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Comprender la acuapónica
A partir de la explicación inicial de la acuapónica en el Capítulo 1, este capítulo discute los procesos biológicos que ocurren dentro de una unidad acuapónica. En primer lugar, el capítulo explica los principales conceptos y procesos involucrados, incluido el proceso de nitrificación. A continuación, examina el papel vital de las bacterias y sus procesos biológicos clave. Finalmente, se discute la importancia de equilibrar el ecosistema aquapónico que consiste en peces, plantas y bacterias, incluyendo cómo esto puede lograrse manteniendo una unidad acuapónica a lo largo del tiempo.
Food and Agriculture Organization of the United Nations — Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus, and Alessandro Lovatelli.
Esta edición de la biblioteca se ha reformateado y consolidado a partir de la fuente original.
Equilibrando el ecosistema acuapónico
Original publication · Publicado por primera vez en FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations
El término «equilibrio» se utiliza para describir todas las medidas que un agricultor acuapónico toma para asegurar que el ecosistema de peces, plantas y bacterias esté en un equilibrio dinámico. No se puede exagerar que la acuapónica exitosa consiste principalmente en mantener un ecosistema equilibrado. En pocas palabras, esto significa que hay un equilibrio entre la cantidad de peces, la cantidad de plantas y el tamaño del biofiltro, lo que realmente significa la cantidad de bacterias. Existen relaciones experimentalmente determinadas entre el tamaño del biofiltro, la densidad de plantación y la densidad de población de peces para acuapónica. Es imprudente, y muy difícil, operar más allá de estas relaciones óptimas sin arriesgar consecuencias desastrosas para el ecosistema acuapónico general. Se invita a los practicantes acuapónicos avanzados a experimentar y ajustar estas proporciones, pero se recomienda comenzar la acuapónica siguiendo estas proporciones. Esta sección proporciona una breve, pero esencial, introducción al equilibrio de un sistema. Los tamaños del biofiltro y las densidades de las medias se tratan con mucha mayor profundidad en el capítulo 8.
Balance de nitrato
El equilibrio en un sistema acuapónico se puede comparar con una escala de equilibrio donde los peces y las plantas son los pesos que se encuentran en brazos opuestos. Los brazos de la balanza están hechos de bacterias nitrificantes. Por lo tanto, es fundamental que la biofiltración sea lo suficientemente robusta como para soportar los otros dos componentes. Esto corresponde al grosor de la palanca en la Figura 2.10. Tenga en cuenta que los brazos no eran lo suficientemente fuertes como para soportar la cantidad de residuos de pescado y que el brazo se rompió. Esto significa que la biofiltración fue insuficiente.
Si la biomasa de los peces y el tamaño del biofiltro están en equilibrio, la unidad acuapónica procesará adecuadamente el amoníaco en nitrato. Sin embargo, si el componente de la planta tiene un tamaño inferior, entonces el sistema comenzará a acumular nutrientes (Figura 2.11). En términos prácticos, las concentraciones más altas de nutrientes no son perjudiciales para los peces ni para las plantas, pero son una indicación de que el sistema tiene un rendimiento deficiente en el lado de la planta.
Un error común de manejo es cuando se utilizan demasiadas plantas y muy pocos peces, como se observa en el tercer escenario mostrado en la Figura 2.12. En este caso, el amoníaco se procesa mediante bacterias nitrificantes, pero la cantidad de nitrato resultante y otros nutrientes es insuficiente para cubrir las necesidades de las plantas. Esta condición finalmente conduce a una reducción progresiva de las concentraciones de nutrientes y, en consecuencia, a los rendimientos de las plantas.
La principal lección de ambos ejemplos es que lograr la máxima producción a partir de la acuapónica requiere el mantenimiento de un equilibrio adecuado entre los residuos de pescado y la demanda de nutrientes vegetales, asegurando al mismo tiempo una superficie adecuada para cultivar una colonia bacteriana con el fin de convertir todos los residuos de peces. Este escenario equilibrado se muestra en la Figura 2.13. Este equilibrio entre peces y plantas también se conoce como la proporción de biomasa. Las unidades acuapónicas exitosas tienen una biomasa adecuada de peces en relación con el número de plantas, o más exactamente, la relación entre el alimento de los peces y la demanda de nutrientes de las plantas está equilibrada. Aunque es importante seguir las proporciones sugeridas para una buena producción de alimentos acuapónicos, hay una amplia gama de ratios viables, y los agricultores acuapónicos experimentados notarán cómo la acuapónica se convierte en un sistema de autorregulación. Además, el sistema acuapónico proporciona a un agricultor atento señales de advertencia a medida que el sistema comienza a desbalancearse, en forma de métricas de calidad del agua y la salud de los peces y las plantas, todos los cuales se discuten detalladamente a lo largo de esta publicación.
Relación de velocidad de avance
Muchas variables se tienen en cuenta al equilibrar un sistema (véase el recuadro 2), pero una investigación exhaustiva ha simplificado el método de equilibrar una unidad en una sola proporción denominada relación de velocidad de alimentación. La relación de velocidad de alimentación es una suma de las tres variables más importantes, que son: la cantidad diaria de alimento para peces en gramos por día, el tipo de planta (vegetativa frente a fructificación) y el espacio de cultivo de la planta en metros cuadrados. Esta proporción sugiere la cantidad
de alimento diario para peces por cada metro cuadrado de espacio de cultivo. Es más útil equilibrar un sistema sobre la cantidad de alimento que entra en el sistema que calcular la cantidad de pescado directamente. Utilizando la cantidad de alimento, entonces es posible calcular cuántos peces en función de su consumo diario promedio.
Las relaciones de velocidad de alimentación proporcionarán un ecosistema equilibrado para los peces, las plantas y las bacterias, siempre que exista una biofiltración adecuada. Use esta relación cuando diseñe un sistema aquapónico. Es importante tener en cuenta que la relación de velocidad de alimentación es sólo una guía para equilibrar una unidad acuapónica, ya que otras variables pueden tener mayores impactos en diferentes etapas de la temporada, como cambios estacionales en la temperatura del agua. La mayor proporción de alimento para la fructificación de hortalizas explica la mayor cantidad de nutrientes necesarios para que estas plantas produzcan flores y frutas en comparación con las verduras verdes de hoja.
Junto con la relación de velocidad de alimentación, existen otros dos métodos sencillos y complementarios para garantizar un sistema equilibrado: control de estado y pruebas de nitrógeno.
Verificación de la salud de peces y plantas
Los peces o las plantas poco saludables suelen ser una advertencia de que el sistema está desequilibrado. Los síntomas de deficiencias en las plantas generalmente indican que no se están produciendo suficientes nutrientes a partir de residuos de pescado. Las deficiencias de nutrientes a menudo se manifiestan como un crecimiento deficiente, hojas amarillas y un mal desarrollo de raíces, todos los cuales se discuten en el Capítulo 6. En este caso, se puede aumentar la densidad de la población de peces, el alimento (si se come por los peces) y el biofiltro, o se pueden eliminar las plantas. Del mismo modo, si los peces presentan signos de estrés, como jadeos en la superficie, frotar en los lados del tanque, o mostrar áreas rojas alrededor de las aletas, los ojos y las branquias, o en casos extremos morir, a menudo se debe a una acumulación de amoníaco tóxico o nitrito. Esto ocurre a menudo cuando hay demasiados residuos disueltos para que el componente del biofiltro los procese. Cualquiera de estos síntomas en los peces o plantas indica que el agricultor necesita investigar activamente y rectificar la causa.
Pruebas de nitrógeno
Este método consiste en probar los niveles de nitrógeno en el agua utilizando kits de prueba de agua simples y de bajo costo (Figura 2.14). Si el amoníaco o el nitrito son altos (\ > 1 mg/litro), indica que la biofiltración es inadecuada y que debe aumentarse la superficie de biofiltro disponible. La mayoría de los peces son intolerantes a estos niveles durante más de unos pocos días. Se desea aumentar el nivel de nitrato e implica niveles suficientes de los demás nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas. Los peces pueden tolerar niveles elevados de nitrato, pero si los niveles permanecen altos (\ > 150 mg/l) durante varias semanas, parte del agua debe eliminarse y utilizarse para regar otros cultivos.
Si los niveles de nitrato son bajos (\ < 10 mg/l) durante un período de varias semanas, el alimento para peces puede aumentarse ligeramente para asegurarse de que hay suficientes nutrientes para las verduras. Sin embargo, nunca deje alimentos para peces sin comer en el tanque de acuicultura, por lo que puede ser necesario aumentar la densidad de población de los peces. Alternativamente, las plantas se pueden eliminar para que haya suficientes nutrientes para aquellos que quedan. Vale la pena y se recomienda probar los niveles de nitrógeno cada semana para asegurarse de que el sistema está adecuadamente equilibrado. Además, los niveles de nitrato son un indicador del nivel de otros nutrientes en el agua.
De nuevo, todos los cálculos y proporciones mencionados anteriormente, incluyendo la densidad de la población de peces, la capacidad de siembra y el tamaño del biofiltro, se explican con mayor profundidad en los capítulos siguientes (especialmente en el capítulo 8). El objetivo de esta sección fue proporcionar una comprensión de lo vital que es equilibrar el ecosistema dentro de la acuapónica y destacar los métodos y estrategias simples para hacerlo.
*Fuente: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus y Alessandro Lovatelli, Small scale aquaponic food production, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproducido con permiso. *
Componentes biológicos importantes de la acuapónica
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Como se describe en el Capítulo 1, la acuapónica es una forma de agricultura integrada que combina dos técnicas principales, la acuicultura y la hidropónica. En una unidad de recirculación continua, el agua de cultivo sale de la pecera que contiene los desechos metabólicos de los peces. El agua pasa primero a través de un filtro mecánico que captura desechos sólidos, y luego pasa a través de un biofiltro que oxida el amoníaco al nitrato. El agua luego viaja a través de los lechos de cultivo de plantas donde las plantas absorben los nutrientes, y finalmente el agua regresa, purificada, a la pecera (Figura 2.1). El biofiltro proporciona un hábitat para que las bacterias conviertan residuos de peces en nutrientes accesibles para las plantas. Estos nutrientes, que se disuelven en el agua, son entonces absorbidos por las plantas. Este proceso de eliminación de nutrientes limpia el agua, evitando que el agua se vuelva tóxica con formas nocivas de nitrógeno (amoníaco y nitrito), y permite que los peces, las plantas y las bacterias prosperen simbióticamente. Por lo tanto, todos los organismos trabajan juntos para crear un entorno de crecimiento saludable para los demás, siempre que el sistema esté adecuadamente equilibrado.
El ciclo del nitrógeno
El proceso biológico más importante en acuapónica es el proceso de nitrificación, que es un componente esencial del ciclo global del nitrógeno visto en la naturaleza. El nitrógeno (N) es un elemento químico y un componente esencial para todas las formas de vida. Está presente en todos los aminoácidos, que componen todas las proteínas que son esenciales para muchos
procesos biológicos para los animales, como la regulación enzimática, la señalización celular y la construcción de estructuras. El nitrógeno es el nutriente inorgánico más importante para todas las plantas. El nitrógeno, en forma de gas, es en realidad el elemento más abundante presente en la atmósfera de la Tierra que representa alrededor del 78 por ciento de ella, y el oxígeno sólo representa el 21 por ciento. Sin embargo, a pesar de que el nitrógeno es tan abundante, sólo está presente en la atmósfera como el nitrógeno molecular (N2), que es un triple enlace muy estable de átomos de nitrógeno y es inaccesible para las plantas. Por lo tanto, el nitrógeno en su forma N2 debe cambiarse antes de que las plantas lo utilicen para el crecimiento. Este proceso se llama fijación de nitrógeno. Forma parte del ciclo del nitrógeno (Figura 2.2), visto en toda la naturaleza (Figura 2.3). La fijación del nitrógeno se ve facilitada por bacterias que alteran químicamente el N2 mediante la adición de otros elementos como hidrógeno u oxígeno, creando así nuevos compuestos químicos como el amoníaco (NH3 ) y el nitrato (NO3 -) que las plantas pueden utilizar fácilmente. Además, el nitrógeno atmosférico puede fijarse a través de un proceso de fabricación de uso intensivo de energía conocido como el Proceso Haber, utilizado para producir fertilizantes sintéticos.
El animal representado en la figura 2.3 produce desechos (heces y orina) que están hechos en gran parte de amoníaco (NH3). Otra materia orgánica en descomposición que se encuentra en la naturaleza, como plantas o animales muertos, se descompone por hongos y diferentes grupos de bacterias en amoníaco. Este amoníaco es metabolizado por un grupo específico de bacterias, que es muy importante para la acuapónica, llamadas bacterias nitrificantes. Estas bacterias primero convierten el amoníaco en compuestos de nitrito (NO2-) y luego finalmente en compuestos de nitrato (NO3-). Las plantas pueden usar amoníaco y nitratos para realizar sus procesos de crecimiento, pero los nitratos son más fácilmente asimilados por sus raíces.
Las bacterias nitrificantes, que viven en entornos diversos como el suelo, la arena, el agua y el aire, son un componente esencial del proceso de nitrificación que convierte los residuos vegetales y animales en nutrientes accesibles para las plantas. La Figura 2.4 muestra el mismo proceso que el ilustrado en la Figura 2.3, pero incluye un diagrama de flujo más complejo que muestra todas las etapas del ciclo del nitrógeno.
Este proceso natural de nitrificación por bacterias que ocurre en el suelo también se lleva a cabo en el agua de la misma manera. Para la acuapónica, los desechos animales son los excrementos de peces liberados en los tanques de cultivo. Las mismas bacterias nitrificantes que viven en tierra también se establecerán naturalmente en el agua o en todas las superficies húmedas, convirtiendo el amoníaco de los residuos de peces en el nitrato fácilmente asimilable para que las plantas las utilicen. La nitrificación en sistemas acuapónicos proporciona nutrientes para las plantas y elimina el amoníaco y el nitrito que son tóxicos (Figura 2.5).
*Fuente: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus y Alessandro Lovatelli, Small scale aquaponic food production, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproducido con permiso. *
Mantener una colonia bacteriana saludable
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Los principales parámetros que afectan el crecimiento de bacterias que deben tenerse en cuenta al mantener un biofiltro sano son la superficie adecuada y las condiciones adecuadas del agua.
Área de superficie
Las colonias bacterianas prosperarán en cualquier material, como las raíces de las plantas, a lo largo de las paredes de los tanques de peces y dentro de cada tubería de cultivo. El área total disponible para estas bacterias determinará la cantidad de amoníaco que son capaces de metabolizar. Dependiendo de la biomasa de los peces y el diseño del sistema, las raíces de las plantas y las paredes del tanque pueden proporcionar un área adecuada. Los sistemas con alta densidad de población de peces requieren un componente de biofiltración separado donde se contiene un material con una superficie elevada, como medios de cultivo inertes: grava, toba o arcilla expandida (Figura 2.7).
pH del agua
El pH es lo ácida o básica que es el agua. El nivel de pH del agua tiene un impacto en la actividad biológica de las bacterias nitrificantes y su capacidad para convertir amoníaco y nitrito (Figura 2.8). Los rangos para los dos grupos nitrificantes siguientes han sido identificados como ideales, sin embargo, la literatura sobre el crecimiento de bacterias también sugiere un rango de tolerancia mucho mayor (6-8,5) debido a la capacidad de las bacterias para adaptarse a su entorno.
| Bacterias nitrificantes | pH óptimo | | — | — | | Nitrosomonas spp. | 7.2-7.8 | | Nitrobacter spp. | 7.2-8.2 |
Sin embargo, para la acuapónica, un rango de pH más apropiado es 6-7 porque este rango es mejor para las plantas y los peces (el capítulo 3 discute el compromiso sobre los parámetros de calidad del agua). Además, una pérdida de eficiencia bacteriana puede compensarse con más bacterias, por lo que los biofiltros deben dimensionarse en consecuencia.
Temperatura del agua
La temperatura del agua es un parámetro importante para las bacterias y para la acuapónica en general. El rango de temperatura ideal para el crecimiento y la productividad de las bacterias es de 17 a 34 °C. Si la temperatura del agua baja por debajo de 17 °C, la productividad de las bacterias disminuirá. Por debajo de 10 °C, la productividad puede reducirse en un 50 por ciento o más. Las bajas temperaturas tienen un impacto importante en la gestión de las unidades durante el invierno (véase el capítulo 8).
Oxígeno disuelto
Las bacterias nitrificantes necesitan un nivel adecuado de oxígeno disuelto (DO) en el agua en todo momento para mantener altos niveles de productividad.
La nitrificación es una reacción oxidativa, donde el oxígeno se usa como reactivo; sin oxígeno, la reacción se detiene. Los niveles óptimos de DO son de 4 a 8 mg/litro. La nitrificación disminuirá si las concentraciones de DO caen por debajo de 2,0 mg/ litro. Además, sin suficientes concentraciones de DO, puede crecer otro tipo de bacteria, una que convertirá los valiosos nitratos en nitrógeno molecular inutilizable en un proceso anaeróbico conocido como desnitrificación.
Luz ultravioleta
Las bacterias nitrificantes son organismos fotosensibles, lo que significa que la luz ultravioleta (UV) del sol es una amenaza. Esto es particularmente el caso durante la formación inicial de las colonias de bacterias cuando se establece un nuevo sistema aquapónico. Una vez que las bacterias han colonizado una superficie (3 -5 días), la luz UV no plantea ningún problema importante. Una forma sencilla de eliminar esta amenaza es cubrir los componentes de la pecera y filtración con material de protección UV, asegurando que no hay agua en el componente hidropónico esté expuesta al sol, al menos hasta que las colonias bacterianas estén completamente formadas.
Las bacterias nitrificantes crecerán en material con una superficie elevada (Figura 2.9), protegido con material de protección UV y bajo condiciones adecuadas de agua (Tabla 2.1).
TABLA DE ##### 2.1
Tolerancia de calidad del agua para bacterias nitrificantes
| | **Temperatura (°C) ** | pH | **Amoníaco (mg/litro) ** | **Nitrito (mg/litro) ** | **Nitrato (mg/litro) ** | **DO (mg/litro) ** | | — | — | — | — | — | — | — | | Rango de tolerancia | 17 -34 | 6 -8,5 |\ < 3 |\ < 3 |\ < 400 | 4 -8 |
*Fuente: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus y Alessandro Lovatelli, Small scale aquaponic food production, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproducido con permiso. *
El biofiltro
Original publication · Publicado por primera vez en FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations
Las bacterias nitrificantes son vitales para el funcionamiento general de una unidad acuapónica. El capítulo 4 describe cómo funciona el componente de biofiltro para cada método aquapónico, y el capítulo 5 describe los diferentes grupos de bacterias que operan en una unidad acuapónica. Dos grandes grupos de bacterias nitrificantes están involucrados en el proceso de nitrificación: 1) las bacterias oxidantes de amoníaco (AOB), y 2) las bacterias oxidantes de nitritos (NOB) (Figura 2.6). Metabolizan el amoníaco en el siguiente orden:
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Las bacterias AOB convierten el amoníaco (NH) en nitrito (NO₂-)
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Las bacterias NOB convierten el nitrito (NO₂-) en nitrato (NO-)
Como se muestra en los símbolos químicos, el AOB oxida (añade oxígeno al) el amoníaco y crea nitrito (NO₂-) y el NOB oxida aún más el nitrito (NO₂-) en nitrato (NO-). El género Nitrosomonas es el AOB más común en acuapónica, y el género Nitrobacter es el NOB más común; estos nombres se usan frecuentemente indistintamente en la literatura y se usan a lo largo de esta publicación.
En resumen, el ecosistema dentro de la unidad acuapónica depende totalmente de las bacterias. Si las bacterias no están presentes o si no funcionan correctamente, las concentraciones de amoníaco en el agua matarán a los peces. Es vital mantener y manejar una colonia bacteriana sana en el sistema en todo momento para mantener los niveles de amoníaco cerca de cero.
*Fuente: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus y Alessandro Lovatelli, Small scale aquaponic food production, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproducido con permiso. *
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