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Capítulo 7 Sistemas Acuapónicos Acoplados

1. 7.1 Introducción

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

   

   Fig. 7.1 Diagrama del primer sistema de Naegel (1977) cultivando Tilapia y carpa común en combinación con lechuga y tomates en un sistema cerrado de recirculación

   La combinación de cultivo de peces y plantas en acuapónica acoplada se remonta al primer diseño de Naegel (1977) en Alemania, utilizando un sistema de escala hobby de 2000 L (Fig. 7.1) ubicado en un invernadero de ambiente controlado. Este sistema fue desarrollado con el fin de verificar el uso de nutrientes procedentes de aguas residuales de peces en condiciones de recirculación de agua totalmente controladas destinadas a la producción de plantas, incluido un sistema de lodos dual (tratamiento aeróbico y anaeróbico de aguas residuales). Naegel basó su concepto en el sistema acuapónico de estanque abierto de la Estación Experimental Agrícola de Carolina del Sur, en Estados Unidos, donde el exceso de nutrientes de los estanques, abastecido de bagre canal (Ictalurus punctatus), fueron eliminados por la producción hidropónica de castañas de agua (Eleocharis dulcis) ( Loyacano y Grosvenor 1973). Al incluir tanques de nitrificación y desnitrificación para aumentar la concentración de nitratos dentro de su sistema, Naegel (1977) intentó una oxidación completa de todos los compuestos nitrogenados, alcanzando concentraciones de nitratos de 1200 mg/L, y demostrando la eficacia del paso de nitrificación. Aunque el sistema fue abastecido a baja densidad (20 kg/msup3/sup cada uno) utilizando tilapia (Tilapia mossambica) y carpa (Cyprinus carpio), los tomates (Lycopersicon esculentum) y la lechuga iceberg (Lactuca scariola) crecieron bien y produjeron rendimiento cosechable. Estos primeros resultados de investigación llevaron al concepto de sistemas acuapónicos acoplados, en los que las plantas eliminan los residuos producidos por los peces, creando un crecimiento adecuado, demostrando un uso altamente eficiente del agua en ambas unidades. El principio de acuapónica acoplada fue descrito por primera vez por Huy Tran en la Conferencia Mundial de Acuicultura en 2015 (Tran 2015).

   Los sistemas acuapónicos acoplados no utilizan necesariamente el filtrado mecánico de partículas en el sentido clásico y mantienen un flujo constante de nutrientes entre la acuicultura y las unidades hidropónicas. El principal desafío es cómo manejar la carga fecal en el sistema aquapónico acoplado, donde las plantas absorben los nutrientes y los residuos de partículas pueden ser retirados del sistema mediante prensas filtrantes o geotextiles.

   El desarrollo de la agricultura moderna, el crecimiento de la población humana y la reducción de los recursos en todo el mundo han promovido el desarrollo de sistemas acuapónicos acoplados. Dado que la piscicultura es considerablemente más eficiente en la producción de proteínas y el uso del agua en comparación con otros animales de granja y dado que los sistemas cerrados son en gran medida independientes del sitio, los sistemas acuapónicos acoplados han sido capaces de desarrollarse en todo el mundo (Graber y Junge 2009), en condiciones áridas (Kotzen y Appelbaum 2010; Appelbaum y Kotzen 2016) e incluso en entornos urbanos (König et al. 2016). Los sistemas más descritos pertenecen a instalaciones domésticas, de pequeña escala y semicomerciales (Palm et al. 2018) impulsadas por acuaristas aficionados, entusiastas o empresas emergentes más pequeñas. Los nuevos resultados de investigación, resumidos en este capítulo, demuestran tanto los potenciales como las limitaciones en relación con el desarrollo continuo de estos sistemas en acuapónica comercial, siendo capaces de hacer una contribución significativa a la producción futura de alimentos.

2. 7.2 Desarrollo histórico de la acuapónica acoplada

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   La mayoría de los esfuerzos de investigación originales sobre sistemas acuapónicos acoplados tuvieron lugar en los Estados Unidos, con una presencia cada vez mayor en la UE iniciada en parte por COST Action FA1305, The EU Aquaponics Hub y otros centros de investigación europeos. Hoy en día, los diseños de sistemas acuapónicos totalmente recirculantes dominan casi por completo la industria acuapónica estadounidense, con estimaciones de que más del 90% de los sistemas aquapónicos existentes en los Estados Unidos son de un diseño totalmente recirculante (Lennard, pers. comm.). La primera investigación acuapónica combinada estadounidense se llevó a cabo en el Centro de Pesca y Acuicultura de Illinois (anteriormente el Laboratorio de Investigación de Pesca Cooperativa SIU) y en el Departamento de Zoología, centrándose en sistemas acuapónicos acoplados almacenados con bagre canal (Ictalurus punctatus) en combinación con tomates (Lycopersicon esculentum) (Lewis et al. 1978). Los autores señalaron que un crecimiento óptimo de la planta sólo es posible cuando todos los macro y micronutrientes esenciales están disponibles en el agua de proceso, por lo que se requiere la suplementación de nutrientes en caso de deficiencias nutritivas. Los autores también demostraron una deficiencia en hierro disponible en las plantas, lo que limitó el crecimiento de las plantas, lo que podría resolverse mediante la suplementación con ironquelato. Otros primeros estudios realizados en los Estados Unidos se centraron en analizar la funcionalidad tecnológica y la calidad de los bagres y tomates de canal recolectados (Lewis et al. 1978; Sutton y Lewis 1982). Los sistemas acuapónicos a escala de laboratorio examinaron parámetros, como la eficiencia de los recursos en relación con los materiales, los costos, el consumo de agua y energía, y examinaron el uso de otras especies de peces como Tilapia spp. en las Islas Vírgenes de los Estados Unidos (UVI) (Watten y Busch 1984). El Dr. James Rakocy de la UVI desarrolló el primer sistema acuapónico comercial acoplado, un sistema de balsa que combinó la producción de Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus) y lechuga (Lactuca sativa), y más tarde investigó la producción de otras especies vegetales (Rakocy 1989, 2012; Rakocy et al. 2000, 2003, 2004, 2006, 2011). Esta instalación comercial a mediana escala aprovechó el clima local donde los invernaderos no eran necesarios y las condiciones del mercado de las Islas Vírgenes para generar beneficios. El sistema acuapónico UVI se adoptó posteriormente en diferentes países con respecto a las necesidades respectivas de las diferentes plantas y la idoneidad de la tecnología, por ejemplo, en Canadá por Savidov (2005) y en Arabia Saudita por Al-Hafedh y otros (2008). Este es el caso también en Europa, donde los sistemas acuapónicos acoplados han evolucionado a partir del diseño original de UVI, por ejemplo, el sistema acuapónico vertical en el Aquaponics Research Lab., Universidad de Greenwich (Khandaker y Kotzen 2018). Varios otros departamentos de investigación investigaron la viabilidad tecnológica de la producción acuapónica cerrada, o «acoplada», utilizando diversas especies de peces y plantas, así como subsistemas hidropónicos para aumentar los rendimientos y reducir los diferentes parámetros de emisión (Graber y Junge 2009). Por ejemplo, en la Universidad de Rostock (Alemania), la investigación se centró en la estabilidad de los sistemas de patio trasero (Palm et al. 2014a), combinando diferentes especies de peces, bagre africano (Clarias gariepinus) y tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus), con diferentes plantas (Palm et al. 2014b, 2015). En 2015, en el campus de la Universidad de Rostock (Palm et al. 2016) se construyó un moderno sistema acuapónico semicomercial a escala, el 'FishGlasshouse'. Sin embargo, el sistema fue diseñado para permitir operaciones acopladas y desacopladas. Otras instalaciones notables fueron construidas en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich (ZHAW) en Waedenswil (Suiza) (Graber y Junge 2009; Graber et al. 2014), ambas instalaciones de investigación acopladas y desacopladas de la empresa islandesa Svinna-Verkfraedi Ltd. (Thorarinsdottir 2014; Thorarinsdottir et al. 2015), el Sistema aquapónico de agua fría NIBIO Landvik en Grimstad (Skar et al. 2015; Thorarinsdottir et al. 2015), el sistema acuapónico PAFF Box (Plant and Fish Farming Box) de un bucle en la Universidad Gembloux Agro-Bio Tech de Lieja, en Gembloux, Bélgica (Delaide et al. 2017), la sistema aquapónico de la Universidad de Greenwich (Khandaker y Kotzen 2018), así como el sistema aquapónico acoplado investigación-doméstico (cambiado de desacoplado a acoplado en 2018, Morgenstern y Dapprich 2018, pers. comm.) en la Universidad de Ciencias Aplicadas de South Westfalia, i.Green Institute for Green Tecnología y Desarrollo Rural.

3. 7.3 Acuapónica acoplada: diseño general del sistema

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

   El principio acuapónico acoplado combina tres clases de organismos: (1) organismos acuáticos, (2) bacterias y (3) plantas que se benefician entre sí en una masa de agua recirculada cerrada. El agua sirve como medio de transporte de nutrientes, principalmente a partir de residuos de peces disueltos, que se convierte en nutrientes para el crecimiento de las plantas por bacterias. Estas bacterias (por ejemplo, Nitrosomonas spec., Nitrobacter spec.) oxidan el amonio en nitrito y, finalmente, en nitrato. Por lo tanto, es necesario que las bacterias reciban cantidades sustanciales de amonio y nitrito para estabilizar el crecimiento de las colonias y la cantidad de producción de nitratos. En consecuencia, en un sistema acuapónico acoplado, los volúmenes son de importancia crítica, i) la unidad acuícola siguiendo los principios de recirculación de los sistemas acuícolas (RAS), ii) el sustrato de crecimiento bacteriano y iii) el espacio para las unidades vegetales y la cantidad de plantas a cultivar. Juntos, forman la unidad acuapónica (Fig. 7.2).

   

   Fig. 7.2 Principio del sistema aquapónico acoplado con peces, bacterias y plantas en una recirculación de agua completamente cerrada

   Los componentes biológico-químicos específicos del agua de proceso tienen especial importancia para los sistemas acuapónicos acoplados. Con los alimentos o las partículas de alimento no consumidas, los residuos orgánicos de pescado y las bacterias dentro del agua de proceso, una emulsión de nutrientes combinada con enzimas y bacterias digestivas apoyan el crecimiento de peces y plantas. Existe evidencia de que, en comparación con sistemas independientes como la acuicultura (peces) y la hidroponía (plantas), el crecimiento de organismos acuáticos y cultivos en una acuapónica acoplada puede ser similar o incluso mayor. Rakocy (1989) describió un rendimiento ligeramente mayor de tilapia (Tilapia nilotica, 46.8 kg) en acuapónica acoplada en contraste con el cultivo de peces independiente (41,6 kg) y leves aumentos en el rendimiento de lechuga Bibb de verano (385,1 kg) en comparación con la producción hidropónica vegetal (380,1 kg). Knaus et al. (2018b) registraron que la acuapónica aumentó el crecimiento de biomasa de O. basilicum, aparentemente debido al aumento de la generación foliar de las plantas (3550 hojas en acuapónica) en comparación con la hidropónica convencional (2393 hojas). Delaide et al. (2016) demostraron que los tratamientos acuapónicos e hidropónicos de lechuga mostraron un crecimiento vegetal similar, mientras que el peso del brote de la solución acuapónica complementada con nutrientes tuvo un mejor rendimiento. Observaciones similares han sido hechas por Goddek y Vermeulen (2018). Lehmonen y Sireeni (2017) observaron un aumento del peso de la raíz, el área foliar y el color de la hoja en la ensalada Batavia (Lactuca sativa var. capitata) y lechuga iceberg (L. sativa) con agua de proceso acuapónica de C. gariepinus combinada con fertilizante adicional. Ciertas plantas como la lechuga (Lactuca sativa), los pepinos (Cucumis sativus) o los tomates (Solanum lycopersicum) pueden consumir nutrientes más rápido y, como resultado, florecen antes en acuapónica en comparación con la hidropónica (Savidov 2005). Además, Saha et al. (2016) reportaron un mayor rendimiento de biomasa vegetal en O. basilicum en combinación con cangrejos de río Procambarus spp. y una baja fertilización de puesta en marcha del sistema aquapónico.

   El diseño básico del sistema de acuapónica acoplada consiste en uno o más tanques de peces, una unidad de sedimentación o clarificador, sustratos para el crecimiento de bacterias o biofiltros adecuados y una unidad hidropónica para el crecimiento de plantas (Fig. 7.3). Estas unidades están conectadas por tuberías para formar un ciclo de agua cerrado. A menudo, después de la filtración mecánica y el biofiltro, se utiliza un sumidero de la bomba (una bomba o un sistema de bucle) que, como punto más profundo del sistema, bombea el agua de vuelta a los tanques de peces desde donde fluye por gravedad a la unidad hidropónica.

   

   Fig. 7.3 Diseño técnico básico de un sistema aquapónico acoplado con tanque de peces, sedimentador, biofiltro, unidad hidropónica y un sumidero donde el agua es bombeada o transportada por aire de regreso a los tanques de peces y fluye por gravedad a lo largo de los componentes

   Los sistemas aquapónicos acoplados se utilizan en diferentes escalas. El principio de bucle cerrado puede utilizarse en sistemas domésticos (mini/hobby/acoplados a patios traseros), unidades de demostración (por ejemplo, paredes vivas acopladas), acuapónica comercial y acuapónica (con suelo) que van desde sistemas pequeños/semicomerciales a grandes dimensiones (Palm et al. 2018). Un desarrollo reciente en acuapónica ha incluido la fertilización parcial, que depende de la tolerancia de las especies de peces. Esto, sin embargo, puede resultar en un pico de nutrientes a corto plazo en el sistema, pero puede compensarse mediante la retención de nutrientes por parte de las plantas. En acuapónica acoplada, se debe lograr una relación óptima del área de producción (o volúmenes de peces) de la unidad acuícola con la demanda de alimento resultante, así como una cantidad adecuada de plantas que se cultivarán en la unidad hidropónica (área de producción vegetal). (Para los debates sobre el papel de la evapotranspiración y la radiación solar dentro de los sistemas, véanse los capítulos 8 y 11. Para la acuapónica de grava, Rakocy (2012) sugirió como primer intento «principios de relación de componentes», con un volumen de cría de peces de 1 msup3/sup de volumen de acuario a 2 msup3/sup medios hidropónicos de 3 a 6 cm de grava de guisante como regla general. En última instancia, la cantidad de peces determina el rendimiento de los cultivos en acuapónica acoplada. Además, las condiciones técnicas de la unidad de cría de peces deben adaptarse a las necesidades de las especies acuáticas cultivadas.

4. 7.4 Unidad de Acuicultura

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   Los tanques de cría de peces (tamaño, número y diseño) se seleccionan en función de la escala de producción y de las especies de peces en uso. Rakocy et al. (2006) utilizaron cuatro grandes tanques de cría para la producción comercial de O. niloticus en el sistema acuapónico UVI (EE.UU.). Con la producción de especies de peces omnívoras o piscívoras, como C. gariepinus, se deben utilizar varios tanques debido a la clasificación de las clases de tamaño y la producción escalonada (Palm et al. 2016). Los tanques de peces deben diseñarse de manera que los sólidos que se depositan en el fondo de los tanques puedan eliminarse efectivamente a través de un efluente en la parte inferior. Esta eliminación de residuos sólidos es el primer paso crucial del tratamiento del agua en la acuapónica acoplada, como es el caso de la acuicultura y la acuapónica desacoplada. Los residuos provienen de piensos no consumidos, heces de pescado, biomasa bacteriana y floculantes producidos durante la producción acuícola, aumentando la DBO y reduciendo la calidad del agua y la disponibilidad de oxígeno tanto en las unidades acuícolas como hidropónicas. En la acuicultura, los residuos sólidos consisten en gran medida en carbono orgánico, que es utilizado por bacterias heterotróficas para producir energía a través del consumo de oxígeno. Cuanto mejor sea la eliminación de residuos sólidos, mejor será el rendimiento general del sistema tanto para peces como para plantas, es decir, con niveles óptimos de oxigenación y sin acumulación de partículas en la rizosfera que inhiban la absorción de nutrientes, y con tanques redondos u ovalados que resulten particularmente eficientes (Knaus et al. 2015).

   La producción de pescado en acuapónica acoplada en la FishGlassHouse en Alemania se probó a diferentes escalas para determinar la rentabilidad. Esto se hizo efectivamente como producción de bagre africano extensa (máx. 50 kg, 35 msup-3/sup) o intensiva (máx. 200 kg, 140 peces msup-3/sup). La producción semiintensiva (máx. 100 kg, 70 msup-3/sup de pescado) no puede recomendarse debido a un balance negativo de costes y beneficios. En el modo de producción semiintensiva, el mantenimiento del sistema, la mano de obra y los insumos de piensos fueron tanto como bajo producción intensiva, pero con menor producción de biomasa de peces y plantas, y cualquier ganancia económica en la unidad de acuicultura no dio frutos (Palm et al. 2017). Esto fue resultado de la alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO), alta desnitrificación debido a la reducción de la disponibilidad de oxígeno, tasas de intercambio de agua relativamente altas, mineralización predominantemente anaeróbica con precipitaciones claras, bajos niveles de P y K, así como bajos valores de pH con mucho menos producción de peces en comparación con con las condiciones intensivas. Por el contrario, la extensa producción de peces permitió una mayor disponibilidad de oxígeno con menos tasas de intercambio de agua y una mejor disponibilidad de nutrientes para el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, en las condiciones anteriores, una unidad de producción de peces RAS para acuapónica acoplada funciona en condiciones de producción pesquera extensa o intensiva, y deben evitarse las condiciones intermedias.

   7.4.1 Filtración

   Los clarificadores, a veces también llamados sedimentadores o separadores de remolinos (véase también Cap. 3), son los dispositivos más utilizados para la eliminación de desechos sólidos en acuapónica acoplada (Rakocy et al. 2006; Nelson and Pade 2007; Danaher et al. 2013, Fig. 7.4). Las partículas más grandes deben eliminarse del sistema para evitar zonas anóxicas con efectos desnitrificantes o el desarrollo de Hsub2/subs. La mayoría de los clarificadores utilizan laminillas o plaquitas de placas para ayudar en la eliminación de sólidos. Los fondos cónicos soportan la concentración de lodos en el fondo durante el funcionamiento y la limpieza, mientras que los fondos planos requieren grandes cantidades de agua para vaciar y eliminar el lodo. Durante el funcionamiento, los sólidos se hunden en el fondo del clarificador para formar lodos. Dependiendo de la entrada de alimentación y el tiempo de retención, este lodo puede acumularse para formar capas relativamente gruesas. La actividad microbiana dentro de las capas de lodo se desplaza gradualmente hacia condiciones anaeróbicas, estimulando la desnitrificación microbiana. Este proceso reduce el nitrato disponible en la planta y debe evitarse, especialmente si el agua de proceso se va a utilizar para la producción de plantas hidropónicas. En consecuencia, la desnitrificación puede ser contraproducente en acuapónica acoplada.

   La densidad de los residuos sólidos eliminados por el clarificador es bastante baja, en comparación con otras tecnologías, el mantenimiento requiere mucho tiempo, y la limpieza del clarificador con agua dulce es responsable de la principal pérdida de agua de todo el sistema. La cantidad requerida de agua se ve afectada por su diseño general, la forma inferior y la accesibilidad de los deflectores de PVC al agua de lavado (Fig. 7.4a, b). El aumento de las densidades de las poblaciones de peces requiere mayores cantidades de intercambio de agua (todos los días de la semana en condiciones intensivas) para mantener una calidad óptima del agua para la producción de peces, lo que puede provocar la pérdida de grandes cantidades de agua de proceso, perdiendo también cantidades sustanciales de nutrientes necesarios para la planta crecimiento. Además, la sustitución por agua dulce introduce carbonatos de calcio y magnesio que pueden precipitarse con fosfatos. Por lo tanto, el uso de estos clarificadores operados manualmente hace casi imposible hacer predicciones sobre la composición del agua del proceso con respecto al crecimiento óptimo de la planta (Palm et al. 2019). Sería más eficaz seguir el ejemplo de Naegle (1977) de separación de lodos aeróbicos y anaeróbicos y la descarga gaseosa de nitrógeno con un sistema dual de lodos.

   

   Fig. 7.4 Principio de filtración acuapónica con un sedimentador (a-b) y (c) filtro de disco (PAL-Aquakulur GmbH, Abtshagen, Alemania) de bagre africano comercial (Clarias gariepinus) RAS en la FishGlasshouse (Universidad de Rostock, Alemania)

   Se puede lograr una eliminación más eficaz de los residuos sólidos mediante filtros automáticos de tambor o disco, que proporcionan barreras mecánicas que retienen los sólidos, que luego se eliminan mediante el enjuague. Los nuevos desarrollos pretenden reducir el uso del agua de enjuague a través de tecnologías de aspiración, permitiendo la concentración de sólidos totales en los lodos hasta un 18% (Dr. Günther Scheibe, PAL-Aquakultur GmbH, Alemania, comunicación personal, Fig. 7.4c). Esta eliminación eficaz de residuos influye positivamente en la composición de los lodos, mejorando el control de las aguas efluentes para satisfacer mejor las necesidades hortícolas. Otra opción es la aplicación de múltiples clarificadores (sedimentadores) o componentes de eliminación de lodos en una fila.

   Los biofiltros son otra parte esencial de la RAS, ya que convierten el nitrógeno amoniaco a través de la oxidación microbiana en nitrato (nitrificación). Aunque las raíces de las plantas y el propio sistema proporcionan superficies para nitrificar bacterias, la capacidad de controlar la calidad del agua es limitada. Los sistemas que no tienen biofiltración están restringidos a instalaciones mini o hobby con entradas de alimentación bajas. Tan pronto como aumente la biomasa de los peces y el aporte de piensos, se necesita una capacidad adicional de biofiltro para mantener una calidad adecuada del agua para el cultivo de peces y proporcionar cantidades suficientes de nitratos para el crecimiento de las plantas.

   Para la acuapónica doméstica y de pequeña escala, los medios vegetales (grava o arcilla expandida, por ejemplo) pueden ser suficientes como biofiltros efectivos. Sin embargo, debido al alto potencial de obstrucción y, por tanto, al requisito de limpieza y mantenimiento manuales regulares, estos métodos no son adecuados para acuapónica comercial de mayor escala (Palm et al. 2018). Además, Knaus y Palm (2017a) demostraron que el uso de un biofiltro simple en un bypass ya aumentó la posible entrada diaria de alimentación en un sistema aquapónico acoplado al patio trasero en aproximadamente un 25%. Los biofiltros modernos que se utilizan en RAS intensivas son eficaces para proporcionar suficiente capacidad de nitrificación para la producción de peces y plantas. Debido al aumento de los costos de inversión, estos componentes son más aplicables en sistemas acuapónicos comerciales de mediana y mayor escala.

   7.4.1.1 Hidroponía en Acuapónica Acoplada

   En la acuapónica acoplada, se puede utilizar una amplia gama de subsistemas hidropónicos (véase también Cap. 4) según la escala de operación (Palm et al. 2018). A menos que la mano de obra no tenga un impacto significativo en el rendimiento (o el beneficio) y el sistema no sea demasiado grande, se pueden utilizar diferentes subsistemas hidropónicos al mismo tiempo. Esto es común en la acuapónica doméstica y de demostración que a menudo utilizan sistemas de sustrato de cama (arena, grava, perlita, etc.) en canales de reflujo y flujo, canales DWC (sistemas de cultivo de aguas profundas o balsas) e incluso a menudo canales de película de nutrientes hechos a sí mismos (NFT). La mayoría de la mano de obra son los sustratos de medios (arena/grava) en los canales de reflujo y flujo, que pueden obstruirse debido a la deposición de detritus y a menudo necesitan lavarse (Rakocy et al. 2006). Debido al manejo de los sustratos, estos sistemas suelen tener un tamaño limitado. Por otro lado, los subsistemas hidropónicos de DWC requieren menos mano de obra y son menos propensos al mantenimiento, lo que permite su adopción en áreas de plantación más grandes. Por esta razón, los subsistemas DWC se encuentran principalmente en sistemas domésticos a pequeños o semicomerciales, sin embargo, no generalmente en sistemas acuapónicos a gran escala. En el caso de una mayor producción acuapónica comercial, la proporción de mano de obra y mantenimiento en el sistema DWC sigue siendo demasiado alta. Incluso el uso de recursos hídricos y energía para el bombeo también son desfavorables para los sistemas de gran escala.

   Si los sistemas acuapónicos cerrados están diseñados para una producción orientada al beneficio, el uso de mano de obra debe disminuir, mientras que la superficie de producción debe aumentar. Esto sólo es posible mediante la racionalización de la producción pesquera combinada con la aplicación de subsistemas hidropónicos de fácil uso. La técnica de película nutritiva (NFT) puede, en la actualidad, considerarse el sistema hidropónico más eficiente, combinando mano de obra baja con grandes áreas de cultivo de plantas y una buena proporción de costos de agua, energía y inversión. Sin embargo, no todas las plantas acuapónicas crecen bien en sistemas NFT y, por lo tanto, es necesario encontrar la elección de planta adecuada para cada subsistema hidropónico, lo que a su vez se correlaciona con el suministro de nutrientes de una especie específica de peces integrada en un diseño específico del subsistema hidropónico. Para la acuapónica acoplada, la carga de partículas a veces mayor en el agua puede ser problemática obstruyendo los goteos, las tuberías y las válvulas en las instalaciones NFT. Por lo tanto, los grandes sistemas acuapónicos deben contener una gestión profesional del agua con filtración mecánica eficaz para evitar bloqueos de recirculación. Cuando se garantiza el suministro continuo de agua a través de las tuberías, el sistema NFT se puede utilizar en todos los tipos de sistemas aquapónicos acoplados, pero es más recomendable para la producción en sistemas pequeños/semicomerciales y sistemas de gran escala (Palm et al. 2018).

5. 7.5 Sistemas Aquapónicos acoplados de escalado

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

   Los sistemas acuapónicos acoplados típicos varían desde sistemas de pequeña a mediana escala y de mayor tamaño (Palm et al. 2018). La ampliación sigue siendo uno de los retos futuros, ya que requiere pruebas cuidadosas de las posibles combinaciones de peces y plantas. Los tamaños óptimos de las unidades se pueden repetir para formar sistemas multiunitarios, independientemente de la escala de producción. Según Palm et al. (2018), la gama de sistemas acuapónicos se clasificó en (1) mini, (2) hobby, (3) doméstico y patio trasero, (4) sistemas pequeños/semicomerciales y (5) grandes (r) escala, como se describe a continuación:

   

   Fig. 7.5 Principio de un mini sistema aquapónico acoplado doméstico (\ 2 m<sup2/sup, después de Palm et al. 2018) con aireación (a) y una bomba (b), la hidroponía (c) actúa como un biofiltro

   Las mini instalaciones (Fig. 7.5) suelen consistir en un pequeño depósito de peces, como un acuario o un acuario en el que las plantas crecen en la superficie o dentro de un pequeño lecho hidropónico. Por lo general, se utilizan filtros convencionales de acuario, aireación y bombas. Los mini sistemas suelen tener un tamaño de 2 msup2/sup o menos (Palm et al. 2018). Estos pequeños sistemas acuapónicos se pueden utilizar en el hogar con pocas plantas para consumo doméstico y plantados con plantas como tomates, hierbas o ornamentales. Estos sistemas añaden nuevos valores al espacio de vida humano añadiendo «naturaleza» de nuevo al área de la vida familiar, que es especialmente popular en las grandes ciudades. Algunos mini sistemas consisten en sólo un jarrón de plantas y uno o más peces sin filtro y bomba. Sin embargo, estos sistemas sólo son a corto plazo para funcionar porque falta una filtración regulada.

   

   Fig. 7.6 Principio de un sistema aquapónico doméstico acoplado (2—10 msup2/sup después de Palm et al. 2018) con (a) pecera y aireación, (b) sedimentador o clarificador alterado después de Nelson y Pade (2007), (c) lecho hidropónico, por ejemplo grava con diferentes cultivos que actúa como un biofiltro y (d) un sumidero con el bomba

   Los sistemas acuapónicos de hobby se clasifican para alcanzar un tamaño máximo de 10 msup2/sup (Palm et al. 2018). Con una mayor densidad de población de peces, más alimento y aireación, es necesaria una unidad de sedimentación mecánica (sedimentador/clarificador) (Fig. 7.6). El sedimentador elimina del sistema las partículas («lodo»), como las heces y los piensos no consumidos, sin utilizar energía. El agua fluye por gravedad desde el tanque de peces hasta el sedimentador y luego a través de los tanques hidropónicos y luego cae en un sumidero desde donde una bomba o elevación de aire bombea el agua de vuelta a los tanques de peces. En instalaciones de hobby, los lechos de plantas actúan como un filtro microbiano natural y, a menudo, se utilizan sustratos de lecho medios como arena, grava fina o perlita. Los sistemas acuapónicos de hobby son más la categoría de trucos que no se dirigen a la producción de alimentos. Más bien disfrutan de la funcionalidad del sistema integrado. Los sistemas de afición, como su nombre lo indica, suelen ser instalados por aficionados interesados en cultivar una variedad de organismos acuáticos y plantas para su propio uso y para la «diversión».

   La acuapónica domestica/patio trasero tiene el propósito de la producción externa de peces y plantas en el hogar caracterizada por tener una superficie máxima de producción de 50 msup2/sup (Palm et al. 2018). Estos sistemas son construidos por entusiastas. La construcción está técnicamente diferenciada con una mayor producción de pescado, aireación adicional y una mayor entrada de alimento. El principio acuapónico acoplado se aplica con el uso de una sola bomba que recirculars el agua desde un sumidero (punto más bajo) hasta acuarios de peces de pie más alto y luego por gravedad a través de sedimentador y un biofiltro (con aireación y sustratos de bacterias) hasta el unidades hidropónicas (Fig. 7.7).

   

   Fig. 7.7 Principio de un sistema aquapónico de patio trasero doméstico acoplado, 10—50 msup2/sup (de Palm et al. 2018) con (a) pecera y aireación, (b) sedimentador o clarificador alterado después de Nelson y Pade (2007), (c) biofiltro con sustratos y aireación, (d) unidad hidropónica que podría consistir en balsa combinada o canales DWC, e) sistema de sustrato de gravilla o arena, f) técnica de película nutritiva canales NFT y g) sumidero con una bomba

   Para la biofiltración, también se pueden utilizar filtros de lecho convencionales como se describe en Palm et al. (2014a, b, 2015). En la acuapónica del patio trasero, la hidroponía podría consistir sola o en conjunto en balsa o DWC (cultivo de aguas profundas) canals, subsistemas de sustrato tales como cajas de flujo y reflujo de grava/arena gruesa o canales de técnica de película nutritiva (NFT). En el hemisferio norte, en instalaciones exteriores, la producción se limita a los períodos de primavera, verano y principios de otoño debido a las condiciones climáticas. Con esta escala de operación, el pescado y las plantas se pueden producir para el consumo privado (y la producción puede ampliarse mediante la producción de pequeños invernaderos), pero también son posibles las ventas directas en pequeñas cantidades.

   Los sistemas aquapónicos de escala Small y semi-comercial se caracterizan por ser de hasta 100 msup2/sup (Palm et al. 2018) con una producción centrada en el mercado minorista. Más tanques, a menudo con una mayor densidad de almacenamiento, filtros adicionales y sistemas de tratamiento de agua y un área hidropónica más grande con diseños más diversos caracterizan estos sistemas.

   Las operaciones comerciales a gran escala superiores a 100 msup2/sup (Palm et al. 2018) y que alcanzan muchos miles de metros cuadrados alcanzan la mayor complejidad y requieren una cuidadosa planificación del flujo de agua y los sistemas de tratamiento (Fig. 7.8). Los componentes generales son múltiples acuarios, diseñados como sistemas acuícolas de recirculación intensiva (RAS), un punto de transferencia de agua o un sumidero que permite el intercambio de agua entre los peces y las plantas, y unidades de producción de plantas comerciales (aquapónica s.s/s.l.). Dado que la producción de pescado está destinada a densidades intensivas de almacenamiento, componentes como la filtración adicional con la ayuda de filtros de tambor, el suministro de oxígeno, los tratamientos de luz UV para el control microbiano, la alimentación controlada automática y la informatización, incluido el control automático de la calidad del agua, clasifican estos sistemas.

   Estos sistemas tienen un diseño multiunidad capaz de ampliarse bajo recirculación de agua completamente cerrada que permite también la producción escalonada, el cultivo paralelo de diferentes plantas que requieren diferentes subsistemas hidropónicos y un mejor control de las diferentes unidades en caso de brote de enfermedades y plantas control de plagas.

6. 7.6 Acuapónica de agua salina/salobre

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

   Un campo de investigación relativamente nuevo es la evaluación de las diferentes salinidades del agua de proceso para el crecimiento de las plantas. Dado que el agua dulce en todo el mundo está en constante aumento de la demanda y a precios elevados, se ha prestado cierta atención al uso de los recursos hídricos salinos/salobres para la agricultura, la acuicultura y también la acuapónica. El uso del agua salobre es significativo, ya que muchos países como Israel tienen recursos hídricos subterráneos salobres, y más de la mitad del agua subterránea del mundo es salina. Mientras que la cantidad de agua salina subterránea sólo se estima en el 0,93% de los recursos hídricos totales del mundo en 12.870.000 kmsup3/sup, esto es más que las reservas subterráneas de agua dulce (10.530.000 kmsup3/sup), que constituyen el 30,1% de todas las reservas de agua dulce (USGS).

   

   Fig. 7.8 Esquema (supervisión) de un módulo acuapónico a gran escala adoptado después de la FishGlasshouse de la Universidad de Rostock (Alemania) (1000 msup2/sup área total de producción, Palm et al. 2018) con (a) unidad de acuicultura independiente, (b) sistema de transferencia de agua y (c) unidad hidropónica independiente; peces F1-F9 tanques, S) sedimentador, bomba P-I uno (bomba de biofiltro), bomba P-II dos (bomba de recirculación de acuicultura), filtro de goteo T), sumidero Su. En el medio, el sistema de transferencia de agua de nutrientes con tanque de transferencia de agua Wt-I) de la unidad de acuicultura, P-III) bomba tres, que bombea el agua rica en nutrientes de la acuicultura a la unidad hidropónica C) a la derecha con el tanque de nutrientes Nu) y un sistema de recirculación hidropónica independiente y tablas de plantación (o NFT) ; P-IV) bomba cuatro, que bombea el agua baja de nutrientes de la unidad hidropónica de nuevo al tanque de transferencia de agua WT-II) y a la unidad de acuicultura para condiciones acuapónicas acopladas (o desacopladas si no se utilizan)

   La primera investigación publicada sobre el uso del agua salobre en acuapónica se llevó a cabo en 2008-2009 en el desierto del Negev de Israel (Kotzen y Appelbaum 2010). Los autores estudiaron el potencial de acuapónica de agua salobre que podría utilizar la estimación de 200—300 mil millones de msup3/sup ubicada entre 550—1000 metros bajo tierra en la región. Este y otros estudios utilizaron hasta 4708—6800 μS/cm (4000—8000 μS/cm = moderadamente salino, Kotzen y Appelbaum 2010; Appelbaum y Kotzen 2016) en sistemas acuapónicos acoplados con Tilapia sp. (cepa roja de los híbridos de tilapia del Nilo Oreochromis niloticus x blue Tilapia O. aureus), combinada con sistemas flotantes de balsa y grava de cultivo de aguas profundas. Los sistemas se reflejaron con sistemas de agua potable como control. Se cultivó una amplia gama de hierbas y verduras, con resultados muy buenos y comparativos tanto en sistemas salobres como en agua dulce. En ambos sistemas la salud y el crecimiento de los peces fueron tan buenos como el crecimiento vegetal de puerros (Allium ampeloprasum), apio (Apium graveolens) (Fig. 7.9), colinabo (Brassica oleracea v. gongylodes), col (Brassica oleracea v. capitata), lechuga (Lactuca sativa), coliflor (Brassica oleracea v. botrytis), Suiza acelga (Beta vulgaris vulgaris), cebolla (Allium fistulosum), albahaca (Ocimum basilicum) y berro de agua (Nasturtium officinale) (Kotzen y Appelbaum 2010; Appelbaum y Kotzen 2016).

   

   Fig. 7.9 Planta madura de apio cultivada en agua salobre

   Un 'informe de misión' de van der Heijden et al. (2014) sobre la integración de la agricultura y la acuicultura con el agua salobre en Egipto sugiere que Tilapia rojo (probablemente cepas rojas de Oreochromis mossambicus) tiene un alto potencial combinado con verduras como guisantes, tomates y ajo que pueden tolerar salinidad moderada. Las plantas que se sabe que tienen tolerancia salina incluyen la familia de la col (Brassicas), como la col (Brassica oleracea), el brócoli (Brassica oleracea italica), la col rizada (Brassica oleracea var. sabellica), la familia Beta, como Beta vulgaris (remolacha), espinaca perpetua Beta vulgaris subsp. Vulgaris), y pimientos (Capsicum annuum) y tomates (Solanum lycopersicum). Un candidato vegetal obvio para la acuapónica de agua salobre es el samphire de pantano (Salicornia europaea) y potencialmente otras 'verduras' como la col rizada (Crambe maritima), el aster (Tripolium pannonicum) y el verdoso marino (Atriplex portulacoides). Gunning (2016) señaló que en las regiones más áridas de la palabra el cultivo de halófitos como alternativa a los cultivos convencionales está ganando una popularidad significativa y Salicornia europea se está volviendo cada vez más popular en los menús de los restaurantes y los mostradores de pescaderías y tiendas de alimentos saludables a través de el país. Este es el caso similar en todo el Reino Unido y la UE, donde la mayor parte de los productos se exporta de Israel y ahora también de Egipto. Una ventaja clara del cultivo de samphire de pantano es que se trata de un cultivo de «cortar y volver», lo que significa que se puede cosechar a intervalos de alrededor de 1 mes. En su entorno natural a lo largo de los estuarios salinos Salicornia europaea crece a lo largo de un gradiente salino desde salino hasta salobre (Davy et al. 2001). En los ensayos realizados por Gunning (2016), las plantas se cultivaron a partir de semillas, mientras que Kotzen cultivó sus plantas de prueba a partir de tallos cortados comprados en el mostrador de pescado del supermercado. Otros estudios bajo condiciones salinas fueron realizados por Nozzi et al. (2016), quienes estudiaron los efectos de la infección por dinoflagelato (Amyloodinum ocellatum) en lubina (Dicentrarchus labrax) a diferentes niveles de salinidad. Pantanella (2012) estudió el crecimiento del halófito Salsola soda (col salina) en combinación con el salmonete gris de cabeza plana (Mugil cephalus) bajo condiciones marinas de aumento del contenido de sal en una granja experimental de la Universidad de Tuscia (Italia). Los recursos hídricos marinos también se han utilizado con éxito en la acuapónica combinada con la producción de lubina europea (Dicentrarchus labrax) y plantas tolerantes a la sal (halófitos) como Salicornia dolichostachya, Plantago coronopus y Tripolium pannonicum en una acuicultura terrestre interior (Waller et al. 2015).

7. 7.7 Opciones de pescado y plantas

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

   7.7.1 Producción pesquera

   En acuapónica comercial a mayor escala, la producción de peces y plantas necesita satisfacer las demandas del mercado. La producción pesquera permite la variación de especies, según el diseño del sistema respectivo y los mercados locales. La elección de los peces también depende de su impacto en el sistema. Se puede evitar la producción problemática de peces acuapónicos debido a concentraciones inadecuadas de nutrientes, que afectan negativamente a la salud de los peces. Si los sistemas acuapónicos acoplados tienen relaciones equilibradas entre peces y plantas, los nutrientes tóxicos serán absorbidos por las plantas que están limpiando el agua. Dado que la aceptación de sustancias tóxicas depende de las especies, la elección de especies de peces tiene una influencia decisiva en el éxito económico. Por lo tanto, es importante encontrar la combinación y relación correctas entre los peces y las plantas, especialmente las especies de peces con menos actividad contaminante del agua y las plantas con alta capacidad de retención de nutrientes.

   Los beneficios de tener una familia particular de peces en sistemas acuapónicos acoplados no se comprenden claramente con respecto a sus necesidades específicas en términos de calidad del agua y cargas nutritivas aceptables. Naegel (1977) encontró que no hubo un impacto negativo notable en el crecimiento de peces y peces en su uso de Tilapia (Tilapia mossambica) y carpa común (Cyprinus carpio). El bagre canal (Ictalurus punctatus) también fue utilizado por Lewis et al. (1978) y Sutton y Lewis (1982) en los Estados Unidos. Se demostró que la calidad del agua acuapónica satisfacía fácilmente las demandas de las diferentes especies de peces, especialmente a través del uso de especies de peces «fáciles de producir» como el azul Tilapia (Oreochromis aureus, anteriormente Sarotherodon aurea) en Watten y Busch (1984); tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus), que se utilizó a menudo en estudios con diferentes especies vegetales como especie modelo de peces (Rakocy 1989; Rakocy et al. 2003, 2004; Al-Hafedh et al. 2008; Rakocy 2012; Villarroel et al. 2011; Simeonidou et al. 2012; Palm et al. 2014a, 2014b; Diem et al. 2017); y también Cepa híbrido-rojo tilapia (_ Oreochromis niloticus_ x blue tilapia O. aureus híbridos), que fueron investigados en ambientes áridos desérticos (Kotzen y Appelbaum 2010; Appelbaum y Kotzen 2016).

   Ha habido una expansión en los tipos de especies de peces utilizados en acuapónica, al menos en Europa, que se basa en el uso de especies de peces autóctonas, así como en aquellas que tienen una mayor aceptación de los consumidores. Esto incluye el bagre africano (Clarias gariepinus) que fue cultivado con éxito bajo condiciones acuapónicas acopladas por Palm et al. (2014b), Knaus and Palm (2017a) y Baßmann et al. (2017) en el norte de Alemania. La ventaja de C. gariepinus es una mayor aceptación de parámetros adversos del agua como el amonio y el nitrato, así como que no hay necesidad de suministro adicional de oxígeno debido a su fisiología especial de la respiración del aire. Las buenas tasas de crecimiento de C. gariepinus bajo condiciones acuapónicas acopladas fueron descritas en Italia por Pantanella (2012) y en Malasia por Endut et al. (2009). Cabe esperar una expansión de la producción de bagre africano en el marco de la acuapónica acoplada, debido a la producción y gestión sin problemas, la alta calidad de los productos y el aumento de la demanda del mercado en muchas partes del mundo.

   En Europa, otras especies de peces con alto potencial de mercado y valor económico se han convertido recientemente en el foco de la producción acuapónica, con especial énfasis en especies piscívoras como la lucioperca europea (Sander lucioperca). La producción de lucioperca, una especie de peces relativamente sensible a los parámetros del agua, fue probada en Rumania en acuapónica acoplada. Blidariu et al. (2013a, b) mostraron niveles significativamente mayores de PSub2/SuboSub5/sub (pentóxido de fósforo) y nitrato en lechuga (Lactuca sativ) usando lucioperca comparado con la producción convencional, lo que sugiere que la producción de lucioperca en acuapónica acoplada es posible sin efectos negativos sobre los peces crecimiento por toxicidad de nutrientes. Los Cyprinidae (Cypriniformes) como la carpa se han utilizado comúnmente en acuapónica acoplada y generalmente han mostrado un mejor crecimiento con densidades de población reducidas y tasas mínimas de flujo de agua del proceso acuapónico (uso eficiente del agua) durante experimentos en En la India. La densidad de población óptima de carpa koi (Cyprinus carpio var. koi) fue de 1,4 kg/m (Hussain et al. 2014), y la mejor ganancia de peso y rendimiento de Beta vulgaris var. bengalensis (espinacas) se encontró con un caudal de agua de 1,5 l/min (Hussain et al. 2015). Se reportó un buen crecimiento de peces y rendimiento de plantas de espinacas acuáticas (Ipomoea aquatica) con un porcentaje máximo de eliminación de nutrientes (NoSub3/sub-N, PoSub4/sub-P y K) a un caudal mínimo de agua de 0.8 L/min con carpa koi policultivada (Cyprinus carpio var. koi) y peces de oro (Carassius auratus) por Nut Wansi et al. (2016). Es interesante observar que el crecimiento de plantas y la eliminación de nutrientes en la producción de koi (Cyprinus carpio var. koi) y peces de oro (Carassius auratus) (Hussain et al. 2014, 2015) con Beta vulgaris var. bengalensis (espinacas) y espinacas acuáticas (Ipomoea aquatica) aumentaron linealmente con una disminución en el flujo de agua del proceso entre 0,8 L/min y 1,5 L/min. Estos resultados sugieren que para el cultivo de peces ciprínidos, se recomienda un menor flujo de agua, ya que esto no tiene impactos negativos en el crecimiento de los peces. Sin embargo, Shete et al. (2016) describieron un caudal mayor de 500 L hsup-1/sup (aprox. 8 L/min) para la producción de carpa común y menta (Mentha arvensis), indicando la necesidad de diferentes caudales de agua para diferentes especies vegetales. Otro ciprínido, la tenca (Tinca tinca), fue probado con éxito por Lobillo et al. (2014) en España y mostró altas tasas de supervivencia de peces (99,32%) a bajas densidades de población de 0,68 kg msup-3/sup sin dispositivos de extracción de sólidos y buenas tasas de supervivencia de lechuga (98%). En general, los miembros de la familia Cyprinidae contribuyen en gran medida a la producción acuícola mundial (FAO 2017); lo más probable es que esto también sea cierto en condiciones acuapónicas y productividad, pero la situación económica debe ser probada para cada país por separado.

   Otros organismos acuáticos como el camarón y el cangrejo de río se han introducido en la producción acuapónica acoplada. Mariscal-Lagarda et al. (2012) investigaron la influencia del agua de proceso de camarón blanco (Litopenaeus vannamei) en el crecimiento de tomates (Lycopersicon esculentum) y encontraron buenos rendimientos en acuapónica con un doble efecto ahorrador de agua bajo producción integrada. Otro estudio comparó la producción acuapónica semiintensiva combinada de langostinos de agua dulce (Macrobrachium rosenbergii — el camarón malasio) con albahaca (Ocimum basilicum) frente al cultivo tradicional de plantas hidropónicas con solución nutritiva (Ronzón-Ortega et al. 2012). Sin embargo, la producción de albahaca en acuapónica fue inicialmente menos efectiva (25% de supervivencia), pero con el aumento de la biomasa de las gambas, la biomasa vegetal también aumentó de manera que los autores llegaron a una conclusión positiva con la producción de albahaca con M. rosenbergii. Sace y Fitzsimmons (2013) reportaron un mejor crecimiento vegetal en lechuga (Lactuca sativa), col china (Brassica rapa pekinensis) y pakchoi (Brassica rapa) con M. rosenbergii en policultivo con el Nilo Tilapia (O. niloticus).). El cultivo con langostinos estabilizó el sistema en términos de parámetros químico-físicos, lo que a su vez mejoró el crecimiento de la planta, aunque debido al aumento del pH, se produjeron deficiencias nutritivas en el repollo y la lechuga china. En general, estos estudios demuestran que la producción de camarones bajo condiciones acuapónicas es posible e incluso puede ejercer un efecto estabilizador sobre el bucle cerrado o el principio acuapónico acoplado.

   7.7.2 Producción de plantas

   El cultivo de muchas especies de plantas, hierbas, cultivos fructíferos y hortalizas de hoja ha sido descrito en acuapónica acoplada. En muchos casos, el contenido de nutrientes del agua del proceso acuapónico fue suficiente para un buen crecimiento de la planta. Una revisión realizada por Thorarinsdottir et al. (2015) resumió información sobre la producción de plantas bajo condiciones de producción acuapónica de diversas fuentes. La lechuga (Lactuca sativa) fue la principal planta cultivada en acuapónica y se usó a menudo en diferentes variaciones como lechuga crujiente (iceberg), lechuga de mantequilla (bibb en los Estados Unidos), lechuga romana y lechuga de hoja suelta bajo temperaturas nocturnas bajas (3—12 ˚C) y días más altas (17—28 ˚C) (Somerville et al. 2014). Muchos experimentos se llevaron a cabo con lechuga en acuapónica (por ejemplo, Rakocy 1989) o como una comparación del crecimiento de lechuga entre acuapónica, hidropónica y acuapónica complementada (Delaide et al. 2016). Lechuga romana (Lactuca sativa longifolia cv. Jericó) también fue investigado por Seawright et al. (1998) con buenos resultados de crecimiento similares a la hidropónica autónoma y una creciente acumulación de K, Mg, Mn, P, Na y Zn con el aumento de la biomasa de peces de Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus). Las concentraciones de Fe y Cu no se vieron afectadas. El rendimiento de lechuga fue insignificante con diferentes densidades de población de peces (151 g, 377 g, 902 g, 1804 g) y biomasa vegetal entre 3040 g (151 g de peces) y 3780 g (902 g de peces). También se cultivó lechuga, por ejemplo, por Lennard y Leonard (2006) con Murray Cod (Maccullochella peelii peelii), y por Lorena et al. (2008) con el esturión 'bester' (híbrido de Huso huso hembra y Acipenser ruthenus macho) y por Pantanella (2012) con tilapia del Nilo (O. oticus). Como cultivo de agua caliente, la albahaca (Ocimum basilicum) fue reportada como una buena hierba para el cultivo bajo acuapónica acoplada y fue reportada como el cultivo más plantado por el 81% de los encuestados en los resultados de una encuesta internacional (Love et al. 2015). Rakocy et al. (2003) investigaron albahaca con rendimientos comparables bajo producción por lotes y escalonada (2,0; 1,8 kg/msup2/sup) en contraste con el cultivo de campo con un rendimiento comparativamente bajo (0,6 kg/msup2/sup). Somerville et al. (2014) describieron la albahaca como una de las hierbas más populares para la acuapónica, especialmente en sistemas a gran escala debido a su crecimiento relativamente rápido y buen valor económico. Diferentes cultivares de albahaca se pueden cultivar bajo temperaturas más altas entre 20 y 25 °C en los sistemas hidropónicos NFT (técnica de película nutritiva) y DWC (cultivo de aguas profundas). La albahaca cultivada en lechos de gravilla puede alcanzar un rendimiento 2.5 veces mayor combinado con juveniles de tilapia (O. niloticus, 0.30 g) en contraste con C. gariepinus (0,12 g) (Knaus y Palm 2017a).

   Los tomates (Lycopersicon esculentum) fueron descritos por Somerville et al. (2014) como un «excelente vegetal fructífero de verano» en acuapónica y pueden hacer frente a la exposición total al sol y a temperaturas inferiores a 40 °C dependiendo del tipo de tomate. Sin embargo, la sostenibilidad económica de la acuapónica acoplada se cuestiona debido a la menor competitividad de la producción de tomate acuapónico en comparación con la producción hidropónica convencional de alta ingeniería en invernaderos en, por ejemplo, el Centro de Mejoramiento Neerlandés de DLV GreenQ en Bleiswijk, con un rendimiento de tomate de 100,6 kg msup-2/sup (Hortidaily 2015), o incluso superior (Heuvelink 2018). Investigaciones anteriores se centraron en el cultivo de esta planta principalmente en comparación con la producción de campo. Lewis et al. (1978) reportaron casi el doble de la cosecha de tomates bajo acuapónica en comparación con la producción de campo y la deficiencia de hierro que se produjo se fijó mediante el uso de ácido tetraacético de etileno diamina. Los tomates también se produjeron en diferentes sistemas acuapónicos durante las últimas décadas, por Sutton y Lewis (1982) con buenos rendimientos de plantas a temperaturas de agua de hasta 28 ºC combinados con bagre Channel (Ictalurus punctatus), por Watten y Busch (1984) combinados con tilapia (Sarotherodon aurea) y un rendimiento total de frutos de tomate comercializable de 9,6 kg/msup2/sup, aproximadamente el 20% de los rendimientos registrados para acuapónica desacoplada (47 kg/msup2/sup/a, Geelen 2016). McMurtry et al. (1993) combinaron tilapia híbrida (Oreochromis mossambicus x Oreochromis niloticus) con tomates en biofiltros de arena asociados que mostraron un «rendimiento vegetal/alto rendimiento total de planta» óptimo de 1:1 .5 tanque/biofiltro (lecho de filtro de arena) y McMurtry et al. (1997) con un aumento total de fruto de plantas con el aumento de la relación biofilter/tanque. Debe señalarse que la producción de tomates es posible bajo acuapónica acoplada. Siguiendo el principio de cultivo de plantas sin suelo en acuaponics sensu stricto después de Palm et al. (2018), es ventajoso fertilizar parcialmente ciertos nutrientes como el fósforo, potasio o magnesio para aumentar los rendimientos (ver desafíos a continuación).

   También es posible el cultivo de otras especies vegetales y se informa continuamente de que se ensayen nuevos cultivos. En el Reino Unido, Kotzen y Khandaker han probado vegetales asiáticos exóticos, con particular éxito con calabaza amarga, también conocida como kerala o melón amargo (Momordica charantia) (Kotzen pers. comm.). Taro (Colocasia esculenta) es otra especie que se cultiva fácilmente con éxito reportado tanto por su gran 'oreja de elefante' como por sus raíces (Kotzen pers. comm.). Somerville et al. (2014) señalaron que cultivos como coliflor, berenjena, pimientos, frijoles, guisantes, repollo, brócoli, acelgas suizas y perejil tienen el potencial de cultivo bajo acuapónica. Pero hay muchos más (por ejemplo, apio, brócoli, colinabo, chiles, etc.) incluyendo plantas que prefieren tener condiciones de raíz húmeda, incluyendo espinacas acuáticas (Ipomoea aquatica) y menta (Menta sp.), así como algunas plantas halofíticas, como el samphire de pantano (Salimornia europaea).

   Las plantas ornamentales también se pueden cultivar, solas o junto con otros cultivos (intercalados), por ejemplo, Hedera helix (hiedra común) cultivada en la Universidad de Rostock por Palm & Knaus en un sistema acuapónico acoplado. Los ensayos utilizaron un 50% menos de nutrientes que normalmente se suministrarían a las plantas en condiciones normales de vivero con una tasa de éxito del 94,3% (Fig. 7.10).

   

   Fig. 7.10 Tres categorías de calidad de hiedra (Hedera helix), cultivadas en un sistema acuapónico acoplado que indica la calidad que requiere el comercio de viveros (a) muy buena y directamente comercializable, (b) buena y comercializable y (c) no de calidad suficientemente alta

   Además de la planta y variante elegidas, existen dos grandes obstáculos que afectan a la producción de plantas acuapónicas bajo los dos estados sugeridos de producción pesquera, extensiva e intensiva. En condiciones extensas, la disponibilidad de nutrientes dentro del agua de proceso es mucho menor que en la producción comercial de plantas, nutrientes como K, P y Fe son deficientes, y la conductividad está entre 1000 y 1500 μS/cm, que es mucho menor que la aplicada bajo la producción hidropónica regular de plantas regularmente entre 3000 y 4000 μS/cm. Las plantas que son deficientes en algunos nutrientes pueden mostrar signos de necrosas foliares y tener menos clorofila en comparación con las plantas fertilizadas óptimamente. En consecuencia, la adición selectiva de algunos nutrientes aumenta la calidad de la planta necesaria para producir productos competitivos.

   En conclusión, la producción de plantas comerciales de acuapónica acoplada bajo producción intensiva de pescado tiene la dificultad de competir con la producción vegetal regular y la hidropónica comercial a gran escala. La composición no óptima y según Palm et al. (2019) impredecible de nutrientes causada por el proceso de producción de pescado debe competir contra las condiciones óptimas de nutrientes que se encuentran en los sistemas hidropónicos. No hay duda de que es necesario desarrollar soluciones que permitan un crecimiento óptimo de las plantas y, al mismo tiempo, proporcionar la calidad del agua necesaria para los peces.

   7.7.3 Opciones de combinación de peces y plantas

   Combinar peces y plantas en acuapónica cerrada puede generar un mejor crecimiento vegetal (Knaus et al. 2018b) combinado con beneficios para el bienestar de los peces (Baßmann et al. 2017). Dentro del agua de proceso, pueden producirse grandes variaciones en micronutrientes y macronutrientes con efectos negativos sobre las necesidades nutricionales de las plantas (Palm et al. 2019). Un análisis general de los sistemas acuapónicos acoplados ha demostrado que hay niveles bajos de nutrientes dentro de los sistemas (Bittsanszky et al. 2016) en comparación con las soluciones nutritivas hidropónicas (Edaroyati et al. 2017). Las plantas no toleran un suministro insuficiente o excesivo de nutrientes sin efectos sobre el crecimiento y la calidad, y la alimentación diaria del sistema aquapónico debe ajustarse a las necesidades nutritivas de la planta. Esto se puede lograr regulando la densidad de población de los peces, así como alterando la alimentación de los peces. Somerville et al. (2014) categorizaron las plantas en acuapónica según sus requerimientos nutritivos de la siguiente manera:

   1. Plantas con bajos requerimientos de nutrientes (por ejemplo, albahaca, Ocimum basilicum)

   2. Plantas con requerimientos nutricionales medios (p. ej. coliflor, Brassica oleracea var. Botrytis)

   3. Plantas con altos requerimientos nutritivos, como especies fructíferas (por ejemplo, fresas, Fragaria spec.).

   No todas las plantas pueden cultivarse en todos los subsistemas hidropónicos con el mismo rendimiento. La elección de la planta depende del subsistema hidropónico si se utilizan sistemas acuapónicos convencionales sin suelo (por ejemplo, DWC, NFT, reflujo y flujo; aquaponics sensu stricto' — s. — en sentido estricto). Bajo la agricultura acuapónica ('aquaponics sensu lato' — s.l. — en un sentido más amplio, Palm et al. 2018), el uso de suelo inerte o con adición de fertilizante aplica técnicas de jardinería de la horticultura, aumentando la posible gama de especies.

   En condiciones hidropónicas, las estructuras componentes de los subsistemas tienen una influencia decisiva en los parámetros de crecimiento de las plantas. Según Love et al. (2015), la mayoría de los productores acuapónicos utilizaban sistemas de balsa y medios de comunicación y en una cantidad menor NFT y torres verticales. Lennard y Leonard (2006) estudiaron el crecimiento de lechuga de roble verde (Lactuca sativa) y registraron la relación Lecho de grava\ > Balsa flotante\ > NFT en términos de desarrollo y rendimiento de biomasa en combinación con el bacalao Murray (Maccullochella peelii peelii) en Australia. Knaus & Palm (2016—2017, datos inéditos) han probado diferentes subsistemas hidropónicos como NFT, balsa flotante y sustrato de grava sobre el crecimiento de diferentes plantas en el FishGlasshouse en un diseño experimental acuapónico desacoplado, lo que requiere pruebas posteriores en condiciones acopladas. Con la creciente densidad de producción de bagre africano (C. gariepinus, aprox. 20-168 kg/msup3/sup), la mayoría de los cultivos cultivados como pepinos (Cucumis sativus), albahaca (Ocimum basilicum) y pak choi (Brassica rapa chinensis) tendieron a crecer mejor, a diferencia de Lennard y Leonard (2006), en grava y la acuapónica NFT (GRAVEL\ > NFT\ > RAFT; Wermter 2016; Pribbernow 2016; Lorenzen 2017), y la menta marroquí 'hierbabuena' (Mentha spicata) mostraron el rendimiento de crecimiento opuesto (RAFT = NFT\ > GRAVEL) con mayor número de hojas en NFT (Zimmermann 2017). Esto demuestra una ventaja de las condiciones de grava y se puede utilizar figurativamente también en macetas convencionales con sustrato de suelo bajo condiciones acuapónicas acopladas. Este tipo de acuapónica fue designado como 'horticultura — acuapónica _ (s.l.) _' debido al uso de sustratos del sector hortícola (suelo, fibra de coco, turba, etc.) (véase Palm y otros 2018). Esto implica todas las técnicas de cultivo de plantas que permiten a las plantas crecer en macetas, por lo que el sustrato en la maceta puede considerarse equivalente a un sustrato clásico de grava para acuapónica. La investigación realizada por Knaus & Palm (datos inéditos) mostró varianza en la calidad de las verduras cultivadas comúnmente y, por lo tanto, su idoneidad para cultivar en este tipo de acuapónica con suelo (Fig. 7.11, Tabla 7.1). En este tipo de acuapónica, frijoles, corderos lechuga y rábano hicieron bien.

   

   Fig. 7.11 Experimentos con una variedad de verduras cultivadas comúnmente, bajo condiciones invernales en invierno 2016/2017 en el FishGlasshouse (Universidad de Rostock, Alemania)

   Tabla 7.1 Recomendación para el uso de plantas de jardinería en la agricultura acuapónica con el uso del 50% del fertilizante regular en macetas con suelo

   tabla tead tr class="encabezado» Tnombre/th

   • Eso es. Nombre/th ThePosible para acuaponiica/th Thmark/th Régimen de nutrientes/th /tr /thead tbody tr class="impar» Frijoles TD/TD td iPhaseolus vulgaris/i /td TDY/TD td1/td TDextensive/TD /tr tr class="incluso» TDPees/TD td iPisum sativum/i /td TDNO/TD td2/td TDINtensivo/TD /tr tr class="impar» Remolacha TD/TD td iBeta vulgaris/i /td TDNO/TD td2/td TDboth/TD /tr tr class="incluso» TDtomates/TD td IsolaNum lycopersicum/i /td TDNO/TD td2.3/td TDboth/TD /tr tr class="impar» Lechuga de TDLamb/td td iValerianella locusta/i /td TDY/TD td1/td TDboth/TD /tr tr class="incluso» Tdradish/TD td iRaphanus sativus/i /td TDY/TD td1/td TDboth/TD /tr tr class="impar» TDwheat/TD td iTriticum aestivum/i /td TDNO/TD td2/td TDboth/TD /tr tr class="incluso» TDlettuce/TD td iLactuca sativa/i /td TDY/TD td1/td TDINtensivo/TD /tr /tbody /tabla

   La elección de la planta (especie y cepa) y especialmente el subsistema hidropónico y/o sustrato, incluyendo turba, sustitutos de turba, fibra de coco, compost, arcilla, etc. o una mezcla de ellos (véase Somerville et al. 2014), tiene un impacto significativo en el éxito económico de la empresa. La eficiencia de algunos sustratos debe probarse en subunidades hidropónicas de lecho mediático (por ejemplo, el uso de arena (McMurtry et al. 1990, 1997), grava (Lennard y Leonard 2004) y perlita (Tyson et al. 2008). Somerville et al. (2014) ha descrito el uso de otros sustratos de lecho como gravas volcánicas o rocas (toba), grava caliza, grava del lecho del río, piedra pómez, plásticos reciclados, sustratos orgánicos como fibra de coco, serrín, musgo de turba y tronco de arroz. Sin embargo, los estudios comparativos cualitativos con recomendaciones son muy raros y son objeto de futuras investigaciones.

   7.7.4 Poliponía

   La combinación de diferentes organismos acuáticos en un único sistema acuapónico puede aumentar el rendimiento total. Aplicado por primera vez por Naegel (1977), este principio de producción multiespecie fue acuñado a partir del término policultivo combinado con acuapónica en sistemas acoplados como «polipónico» (policultivo + acuapónica) por Knaus y Palm (2017b). Al igual que IMTA (acuicultura multitrófica integrada), la polipónica expande la diversidad de los sistemas de producción. El uso de múltiples especies en un sistema tiene ventajas y desventajas, ya que: a) la diversificación permite al productor responder a las demandas del mercado local, pero b) por otro lado, se concentra en una serie de productos, lo que requiere una mayor competencia y una mejor gestión. La información publicada sobre polipónica es escasa. Sin embargo, Sace y Fitzsimmons (2013) reportaron un mejor crecimiento vegetal de lechuga, repollo chino y pakchoi en policultivo con camarones de agua dulce (Macrobrachium rosenbergii) y tilapia del Nilo (O. niloticus) en acuapónica acoplada. Alberts-Hubatsch et al. (2017) describieron el cultivo de cangrejos nobles (Astacus astacus), lubina híbrida (Morone saxatilis x M. chrysops), microalgas (Nannochloropsis limnetica) y berros (Nasturtium officinale), donde el crecimiento de cangrejos fue superior al esperado sobre raíces de berros, heces de pescado y una dieta diseñada para lucioperca.

   Las investigaciones iniciales en la Universidad de Rostock mostraron diferencias en el crecimiento de plantas en dos unidades acuapónicas acopladas a 25msup2/sup con la producción de bagre africano (Clarias gariepinus) y Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus, Palm et al. 2014b). Los rendimientos vegetales de lechuga (Lactuca sativa) y pepino (Cucumis sativus) fueron significativamente mejores en combinación con O. niloticus. Este efecto también fue observado por Knaus y Palm (2017a) con un rendimiento 2.5 veces mayor en albahaca (Ocimum basilicum) y dos veces más biomasa de perejil (Petroselinum crispum) combinada con O. niloticus. Otra comparación entre O. niloticus y carpa común (Cyprinus carpio) mostró una biomasa bruta doble superior por planta (g plantsup-1/sup) de tomates (Solanum lycopersicum) con tilapia y un ligero aumento de la biomasa bruta de pepinos (Cucumis sativus) con carpa, sin embargo, con fruto de pepino mayor peso en la unidad acuapónica O. niloticus (Knaus y Palm 2017b). El rendimiento de menta (Mentha x piperita) fue aproximadamente 1,8 veces mayor en la unidad de tilapia, pero el perejil fue 2,4 veces mayor combinado con la carpa (Knaus et al. 2018a). Los resultados de estos experimentos siguieron el orden de crecimiento de la planta: O. niloticus\ > C. carpio\ > C. gariepinus, mientras que el crecimiento de los peces mostró un orden inverso con: C. gariepinus\ > O. niloticus\ > C. carpio.

   De acuerdo con estos resultados, la elección de los peces influye en el rendimiento de la planta y una combinación de diferentes especies de peces y su respectivo rendimiento de crecimiento permite ajustar una acuapónica acoplada a los rendimientos óptimos de peces y plantas. Durante experimentos consecutivos (sólo O. niloticus, sólo C. gariepinus), se observó un mayor rendimiento de biomasa de albahaca (O. basilicum) de 20.44% (Diferencia de Crecimiento de Planta — PGD) para O. niloticus en contraste con el rendimiento de albahaca con C. gariepinus (Knau_ (Knaus et al. 2018b). Por lo tanto, O. niloticus se puede utilizar para aumentar el rendimiento de la planta en un sistema general C. gariepinus. Este llamado efecto de impulso de Tilapia mejora la producción general del sistema y compensa el crecimiento de las plantas con un crecimiento elevado de los peces de C. gariepinus y ii) más pobre de los peces en O. niloticus con un aumento en el rendimiento de la planta. Se ha abierto una primera granja polipónica comercial en Bali, Indonesia, que produce tilapia combinada con bagre asiático (Clarias batrachus) y productos agrícolas convencionales.

8. 7.8 Problemas de planificación y administración del sistema

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

   La acuapónica acoplada depende de los nutrientes que se proporcionan de las unidades de peces, ya sea un RAS intensivo comercial o tanques almacenados en condiciones extensas en operaciones más pequeñas. La densidad de los peces en este último suele ser de entre 15 y 20 kg/msup3/sup (tilapia, carpa), pero la producción extensa de bagre africano puede ser superior a 50 kg/msup3/sup. Estas diferentes densidades de almacenamiento tienen una influencia significativa en los flujos nutritivos y la disponibilidad de nutrientes para las plantas, en la exigencia de control y ajuste de la calidad del agua, así como en las prácticas de manejo adecuadas.

   La calidad del agua del proceso con respecto a las concentraciones de nutrientes depende principalmente de la composición del pienso y de las respectivas tasas de rotación de los peces. La diferencia entre la entrada de alimento y los nutrientes de los piensos, asimilados en el interior de los peces o perdidos por el mantenimiento del sistema, es igual al máximo potencial de los nutrientes disponibles de las plantas procedentes de la acuicultura. Como se señaló anteriormente, las concentraciones de nutrientes deben ajustarse a los niveles, lo que permite que las plantas crezcan de manera efectiva. Sin embargo, no todas las especies de peces son capaces de soportar tales condiciones. En consecuencia, especies de peces resistentes como el bagre africano, Tilapia o la carpa son candidatos acuapónicos preferidos. En la Universidad de Rostock se analizó el bagre entero y su dieta estándar como valores de salida e insumo para identificar las tasas de rotación de los macronutrientes N, P, K, Ca, Mg y S y los micronutrientes Fe, Mn, Mo, Cu, Zn y Se. Con la excepción de P, más del 50% de los nutrientes alimentarios administrados a los peces no se retienen en su cuerpo y pueden considerarse potencialmente disponibles como nutrientes vegetales (Strauch et al. 2018; Fig. 7.12). Sin embargo, estos nutrientes no se distribuyen por igual dentro del agua de proceso y los sedimentos. Especialmente macronutrientes (N, P, K) se acumulan tanto en el agua de proceso como en el interior de la fracción sólida, mientras que los micronutrientes, como el hierro, desaparecen en la fracción sólida separada por el clarificador. La figura 7.13 muestra la producción de nutrientes por limpieza clarificante después de 6 días de recolección de lodos en un pez siluro africano intensivo RAS. Las proporciones de nutrientes esenciales vegetales que se unen en los sólidos en relación con las cantidades respectivas que aparecen disueltas son significativas: N = 48%, P = 61%, K = 10%, Ca = 48%, Mg = 16%, S = 11%, Fe = 99%, Mn = 86%, Mo = 100%, Zn = 48% y Cu = 55%.

   

   Fig. 7.12 Nutrientes no utilizados en la acuicultura de bagre africano que están potencialmente disponibles para la producción de plantas acuapónicas (datos originales)

   

   Fig. 7.13 Distribución de macro y micronutrientes dentro del agua de proceso y de los sólidos. (Datos de Strauch et al. (2018))

   Un factor clave de gestión es la disponibilidad de oxígeno dentro del sistema, que es crucial para mantener alta la concentración de nitrato disponible en la planta en el agua de proceso. Los clarificadores convencionales que se aplican en muchas RAS eliminan los desechos sólidos ricos en carbono de la recirculación, pero los dejarán en contacto con el agua de proceso hasta el siguiente intervalo de limpieza del tanque de sedimentación. Durante este tiempo, la materia orgánica rica en carbono se utiliza como fuente de energía mediante la desnitrificación de bacterias, lo que representa pérdidas significativas de nitrato. Se desgasta como nitrógeno en la atmósfera y se pierde. En condiciones de producción intensivas, grandes cantidades de lodos orgánicos se acumularán dentro de los tanques de sedimentación, con consecuencias para el mantenimiento, la sustitución por agua dulce y, posteriormente, para la composición de nutrientes dentro del agua de proceso. La figura 7.14 ilustra las concentraciones de nutrientes en los tanques de almacenamiento del bagre africano RAS bajo tres densidades de población diferentes (extensa: 35 peces/tanque, semiintensivo: 70 peces/tanque, intensivo: 140 peces/tanque). Cuanto mayor sea la densidad de almacenamiento y menor sea el contenido de oxígeno resultante dentro del sistema, menor será el nitrato disponible por kg de alimento dentro del sistema.

   

   Fig. 7.14 N-presupuesto por kg de alimento y nivel de oxígeno en la acuicultura de bagre africano bajo tres densidades de población diferentes (datos originales)

   En general, con el aumento de la intensidad de los peces, la disponibilidad de oxígeno dentro del sistema disminuye debido al consumo del oxígeno por los peces y la digestión de lodos aeróbicos dentro del clarificador y los subsistemas hidropónicos. Los niveles de oxígeno pueden mantenerse en niveles más altos, pero esto requiere una inversión adicional para el monitoreo y control del oxígeno. Este tema es de tremenda importancia para la acuapónica acoplada, desde el inicio de la fase de planificación de los sistemas, ya que los diferentes escenarios son decisivos para la producción de pescado planificada, la calidad resultante del agua de proceso para las unidades de producción de la planta y, por consiguiente, para la economía sostenibilidad. Cuatro principios de sistemas de producción acuapónicos acoplados con consecuencias de manejo en términos de diseño de sistemas, procedimientos de mantenimiento y disponibilidad de nutrientes para el crecimiento de plantas, con transiciones entre ellos, se pueden definir de la siguiente manera:

   • Producción extensa, peces resistentes al oxígeno (por ejemplo tilapia, carpa), sin control de oxígeno, OSub2/sub superior a 6 mg/L, poco uso de agua con altas concentraciones de nutrientes, pequeña inversión, baja DBO, alto nitrato por kg de pienso.

   • Producción intensiva, peces resistentes al oxígeno (por ejemplo, bagre africano), sin control de oxígeno, OSub2/sub por debajo de 6 mg/L, alto uso de agua, inversión media, alta DBO, baja concentración de nitrato por kg de pienso, alta concentración de nutrientes.

   • Producción extensa, peces que requieren oxígeno (por ejemplo, trucha), control de oxígeno, OSub2/sub por encima de 6—8 mg/L, alto uso de agua, inversión media, DBO bajo, nitrato alto por kg de pienso, concentraciones bajas de nutrientes.

   • Producción intensiva, peces que requieren oxígeno (por ejemplo, trucha, lucioperca), control de oxígeno, OSub2/sub por encima de 6—8 mg/L, alto uso de agua, alta inversión, baja DBO, nitrato medio por kg de pienso.

   Además de la densidad de almacenamiento y la cantidad media de oxígeno dentro del sistema, el régimen de producción de la planta, es decir, el cultivo por lotes o escalonado, tiene consecuencias para los nutrientes disponibles en la planta dentro del agua de proceso (Palm et al. 2019). Este es el caso especialmente en el caso de los peces de crecimiento rápido, donde el aumento del alimento durante el ciclo de producción puede ser tan rápido que necesita un mayor tipo de cambio de agua y, por lo tanto, la dilución de nutrientes puede aumentar, con consecuencias para la composición y el manejo de nutrientes.

   Los mismos procesos óxicos o anóxicos que ocurren en el RAS como parte del sistema aquapónico acoplado también ocurren dentro de los subsistemas hidropónicos. Por lo tanto, la disponibilidad de oxígeno y posiblemente la aireación del agua de la planta pueden ser cruciales para optimizar la calidad del agua para un buen crecimiento de la planta. El oxígeno permite a las bacterias heterotróficas convertir los nutrientes orgánicos ligados a la fase disuelta (es decir, nitrógeno proteico en amoníaco) y las bacterias nitrificantes para convertir el amoníaco en nitrato. La disponibilidad de oxígeno en el agua también reduce el metabolismo microbiano anoxico (es decir, bacterias reductoras de nitrato y/o sulfato, Comeau 2008), procesos que pueden tener enormes efectos en la reducción de las concentraciones de nutrientes. La aireación de las raíces también tiene la ventaja de que el agua y los nutrientes se transportan a la superficie de la raíz, y de que se eliminan las partículas que se depositan en la superficie de la raíz (Somerville et al. 2014).

9. 7.9 Algunas ventajas y desventajas de la acuapónica acoplada

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

   La siguiente discusión revela una serie de ventajas y desafíos clave de la acuapónica combinada de la siguiente manera:

   Pro: Los sistemas aquapónicos acoplados tienen muchos beneficios para la producción de alimentos, especialmente el ahorro de recursos bajo diferentes escalas de producción y en una amplia gama de regiones geográficas. El objetivo principal de este principio de producción es el uso más eficiente y sostenible de los escasos recursos como piensos, agua, fósforo como nutrientes vegetales limitados y energía. Mientras que la acuicultura y la hidropónica (como autónomas), en comparación con la acuapónica son más competitivas, la acuapónica combinada puede tener ventaja en términos de sostenibilidad y, por lo tanto, una justificación de estos sistemas, especialmente cuando se ve en el contexto, por ejemplo, del cambio climático, la disminución de los recursos, escenarios que podrían cambiar nuestra visión de la agricultura sostenible en el futuro.

   Pro: La acuapónica en pequeña escala y acoplada al patio trasero está destinada a apoyar la producción de alimentos a nivel local y comunitario por parte de los hogares y los agricultores. No son capaces de frenar los altos costos de inversión y requieren tecnologías simples y eficientes. Esto se aplica a las combinaciones probadas de peces y plantas en acuapónica acoplada.

   

   Fig. 7.15 Desarrollo de sistemas acuapónicos acoplados a partir de (a) humedales construidos con desechos domésticos (CW) y (b) CW en combinación con sistemas de acuicultura de recirculación (RAS) a (c) unidades hidropónicas en sistemas acuapónicos acoplados

   Pro: Las plantas de la acuapónica acoplada contemporánea desempeñan un papel similar en el tratamiento de residuos como lo hacen los humedales construidos en la eliminación de residuos del agua (Fig. 7.15). Por lo tanto, las plantas de la unidad hidropónica en acuapónica acoplada cumplen la tarea de purificar el agua y pueden considerarse una «unidad biológica avanzada de purificación del agua» con el fin de reducir el impacto ambiental de la acuicultura.

   Desafío: Se ha aceptado ampliamente que el uso solo de piensos para peces como insumo para la nutrición de las plantas suele ser cualitativa y cuantitativamente insuficiente en comparación con los sistemas de producción agrícola convencionales (por ejemplo, estiércol hidropónico N-P-K) (Goddek et al. 2016), lo que limita el crecimiento de ciertos cultivos en acuapónica acoplada.

   Pro: Los sistemas aquapónicos acoplados tienen una influencia positiva en el bienestar de los peces. Los estudios más recientes demuestran que, en combinación con pepino y albahaca, se redujo el comportamiento agónico del bagre africano (C. gariepinus) (Baßmann et al. 2017, 2018). Más importante aún, comparando lesiones y patrones de comportamiento con el control, la acuapónica con alta densidad de albahaca influyó aún más positivamente en el bagre africano. Las plantas liberan sustancias en el agua de proceso como las fosfatasas (Tarafdar y Claassen 1988; Tarafdar et al. 2001) que son capaces de hidrolizar compuestos bioquímicos de fosfato alrededor de la zona radicular y exudar ácidos orgánicos (Bais et al. 2004). Además, los microorganismos en las superficies radiculares juegan un papel importante a través de la excreción de sustancias orgánicas, aumentando la solubilización de los minerales, haciéndolos disponibles para la nutrición de las plantas. Es evidente que el medio ambiente de la rizosfera, el «exudado radicular», consiste en muchos compuestos orgánicos tales como aniones ácidos orgánicos, fitosideróforos, azúcares, vitaminas, aminoácidos, purinas, nucleósidos, iones inorgánicos, moléculas gaseosas, enzimas y células de borde radicular (Dakora y Phillips 2002), que pueden influyen en la salud de los organismos acuáticos en sistemas acuapónicos acoplados. Esta relación simbiótica no está disponible ni en acuicultura pura ni en acuapónica desacoplada. Sin embargo, todavía es necesario realizar una investigación considerable para comprender los factores responsables de un mejor bienestar de los peces.

   Pro: La acuapónica puede considerarse como una forma optimizada de la producción agrícola convencional, especialmente en aquellas zonas donde los factores de producción causados por las condiciones ambientales son particularmente difíciles, por ejemplo, en desiertos o zonas urbanas altamente pobladas (ciudades). Los sistemas aquapónicos acoplados se pueden ajustar fácilmente a las condiciones locales, en términos de diseño del sistema y escala de operación.

   Desafío: Los acuapónicos acoplados también presentan desventajas, debido a las condiciones de proporción de componentes a menudo inadecuadas de la producción de peces y plantas. A fin de evitar consecuencias para el bienestar de los peces, los sistemas acuapónicos acoplados deben equilibrar la entrada de alimento, la densidad de población, así como el tamaño de las unidades de tratamiento de agua y la hidropónica. Hasta ahora, el conocimiento de las proporciones de componentes en la acuapónica acoplada sigue siendo limitado, y la modelización para superar este problema está al principio. Rakocy (2012) sugirió 57 g de alimento/día por metro cuadrado de área de cultivo de lechuga y una relación compuesta de 1 msup3/sup de tanque de cría de peces a 2 msup3/sup de grava de guisante que permite una producción de 60 kg/msup3/sup tilapia. Con base en el sistema UVI-se percibieron las proporciones de tamaño en sí mismas como una desventaja, ya que se debe lograr una relación relativamente grande entre la superficie de cultivo de plantas y la superficie de peces de al menos 7:3 para una producción vegetal adecuada. Por otro lado, los diseños de sistemas acoplados son muy variables, a menudo no comparables, y las experiencias obtenidas no pueden transferirse fácilmente a otro sistema o ubicación. En consecuencia, se necesitan muchos más datos de investigación para determinar los mejores coeficientes de producción posibles que permitan finalmente también la ampliación de los sistemas acuapónicos acoplados mediante la multiplicación de módulos básicos diseñados óptimos (véase también cap. 11).

   Desafío: Se han indicado parámetros adversos de calidad del agua que afectan negativamente a la salud de los peces. Como señalaron Yavuzcan Yildiz et al. (2017), la retención de nutrientes de las plantas debe ser maximizada para evitar efectos negativos de la calidad del agua en el bienestar de los peces. Es importante seleccionar especies adecuadas de peces que puedan aceptar mayores cargas nutritivas, como el bagre africano (C. gariepinus) o el Nilo Tilapia (O. niloticus,). Las especies más sensibles, como el Zander o el lucioperca (Sander lucioperca), también podrían aplicarse en acuapónica porque prefieren cuerpos de agua enriquecidos con nutrientes o eutróficos con mayor turbidez (Jeppesen et al. 2000; Keskinen y Marjomäki 2003; véase [Sect. 7.7.1. Producción de pescado]). Hasta ahora, los datos son escasos que permitan hacer declaraciones precisas sobre las deficiencias en el bienestar de los peces. Con plantas generalmente necesitadas altas concentraciones de potasio entre 230 y 400 mg/L dentro del agua de proceso, 200—400 mg/L de potasio no mostró influencia negativa en el bienestar del bagre africano (Presas Basalo 2017). Del mismo modo, 40 y 80 mg/L de OrthOp en el agua de cría no tuvo ningún impacto negativo en el rendimiento del crecimiento, la eficiencia alimentaria y los rasgos de bienestar de los bagres juveniles africanos (Strauch et al. 2019).

   Desafío: Otra cuestión es la posible transmisión de enfermedades en términos de seguridad alimentaria a las personas a través del consumo de plantas que han estado en contacto con residuos de pescado. En general, la aparición de zoonosis es menor porque la acuapónica cerrada es un sistema totalmente controlado. Sin embargo, los gérmenes pueden acumularse en el agua de proceso de los componentes del sistema o en el intestino de pescado. Escherichia coli y Salmonella spp. (bacterias entéricas zoonóticas) se identificaron como indicadores de contaminación fecal y calidad del agua microbiana, sin embargo, se detectaron en acuapónica solo en cantidades muy pequeñas (Munguia-Fragozo et al. 2015). Otra comparación de hojas verdes de textura lisa entre acuapónica, hidroponía y producción basada en el suelo no mostró diferencias significativas en el recuento de placas aeróbicas (APC, bacterias aeróbicas), Enterobacteriaceae, E. coli y Listeria, sugiriendo un nivel de contaminación comparable con patógenos ( Barnhart y otros 2015). Listeria spp. fue más frecuente (40%) en hidroponía con plantas desarraigadas (plantas acuapónicas con raíces 0%, plantas acuapónicas sin raíces\ < 10%), pero no necesariamente las especies dañinas L. monocitogenos. Se sugirió que la fuente de la bacteria podría deberse a la falta de manejo de la higiene, con poca relevancia para la acuapónica como tal. Otra bacteria infecciosa, _Fusobacteria (Cetobacterium) _, fue detectada por Schmautz et al. (2017) en las heces de peces con una alta prevalencia de hasta 75%. Los representantes de Fusobacteria son responsables de enfermedades humanas (germen hospitalario, abscesos, infecciones), que se reproducen en biopelículas o como parte de los intestinos de los peces. Aún no se han registrado infecciones humanas por Fusobacteria procedentes de acuapónica, pero pueden ser posibles descuidando los protocolos de higiene requeridos.

   En general, hay bastante poca información sobre las enfermedades causadas por el consumo de peces y plantas procedentes de sistemas acuapónicos acoplados. En Wilson (2005), el Dr. J.E. Rakocy declaró que no se registró ningún brote de enfermedad humana en 25 años de producción acuapónica acoplada. Sin embargo, se debe utilizar un procedimiento de lavado de los productos vegetales para reducir el número de bacterias como medida de precaución. Chalmers recomendó un baño de cloro (100 ppm) seguido de un enjuague con agua potable (2004). Si se utiliza esta metodología y se evita el contacto de las plantas o productos vegetales con el agua del proceso de recirculación, la probabilidad de contaminación con bacterias patógenas humanas puede reducirse considerablemente. Esta es una precaución necesaria no sólo para acoplar, sino también para todas las demás formas de acuapónica.