Source material

Bacterias en la acuapónica

1. Bacterias heterotróficas y mineralización

   Original publication 2014 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Hay otro grupo importante de bacterias, así como otros microorganismos, involucrados en la acuapónica. Este grupo de bacterias generalmente se denomina grupo heterotrófico. Estas bacterias utilizan carbono orgánico como fuente de alimento, y están involucradas principalmente en la descomposición de peces sólidos y residuos vegetales. La mayoría de los peces sólo retienen entre el 30 y el 40 por ciento de los alimentos que comen, lo que significa que entre el 60 y el 70 por ciento de lo que comen se libera De estos residuos, entre el 50 y el 70 por ciento son desechos disueltos liberados como amoníaco. Sin embargo, el resto de residuos es una mezcla orgánica que contiene proteínas, carbohidratos, grasas, vitaminas y minerales. Las bacterias heterotróficas metabolizan estos desechos sólidos en un proceso llamado mineralización, que hace que los micronutrientes esenciales estén disponibles para las plantas en acuapónica (Figura 5.2).

   

   Estas bacterias heterotróficas, así como algunos hongos naturales, ayudan a descomponer la porción sólida de los residuos de pescado. Al hacerlo, liberan los nutrientes encerrados en los residuos sólidos en el agua. Este proceso de mineralización es esencial porque las plantas no pueden absorber nutrientes en forma sólida. Los desechos deben ser divididos en moléculas simples para ser absorbidos por las raíces de las plantas. Las bacterias heterotróficas se alimentan de cualquier forma de material orgánico, como residuos sólidos de pescado, alimentos para peces sin comer, plantas moribundas, hojas de plantas moribundas e incluso bacterias muertas. Hay muchas fuentes de alimentos disponibles para estas bacterias en unidades acuapónicas.

   Las bacterias heterotróficas requieren condiciones de crecimiento similares a las bacterias nitrificantes, especialmente en niveles altos de DO. Las bacterias heterotróficas colonizan todos los componentes de la unidad, pero están especialmente concentradas donde se acumulan los residuos sólidos. Las bacterias heterotróficas crecen mucho más rápido que las bacterias nitrificantes, reproduciéndose en horas en lugar de días. En camas de medios, los desechos se acumulan en el fondo, zona permanentemente húmeda y muchas bacterias heterotróficas se encuentran aquí. En otros sistemas, las colonias principales se encuentran en los filtros y separadores, y en los canales. La mineralización es importante en acuapónica porque libera varios micronutrientes que son necesarios para el crecimiento de la planta. Sin mineralización, algunas plantas pueden experimentar deficiencias de nutrientes y necesitarían fertilizante suplementario.

   Las bacterias heterotróficas son ayudadas en la descomposición de los residuos sólidos por una comunidad de otros organismos. A menudo, las lombrices de tierra, los isópodos, los anfípodos, las larvas y otros animales pequeños se pueden encontrar en los sistemas acuapónicos, especialmente dentro de los medios de comunicación. Estos organismos trabajan junto con las bacterias para descomponer los residuos sólidos, y tener esta comunidad puede prevenir la acumulación de sólidos.

   *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. *

2. Bacterias nitrificantes y el biofiltro

   Original publication 2014 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   En el capítulo 2 se discutió el papel vital de las bacterias nitrificantes en relación con el proceso acuapónico general. Las bacterias nitrificantes convierten los residuos de pescado, que ingresan al sistema principalmente como amoníaco, en nitrato, que es fertilizante para las plantas (Figura 5.1). Este es un proceso de dos pasos, y dos grupos separados de bacterias nitrificantes están involucrados. El primer paso es convertir el amoníaco en nitrito, lo cual es hecho por la bacteria oxidante de amoníaco (AOB). Estas bacterias son a menudo referidas por el nombre del género del grupo más común, el Nitrosomonas. El segundo paso es convertir el nitrito en nitrato es hecho por la bacteria oxidante de nitritos (NOB). Estos son comúnmente referidos por el nombre del género del grupo más común, el Nitrobacter. Hay muchas especies dentro de estos grupos, pero para los fines de esta publicación, las diferencias individuales no son importantes, y es más útil considerar el grupo como un todo. El proceso de nitrificación ocurre de la siguiente manera:

   1. Las bacterias AOB convierten el amoníaco (NH) en nitrito (NO₂-)

   2. Las bacterias NOB convierten el nitrito (NO₂-) en nitrato (NO-)

   

   La nitrificación y, por lo tanto, una colonia bacteriana saludable es esencial para el funcionamiento del sistema aquapónico. Las bacterias nitrificantes son relativamente lentas para reproducirse y establecer colonias, requiriendo días y a veces semanas, y por lo tanto la paciencia del agricultor es uno de los parámetros de manejo más importantes a la hora de establecer un nuevo sistema acuapónico. Muchos acuarios y sistemas acuapónicos han fallado porque se añadieron demasiados peces antes de que la colonia de bacterias estuviera completamente desarrollada. Existen varios otros parámetros clave para apoyar las bacterias nitrificantes. Generalmente, las bacterias requieren un lugar grande y oscuro para colonizar con buena calidad del agua, alimentos adecuados y oxígeno. A menudo, las bacterias nitrificantes forman una matriz viscosa, marrón claro o beige en el biofiltro, y tienen un olor distintivo que es difícil de describir, pero no huele particularmente sucio, lo que podría indicar otros microorganismos.

   Superficie alta

   El material de biofiltración con una superficie específica alta (SSA) es óptimo para desarrollar extensas colonias de bacterias nitrificantes. El SSA es una relación que define la superficie expuesta a partir de un volumen determinado de medios, y se expresa en metros cuadrados por metros cúbicos (m2/m3). En general, cuanto más pequeñas y porosas sean las partículas de los medios, mayor será la superficie disponible para que las bacterias colonicen. Esto da como resultado una biofiltración más eficiente. Hay muchos de estos materiales utilizados en acuapónica, ya sea como medio de cultivo o para la biofiltración, por ejemplo, grava volcánica, arcilla expandida, bolas de biofiltro plásticas comerciales y raíces vegetales. La toba volcánica y Bioballs® considerados en este manual tienen, respectivamente, 300 m2/m3y 600 m2/m3, lo que es un SSA adecuado para permitir que las bacterias prosperen. Otras características y SSA de los diferentes medios utilizados en acuapónica se resumen en la Tabla 4.1 y en el Apéndice 4. Si el material del biofiltro no es ideal y tiene una relación de superficie menor a volumen, entonces el biofiltro debe ser más grande. Un biofiltro sobredimensionado no puede dañar un sistema acuapónico, y aunque los biofiltros excesivamente grandes añadirían gastos innecesarios, el exceso de capacidad de biofiltración ha salvado a muchos sistemas del colapso.

   pH del agua

   Las bacterias nitrificantes funcionan adecuadamente a través de un rango de pH de 6-8,5. Generalmente, estas bacterias funcionan mejor a pH más alto, con el grupo Nitrosomonas prefiriendo un pH de 7.2-7.8, y el grupo Nitrobacter prefiriendo un pH de 7.2-8.2. Sin embargo, el pH objetivo para la acuapónica es 6-7, lo cual es un compromiso entre todos los organismos dentro de este ecosistema. Las bacterias nitrificantes funcionan adecuadamente dentro de este rango, y cualquier disminución de la actividad bacteriana puede compensarse con un biofiltro más grande.

   Temperatura del agua

   El rango de temperatura óptimo para nitrificar bacterias es de 17-34 °C. Este rango favorece el crecimiento y la productividad. Si la temperatura del agua cae por debajo de este rango, la productividad de las bacterias tenderá a disminuir. En particular, el grupo Nitrobacter es menos tolerante a temperaturas más bajas que el grupo Nitrosomonas, y como tal, durante los períodos más fríos el nitrito debe ser monitoreado más cuidadosamente para evitar acumulaciones perjudiciales.

   Oxígeno disuelto

   Las bacterias nitrificantes necesitan niveles adecuados de DO en el agua en todo momento para crecer de forma saludable y mantener altos niveles de productividad. La nitrificación es una reacción de reducción/oxidación (redox), donde las bacterias derivan la energía para vivir cuando el oxígeno se combina con el nitrógeno. Los niveles óptimos de DO son 4-8 mg/l, que es también el nivel requerido para los peces y las plantas. La nitrificación no se produce si la concentración de DO cae por debajo de 2 mg/litro. Garantizar una biofiltración adecuada dedicando aireación al biofiltro, ya sea mediante ciclos de inundación y drenaje en lechos de medios, piedras de aire en biofiltros externos o líneas de retorno de agua en cascada a los canales y tanques de sumideros.

   Luz UV

   Las bacterias nitrificantes son fotosensibles hasta que establecen completamente una colonia, y la luz solar puede causar un daño considerable al biofiltro. Las camas multimedia ya protegen a las bacterias de la luz solar; pero si utiliza un biofiltro externo, asegúrese de mantenerlo sombreado de la luz solar directa.

   Monitoreo de actividad bacteriana

   Si se respetan todos estos cinco parámetros, es seguro suponer que las bacterias están presentes y funcionan correctamente. Dicho esto, las bacterias son tan importantes para la acuapónica que vale la pena conocer la salud general de las bacterias en cualquier momento dado. Sin embargo, las bacterias son organismos microscópicos, y es imposible verlas sin un microscopio. Existe un método simple para controlar la función bacteriana; las pruebas de amoníaco, nitrito y nitrato proporcionan información sobre la salud de la colonia bacteriana. El amoníaco y el nitrito deben ser siempre 0-1 mg/litro en una unidad acuapónica en funcionamiento y equilibrada. Si alguno de ellos es detectable, indica un problema con las bacterias nitrificantes. Hay dos posibles razones comunes para que esto ocurra. En primer lugar, el biofiltro es demasiado pequeño para la cantidad de pescado y alimento para peces. Por lo tanto, hay un desequilibrio y hay demasiados peces. Para rectificar, aumentar el tamaño del biofiltro o reducir el número de peces, o el régimen de alimentación de los peces. A veces, este problema puede ocurrir cuando el sistema comenzó balanceado cuando los peces eran más pequeños, pero gradualmente se desequilibró a medida que los peces crecían y eran alimentados más con el biofiltro del mismo tamaño. En segundo lugar, si el sistema está equilibrado en tamaño, entonces las bacterias mismas pueden no estar funcionando correctamente. Esto podría indicar un problema con la calidad del agua, y cada parámetro enumerado anteriormente debe ser verificado. A menudo, esto puede ocurrir durante las temporadas de invierno, ya que la temperatura del agua comienza a bajar y la actividad bacteriana se ralentiza.

   *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. *

3. Ciclismo del sistema e inicio de una colonia de biofiltros

   Original publication 2014 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Ciclismo de sistema es un término que describe el proceso inicial de construcción de una colonia bacteriana al iniciar por primera vez cualquier RAS, incluyendo una unidad acuapónica. En circunstancias normales, esto toma 3-5 semanas; el ciclismo es un proceso lento que requiere paciencia. En general, el proceso implica introducir constantemente una fuente de amoníaco en la unidad acuapónica, alimentar a la nueva colonia bacteriana y crear un biofiltro. El progreso se mide mediante el control de los niveles de nitrógeno. Generalmente, el ciclismo se lleva a cabo una vez construido un sistema aquapónico, pero es posible dar al biofiltro una ventaja al crear un nuevo sistema aquapónico. Es importante entender que durante el proceso de ciclismo habrá altos niveles de amoníaco y nitrito, que podrían ser perjudiciales para los peces. Además, asegúrese de que todos los componentes acuapónicos, en particular el biofiltro y el tanque de peces, estén protegidos de la luz solar directa antes de iniciar el proceso.

   Una vez introducido en la unidad, el amoníaco se convierte en una fuente de alimento inicial para el AOB, algunos de los cuales están ocurriendo naturalmente y reclutan al sistema por su cuenta. Se pueden encontrar en tierra, en agua y en el aire. Dentro de 5-7 días después de la primera adición de amoníaco, el AOB comienza a formar una colonia y comienza a oxidar el amoníaco en nitrito. El amoníaco debe agregarse continuamente, pero con cautela, para garantizar una alimentación adecuada a la colonia en desarrollo sin volverse tóxico. Después de otros 5-7 días los niveles de nitrito en el agua habrán comenzado a subir, lo que a su vez atrae a la NOB. A medida que aumentan las poblaciones NOB, los niveles de nitrito en el agua comenzarán a disminuir a medida que el nitrito se oxida en nitrato. El proceso completo se ilustra en la Figura 5.3, que muestra las tendencias de amoníaco, nitrito y nitrato en el agua durante los primeros 20-25 días de ciclismo.

   

   El final del proceso de ciclo se define como cuando el nivel de nitrato aumenta constantemente, el nivel de nitrito es de 0 mg/litro y el nivel de amoníaco es inferior a 1 mg/litro. En buenas condiciones, esto tarda unos 25-40 días, pero si la temperatura del agua es fría, el ciclismo completo puede tardar hasta dos meses en terminar. En este punto, se ha formado una colonia bacteriana suficiente y está convirtiendo activamente el amoníaco en nitrato. La razón por la cual este proceso es largo es porque las bacterias nitrificantes crecen relativamente lentamente, requiriendo 10-15 horas para duplicar la población. Sin embargo, algunas bacterias heterotróficas pueden duplicarse en tan solo 20 minutos.

   Los minoristas de acuarios o acuicultura venden varios productos que contienen bacterias nitrificantes vivas (en una botella). Una vez añadidos a la unidad, colonizan inmediatamente un sistema evitando así el proceso de ciclismo explicado anteriormente. Sin embargo, estos productos pueden ser costosos o no disponibles y, en última instancia, innecesarios, ya que el proceso de ciclismo se puede lograr utilizando medios orgánicos. Alternativamente, si hay otro sistema aquapónico disponible, es extremadamente útil compartir parte del biofiltro como semilla de bacterias para el nuevo sistema. Esto disminuye en gran medida el tiempo necesario para el ciclismo del sistema. También puede ser útil iniciar por separado un medio de biofiltro filtrando continuamente una solución que contenga 2-3 mg/l de amoníaco durante unas semanas de antelación. Los medios de comunicación funcionarían entonces como una imprimación simplemente incorporándola al nuevo biofiltro aquapónico. Se puede construir un simple sistema de goteo suspendiendo una caja de plástico ancha de medio por encima de un pequeño tanque que contiene la solución de amoníaco que está siendo circulada por una pequeña bomba de acuario.

   Muchas personas usan peces como fuente original de amoníaco en un tanque nuevo. Sin embargo, estos peces sufren los efectos de alto amoníaco y alto contenido de nitrito durante todo el proceso de ciclismo. Muchos acuaristas nuevos no tienen la paciencia para permitir que un tanque circule completamente y el resultado es que los nuevos peces mueren, comúnmente conocido como «síndrome de tanque nuevo». Si se utiliza pescado, se recomienda utilizar una densidad de media muy baja (≤ 1 kg/m3). En lugar de usar peces, hay otras fuentes de este amoníaco inicial para comenzar a alimentar a la colonia de biofiltros. Algunas fuentes posibles incluyen piensos para peces, desechos animales esterilizados, fertilizante de nitrato de amonio y amoníaco puro. Cada una de estas fuentes tiene positivos y negativos, y algunas fuentes son mucho mejores y más seguras de usar que otras.

   

   La mejor fuente de amoníaco es el alimento de pescado finamente molido porque es un producto biológicamente seguro, y es relativamente fácil controlar la cantidad de amoníaco que se añade (Figura 5.4). Asegúrese de utilizar alimentos para peces frescos, vírgenes y libres de enfermedades solamente. Los residuos de pollo, a pesar de ser una excelente fuente de amoníaco, pueden ser muy arriesgados y pueden introducir bacterias peligrosas en el sistema aquapónico (Figura 5.5). Escherichia coli y Salmonella spp. se encuentran comúnmente en el pollo y otros estiércol animal y, por lo tanto, cualquier estiércol debe esterilizarse antes de su uso. Se pueden usar productos domésticos de amoníaco, pero asegúrese de que el producto sea 100% de amoníaco y no incluya otros ingredientes como detergentes, colorantes o metales pesados que podrían arruinar todo el sistema. Una vez seleccionada la fuente de amoníaco, es importante añadir el amoníaco de forma lenta y consistente, y controlar los niveles de nitrógeno cada 2-3 días (Figura 5.6). Es útil registrar niveles en un gráfico para rastrear el proceso del ciclismo. Es importante no agregar demasiado amoníaco, y es mejor tener un poco demasiado poco que demasiado. El nivel objetivo es de 1-2 mg/litro. Si los niveles de amoníaco superan los 3 mg/l, es necesario realizar un intercambio de agua para diluir el amoníaco a fin de evitar que inhiba la bacteria.

   

   Añadir peces y plantas durante el proceso de ciclismo

   Las plantas y los peces deben agregarse solo después de que el ciclo esté completo. Las plantas se pueden agregar un poco antes, pero esperan deficiencias de nutrientes en estas primeras plantas durante este período porque otros nutrientes tardan tiempo en alcanzar concentraciones óptimas (Figura 5.7).

   El diagrama no está disponible en esta copia migrada; consulte la edición original.

   Sólo una vez que los niveles de amoníaco y nitrito estén por debajo de 1 mg/litro es seguro comenzar a almacenar el pescado. Siempre comience a almacenar el pescado lentamente. Una vez que los peces han sido almacenados, no es raro ver un pico secundario y más pequeño de amoníaco y nitrito. Esto sucede si el amoníaco creado a partir de los peces recién almacenados es mucho mayor que las cantidades diarias de amoníaco añadidas durante el proceso de ciclismo. Seguir controlando los niveles de los tres tipos de nitrógeno y estar preparado para realizar intercambios de agua si los niveles de amoníaco o nitrito aumentan por encima de 1 mg/l mientras el sistema continúa en ciclo.

   *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. *

4. bacterias no deseadas

   Original publication 2014 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Bacterias reductoras de sulfato

   Las bacterias nitrificantes y mineralizantes son útiles para los sistemas acuapónicos, pero algunos otros tipos de bacterias son dañinas. Uno de estos grupos dañinos de bacterias es el grupo reductor de sulfato. Estas bacterias se encuentran en condiciones anaeróbicas (sin oxígeno), donde obtienen energía a través de una reacción redox usando azufre. El problema es que este proceso produce sulfuro de hidrógeno (H2S), que es extremadamente tóxico para los peces. Estas bacterias son comunes, que se encuentran en lagos, marismas y estuarios de todo el mundo, y forman parte del ciclo natural del azufre. Estas bacterias son responsables del olor de los huevos podridos, y también del color gris-negro de los sedimentos. El problema en la acuapónica es cuando los desechos sólidos se acumulan a un ritmo más rápido que las bacterias heterotróficas y la comunidad asociada pueden procesarlos y mineralizarlos de manera efectiva, lo que a su vez puede conducir a condiciones de supuración anóxica que soportan estas bacterias reductoras de sulfato. En sistemas de alta densidad de peces, los peces producen tantos residuos sólidos que los filtros mecánicos no pueden limpiarse lo suficientemente rápido, lo que anima a estas bacterias a multiplicarse y producir sus metabolitos nocivos. Los grandes sistemas acuapónicos a menudo contienen un tanque de desgasificación donde el sulfuro de hidrógeno puede ser liberado de forma segura de vuelta a la atmósfera. La desgasificación es innecesaria en sistemas de pequeña escala. Sin embargo, incluso en sistemas de pequeña escala, si se detecta un mal olor, que recuerda a los huevos podridos o las aguas residuales crudas, es necesario tomar las medidas de gestión adecuadas. Estas bacterias sólo crecen en condiciones anóxicas, por lo que para prevenirlas, asegúrese de suministrar una aireación adecuada y aumentar la filtración mecánica para evitar la acumulación de lodos.

   Bacterias desnitrificantes

   Un segundo grupo de bacterias no deseadas son las responsables de la desnitrificación. Estas bacterias también viven en condiciones anaeróbicas. Convierte el nitrato, que es el fertilizante codiciado para las plantas, de nuevo en nitrógeno atmosférico que no está disponible para las plantas. Estas bacterias también son comunes en todo el mundo y son importantes por derecho propio (ver Figura 2.4). Sin embargo, dentro de los sistemas acuapónicos, estas bacterias pueden disminuir la eficiencia mediante la eliminación efectiva del fertilizante nitrogenado. Esto suele ser un problema con camas grandes DWC que no están suficientemente oxigenadas. Se podría sospechar un problema cuando las plantas muestran signos de deficiencias de nitrógeno a pesar de que el sistema está en equilibrio, y cuando hay una concentración de nitrato muy baja en el agua. Investigue posibles áreas dentro de los canales de DWC que no estén circulando correctamente, y aumente aún más la aireación con piedras de aire.

   Algunos sistemas acuapónicos grandes utilizan deliberadamente la desnitrificación. La relación de velocidad de alimentación equilibra los nutrientes de las plantas, pero generalmente da como resultado altos niveles de nitrato. Este nitrato puede diluirse durante los intercambios de agua (sugerido en esta publicación para sistemas de pequeña escala). Alternativamente, se puede fomentar la desnitrificación controlada en el filtro mecánico. Esta técnica requiere atención cuidadosa y desgasamiento, y no se recomienda para sistemas pequeños. Más información se puede encontrar en la sección de Lectura adicional.

   Bacterias patógenas

   Un último grupo de bacterias no deseadas son aquellas que causan enfermedades en plantas, peces y humanos. Estas enfermedades se tratan por separado en otras partes de esta publicación, con los capítulos 6 y 7 sobre las enfermedades de las plantas y los peces, respectivamente, y la sección 8.6 sobre la seguridad humana. En general, es importante que existan buenas prácticas agrícolas (GAP) que mitiguen y minimicen el riesgo de enfermedades bacterianas dentro de los sistemas acuapónicos. Evitar que los patógenos entren en el sistema garantizando una buena higiene de los trabajadores; evitando que los roedores defecen en el sistema; manteniendo a los mamíferos silvestres (y a los perros y gatos) alejados de los sistemas acuapónicos; evitando el uso de agua contaminada; y teniendo en cuenta que cualquier alimento vivo puede ser un vector para introducir extraterrestres microorganismos en el sistema. Es especialmente importante no utilizar la recolección de agua de lluvia de tejados con heces de pájaro a menos que el agua se trate primero. El mayor riesgo de los animales de sangre caliente es la introducción de Escherichia coli, y las aves a menudo portan Salmonella spp.; bacterias peligrosas pueden entrar en el sistema con heces animales. Segundo, después de la prevención, nunca deje que el agua acuapónica entre en contacto con las hojas de las plantas. Esto previene muchas enfermedades de las plantas, así como la posible contaminación del agua de los peces para los productos humanos, especialmente si el producto va a ser consumido crudo. Lavar siempre las verduras antes de consumirlas, aquapónicas o de otro modo. En general, el sentido común y la limpieza son los mejores protectores contra las enfermedades de la acuapónica. A lo largo de esta publicación y en la sección titulada Lectura adicional se proporcionan fuentes adicionales para la inocuidad de los alimentos aquapónicos.

   *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. *