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Capítulo 4 Tecnologías hidropónicas

1. 4.1 Introducción

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

   En la producción hortícola, la definición de cultivo sin suelo abarca todos los sistemas que proporcionan la producción vegetal en condiciones sin suelo en las que el suministro de agua y minerales se realiza en soluciones nutritivas con o sin medio de cultivo (por ejemplo, lana de piedra, turba, perlita, piedra pómez, coco fibra, etc.). Los sistemas de cultivo sin suelo, comúnmente conocidos como sistemas hidropónicos, se pueden dividir en sistemas abiertos, donde la solución nutritiva sobrante no se recicla, y sistemas cerrados, donde el exceso de flujo de nutrientes de las raíces se recoge y se recicla de nuevo en el sistema (Fig. 4.1).

   Los sistemas de cultivo sin suelo han evolucionado como una posible solución para evitar enfermedades transmitidas por el suelo que siempre han sido un problema en la industria del cultivo de invernadero.

   Hoy en día, los sistemas de cultivo sin suelo son comunes en la práctica hortícola en la mayoría de los países europeos, aunque esto no ocurre en todos los países a gran escala. Las ventajas de los sistemas sin suelo en comparación con los cultivos cultivados en suelo son:

   • Comienza sin patógenos con el uso de sustratos distintos del suelo y/o un control más fácil de los patógenos transmitidos por el suelo.
   • El crecimiento y el rendimiento son independientes del tipo/calidad del suelo de la zona cultivada.
   • Mejor control del crecimiento a través de un suministro específico de solución nutritiva.
   • El potencial de reutilización de la solución nutritiva permitiendo maximizar los recursos.
   • Aumento de la calidad de los productos obtenidos por el mejor control de otros parámetros ambientales (temperatura, humedad relativa) y plagas.

   

   Fig. 4.1 Esquema de ciclo abierto (a) y sistemas de bucle cerrado (b)

   En la mayoría de los casos, se adoptan sistemas de bucle abierto o de desecho en lugar de sistemas de bucle cerrado o recirculación, aunque en cada vez más países europeos estos últimos son obligatorios. En estos sistemas abiertos, la solución nutritiva gastada y/o superflua se deposita en las masas de agua subterráneas y superficiales, o se utiliza en el cultivo de campo abierto. Sin embargo, en lo que respecta a las cuestiones económicas y ambientales, los sistemas sin suelo deben estar lo más cerrados posible, es decir, cuando se produce la recirculación de la solución nutritiva, donde se reutiliza el sustrato y donde se utilizan materiales más sostenibles.

   Las ventajas de los sistemas cerrados son:

   • Una reducción en la cantidad de material de desecho.

   • Menos contaminación de las aguas subterráneas y superficiales.

   • Un uso más eficiente del agua y fertilizantes.

   • Aumento de la producción debido a mejores opciones de gestión.

   • Menores costos debido al ahorro en materiales y mayor producción.

   También hay una serie de desventajas tales como:

   • La alta calidad del agua requerida.

   • Inversiones altas.

   • El riesgo de dispersión rápida de patógenos transmitidos por el suelo por la solución nutritiva recirculante.

   • Acumulación de potenciales metabolitos fitotóxicos y sustancias orgánicas en la solución nutritiva recirculante.

   En los sistemas comerciales, los problemas de dispersión de patógenos se abordan desinfectando el agua mediante técnicas de filtración física, química y/o biológica. Sin embargo, uno de los principales factores que dificultan el uso del cultivo de solución nutritiva recirculante para cultivos de invernadero es la acumulación de sales en el agua de riego. Típicamente, hay un aumento constante de la conductividad eléctrica (CE) debido a la acumulación de iones, que no son completamente absorbidos por los cultivos. Esto puede ser especialmente cierto en entornos aquapónicos (AP) donde el cloruro sódico (NaCl), incorporado en el alimento para peces, puede acumularse en el sistema. Para corregir este problema, se ha sugerido que un paso adicional de desalación podría mejorar el equilibrio de nutrientes en los sistemas AP de bucle múltiple (Goddek y Keesman 2018).

2. 4.2 Sistemas sin suelo

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

   La intensa investigación llevada a cabo en el campo del cultivo hidropónico ha llevado al desarrollo de una gran variedad de sistemas de cultivo (Hussain et al. 2014). En términos prácticos, todos ellos también se pueden implementar en combinación con la acuicultura; sin embargo, para este fin, algunos son más adecuados que otros (Maucieri et al. 2018). La gran variedad de sistemas que pueden utilizarse requiere una categorización de los diferentes sistemas sin suelo (Tabla 4.1).

   Tabla 4.1 Clasificación de los sistemas hidropónicos según diferentes aspectos

   tabla tead tr class="encabezado» La característico/th ThCategorías/th Los ejemplores/th /tr /thead tbody tr class="impar» td rowspan="6"Sistema sin suelo/td td rowspan="3"Sin sustrato/td TDNFT (técnica de película nutritiva) /td /tr tr class="incluso» Tdaeroponicas/TD /tr tr class="impar» TDdFT (técnica de flujo profundo) /td /tr tr class="incluso» td rowspan="3"Con sustrato/td TD Sustratos orgánicos (turba, fibra de coco, corteza, fibra de madera, etc.) /td /tr tr class="impar» td Sustratos inorgánicos (lana de piedra, piedra pómez, arena, perlita, vermiculita, arcilla expandida) /td /tr tr class="incluso» TD Sustratos sintéticos (poliuretano, poliestireno) /td /tr tr class="impar» td rowspan="2"Sistemas abierto/cerrados/td TDOpen o ejecutar-towaste sistemas/td td Las plantas se alimentan continuamente con solución «fresca» sin recuperarse la solución drenada de los módulos de cultivo (Fig. 4.1a) /td /tr tr class="incluso» TDsistemas cerrados o de recirculación/td td La solución nutritiva drenada se recicla y se rellena con nutrientes al nivel de CE correcto (Fig. 4.1b) /td /tr tr class="impar» td RowSpan="2"Abastecimiento de agua/td TDContinuo/TD TDNFT (técnica de película nutritiva) DFT (técnica de flujo profundo) /td /tr tr class="incluso» TDperiódica/TD Riego por goteo, reflujo y flujo, aeroponica/td /tr /tbody /tabla

   4.2.1 Sistemas de sustrato sólido

   Al comienzo del cultivo sin suelo en la década de 1970, se probaron muchos sustratos (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Verwer 1978). Muchos fracasaron por razones tales como ser demasiado húmedo, demasiado seco, no sostenible, demasiado caro y la liberación de sustancias tóxicas. Varios sustratos sólidos sobrevivieron: lana de piedra, perlita, coco (fibra de coco), turba, espuma de poliuretano y corteza. Los sistemas de sustrato sólido se pueden dividir de la siguiente manera:

   Sustratos fibroso Estos pueden ser orgánicos (por ejemplo, turba, paja y fibra de coco) o inorgánicos (por ejemplo, lana de piedra). Se caracterizan por la presencia de fibras de diferentes tamaños, que confieren al sustrato una alta capacidad de retención de agua (60— 80%) y una modesta capacidad de aire (porosidad libre) (Wallach 2008). Un alto porcentaje del agua retenida está fácilmente disponible para la planta, lo que se refleja directamente en el volumen mínimo de sustrato por planta requerido para garantizar un suministro suficiente de agua. En estos sustratos no hay gradientes evidentes de agua y salinidad a lo largo del perfil y, en consecuencia, las raíces tienden a crecer más rápido, uniformemente y abundantemente, utilizando todo el volumen disponible.

   Sustratos granular Generalmente son inorgánicos (por ejemplo, arena, piedra pómez, perlita, arcilla expandida) y se caracterizan por diferentes tamaños de partículas y por lo tanto texturas; tienen alta porosidad y son drenantes libres. La capacidad de retención de agua es bastante pobre (10 a 40%), y gran parte del agua retenida no es fácilmente accesible para la planta (Maher et al. 2008). Por lo tanto, el volumen requerido de sustrato por planta es mayor en comparación con los fibrosos. En sustratos granulares, se observa un marcado gradiente de humedad a lo largo del perfil y esto hace que las raíces se desarrollen principalmente en el fondo de los contenedores. Para la planta se requieren tamaños de partículas más pequeños, aumento de la capacidad de retención de agua, homogeneidad de la humedad y mayor EC y un menor volumen del sustrato.

   Los sustratos generalmente se envuelven en revestimientos plásticos (llamados bolsas de cultivo o losas) o se insertan en otros tipos de contenedores de varios tamaños y de materiales sintéticos.

   Antes de plantar, el sustrato debe estar saturado con el fin de:

   • Proporcionar un suministro adecuado de agua y nutrientes en toda la losa del sustrato.

   • Lograr niveles uniformes de EC y pH.

   • Expulsar la presencia de aire y hacer una humectación homogénea del material.

   Es igualmente importante que una fase seca del sustrato después de la siembra estimule a las plantas a evolucionar la exploración homogénea del sustrato por raíces para obtener un sistema radicular abundante y bien distribuido en los diferentes niveles y exponer las raíces al aire. Usar un sustrato por segunda vez rehumectando puede ser un problema porque la saturación no es posible debido a los orificios de drenaje en la envoltura de plástico. En un sustrato orgánico (como el coco), adoptando giros cortos y frecuentes de riego, es posible recuperar la capacidad de retención de agua para utilizarlo por segunda vez, más fácilmente que los sustratos inertes (lana de piedra, perlita) (Perelli et al. 2009).

   4.2.2 Sustratos para sistemas de base media

   Un sustrato es necesario para el anclaje de las raíces, un soporte para la planta y también como mecanismo agua-nutritivo debido a su microporosidad y capacidad de intercambio catiónico.

   Las plantas cultivadas en sistemas sin suelo se caracterizan por una relación desbalanceada/raíz, demandas de agua, aire y nutrientes mucho mayores que en condiciones de campo abierto. En este último caso, las tasas de crecimiento son más lentas, y las cantidades de sustrato son teóricamente ilimitadas. Para satisfacer estos requisitos, es necesario recurrir a sustratos que, solos o en mezcla, aseguren condiciones químicas, físicas y nutricionales óptimas y estables. Un conjunto de materiales con diferentes características y costos se puede utilizar como sustratos, como se ilustra en la Fig. 4.2. Sin embargo, hasta el momento, no hay un sustrato que pueda usarse universalmente en todas las situaciones de cultivo.

   

   Fig. 4.2 Materiales utilizables como sustratos en sistemas sin suelo

   4.2.3 Caracterización de sustratos

   La densidad aparente (BD) se expresa por el peso seco del sustrato por unidad de volumen. Permite el anclaje de las raíces y ofrece soporte a la planta. El BD óptimo para cultivos en un recipiente varía entre 150 y 500 kg msup-3/sup (Wallach 2008). Algunos sustratos, por su baja DB y su flojedad, como es el caso de la perlita (ca. 100 kg msup-3/sup), el poliestireno en gránulos (ca. 35 kg msup-3/sup) y la turba no comprimida Sphagnum (ca. 60 kg msup-3/sup), no son adecuados para su uso solo, especialmente con plantas que crecen verticalmente.

   Cuadro 4.2 Principales características químicas y físicas de las turbas y la fibra de coco. (dm = materia seca)

   tabla tead tr class="encabezado» th Rowspan="2"características/th th colspan="2"pantanos elevados/th Thfen pantanas/th th RowSpan="2"Fibra de coco (coco) /th /tr tr TDBlond/TD TDBrown/TD TDBlack/TD /tr /thead tbody tr class="incluso» TDMateria orgánica (% dm) /td td94—99/td td94—99/td td55—75/td td94—98/td /tr tr class="impar» tDash (% dm) /td td1—6/td td1—6/td td23—30/td td3—6/td /tr tr class="incluso» TdPorosidad total (% vol) /td td84—97/td td88—93/td td55—83/td td94—96/td /tr tr class="impar» TDCapacidad de retención de agua (% vol) /td td52—82/td td74—88/td td65—75/td td80—85/td /tr tr class="incluso» TDFree Porosity (% vol) /td td15—42/td td6—14/td td6—8/td td10—12/td /tr tr class="impar» Densidad TDBulk (kg msup3/sup) /td td60—120/td td140—200/td td320—400/td td65—110/td /tr tr class="incluso» TDCec (meq%) /td td100—150/td td120—170/td td80—150/td td60—130/td /tr tr class="impar» TdNitrógeno total (% dm) /td td0.5—2.5/td td0.5—2.5/td td1.5—3.5/td td0.5—0.6/td /tr tr class="incluso» TDC/N/TD td30—80/td td20—75/td td10—35/td td70—80/td /tr tr class="impar» TDCalcio (% dm) /td td<0,4/td td<0,4/td td>2/td td—/td /tr tr class="incluso» TDpH (HSub2/subo) /td td3.0—4.0/td td3.0—5.0/td td5.5—7.3/td td5.0—6.8/td /tr /tbody /tabla

   Fuente: Enzo y otros (2001)

   Porosidad El sustrato ideal para cultivos en maceta debe tener una porosidad de al menos 75% con porcentajes variables de macróporos (15— 35%) y microporos (40— 60%) dependiendo de las especies cultivadas y de las condiciones ambientales y de los cultivos (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Maher et al. 2008). En contenedores de pequeño tamaño, la porosidad total debe alcanzar el 85% del volumen (Bunt 2012). La estructura debe ser estable con el tiempo y debe resistir la compactación y la reducción del volumen durante las fases de deshidratación.

   Capacidad de retención de agua La capacidad de retención de agua garantiza niveles adecuados de humedad del sustrato para los cultivos, sin tener que recurrir a irrigaciones frecuentes. Sin embargo, la capacidad de retención de agua no debe ser demasiado alta para evitar la asfixia radicular y el enfriamiento excesivo. El agua disponible para la planta se calcula por la diferencia entre la cantidad de agua en la capacidad de retención y la retenida en el punto de marchitez. Esto debería ser del 30 al 40% del volumen aparente (Kipp et al. 2001). Finalmente, se debe considerar que con el constante aumento de la biomasa del sistema radicular durante el crecimiento, la porosidad libre en el sustrato se reduce gradualmente y se modifican las características hidrológicas del sustrato.

   _Cation Exchange Capacity (CEC) _ CEC es una medida de cuántos cationes se pueden retener en superficies de partículas de sustrato. En general, los materiales orgánicos tienen una CEC más alta y una mayor capacidad de amortiguación que los minerales (Wallach 2008; Blok et al. 2008) (Tabla 4.2).

   pH Se requiere un pH adecuado para satisfacer las necesidades de las especies cultivadas. Los sustratos con un pH bajo son más adecuados para cultivos en contenedores, ya que se modifican más fácilmente hacia los niveles deseados mediante la adición de carbonato de calcio y también porque satisfacen las necesidades de un mayor número de especies. Además, durante el cultivo el valor del pH tiende a aumentar debido al riego con agua rica en carbonatos. El pH también puede variar en relación con el tipo de fertilizante utilizado. Es más difícil corregir un sustrato alcalino. Sin embargo, esto puede lograrse añadiendo fertilizantes azufre o fisiológicamente ácidos (sulfato de amonio, sulfato de potasio) o fertilizantes constitucionalmente ácidos (fosfato mineral).

   _Conductividad eléctrica (CE) _ Los sustratos deben tener un contenido de nutrientes conocido y valores de CE bajos (véase también el cuadro 4.4). A menudo es preferible utilizar un sustrato químicamente inerte y añadir los nutrientes en relación con las necesidades específicas del cultivo. Hay que prestar especial atención a los niveles de la CE. Los altos niveles de CE indican la presencia de iones (por ejemplo, NASUP+/SUP) que, aunque no son importantes como nutrientes, pueden desempeñar un papel decisivo en la idoneidad del sustrato.

   Salud y seguridad La salud en los sistemas y la seguridad de los agentes son proporcionados por la ausencia de patógenos (nematodos, hongos, insectos), sustancias potencialmente fitotóxicas (plaguicidas) y semillas de malas hierbas. Algunos materiales producidos industrialmente (arcilla expandida, perlita, lana de piedra, vermiculita y poliestireno) garantizan altos niveles de esterilidad debido a las altas temperaturas aplicadas durante su procesamiento.

   Sostenibilidad Otra característica importante de un sustrato es su perfil de sostenibilidad. Muchos sustratos de uso común se enfrentan a desafíos ecológicos relacionados con su procedencia, proceso de producción y/o posterior procesamiento y huella al final de su vida útil. En este sentido, los sustratos procedentes de materiales con una huella ecológica baja (modificados de manera respetuosa con el medio ambiente y, en última instancia, biodegradables) son una característica adicional a considerar. La reutilización del sustrato también puede ser un aspecto importante de la sostenibilidad de un sustrato.

   Costo Por último, pero no menos importante, el sustrato debe ser económico o al menos rentable, estar fácilmente disponible y estandarizado desde el punto de vista químico-físico.

   4.2.4 Tipo de sustratos

   La elección de los sustratos va desde los productos de origen orgánico o mineral presentes en la naturaleza y sometidos a un tratamiento especial (por ejemplo, turba, perlita, vermiculita) hasta los de origen orgánico derivados de actividades humanas (por ejemplo, residuos o subproductos agrícolas, industriales y urbanos) actividades) y de origen industrial obtenidos por procesos de síntesis (por ejemplo, poliestireno).

   4.2.4.1 Materiales orgánicos

   Esta categoría comprende los sustratos orgánicos naturales, incluidos los residuos, desechos y subproductos de naturaleza orgánica derivados de la agricultura (estiércol, paja, etc.) o, por ejemplo, industriales, subproductos de la industria maderera, etc. o de asentamientos urbanos, como lodos de aguas residuales, etc. Estos materiales pueden ser sometidos a procesamiento adicional, como la extracción y la maduración.

   Todos los materiales que se pueden utilizar en hidroponía también se pueden utilizar en AP. Sin embargo, dado que la carga bacteriana en una solución AP puede ser mayor que en las soluciones hidropónicas convencionales, por lo tanto puede esperarse que los sustratos orgánicos sean propensos a una mayor tasa de descomposición, causando problemas de compactación del sustrato y aireación radicular. Por lo tanto, los materiales orgánicos pueden considerarse para cultivos con un ciclo de crecimiento más corto, mientras que los sustratos minerales pueden ser preferidos para cultivos con un ciclo de crecimiento largo.

   Turba

   La turba, utilizada sola o con otros sustratos, es actualmente el material de origen orgánico más importante para la preparación del sustrato. El término turba se refiere a un producto derivado de residuos de briofitas (Sphagnum), Cyperaceae (Trichophorum, Eriophorum, Carex) y otros (Calluna, Phragmites, etc.) transformados en condiciones anaeróbicas.

   Los pantanos levantados se forman en ambientes fríos y muy lluviosos. El agua de lluvia, sin sales, se retiene en la superficie por musgos y residuos vegetales, creando un ambiente saturado. En pantanos elevados podemos distinguir una capa más profunda y muy descompuesta de color oscuro (marrón turba) y una capa ligeramente descompuesta, más superficial de un color claro (_turba rubia). Ambas turbas se caracterizan por una buena estabilidad estructural, muy baja disponibilidad de nutrientes y pH ácido, mientras que difieren principalmente en su estructura (Tabla 4.2).

   Las turbas marrones, con poros muy pequeños, tienen una mayor capacidad de retención de agua y menos porosidad libre para el aire y tienen mayor capacidad de amortiguación y CEC. Las características físicas varían en relación con el tamaño de partícula que permite la absorción de agua de 4 a 15 veces su propio peso. Las ciénagas elevadas generalmente satisfacen los requisitos necesarios para un buen sustrato. Además, tienen propiedades constantes y homogéneas, por lo que pueden ser explotados industrialmente. Sin embargo, el uso de estas turbas requiere correcciones de pH con, por ejemplo, carbonato de calcio (CaCOSub3/sub). Generalmente, para una turba Sphagnum con un pH 3—4, se deben añadir 2 kg msup-3/sup de CaCOSub3/sub para aumentar el pH de una unidad. Se debe prestar atención para evitar el secado completo del sustrato. También hay que tener en cuenta que la turba está sometida a procesos de descomposición microbiológica que, con el tiempo, pueden aumentar la capacidad de retención de agua y reducir la porosidad libre.

   Los pantanos de Fen están presentes principalmente en zonas templadas (por ejemplo, Italia y el oeste de Francia), donde predominan Cyperaceae, Carex y Phragmites. Estas turbas se forman en presencia de agua estancada. El contenido de oxígeno, sales y calcio en el agua permite una descomposición y humificación más rápidas, en comparación con la que ocurre en los pantanos levantados. Esto da como resultado una turba muy oscura, de color marrón a negro con un mayor contenido de nutrientes, en particular nitrógeno y calcio, un pH más alto, una mayor densidad aparente y una porosidad libre mucho menor (Tabla 4.2). Son bastante frágiles en estado seco, y tienen una plasticidad notable en el estado húmedo, lo que confiere una alta susceptibilidad a la compresión y la deformación. La relación carbono/nitrógeno (C/N) está generalmente entre 15 y 48 (Kuhry y Vitt 1996; Abad et al. 2002). Debido a sus propiedades, la turba negra es de bajo valor y no es adecuada como sustrato, pero se puede mezclar con otros materiales.

   Cabe señalar que en algunos países se está impulsando a reducir el uso y la extracción de turba para reducir los efectos ambientales y se han identificado diversos sustitutos de la turba con éxito.

   Fibra de Coco

   La fibra de coco (coco) se obtiene a partir de la eliminación de las cáscaras fibrosas de los cocos y es un subproducto de la industria de extracción de copra (producción de aceite de coco) y fibra, y está compuesta casi exclusivamente de lignina. Antes de su uso, se compost durante 2-3 años, y luego se deshidrata y se comprime. Antes de su uso, debe rehidratarse añadiendo hasta 2-4 veces de su volumen comprimido con agua. La fibra de coco posee características químico-físicas similares a la turba rubia (Tabla 4.2), pero con las ventajas de tener un pH más alto. También tiene un menor impacto ambiental que la turba (explotación excesiva de turberas) y la lana de piedra donde hay problemas con la eliminación. Esta es una de las razones por las que se prefiere cada vez más en sistemas sin suelo (Olle et al. 2012; Fornes et al. 2003).

   Sustratos a base de madera

   Los sustratos orgánicos derivados de la madera o de sus subproductos, como la corteza, las astillas de madera o el polvo de sierra, también se utilizan en la producción mundial de plantas comerciales (Maher et al. 2008). Los sustratos basados en estos materiales generalmente poseen un buen contenido de aire y una alta conductividad hidráulica saturada. Las desventajas pueden incluir la baja capacidad de retención de agua, la aireación insuficiente causada por la actividad microbiana, la distribución inadecuada del tamaño de las partículas, la inmovilización de nutrientes o los efectos negativos debidos a la acumulación de sal y compuestos tóxicos (Dorais et al. 2006).

   4.2.4.2 Materiales inorgánicos

   Esta categoría incluye los materiales naturales (por ejemplo, arena, piedra pómez) y los productos minerales derivados de procesos industriales (por ejemplo, vermiculita, perlita) (cuadro 4.3).

   Cuadro 4.3 Principales características químico-físicas de los sustratos inorgánicos utilizados en sistemas sin suelo

   tabla tead tr class="encabezado» Thsustratos/th ThBulk Density (kg msup3/sup) /ésima La porosidad total (%vol) /ésima La porosidad libre (%vol) /th La capacidad de retención de agua (%vol) /th ThCec (meq%) /ésima ElC (mS cmsup1/sup) /a THPH/th /tr /thead tbody tr class="impar» TDSD/TD td1400—1600/td td40—50/td td1—20/td td20—40/td td20—25/td td0.10/td td6.4—7.9/td /tr tr class="incluso» TDpumice/TD td450—670/td td55—80/td td30—50/td td24—32/td td—/td td0.08—0.12/td td6.7—9.3/td /tr tr class="impar» TdVolcánicas/td td570—630/td td80—90/td td75—85/td td2—5/td td3—5/td td—/td td7.0—8.0/td /tr tr class="incluso» TDvermiculita/TD td80—120/td td70—80/td td25—50/td td30—55/td td80—150/td td0.05/td td6.0—7.2/td /tr tr class="impar» TDperlite/TD td90—130/td td50—75/td td30—60/td td15—35/td td1.5—3.5/td td0.02—0.04/td td6.5—7.5/td /tr tr class="incluso» Arcilla tdexpanada/td td300—700/td td40—50/td td30—40/td td5—10/td td3—12/td td0.02/td td4.5—9.0/td /tr tr class="impar» TDStone lana/td td85—90/td td95—97/td td10—15/td td75—80/td td—/td td0.01/td td7.0—7.5/td /tr tr class="incluso» Poliestireno tdexpanado/TD td6—25/td td55/td td52/td td3/td td—/td td0.01/td td6.1/td /tr /tbody /tabla

   Fuente: Enzo y otros (2001)

   **Arena

   Las arenas son materiales inorgánicos naturales con partículas de entre 0,05 y 2,0 mm de diámetro, procedentes de la intemperie de diferentes minerales. La composición química de las arenas puede variar según el origen, pero en general, está constituida por 98,0— 99,5% de sílice (SioSub2/sub) (Perelli et al. 2009). El pH está relacionado principalmente con el contenido de carbonato. Las arenas con menor contenido de carbonato de calcio y pH 6.4—7.0 son más adecuadas como material de sustrato porque no influyen en la solubilidad del fósforo y algunos microelementos (por ejemplo, hierro, manganeso). Al igual que todos los sustratos de origen mineral, las arenas tienen un CCA bajo y una capacidad de amortiguación baja (Tabla 4.3). Las arenas finas (0,05—0,5 mm) son las más adecuadas para su uso en sistemas hidropónicos en mezclas del 10 al 30% en volumen con materiales orgánicos. Se pueden utilizar arenas gruesas (\ >0.5 mm) para aumentar la capacidad de drenaje del sustrato.

   Púmeca

   La piedra pómez está compuesta por silicato de aluminio de origen volcánico, siendo muy ligera y porosa, y puede contener pequeñas cantidades de sodio y potasio y trazas de calcio, magnesio y hierro dependiendo del lugar de origen. Es capaz de retener calcio, magnesio, potasio y fósforo de las soluciones nutritivas y liberarlos gradualmente a la planta. Generalmente tiene un pH neutro, pero algunos materiales pueden tener un pH excesivamente alto, buena porosidad libre pero baja capacidad de retención de agua (Tabla 4.3). Sin embargo, la estructura tiende a deteriorarse con bastante rapidez, debido a la fácil ruptura de las partículas. La piedra pómez, agregada a la turba, aumenta el drenaje y la aireación del sustrato. Para el uso de horticultura, se prefieren partículas de piedra pómez de 2 a 10 mm de diámetro (Kipp et al. 2001).

   Tuffs volcánicas

   Las tobas derivan de erupciones volcánicas, con partículas que oscilan entre 2 y 10 mm de diámetro. Pueden tener una densidad aparente que oscila entre 850 y 1100 kg msup-3/sup y una capacidad de retención de agua entre 15% y 25% en volumen (Kipp et al. 2001).

   Vermiculita

   La vermiculita comprende filosilicatos hidros de magnesio, aluminio y hierro, que en estado natural tienen una estructura laminar delgada que retiene pequeñas gotas de agua. La vermiculita exfoliada se utiliza comúnmente en la industria hortícola y se caracteriza por una alta capacidad tampón y valores de CEC similares a los de las mejores turbas (Tabla 4.3), pero, en comparación con estos, tiene una mayor disponibilidad de nutrientes (5— 8% de potasio y 9— 12% de magnesio) (Perelli et al. 2009). NHsub4/subsup+/SUP se retiene especialmente fuertemente por la vermiculita; la actividad de las bacterias nitrificantes, sin embargo, permite la recuperación de parte del nitrógeno fijo. Del mismo modo, la vermiculita une más del 75% del fosfato en forma irreversible, mientras que tiene una baja capacidad absorbente para CLSUP-/SUP, NOSub3/SubSUP-/SUP y SOSub4/SubSUP-/SUP. Estas características deben evaluarse cuidadosamente cuando se usa vermiculita como sustrato. La estructura de vermiculita no es muy estable debido a una baja resistencia a la compresión y tiende a deteriorarse con el tiempo, reduciendo el drenaje del agua. Se puede usar solo; sin embargo, es preferible mezclarlo con perlita o turba.

   Perlite

   La perlita comprende silicato de aluminio de origen volcánico que contiene 75% SioSub2/Sub y 13% ALSub2/SuboSub3/sub. La materia prima es triturada, tamizada, comprimida y calentada a 700—1000 ºC. A estas temperaturas, la poca agua contenida en la materia prima se convierte en vapor al expandir las partículas en pequeños agregados grises blanquecinos que, a diferencia de la vermiculita, tienen una estructura celular cerrada. Es muy ligero y posee una alta porosidad libre incluso después del remojo. No contiene nutrientes, tiene CCA insignificante y es prácticamente neutral (Tabla 4.3) (Verdonk et al. 1983). El pH, sin embargo, puede variar fácilmente, porque la capacidad tampón es insignificante. El pH debe controlarse a través de la calidad del agua de riego y no debe caer por debajo de 5.0 para evitar el fitotóxico efectos del aluminio. La estructura de células cerradas permite que el agua se mantenga solo en la superficie y en los espacios entre las aglomeraciones, por lo que la capacidad de retención de agua es variable en relación con las dimensiones de las aglomeraciones. Se comercializa en diferentes tamaños, pero los más adecuados para horticultura son de 2—5 mm de diámetro. Se puede utilizar como sustrato en camas de enraizamiento, ya que asegura una buena aireación. En mezclas con materiales orgánicos, mejora la suavidad, permeabilidad y aireación del sustrato. La perlita se puede reutilizar durante varios años, siempre y cuando se esteriliza entre usos.

   Arcilla expandida

   La arcilla expandida se obtiene mediante el tratamiento de polvo de arcilla a aproximadamente 700 C. Se forman agregados estables y, dependiendo del material de arcilla utilizado, tienen valores variables con respecto a CCA, pH y densidad aparente (Tabla 4.3). La arcilla expandida se puede utilizar en mezclas con materiales orgánicos en cantidades de aproximadamente 10 — 35% en volumen, a lo que proporciona más aireación y drenaje (Lamanna et al. 1990). Las arcillas expandidas con valores de pH superiores a 7.0 no son adecuadas para su uso en sistemas sin suelo.

   Lana de Piedra**

   La lana de piedra es el sustrato más utilizado en el cultivo sin suelo. Se origina a partir de la fusión de silicatos de aluminio, calcio y magnesio y coque de carbono a 1500—2000 ˚C. La mezcla licuada se extruye en hebras de 0,05 mm de diámetro y, después de la compresión y adición de resinas especiales, el material asume una estructura fibrosa muy ligera con una alta porosidad (Tabla 4.3).

   La lana de piedra es químicamente inerte y, cuando se añade a un sustrato, mejora su aireación y drenaje y también ofrece un excelente anclaje para las raíces de las plantas. Se utiliza solo, como sustrato de siembra y para el cultivo sin suelo. Las losas utilizadas para el cultivo pueden emplearse durante varios ciclos de producción dependiendo de la calidad, siempre y cuando la estructura sea capaz de garantizar suficiente porosidad y disponibilidad de oxígeno para los sistemas radiculares. Por lo general, después de varios ciclos de cultivo, la mayor parte de la porosidad del sustrato se llena de raíces viejas y muertas, y esto se debe a la compactación del sustrato con el tiempo. El resultado es entonces una profundidad reducida del sustrato donde las estrategias de riego pueden necesitar adaptación.

   Zeolitas

   Las zeolitas comprenden silicatos de aluminio hidratados caracterizados por la capacidad de absorción de elementos gaseosos; son altos en macroelementos y microelementos, tienen un alto poder absorbente y una alta superficie interna (estructuras con poros de 0,5 mm). Este sustrato es de gran interés ya que absorbe y libera lentamente iones KSUP+/SUP y NHSub4/SubSUP+/SUP, mientras que no es capaz de absorber CLSUP-/SUP y NASUP+/SUP, que son peligrosos para las plantas. Las zeolitas se comercializan en formulaciones que difieren en el contenido de N y P y que pueden utilizarse en la siembra de semillas, para el enraizamiento de esquejes o durante la fase de cultivo (Pickering et al. 2002).

   4.2.4.3 Materiales sintéticos

   Los materiales sintéticos incluyen materiales plásticos de baja densidad y resinas sintéticas de intercambio iónico. Estos materiales, llamados «expandidos», ya que se obtienen mediante un proceso de dilatación a altas temperaturas, aún no se utilizan ampliamente, pero poseen propiedades físicas adecuadas para equilibrar las características de otros sustratos.

   Poliestireno expandido

   El poliestireno expandido se produce en gránulos de 4-10 mm de diámetro con una estructura de celda cerrada. No se descompone, es muy ligero y tiene una porosidad muy alta pero con una capacidad de retención de agua extremadamente baja (Tabla 4.3). No tiene CEC y prácticamente cero capacidad de tampón, por lo que se añade al sustrato (por ejemplo, turba) exclusivamente para mejorar su porosidad y drenaje. El tamaño de partícula preferido es de 4—5 mm (Bunt 2012).

   Espuma de poliuretano**

   La espuma de poliuretano es un material de baja densidad (12—18 kg msup-3/sup) con una estructura porosa que permite la absorción de agua igual al 70% de su volumen. Es químicamente inerte, tiene un pH casi neutro (6.5—7.0), no contiene nutrientes útiles disponibles para las plantas y no sufre descomposición (Kipp et al. 2001). En el mercado es posible encontrarlo en forma de gránulos, cubos de enraizamiento o bloques. Al igual que una lana de piedra, también se puede utilizar para el cultivo sin suelo.

   4.2.5 Preparación de sustratos de cultivo mixto

   Los sustratos mixtos pueden ser útiles para reducir los costos generales del sustrato y/o para mejorar algunas características de los materiales originales. Por ejemplo, se pueden agregar turba, vermiculita y coco para aumentar la capacidad de retención de agua; perlita, poliestireno, arena gruesa y arcilla expandida para aumentar la porosidad y el drenaje libres; turba rubia para elevar la acidez; cantidades más altas de material orgánico o cantidades adecuadas de tierra arcillosa para aumentar la CEC y amortiguador y sustratos descomponibles bajos para una mayor durabilidad y estabilidad. Las características de las mezclas raramente representan el promedio de los componentes porque con la mezcla las estructuras se modifican entre las partículas individuales y consecuentemente la relación de las características físicas y químicas. En general, las mezclas con bajo contenido de nutrientes son preferibles para poder gestionar mejor el cultivo. La relación correcta entre los diferentes componentes de una mezcla también varía con las condiciones ambientales en las que opera. A altas temperaturas es racional utilizar componentes que poseen una mayor capacidad de retención de agua y no permiten una rápida evaporación (por ejemplo, turba) y, al mismo tiempo, son resistentes a la descomposición. Por el contrario, en ambientes húmedos, con baja radiación solar, se prefieren los componentes caracterizados por una alta porosidad para garantizar un buen drenaje. En este caso, será necesario agregar sustratos gruesos como arena, piedra pómez, arcilla expandida y poliestireno expandido (Bunt 2012).

3. 4.3 Tipos de sistemas hidropónicos según distribución de agua/nutrientes

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

   4.3.1 Técnica de flujo profundo (DFT)

   La técnica de flujo profundo (DFT), también conocida como técnica de aguas profundas, es el cultivo de plantas en soporte flotante o colgante (balsas, paneles, tablas) en recipientes llenos de solución nutritiva de 10-20 cm (Van Os et al. 2008) (Fig. 4.3). En AP esto puede ser de hasta 30 cm. Existen diferentes formas de aplicación que se pueden distinguir principalmente por la profundidad y el volumen de la solución, y los métodos de recirculación y oxigenación.

   

   Fig. 4.3 Ilustración de un sistema DFT con paneles flotantes

   Uno de los sistemas más simples consta de depósitos de 20 a 30 cm de profundidad, que pueden construirse con diferentes materiales e impermeabilizarse con películas de polietileno. Los tanques están equipados con balsas flotantes (varios tipos están disponibles de proveedores) que sirven para sostener las plantas por encima del agua mientras que las raíces de las plantas penetran en el agua. El sistema es particularmente interesante, ya que minimiza los costes y la gestión. Por ejemplo, existe una necesidad limitada de automatizar el control y la corrección de la solución nutritiva, particularmente en cultivos de corta duración como la lechuga, donde el volumen relativamente alto de solución facilita la reposición de la solución nutritiva sólo al final de cada ciclo, y sólo el el contenido de oxígeno debe ser monitoreado periódicamente. Los niveles de oxígeno deben ser superiores a 4—5 mg de LSUP-1/SUP; de lo contrario, pueden aparecer deficiencias de nutrientes debido a la absorción de los sistemas radiculares bajo rendimiento. La circulación de la solución normalmente agregará oxígeno, o se pueden agregar sistemas Venturi que aumentan drásticamente el aire en el sistema. Esto es especialmente importante cuando la temperatura del agua es superior a 23 °C, ya que tales altas temperaturas pueden estimular el atornillado de lechuga.

   4.3.2 Técnica de Película Nutriente (NFT)

   La técnica NFT se utiliza en todas partes y puede considerarse el sistema de cultivo hidropónico clásico, donde fluye una solución nutritiva y circula en canales con una capa de agua de 1—2 cm (Cooper 1979; Jensen y Collins 1985; Van Os et al. 2008) (Fig. 4.4). La recirculación de la solución nutritiva y la ausencia de sustrato representan una de las principales ventajas del sistema NFT. Una ventaja adicional es su gran potencial de automatización para ahorrar en costes laborales (plantación y cosecha) y la oportunidad de gestionar la densidad óptima de la planta durante el ciclo de cultivo. Por otro lado, la falta de sustrato y los bajos niveles de agua hacen que la NFT sea vulnerable a la falla de las bombas, por ejemplo, obstrucción o fallo en la fuente de alimentación. Las fluctuaciones de temperatura en la solución nutritiva pueden causar estrés vegetal seguido de enfermedades.

   

   Fig. 4.4 Ilustración del sistema NFT (izquierda) y un canal NFT multicapa, desarrollado y comercializado por New Growing Systems (NGS), España (derecha)

   El desarrollo del sistema radicular, parte del cual permanece suspendido en el aire por encima del flujo de nutrientes y que está expuesto a un envejecimiento precoz y a la pérdida de funcionalidad, representa una limitación importante, ya que impide la producción de cultivos de ciclo largo (más de 4 a 5 meses). Debido a su alta susceptibilidad a las variaciones de temperatura, este sistema no es adecuado para entornos de cultivo caracterizados por altos niveles de irradiación y temperatura (por ejemplo, zonas meridionales de la cuenca mediterránea). Sin embargo, en respuesta a estos desafíos, se ha diseñado un canal NFT multicapa que permite ciclos de producción más largos sin problemas de obstrucción (NGS). Está hecho de una serie de capas interconectadas colocadas en una cascada, de modo que incluso en especies fuertes de plantas de enraizamiento, como los tomates, la solución nutritiva todavía encontrará su camino hacia las raíces evitando la capa obstruida de la raíz a través de una capa de posición inferior.

   4.3.3 Sistemas aeropónicos

   La técnica aeropónica está dirigida principalmente a especies hortícolas más pequeñas, y aún no se ha utilizado ampliamente debido a los altos costos de inversión y gestión. Las plantas son apoyadas por paneles de plástico o por poliestireno, dispuestas horizontalmente o en las tapas inclinadas de las cajas de cultivo. Estos paneles están apoyados por una estructura fabricada con materiales inertes (plástico, acero recubierto con película plástica, tableros de poliestireno), para formar cajas cerradas donde se pueda desarrollar el sistema de raíces suspendidas (Fig. 4.5).

   

   Fig. 4.5 Ilustración de la técnica de aeroponía

   La solución nutritiva se rocía directamente en las raíces, que se suspenden en la caja en el aire, con aspersores estáticos (pulverizadores), insertados en tuberías alojadas dentro del módulo de la caja. La duración de la pulverización es de 30 a 60 s, mientras que la frecuencia varía según el período de cultivo, la etapa de crecimiento de las plantas, la especie y la hora del día. Algunos sistemas utilizan placas vibratorias para crear microgotas de agua que forman un vapor que se condensa en las raíces. El lixiviado se recoge en la parte inferior de los módulos de la caja y se envía al tanque de almacenamiento, para su reutilización.

4. 4.4 Fisiología de las plantas

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

   4.4.1 Mecanismos de Absorción

   Entre los principales mecanismos involucrados en la nutrición vegetal, el más importante es la absorción que, para la mayoría de los nutrientes, tiene lugar en forma iónica tras la hidrólisis de sales disueltas en la solución nutritiva.

   Las raíces activas son el órgano principal de la planta involucrado en la absorción de nutrientes. Los aniones y cationes son absorbidos de la solución nutritiva y, una vez dentro de la planta, provocan la salida de los protones (HSUP+/SUP) o hidroxilo (OhSUP-/SUP), lo que mantiene el equilibrio entre las cargas eléctricas (Haynes 1990). Este proceso, manteniendo el equilibrio iónico, puede provocar cambios en el pH de la solución en relación con la cantidad y calidad de los nutrientes absorbidos (Fig. 4.6).

   Las implicaciones prácticas de este proceso para el horticultor son dobles: proporcionar una capacidad de amortiguación adecuada a la solución nutritiva (añadir bicarbonatos si es necesario) e inducir leves cambios de pH con la elección del fertilizante. El efecto de los fertilizantes sobre el pH se relaciona con las diferentes formas químicas de los compuestos usados.

   

   Fig. 4.6 Absorción de iones por el sistema radicular de una planta

   En el caso de N, por ejemplo, la forma más utilizada es el nitrógeno nítrico (NoSub3/SubSUP-/SUP), pero cuando se debe reducir el pH, el nitrógeno puede suministrarse como nitrógeno amónico (NHSub4/Subsup+/SUP). Esta forma, cuando se absorbe, induce la liberación de HSUP+/SUP y consecuentemente una acidificación del medio.

   Las condiciones climáticas, especialmente la temperatura del aire y del sustrato y la humedad relativa, ejercen una gran influencia en la absorción de nutrientes (Pregitzer y King 2005; Masclaux-Daubresse et al. 2010; Marschner 2012; Cortella et al. 2014). En general, el mejor crecimiento ocurre donde hay pocas diferencias entre el sustrato y la temperatura del aire. Sin embargo, los niveles de temperatura persistentemente altos en el sistema radicular tienen un efecto negativo. Las temperaturas subóptimas reducen la absorción de N (Dong et al. 2001). Mientras que NHSub4/SubSUP+/SUP se utiliza eficazmente a temperaturas óptimas, a bajas temperaturas, la oxidación bacteriana se reduce, causando acumulación dentro de la planta que puede producir síntomas de toxicidad y daño al sistema radicular y a la biomasa aérea. Las bajas temperaturas en el nivel de la raíz también inhiben la asimilación de K y P, así como la translocación P. Aunque la información disponible sobre el efecto de las bajas temperaturas en la absorción de micronutrientes es menos clara, parece que la absorción de Mn, Zn, Cu y Mo son las más afectadas (Tindall et al. 1990; Fageria et al. 2002).

   4.4.2 Nutrientes esenciales, su papel y posibles antagonismos

   El manejo adecuado de la nutrición vegetal debe basarse en aspectos básicos que están influenciados por la absorción y el uso de macro y micronutrientes (Sonneveld y Voogt 2009). Los macronutrientes son necesarios en cantidades relativamente grandes, mientras que los micronutrientes o oligoelementos se necesitan en pequeñas cantidades. Además, la disponibilidad de nutrientes para la planta en el caso de los sistemas sin suelo presenta fenómenos más o menos consistentes de sinergia y antagonismo (Fig. 4.7).

   _Nitrógeno (N) _ El nitrógeno es absorbido por las plantas para producir aminoácidos, proteínas, enzimas y clorofila. Las formas de nitrógeno más utilizadas para la fertilización de las plantas son el nitrato y el amonio. Los nitratos son absorbidos rápidamente por las raíces, son altamente movibles dentro de las plantas y pueden almacenarse sin efectos tóxicos. El amonio puede ser absorbido por las plantas sólo en cantidades bajas y no puede almacenarse en grandes cantidades porque ejerce efectos tóxicos. Las cantidades superiores a 10 mg de LSUP-1/SUP inhiben la absorción de calcio y cobre de las plantas, aumentan el crecimiento del brote en comparación con el crecimiento de la raíz y dan lugar a un fuerte color verde de las hojas. Otros excesos en la concentración de amoníaco producen efectos fitotóxicos como la clorosis a lo largo de los márgenes de las hojas. El exceso de suministro de nitrógeno provoca un alto crecimiento vegetativo, un aumento de la longitud del ciclo de cultivo, un fuerte color verde de la hoja, una baja variedad de frutos, un alto contenido de agua en los tejidos, una lignificación tisular baja y una elevada acumulación de nitrato tisular. Comúnmente, la deficiencia de nitrógeno se caracteriza por un color verde pálido de las hojas más viejas (clorosis), un crecimiento reducido y un avance de senescencia.

   

   Fig. 4.7 Sinergias y antagonismos de nutrientes entre iones. Los iones conectados presentan una relación sinérgica o antagónica según la dirección de la flecha

   _Potasio (K) _ El potasio es fundamental para la división y extensión celular, la síntesis de proteínas, la activación de enzimas y la fotosíntesis y también actúa como transportador de otros elementos e hidratos de carbono a través de la membrana celular. Tiene un papel importante en mantener el potencial osmótico de la célula en equilibrio y en la regulación de la apertura estomatal. Los primeros signos de deficiencia se manifiestan en forma de manchas amarillentas que se necrotizan muy rápidamente en los márgenes de las hojas más antiguas. Las plantas deficientes de potasio son más susceptibles a caídas repentinas de temperatura, estrés hídrico y ataques fúngicos (Wang et al. 2013).

   _Fósforo (P) _ El fósforo estimula el desarrollo de las raíces, el rápido crecimiento de los brotes y la cantidad de flores. P se absorbe muy fácilmente y se puede acumular sin dañar la planta. Su papel fundamental está vinculado a la formación de compuestos de alta energía (ATP) necesarios para el metabolismo de las plantas. Las cantidades medias solicitadas por las plantas son bastante modestas (10 — 15% de las necesidades de N y K) (Le Bot et al. 1998). Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en el suelo, P es fácilmente lixiviable en cultivos sin suelo. La absorción de P parece ser reducida por las bajas temperaturas del sustrato (\ 13° C) o por los crecientes valores de pH (\ 6.5) que pueden conducir a síntomas de deficiencia (Vance et al. 2003). Bajo estas condiciones, un aumento de temperatura y/o reducción del pH es más efectivo que las enmiendas adicionales de fertilizantes fósforo. El exceso de P puede reducir o bloquear la absorción de algunos otros nutrientes (por ejemplo, K, Cu, Fe) (Fig. 4.7). La deficiencia de fósforo se manifiesta en un color verde-violeta de las hojas más viejas, que puede seguir a la clorosis y necrosis además del crecimiento del ápice vegetativo. Sin embargo, estos síntomas son inespecíficos y dificultan la identificación de deficiencias de P (Uchida 2000).

   _Calcio (Ca) _ El calcio está involucrado en la formación de la pared celular, la permeabilidad de la membrana, la división celular y la extensión. La buena disponibilidad da a la planta una mayor resistencia a los ataques fúngicos e infecciones bacterianas (Liu et al. 2014). La absorción está muy estrechamente ligada al flujo de agua entre las raíces y las partes aéreas. Su movimiento se produce a través del xilema y, por lo tanto, está particularmente influenciado por las bajas temperaturas a nivel radicular, por la reducción del suministro de agua (sequía o salinidad de la solución) o por la excesiva humedad relativa del aire. Como Ca no es móvil dentro de la planta, las deficiencias parten de las partes formadas más recientemente (Adams 1991; Adams y Ho 1992; Ho et al. 1993). Los principales síntomas son el crecimiento de las plantas, la deformación de los márgenes de las hojas más jóvenes, la coloración verde claro o a veces clorotica de nuevos tejidos y un sistema radicular atrofiado sin raíces finas. Las deficiencias se muestran de diferentes maneras, por ejemplo, pudrición apical en tomate y/o dorado marginal de hojas en lechuga.

   _Magnesio (Mg) _ El magnesio está involucrado en la constitución de moléculas de clorofila. Se inmoviliza a valores de pH inferiores a 5,5 y entra en competencia con la absorción de K y Ca (Fig. 4.7). Los síntomas de deficiencia son coloración amarillenta entre las venas de las hojas y la clorosis interna de las hojas basales. Como Mg se puede movilizar fácilmente, las plantas con deficiencia de magnesio primero descompondrán la clorofila en las hojas más viejas y transportarán el Mg a hojas más jóvenes. Por lo tanto, el primer signo de deficiencia de magnesio es la clorosis interveinal en hojas viejas, contrariamente a la deficiencia de hierro, donde la clorosis interveinal aparece por primera vez en las hojas más jóvenes (Sonneveld y Voogt 2009).

   _Azufre (S) _ La planta requiere azufre en cantidades comparables a las del fósforo, y para optimizar su absorción, debe estar presente en una proporción de 1:10 con nitrógeno (McCutchan et al. 2003). Se absorbe como sulfato. Las deficiencias no se detectan fácilmente, ya que los síntomas pueden confundirse con los de la deficiencia de nitrógeno, excepto que la deficiencia de nitrógeno comienza a manifestarse a partir de las hojas más viejas, mientras que la de azufre de las más jóvenes (Schnug y Haneklaus 2005). La nutrición S tiene un papel importante en la mejora de los daños en los aparatos fotosintéticos causados por la deficiencia de FE (Muneer et al. 2014).

   _Iron (Fe) _ El hierro es uno de los micronutrientes más importantes porque es clave en muchos procesos biológicos como la fotosíntesis (Briat et al. 2015; Heuvelink y Kierkels 2016). Para mejorar su absorción, el pH de la solución nutritiva debe ser de alrededor de 5,5—6,0, y no debe permitirse que el contenido de Mn sea demasiado alto porque los dos elementos entran posteriormente en competencia (Fig. 4.7). La relación óptima de Fe— Mn es de alrededor de 2:1 para la mayoría de los cultivos (Sonneveld y Voogt 2009). A bajas temperaturas, la eficiencia de asimilación se reduce. Los síntomas de deficiencia se caracterizan por clorosis interveinal desde las hojas jóvenes hacia las basales más antiguas, y por un crecimiento reducido del sistema radicular. Los síntomas de deficiencia no siempre se deben a la baja presencia de Fe en la solución nutritiva, pero a menudo se deben a la falta de disponibilidad de Fe para la planta. El uso de agentes quelantes garantiza la disponibilidad constante de Fe para la planta.

   _Cloro (Cl) _ El cloro se ha considerado recientemente un micronutriente, incluso si su contenido en plantas (0,2— 2,0% dw) es bastante alto. Es fácilmente absorbido por la planta y es muy móvil dentro de ella. Participa en el proceso fotosintético y en la regulación de la apertura de los estomas. Las deficiencias, que son bastante infrecuentes, ocurren con síntomas típicos de las hojas que se secan, especialmente en los márgenes. Mucho más extendido es el daño debido a un exceso de Cl que conduce a una contracción de la planta visible que es relativa a las diferentes sensibilidades de las diferentes especies. Para evitar daños en los cultivos, siempre es aconsejable comprobar el contenido de Cl en el agua utilizada para preparar soluciones nutritivas y elegir fertilizantes adecuados (por ejemplo, KSub2/SubsoSub4/sub en lugar de KCl).

   _Sodio (Na) _ El sodio, si está en exceso, es perjudicial para las plantas, ya que es tóxico e interfiere con la absorción de otros iones. El antagonismo con K (Fig. 4.7), por ejemplo, no siempre es perjudicial porque en algunas especies (por ejemplo, tomates), mejora el sabor de la fruta, mientras que en otras (por ejemplo, frijoles), puede reducir el crecimiento de las plantas. Al igual que Cl, es importante conocer la concentración en el agua utilizada para preparar la solución nutritiva (Sonneveld y Voogt 2009).

   _Manganeso (Mn) _ El manganeso forma parte de muchas coenzimas y participa en la extensión de las células radiculares y su resistencia a los patógenos. Su disponibilidad está controlada por el pH de la solución nutritiva y por la competencia con otros nutrientes (Fig. 4.7). Los síntomas de deficiencia son similares a los del Fe, excepto por la aparición de áreas ligeramente hundidas en las áreas interveinales (Uchida 2000). Las correcciones se pueden hacer agregando MNSOSub4/Sub o bajando el pH de la solución nutritiva.

   _Boro (B) _ El boro es esencial para la crianza de los frutos y el desarrollo de las semillas. Los métodos de absorción son similares a los ya descritos para Ca con los que puede competir. El pH de la solución nutritiva debe estar por debajo de 6,0 y el nivel óptimo parece estar entre 4,5 y 5,5. Los síntomas de deficiencia se pueden detectar en las nuevas estructuras que aparecen de color verde oscuro, las hojas jóvenes aumentan en gran medida su grosor y tienen una consistencia coriácea. Posteriormente pueden aparecer cloroticas y luego necróticas, con coloración oxidada.

   _Zinc (Zn) _ El zinc juega un papel importante en ciertas reacciones enzimáticas. Su absorción está fuertemente influenciada por el pH y el suministro de P de la solución nutritiva. Los valores de pH entre 5,5 y 6,5 promueven la absorción de Zn. Las bajas temperaturas y los altos niveles de P reducen la cantidad de zinc absorbido por la planta. Las deficiencias de zinc ocurren raramente, y están representadas por manchas cloróticas en las áreas interveinales de las hojas, internudos muy cortos, epinastía foliar y mal crecimiento (Gibson 2007).

   _Cobre (Cu) _ El cobre está involucrado en procesos respiratorios y fotosintéticos. Su absorción se reduce a valores de pH superiores a 6,5, mientras que los valores de pH inferiores a 5,5 pueden producir efectos tóxicos (Rooney et al. 2006). Los altos niveles de amonio y fósforo interactúan con Cu reduciendo la disponibilidad de este último. La presencia excesiva de Cu interfiere con la absorción de Fe, Mn y Mo. Las deficiencias se manifiestan por clorosis interveinal que conduce al colapso de los tejidos foliares que parecen desecados (Gibson 2007).

   _Molibdeno (Mo) _ El molibdeno es esencial en la síntesis de proteínas y en el metabolismo del nitrógeno. Contrariamente a otros micronutrientes, está mejor disponible a valores de pH neutros. Los síntomas de deficiencia comienzan con clorosis y necrosis a lo largo de la costilla principal de las hojas viejas, mientras que las hojas jóvenes aparecen deformadas (Gibson 2007).

   4.4.3 Manejo de nutrientes en relación con los requisitos de las plantas

   Desde el desarrollo de sistemas hortícolas sin suelo en la década de 1970 (Verwer 1978; Cooper 1979), se han desarrollado y ajustado diferentes soluciones nutritivas según las preferencias de los productores (Tabla 4.4; De Kreij et al. 1999). Todas las mezclas siguen los principios de exceso de disponibilidad de todos los elementos para evitar deficiencias y equilibrio entre cationes (bivalentes) para evitar la competencia entre cationes en la absorción de nutrientes vegetales (Hoagland y Arnon 1950; Steiner 1961; Steiner 1984; Sonneveld y Voogt 2009). Comúnmente, se permite que la CE aumente en la zona de la raíz en un grado limitado. En los tomates, por ejemplo, la solución nutritiva típicamente tiene una CE de aproximadamente 3 dS msup-1/sup, mientras que en la zona radicular de las losas de lana de piedra, la CE puede elevarse a 4—5 dS msup-1/sup. Sin embargo, en los países del norte de Europa, para el primer riego de nuevas losas de lana de piedra al comienzo del ciclo de producción, la solución nutritiva puede tener una CE de hasta 5 dS msup-1/sup, saturando el sustrato de lana de piedra con iones hasta una EC de 10 dS msup-1/sup, que posteriormente se enjuagará después de 2 semanas. Para proporcionar un lavado suficiente de la zona radicular, en un sistema típico de losas de lana de piedra de riego por goteo, alrededor del 20 al 50% del agua dosificada se recoge como agua de drenaje. El agua de drenaje se recicla, se filtra, se mezcla con agua dulce y se rellena con nutrientes para su uso en el siguiente ciclo (Van Os 1994).

   En la producción de tomate, el aumento de la CE puede aplicarse para mejorar la síntesis de licopeno (promoviendo la coloración roja brillante de los frutos), los sólidos solubles totales (SST) y el contenido de fructosa y glucosa (Fanasca et al. 2006; Wu y Kubota 2008). Además, las plantas de tomate tienen mayores tasas de absorción para N, P, Ca y Mg y baja absorción de K durante las etapas tempranas (vegetativas). Una vez que las plantas comienzan a desarrollar frutos, la producción de hojas se ralentiza, lo que lleva a una reducción de los requisitos de N y Ca, mientras que el requisito de K aumenta (por ejemplo, Zekki et al. 1996; Silber, Bar-Tal 2008). En la lechuga, por otro lado, un aumento de la CE puede promover la enfermedad por quemaduras de punta durante las condiciones de crecimiento caliente. Huett (1994) mostró una disminución significativa en el número de hojas con enfermedad por quemadura de punta por planta cuando la CE se redujo de 3.6 a 0.4 dS msup-1/sup, así como cuando la formulación nutritiva K/Ca se redujo de 3. 5:1 a 1. 25:1. En AP el manejo de nutrientes es más difícil que en hidroponía, ya que dependen principalmente de la densidad de las poblaciones de peces, el tipo de alimento y las tasas de alimentación.

   4.4.4 Propiedades de la solución nutritiva

   El fósforo es un elemento que se produce en formas que dependen fuertemente del pH ambiental. En la zona raíz, este elemento se puede encontrar como iones PoSub4/SubSUP-3/SUP, HPOSub4/Subsup2-/SUP y HSub2/SubpoSub4/SubSUP-/SUP, donde los dos últimos iones son las principales formas de P absorbidas por las plantas. Así, cuando el pH es ligeramente ácido (pH 5-6), la mayor cantidad de P se presenta en una solución nutritiva (De Rijck y Schrevens 1997).

   Potasio, calcio y magnesio están disponibles para las plantas en un amplio rango de pH. Sin embargo, la presencia de otros iones puede interferir en la disponibilidad de su planta debido a la formación de compuestos con diferentes grados de solubilidad. A un pH superior a 8,3, los iones Casup2+/SUP y MgSup2+/SUP se precipitan fácilmente como carbonatos al reaccionar con COSub3/Subsup2-/SUP. También el sulfato forma complejos relativamente fuertes con Casup2+/SUP y MgSup2+/SUP (De Rijck y Schrevens 1998). A medida que el pH aumenta de 2 a 9, aumenta la cantidad de SOSub4/Subsup2-/SUP formando complejos solubles con MgSup2+/SUP como MgsoSub4/Sub y con KSup+/SUP como KsoSub4/Subsup-/Sup (De Rijck y Schrevens 1999). En general, la disponibilidad de nutrientes para la absorción de plantas a un pH superior a 7 puede estar restringida debido a una precipitación de Boro, FeSup2+/SUP, MNSup2+/SUP, PoSub4/Subsup3-/SUP, Casup2+/SUP y MgSup2+/SUP debido a sales insolubles e indisponibles. Los valores de pH más adecuados de la solución nutritiva para el desarrollo de cultivos se encuentran entre 5,5 y 6,5 (Sonneveld y Voogt 2009).

   4.4.5 Calidad del agua y nutrientes

   La calidad del agua suministrada es extremadamente importante en los sistemas hidropónicos y AP. Para la recirculación a largo plazo, la composición química debe ser bien conocida y vigilada con frecuencia para evitar un desequilibrio en el suministro de nutrientes, pero también para evitar la acumulación de ciertos elementos que provoquen toxicidad. De Kreij et al. (1999) hicieron una reseña de las exigencias químicas sobre la calidad del agua para los sistemas hidropónicos.

   Antes de comenzar, se debe hacer un análisis del suministro de agua en los macroelementos y microelementos. Basado en el análisis, se puede hacer un esquema para la solución nutritiva. Por ejemplo, si se utiliza agua de lluvia, se debe prestar especial atención a Zn cuando la recolección se realiza a través de canaletas no tratadas. En el agua del grifo, pueden aparecer problemas con Na, Ca, Mg, SoSub4/sub y HCOSub3/sub. Además, puede utilizarse agua superficial y de orificio, que también puede contener cantidades de Na, Cl, K, Ca, Mg, SoSub4/Sub y Fe, pero también microelementos como Mn, Zn, B y Cu. Cabe señalar que todas las válvulas y tuberías deben estar hechas de materiales sintéticos como PVC y PE, y no contienen partes Ni o Cu.

   Sucede a menudo que los suministros de agua contienen una cierta cantidad de Ca y Mg; por lo tanto, el contenido debe ser restado de la cantidad en la solución nutritiva para evitar la acumulación de estos iones. El HCOSub3/sub debe compensarse preferiblemente con ácido nítrico, aproximadamente 0,5 mmol LSUP-1/SUP que puede mantenerse como tampón de pH en la solución nutritiva. El ácido fosfórico y sulfúrico también se pueden utilizar para compensar el pH, pero ambos darán rápidamente un excedente de Hsub2/subposub4/subsup-/sup o sosub4/subsup2-/sup en la solución nutritiva. En los sistemas AP el ácido nítrico (HNOSub3/sub) y el hidróxido de potasio (KOH) también se pueden utilizar para regular el pH y al mismo tiempo suministrar macronutrientes en el sistema (Nozzi et al. 2018).

   4.4.5.1 Gestión de la Calidad del Agua

   Para la formulación de soluciones nutritivas, se utilizan preferiblemente fertilizantes simples (granulares, en polvo o líquidos) y sustancias (por ejemplo, compuestos ácidos) que afectan el pH. La integración de los elementos nutritivos en la solución tiene en cuenta los valores óptimos de las cantidades de cada elemento. Esto debe hacerse en relación con los requerimientos de la especie y sus cultivares considerando las fases fenológicas y el sustrato. El cálculo de los suplementos nutritivos debe realizarse teniendo en cuenta las condiciones del agua utilizada, de acuerdo con un estricto conjunto de prioridades. En la escala prioritaria, el magnesio y los sulfatos se sitúan en la parte inferior, al mismo nivel, porque tienen menor importancia nutricional y las plantas no presentan daños incluso si su presencia es abundante en la solución nutritiva. Esta característica tiene una ventajosa retroalimentación práctica, ya que permite una explotación de los dos elementos para equilibrar la composición nutricional con respecto a otros macronutrientes cuya deficiencia o exceso puede ser negativa para la producción. A modo de ejemplo, podemos considerar una solución nutritiva en la que se requiere una integración de solo potasio o solo nitrato. Las sales a utilizar, en este caso, son respectivamente sulfato de potasio o nitrato de magnesio. De hecho, si se usara el nitrato de potasio o nitrato de calcio más común, los niveles de nitrato, en el primer caso, y calcio, en el segundo caso, aumentarían automáticamente. Además, cuando el análisis del agua utilizada muestra un desequilibrio entre cationes y aniones, y para poder calcular una solución nutritiva con la CE en equilibrio, se realiza la corrección de los valores del agua reduciendo los niveles de magnesio y/o sulfatos.

   Los siguientes puntos proporcionan directrices para la formulación de soluciones nutritivas:

   1. Definición de la especie y requisitos de cultivar. Hay que tener en cuenta el entorno de cultivo y las características del agua. Para satisfacer las necesidades de las plantas en períodos cálidos y con radiación intensa, la solución debe poseer un menor contenido de EC y K, lo que contrasta con una mayor cantidad de Ca. En cambio, cuando la temperatura y el brillo alcanzan niveles inferiores a los óptimos, es aconsejable elevar los valores de la CE y K reduciendo los del Ca. Es importante señalar con respecto a los cultivares que existen variaciones sustanciales, especialmente para los valores del NOSub3/SubSUP-/SUP, debido a la diferente vigorosidad vegetativa de los cultivares. En el caso de los tomates, de hecho, se utiliza una media de 15 mmol LSUP-1/sup de NOSub3/SubSUP-/SUP (cuadro 4.4), y en el caso de los cultivares caracterizados por un bajo vigor vegetativo y en determinadas fases fenológicas (por ejemplo, fraguado de la cuarta cercha), se adopta hasta 20 mM LSUP-1/SUP de NOSub3/SubSUP. En caso de que algunos elementos como Na estén presentes en el agua, para reducir su efecto, que es particularmente negativo para algunos cultivos, será necesario aumentar la cantidad de NOSub3/SubSUP-/SUP y Ca y posiblemente disminuir la K, manteniendo la CE al mismo nivel.

   Tabla 4.4 Solución nutritiva en el cultivo hidropónico de lechuga (DFT) tomate, pimienta y pepino (losas de lana de piedra de riego por goteo) en los Países Bajos (De Kreiji et al.1999)

   tabla tead tr class="encabezado» th rowspan="2"/th THPH/th LEC/th THNHSub4/Sub/th THK/th THCA/th thmg/th ThnoSub3/sub/th ThsoSub4/Sub/th THP/th Thfe/th THMN/TH THZN/º THB/th THCU/th TMO/th /tr tr class="encabezado» th/th THDs msup-1/sup/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th /tr /thead tbody tr class="impar» TDlettuce (Wageningen UR) /td td5.9/td td1.7/td td1.0/td td4.4/td td4.5/td td1.8/td td10.6/td td1.5/td td1.5/td td28.1/td td1.5/td td6.4/td td47.0/td td1.0/td td0.7/td /tr tr class="incluso» TDlettuce/TD td5.8/td td1.2/td td0.7/td td4.8/td td2.3/td td0.8/td td8.9/td td0.8/td td1.0/td td35.1/td td4.9/td td3.0/td td18.4/td td0.5/td td0.5/td /tr tr class="impar» TDlettuce/TD td5.8/td td1.2/td td/td td3.0/td td2.5/td td1.0/td td7.5/td td1.0/td td0.5/td td50.0/td td3.7/td td0.6/td td4.8/td td0.5/td td0.01/td /tr tr class="incluso» TDtomate generativo/td td5.5/td td2.6-3.0/td td1.2/td td13.0/td td4.2/td td1.9/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="impar» TDtomate vegetativo/td td5.5/td td2.6/td td1.2/td td8.3/td td5.7/td td2.7/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="incluso» TDpepino td5.5/td td3.2/td td1.2/td td10.4/td td6.7/td td2.0/td td23.3/td td1.5-2.0/td td1.5-2.0/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td25.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="impar» TDPepper/TD td5.6/td td2.5-3.0/td td1.2/td td5-7/td td4-5/td td2.0/td td17.0/td td1.8-2.0/td td1.5-2.5/td td25.0/td td10.0/td td7.0/td td30.0/td td1.0/td td0.5/td /tr tr class="incluso» Propagación tdPlanta/td td5.5/td td2.3/td td1.2/td td6.8/td td4.5/td td3.0/td td16.8/td td2.5/td td1.3/td td25.0/td td10.0/td td5.0/td td35.0/td td1.0/td td0.5/td /tr /tbody /tabla

   Adoptado y modificado a partir de Vermeulen (2016, comunicación personal)

   2. Los cálculos de las necesidades de nutrientes deben obtenerse restando los valores de los elementos químicos del agua de los elementos químicos definidos anteriormente. Por ejemplo, la necesidad establecida de Mg de pimientos (Capsicum sp.) es de 1.5 mM LSUP-1/SUP, teniendo el agua a 0.5 mM LSUP-1/SUP y 1.0 mM LSUP-1/SUP de Mg debe añadirse al agua (1.5 requisito — 0.5 suministro de agua = 1.0).

   3. Elección y cálculo de fertilizantes y ácidos a utilizar. Por ejemplo, tener que proporcionar Mg, como en el ejemplo del punto 2 anterior, puede utilizarse MgsoSub4/sub o Mg (NoSub3/sub) sub2/sub. Se tomará una decisión teniendo en cuenta también la contribución colateral del sulfato o del nitrato.

   4.4.6 Comparación entre la producción hidropónica y acuapónica

   Durante su ciclo de vida, las plantas necesitan varios macro y microelementos esenciales para el desarrollo regular (boro, calcio, carbono, cloro, cobre, hidrógeno, hierro, magnesio, manganeso, molibdeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo, potasio, azufre, zinc), generalmente absorbido de la solución nutritiva (Bittsanszky et al. 2016). La concentración de nutrientes y la relación entre ellos son las variables más importantes capaces de influir en la absorción de las plantas. En los sistemas AP los residuos metabólicos de los peces contienen nutrientes para las plantas, pero hay que tener en cuenta, especialmente a escala comercial, que las concentraciones de nutrientes suministradas por los peces en los sistemas AP son significativamente menores y desequilibradas para la mayoría de los nutrientes en comparación con los sistemas hidropónicos (Nicoletto et al. 2018). Por lo general, en AP, con tasas adecuadas de población de peces, los niveles de nitrato son suficientes para un buen crecimiento de la planta, mientras que los niveles de K y P son generalmente insuficientes para el crecimiento máximo de la planta. Además, el calcio y el hierro también podrían ser limitados. Esto puede reducir el rendimiento y la calidad del cultivo, por lo que la integración de nutrientes debe llevarse a cabo para apoyar una reutilización eficiente de los nutrientes. Las comunidades microbianas juegan un papel crucial en la dinámica de nutrientes de los sistemas AP (Schmautz et al. 2017), convirtiendo amonio en nitrato, pero también contribuyendo al procesamiento de partículas y residuos disueltos en el sistema (Bittsanszky et al. 2016). La absorción vegetal de N y P representa sólo una fracción de la cantidad extraída del agua (Trang y Brix 2014), lo que indica que los procesos microbianos en la zona radicular de las plantas, y en el sustrato (si está presente) y en todo el sistema, juegan un papel importante.

   La composición de los alimentos para peces depende del tipo de pescado y esto influye en la liberación de nutrientes de la producción metabólica de los peces. Típicamente, el alimento para peces contiene una fuente de energía (carbohidratos y/o lípidos), aminoácidos esenciales, vitaminas, así como otras moléculas orgánicas que son necesarias para el metabolismo normal, pero algunas que las células de los peces no pueden sintetizar. Además, hay que tener en cuenta que los requerimientos nutricionales de una planta varían según la especie (Nozzi et al. 2018), la variedad, la etapa del ciclo de vida, la duración del día y las condiciones climáticas y que recientemente (Parent et al. 2013; Baxter 2015), la ley de Liebig (el crecimiento vegetal está controlado por el recurso más escaso) ha ha sido reemplazado por algoritmos complejos que consideran las interacciones entre los nutrientes individuales. Ambos aspectos no permiten una simple evaluación de los efectos de los cambios en las concentraciones de nutrientes en sistemas hidropónicos o AP.

   Así pues, se plantea la cuestión de si es necesario y eficaz añadir nutrientes a los sistemas AP. Según lo informado por Bittsanszky et al. (2016), los sistemas AP solo pueden funcionar de manera eficiente y, por lo tanto, con éxito, si se toma especial cuidado mediante la supervisión continua de la composición química del agua recirculante para obtener concentraciones y proporciones adecuadas de nutrientes y del componente potencialmente tóxico, amonio. La necesidad de añadir nutrientes depende de las especies vegetales y de la etapa de crecimiento. Con frecuencia, aunque la densidad de los peces es óptima para el suministro de nitrógeno, la adición de P y K con fertilizantes minerales, al menos, debe llevarse a cabo (Nicoletto et al. 2018). En contraste con, por ejemplo, la lechuga, los tomates que necesitan dar fruto, madurar y madurar, necesitan nutrientes suplementarios. Para calcular estas necesidades, se puede utilizar un software, como HydroBuddy, que es un software libre (Fernández 2016) que se utiliza para calcular la cantidad de suplementos nutritivos minerales requeridos.

5. 4.5 Desinfección de la solución nutritiva recirculante

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

   Para minimizar el riesgo de propagación de patógenos transmitidos por el suelo, se requiere la desinfección de la solución nutritiva circulante (Postma et al. 2008). El primer método utilizado fue el tratamiento térmico (Runia et al. 1988). Van Os (2009) hizo una visión general de los métodos más importantes y un resumen se presenta a continuación. La recirculación de la solución nutritiva abre posibilidades para ahorrar agua y fertilizantes (Van Os 1999). La gran desventaja de la recirculación de la solución nutritiva es el riesgo creciente de diseminación de patógenos transmitidos por las raíces en todo el sistema de producción. Para minimizar tales riesgos, la solución debe tratarse antes de su reutilización. El uso de plaguicidas para dicho tratamiento es limitado, ya que no se dispone de plaguicidas eficaces para todos esos patógenos y, si se dispone, puede aparecer resistencia, y la legislación medioambiental restringe la descarga de agua con plaguicidas (y nutrientes) en el medio ambiente (Parlamento Europeo y Consejo Europeo 2000). Además, en los sistemas AP, el uso de plaguicidas tiene efectos negativos sobre la salud de los peces y no puede llevarse a cabo, incluso si partes hidropónicas y AP del sistema se encuentran en salas diferentes, ya que la pulverización de productos químicos puede entrar en la solución nutritiva a través de agua de condensación o por pulverización directa sobre el sustrato losas. En vista de ello, se puede adoptar un enfoque de control biológico para gestionar las enfermedades de plagas, al que se puede acceder a través de la Hoja informativa del Centro Acuapónico de la UE (EU Aquaponics Hub). Al mismo tiempo, se pueden observar problemas similares para el tratamiento de peces utilizando medicamentos veterinarios que no son compatibles con el ciclo de la planta.

   4.5.1 Descripción de los métodos de desinfección

   La desinfección de la solución nutritiva circulante debe tener lugar continuamente. Todo el drenaje devuelto (10-12 h durante el día) debe tratarse dentro de las 24 h. Para un invernadero de 1000 msup2/sup en un cultivo de sustrato (lana de piedra, coco, perlita), se necesita una capacidad de desinfección de aproximadamente 1—3 msup3/sup por día para desinfectar un excedente estimado necesario del 30% del agua suministrada con goteo riego a plantas de tomate durante un período de 24 horas en condiciones de verano. Debido a la tasa de retorno variable del agua de drenaje, se necesita un tanque de captación suficientemente grande para el agua de drenaje en el que se almacene el agua antes de bombearla a la unidad de desinfección. Después de la desinfección se requiere otro tanque para almacenar el agua limpia antes de ajustar EC y pH y mezclarse con agua nueva para abastecer a las plantas. Ambos tanques tienen un tamaño promedio de 5 msup3/sup por 1000 msup2/sup. En un sistema de película nutritiva (NFT), se deben desinfectar diariamente unos 10 msup3/sup por día. En general, se considera que tal capacidad no es económica de desinfectar (Ruijs 1994). DFT requiere un tratamiento similar. Esta es la razón principal por la que las unidades de producción de NFT y DFT normalmente no desinfectan la solución nutritiva. La desinfección se lleva a cabo mediante métodos no químicos o químicos de la siguiente manera:

   4.5.1.1 Métodos no químicos

   En general, estos métodos no alteran la composición química de la solución, y no hay acumulación de residuos:

   1. Tratamiento térmico. Calentar el agua de drenaje a temperaturas lo suficientemente altas como para erradicar bacterias y patógenos es el método más confiable para la desinfección. Cada tipo de organismo tiene su propia temperatura letal. Las bacterias no formadoras de esporas tienen temperaturas letales entre 40 y 60° C, hongos entre 40 y 85° C, nematodos entre 45 y 55° C y virus entre 80 y 95° C (Runia et al. 1988) en un tiempo de exposición de 10 s. que pueden causar enfermedades con un tiempo mínimo de 10 s. Aunque esto puede parecer muy intensivo de energía, debe tenerse en cuenta que la energía se recupera y se reutiliza con intercambiadores de calor. La disponibilidad de una fuente de energía barata es de mayor importancia para la aplicación práctica.

   2. Radiación UV. La radiación UV es radiación electromagnética con una longitud de onda entre 200 y 400 nm. Las longitudes de onda entre 200 y 280 nm (UV-C), con un óptimo a 254 nm, tienen un fuerte efecto matante sobre los microorganismos, ya que minimiza la multiplicación de cadenas de ADN. Se necesitan diferentes niveles de radiación para diferentes organismos a fin de lograr el mismo nivel de eficacia. Runia (1995) recomienda una dosis que varía de 100 mJ cmsup-2/sup para eliminar bacterias y hongos a 250 mJ cmsup-2/sup para eliminar virus. Estas dosis relativamente altas son necesarias para compensar las variaciones en la turbidez del agua y las variaciones en la penetración de la energía en la solución debido a la baja turbulencia alrededor de la lámpara UV o las variaciones en la salida de la lámpara UV. Zoschke et al. (2014) revisaron que la irradiación UV a 185 y 254 nm ofrece control y desinfección de contaminantes orgánicos del agua. Además, Moriarty et al. (2018) informaron que la radiación UV inactivaba eficazmente los coliformes en los sistemas AP.

   3. Filtración. La filtración se puede utilizar para eliminar cualquier material no disuelto de la solución nutritiva. Hay varios tipos de filtros disponibles en relación con el rango de tamaños de partículas. Los filtros rápidos de arena se utilizan a menudo para eliminar partículas grandes del agua de drenaje antes de añadir, medir y controlar EC, pH y aplicación de nuevos fertilizantes. Después de pasar la unidad de fertilizantes, a menudo se construye un filtro sintético fino (50—80 um) en el flujo de agua para eliminar las sales de fertilizantes sin disolver o los precipitados para evitar la obstrucción de los goteros de riego. Estos filtros sintéticos también se utilizan como pretratamiento para métodos de desinfección con tratamiento térmico, tratamiento de ozono o radiación UV. Con la reducción del tamaño de los poros de filtración, el flujo se inhibe, de modo que la eliminación de partículas muy pequeñas requiere una combinación de filtros adecuados y alta presión seguida de una limpieza frecuente de los filtros. La eliminación de patógenos requiere tamaños de poro relativamente pequeños (\ 10 μm; los llamados micro-, ultra- o nanofiltración).

   4.5.1.2 Métodos químicos

   1. _Ozono (O<Sub3/Sub) _. El ozono se produce a partir del aire seco y la electricidad utilizando un generador de ozono (convirtiendo 3OSub2/Sub → 2OSub3/Sub). El aire enriquecido con ozono se inyecta en el agua que se está desinfectando y almacenando durante un período de 1 h. Runia (1995) llegó a la conclusión de que un suministro de ozono de 10 g por hora por msup3/sup agua de drenaje con un tiempo de exposición de 1 h es suficiente para eliminar todos los patógenos, incluidos los virus. Nicoletto et al. (2017) también ha observado la reducción de las poblaciones microbianas en la producción vegetal en sistemas sin suelo gestionados con ozono. Debe evitarse la exposición humana al ozono que sale del sistema o de los tanques de almacenamiento, ya que incluso un breve tiempo de exposición de una concentración de 0,1 mg de LSUP-1/SUP de ozono puede causar irritación de las membranas mucosas. Un inconveniente del uso de ozono es que reacciona con el quelato de hierro, como lo hace UV. En consecuencia, se requieren dosis más altas de hierro y se deben tomar medidas para hacer frente a los depósitos de hierro en el sistema. Investigaciones recientes (Van Os 2017) con instalaciones contemporáneas de ozono parecen prometedoras, donde se logra la eliminación completa de los patógenos y la descomposición de los plaguicidas restantes, sin problemas de seguridad.

   2. _Peróxido de hidrógeno (HSub2/SuboSub2/sub) _. El peróxido de hidrógeno es un agente oxidante fuerte e inestable que reacciona a formar HSub2/subO y un radical O. Comercialmente llamados activadores se agregan a la solución para estabilizar la solución original y aumentar la eficacia. Los activadores son principalmente ácido fórmico o ácido acético, que disminuyen el pH en la solución nutritiva. Se recomiendan diferentes dosis (Runia 1995) contra Pythium spp. (0,005%), otros hongos (0,01%), como Fusarium, y virus (0,05%). La concentración de 0,05% también es perjudicial para las raíces de las plantas. El peróxido de hidrógeno es especialmente útil para limpiar el sistema de riego, mientras que el uso para la desinfección ha sido tomado por otros métodos. El método se considera barato, pero no eficiente.

   3. _Hipoclorito sódico (NaOCl) _. El hipoclorito de sodio es un compuesto con diferentes nombres comerciales (por ejemplo, lejía doméstica) con diferentes concentraciones pero con la misma estructura química (NaOCl). Es ampliamente utilizado para el tratamiento del agua, especialmente en piscinas. El producto es relativamente barato. Cuando se agrega al agua, el hipoclorito de sodio se descompone a HoCl y NaOH y dependiendo del pH a OclSup-/SUP; este último se descompone en Cl y Osup. /sup para una fuerte oxidación. Reacciona directamente con cualquier sustancia orgánica, y si hay suficiente hipoclorito, también reacciona con patógenos. Le Quillec et al. (2003) mostraron que la tenabilidad del hipoclorito depende de las condiciones climáticas y de las reacciones de descomposición relacionadas. Las altas temperaturas y el contacto con el aire causan una descomposición rápida, en la que se forma NacloSub3/sub con propiedades fitotóxicas. Runia (1995) mostró que el hipoclorito no es efectivo para eliminar virus. La cloración con una concentración de 1—5 mg de Cl LSUP-1/SUP y un tiempo de exposición de 2 h logró una reducción del 90— 99,9% de Fusarium oxysporum, pero algunas esporas sobrevivieron a todas las concentraciones. Deben adoptarse medidas de seguridad para el almacenamiento y la manipulación seguros. El hipoclorito puede funcionar contra una serie de patógenos, pero no todos, pero al mismo tiempo, la concentración de NASUP+/SUP y CLSUP-/SUP se incrementa en un sistema de crecimiento cerrado que también dará lugar a niveles que disminuyan la productividad del cultivo y en ese momento la solución nutritiva debe ser lixiviada. A pesar de los inconvenientes antes mencionados, el producto es utilizado y recomendado por los agentes comerciales como un método barato y útil.

   4.5.2 Métodos químicos versus no químicos

   Los cultivadores prefieren los métodos de desinfección con un excelente rendimiento en combinación con bajos costos. Un buen rendimiento se puede describir eliminando patógenos con una reducción del 99,9% (o una reducción del log 3) combinada con un proceso claro, comprensible y controlable. Los bajos costos se combinan preferiblemente con bajas inversiones, bajos costos de mantenimiento y sin necesidad de que el cultivador actúe como especialista de laboratorio. El tratamiento térmico, la radiación UV y el tratamiento de ozono muestran un buen rendimiento. Sin embargo, las inversiones en el tratamiento del ozono son muy elevadas, lo que da lugar a elevados costos anuales. El tratamiento térmico y la radiación UV también tienen altos costos anuales, pero las inversiones son menores, mientras que el proceso de eliminación es fácil de controlar. Los dos últimos métodos son más populares entre los cultivadores, especialmente en viveros mayores de 1 o 2 ha. La filtración lenta de arena es menos perfecta en rendimiento, pero tiene costos anuales considerablemente más bajos. Este método podría recomendarse para los productores de menos de 1 ha y para los cultivadores con menor capital de inversión, ya que los filtros de arena pueden ser construidos por el propio productor. El hipoclorito de sodio y el peróxido de hidrógeno también son métodos baratos, pero el rendimiento es insuficiente para eliminar todos los patógenos. Además, es un biocida y no un plaguicida, lo que significa por ley, al menos en la UE, está legalmente prohibido utilizarlo para la eliminación de patógenos.

   4.5.3 Biofouling y pretratamiento

   Los métodos de desinfección no son muy selectivos entre los patógenos y otro material orgánico en la solución. Por lo tanto, se recomienda el pretratamiento (filtros rápidos de arena o filtros mecánicos de 50—80 um) de la solución antes de la desinfección en el tratamiento térmico, la radiación UV y el tratamiento de ozono. Si después de la desinfección los residuos de los métodos químicos permanecen en el agua, pueden reaccionar con las biopelículas que se han formado en las tuberías de los sistemas de riego. Si el biofilm se libera de las paredes de las tuberías, se transportarán a los goteros y causarán obstrucción. Varios métodos de oxidación (hipoclorito de sodio, peróxido de hidrógeno con activadores, dióxido de cloro) se utilizan principalmente para limpiar tuberías y equipos, y estos crean un riesgo especial para obstruir los goteros con el tiempo.