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Capítulo 5 Aquapónica: Los fundamentos

1. 5.1 Introducción

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

   La acuapónica es una tecnología que es un subconjunto de un enfoque agrícola más amplio conocido como sistemas integrados de agroacuicultura (IAAS) (Gooley y Gavine 2003). Esta disciplina consiste en integrar prácticas acuícolas de diversas formas y estilos (principalmente piscifactoría de aletas) con la producción agrícola vegetal. El fundamento de los sistemas integrados de agroacuicultura es aprovechar los recursos compartidos entre la acuicultura y la producción vegetal, como el agua y los nutrientes, para desarrollar y lograr prácticas de producción primaria económicamente viables y ambientalmente más sostenibles (Gooley y Gavine 2003). En esencia, tanto los sistemas de producción de plantas terrestres como de animales acuáticos comparten un recurso común: el agua. Por lo general, las plantas consumen agua a través de la transpiración y la liberan al medio gaseoso circundante, mientras que los peces generalmente consumen menos agua, pero su cultivo contenido produce corrientes sustanciales de aguas residuales debido a los desechos metabólicos acumulados. Por lo tanto, la acuicultura puede integrarse en la vía de suministro de agua de la producción vegetal de formas no consumitivas, de modo que dos cultivos (peces y plantas) puedan ser producidos a partir de una fuente de agua que generalmente se utiliza para producir un solo cultivo (plantas).

   Una ventaja adicional interesante de integrar la acuicultura con la vía de suministro de riego para la producción de plantas es que la acuicultura también produce nutrientes residuales a través de los desechos disueltos y no disueltos producidos a partir del metabolismo de los peces (y otros animales acuáticos). Por lo tanto, la acuicultura también puede producir corrientes de nutrientes residuales que son adecuados para la producción de plantas, contribuyendo a los requerimientos de nutrientes de las plantas.

   Las ventajas producidas por la integración de la acuicultura con los sistemas convencionales de producción de plantas terrestres y acuáticas han sido resumidas por Gooley y Gavine (2003) como:

   1. Un aumento de la productividad y la rentabilidad de las explotaciones agrícolas sin ningún aumento neto del consumo de agua (cap. 2).

   2. Diversificación de las explotaciones agrícolas en cultivos de mayor valor, incluidas especies acuáticas de alto valor.

   3. Reutilización de recursos en la granja desperdiciados de otro modo (por ejemplo, captura y reutilización de nutrientes y agua).

   4. Reducción de los impactos ambientales netos de las prácticas agrícolas semiintensivas e intensivas.

   5. Beneficios económicos netos compensando el capital agrícola existente y los gastos de explotación (cap. 18).

   Se ha dicho que la acuapónica ha evolucionado a partir de prácticas agrícolas relativamente antiguas asociadas con la integración del cultivo de peces con la producción vegetal, especialmente aquellas desarrolladas dentro del sudeste asiático, el contexto de cultivo de arroz inundado y las prácticas agrícolas de Chinampa sudamericana, isla flotante ( Komives y Junge 2015). En realidad, históricamente, los peces rara vez se añadieron activamente a los arrozales hasta el siglo XIX (Halwart y Gupta 2004) y estaban presentes en densidades muy bajas que no contribuirían a ninguna ayuda nutritiva sustancial a las plantas. Las chinampas se construyeron tradicionalmente en lagos en México donde los nutrientes

   las ventajas pueden haber sido proporcionadas a través de los sedimentos de lagos eutróficos o semieutróficos, en lugar de directamente desde cualquier sistema de producción pesquera diseñado o integrado activamente (Morehart 2016; Baquedano 1993).

   La acuapónica moderna comenzó en los Estados Unidos en la década de 1970 y fue co-desarrollada por varias instituciones interesadas en prácticas agrícolas más sostenibles. Los primeros trabajos importantes fueron realizados por varios investigadores, pero en última instancia, se cree que el progenitor de casi toda la acuapónica moderna es el trabajo realizado por James Rakocy y su equipo en la Universidad de las Islas Vírgenes (UVI) a partir de principios de la década de 1980 (Lennard 2017).

   La acuapónica se considera ahora una industria nueva y emergente con un lugar relevante en el contexto más amplio de la producción agrícola mundial y hay una serie de variaciones de la tecnología de integración del cultivo de peces con el cultivo de plantas acuáticas que se definen colectivamente bajo la bandera o el nombre de acuapónica ( Knaus y Palm 2017). Por lo tanto, la acuapónica busca integrar la producción animal acuacultivo con la producción de plantas hidroponica utilizando varios métodos para compartir recursos hídricos y nutritivos entre los principales componentes de producción para producir peces y productos vegetales comerciales y vendibles.

2. 5.2 Una definición de acuapónica

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

   La acuapónica encaja en la definición más amplia de sistemas integrados de agroacuicultura (IAAS). Sin embargo, IAAS aplica muchas tecnologías diferentes de producción de animales y plantas acuáticas en muchos contextos, mientras que la acuapónica se asocia mucho más estrechamente con la integración de tecnologías de cultivo de peces basadas en tanques (por ejemplo, sistemas acuícolas de recirculación; RAS) con tecnologías de cultivo de plantas acuáticas o hidropónicas ( Lennard 2017). Las tecnologías RAS aplican métodos conservados y estándar para el cultivo de peces en tanques con filtración aplicada para controlar y alterar la química del agua para que sea adecuada para peces (es decir, eliminación rápida y eficiente de desechos sólidos de peces, conversión eficiente y bacterianizada de residuos de peces disueltos potencialmente tóxicos amoniaco a nitratos menos tóxicos y mantenimiento del oxígeno mediante aireación asistida o gas oxígeno inyectado directamente) (Timmons et al. 2002). Las tecnologías hidropónicas y de cultivo de sustratos aplican métodos conservados y estándar para el cultivo de plantas terrestres comestibles en entornos acuáticos (es decir, las plantas obtienen acceso a los nutrientes necesarios para el crecimiento a través de un método de entrega a base de agua) (Resh 2013).

   La asociación de la acuapónica con la acuicultura estándar RAS y el cultivo de hidroponía/sustrato significa que la acuapónica a menudo se define simplemente como «... la combinación de la producción de peces (acuicultura) y la hidroponía de cultivo de plantas sin suelo bajo circulación de agua acoplada o desacoplada» (Knaus y Palm 2017). Esta definición amplia hace hincapié en la integración de hardware, equipos o tecnologías y hace poco hincapié, si lo hace, en cualquier otro aspecto del método.

   Debido a que la acuapónica es una tecnología de escala industrial relativamente nueva que aplica métodos y enfoques diferentes, la definición aplicada parece muy amplia. Algunos definen la acuapónica en un contexto de recirculación solamente (Cerozi y Fitzsimmons 2017), algunos se concentran en enfoques que no devuelven el agua de las plantas a los peces (Delaide et al. 2016) y otros incluyen métodos de recirculación y desacoplamiento (Knaus y Palm 2017). Además, algunos investigadores están incluyendo el uso de efluentes de acuicultura regados a la producción de cultivos basados en el suelo bajo el título acuapónico (Palm et al. 2018). Históricamente, la acuapónica, como sugiere el desglose de la palabra (aquaculture e hidroponics), se definió como sólo referente a la acuicultura y la producción de plantas hidropónicas (Rakocy y Hargreaves 1993), por lo que los intentos actuales de asociación con el cultivo basado en el suelo parecen incongruentes.

   

   Fig. 5.1 Representación esquemática de los flujos nutritivos dentro de un sistema acuapónico. El alimento para peces es el principal punto de entrada de nutrientes. Los peces comen el alimento, usan los nutrientes que necesitan, liberan el resto como residuos y estos residuos se dividen entre los microbios, las plantas y el agua del sistema. (adaptado de Lennard 2017)

   Mientras que los sistemas acuapónicos integran tecnologías acuícolas basadas en tanques con tecnologías de cultivo hidropónico de plantas, los sistemas acuapónicos funcionan suministrando nutrientes y partiendo nutrientes entre los habitantes de producción (peces y plantas) y los habitantes que prestan servicios biológicos y químicos que ayudan al resultado de la producción habitante (microflora) (Fig. 5.1) (Lennard 2017). Por lo tanto, ¿la acuapónica es más un sistema asociado con el suministro de nutrientes, la dinámica y la partición en lugar de uno asociado con la tecnología, el equipo o el hardware aplicado?

   En las últimas décadas, la definición de acuapónica ha incluido un tema similar, con variaciones sutiles. La definición más amplia se ha proporcionado generalmente en las publicaciones científicas de Rakocy y su equipo UVI, por ejemplo:

   _Aquaponics es el cultivo combinado de peces y plantas en sistemas cerrados de recirculación. _

   — Rakocy y otros (2004a, b)

   Esta definición temprana se basó en el supuesto de que los sistemas de recirculación completa de un bucle, consistentes en un componente de acuicultura recirculante y un componente hidropónico, representaban todos los sistemas acuapónicos, lo que en ese momento lo hacían. Graber y Junge (2009) ampliaron la definición, debido a los cambios y desarrollos en el enfoque, de la siguiente manera:

   _Aquaponic es una forma especial de sistemas acuícolas recirculantes (RAS), es decir, un policultivo compuesto por tanques de peces (acuicultura) y plantas que se cultivan en el mismo círculo hídrico (hidropónico) . _

   — Graber y Junge (2009)

   Los acontecimientos y métodos recientes exigen una reconsideración de este punto de vista. En los últimos años ha habido un cambio en el enfoque de la acuapónica hacia un sistema de producción que aborde tanto la responsabilidad ecológica como la sostenibilidad económica. Kloas et al. (2015) y Suhl et al. (2016) fueron uno de los primeros en abordar esta consideración económica:

   _ [...] se desarrolló un sistema acuapónico de doble recirculación único e innovador como requisito previo para una alta productividad comparable a las instalaciones profesionales de peces y plantas independientes. _

   — Suhl et al. (2016)

   La cuestión de la definición, o aclarar «lo que puede definirse como acuapónica», ha sido un punto de discusión en los últimos años. Una de las principales áreas de desarrollo ha sido la de los sistemas aquapónicos multibucle (o desacoplados) que tienen como objetivo proporcionar fertilizantes adicionales a las plantas para exponerlas a una concentración óptima de nutrientes (Goddek 2017). No debe haber oposición entre las ideologías de las metodologías acuapónicas de recirculación completa y multi-bucle, ambas tienen sus respectivos lugares y aplicaciones dentro del contexto industrial apropiado y una única fuerza motriz común de ambas debería ser que la tecnología, aunque sea nutritiva y agua eficiente, también tiene que ser económicamente competitivo para establecerse en el mercado. Para reemplazar las prácticas convencionales, es necesario ofrecer más que una ideología a los posibles clientes/usuarios, es decir, viabilidad técnica y económica.

   El Hub Aquaponics patrocinado por COST (COST FA1305 2017) aplica la definición »... un sistema de producción de organismos acuáticos y plantas donde la mayoría (\ > 50%) de los nutrientes que sostienen el crecimiento óptimo de las plantas se derivan de residuos procedentes de la alimentación de los organismos acuáticos", que claramente coloca una énfasis en el aspecto de intercambio de nutrientes de la tecnología.

   También debe señalarse que la proporción de peces a plantas debe mantenerse en un nivel que apoye una perspectiva básica de acuapónica; que las plantas se cultivan utilizando desechos de peces. Un sistema que contenga un pez y varias hectáreas de cultivo hidropónico, por ejemplo, no debe considerarse acuapónica, simplemente porque un pez no contribuye efectivamente a las necesidades nutritivas de las plantas. Dado que el etiquetado de los productos acuapónicos desempeña un papel cada vez más importante en la elección del consumidor, queremos fomentar una discusión redefiniendo la acuapónica basada en estos múltiples desarrollos de la tecnología. Aunque abogamos por cerrar el ciclo de nutrientes al mayor grado posible en el contexto de los mejores medios factibles, una definición potencial también debería tener en cuenta todos los desarrollos.

   Por lo tanto, la definición debe contener como mínimo el requisito de una mayoría de nutrientes derivados de la acuicultura para las plantas. Por consiguiente, una nueva definición puede representarse de la siguiente manera:

   Aquaponics uis/u definido como un sistema de acuicultura recirculante (RAS) y una unidad hidropónica conectada, por lo que el agua para cultivo se comparte en alguna configuración entre las dos unidades. proporcionados a las plantas deben ser residuos de pescado/u.

   Las definiciones basadas en nutrientes son abiertas y no prejuzgan la elección de la tecnología aplicada, o incluso las proporciones de cada componente (peces y plantas), siempre y cuando se utilice el cultivo de peces y alguna forma de tecnología de producción de plantas acuáticas (cultivo hidropónico o sustrato). Sin embargo, también enfoca la definición en la dinámica de nutrientes y aspectos de intercambio de nutrientes de los métodos aplicados y, por lo tanto, asegura, al menos en cierta medida, que las ventajas asociadas a menudo con la acuapónica (ahorro de agua, eficiencia de nutrientes, menor impacto ambiental, sostenibilidad) estén presentes en alguna proporción.

   La definición de asociación de nutrientes aplicada a la acuapónica será siempre una fuente de mayor contención entre quienes la practican. Esto está respaldado por el hecho de que el nombre aquapónica se aplica a una amplia gama de diferentes tecnologías con diferentes motivaciones de suministro de nutrientes y resultados de uso: a partir de diseños de sistemas y métodos que esperan, si no exigen, que la gran mayoría de los nutrientes necesarios para cultivar las plantas surjan de la Residuos de peces (en algunos casos, superiores al 90%; Lennard 2017) a diseños que comparten el suministro de nutrientes vegetales entre desechos de peces y adiciones externas más sustanciales (por ejemplo, aproximadamente 50:50 residuos de pescado a la suplementación externa, como hacen muchos diseños de sistemas acuapónicos europeos disociados modernos; COST FA1305 2017) a aquellos diseños que añaden tan pocos peces que no hay suministro discernible de nutrientes de los residuos de pescado a las plantas (Lennard 2017).

   El nombre aquapónica, hasta hace relativamente poco (es decir, los últimos 3 a 5 años), se ha aplicado universalmente a diseños de sistemas acoplados y totalmente recirculantes que buscan suministrar la mayor parte posible de la nutrición vegetal necesaria a partir de los residuos de peces (Rakocy y Hargreaves 1993; Lennard 2017) (Fig. 5.2).

   

   Fig. 5.2 Esquema simplificado de los flujos de agua principales dentro de un sistema aquapónico acoplado. Las concentraciones de nutrientes en el agua de proceso se distribuyen por igual en todo el sistema

   Sin embargo, los enfoques disociados representan ahora una proporción de los sistemas que se están investigando o aplicando comercialmente, especialmente en Europa, y en la práctica actual no suministran las necesidades de nutrientes vegetales a partir de los residuos de peces en la misma medida que los sistemas de recirculación completa (Lennard 2017; Goddek y Keesman 2018 ). Por ejemplo, Goddek y Keesman (2018) afirman que para 3 ejemplos de diseños actuales de sistemas aquapónicos desacoplados europeos, los requisitos relativos de adición para los nutrientes derivados hidropónicos externos son del 40 al 60% (NerBreen), del 60% (Tilamur) y del 38,1% (IGB Berlin). Dado que estos diseños disociados se basan en la integración de las tecnologías existentes de cultivo hidropónico y sustrato, se consideran de naturaleza acuapónica (Delaide et al. 2016) (Fig. 5.3) (véase Cap. 8).

   La definición de acuapónica se está ampliando más allá de los impulsores y la optimización de la eficiencia ecológica, hídrica y nutritiva para incluir también factores económicos (Goddek y Körner 2019; Goddek y Keesman 2018; Goddek 2017; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016; Yogev et al. 2016) (./8-desacoplado- aquaponics-systems.md)). Los beneficios de ese enfoque son que un resultado económico positivo de la tecnología acuapónica es tan importante como sus credenciales biológicas, químicas, de ingeniería, ecológicas y sostenibles y, por lo tanto, el resultado económico debería desempeñar un papel dentro de la definición general (cap. 8 -systems.md)).

   Muchas ventajas se asocian a menudo con la acuapónica, especialmente en términos de su eficiencia en el uso del agua, su eficiencia en el uso de nutrientes, su naturaleza sostenible, su capacidad de producir dos cultivos a partir de una fuente de entrada (alimento para peces) y su menor impacto ambiental (Timmons, et al., 2002; Buzby y Lian-shin 2014; Wongkiew et al. 2017; Roosta y Hamidpour 2011; Suhl et al. 2016). Estas ventajas son citadas y aplicadas regularmente por los operadores acuapónicos comerciales y se utilizan como vía de comercialización y regulación de precios para los productos (peces y plantas), y por lo tanto, el uso de la denominación «acuapónica» directa e inmediatamente asocia que los productos etiquetados como tales se han producido con métodos que contienen o utilizan las ventajas enumeradas. Sin embargo, no existe una regulación formal de la industria que dicte que el uso de la palabra (acuapónica) sólo se produce cuando las ventajas son aparentes y están presentes dentro de la tecnología y los métodos aplicados. Si las ventajas anteriores se asignan a la acuapónica como tecnología, entonces seguramente la tecnología debe proporcionar las ventajas prescritas, y si la tecnología no proporciona las ventajas, entonces la palabra no debe aplicarse (Lennard 2017).

   

   Fig. 5.3 Esquema simplificado de los flujos de agua principales dentro de un sistema aquapónico desacoplado. Las concentraciones de nutrientes en cada componente pueden adaptarse por separado a las necesidades de cada componente

   Debido a que la acuapónica puede definirse ya sea en términos de su aspecto de integración de equipos de hardware (RAS con hidroponía), de sus propiedades compartidas o de partición de nutrientes o de su capacidad para proporcionar ventajas importantes, todavía hay un amplio espectro de posibles aplicaciones del nombre para muchas diferentes técnicas enfoques que utilizan diferentes métodos y exigen resultados diferentes. Por lo tanto, parece que la definición real de acuapónica aún no se ha resuelto.

   Por lo tanto, parece que todavía no se han respondido preguntas muy importantes: ¿qué es la acuapónica y cómo se define?

   Esto sugeriría que un aspecto muy importante para la industria acuapónica a considerar es el desarrollo de una definición veraz y acordada. La industria acuapónica más amplia seguirá estando llena de desacuerdo si no se acuerda una definición, y lo que es más importante, los consumidores de los productos producidos dentro de los sistemas acuapónicos se volverán cada vez más confundidos acerca de lo que es realmente la acuapónica, un estado de cosas que no ayudará al crecimiento y la evolución de la industria.

3. 5.3 Principios generales

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   Aunque la definición de acuapónica no se ha resuelto del todo, existen algunos principios generales que están asociados con la amplia gama de métodos y tecnologías acuapónicas.

   El uso de los nutrientes añadidos al sistema acuapónico de la manera más óptima y eficiente posible para producir los dos principales productos de la empresa (es decir, biomasa de peces y plantas) es un primer principio importante y compartido asociado a la tecnología (Rakocy y Hargreaves 1993; Delaide et al. 2016; Knaus and Palm 2017). No es útil agregar nutrientes (que poseen un costo inherente en términos de dinero, tiempo y valor) a un sistema para observar que un alto porcentaje de esos nutrientes se dividen en procesos, requisitos o resultados que no están directamente asociados con los peces y plantas producidos, o cualquier vida intermedia formas que pueden facilitar el acceso de nutrientes por parte de los peces y las plantas (es decir, microorganismos, bacterias, hongos, etc.) (Lennard 2017). Por lo tanto, probablemente el principio general más importante asociado a la acuapónica es utilizar los nutrientes aplicados de la manera más eficiente posible para lograr una producción optimizada tanto de peces como de plantas.

   Este mismo argumento puede aplicarse también al requerimiento hídrico del sistema aquapónico en cuestión; de nuevo, el agua añadida al sistema debe ser utilizada principalmente por los peces y las plantas y utilizada de la manera más eficiente posible y no permitir que se filtre a procesos, formas de vida o resultados que no sean directamente asociados a la producción de pescado y plantas o pueden afectar al medio ambiente circundante (Lennard 2017).

   En términos reales, el uso eficiente de nutrientes y agua conduce a varios principios de diseño que se aplican ampliamente al método aquapónico:

   1. El principio más importante de la acuapónica es utilizar los desechos producidos por los peces como fuente principal de nutrientes para las plantas. De hecho, esta es toda la idea de acuapónica y por lo tanto debería ser un controlador de primer orden para el método. Históricamente, la acuapónica fue concebida como un sistema para cultivar plantas utilizando desechos de acuicultura de peces, de modo que esos desechos de acuicultura tuvieran menos impacto ambiental y se consideraran como un producto positivo y rentable, en lugar de un producto de desecho problemático con un costo asociado para cumplir con la legislación ambiental (Rakocy y Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   2. El diseño del sistema debería fomentar el uso de tecnologías de cría de peces y cultivo de plantas que no absorban o utilicen de manera destructiva los recursos hídricos o nutritivos añadidos. Por ejemplo, se desaconsejan los componentes de mantenimiento de peces basados en el uso de estanques de tierra, porque el estanque de tierra tiene la capacidad de utilizar y hacer que los recursos de agua y nutrientes no estén disponibles para los peces y plantas asociados, lo que reduce la eficiencia del uso de agua y nutrientes del sistema. Del mismo modo, los métodos de cultivo de plantas hidropónicas no deben utilizar medios que absorban cantidades excesivas de nutrientes o agua y los hace inaccesibles para las plantas (Lennard 2017).

   3. El diseño del sistema no debe desperdiciar nutrientes ni agua a través de la producción de corrientes externas de residuos. Principalmente, si el agua y los nutrientes salen del sistema a través de una corriente de residuos, entonces ese agua y esos nutrientes no se utilizan para la producción de peces o plantas, y por lo tanto, ese agua y esos nutrientes se están desperdiciando, y el sistema no es lo más eficiente posible. Además, la producción de un flujo de residuos puede tener un impacto ambiental potencial. Si las aguas residuales y los nutrientes dejan el sistema acuapónico, deben utilizarse en tecnologías alternativas de producción de plantas externas a sistemas para que el agua y los nutrientes no se desperdicien, contribuyan a la producción global de biomasa comestible o vendible y no presenten un potencial de impacto ambiental más amplio ( Tyson y otros 2011).

   4. El sistema debe diseñarse para reducir o, idealmente, negar por completo, el impacto ambiental causado por el agua o los nutrientes. Un objetivo de primer orden de la acuapónica es utilizar los desechos producidos por los peces como fuente de nutrientes para las plantas, con el fin de negar la liberación de esos nutrientes directamente al medio ambiente circundante donde pueden causar impactos (Tyson et al. 2011).

   5. Idealmente, los diseños de sistemas acuapónicos deberían prestarse para ubicarse dentro de estructuras y situaciones controladas por el medio ambiente (por ejemplo, invernaderos, salas de peces). Esto permite el potencial de lograr las mejores tasas productivas de peces y plantas del sistema. La mayoría de los diseños acuapónicos son relativamente altos en términos de costos de capital y costos continuos de producción, y por lo tanto, la capacidad de albergar el sistema en un entorno perfecto mejora los potenciales de beneficios que justifican financieramente el alto capital y los costos de producción (Lennard 2017).

   Los principios de diseño descritos anteriormente se asocian directamente con un conjunto de principios generales que a menudo, pero no siempre, se aplican al entorno de producción acuapónica. Estos principios generales se refieren a cómo funciona el sistema y cómo se distribuyen los nutrientes entre el sistema y sus habitantes.

   La premisa básica de la acuapónica, en un contexto dinámico de nutrientes, es que los peces son alimentados con piensos para peces, los peces se metabolizan y utilizan los nutrientes de los piensos para peces, los peces liberan desechos basados en las sustancias que no utilizan (incluidos los elementos), la microflora accede a esos desechos metabólicos de los peces y utiliza pequeñas cantidades de ellos, pero transforman el resto, y las plantas luego acceden y eliminan la microflora transformada, los desechos metabólicos de los peces como fuentes nutritivas y, en cierta medida, limpian el medio de agua de esos desechos y contrarrestan cualquier acumulación asociada (Rakocy y Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   Debido a que los sistemas de producción de peces basados en tierra eliminan los nutrientes por sí mismos, la acuapónica generalmente utiliza lo que se conoce como principios del sistema acuícola recirculante (RAS) para el componente de producción de peces (Rakocy y Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). Los peces se mantienen en tanques hechos de materiales que no eliminan nutrientes del agua (plástico, fibra de vidrio, hormigón, etc.), el agua se filtra para tratar o eliminar los productos metabólicos de desecho de los peces (sólidos y gases de amoníaco disueltos) y el agua (y los nutrientes asociados) se dirige a una planta componente de cultivo mediante el cual las plantas utilizan los desechos de peces como parte de su recurso nutritivo (Timmons et al. 2002). En cuanto a los peces, los componentes de cultivo de plantas a base de tierra no se utilizan porque los suelos implicados eliminan nutrientes y pueden no ponerlos a disposición de las plantas. Además, las técnicas de cultivo de plantas hidropónicas no utilizan suelo y son más limpias que los sistemas basados en el suelo y permiten un cierto control pasivo de las mezclas de microorganismos presentes.

   Las plantas cultivadas en hidroponía convencional requieren la adición de lo que se conoce como fertilizantes minerales: nutrientes presentes en sus formas basales e iónicas (por ejemplo, nitrato, fosfato, potasio, calcio, etc.) (Resh 2013). Por el contrario, los sistemas acuícolas de recirculación deben aplicar intercambios regulares (diarios) de agua para controlar la acumulación de metabolitos de residuos de peces (Timmons et al. 2002). Aquaponics busca combinar las dos empresas separadas para producir un resultado que logre lo mejor de las dos tecnologías al tiempo que niegue lo peor (Goddek et al. 2015).

   Las plantas requieren un conjunto de macro y micro elementos para un crecimiento óptimo y eficiente. En acuapónica, la mayoría de estos nutrientes provienen de los residuos de peces (Rakocy y Hargreaves 1993; Lennard 2017; COST FA1305 2017). Sin embargo, los alimentos para peces (la principal fuente de nutrientes del sistema aquapónico) no contienen todos los nutrientes necesarios para optimizar el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, se requiere nutrición externa, en mayor o menor medida.

   La hidroponía estándar y el cultivo de sustrato añaden nutrientes al agua en formas que están directamente disponibles en las plantas (es decir, formas iónicas e inorgánicas producidas a través de adiciones de variedades de sal diseñadas) (Resh 2013). Una proporción de los desechos liberados por los peces están disponibles directamente en las plantas (por ejemplo, amoníaco) pero potencialmente tóxicos para los peces (Timmons et al. 2002). Estos metabolitos disueltos e iónicos de residuos de peces, como el amoníaco, son transformados por especies bacterianas ubicuas que reemplazan los iones de hidrógeno con iones de oxígeno, siendo el producto del amoníaco el nitrato, que es mucho menos tóxico para los peces y la fuente de nitrógeno preferida para las plantas (Lennard 2017). Otros nutrientes apropiados para la absorción de la planta se unen a la fracción sólida de los residuos de pescado como compuestos orgánicos y requieren un tratamiento adicional mediante interacción microbiana para hacer que los nutrientes disponibles para la absorción de la planta (Goddek et al. 2015). Por lo tanto, los sistemas acuapónicos requieren un conjunto de microflora para realizar estas transformaciones.

   La clave para optimizar la integración acuapónica es determinar la relación entre la producción de residuos de peces (influenciada directamente por la adición de piensos para peces) y la utilización de nutrientes vegetales (Rakocy y Hargreaves 1993; Lennard y Leonard 2006; Goddek et al. 2015). Se han desarrollado varias reglas generales y modelos en un intento de definir este equilibrio. Rakocy et al. (2006) desarrollaron un enfoque que coincide con el requisito de área de cultivo de plantas con la entrada diaria de alimento para peces y la llamó «La Ratio de Alimentación Aquapónica». La tasa de alimentación se establece entre 60 y 100 gramos de piensos para peces añadidos por día, por metro cuadrado de superficie de cultivo de plantas (60—100 g/msup2/sup/día). Esta relación de tasa de alimentación se desarrolló utilizando peces Tilapia spp. que comen una dieta comercial estándar de 32% de proteínas (Rakocy y Hargreaves 1993). Además, el sistema aquapónico al que esta relación es particular (conocido como el Sistema Acuapónico de la Universidad de las Islas Vírgenes — Sistema UVI) no utiliza la fracción de residuos sólidos de pescado, está sobreabastecido con nitrógeno y requiere desnitrificación pasiva en el sistema para controlar la tasa de acumulación de nitrógeno ( Lennard 2017). Otros han determinado coeficientes alternativos basados en diferentes combinaciones de peces y plantas, probados en diferentes condiciones específicas (por ejemplo, Endut et al. 2010 — 15—42 g/msup2/sup/día para el bagre africano, Clarias gariepinus y las plantas de espinacas acuáticas, Ipomoea aquatica).

   La tasa de alimentación de UVI fue desarrollada por Rakocy y su equipo como un enfoque aproximado; por lo tanto, se afirma como un rango (Rakocy y Hargreaves 1993). La relación UVI intenta explicar el hecho de que diferentes plantas requieren diferentes cantidades de nutrientes y mezclas y, por lo tanto, un enfoque de diseño acuapónico «genérico» es una perspectiva difícil. Lennard (2017) ha desarrollado un enfoque alternativo que busca igualar directamente las tasas de producción de nutrientes de residuos de peces individuales (basadas en los piensos utilizados para peces y la conversión y utilización de los peces de ese alimento) con tasas específicas de absorción de nutrientes vegetales para que la proporción exacta entre peces y plantas coincida con cualquier las especies de peces o plantas elegidas podrán realizarse y contabilizarse en el diseño del sistema acuapónico. Combina este enfoque de diseño con un enfoque de manejo específico que también utiliza todos los nutrientes disponibles dentro de la fracción de residuos sólidos de pescado (a través de la remineralización aeróbica de los residuos sólidos de los peces) y solo añade los nutrientes requeridos por las especies vegetales elegidas para el cultivo que faltan en el fracciones de producción de residuos de pescado. Por lo tanto, esto reduce sustancialmente la tasa de alimentación asociada (por ejemplo, menos de 11 g/msup2/sup/día para algunas variedades de hoja verde como equivalente de UVI) y permite que cualquier especie de pez se ajuste específica y exactamente a cualquier especie de planta elegida (Lennard 2017). De manera similar, Goddek et al. (2016) han propuesto modelos que permiten una determinación más precisa de la proporción de componentes de peces a plantas para sistemas acuapónicos desacoplados.

   Los principios generales del uso eficiente de los nutrientes, el uso bajo y eficiente del agua, el impacto ambiental bajo o negado, la capacidad de ubicarse lejos de los recursos tradicionales del suelo y la sostenibilidad del uso de los recursos son los principios generales que se aplican al diseño y configuración de sistemas acuapónicos y a su debe fomentarse la aplicación en el campo y en la industria.

4. 5.4 Fuentes de Agua

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   El agua es el medio clave utilizado en los sistemas acuapónicos porque se comparte entre los dos componentes principales del sistema (componentes de peces y plantas), es el principal portador de los recursos nutritivos dentro del sistema y establece el ambiente químico general en el que se cultivan peces y plantas. Por lo tanto, es un ingrediente vital que puede tener una influencia sustancial sobre el sistema.

   En un sistema acuapónico, el contexto del medio ambiente basado en el agua, la fuente de agua y lo que contiene esa fuente de agua química, física y biológicamente son una gran influencia sobre el sistema, ya que establece una línea de base para lo que es necesario agregar al sistema por las diversas entradas del sistema. Estos insumos, a su vez, afectan y establecen el ambiente en el que se cultivan los peces y las plantas. Por ejemplo, algunos de los principales insumos en términos de nutrientes a cualquier sistema acuapónico incluyen, pero no se limitan a, el alimento para peces (un recurso nutritivo primario para el sistema), los tampones aplicados (que ayudan a controlar y establecer los valores de pH asociados con los componentes de peces y plantas) y cualquier adiciones nutritivas o suplementaciones necesarias para satisfacer las necesidades nutritivas de los peces y las plantas (Lennard 2017).

   Los piensos para peces están diseñados para proporcionar la nutrición necesaria para el crecimiento y la salud de los peces y, por lo tanto, contienen mezclas y cantidades de nutrientes principalmente para ayudar a los peces que se cultivan (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). Las plantas, por otro lado, tienen diferentes necesidades de nutrientes para los peces, y los alimentos para peces raramente, si alguna vez, satisfacen los requerimientos totales de nutrientes de las plantas (Rakocy et al. 2006). Debido a esto, los sistemas acuapónicos que cultivan peces y plantas utilizando exclusivamente recursos nutritivos derivados de piensos para peces pueden producir peces de manera eficiente y óptima, pero rara vez lo hacen para las plantas. Los mejores diseños de sistemas acuapónicos reconocen que el resultado final es producir peces y plantas a tasas de crecimiento óptimas y eficientes y, por lo tanto, también reconocen que se requiere alguna forma de nutrición adicional para satisfacer las necesidades totales de nutrientes de las plantas (Rakocy et al. 2006; Suhl et al. 2016).

   Los sistemas acuapónicos clásicos y completamente recirculantes generalmente dependen de piensos para peces (después de que los peces hayan consumido ese alimento, lo metabolizaron y utilizaron los nutrientes que contiene) como la principal fuente de nutrientes para las plantas y complementan los nutrientes que faltan requeridos por las plantas a través de algún tipo de régimen de amortiguación ( Rakocy et al. 2006) o mediante suplementación adicional de nutrientes (por ejemplo, añadiendo formas queladas de nutrientes directamente al agua de cultivo o añadiendo nutrientes a través de aerosoles foliares) (Roosta y Hamidpour 2011).

   El mejor ejemplo de este enfoque acuapónico recirculante clásico es el sistema acuapónico UVI (Universidad de las Islas Vírgenes) desarrollado por el Dr. James Rakocy y su equipo UVI (Rakocy y Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). El diseño de UVI añade principalmente nutrientes para el cultivo de peces y plantas a través de adiciones de piensos para peces. Sin embargo, los alimentos para peces no contienen suficiente calcio (Casup+/SUP) y potasio (KSUP+/SUP) para un cultivo óptimo de plantas. La conversión mediada por bacterias del amoníaco disuelto en nitrato provoca la producción de iones de hidrógeno en todo el sistema dentro de la columna de agua, y la proliferación de estos iones de hidrógeno resulta en una caída constante del pH del agua del sistema hacia el ácido. El régimen de amortiguación empleado agrega el calcio y el potasio faltantes añadiendo sales básicas (a menudo sales basadas en iones carbonato, bicarbonato o hidroxilo emparejados con calcio o potasio) al sistema que ayudan a controlar el pH del agua del sistema a un nivel que cumpla tanto los requisitos ambientales de pH compartido de los peces y las plantas, al tiempo que proporcionan el calcio y el potasio adicionales que necesitan las plantas (Rakocy et al. 2006). Además, el sistema UVI agrega otro nutriente importante para el crecimiento de las plantas que no está disponible en alimentos estándar para peces, hierro (Fe), a través de adiciones regulares y controladas de quelato de hierro. Por lo tanto, el potasio, el calcio y el hierro que requieren las plantas que no se encuentran en el alimento para peces están disponibles a través de estos dos mecanismos adicionales de suministro de nutrientes (Rakocy et al. 2006).

   Los diseños aquapónicos desacoplados adoptan un enfoque para cultivar los peces y las plantas de manera que el agua es utilizada por los peces y los nutrientes de residuos de peces se suministran a las plantas, sin recircular el agua a los peces (Karimanzira et al. 2016). Por lo tanto, los diseños desacoplados permiten una mayor flexibilidad en la personalización de la química del agua, después del uso de los peces, para optimizar la producción de plantas, ya que la suplementación de los nutrientes no presentes en el alimento para peces (y los residuos de pescado) puede lograrse sin preocuparse de que el agua vuelva a los peces (Goddek et al. 2016). Esto significa que los diseños desacoplados potencialmente pueden aplicar mezclas y fortalezas de nutrientes más exigentes al agua de cultivo, el uso posterior a los peces, para el cultivo de plantas, y esto puede lograrse con suplementos nutritivos más exigentes e intensos.

   En ambos casos (diseños de sistemas acuapónicos recirculantes y desacoplados), es vital comprender la calidad química del agua fuente para que se puedan lograr concentraciones óptimas de nutrientes para las plantas. Si, por ejemplo, el agua fuente contiene calcio (un caso que se observa a menudo cuando se utilizan recursos de agua subterránea), esto afectará y cambiará el régimen de amortiguación aplicado a la recirculación de diseños acuapónicos y la extensión de la suplementación de nutrientes aplicada a un diseño desacoplado porque el calcio presente en el agua fuente compensará cualquier suplementación necesaria para las necesidades de calcio de las plantas (Lennard 2017). O bien, si el agua fuente contiene concentraciones elevadas de sodio (NASUP+/SUP) (de nuevo, a menudo visto con los recursos de agua subterránea y un nutriente que las plantas no utilizan y que pueden acumularse en las aguas del sistema), es importante saber cuánto está presente para que se puedan aplicar métodos de manejo para evitar posibles plantas toxicidad de nutrientes (Rakocy et al. 2006). La naturaleza química del agua fuente, por lo tanto, es vital para la salud y la gestión general del sistema acuapónico.

   En última instancia, debido a que la química del agua fuente puede afectar el manejo de nutrientes del sistema acuapónico y a que a los operadores acuapónicos les gusta tener la capacidad de manipular el agua acuapónica y la química de nutrientes en un alto grado, una fuente de agua con poca, si la hay, química del agua asociada es altamente deseable (Lennard 2017). En este sentido, el agua de lluvia o el agua tratada para la eliminación química (por ejemplo, ósmosis inversa) es la mejor fuente de agua para acuapónica en un contexto químico del agua (Rakocy et al. 2004a, b; Lennard 2017). Las aguas subterráneas también son adecuadas, pero debe garantizarse que no contengan sustancias químicas o sales en concentraciones demasiado altas para ser prácticas (por ejemplo, altas concentraciones de magnesio o hierro) o que contengan especies químicas que no sean utilizadas por los peces o las plantas (por ejemplo, altas concentraciones de sodio) (Lennard 2017). Las aguas fluviales también pueden ser adecuadas como agua fuente acuapónica, pero al igual que otras fuentes de agua, deben someterse a pruebas de presencia química y concentración. Las fuentes de agua de las ciudades (es decir, agua reticulada y suministrada para fines domésticos y de consumo) se aplican ampliamente en acuapónica (Love et al. 2015a, b) y también son aceptables si contienen concentraciones de nutrientes, sal o químicos aceptables. En el caso de los recursos hídricos de los municipios o municipios, cabe señalar que muchos suministros tienen alguna forma de esterilización aplicada para que el agua sea potable para los seres humanos. Si se va a utilizar esta fuente de agua para la acuapónica, es importante asegurarse de que los productos químicos que puedan aplicarse para lograr la esterilización (por ejemplo, cloro, cloramina, etc.) no estén presentes en concentraciones que puedan dañar a los peces, plantas o microorganismos dentro del sistema acuapónico (Lennard 2017).

   La química asociada con el agua fuente no es el único factor que debe tenerse en cuenta a la hora de suministrar agua fuente para uso acuapónico. Muchas aguas naturales también pueden contener microorganismos microbianos y de otro tipo que pueden afectar la salud ecológica general del sistema acuapónico o presentar un riesgo discernible para la salud humana. Las aguas de lluvia rara vez contienen microbios en sí mismas; sin embargo, los vasos o tanques en los que se puede almacenar el agua de lluvia pueden contener o permitir la proliferación microbiana. Las aguas subterráneas suelen ser buenas en términos de presencia microbiana, pero también pueden contener altas cargas microbianas, especialmente si proceden de zonas asociadas con la cría de animales o el tratamiento de desechos humanos. Las aguas fluviales también pueden contener altas cargas microbianas debido a las salidas de tratamiento de residuos agrícolas o humanos y, de nuevo, deben verificarse mediante un análisis microbiano detallado (Lennard 2017).

   Debido a que la naturaleza química y microbiana del agua fuente utilizada en los sistemas acuapónicos puede tener efectos potenciales sobre la química y microbiología del agua de los sistemas, se recomienda esterilizar y tratar cualquier fuente de agua aplicada para su eliminación química (por ejemplo, ósmosis inversa, destilación, etc.) antes de ser utilizada en un sistema aquapónico (Lennard 2017). Si la esterilización se aplica universalmente, la posibilidad de introducir microbios extraños y no deseados en el sistema se reduce sustancialmente. Si se aplica tratamiento y filtración del agua, se eliminarán los productos químicos, sales, nutrientes no deseados, pesticidas, herbicidas, etc. y, por lo tanto, no pueden contribuir negativamente al sistema.

   Una fuente de agua limpia, libre de microbios, sales, nutrientes y otros productos químicos permite al operador acuapónico manipular el agua del sistema para contener la mezcla de nutrientes y la fuerza que requieren sin el temor de que cualquier influencia externa pueda afectar el funcionamiento del sistema o la salud y la fuerza de la peces y plantas y es un requisito vital para cualquier operación acuapónica comercial.

5. 5.5 Requisitos de calidad del agua

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   La acuapónica representa un esfuerzo por controlar la calidad del agua para que todas las formas de vida actuales (peces, plantas y microbios) sean cultivadas en condiciones tan cercanas como sea posible a la química ideal del agua (Goddek et al. 2015). Si la química del agua puede adaptarse a los requisitos de estos tres conjuntos de formas importantes de vida, se puede aspirar a la eficiencia y la optimización del crecimiento y la salud de todos (Lennard 2017).

   La optimización es importante para la producción acuapónica comercial, ya que sólo a través de la optimización puede lograrse el éxito comercial (es decir, la rentabilidad financiera). Por lo tanto, la química del agua y los requisitos de calidad del agua dentro del sistema acuapónico son fundamentales para el éxito comercial y económico final de la empresa (Goddek et al. 2015).

   Actualmente existe un desacuerdo dentro de la industria y comunidad acuapónica en términos de lo que representa una buena o aceptable calidad del agua dentro de los sistemas aquapónicos. Parece que es universalmente aceptado que los requisitos de química natural del agua de los subconjuntos de formas de vida individuales (peces, plantas y microbios) están ampliamente acordados (Rakocy y Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). Sin embargo, la presencia de una amplia gama de enfoques, métodos y opciones tecnológicas que se llaman acuapónica y el trasfondo o la historia de las tecnologías asociadas e independientes de los sistemas acuícolas de recirculación (RAS) y el cultivo hidropónico de plantas (incluido el cultivo de sustratos) parece conducir a desacuerdos entre operadores, científicos y diseñadores. Por ejemplo, teniendo en cuenta solo un parámetro químico del agua, el pH, algunos argumentan que los requisitos de pH de las plantas cultivadas hidropónicamente son muy diferentes a los requisitos de pH de las especies de peces de agua dulce cultivadas por RAS (Suhl et al. 2016). La industria hidropónica generalmente aplica ajustes de pH entre 4,5 y 6,0 para el cultivo de plantas a base de agua (Resh 2013), mientras que la industria RAS generalmente aplica valores de pH entre 7,0 y 8,0 (Timmons et al. 2002) para cumplir con los requisitos de los peces y los microbios presentes (que realizan importantes transformaciones de metabolitos potencialmente tóxicos de desechos de peces a formas menos tóxicas). El argumento, por lo tanto, es que cualquier punto de ajuste del pH es un compromiso entre las necesidades de las plantas, los peces y los microbios y que, por lo tanto, no es posible alcanzar un pH óptimo para todas las formas de vida, lo que conduce a una producción vegetal subóptima (Suhl et al. 2016). Otros argumentan, sin embargo, que un escrutinio más detenido de las complejidades de la dinámica de nutrientes de la absorción de nutrientes de las plantas puede dilucidar una opinión diferente (Lennard 2017).

   Los sistemas hidropónicos (y cultivo de sustrato) alimentan nutrientes a las plantas en sus formas basales e iónicas añadiendo sales nutritivas al agua que se disocian para liberar los iones nutritivos disponibles (Resh 2013). La investigación ha demostrado que estas formas de nutrientes iónicos existen en una ventana de disponibilidad para la planta, basada en el pH del agua disponible. Por lo tanto, en un contexto hidropónico estándar, sin flora microbiana presente (es decir, esterilizada, como la mayoría de los sistemas hidropónicos), es importante establecer el pH del agua del sistema a un nivel que haga que la mezcla de nutrientes iónicos que la planta requiera lo más disponible posible (Resh 2013). Dentro de cualquier sistema hidropónico, esto es un compromiso en sí mismo, porque como lo demuestra cualquier tabla de disponibilidad de nutrientes iónicos (ver Fig. 5.4), las diferentes formas de nutrientes iónicos son las más disponibles a diferentes pH (Resh 2013). Es esta asociación estándar de disponibilidad de nutrientes iónicos que la industria hidropónica utiliza como su imprimación para puntos de ajuste de pH y explica por qué el pH operacional hidropónico deseado está entre 4,5 y 6,0 (un ambiente ácido) en sistemas de cultivo hidropónico y sustrato esterilizados.

   Alternativamente, RAS aplica un punto de ajuste del pH del agua basado en lo que es natural para los peces que se cultivan y los microbios que tratan y convierten los productos de desecho de pescado

   

   Fig. 5.4 Ejemplo de una tabla de disponibilidad de nutrientes mediada por el pH estándar para plantas cultivadas acuáticamente. La línea roja representa un pH de funcionamiento normal para un sistema hidropónico; la línea azul que para un sistema acuapónico

   (Timmons et al. 2002; Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). En ambientes naturales de agua dulce, la mayoría de las especies de peces requieren un pH ambiental (es decir, pH del agua) que coincida estrechamente con el pH interno de los peces, que a menudo está cerca de un pH de 7,4 (Lennard 2017). Además, los principales microbios asociados con la transformación del metabolito disuelto en el cultivo de RAS (las bacterias de nitrificación de varias especies) también requieren un pH alrededor de 7,5 para una transformación óptima del amoníaco en nitrato (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Por lo tanto, los operadores de RAS aplican un punto de ajuste de pH de aproximadamente 7,5 al cultivo de peces de agua dulce RAS

   Existe una diferencia obvia entre un pH de 5,5 (un promedio para el cultivo de plantas hidropónicas estándar esterilizadas) y un pH de 7,5 (un estándar promedio para el cultivo de peces RAS). Por lo tanto, se argumenta ampliamente que el pH representa uno de los mayores compromisos de calidad del agua presentes en la ciencia acuapónica (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Los defensores de diseños aquapónicos desacoplados suelen citar esta diferencia en el requisito de pH óptimo como argumento para el enfoque de diseño desacoplado, afirmando que los diseños completamente recirculados deben encontrar un compromiso de pH cuando los diseños disociados tienen el lujo de aplicar diferentes puntos de ajuste de pH de agua a los peces y las plantas (Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2016). Sin embargo, lo que este argumento ignora es que los sistemas acuapónicos, a diferencia de los sistemas hidropónicos, no son estériles y emplean técnicas acuáticas ecológicas que fomentan la presencia de una población diversa de microflora dentro del sistema acuapónico (Eck 2017; Lennard 2017). Esto da como resultado una amplia variedad de microbios presentes, muchos de los cuales forman asociaciones complejas y complejas con las plantas, especialmente las raíces de las plantas, dentro del sistema aquapónico (Lennard 2017). Es bien conocido y establecido en fisiología vegetal que muchos microbios, asociados con el medio del suelo y la matriz, se asocian estrechamente con las raíces de las plantas y que muchos de estos microbios ayudan a las plantas a acceder y absorber nutrientes vitales (Vimal et al. 2017). También se sabe que algunos de estos microbios producen moléculas orgánicas que ayudan directamente al crecimiento de las plantas, ayudan al desarrollo de la inmunidad de las plantas y ayudan a superar a los patógenos vegetales (especialmente radiculares) (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). En esencia, estos microbios ayudan a las plantas de muchas maneras que simplemente no están presentes en el ambiente esterilizado aplicado en el cultivo hidropónico estándar.

   Con estos diversos microbios presentes, las plantas obtienen acceso a nutrientes de muchas maneras que no son posibles en sistemas que dependen únicamente de ajustes de pH acuáticos para permitir el acceso a nutrientes de las plantas (por ejemplo, hidroponía estándar y cultivo de sustratos). Muchos de estos microbios operan a niveles de pH amplios, al igual que otros microbios basados en el suelo, como las bacterias de nitrificación (pH de 6,5—8,0, Timmons et al. 2002). Por lo tanto, con estos microbios presentes en sistemas acuapónicos, el punto de ajuste del pH puede elevarse por encima de lo que normalmente se aplica en técnicas de cultivo hidropónico o sustrato (es decir, pH de 4,5—6,0), mientras que el crecimiento de la planta avanzado y eficiente aún está presente (Lennard 2017). Esto se evidencia en el trabajo de varios investigadores acuapónicos que han demostrado mejores tasas de crecimiento de plantas en acuapónica que en hidroponía estándar (Nichols y Lennard 2010).

   Otros requisitos de calidad del agua en los sistemas acuapónicos se refieren a los parámetros físicos/químicos y, más específicamente, a los parámetros de requerimiento de nutrientes de las plantas. En términos de requisitos físicos/químicos, las plantas, los peces y los microbios comparten muchas características comunes. El oxígeno disuelto (DO) es vital para los peces, las raíces de las plantas y la microflora y debe mantenerse en sistemas acuapónicos (Rakocy y Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Las raíces de las plantas y la microflora generalmente requieren concentraciones de DO relativamente más bajas que la mayoría de los peces; las raíces de las plantas y los microbios pueden sobrevivir con DO inferior a 3 mg/L (Goto et al. 1996), mientras que la mayoría de los peces requieren más de 5 mg/L (Timmons et al. 2002). Por lo tanto, si la concentración de DO dentro del sistema aquapónico se establece y mantiene para el requisito de peces, también se cumple el requisito de planta y microbio (Lennard 2017). Diferentes especies de peces requieren diferentes concentraciones de DO: los peces de agua caliente (por ejemplo, Tilapia spp., barramundi) generalmente pueden tolerar concentraciones menores de DO que las especies de peces de agua fría (por ejemplo, salmónidos como la trucha arco iris y el carbón ártico); porque el requisito de DO de los peces es casi siempre mayor que la planta raíces y requisitos microflorales, se debe establecer la DO para las especies específicas de peces que se cultivan (Lennard 2017).

   Las concentraciones de dióxido de agua y carbono (COSub2/sub), como la de DO, generalmente son fijadas por los peces porque las raíces de las plantas y los microbios pueden tolerar concentraciones más altas que los peces. Las concentraciones de dióxido de carbono son importantes para la salud y el crecimiento óptimos de los peces y a menudo se ignoran en los diseños acuapónicos. Los parámetros y puntos de referencia para las concentraciones de COSub2/sub deben ser los mismos que para las mismas especies de peces cultivadas únicamente en los sistemas RAS y, en general, deben mantenerse por debajo de 20 mg/L (Masser et al. 1992).

   La temperatura del agua es importante para todas las formas de vida presentes dentro de un sistema aquapónico. Las especies de peces y plantas deben igualarse lo más posible para los requisitos de temperatura del agua (por ejemplo, Tilapia spp. de peces como 25 °C más, y plantas como la albahaca prosperan en esta temperatura relativamente alta del agua; variedades de lechuga como el agua más fría, y por lo tanto, un candidato de pescado mejor igualado es el arco iris trucha) (Lennard 2017). Sin embargo, al igual que para otros parámetros físicos y químicos del agua, el cumplimiento de los requisitos de temperatura del agua de los peces es primordial porque los microbios tienen la capacidad de someterse a una selección específica de especies en función de las condiciones ambientales (por ejemplo, la diferenciación de especies bacterianas de nitrificación ocurre en diferentes las temperaturas del agua y las especies que mejor se adapten a la temperatura del agua en particular dominarán la biomasa bacteriana de nitrificación del sistema) y muchas plantas pueden crecer muy bien a un rango más amplio de temperaturas del agua (Lennard 2017). Hacer coincidir la temperatura del agua, y mantenerla dentro de más o menos 2˚C (es decir, un control de temperatura de alto nivel) con los peces, es un requisito importante en acuapónica porque cuando la temperatura del agua es correcta y no se desvía de la media ideal, los peces logran un metabolismo eficiente y optimizado y comer y convertir los piensos de manera eficiente, lo que conduce a mejores tasas de crecimiento de los peces y a liberaciones estables y predecibles de carga de residuos, lo que contribuye al cultivo vegetal (Timmons et al. 2002).

   El mantenimiento de la claridad del agua (baja turbidez) es otro parámetro importante en el cultivo acuapónico (Rakocy et al. 2006). La mayor parte de la turbidez del agua se debe a cargas de sólidos suspendidos que no se han filtrado adecuadamente, y estos sólidos pueden afectar a los peces al adherirse a sus branquias, lo que puede reducir las tasas potenciales de transferencia de oxígeno y las tasas de liberación de amoníaco (Timmons et al. 2002). Se recomiendan cargas de sólidos suspendidos inferiores a 30 mg/L para peces cultivados acuapónicamente (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Las altas cargas de sólidos suspendidos también afectan a las raíces de las plantas porque tienen la capacidad de adherirse a las raíces, lo que puede causar ineficiencia en la absorción de nutrientes, pero más comúnmente proporciona un mayor potencial de colonización de organismos patógenos, lo que conduce a una mala salud de las raíces y a la muerte final de las plantas (Rakocy et al. 2006). Estos sólidos en suspensión también fomentan la prevalencia de bacterias heterotróficas (especies que se descomponen y metabolizan el carbono orgánico) que, si se permite dominar los sistemas, pueden superar a otras especies requeridas, como las bacterias de nitrificación.

   La conductividad eléctrica (EC) es una medida que se aplica a menudo en hidroponía para comprender la cantidad de nutrientes totales presentes en el agua. Sin embargo, no puede proporcionar información sobre la mezcla de nutrientes, la presencia o ausencia de especies nutritivas individuales o la cantidad de especies nutritivas individuales presentes (Resh 2013). No se aplica a menudo en acuapónica porque solo mide la presencia de formas iónicas (cargadas) de nutrientes, y se ha argumentado que la acuapónica es un método de suministro de nutrientes orgánicos y, por lo tanto, la EC no es una medida relevante (Hallam 2017). Sin embargo, las plantas generalmente solo producen formas iónicas de nutrientes y, por lo tanto, la EC puede utilizarse como herramienta general o guía de la cantidad total de nutrientes disponibles en las plantas en un sistema acuapónico (Lennard 2017).

   Para la recirculación completa de sistemas acuapónicos, en términos de parámetros físicos y químicos, son los peces los que son más exigentes en sus necesidades, y por lo tanto, si los sistemas son manejados para mantener los requerimientos de los peces, las plantas y los microbios están teniendo sus requerimientos más que satisfechos (Lennard 2017). La diferencia cuando se trata de las plantas, sin embargo, es su necesidad de que la mezcla correcta y la fuerza de los nutrientes estén presentes para permitir un acceso optimizado a los nutrientes y la absorción (ya sea independiente o asistida por microbianos), lo que conduce a un crecimiento eficiente y rápido. Por lo tanto, los sistemas acuapónicos desacoplados pueden ser más atractivos debido a la percepción de que permiten una entrega de nutrientes más exigente a las plantas (Goddek et al. 2016). Los piensos para peces y, por lo tanto, los residuos de pescado no contienen la mezcla correcta de nutrientes para satisfacer las necesidades de las plantas (Rakocy et al. 2006). Por lo tanto, el diseño del sistema acuapónico debe tener en cuenta los nutrientes que faltan y complementarlos. Los sistemas acuapónicos totalmente recirculantes generalmente complementan los nutrientes añadiéndolos en las especies de sal utilizadas para controlar el régimen diario de amortiguación del pH; la porción básica de la sal ajusta el pH y la parte positiva de la sal permite la suplementación de nutrientes vegetales faltantes (p. ej. potasio, calcio, magnesio) (Rakocy y otros 2006). Los diseños aquapónicos desacoplados toman las aguas residuales y los residuos sólidos asociados del componente de pescado y ajustan el agua para contener los nutrientes necesarios para la producción de plantas mediante la adición de nutrientes en diferentes formas (Goddek et al. 2016). Estas adiciones nutritivas se basan generalmente en el uso de especies estándar de sal hidropónica que no necesariamente proporcionan ningún resultado de ajuste del pH (por ejemplo, fosfato de calcio, sulfato de calcio, fosfato de potasio, etc.).

   El camino hacia el crecimiento eficiente de las plantas en los sistemas acuapónicos es proporcionar un perfil de nutrientes acuáticos que proporcione todos los nutrientes que la planta requiere (mezcla) en las fortalezas requeridas (concentración) (Lennard 2017). En diseños acuapónicos totalmente recirculantes, o diseños aquapónicos desacoplados que no aplican métodos de esterilización, parece haber menos requisito para satisfacer las concentraciones de nutrientes o fortalezas aplicadas en hidroponía estándar, ya que la naturaleza ecológica del sistema asocia a muchas microflora con las raíces de las plantas y estas microflora ayudan a acceder a los nutrientes de las plantas (Lennard 2017). En el caso de los diseños acuapónicos desacoplados u otros, que aplican esterilización al componente de la planta y siguen un enfoque análogo hidropónico estándar, parece haber un requisito para tratar de abordar las concentraciones estándar de nutrientes hidropónicos (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). El compromiso, sin embargo, con el enfoque desacoplado es que conduce a relaciones de suplementación externa mucho más allá de las de la recirculación completa de diseños aquapónicos; los diseños europeos desacoplados actualmente promedian un 50% o más de adiciones nutritivas externas (COST FA1305 2017; Goddek y Keesman 2018), mientras que el UVI suministra menos del 20%, y otros sistemas pueden suministrar menos del 10% de suplementación de nutrientes externos (Lennard 2017).

   Independientemente del método, todos los sistemas acuapónicos deben esforzarse por suministrar a las plantas la nutrición necesaria para un crecimiento optimizado, a fin de proporcionar a la empresa las mayores posibilidades de viabilidad financiera. En este contexto, el contenido de nutrientes y la fuerza del agua que se suministra a las plantas es muy importante y se deben utilizar pruebas periódicas de nutrientes del agua para que la mezcla de nutrientes y la fuerza puedan mantenerse y gestionarse como un requisito muy importante de calidad del agua.

6. 5.6 Tecnologías de cultivo pesquero aplicables

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   En acuapónica, la porción acuícola de la ecuación de integración se aplica ampliamente en un contexto basado en tanques, donde los peces se mantienen en tanques, el agua se filtra a través de mecanismos mecánicos (eliminación de sólidos) y biológicos (transformación de amoniaco en nitrato) y se mantiene el oxígeno disuelto, ya sea a través de aireación o inyección directa de oxígeno (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017).

   Como se ha argumentado en Sect. 5.0 (Introduction) de este capítulo, ejemplos históricos de chinampas (Somerville et al. 2014) y arrozales asiáticos (Halwart y Gupta 2004) como primeras iteraciones de acuapónica son ejemplos infundados e inapropiados de principios acuapónicos , porque la acuapónica moderna se basa en adiciones diseñadas de peces y alimentos para peces para proporcionar un nivel de nutrición diseñado a las plantas, y por lo tanto, estos ejemplos históricos no pueden considerarse de ninguna manera similares (Lennard 2017).

   Los ejemplos históricos anteriores, que se basan en sistemas de cultivo vegetal basados en el suelo, llevan a la pregunta de qué tecnologías acuícolas son adecuadas para la integración acuapónica. La acuicultura en estanques de agua dulce, extensiva y basada en el suelo de peces de aleta es el método de cultivo más grande aplicado para producir peces de agua dulce para consumo humano (Boyd y Tucker 2012). Un enfoque de estanque se basa en la base de tierra del estanque, y la microflora asociada presente en ese suelo, para tratar y remediar los desechos producidos por el cultivo de peces, de modo que los peces no viven en agua que tiene un potencial de ser tóxica para ellos (Boyd y Tucker 2012). Debido a que este sistema depende de la capacidad de tratamiento inherente del propio estanque de tierra, las densidades de los peces son relativamente bajas en comparación con otros métodos de acuicultura. Debido a que las densidades de los peces son bajas (y por lo tanto las tasas de alimentación asociadas son bajas) y el propio estanque trata y absorbe los nutrientes residuales producidos por los peces, las aguas del estanque presentan concentraciones de nutrientes de agua extremadamente bajas. Estas concentraciones de nutrientes acuáticos del sistema de estanques son tan bajas que a menudo son inapropiadas como fuentes nutritivas para métodos sustanciales y comerciales de producción de plantas acuáticas (Lennard 2017). Por lo tanto, los estanques no son un método de acuicultura apropiado para integrarse con la hidroponía en términos de tasas de producción vegetales aceptables.

   Del mismo modo, los métodos de cultivo de peces de aleta de los caminos de rodadura (como se aplican regularmente para la producción de salmónidos de agua dulce), que suministran volúmenes muy grandes de agua a altas tasas de rotación, o tiempos de residencia bajos, a través de tanques de cultivo de peces controlados en los caminos de rodadura, no son apropiados para la integración acuapónica, ya que las aguas altas las tasas de rotación no permiten una acumulación adecuada de nutrientes para satisfacer las necesidades de nutrientes de las plantas (Rakocy y Hargreaves 1993).

   Las tecnologías de cultivo de peces más adecuadas para aplicar dentro de un contexto de integración acuapónica son aquellas que cultivan peces en tanques y permiten un nivel de acumulación de residuos de peces (acumulación de nutrientes vegetales) que tiene el potencial de conducir a concentraciones de nutrientes en agua que son aplicables para una eficiencia producción de plantas hidropónicas (Rakocy y otros 2006). Los principios del Sistema Acuícola de Recirculación (RAS) se aplican ampliamente a la acuapónica porque proporcionan las metodologías para mantener y cultivar exitosamente los peces, en volúmenes controlados de agua, con bajas tasas diarias de reemplazo de agua, que permiten acumulaciones de residuos de peces (nutrientes vegetales) que se aproximan a los necesario para el cultivo hidropónico eficiente de las plantas (Rakocy y Hargreaves 1993; Lennard 2017). Las complejidades y requisitos de diseño de la RAS se discuten en Cap. 3 de este libro. Baste decir que el cultivo de peces RAS es el único método real apropiado para aplicar a componentes de cultivo de peces en un contexto acuapónico y, como se mencionó anteriormente, los sistemas de acuicultura basados en el suelo, como los sistemas extensos de estanques y los sistemas de cultivo de caminos de rodadura, no pueden satisfacer los requisitos nutritivos de las plantas y por lo tanto, no debe considerarse.

7. 5.7 Fuentes de Nutrientes

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   El principal aporte a cualquier sistema acuapónico son los nutrientes añadidos porque los sistemas aquapónicos están diseñados para dividir eficientemente los nutrientes que se les añaden a las tres formas importantes de vida presentes: los peces y las plantas (que son los principales productos del sistema) y la microflora (que ayudan a hacer que el nutrientes añadidos disponibles para los peces y las plantas) (Lennard 2017).

   En diseños acuapónicos clásicos y totalmente recirculantes, uno de los principales impulsores del diseño es utilizar la principal fuente de entrada de nutrientes, el alimento para peces, de la manera más eficiente posible y, por lo tanto, los diseños de recirculación completa se esfuerzan por suministrar la mayor cantidad de nutrientes necesarios para las plantas del alimento para peces (Lennard 2017). Los diseños desacoplados, por otro lado, ponen énfasis en el crecimiento optimizado de las plantas comparando directamente las mezclas de nutrientes y las fortalezas aplicadas en hidroponía estándar y cultivo de sustratos y tratando de replicar aquellos dentro del contexto acuapónico y, por lo tanto, no se esfuerzan por suministrar tantos de los nutrientes necesarios para las plantas a partir de la alimentación de los peces y utilizar suplementos nutritivos externos sustanciales para alcanzar las tasas de crecimiento de las plantas requeridas (Delaide et al. 2016). Esto significa que se pone un énfasis diferente en el origen de los nutrientes añadidos, basado en el enfoque de diseño técnico, y esto, por lo tanto, afecta a la principal fuente de suministro de nutrientes del sistema aquapónico; para diseños de recirculación completa, la principal fuente de nutrientes vegetales es el alimento para peces (a través de residuos de pescado) ), y para diseños desacoplados, la principal fuente de suministro de nutrientes para las plantas son los suplementos externos (por ejemplo, sales nutritivas) (Lennard 2017).

   Los diseños acuapónicos totalmente recirculantes, como el modelo del sistema acuapónico UVI, se basan en el alimento para peces como la principal fuente de nutrientes para el sistema (Rakocy et al. 2006). El alimento para peces se añade a los peces, que lo consumen, lo metabolizan y utilizan los nutrientes de él según sea necesario y luego producen un flujo de residuos (tanto sólidos como disueltos). Este flujo de residuos de los peces se convierte en la principal fuente de nutrientes para las plantas, y por lo tanto, el alimento para peces es la principal fuente de nutrientes para las plantas. El sistema UVI proporciona aproximadamente el 80% o más de los nutrientes necesarios para cultivar las plantas solo a partir del alimento para peces (Lennard 2017). Los nutrientes restantes necesarios para el crecimiento de las plantas, debido a que el alimento de los peces no los contiene en las cantidades requeridas, se añaden mediante un método de suplementación de nutrientes que proporciona la doble función de complementar los nutrientes adicionales y controlar el pH acuático del sistema (Rakocy et al. 2006). Este enfoque de doble función se denomina «buffering» y el suplemento se denomina «buffer». Para el modelo de UVI, los dos nutrientes vegetales importantes identificados como carentes de alimento para peces y que requieren suplementación son el potasio (K) y el calcio (Ca) y se complementan diariamente a través del régimen de amortiguación. Además, el hierro necesario para plantas (Fe) también carece en los piensos para peces y se complementa en forma quelada mediante la adición directa al agua del sistema a una frecuencia medida en semanas (es decir, cada 2-4 semanas sobre la base del análisis semanal del hierro acuático) (Rakocy et al. 2006).

   Otros métodos o enfoques de diseño acuapónico totalmente recirculantes ponen un énfasis aún mayor en proporcionar nutrientes a través de los piensos para peces. Lennard (2017) ha desarrollado un método para sistemas de recirculación completa que suministra más del 90% de los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas a partir de los piensos para peces añadidos. El aumento de la eficiencia de los nutrientes suministrados a través de la alimentación de peces de este método en comparación con el método UVI es que este enfoque remineraliza los residuos sólidos de los peces (a través de biodigestión externa, mediada por bacterias) y añade estos nutrientes de nuevo al sistema acuapónico para la utilización de las plantas, mientras que el El método UVI envía la mayoría de los residuos sólidos de peces a un flujo de residuos externo (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Este enfoque también añade nutrientes deficientes en el alimento de los peces para el crecimiento de las plantas a través de un régimen de amortiguación; sin embargo, este régimen es mucho más exigente y permite una mayor manipulación de las fortalezas y mezclas de nutrientes que el enfoque UVI (Lennard 2017).

   Por lo tanto, las principales vías de adición de nutrientes para la mayoría de los diseños de sistemas acuapónicos de recirculación completa son el alimento para peces (ruta principal), la suplementación externa tampón para adición de potasio y calcio (vía menor) y la suplementación directa de quelato de hierro (vía menor).

   Los diseños de sistemas aquapónicos desacoplados, como los que están siendo ampliamente adoptados actualmente en Europa, se basan en una mezcla de nutrientes para piensos para peces y suplementos externos activos para proporcionar los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas (Suhl et al. 2016). Debido a que los diseños desacoplados no devuelven agua del componente de la planta al componente de pescado, es posible personalizar el perfil de nutrientes dentro del agua específicamente según los requisitos de la planta (Goddek et al. 2016). Por lo tanto, los diseños acuapónicos desacoplados casi siempre dependen de la suplementación sustancial de nutrientes externos para satisfacer las necesidades de la planta y poner mucho menos énfasis en proporcionar la mayor cantidad posible de nutrición a las plantas a partir de los desechos de los peces. Además, la cantidad de suplementación externa es sustancial si se compara con enfoques de recirculación completa (Lennard 2017) con fracciones externas regularmente 50% o más del requerimiento total de nutrientes vegetales o más (Goddek 2017). Los nutrientes externos que se complementan con sistemas aquapónicos desacoplados suelen ser análogos o derivados de la sal de nutrientes hidropónicos (Delaide et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Esta dependencia de una fuente de nutrientes adicionales sustanciales distintos de los que provienen de los desechos de peces (piensos para peces) que son sal hidropónica en la naturaleza, para el suministro vegetal del enfoque europeo disociado, ha afectado incluso directamente a la definición de acuapónica que la comunidad acuapónica europea actualmente aplica, con el EU COST, EU Aquaponics Hub, definiendo la acuapónica como «... un sistema de producción de organismos acuáticos y plantas donde la mayoría (\ > 50%) de nutrientes que sustentan las plantas proviene de desechos procedentes de la alimentación de los organismos acuáticos» (Goddek 2017; COST FA 1305, 2017) en comparación con Lennard ( 2017), que define la acuapónica como que requiere al menos un 80% de suministro de nutrientes a partir de desechos de peces. Algunos también argumentan si un método que se basa en el 50% de los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas procedentes de fuentes externas distintas de los alimentos para peces es realmente acuapónico en naturaleza o más bien, un método hidropónico con algunos peces integrados o agregados (Lennard 2017)?

   Otra fuente propuesta de suministro de nutrientes a los sistemas acuapónicos es la de la suplementación externa de nutrientes mediante la aplicación de aerosoles foliares de plantas (Tyson et al. 2008; Roosta y Hamidpour 2011; Roosta y Hamidpour 2013; Roosta 2014). Estos aerosoles foliares son de nuevo, una entrega acuática de sales de nutrientes hidropónicos estándar o derivados. La diferencia es que en los ejemplos desacoplados anteriores, las sales nutritivas se añaden directamente al agua de cultivo y por lo tanto son accedidas por las plantas a través de la captación de raíces (Resh 2013), mientras que los aerosoles foliares, como su nombre lo indica, añaden sales nutritivas disueltas a las hojas de la planta y la absorción se logra a través de la planta acceso estomatal foliar o cutícula (Fernández et al. 2013).

   Por lo tanto, existen varias fuentes importantes de nutrientes que se aplican en la acuapónica: piensos para peces, sistemas de amortiguación (a través de especies básicas de sal ajustadoras del pH añadidas a la columna de agua), adiciones de sal nutritiva (sales nutritivas hidropónicas añadidas a la columna de agua) y aerosoles foliares (sales nutritivas hidropónicas añadidas a la hoja superficie). Todos los cuales suministran nutrientes al sistema aquapónico para la salud y el crecimiento de los peces y plantas que se cultivan.

8. 5.8 La acuapónica como enfoque ecológico

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   La acuapónica, hasta hace poco, ha estado dominada por enfoques de diseño totalmente recirculantes (o acoplados) que comparten y recirculan constantemente el recurso hídrico entre los dos componentes principales (cultivo de peces y plantas) (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Además, los enfoques de tecnología baja a media aplicada históricamente a la acuapónica han impulsado el deseo de eliminar componentes costosos a fin de aumentar el potencial de un resultado económico positivo. Uno de los componentes de filtración aplicados casi siempre a las tecnologías estándar de cultivo de hidroponía/sustrato, el de la esterilización acuática, no ha sido incluido regularmente por los diseñadores acuapónicos.

   La esterilización en un contexto de RAS y cultivo hidropónico o sustrato se aplica universalmente porque las altas densidades de los peces o las plantas cultivadas generalmente atraen la presión de organismos patógenos acuáticos que reducen sustancialmente las tasas generales de producción (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). La principal razón de este aumento de la presión de plagas acuáticas en ambas tecnologías es que cada una se concentra en proporcionar recursos bióticos y ecológicos mínimos y, por lo tanto, permite un considerable «espacio ecológico» dentro del sistema de agua para la colonización biótica. En estas condiciones biológicas «abiertas» proliferan las plagas y las especies patógenas y tienden a coloniarse rápidamente para aprovechar las especies presentes (es decir, peces y plantas) (Lennard 2017). En este contexto, la esterilización o desinfección del agua de cultivo se ha visto históricamente como un enfoque diseñado para contrarrestar el problema (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). Esto significa que tanto la RAS como las industrias de cultivo hidroponía/sustrato adoptan un enfoque de esterilización para controlar los organismos patógenos dentro del agua de cultivo asociada.

   La acuapónica siempre ha puesto énfasis en la importancia de la microbiología asociada para realizar importantes servicios biológicos. En todos los diseños acuapónicos acoplados de Rakocy y su equipo UVI, no se incluyó un filtro biológico porque demostraron que el cultivo de balsa, componente hidropónico proporcionaba una superficie más que suficiente para apoyar el tamaño de la colonia de bacterias nitrificantes para tratar todo el amoníaco producido por los peces como un desecho disuelto y convertirlo en nitrato (Rakocy et al. 2006, 2011). Por lo tanto, Rakocy y su equipo no abogaron por la esterilización aplicada del agua del sistema porque podría haber afectado a las colonias bacterianas nitrificantes. Esta perspectiva histórica UVI/Rakocy dictó el diseño del sistema acuapónico en el futuro. Se identificaron y discutieron otras ventajas de no incluir la esterilización acuática en los sistemas acuapónicos, especialmente en el contexto de la microbiota vegetal asistencial (Savidov 2005; Goddek et al. 2016).

   El pensamiento actual en la investigación y la industria acuapónica es que la no aplicación de ninguna forma de esterilización o desinfección acuática permite que el agua del sistema desarrolle una ecología acuática compleja que consiste en muchas formas de vida microbiológicas diferentes (Goddek et al. 2016; Lennard 2017). Esto produce una situación similar a un ecosistema natural en el que una alta diversidad de microflora interactúa entre sí y las otras formas de vida asociadas dentro del sistema (es decir, peces y plantas). El resultado propuesto es que esta diversidad conduce a una situación en la que ningún organismo patógeno puede dominar debido a la presencia de todas las demás microflora y, por lo tanto, no puede causar efectos devastadores en la producción de peces o plantas. Se ha demostrado que los sistemas acuapónicos contienen una alta diversidad de microflora (Eck 2017) y, a través del mecanismo de diversidad ecológica propuesto anteriormente, se presta asistencia a la salud y el crecimiento de los peces y las plantas a través de esta diversidad microbiana (Lennard 2017).

   El enfoque no esterilizado y ecológicamente diverso de la acuapónica se ha aplicado históricamente a diseños acuapónicos acoplados o completamente recirculados (Rakocy et al. 2006), mientras que se ha propuesto una analogía hidropónica esterilizada para algunos enfoques de diseño acuapónico desacoplados (Monsees et al. 2016; Priva 2009; Goddek 2017). Sin embargo, parece que los diseñadores más desacoplados están aplicando principios que toman en consideración un enfoque ecológico y no esterilizado (Goddek et al. 2016; Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016) y, por lo tanto, reconocen que existe un efecto positivo asociado a una microflora acuapónica diversa (Goddek et al. et al. 2016; Lennard 2017).

9. 5.9 Ventajas de la acuapónica

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   Debido a que existen dos tecnologías análogas separadas que producen peces y plantas a altas tasas (cultivo de peces RAS y producción de plantas de cultivo hidropónico y sustrato), una razón para su integración parece pertinente. El RAS produce peces a tasas productivas en términos de ganancia de biomasa individual, por el peso de pienso añadido, que rivaliza, si no es mejor, con otros métodos de acuicultura (Lennard 2017). Además, las altas densidades de peces que permite RAS conducen a mayores ganancias colectivas de biomasa (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). La hidropónica y el cultivo de sustratos poseen, dentro de un contexto de ambiente controlado, tasas de producción avanzadas de plantas que mejoran la mayoría de los otros métodos agrícolas y hortícolas (Resh 2013). Por lo tanto, inicialmente, existe un requisito para que la acuapónica produzca peces y plantas a tasas que igualen estas dos tecnologías productivas separadas; de lo contrario, cualquier pérdida de esfuerzo productivo se opone a cualquier argumento de integración. Si la tasa productiva de los peces y plantas en un sistema acuapónico puede igualar, o mejor, la RAS y las industrias hidropónicas, entonces se puede hacer otro caso para otras ventajas que pueden ocurrir debido al proceso de integración.

   La hidropónica estándar o el cultivo de sustrato se ha comparado directamente con la acuapónica en términos de las tasas de crecimiento de las plantas de las dos tecnologías. Lennard (2005) comparó la producción de lechuga del sistema aquapónico con un control hidropónico en varios experimentos de laboratorio replicados. Demostró que la producción de lechuga acuapónica fue estadísticamente menor en acuapónica (4,10 kg/msup2/sup) en comparación con la hidroponía (6,52 kg/msup2/sup) cuando se aplicó un enfoque estándar para el diseño y manejo del sistema aquapónico de cama media. Sin embargo, luego realizó una serie de experimentos que aislaron parámetros específicos del diseño (por ejemplo, suministro de agua recíproco frente a constante de la subunidad hidropónica, aplicaron el caudal de agua a la subunidad hidropónica y compararon diferentes subunidades hidropónicas) o compararon controladores específicos de manejo (por ejemplo, amortiguación metodologías y especies y las concentraciones globales de nutrientes iniciales) para lograr la optimización y luego demostró que la acuapónica (5,77 kg/msup2/sup) fue estadísticamente idéntica a la producción hidropónica de lechuga (5,46 kg/msup2/sup) tras la optimización del sistema acuapónico basado en las mejoras sugerido por sus experimentos anteriores, el resultado sugiere que las mejoras en los diseños acuapónicos acoplados o totalmente recirculados pueden igualar las tasas estándar de producción de plantas hidropónicas. Lennard (2005) también demostró supervivencia de peces, SGR, FCR y tasas de crecimiento iguales a las exhibidas en RAS estándar y acuicultura extensiva en estanques para las especies de peces ensayadas (Australian Murray Cod).

   Pantanella et al. (2010) también demostraron resultados de producción de lechuga estadísticamente similares en sistemas acuapónicos de alta densidad de pescado (producción de lechuga de 5,7 kg/msup2/sup) y baja densidad de pescado (producción de lechuga de 5,6 kg/msup2/sup) en comparación con un control hidropónico estándar (6,0 kg/msup2/sup).

   Lennard (Nichols y Lennard 2010) demostró resultados estadísticamente iguales o mejores para todas las variedades de lechuga y casi todas las variedades de hierbas probadas en un sistema aquapónico de técnica de película nutritiva (NFT) en comparación con un sistema hidropónico NFT dentro del mismo invernadero.

   Delaide et al. (2016) compararon el agua de producción de RAS complementada con nutrientes (se agregaron nutrientes para que coincidieran con una mezcla de nutrientes de agua y un ejemplo de fuerza por Rakocy — denotado como un análogo aquapónico), agua de producción de RAS totalmente complementada con nutrientes (agua de producción de RAS con sales nutritivas hidropónicas añadidas a cumplir con una mezcla de nutrientes de agua y una fuerza como se utiliza para la hidropónica estándar — denotado como un análogo disociado) y un control hidropónico (solución nutritiva hidropónica estándar) en términos de tasa de crecimiento de la planta, y mostró que el análogo del agua acuapónica igualaba el control hidropónico y el agua análogo disociada mejoró el control hidropónico. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que estos sistemas aquapónicos no funcionaban plenamente con peces (y el contenido microbiano asociado, completo y activo) que se compararon, sino que simplemente se eliminó agua de un RAS operativo y se complementó, luego se comparó con un agua de control hidropónico.

   Rakocy y su equipo de UVI han demostrado con varios estudios que las tasas de crecimiento de peces de Tilapia spp. son iguales a los estándares de la industria establecidos por las prácticas estándar de producción acuícola (Rakocy y Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2004a, b, 2006, 2011).

   Estos y otros estudios han demostrado que la acuapónica, independientemente de la configuración (acoplada y desacoplada), tiene el potencial de producir tasas de producción de plantas iguales o mejores que las de hidroponía estándar y de producción de pescado de un estándar similar a la RAS. Por lo tanto, el requisito mencionado anteriormente para que la acuapónica sea igual a sus análogos industriales (RAS e hidroponía) parece haber sido adecuadamente probado, y por lo tanto, se deben considerar las otras ventajas de la acuapónica.

   El uso eficiente del agua se atribuye regularmente a la acuapónica. Lennard (2005) declaró que el ahorro de agua asociado a un sistema de ensayo acuapónico optimizado (laboratorio) fue del 90% o mayor si se compara con un sistema de control de acuicultura estándar RAS en el que se intercambiaba agua para controlar las acumulaciones de nitratos, mientras que las plantas de la acuapónica realizaron el mismo requisito. Por lo tanto, demostró que la acuapónica proporciona un importante beneficio de ahorro de agua en comparación con la acuicultura estándar RAS. Curiosamente, esta cifra de ahorro de agua del 90% se ha expresado posteriormente ampliamente dentro de la comunidad acuapónica mundial en un contexto de uso vegetal (por ejemplo, la acuapónica utiliza un 90% menos de agua que la producción vegetal basada en el suelo (Graber y Junge 2009)), un ejemplo de cómo el argumento científico puede ser adoptado incorrectamente por participantes no científicos de la industria.

   McMurtry (1990) demostró una tasa de consumo de agua en su sistema aquapónico de aproximadamente el 1% de la requerida en un sistema similar de cultivo de estanques. Rakocy (1989) ha demostrado tasas similares de consumo de agua del 1% en comparación con la acuicultura basada en estanques. Rakocy y Hargreaves (1993) afirmaron que la tasa diaria de reemplazo de agua para el sistema acuapónico UVI era aproximadamente el 1,5% del volumen total del sistema y Love et al. (2015a, b) indicaron un 1% aproximado de la tasa de pérdida de agua del volumen del sistema por día para su sistema de investigación acuapónica.

   La comparación de la acuapónica con la RAS puede lograr un ahorro sustancial de agua y la acuapónica utiliza pequeñas cantidades de agua de reemplazo diariamente. Un sistema aquapónico bien diseñado tratará de utilizar el agua de la manera más eficiente posible y, por lo tanto, solo sustituirá el agua perdida por evapotranspiración vegetal (Lennard 2017). De hecho, se ha propuesto que el agua puede incluso recuperarse de la pérdida debido a la evapotranspiración de las plantas mediante el empleo de algún tipo de esquema o tecnología de recolección de contenido de agua de aire (Kalantari et al. 2017). Los sistemas aquapónicos acoplados parecen proporcionar un mayor potencial para conservar y reducir el uso del agua (Lennard 2017). Si la dinámica de nutrientes entre la producción de peces y el uso de plantas puede equilibrarse, la única pérdida de agua es a través de la evapotranspiración de las plantas, y debido a que el agua se comparte integralmente entre los componentes de peces y plantas, los volúmenes diarios de agua de maquillaje simplemente representan toda la pérdida de agua de las plantas del sistema (Lennard 2017 ). Los diseños aquapónicos desacoplados presentan una propuesta más difícil porque los dos componentes no están integrados y el uso diario de agua del componente de pescado no coincide con el uso diario de agua del componente vegetal (Goddek et al. 2016; Goddek y Keesman 2018). Por lo tanto, el uso del agua y las tasas de sustitución de los sistemas acuapónicos no están completamente resueltas y probablemente nunca se deban a las grandes diferencias en los enfoques de diseño de sistemas.

   La utilización eficiente de nutrientes se asigna al método aquapónico y se cita como una ventaja del enfoque aquapónico (Rakocy et al. 2006; Blidariu y Grozea 2011; Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2015). Esto se debe generalmente a que la acuicultura estándar de RAS utiliza los nutrientes dentro de la alimentación de los peces para cultivar los peces, y el resto se envía a los desechos. Los peces metabolizan gran parte de los piensos que se alimentan, pero solo utilizan aproximadamente el 25-35% de los nutrientes añadidos (Timmons et al. 2002; Lennard 2017). Esto significa que hasta el 75% de los nutrientes añadidos al RAS solo para peces se desperdician y no se utilizan. La acuapónica busca utilizar los nutrientes desperdiciados en RAS para la producción de plantas, y por lo tanto, se dice que la acuapónica usa los nutrientes añadidos de manera más eficiente porque dos cultivos se producen a partir de una fuente de entrada (Rakocy y Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). El grado de uso de nutrientes de residuos de pescado difiere entre los diversos métodos acuapónicos. El modelo UVI totalmente recirculante no utiliza la mayoría de los residuos sólidos de peces generados en el componente de pescado y los envía a residuos (Rakocy et al. 2006), el modelo Lennard totalmente recirculante lleva esto un paso más allá al utilizar todos los residuos generados por el componente de pescado (residuos disueltos directamente y sólidos mediante remineralización microbiana externa con sustitución del sistema principal) (Lennard 2017). Muchos enfoques desacoplados también intentan utilizar todos los residuos generados por el componente de pescado, a través del uso directo de residuos disueltos y, de nuevo, a través de la remineralización microbiana externa con sustitución del sistema principal (Goddek et al. 2016; Goddek y Keesman 2018). Todos estos métodos y enfoques demuestran que un factor principal para el método aquapónico es utilizar la mayor cantidad posible de los nutrientes añadidos y, por lo tanto, intentar utilizar los nutrientes añadidos de la manera más eficiente posible.

   La independencia del suelo ha sido citada como una ventaja del método aquapónico (Blidariu y Grozea 2011; Love et al. 2015a, b). La ventaja percibida es que debido a que no se requiere suelo, el sistema o instalación acuapónica puede ubicarse donde el operador elija, en lugar de donde el suelo adecuado está presente (Love et al. 2015a, b). Por lo tanto, el método acuapónico es independiente de la ubicación en función de la disponibilidad del suelo, lo cual es una ventaja sobre la agricultura basada en el suelo.

   Se ha argumentado que la acuapónica proporciona una ventaja al imitar los sistemas naturales (Blidariu y Grozea 2011; Love et al. 2014). Esto está respaldado por la naturaleza ecológica del acerca/método aquapónico, como se describe en Sect. 5.7 anterior, con las ventajas asociadas relacionadas con comunidades microflorales diversas y densas (Lennard 2017).

   La acuicultura tiene un potencial impacto ambiental directo debido a la liberación de aguas residuales ricas en nutrientes en el medio ambiente circundante, generalmente los ambientes acuáticos (Boyd y Tucker 2012). Algunos métodos hidropónicos también pueden poseer este potencial. Sin embargo, la acuapónica puede presentar un impacto ambiental directo reducido o negado de los flujos de residuos ricos en nutrientes porque el principal componente generador de residuos (es decir, los peces) está integrado con un componente de uso de nutrientes (es decir, las plantas) (Rakocy et al. 2006; Blidariu y Grozea 2011; Goddek et al. 2015; Lennard 2017) . Sin embargo, algunos métodos acuapónicos producen desechos (por ejemplo, el modelo UVI); pero generalmente se tratan y reutilizan para otras prácticas agrícolas en el sitio de la instalación acuapónica (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). Muchos métodos acuapónicos se basan en el uso de piensos estándar de acuicultura, que contienen concentraciones variables de sodio, generalmente mediante el uso de harina de pescado o aceite de pescado como ingrediente (Timmons et al. 2002). El sodio no es utilizado por las plantas y, por lo tanto, puede acumularse con el tiempo en sistemas acuapónicos, lo que puede conducir a la necesidad de algún tipo de reemplazo de agua para que el sodio no se acumule a concentraciones que afectan a las plantas (Lennard 2017). Sin embargo, se ha reportado que algunas especies de lechuga tenían la capacidad de absorber sodio, cuando estaban expuestas al agua de acuicultura (Goddek y Vermeulen 2018).

   Los sistemas acuapónicos acoplados o totalmente recirculantes comparten integralmente el recurso hídrico entre los dos componentes principales (peces y plantas). Debido a esta naturaleza acuática totalmente conectada y recirculante, los sistemas acuapónicos acoplados exhiben un mecanismo de autocontrol en términos de incapacidad para aplicar herbicidas y pesticidas de forma segura a las plantas; si se aplican, su presencia puede afectar negativamente a los peces (Blidariu y Grozea 2011). Los defensores de la recirculación completa ven esta incapacidad para aplicar pesticidas y herbicidas como una ventaja, con el argumento de que garantiza un producto libre de pulverización (Blidariu y Grozea 2011). Los defensores de la acuapónica desacoplada también buscan no aplicar herbicidas o pesticidas; sin embargo, debido al hecho de que el agua no se recircula de nuevo a los peces de las plantas, la capacidad de aplicar pesticidas y herbicidas a las plantas está presente (Goddek 2017). Por lo tanto, la aplicación o la falta de aplicación de plaguicidas y herbicidas al componente vegetal de los diseños acuapónicos es vista de manera diferente por grupos que abogan por diferentes enfoques de diseño.

   Existe la percepción de que la presencia de peces y plantas en un mismo sistema acuático proporciona efectos sinérgicos positivos para la salud de los peces y las plantas (Blidariu y Grozea 2011). Esto se ha demostrado indirectamente por la capacidad de la acuapónica en algunos estudios para producir tasas de crecimiento de plantas superiores a las observadas en hidroponía estándar (Nichols y Lennard 2010; Delaide et al. 2016). Sin embargo, no se ha establecido ningún vínculo causal directo entre la presencia de peces y plantas y cualquier resultado positivo para la sanidad de los peces o las plantas.