes de los campos.

   Los subproductos de animales terrestres como las proteínas animales transformadas no rumiantes (PAP) derivadas de animales monogástricos de granja (por ejemplo, aves de corral, cerdo) aptos para el consumo humano en el punto de sacrificio (materiales de la categoría 3, Reglamento CE 142/2011; Reglamento 56/2013 de la UE) también podrían sustituir a la FM y apoyar la economía circular. Tienen un mayor contenido proteico, perfiles de aminoácidos más favorables y menos carbohidratos en comparación con los ingredientes de los piensos vegetales, pero también carecen de factores antinutricionales (Hertrampf y Piedad-Pascual 2000). Se ha demostrado que las harinas de carne y hueso pueden servir como una buena fuente de fósforo cuando se incluyen en la dieta de Nilo Tilapia (Ashraf et al. 2013), aunque ha sido estrictamente prohibida en la alimentación de animales rumiantes debido al peligro de iniciar encefalopatía espongiforme bovina (enfermedad de las vacas locas). Ciertas especies de insectos, como la mosca de los soldados negros (Hermetia illucens), podrían utilizarse como fuente de proteínas alternativa para dietas sostenibles de alimentación para peces. Las principales ventajas ambientales del cultivo de insectos son que (a) se requieren menos tierra y agua, (b) las emisiones de gases de efecto invernadero son menores y (c) los insectos tienen una alta eficiencia de conversión de piensos (Henry et al. 2015). Sin embargo, sigue siendo necesario realizar nuevas investigaciones para proporcionar pruebas sobre cuestiones de calidad y seguridad y detección de riesgos para los peces, las plantas, las personas y el medio ambiente.

   Es importante señalar que los peces no pueden sintetizar varios nutrientes esenciales necesarios para su metabolismo y crecimiento y dependen de los piensos para este suministro. Sin embargo, hay ciertos grupos de animales que pueden utilizar dietas deficientes en nutrientes, ya que portan microorganismos simbióticos que pueden proporcionar estos compuestos (Douglas 2010), y por lo tanto, los peces pueden obtener el máximo beneficio cuando el suministro microbiano de sus nutrientes esenciales se escala a la demanda. La falta de oferta limita el crecimiento de los peces, mientras que el exceso de oferta puede ser perjudicial debido a la necesidad de neutralizar la toxicidad causada por compuestos no esenciales. Se desconoce en gran medida la medida en que la función microbiana varía con las demandas de las diferentes especies de peces y cuáles son los mecanismos subyacentes. Es importante destacar que la microbiota intestinal de un animal acuático puede, en teoría, desempeñar un papel crítico en la provisión de los nutrientes necesarios y en la obtención de sostenibilidad en la piscicultura (Kormas et al. 2014; Mente et al. 2016). Otras investigaciones en este campo ayudarán a facilitar la selección de ingredientes que se utilizarán en piensos para peces que promuevan la diversidad de la microbiota intestinal para mejorar el crecimiento y la salud de los peces.

   Se está investigando la utilización de fuentes alternativas de proteínas vegetales y animales y de ingredientes de piensos para peces de baja trófica. La sustitución de materias primas de origen marino en los piensos para peces, que podrían utilizarse directamente con fines alimentarios humanos, debería disminuir la presión pesquera y contribuir a preservar la biodiversidad. Los organismos de bajo nivel trófico, como la mosca de los soldados negros, que pueden servir como ingredientes acuafiados, pueden cultivarse en subproductos y desperdicios de otras prácticas agrícolas industriales, teniendo en cuenta diferentes comidas de calidad nutricional, con lo que se agregan beneficios ambientales adicionales. Sin embargo, los esfuerzos para tener éxito con la economía circular y el reciclaje de nutrientes orgánicos e inorgánicos deben manejarse con cuidado, ya que los compuestos indeseables en materias primas y productos del mar podrían aumentar el riesgo para la salud animal, el bienestar, el rendimiento de crecimiento y la seguridad del producto final para consumidores. La investigación y el seguimiento continuo y la presentación de informes sobre los contaminantes de los animales acuáticos de piscifactoría en relación con los límites máximos de los ingredientes y dietas para piensos son esenciales para fundamentar las revisiones y la introducción de nuevas reglamentaciones.

3. 13.3 Ingredientes y aditivos para piensos

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   13.3.1 Fuentes de Proteínas y Lípidos para Aquafeeds

   Desde finales del siglo XX, se han producido cambios significativos en la composición de los acuafeeds, pero también avances en la fabricación. Estas transformaciones se han originado en la necesidad de mejorar la rentabilidad económica de la acuicultura, así como de mitigar sus impactos ambientales. Sin embargo, la fuerza impulsora de estos cambios es la necesidad de disminuir la cantidad de harina de pescado (FM) y aceite de pescado (FO) en los piensos, que tradicionalmente han constituido la mayor proporción de los piensos, especialmente para los peces carnívoros y los camarones. En parte debido a la sobrepesca, pero especialmente debido al continuo aumento del volumen mundial de acuicultura, existe una creciente necesidad de proteínas y aceites alternativos para reemplazar la FM y la FO en los acuafeeds.

   

   Fig. 13.2 Relación entre peces y salida (línea azul, eje Y izquierdo) y la cantidad de aceite de pescado utilizado (línea amarilla, eje Y derecho) para la alimentación de trucha arco iris en Finlandia entre 1990 y 2013. (Datos de www.raisioagro. com)

   La composición de los piensos para peces ha cambiado considerablemente, ya que la proporción de FM en las dietas ha disminuido de\ > 60% en la década de 1990 a\ 20% en las dietas modernas para peces carnívoros como el salmón del Atlántico (Salmo salar), y el contenido de FO ha disminuido del 24% al 10% (Ytrestøyl et al. 2015). Como consecuencia de ello, la denominada relación pescado-en-salida (FIFO) ha disminuido por debajo de 1 para el salmón y la trucha arco iris, lo que significa que la cantidad de pescado necesaria en el pienso para producir 1 kg de carne de pescado es inferior a 1 kg (Fig. 13.2). Por lo tanto, el cultivo de peces carnívoro en el siglo XXI es un productor neto de pescado. Por otro lado, los piensos para especies de peces omnívoras tróficas inferiores (por ejemplo, carpa y tilapia) pueden contener menos del 5% de FM (Tacon et al. 2011). El cultivo de estas especies de peces tróficos bajos es ecológicamente más sostenible que para las especies tróficas más altas, y la FIFO para Tilapia fue de 0,15 y para los ciprínidos (especies de carpa) solo 0,02 en 2015 (IFFO). Cabe señalar que la sustitución total de FM en las dietas de Tilapia (Koch et al. 2016) y salmón (Davidson et al. 2018) no es posible sin afectar significativamente los parámetros de producción.

   Hoy en día, la mayor oferta de proteínas y lípidos en los piensos para peces proviene de las plantas, pero también comúnmente de otros sectores, incluidas las comidas y grasas procedentes de subproductos cárnicos y avícolas y harina de sangre (Tacon y Metian 2008). Además, los desechos y subproductos de la transformación del pescado (despojos y despojos) se utilizan comúnmente para producir FM y FO. Sin embargo, debido a la normativa de la UE (CE 2009), el uso de FM de una especie no está permitido como alimento para la misma especie, por ejemplo, el salmón no puede alimentarse con FM que contenga recortes de salmón.

   Los reemplazos FM y FO con otros ingredientes pueden afectar la calidad del producto que se vende a los clientes. El pescado tiene la reputación de ser un alimento saludable, especialmente debido a su alto contenido de poli y ácidos grasos altamente insaturados. Lo más importante, los mariscos son la única fuente de EPA (ácido eicosapentaenoico) y DHA (ácido docosahexaenoico), ambos de los cuales son ácidos grasos omega-3, y nutrientes esenciales para muchas funciones en el cuerpo humano. Si FM y FO son reemplazados por productos de origen terrestre, esto afectará directamente a la calidad de la carne de pescado, sobre todo a su composición de ácidos grasos, ya que la proporción de ácidos grasos omega-3 (especialmente EPA y DHA) disminuirá, mientras que la cantidad de ácidos grasos omega-6 aumentará junto con el aumento de material vegetal que está reemplazando a FM y FO (Lazzarotto et al. 2018). Como tal, los beneficios para la salud del consumo de pescado se pierden en parte, y el producto que termina en el plato no es necesariamente lo que los consumidores esperaban comprar. Sin embargo, con el fin de superar el problema de la disminución de los ácidos grasos omega-3 en el producto final resultante de la disminución de los ingredientes de pescado en acuafeeds, los piscicultores podrían emplear las denominadas dietas de acabado con alto contenido de FO durante las etapas finales de cultivo (Suomela et al. 2017).

   Una nueva opción interesante para reemplazar el FO en los piensos para peces es la posibilidad de ingeniería genética, es decir, plantas modificadas genéticamente que pueden producir EPA y DHA, por ejemplo aceite de Camelina sativa modificado genéticamente (nombre común de camelina, oro de placer o lino falso que se sabe que tiene altos niveles de ácidos grasos omega-3) se utilizó con éxito para cultivar salmón, terminando con una concentración muy alta en EPA y DHA en el pescado (Betancor et al. 2017). Sin embargo, el uso de organismos modificados genéticamente en la producción humana de alimentos está sujeto a aprobación reglamentaria y puede no ser una opción a corto plazo.

   Otra nueva posibilidad de reemplazar la FM en aquafeeds son las proteínas hechas de insectos (Makkar et al. 2014). Esta nueva opción sólo se ha hecho posible dentro de la UE recientemente cuando la UE modificó la legislación, permitiendo las comidas de insectos en aquafeeds (UE 2017). Las especies permitidas son mosca negra (Hermetia illucens), mosca común (Musca domestica), gusano amarillo (Tenebrio molitor), gusano de harina menor (Alphitobius diaperinus), cricket casero (Acheta domesticus), cricket bandeado (Gryllos) des sigillatus_) y grillo de campo (Gryllus assimilis). Los insectos deben criarse sobre ciertos sustratos permitidos. Los experimentos de crecimiento realizados con diferentes especies de peces muestran que reemplazar FM por harina hecha de larvas de mosca negra no necesariamente compromete el crecimiento y otros parámetros de producción (Van Huis y Oonincx 2017). Por otro lado, las comidas hechas con gusano amarillo podrían reemplazar a la FM solo parcialmente para evitar una disminución en el crecimiento (Van Huis y Oonincx 2017). Sin embargo, el reemplazo de FM con harina de insectos puede causar una caída en los ácidos grasos omega-3, ya que no tienen EPA y DHA (Makkar y Ankers 2014).

   A diferencia de los insectos, las microalgas suelen tener perfiles nutricionalmente favorables de aminoácidos y ácidos grasos (incluidos EPA y DHA), pero también hay una gran variación entre especies a este respecto. La sustitución parcial de FM y FO en aquafeeds con ciertas microalgas ha dado resultados prometedores (Camachorodríguez et al. 2017; Shah et al. 2018) y en el futuro puede esperarse que aumente el uso de microalgas en aquafeeds (White 2017) aunque su uso esté limitado por el precio.

   Este breve resumen de los posibles ingredientes para piensos indica que existe una amplia gama de posibilidades de sustituir al menos parcialmente FM y FO en los piensos para peces. En general, el perfil de aminoácidos de FM es óptimo para la mayoría de las especies de peces y FO contiene DHA y EPA que son prácticamente imposibles de proporcionar a partir de aceites terrestres, aunque la ingeniería genética puede cambiar la situación en el futuro. Sin embargo, los productos OGM deben ser aceptados primero en la legislación y luego por los clientes.

   13.3.2 El uso de aditivos especializados en piensos adaptados a la acuapónica

   La adaptación de los acuafeeds específicos de los sistemas acuapónicos es más difícil que el desarrollo de piensos acuícolas convencionales, ya que la naturaleza de los sistemas acuapónicos requiere que los acuafeeds no solo proporcionen nutrición a los animales cultivados sino también a las plantas cultivadas y a las comunidades microbianas que habitan el sistema. La práctica acuapónica actual utiliza aquafeeds formulados para proporcionar una nutrición óptima a los animales acuáticos cultivados; sin embargo, como principal aporte nutritivo en los sistemas acuapónicos (Roosta y Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011; Junge et al. 2017), los piensos también deben tener en cuenta los requerimientos de nutrientes del componente de producción de la planta. Esto es especialmente importante para los sistemas acuapónicos a escala comercial, donde la productividad del sistema de producción de la planta tiene un impacto importante en la rentabilidad general del sistema (Adler et al. 2000; Palm et al. 2014; Love et al. 2015a) y donde la mejora del rendimiento de la producción del componente de la planta puede mejorar la rentabilidad general del sistema.

   Por lo tanto, el objetivo general del desarrollo de piensos acuapónicos adaptados sería diseñar un pienso que logre un equilibrio entre proporcionar nutrientes adicionales a las plantas, manteniendo al mismo tiempo un funcionamiento aceptable del sistema acuapónico (es decir, una calidad suficiente del agua para la producción animal, el rendimiento del biofiltro y el digestor anaeróbico, y absorción de nutrientes por las plantas). Para lograrlo, el alimento acuapónico a medida final puede no ser óptimo para la producción individual de animales acuáticos o plantas, sino que sería óptimo para el sistema acuapónico en su conjunto. El punto óptimo se determinaría sobre la base de parámetros generales de rendimiento del sistema, por ejemplo, medidas de sostenibilidad económica y/o ambiental.

   Uno de los principales desafíos para aumentar la producción de los sistemas acuapónicos acoplados es las concentraciones relativamente bajas de nutrientes tanto macro como microvegetales (principalmente en forma inorgánica) en el agua de recirculación, en comparación con los sistemas hidropónicos convencionales. Estos bajos niveles de nutrientes pueden provocar deficiencias de nutrientes en las plantas y tasas de producción de plantas subóptimas (Graber y Junge 2009; Kloas et al. 2015; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2017). Otro desafío es la importante cantidad de cloruro sódico en acuafeeds convencionales a base de harina de pescado y la posible acumulación de sodio en sistemas acuapónicos (Treadwell et al. 2010). Pueden desarrollarse diferentes enfoques para hacer frente a estos desafíos, tales como soluciones tecnológicas, por ejemplo, sistemas aquapónicos desacoplados (Goddek et al. 2016) (véase también Cap. 8, suplementación directa de nutrientes en el sistema de producción vegetal mediante pulverización foliar o adición al agua recirculante (Rakocy et al. 2006; Roosta y Hamidpour 2011), o el cultivo de plantas mejor tolerantes a la sal (véase Cap. 12). Un nuevo enfoque es el desarrollo de aquafeeds adaptados específicamente para su uso en acuapónica.

   Para hacer frente a la escasez de nutrientes de las plantas en acuapónica, los piensos acuapónicos adaptados deben aumentar la cantidad de nutrientes disponibles en las plantas, ya sea aumentando las concentraciones de nutrientes específicos después de la excreción por los animales cultivados, o haciendo que los nutrientes sean más biodisponibles después de la excreción y biotransformación, para una rápida absorción por parte de las plantas. Lograr esta mayor excreción de nutrientes no es, sin embargo, tan simple como complementar mayores cantidades de los nutrientes deseados a las dietas acuícolas, ya que hay muchos factores (a menudo contradictorios) que necesitan ser considerados en un sistema acuapónico integrado. Por ejemplo, aunque la producción óptima de plantas requerirá mayores concentraciones de nutrientes específicos, ciertos minerales, por ejemplo, ciertas formas de hierro y selenio, pueden ser tóxicos para los peces incluso a bajas concentraciones y, por lo tanto, tendrían niveles máximos permitidos en el agua circulante (Endut et al. 2011; Tacon 1987). Aparte de los niveles totales de nutrientes, la relación entre nutrientes (por ejemplo, la relación P:N) también es importante para la producción de plantas (Buzby y Lin 2014), y los desequilibrios en las relaciones entre nutrientes pueden conducir a la acumulación de ciertos nutrientes en los sistemas acuapónicos (Kloas et al. 2015). Además, incluso si un alimento acuapónico aumenta los niveles de nutrientes de las plantas, la calidad general del agua y el pH del sistema deben mantenerse dentro de límites aceptables para garantizar una producción animal aceptable, una absorción eficiente de nutrientes por las raíces de las plantas, un funcionamiento óptimo de los biofiltros y los digestores anaeróbicos ( Goddek et al. 2015b; Rakocy et al. 2006) y evitar la precipitación de ciertos nutrientes importantes como los fosfatos, ya que esto hará que no estén disponibles para las plantas (Tyson et al. 2011). Para lograr este equilibrio global no es una hazaña media, ya que existen interacciones complejas entre las diferentes formas de nitrógeno en el sistema (NH<sub3/sub, NHSub4/SubSUP+/SUP, NOSub2/SubSUP-/SUP, NOSub3/SubSUP-/SUP), el pH del sistema y el surtido de metales y otros iones presentes en el sistema (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016).

   Escasez Común de Nutrientes en Sistemas Acuapónicos

   Las plantas requieren una gama de macro y micronutrientes para el crecimiento y el desarrollo. Los sistemas acuapónicos son comúnmente deficientes en los macronutrientes vegetales potasio (K), fósforo (P), hierro (Fe), manganeso (Mn) y azufre (S) (Graber y Junge 2009; Roosta y Hamidpour 2011). El nitrógeno (N) está presente en diferentes formas en sistemas acuapónicos, y se excreta como parte del metabolismo proteico de los animales acuáticos cultivados (Rakocy et al. 2006; Roosta y Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011) después de lo cual entra en el ciclo del nitrógeno en el ambiente acuático integrado. (El nitrógeno se examina en detalle en Cap. 9 y, por lo tanto, queda excluido del presente debate.)

   El uso de aditivos especializados en piensos para acuicultura seleccionados puede contribuir al desarrollo de acuafeeds adaptados específicamente para acuapónicos, proporcionando nutrientes adicionales a los animales o plantas acuáticas cultivados, o ajustando la proporción de nutrientes. Los aditivos para piensos de acuicultura son diversos, con una amplia gama de funciones y mecanismos de trabajo. Las funciones pueden ser nutritivas y no nutritivas, y los aditivos pueden orientarse hacia la acción en los piensos o hacia los procesos fisiológicos de los animales acuáticos cultivados (Encarnação 2016). A los efectos del presente capítulo, se hace hincapié en tres tipos específicos de aditivos que podrían contribuir a la adaptación de las dietas acuapónicas: (1) suplementos minerales añadidos directamente a los piensos, (2) minerales que se añaden coincidentalmente como parte de aditivos que sirven para fines no minerales y (3) aditivos que hacen que los minerales, que ya están presentes en los piensos, estén más disponibles para los animales acuáticos cultivados y/o plantas en sistemas acuapónicos.

   1. Suplementación directa de minerales en piensos aquaponicos

   Suplementar minerales directamente en las dietas de acuicultura utilizadas en sistemas acuapónicos es un método potencial para aumentar la cantidad de minerales excretados por los animales cultivados o añadir minerales específicos requeridos por las plantas en los sistemas acuapónicos. Los minerales se añaden habitualmente en forma de premezclas minerales a las dietas de acuicultura, para suministrar a los animales acuáticos cultivados los elementos esenciales necesarios para el crecimiento y el desarrollo (Ng et al. 2001; NRC 2011). Los minerales no absorbidos por los peces durante la digestión se excretan, y si estos están en la forma soluble (principalmente iónica) en el sistema acuapónico, estos están disponibles para la absorción de plantas (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015). No está claro cuán factible sería tal enfoque, ya que hay poca información sobre la eficacia de agregar suplementos minerales a aquafeeds con el propósito de mejorar la producción de plantas acuapónicas. En general, los requerimientos minerales y el metabolismo en la acuicultura son poco conocidos en comparación con la producción animal terrestre, por lo que la viabilidad de este enfoque no está bien descrita. Las ventajas potenciales de este enfoque serían que podría ser una intervención bastante simple para mejorar el rendimiento general del sistema, podría permitir la suplementación de una amplia gama de nutrientes y es probable que tenga un costo relativamente bajo. Sin embargo, todavía es necesario realizar investigaciones sustanciales para evitar cualquier posible escollo importante que pueda surgir. Uno de ellos se centra en el hecho de que los minerales suplementados destinados a las plantas primero tienen que pasar a través del tracto digestivo de los animales acuáticos cultivados y estos pueden ser absorbidos total o parcialmente durante este paso. Esto podría conducir a la acumulación no deseada de minerales en los animales acuáticos, o a la interferencia en la absorción normal de nutrientes y/o minerales y procesos fisiológicos (Oliva-Teles 2012). Pueden producirse interacciones significativas entre los minerales dietéticos en las dietas acuícolas (Davis y Gatlin 1996), y estas deben determinarse antes de poder emplear suplementos minerales directos en dietas acuapónicas. Otros efectos potenciales pueden incluir la alteración de la estructura física y las características quimiosensoriales de los piensos, lo que a su vez podría afectar la palatabilidad de los piensos. Es evidente que aún se requiere una investigación sustancial antes de que se pueda adoptar este método de adaptación de los piensos acuapónicos.

   2. Adición coincidental de minerales por medio de aditivos para piensos

   Ciertas clases de aditivos para piensos se añaden a los aquafeeds en forma de compuestos iónicos y en los que solo uno de los iones contribuye a la actividad prevista. El otro ion es considerado como una adición coincidental e inevitable a la acuicultura y a menudo no se considera en ninguna investigación acuícola. Un ejemplo específico de esta clase de aditivos para piensos de uso frecuente son las sales ácidas orgánicas, en las que el ingrediente activo previsto en el aquafeed es el anión de un ácido orgánico (por ejemplo, formato, acetato, butirato o lactato) y el catión que lo acompaña a menudo se ignora en la nutrición de los animales cultivados. Por lo tanto, si el catión que lo acompaña se elige a propósito para ser un importante macro o micronutriente vegetal, existe la posibilidad de que los animales cultivados puedan excretarlo en el agua del sistema y estar disponible para su absorción por las plantas.

   Los ácidos orgánicos de cadena corta y sus sales se han vuelto bien conocidos y a menudo se utilizan en aditivos para piensos tanto en la nutrición animal terrestre como en la acuicultura, donde los compuestos se emplean como potenciadores del rendimiento y agentes para mejorar la resistencia a las enfermedades. Estos compuestos pueden tener diferentes mecanismos de funcionamiento, incluyendo actuar como antimicrobianos, antibióticos o promotores del crecimiento, mejorar la digestibilidad y utilización de nutrientes y actuar como fuente de energía directamente metabolizable (Partanen y Mroz 1999; Lückstädt 2008; Ng y Koh 2017). Los ácidos orgánicos nativos o sus sales pueden ser utilizados en las dietas de acuicultura, pero las formas de sal de los compuestos son a menudo preferidas por los fabricantes, ya que son menos corrosivas para alimentar equipos de fabricación, son menos picantes y están disponibles en forma sólida (polvo), lo que simplifica la adición de alimentos formulados durante la fabricación (Encarnação 2016; Ng y Koh 2017). Para una revisión exhaustiva sobre el uso de ácidos orgánicos y sus sales en la acuicultura, se remite a los lectores al trabajo de Ng y Koh (2017).

   El empleo de sales ácidas orgánicas en acuapónica tiene el potencial de tener dos beneficios en el sistema, donde el anión podría mejorar el rendimiento y la resistencia a las enfermedades de los animales acuáticos cultivados, mientras que el catión (p. ej. potasio) podría aumentar la cantidad de nutrientes vegetales esenciales excretados. La ventaja potencial de este enfoque es que los niveles de inclusión dietética de sales ácidas orgánicas pueden ser relativamente altos para un aditivo para piensos, y la investigación informa regularmente una inclusión total de sal ácida orgánica de hasta 2% en peso (Encarnação 2016), aunque los fabricantes comerciales tienden a recomendar niveles más bajos de aproximadamente 0,15-0,5% (Ng y Koh 2017). El catión de sales ácidas orgánicas podría constituir una proporción significativa del peso total de la sal, y como éstas se alimentan diariamente a los animales cultivados, podrían aportar una cantidad significativa de nutrientes a las plantas en un sistema acuapónico durante el transcurso de una temporada de crecimiento. Actualmente no se dispone de ninguna investigación publicada que reporte los hallazgos de esta línea de investigación y, al igual que con la suplementación directa de minerales a piensos aquapónicos, este enfoque debe ser validado a través de investigaciones futuras para determinar el destino de los cationes añadidos como parte de las sales de ácidos orgánicos (si son excretados o absorbidos por los animales acuáticos) y si existen interacciones con minerales o nutrientes. Sin embargo, sigue siendo una emocionante vía futura de investigación.

   3. Aditivos para piensos que hacen que los nutrientes sean más bio-disponibles para las plantas

   Se utilizan cantidades crecientes de ingredientes vegetales en acuafeeds formulados, pero los minerales de materias primas vegetales son menos biodisponibles para los animales acuáticos cultivados, principalmente debido a la presencia de factores antinutricionales en los ingredientes dietéticos basados en plantas (Naylor et al. 2009; Kumar et al. 2012; Prabhu et al. 2016). Esto significa que una mayor proporción de minerales se excreta en las heces en forma unida, lo que requiere «liberación» antes de estar disponibles para la absorción de las plantas. Un ejemplo típico es el fósforo orgánico que se produce como fitato, que puede unirse a otros minerales para formar compuestos insolubles, donde se requiere acción microbiana en el medio ambiente antes de que el fósforo se libere como fosfato soluble disponible en plantas (Kumar et al. 2012).

   El uso de enzimas exógenas en dietas acuapónicas personalizadas podría contribuir potencialmente a liberar mayores cantidades de nutrientes procedentes de acuafeeds con alto contenido vegetal para la nutrición animal y vegetal en sistemas acuapónicos. Las enzimas más utilizadas en aquafeeds son las proteasas, carbohidratos y fitasas, tanto para mejorar la digestión de nutrientes como para degradar compuestos antinutricionales como el fitato (Encarnação 2016), lo que puede resultar en la liberación de nutrientes adicionales de aquafeeds. Aunque se sabe que la suplementación enzimática exógena conduce a una mejor utilización de nutrientes en los animales cultivados, no está claro si los nutrientes adicionales se excretarán en forma disponible en las plantas, evitando así un paso de remineralización por separado en los sistemas acuapónicos (véase Cap. 10). Además, las interacciones entre enzimas exógenas y nutrientes en diferentes partes del tracto digestivo de los peces son posibles (Kumar et al. 2012), lo que tendrá implicaciones adicionales en las cantidades de nutrientes excretados para el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, también es necesario seguir investigando para determinar la utilidad de las enzimas exógenas específicamente para su uso en piensos aquapónicos.

4. 13.4 Ritmos Fisiológicos: Comparejar la nutrición de peces y plantas

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

   El diseño de los piensos para peces es crucial en acuapónica porque los piensos para peces son el aporte único o al menos principal de nutrientes para animales (macronutrientes) y plantas (minerales) (Fig. 13.3).

   El nitrógeno se introduce en el sistema aquapónico a través de la proteína en los piensos para peces que se metaboliza por los peces y se excreta en forma de amoníaco. La integración de la acuicultura recirculante con la hidropónica puede reducir la descarga de nutrientes no deseados al medio ambiente, así como generar beneficios. En un estudio económico temprano, la eliminación de fósforo en un sistema acuapónico integrado de trucha y lechuga y albahaca resultó ser un ahorro de costos (Adler et al. 2000). La integración de las tasas de alimentación de los peces también es fundamental para satisfacer las necesidades nutricionales de las plantas. En realidad, los agricultores necesitan saber la cantidad de alimento utilizado en la unidad de acuicultura para calcular la cantidad de nutrientes que hay que complementar para promover el crecimiento de las plantas en la unidad hidropónica. Por ejemplo, en un sistema acuapónico de tilapia-fresa, la cantidad total de piensos necesarios para producir iones (por ejemplo, NOSub3/SubSUP—, /sup Casub2/SubSUP+/SUP, HSub2/Subposub4/SubSUP y KSUP+/SUP) para plantas se calculó a diferentes densidades de peces, con un mejor resultado para la densidad de peces pequeños 2 kg de peces p para reducir el costo de la suplementación con solución hidropónica (Villarroel et al. 2011).

   

   Fig. 13.3 Flujo de nutrientes en un sistema aquapónico. Tenga en cuenta que el alimento para peces, a través de aguas residuales del sistema acuícola, proporciona los minerales necesarios para que las plantas crezcan en el sistema hidropónico. El tiempo de las comidas debe diseñarse para que coincida con los ritmos de alimentación y excreción en los peces y los ritmos de absorción de nutrientes en las plantas

   Es bien sabido que las plantas tienen ritmos diarios y la ritmicidad circadiana en los movimientos foliares fue descrita por primera vez en las plantas por De Miran a principios del siglo XVIII (McClung 2006). Los ritmos circadianos en las plantas controlan todo desde el momento de la floración hasta la nutrición de las plantas y, por lo tanto, estos ritmos deben tenerse en cuenta especialmente cuando se utiliza iluminación hortícola artificial. Los peces también están atados a ritmos diarios en la mayoría de las funciones fisiológicas, incluida la alimentación y la absorción de nutrientes. No debe sorprender que los peces exhiban ritmos alimentarios porque la disponibilidad de alimentos y la presencia de depredadores son apenas constantes, pero restringidos a una determinada hora del día/noche (López-Olmeda y Sánchez-Vázquez 2010). Por lo tanto, los peces deben alimentarse en el momento adecuado de acuerdo con sus ritmos de apetito: comidas programadas durante el día para las especies de peces diurnos y por la noche para los peces nocturnos. Es bien sabido que los peces muestran patrones diarios de desaminación de proteínas y desechos nitrogenados relacionados con su estado nutricional y ritmos alimentarios (Kaushik 1980). El tiempo de alimentación afecta la excreción de nitrógeno, ya que Gelineau et al. (1998) reportaron que la producción de amoníaco y el catabolismo proteico fue menor en los peces alimentados al amanecer (en fase con su ritmo de alimentación) que en los alimentados a medianoche (fuera de fase). Lo más interesante es que la excreción de urea muestra ritmicidad circadiana que persiste en peces hambrientos en condiciones constantes (Kajimura et al. 2002), revelando su origen endógeno. Además, la permeabilidad a la urea (determinada como contenido de urea corporal después de la inmersión en una solución de urea) coincidió con la acrofase, es decir, el pico del ritmo diario de excreción, indicando que la urea no impregna las células por simple difusión, pero existe un control circadiano. Las plantas también muestran ritmos diarios en la absorción de nitrógeno, como lo describieron temprano Pearson y Steer (1977), quienes encontraron un patrón diario de absorción de nitrato y nitrato reductasa en pimientos mantenidos en un ambiente constante. La concentración de nitrato en las hojas de espinacas también aumentó durante la noche a medida que la tasa de absorción de nitrato por las raíces aumenta en ese momento (Steingrover et al. 1986). En acuapónica, la evidencia apunta así a la necesidad de igualar los ritmos de excreción en los peces y los ritmos de absorción de nutrientes en las plantas. Para optimizar el rendimiento y la rentabilidad de los sistemas acuapónicos, las dietas de los peces y los horarios de alimentación deben diseñarse cuidadosamente para proporcionar nutrientes en el nivel adecuado y el momento adecuado para complementar tanto a los peces como a las plantas.