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Capitolo 1: Acquaponica e sfide alimentari globali

1. 1.1 Introduzione

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   La produzione alimentare si basa sulla disponibilità di risorse, come terra, acqua dolce, energia fossile e sostanze nutritive (Conijn et al. 2018), e il consumo corrente o il degrado di queste risorse supera il loro tasso di rigenerazione globale (Van Vuuren et al. 2010). Il concetto di confini planetari (Fig. 1.1) mira a definire i limiti ambientali entro i quali l'umanità può operare in modo sicuro per quanto riguarda le scarse risorse (Rockström et al. 2009). I confini dei flussi biochimici che limitano l'approvvigionamento alimentare sono più severi dei cambiamenti climatici (Steffen et al. 2015). Oltre al riciclo dei nutrienti, i cambiamenti alimentari e la prevenzione dei rifiuti sono integralmente necessari per trasformare la produzione attuale (Conijn et al. 2018; Kahiluoto et al. 2014). Pertanto, una grande sfida globale è spostare il modello economico basato sulla crescita verso un paradigma eco-economico equilibrato che sostituisce la crescita infinita con lo sviluppo sostenibile (Manelli 2016). Per mantenere un paradigma equilibrato, sono necessari sistemi di coltura innovativi e più ecologici, in modo da bilanciare i compromessi tra bisogni umani immediati, pur mantenendo la capacità della biosfera di fornire i beni e i servizi richiesti (Ehrlich e Harte 2015).

   Il diagramma non è disponibile in questa copia migrata; consulta l’edizione originale.

   Fig. 1.1 Stato attuale delle variabili di controllo per sette dei confini planetari come descritto da Steffen et al. (2015). La zona verde è lo spazio operativo sicuro, il giallo rappresenta la zona di incertezza (rischio crescente), il rosso è una zona ad alto rischio e i confini della zona grigia sono quelli che non sono ancora stati quantificati. Le variabili delineate in blu (cioè cambiamento del sistema terrestre, uso di acqua dolce e flussi biochimici) indicano i confini planetari sui quali l'acquaponica può avere un impatto positivo su

   In questo contesto, l'acquaponica è stata identificata come un approccio agricolo che, attraverso il riciclo dei nutrienti e dei rifiuti, può aiutare ad affrontare sia i confini planetari (Fig. 1.1) che gli obiettivi di sviluppo sostenibile, in particolare per le regioni aride o le aree con terreni non arabili (Goddek e Körner 2019; Appelbaum e Kotzen 2016; Kotzen e Appelbaum 2010). L'acquaponica viene proposta anche come soluzione per l'utilizzo di terreni marginali nelle aree urbane per la produzione alimentare più vicina ai mercati. Un tempo in gran parte una tecnologia di backyard (Bernstein 2011), l'acquaponica sta ora crescendo rapidamente nella produzione su scala industriale, poiché i miglioramenti tecnici nella progettazione e nella pratica consentono un aumento significativo delle capacità di produzione e dell'efficienza produttiva. Una di queste aree di evoluzione è nel campo dei sistemi acquaponici accoppiati vs. disaccoppiati. I progetti tradizionali per sistemi acquaponici a ciclo unico comprendono sia unità di acquacoltura che idroponica tra le quali ricircola l'acqua. In tali sistemi tradizionali, è necessario compromettere le condizioni di entrambi i sottosistemi in termini di pH, temperatura e concentrazioni di nutrienti (Goddek et al. 2015; Kloas et al. 2015) (cfr. cap. 7). Un sistema acquaponico disaccoppiato, tuttavia, può ridurre la necessità di compromessi separando i componenti, consentendo così di ottimizzare le condizioni di ciascun sottosistema. L'utilizzo dei digestori dei fanghi è un altro modo chiave per massimizzare l'efficienza attraverso il riutilizzo dei rifiuti solidi (Emerenciano et al. 2017; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2015). Sebbene molte delle più grandi strutture al mondo si trovino ancora in regioni aride (penisola arabica, Australia e Africa sub-sahariana), questa tecnologia viene adottata anche altrove, poiché i progressi nel design hanno sempre più fatto dell'acquaponica non solo un'impresa di risparmio idrico, ma anche un'efficienza energetica e nutriente sistema di riciclaggio.

2. 1.2 Domanda e offerta

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   L'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile sottolinea la necessità di affrontare le sfide globali, che vanno dal cambiamento climatico alla povertà, con la produzione alimentare sostenibile una priorità elevata (Brandi 2017; ONU 2017). Come riflette l'Obiettivo di Sviluppo Sostenibile 2 delle Nazioni Unite (ONU 2017), una delle maggiori sfide che il mondo deve affrontare è come garantire che una popolazione globale in crescita, che dovrebbe salire a circa 10 miliardi entro il 2050, sia in grado di soddisfare le sue esigenze nutrizionali. Per nutrire altri due miliardi di persone entro il 2050, la produzione alimentare dovrà aumentare del 50% a livello globale (FAO 2017). Anche se sarà necessario produrre più cibo, vi è una diminuzione della forza lavoro rurale a causa della crescente urbanizzazione (dos Santos 2016). La popolazione rurale mondiale è diminuita dal 66,4% al 46,1% nel periodo dal 1960 al 2015 (FAO 2017). Mentre, nel 2017, le popolazioni urbane rappresentavano più del 54% della popolazione mondiale totale, quasi tutta la crescita futura della popolazione mondiale si verificherà nelle aree urbane, in modo tale che entro il 2050, il 66% della popolazione mondiale vivrà nelle città (ONU 2014). Questa crescente urbanizzazione delle città è accompagnata da una rete in continua crescita di sistemi infrastrutturali, comprese le reti di trasporto.

   Per garantire la sicurezza alimentare globale, la produzione alimentare totale dovrà aumentare di oltre il 70% nei prossimi decenni per raggiungere gli Obiettivi di Sviluppo del Millennio (FAO 2009), che comprendono «l'eradicazione della povertà estrema e della fame» e anche «garantire la sostenibilità ambientale». Allo stesso tempo, la produzione alimentare dovrà affrontare inevitabilmente altre sfide, come il cambiamento climatico, l'inquinamento, la perdita di biodiversità, la perdita di impollinatori e il degrado dei seminativi. Tali condizioni richiedono l'adozione di rapidi progressi tecnologici, metodi di produzione più efficienti e sostenibili, nonché di catene di approvvigionamento alimentare più efficienti e sostenibili, dato che circa un miliardo di persone sono già cronicamente malnutrite, mentre i sistemi agricoli continuano a degradare la terra, acqua e biodiversità su scala globale (Foley et al. 2011; Godfray et al. 2010).

   Recenti studi dimostrano che le attuali tendenze nel miglioramento della resa agricola non saranno sufficienti per soddisfare la domanda alimentare mondiale prevista entro il 2050, e questi ultimi suggeriscono inoltre che sarà necessaria un'espansione delle aree agricole (Bajželj et al. 2014). Tuttavia, il diffuso degrado dei terreni insieme ad altri problemi ambientali sembra rendere impossibile questo. Attualmente i terreni agricoli coprono più di un terzo della superficie terrestre mondiale, ma meno di un terzo di essi è seminativo (circa il 10%) (Banca Mondiale 2018). Negli ultimi tre decenni, la disponibilità di terreni agricoli è diminuita lentamente, come evidenziato da una diminuzione di oltre il 50% tra il 1970 e il 2013. Gli effetti della perdita dei seminativi non possono essere risolti convertendo le aree naturali in terreni agricoli, poiché molto spesso ciò comporta erosione e perdita di habitat. L'aratura comporta la perdita di terreno superficiale attraverso l'erosione del vento e dell'acqua, con conseguente riduzione della fertilità del suolo, aumento dell'uso di fertilizzanti e, infine, il degrado del terreno. Le perdite di suolo da terra possono poi finire in stagni, dighe, laghi e fiumi, causando danni a questi habitat.

   In breve, la popolazione globale sta rapidamente crescendo, urbanizzando e diventando più ricca. Di conseguenza, anche i modelli dietetici stanno cambiando, creando così una maggiore domanda di alimenti intensivi di gas serra (GHG), come carne e prodotti lattiero-caseari, con un fabbisogno di terreni e risorse maggiori (Garnett 2011). Ma mentre il consumo globale è in crescita, le risorse disponibili del mondo, cioè terra, acqua e minerali, rimangono limitate (Garnett 2011). Considerando l'analisi completa del ciclo di vita dei diversi prodotti alimentari, tuttavia, sia Weber che Matthews (2008) e Engelhaupt (2008) suggeriscono che i cambiamenti alimentari possono essere uno strumento più efficace per ridurre l'impronta climatica alimentare di una famiglia media rispetto all'acquisto di prodotti locali. Pertanto, invece di guardare alla riduzione delle catene di approvvigionamento, è stato sostenuto che uno spostamento dietetico dalla carne e dai prodotti lattiero-caseari verso un'agricoltura orientata alla nutrizione può essere più efficace nel ridurre l'energia e le impronte (Engelhaupt 2008; Garnett 2011).

   La complessità degli squilibri domanda-offerta è aggravata dal deterioramento delle condizioni ambientali, il che rende la produzione alimentare sempre più difficile e/o imprevedibile in molte regioni del mondo. Le pratiche agricole non possono solo minare i confini planetari (Fig. 1.1), ma anche aggravare la persistenza e la propagazione delle zoonotiche e di altri rischi per la salute (Garnett 2011). Tutti questi fattori fanno sì che il sistema alimentare globale perda la sua resilienza e diventi sempre più instabile (Suweis et al. 2015).

   L'ambiziosa scadenza 2015 degli Obiettivi di Sviluppo del Millennio (OSM) dell'OMS per sradicare la fame e la povertà, migliorare la salute e garantire la sostenibilità ambientale è ormai passata, ed è diventato chiaro che fornire cibo nutriente sia per le popolazioni denutrite che per le popolazioni benestanti non è una compito semplice. In sintesi, i cambiamenti climatici, la perdita di terreni e la diminuzione della qualità del suolo, le catene alimentari sempre più complesse, la crescita urbana, l'inquinamento e altre condizioni ambientali avverse impongono l'urgente necessità non solo di trovare nuovi modi di coltivare cibo nutriente economicamente, ma anche di localizzare la produzione alimentare strutture più vicine ai consumatori. La realizzazione degli OSM richiederà cambiamenti nella pratica, come la riduzione dei rifiuti, delle emissioni di carbonio e delle impronte ecologiche, e l'acquaponica è una delle soluzioni che hanno il potenziale per raggiungere questi obiettivi.

3. 1.3 Sfide scientifiche e tecnologiche nell'acquaponica

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   Mentre l'acquaponica è considerata una delle principali tecnologie di produzione alimentare che «potrebbero cambiare le nostre vite» (van Woensel et al. 2015), in termini di produzione alimentare sostenibile ed efficiente, l'acquaponica può essere semplificata e diventare ancora più efficiente. Uno dei problemi chiave dei sistemi acquaponici convenzionali è che i nutrienti negli effluenti prodotti dai pesci sono diversi dalla soluzione nutritiva ottimale per le piante. I sistemi acquaponici disaccoppiati (DAPS), che utilizzano l'acqua dei pesci ma non restituiscono l'acqua ai pesci dopo le piante, possono migliorare i disegni tradizionali introducendo componenti di mineralizzazione e bioreattori di fanghi contenenti microbi che convertono la materia organica in forme biodisponibili di minerali chiave, in particolare fosforo, magnesio, ferro, manganese e zolfo che sono carenti di effluenti tipici di pesce. Contrariamente ai componenti di mineralizzazione nei sistemi a ciclo singolo, l'effluente del bioreattore nel DAPS viene alimentato solo al componente vegetale invece di essere diluito nell'intero sistema. Pertanto, i sistemi disaccoppiati che utilizzano i digestori dei fanghi consentono di ottimizzare il riciclo dei rifiuti organici dei pesci come nutrienti per la crescita delle piante (Goddek 2017; Goddek et al. 2018). I rifiuti di tali sistemi comprendono principalmente fanghi di pesce (cioè feci e mangimi non consumati che non sono in soluzione) e quindi non possono essere consegnati direttamente in un sistema idroponico. I bioreattori (cfr. cap. 10 sono quindi un componente importante che può trasformare i fanghi altrimenti inutilizzabili in fertilizzanti idroponici o riutilizzare rifiuti organici quali fusti e radici della pianta componente di produzione in biogas per la generazione di calore ed elettricità o disegni DAPS che forniscono anche cicli di acqua controllati in modo indipendente per ogni unità, permettendo così la separazione dei sistemi (RAS, idroponici e digestori) come richiesto per il controllo dei flussi di nutrienti. L'acqua si muove tra i componenti in un circuito di conservazione dell'energia e dei nutrienti, in modo che i carichi e i flussi di nutrienti in ciascun sottosistema possano essere monitorati e regolati in modo da soddisfare meglio i requisiti a valle. Ad esempio, il fosforo (P) è una risorsa fossile essenziale ma esauribile che viene estratta per fertilizzanti, ma le forniture mondiali sono attualmente esaurite ad un ritmo allarmante. L'utilizzo di digestori in sistemi acquaponici disaccoppiati consente ai microbi di convertire il fosforo nei rifiuti di pesce in ortofosfati che possono essere utilizzati dalle piante, con alti tassi di recupero (Goddek et al. 2016, 2018).

   Sebbene i sistemi disaccoppiati siano molto efficaci nel recupero dei nutrienti, con una perdita di nutrienti quasi zero, la scala di produzione in ciascuna unità è importante dato che i flussi di nutrienti provenienti da una parte del sistema devono essere abbinati al potenziale di produzione a valle di altri componenti. Il software di modellazione e i sistemi di acquisizione dati SCADAS (Supervisory Control and Data Acquisition) diventano quindi importanti per analizzare e segnalare il flusso, le dimensioni, le bilance di massa e le tolleranze di ogni unità, rendendo possibile la previsione di parametri fisici ed economici (ad esempio carichi nutritivi, abbinamenti di impianti, portate e costi per mantenere parametri ambientali specifici). In Chap. 11, esamineremo più in dettaglio la teoria dei sistemi applicata ai sistemi acquaponici e dimostreremo come la modellazione possa risolvere alcuni dei problemi di scala, mentre le soluzioni tecnologiche innovative possono aumentare l'efficienza e quindi redditività di tali sistemi. Il ridimensionamento è importante non solo per prevedere la redditività economica, ma anche per prevedere i risultati di produzione in base ai rapporti nutritivi disponibili.

   Un'altra questione importante, che richiede un ulteriore sviluppo, è l'uso e il riutilizzo dell'energia. I sistemi acquaponici sono ad alta intensità energetica e infrastrutturale. A seconda della radiazione solare ricevuta, l'uso del fotovoltaico solare, delle fonti termiche solari e della dissalazione (solare) potrebbe ancora non essere economicamente fattibile, ma potrebbe essere potenzialmente integrato nei sistemi acquaponici. In cap. 1, presentiamo informazioni sulle possibilità tecniche e operative innovative che hanno la capacità di superare i limiti intrinseci di tali sistemi, tra cui nuove entusiasmanti opportunità di implementare sistemi acquaponici in aree aride.

   In [cap. 2, discutiamo anche in modo più dettagliato la gamma di sfide ambientali che l'acquaponica può aiutare ad affrontare. Il controllo degli agenti patogeni, ad esempio, è molto importante, e i sistemi RAS contenuti presentano una serie di vantaggi ambientali per la produzione ittica, e uno dei vantaggi dei sistemi acquaponici disaccoppiati è la capacità di far circolare l'acqua tra i componenti e di utilizzare controlli indipendenti, in cui è più facile rilevare, isolare e decontaminare le singole unità in presenza di minacce patogene. I probiotici che sono benefici nella coltura ittica appaiono anche benefici per la produzione vegetale e possono aumentare l'efficienza produttiva quando circolano all'interno di un sistema chiuso (Sirakov et al. 2016). Tali sfide sono ulteriormente esplorate in cap. 5, dove discutiamo più dettagliatamente come l'innovazione in acquaponica possa comportare (a) una maggiore efficienza di utilizzo dello spazio (meno costi e materiali, massimizzando l'uso del suolo); (b) risorse di input ridotte, ad es. farina di pesce e risultati negativi ridotti, ad esempio scarico dei rifiuti; e c) uso ridotto di antibiotici e pesticidi in sistemi indipendenti.

   Esistono ancora diverse aree tematiche acquaponiche che richiedono più ricerche per sfruttare appieno le potenzialità di questi sistemi. Dal punto di vista scientifico, argomenti come il ciclismo dell'azoto (cap. 9), la rimineralizzazione aerobica e anaerobica (cap. 10, acqua e sostanze nutritive efficienza (cap. 8), diete acquaponiche ottimizzate (cap. 13) e patogeni vegetali e strategie di controllo (cap. 14) sono tutte priorità elevate.

   In sintesi, occorre affrontare le seguenti sfide scientifiche e tecnologiche:

   1. Nutrients: Come abbiamo discusso, i sistemi che utilizzano digestori di fanghi consentono di ottimizzare il riciclaggio dei rifiuti organici dai pesci in nutrienti per la crescita delle piante, tali progetti consentono di ottimizzare il recupero e il riciclo dei nutrienti per creare una perdita di nutrienti quasi zero dal sistema.

   2. Water: Il riutilizzo dell'acqua impoverita di nutrienti proveniente dalle serre può anche essere ottimizzato per il riutilizzo nella componente del pesce utilizzando condensatori.

   3. Energy: I progetti alimentati a energia solare migliorano anche il risparmio energetico, in particolare se l'acqua preriscaldata proveniente dai riscaldatori solari nelle serre può essere rimessa in circolazione in vasche per il riutilizzo.

   La capacità di riciclare acqua, sostanze nutritive ed energia rende l'acquaponica una soluzione potenzialmente unica a una serie di problemi ambientali che si trovano ad affrontare l'agricoltura convenzionale. Questo è discusso in cap. 2.

4. 1.4 Sfide economiche e sociali

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   Dal punto di vista economico, ci sono una serie di limitazioni inerenti ai sistemi acquaponici che rendono più o meno fattibili progetti commerciali specifici (Goddek et al. 2015; Vermeulen e Kamstra 2013). Una delle questioni chiave è che i sistemi idroponici e di acquacoltura indipendenti indipendenti indipendenti sono più produttivi dei sistemi acquaponici tradizionali (Graber e Junge 2009), in quanto non richiedono compromessi tra i componenti ittici e vegetali. L'acquaponica tradizionale e classica a ciclo singolo richiede un compromesso tra i componenti del pesce e delle piante quando si cerca di ottimizzare la qualità dell'acqua e i livelli di nutrienti che differiscono intrinsecamente per le due parti (ad esempio, intervalli di pH desiderati, fabbisogni e concentrazioni di nutrienti). Nei sistemi acquaponici tradizionali, il risparmio nel fabbisogno di fertilizzanti per le piante non compensa le carenze di raccolta causate da condizioni non ottimali nei rispettivi sottosistemi (Delaide et al. 2016).

   Ottimizzare le condizioni di crescita sia per le piante (Delaide et al. 2016; Goddek e Vermeulen 2018) che per i pesci è la sfida più grande per la redditività, e i risultati attuali indicano che questo può essere ottenuto meglio nei sistemi acquaponici multi-loop disaccoppiati perché si basano su cicli di ricircolo indipendenti che coinvolgere (1) pesci, (2) piante e (3) bioreattori (anaerobici o aerobici) per la digestione dei fanghi e un flusso unidirezionale di acqua (nutrienti), in grado di migliorare il recupero e la biodisponibilità di macro e micronutrienti, nonché l'ottimizzazione del consumo di acqua (Goddek e Keesman 2018). Studi attuali dimostrano che questo tipo di sistema consente il mantenimento di specifiche popolazioni di microrganismi all'interno di ciascun compartimento per una migliore gestione delle malattie, e sono più efficienti dal punto di vista economico, in quanto i sistemi non solo riducono il deflusso dei rifiuti, ma reutilizzano anche fanghi altrimenti inutilizzabili, convertirlo in output di valore (ad esempio biogas e fertilizzanti).

   

   Fig. 1.2 Un sistema acquaponico visto come uno schema di scatola nera. Non si arriva a vedere all'interno della scatola, ma conosciamo gli ingressi, le uscite (cioè pesci e piante) e i rifiuti

   I sistemi indipendenti, RAS e le unità idroponiche presentano anche una vasta gamma di sfide operative che sono discusse in dettaglio in Chaps. 3 e 4. Sempre più spesso, i progressi tecnologici hanno permesso rapporti di produttività più elevati (Fig. 1.2), che possono essere definiti come una frazione delle uscite del sistema (cioè pesci e piante) rispetto all'ingresso del sistema (ad es. mangime per pesci e/o fecondazione supplementare, apporto energetico per l'illuminazione, il riscaldamento e il pompaggio CO2 sub2/sub dosaggio e biocontrolli).

   Considerando le numerose sfide che l'acquaponica incontra, i problemi di produzione possono essere ampiamente suddivisi in tre temi specifici: (1) produttività del sistema, (2) catene di valore efficaci e (3) gestione efficiente della supply chain.

   Produttività del sistema La produttività agricola è misurata come il rapporto tra la produzione agricola e i fattori produttivi agricoli. I tradizionali sistemi acquaponici su piccola scala sono stati progettati principalmente per affrontare considerazioni ambientali come lo scarico di acqua, l'ingresso di acqua e il riciclo dei nutrienti, ma negli ultimi anni l'attenzione si è spostata sempre più verso la fattibilità economica al fine di aumentare la produttività per l'agricoltura su larga scala applicazioni. Tuttavia, ciò richiederà la produttività dei sistemi acquaponici per poter competere economicamente con sistemi idroponici e di acquacoltura indipendenti e all'avanguardia. Se il concetto di acquaponica deve essere applicato con successo su larga scala, è necessario ottimizzare il riutilizzo dei nutrienti e dell'energia, ma anche i mercati finali devono essere presi in considerazione.

   Catene di valore effettive Le catene del valore (valore aggiunto) dei prodotti agricoli derivano principalmente dalla lavorazione dei prodotti come ortaggi, frutta e pesce raccolti. Ad esempio, il prezzo di vendita del pesto (rosso e verde) può essere più di dieci volte superiore a quello dei pomodori, del basilico, dell'olio d'oliva e dei pinoli. Inoltre, la maggior parte dei prodotti alimentari trasformati ha una durata di conservazione più lunga, riducendo così il deterioramento. Evidentemente, i prodotti freschi sono importanti perché i valori nutrizionali sono per lo più superiori a quelli degli alimenti trasformati. Tuttavia, produrre prodotti freschi e di alta qualità è una vera sfida e quindi un lusso in molte regioni del mondo. Le perdite di sostanze nutritive durante la conservazione di frutta e verdura sono sostanziali se non sono in scatola o congelati rapidamente (Barrett 2007; Rickman et al. 2007). Pertanto, per i sistemi su larga scala, la trasformazione degli alimenti dovrebbe almeno essere considerata per bilanciare le fluttuazioni tra domanda e offerta e ridurre gli sprechi alimentari. Per quanto riguarda la riduzione degli sprechi alimentari, le verdure che non soddisfano gli standard dei prodotti freschi, ma che sono ancora di qualità commercializzabile, dovrebbero essere lavorate al fine di ridurre le perdite di prodotto.

   Sebbene tali criteri si applichino a tutti i prodotti agricoli e della pesca, il valore aggiunto può aumentare notevolmente la redditività dell'azienda acquaponica, soprattutto se i prodotti possono raggiungere mercati di nicchia.

   **Gestione efficiente della supply chain ** Nei paesi con reti di trasporto e refrigerazione ben sviluppate, frutta e verdura possono essere importati da tutto il mondo per soddisfare le richieste dei consumatori di prodotti freschi. Ma, come accennato in precedenza, i prodotti freschi e di alta qualità sono una merce scarsa in molte parti del mondo, e il movimento a lunga distanza delle merci — cioè la gestione della catena di fornitura — per soddisfare la domanda dei consumatori di fascia alta viene spesso criticato e giustamente così. La maggior parte degli abitanti urbani di tutto il mondo si affidano al trasporto di alimenti su lunghe distanze per soddisfare le esigenze quotidiane (Grewal e Grewal 2012). Una delle principali critiche è quindi la dipendenza dai combustibili fossili necessari per il trasporto di prodotti su grandi distanze (Barrett 2007). La questione delle miglia alimentari si concentra sulla distanza che il cibo viene trasportato dal momento della produzione all'acquisto da parte del consumatore finale (Mundler e Criner 2016). Tuttavia, in termini di COSub2/sub emissioni per tonnellata/km (tkm), un miglio alimentare per il trasporto ferroviario (13,9 g COSub2/sub/Tkm) non è uguale a un miglio alimentare di trasporto autostradale, poiché il trasporto su camion ha un impatto ambientale più di 15 volte maggiore (McKinnon 2007). Pertanto, la distanza di trasporto non è necessariamente l'unica considerazione, in quanto l'impronta ecologica degli ortaggi coltivati nelle aziende agricole nelle zone rurali è potenzialmente inferiore agli input necessari per coltivare alimenti nelle serre più vicine ai centri urbani.

   Le miglia alimentari sono quindi solo una parte del quadro. Gli alimenti vengono trasportati su lunghe distanze, ma le emissioni di gas serra associate alla produzione alimentare sono dominate dalla fase di produzione (ossia l'impatto dell'energia per il riscaldamento, il raffreddamento e l'illuminazione) (Engelhaupt 2008; Weber e Matthews 2008). Ad esempio, Carlsson (1997) ha dimostrato che i pomodori importati dalla Spagna in Svezia in inverno hanno un'impronta di carbonio molto inferiore rispetto a quelli coltivati localmente in Svezia, poiché gli input energetici nelle serre in Svezia superano di gran lunga l'impronta di carbonio dei trasporti dalla Spagna. Nell'approvvigionamento alimentare, il trasporto delle merci non è l'unico fattore da prendere in considerazione, poiché la freschezza dei prodotti ne determina il valore nutritivo, il gusto e l'attrattiva generale per i consumatori. Coltivando cibo fresco a livello locale, molti studiosi concordano sul fatto che l'agricoltura urbana potrebbe contribuire a garantire l'approvvigionamento di prodotti di alta qualità per le popolazioni urbane del futuro riducendo al contempo le miglia alimentari (Bon et al. 2010; dos Santos 2016; Hui 2011). Entrambe le aree saranno discusse più dettagliatamente nella sezione Sez. 1.5.

   Dal punto di vista del consumatore, l'acquaponica urbana ha quindi vantaggi per i suoi benefici ambientali dovuti alla filiera corta e poiché soddisfa le preferenze dei consumatori per alimenti freschi di alta qualità di produzione locale (Miličić et al. 2017). Tuttavia, nonostante questi vantaggi, vi sono una serie di preoccupazioni socioeconomiche: il problema principale riguarda i prezzi degli immobili urbani, poiché i terreni sono costosi e spesso considerati troppo preziosi per la produzione alimentare. Pertanto, l'acquisto di terreni urbani rende molto probabilmente impossibile ottenere un rendimento prevedibile degli investimenti. Tuttavia, nelle città in contrazione, dove la popolazione sta diminuendo, lo spazio inutilizzato potrebbe essere utilizzato per scopi agricoli (Bontje e Latten 2005; Schilling e Logan 2008), come nel caso di Detroit negli Stati Uniti (Mogk et al. 2010).

   Inoltre, vi è una questione importante dei controlli di pianificazione urbana, in cui in molte città il terreno urbano non è destinato alla produzione alimentare agricola e l'acquaponica è considerata parte dell'agricoltura. Pertanto, in alcune città l'agricoltura aquaponica non è consentita. I tempi sono maturi per interagire con gli urbanisti che hanno bisogno di essere convinti dei benefici delle fattorie urbane, che sono altamente produttive e producono cibo fresco, sano e locale nel bel mezzo dello sviluppo urbano e suburbano.

5. 1.5 Il futuro dell'acquaponica

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   La tecnologia ha permesso alla produttività agricola di crescere esponenzialmente nel secolo scorso, sostenendo così anche una crescita significativa della popolazione. Tuttavia, questi cambiamenti potenzialmente compromettono anche la capacità degli ecosistemi di sostenere la produzione alimentare, di mantenere le risorse di acqua dolce e forestale e di contribuire a regolare il clima e la qualità dell'aria (Foley et al. 2005).

   Una delle sfide più urgenti nella produzione alimentare innovativa, e quindi nell'acquaponica, consiste nell'affrontare le questioni normative che limitano l'espansione delle tecnologie integrate. Una vasta gamma di agenzie diverse è competente per l'acqua, la salute degli animali, la protezione dell'ambiente e la sicurezza alimentare, e le loro normative sono in alcuni casi contraddittorie o non sono adatte a sistemi integrati complessi (Joly et al. 2015). Normative e normative sono attualmente uno dei settori più confusi per produttori e aspiranti imprenditori. I coltivatori e gli investitori hanno bisogno di norme e linee guida per ottenere permessi, prestiti e esenzioni fiscali, ma la confusione delle responsabilità tra le agenzie di regolamentazione evidenzia l'urgente necessità di una migliore armonizzazione e definizioni coerenti. I quadri normativi sono spesso confusi e le licenze agricole e la certificazione dei consumatori rimangono problematici in molti paesi. La FAO (nel 2015), l'OMS (nel 2017) e l'UE (nel 2016) hanno recentemente iniziato ad armonizzare le disposizioni per la salute/il benessere degli animali e la sicurezza alimentare all'interno dei sistemi acquaponici e per il commercio di prodotti acquaponici all'esportazione e all'importazione. Ad esempio, diversi paesi coinvolti nell'acquaponica stanno facendo pressioni per ottenere una formulazione esplicita all'interno del Codex Alimentarius, e un obiettivo fondamentale all'interno dell'UE, determinato dall'azione COST promossa dall'UE FA1305, il «Hub acquaponica dell'UE», è attualmente quello di definire l'acquaponica come entità chiara e distinta. Attualmente, i regolamenti definiscono la produzione sia per l'acquacoltura che per l'idroponica, ma non dispongono di disposizioni per la fusione dei due. Questa situazione spesso crea un'eccessiva burocrazia per i produttori che sono tenuti a concedere in licenza due operazioni distinte o la cui legislazione nazionale non consente la cocultura (Joly et al. 2015). L'EU Aquaponics Hub, che ha sostenuto questa pubblicazione (COST FA1305), definisce l'acquaponica come «un sistema di produzione di organismi acquatici e piante in cui la maggior parte (\ > 50%) dei nutrienti che sostengono la crescita ottimale delle piante deriva dai rifiuti provenienti dall'alimentazione degli organismi acquatici» (cfr. cap. 7).

   Anche i sistemi di certificazione dei consumatori rimangono un settore difficile per i produttori di acquaponica in molte parti del mondo. Ad esempio, negli Stati Uniti e in Australia, i prodotti acquaponici possono essere certificati come biologici, ma non all'interno dell'Unione europea.

   Dal punto di vista economico, l'acquaponica è in teoria in grado di aumentare il valore complessivo dell'allevamento ittico o dell'idroponica convenzionale, chiudendo al contempo il ciclo alimentare-acqua-energia all'interno di un'economia circolare biobasata. Per rendere economicamente efficienti i sistemi di acquaponica su piccola scala, gli agricoltori dell'acquaponica devono operare in mercati di nicchia per ottenere prezzi più elevati per i prodotti, quindi la certificazione diventa molto importante.

   Le questioni più urgenti sono se l'acquaponica possa diventare accettabile a livello politico. La sicurezza alimentare è una priorità elevata per ottenere il sostegno pubblico e, sebbene nei sistemi chiusi vi sia un rischio patogeno molto ridotto, il che implica quindi una minore necessità di antimicrobici e pesticidi, la gestione dei rischi potenziali — o, inoltre, la gestione della percezione di tali rischi, soprattutto perché possono influire sulla sicurezza alimentare — è una alta priorità per le autorità governative e gli investitori (Miličić et al. 2017). Una preoccupazione che viene spesso sollevata è la paura del trasferimento di agenti patogeni nei fanghi dai pesci alle piante, ma ciò non è dimostrato nella letteratura (cap. 6). In quanto tale, è necessario dissipare eventuali preoccupazioni inerenti alla sicurezza alimentare e alla biosicurezza attraverso un'attenta ricerca e, laddove sussistano preoccupazioni, accertare come sia possibile gestire tali problemi attraverso una migliore progettazione dei sistemi e/o quadri normativi.

   Aquaponics è una tecnologia emergente di produzione alimentare che ha la capacità di condensare e comprimere la produzione in spazi e luoghi che normalmente non sarebbero utilizzati per la coltivazione del cibo. Questo non solo significa che è particolarmente rilevante nelle aree urbane, dove l'acquaponica può essere collocata in luoghi sottoutilizzati e inutilizzati come tetti piani, siti di sviluppo, fabbriche abbandonate, abitazioni e scuole, ma fornisce un mezzo sia nel mondo sviluppato che in via di sviluppo per le persone di prendere parte integrante del processo di produzione alimentare fornendo cibo fresco locale al mercato (van Gorcum et al. 2019). L'integrazione dell'acquaponica con l'agricoltura verticale e le tecnologie dei muri viventi migliorerà probabilmente con il tempo la produttività riducendo l'impronta agricola complessiva con una riduzione del consumo di terreni e un'intensificazione.

   Gli intensi metodi di produzione in acquaponica si basano sulla conoscenza di una combinazione di fattori chiave che sono altamente adatti per l'insegnamento di materie STEM (scienza, tecnologia, ingegneria e matematica) nelle scuole. Aquaponics offre agli insegnanti e agli studenti l'opportunità di esplorare il regno dei sistemi complessi, la loro progettazione e gestione e una serie di altre aree tematiche, tra cui scienze ambientali, chimica dell'acqua, biologia e benessere degli animali. L'acquaponica viene utilizzata anche in carceri/strutture correttive, come nel carcere di San Francisco County, per aiutare i detenuti ad acquisire abilità ed esperienza in acquacoltura e orticoltura che possono utilizzare per il loro rilascio. Nel contesto domestico, c'è una tendenza crescente alla progettazione di sistemi di controsoffitto in grado di coltivare erbe e piccoli sistemi che possono essere collocati in uffici, dove i pesci esotici forniscono un effetto calmante, mentre le piante, come parte dei muri viventi, forniscono allo stesso modo uno sfondo estetico e puliscono l'aria.

   

   Fig. 1.3 Numero di articoli pubblicati su «idroponica», «RAS» e «acquaponica» dal 1980 al 2018 (i dati sono stati raccolti dalla banca dati Scopus il 30 gennaio 2019). Si prega di notare che la scala per 'RAS' è di un ordine di grandezza superiore a quella per 'idroponica' e 'acquaponica'

   L'acquaponica è una tecnologia agricola che progredisce rapidamente dalle sue prime gesta negli ultimi anni del XX secolo e nei primi decenni del ventunesimo secolo. Ma è ancora un «argomento tecnologico emergente e scientifico» (Junge et al. 2017) che è soggetto a una notevole quantità di «hype». Quando si confrontano il numero di documenti di acquacoltura, idroponica e acquaponica, i documenti acquaponici sono notevolmente inferiori (Fig. 1.3), ma i numeri sono in aumento e continueranno ad aumentare con l'aumento dell'istruzione acquaponica, soprattutto a livello universitario, e l'interesse generale aumenta. Un «rapporto pubblicitario» può essere descritto come un indicatore della popolarità di un soggetto nei media pubblici rispetto a quanto pubblicato sulla stampa accademica. Questo può, ad esempio, essere calcolato prendendo i risultati di ricerca in Google divisi per i risultati di ricerca in Google Scholar. Nel caso dell'acquaponica, il rapporto hype al 16 agosto 2016 è stato 1349, il che è considerevole rispetto ai rapporti hype dell'idroponica (131) e dell'acquacoltura a ricircolo (17) (Junge et al. 2017). La sensazione che ne deriva è che, in effetti, l'acquaponica è una tecnologia emergente, ma che vi è un enorme interesse per il settore che probabilmente continuerà e aumenterà nei prossimi decenni. Il rapporto hype, tuttavia, rischia di diminuire con l'avvio di ulteriori ricerche e la pubblicazione di articoli scientifici.

   Questo libro è rivolto al ricercatore e praticante acquaponica, ed è stato progettato per discutere, esplorare e rivelare i problemi che l'aquaponica sta affrontando ora e che senza dubbio sorgerà in futuro. Con una gamma così ampia di argomenti, essa mira a fornire una panoramica completa ma facilmente accessibile del settore scientifico e commerciale dell'acquaponica, piuttosto nuovo. Oltre al lato produttivo e tecnico, questo libro è stato progettato per affrontare le tendenze dell'offerta e della domanda alimentare, nonché le varie implicazioni economiche, ambientali e sociali di questa tecnologia emergente. Il libro è stato co-scritto da numerosi esperti provenienti da tutto il mondo, ma soprattutto dall'interno dell'UE. I suoi 24 capitoli coprono l'intera gamma di aree acquaponiche e forniranno un libro di testo necessario per tutti coloro che sono interessati all'acquaponica e allo spostamento dell'aquaponica nel prossimo decennio.