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Capitolo 12 Acquaponica: Tipi e approcci alternativi

1. 12.1 Introduzione

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

   Questo capitolo discute una serie di tecnologie alleate e alternative chiave che espandono o hanno il potenziale di espandere la funzionalità/produttività dei sistemi aquaponici o sono tecnologie associate/stand-alone che possono essere collegate all'aquaponica. La creazione e lo sviluppo di questi sistemi hanno al centro la capacità, tra le altre cose, di aumentare la produzione, ridurre gli sprechi e l'energia e, nella maggior parte dei casi, ridurre il consumo di acqua. A differenza dell'acquaponica, che può essere visto come in una fase di sviluppo medio/adolescente, i nuovi approcci discussi di seguito sono nella loro infanzia. Ciò, tuttavia, non significa che non siano tecnologie preziose per sé e abbiano il potenziale per fornire cibo futuro, in modo efficiente e sostenibile. I metodi descritti di seguito includono l'aeroponica, l'aeroaquaponica, l'algaeponica, la tecnologia biofloc per l'acquaponica, la maraponica e l'aloponica e l'acquaponica verticale.

2. 12.2 Aeroponica

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

   12.2.1 Sfondo

   La National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti descrive l'aeroponica come il processo di coltivazione di piante sospese nell'aria senza suolo o mezzi che forniscano una produzione alimentare pulita, efficiente e rapida. La NASA osserva inoltre che _colture possono essere piantate e raccolte tutto l'anno senza interruzioni, e senza contaminazione da suolo, pesticidi e residui e che i sistemi aeroponici riducono anche l'uso di acqua del 98%, l'uso di fertilizzanti del 60%, ed eliminano del tutto l'uso di pesticidi. Le piante coltivate nei sistemi aeroponici hanno dimostrato di assorbire più minerali e vitamine, rendendo le piante più sane e potenzialmente più nutrienti (NASA Spinoff). Altri vantaggi dell'aeroponica sono visti essere che:

   • L'ambiente in crescita può essere mantenuto pulito e sterile.

   • Questo riduce le possibilità di malattie delle piante e la diffusione dell'infezione.

   • Le piantine non si allungano o appassiscono durante la formazione delle radici.

   • Le piantine sono facilmente rimosse per il trapianto senza shock trapianto.

   • La crescita delle piantine è accelerata, il che porta ad un aumento dei cicli delle colture e quindi più prodotti all'anno.

   Per Weathers e Zobel (1992), l'aeroponica è definita come la coltura di piante intere e/o tessuti con le loro radici o l'intero tessuto alimentato da una nebbia aria/acqua (al contrario dell'immersione in/su acqua, suolo, agar nutritivo o altri substrati_). Per loro, le piante che sono coltivate solo parzialmente con le loro radici nell'aria e parte in soluzioni nutritive o che sono coltivate per una parte del tempo in aria e parte del tempo in soluzione nutritiva vengono coltivate attraverso un processo di aero-idroponica e non areoponica.

   I sistemi aeroponici funzionano quindi spruzzando o appannando la zona della radice con una soluzione nutritiva. Le radici delle piante sono quindi sospese nell'aria e sono sottoposte a spruzzo/nebulizzazione continua o intermittente di goccioline d'acqua ricche di sostanze nutritive, sotto forma di goccioline o nebbie molto fini, con dimensioni di goccioline da 5 a 50 μm (micron). È normale trovare kit «hobby/domestico» con dimensioni di goccioline di spruzzo comprese tra 30 e 80 μm. Gli atomizzatori a ultrasuoni o nebbia secca producono una dimensione di goccioline\ <5 μm, ma richiedono aria compressa e ugelli molto fini, oppure è possibile utilizzare trasduttori a ultrasuoni per produrre queste nebbie.

   Nell'aeroponica, come nel caso dell'idroponica, l'apporto di nutrienti può essere ottimizzato e, in un confronto tra idroponica e aeroponica, Hikosaka et al. (2014) notano che non è stata riscontrata alcuna differenza tra crescita e qualità del raccolto nella lattuga utilizzando l'aeroponica a nebbia secca. Tuttavia, c'è stato un aumento significativo dei tassi di respirazione delle radici e dei tassi di fotosintesi delle foglie. Essi notano inoltre che questo sistema utilizza anche meno acqua e che può essere più efficiente e più facile da gestire rispetto all'idroponica convenzionale (Hikosaka et al. 2014). In un documento di revisione sulle moderne tecnologie per la coltivazione delle piante in agricoltura in ambienti controllati, Lakhiar et al. (2018) notano che l'aeroponica «è considerata il miglior metodo di coltivazione delle piante per la sicurezza alimentare e lo sviluppo sostenibile».

   12.2.2 Origine dell'Aeroponica

   Richard J. Stoner II è considerato il padre dell'aeroponica. La rivista NASA dell'acquaponica (Clawson et al. 2000) rileva che l'origine dell'acquaponica è in gran parte nello studio della morfologia delle radici, ma ha origine in natura, ad esempio con le piante, ad esempio le orchidee che crescono in aree tropicali dove le nebbie si manifestano naturalmente. Clawson et al. (2000) notano lo sviluppo dell'aeroponica di B. T. Barker, che «riuscì a coltivare meli con uno spray», e F. W. Gent, che nel 1957 coltivava pomodori e piante di caffè nelle nebbie e definì il processo «aerofonica». Per quanto riguarda lo studio della morfologia delle radici, Carter nel 1942 utilizzò l'aeroponica come modo per indagare le radici di ananas, e Klotz nel 1944 studiò le radici di avocado e agrumi, e poi numerosi altri tra cui Hubick e Robertson; Barak, Soffer e Burger; Yurgalevitch e Janes; e Dutoit, Weathers, e Briggs hanno tutti intrapreso vari esperimenti in aeroponica (fare riferimento a Clawson et al. 2000 per i dettagli).

   12.2.3 Problemi in crescita dell'Aeroponica

   Clawson et al. (2000) riferiscono i test di Tibbit et al. (1994) secondo cui la nebulizzazione continua può «contribuire alla crescita fungina e batterica in prossimità delle piante o sulle piante», e inoltre alcuni ricercatori hanno scoperto che, a causa delle goccioline fini e dei sistemi di appannamento continuo, possono esserci difficoltà «in fornire nutrienti a tutte le piante dove vi è un'alta densità di piante». A questo proposito è stato dimostrato che la nebulizzazione a intervalli offre un sistema più sano e radici più sane rispetto alle tecniche di nebulizzazione continua e idroponica. L'utilizzo di intervalli rende le piante più resistenti a qualsiasi interruzione di nebulizzazione, condizionando le piante per prosperare più a lungo su livelli di umidità più bassi, con una probabile riduzione dei livelli di agenti patogeni. Per una nebulizzazione efficace, la dimensione e la velocità delle goccioline sono anche importanti parametri aeroponici. L'efficienza di raccolta della nebbia della radice dipende dalle dimensioni del filamento, dalla dimensione della goccia e dalla velocità» (Clawson et al. 2000).

   12.2.4 Combinazione di acquaponica e aeroponica

   Mentre un certo numero di imprenditori e appassionati di hobbisti stanno promuovendo la combinazione acquaponica con l'aeroponica, ci sono una serie di questioni che devono essere risolte se si considera questa tecnologia combinata per l'agricoltura futura. Un problema che deve essere risolto è un nome per questo sistema, e qui si suggerisce di chiamarlo «aquaeroponica».

   Mentre ci sono numerosi video e discussioni sul web, sulla combinazione di aeroponica e acquaponica, il campo è vuoto dalla letteratura scientifica. Le discussioni basate sul web sollevano i problemi dell'intasamento degli spruzzatori di nebbia e della necessità di una filtrazione fine delle soluzioni acquaponiche. Un altro problema con l'acquaeroponica è il potenziale per la crescita di agenti patogeni nell'ambiente umido arioso e sarà necessaria una ricerca per accertarlo. Una soluzione per risolvere il problema dei misters è quella di utilizzare le vibrazioni ultrasoniche per creare le nebbie, ma questo non risolve i problemi che ci possono essere con la crescita di agenti patogeni.

3. 12.3 Algaeponica

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

   12.3.1 Sfondo

   Le microalghe sono fotoautotrofi unicellulari (da 0,2 μm a 100 μm) e sono classificate in vari gruppi tassonomici. Le microalghe si trovano nella maggior parte degli ambienti, ma si trovano soprattutto in ambienti acquatici. Il fitoplancton è responsabile di oltre il 45% della produzione primaria mondiale e genera oltre il 50% di Osub2/sub atmosferico. In generale, non vi è alcuna differenza importante nella fotosintesi delle microalghe e delle piante superiori (Deppeler et al. 2018). Tuttavia, a causa delle loro dimensioni ridotte e della riduzione di un numero di organelli fisiologici competitivi internamente, le microalghe possono crescere molto più velocemente rispetto alle piante superiori (Moheimani et al. 2015). Le microalghe possono crescere anche in condizioni nutritive limitate e avere la capacità di adattarsi a una più ampia gamma di condizioni ambientali (Gordon e Polle 2007). Ancora più importante, la coltura microalgale non è in concorrenza con la produzione di colture alimentari per quanto riguarda i terreni coltivabili e l'acqua dolce (Moheimani et al. 2015). Inoltre, le microalghe possono utilizzare in modo efficiente sostanze nutritive inorganiche provenienti dagli effluenti di scarto (Ayre et al. 2017). In generale, la biomassa microalgale contiene fino al 50% di carbonio che li rende un candidato perfetto per la bioremediazione atmosferica COSub2/sub (Moheimani et al. 2012).

   L'aumento dell'agricoltura e dell'allevamento zootecnico in tutto il mondo ha comportato un aumento significativo dell'azoto e del fosforo biologicamente disponibili che entrano nella biosfera terrestre (Galloway et al. 2004). Le colture e gli allevamenti zootecnici e i sistemi fognari contribuiscono in misura significativa a questi carichi nutritivi (Schoumans et al. 2014). L'infiltrazione di questi nutrienti nei corsi d'acqua può causare enormi problemi ambientali come le fioriture dannose di alghe e la mortalità di massa dei pesci. Ad esempio, negli Stati Uniti, l'inquinamento dei nutrienti provocato dall'agricoltura è riconosciuto come una delle principali fonti di eutrofizzazione (Sharpley et al. 2008). Il controllo del flusso di nutrienti dalle attività agricole nell'ambiente circostante comporta sfide tecniche ed economiche che devono essere superate per ridurre tali effetti. Sono stati sviluppati vari processi di successo per trattare gli effluenti di scarto con carichi organici elevati. Tuttavia, quasi tutti questi metodi non sono molto efficaci nella rimozione di elementi inorganici dall'acqua. Inoltre, alcuni di questi metodi sono piuttosto costosi da utilizzare. Un metodo semplice per il trattamento dei rifiuti organici è la digestione anaerobica (AD). Il processo AD è ben compreso e, se gestito in modo efficiente, può convertire oltre il 90% delle materie organiche delle acque reflue in bio-metano e COsub2/sub (Parkin e Owen 1986). Il metano può essere utilizzato per generare elettricità e il calore generato può essere utilizzato per vari scopi aggiuntivi. Tuttavia, il processo di AD comporta la creazione di un effluente di digestione anaerobica (ADE) che è molto ricco di fosfato inorganico e azoto, nonché di alto COD (domanda di ossigeno al carbonio). In alcuni luoghi, questo effluente può essere trattato utilizzando microalghe e macroalghe (Ayre et al. 2017).

   12.3.2 Sistemi di crescita algale

   Dal momento che il comitato delle Nazioni Unite ha raccomandato di integrare le colture agricole convenzionali con alimenti ad alto contenuto proteico di origine non convenzionale, le microalghe sono diventate candidate naturali (Richmond e Becker 1986). La prima coltivazione di microalghe fu ottenuta anche se nel 1890 coltivando\ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). A causa del fatto che le microalghe si dividono normalmente in un certo momento della giornata, il termine ciclostato è stato sviluppato al fine di introdurre un ciclo chiaro/scuro (circadiano) alla coltura (Chisholm e Brand 1981). La coltura su larga scala delle microalghe e l'uso parziale della sua biomassa, soprattutto come base per alcuni prodotti come i lipidi, fu probabilmente iniziata seriamente già nel 1953 con l'obiettivo di produrre alimenti da una coltura su larga scala di *clorella\ * (Borowitzka 1999). Tipicamente, le alghe possono essere coltivate in liquido utilizzando stagni aperti (Borowitzka e Moheimani 2013), fotobioreattori chiusi (Moheimani et al. 2011), o una combinazione di questi sistemi. Alga può anche essere coltivata come biofilm (Wijihastuti et al. 2017).

   Fotobioreattori chius (dopo Moheimani et al. 2011): le colture algali chiuse (fotobioreattori) non sono esposte all'atmosfera, ma sono coperte con un materiale trasparente o contenute all'interno di tubi trasparenti. I fotobioreattori hanno il netto vantaggio di prevenire l'evaporazione. I fotobioreattori chiusi e semichiusi sono utilizzati principalmente per la produzione di prodotti algali di alto valore. A causa del costo complessivo delle spese operative (OPEX) e della spesa in conto capitale (CAPEX), i fotobioreattori chiusi sono meno economici dei sistemi aperti. D'altra parte, c'è meno contaminazione e meno perdite di COsub2/sub, e creando condizioni di coltivazione riproducibili e flessibilità nella progettazione tecnica, questo li rende un buon sostituto per stagni aperti. Alcune delle debolezze dei sistemi chiusi possono essere superate con (a) riduzione del percorso luminoso, (b) risoluzione della complessità del taglio (turbolenza), riduzione della concentrazione di ossigeno e (c) un sistema di controllo della temperatura. I fotobioreattori chiusi sono suddivisi principalmente in (a) damigiane, (b) tubolari, (c) sollevatori aerei e (d) fotobioreattori a piastre.

   Stagni aperti (dopo Borowitzka e Moheimani 2013): I laghetti aperti sono più comunemente utilizzati per la coltivazione di microalghe all'aperto su larga scala. La principale produzione commerciale di alghe si basa su canali aperti (piste) meno costosi, più facili da costruire e da utilizzare rispetto ai fotobioreattori chiusi. Inoltre, la crescita delle microalghe incontra meno difficoltà nei sistemi di coltivazione aperti rispetto a quelli chiusi. Tuttavia solo alcune specie di microalghe (ad esempio Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) sono state coltivate con successo in stagni aperti. I costi di produzione microalgali commerciali sono elevati, approssimati per essere compresi tra 4 e 20\ $US/GSUP-1/SUP. Negli ultimi 70 anni si è sviluppata la coltura microalga commerciale per laghetti aperti all'aperto, ed entrambi gli stagni (non agitati) e agitati sono stati sviluppati e utilizzati su base commerciale. I grandi stagni aperti non mescolati sono semplicemente costruiti da stagni d'acqua naturali con letti aperti che sono solitamente inferiori a 0,5 m di profondità. In alcuni stagni più piccoli la superficie può essere rivestita con fogli di rivestimento in plastica. I laghetti aperti non mescolati rappresentano il metodo più economico e meno tecnico di tutti i metodi di coltura commerciale e sono stati utilizzati commercialmente per la produzione di Dunaliella salina β-carotene in Australia. Tali laghetti sono principalmente limitati alla coltivazione di microalghe che sono in grado di sopravvivere in cattive condizioni o hanno un vantaggio competitivo che consente loro di superare contaminanti come protozoi, microalghe indesiderate, virus e batteri. Gli stagni agitati d'altra parte hanno il vantaggio di un regime di miscelazione. La maggior parte degli stagni agitati sono (a) stagni circolari con agitatori rotanti o (b) stagni da pista singoli o uniti.

   Gli stagni di coltivazione circolari sono stati utilizzati principalmente per la coltivazione su larga scala di microalghe, soprattutto nel sud-est asiatico. I laghetti circolari fino a 45 m di diametro e generalmente 0,3-0,7 m di profondità sono scoperti, ma ci sono alcuni esempi che sono coperti da cupole di vetro. Le basse sollecitazioni di taglio necessarie per la produzione di microalghe sono prodotte in questi sistemi, in particolare al centro dello stagno, e questo è un netto vantaggio di questo tipo di sistemi. Alcuni svantaggi includono strutture in calcestruzzo costose, uso inefficiente del suolo con grandi orme, difficoltà nel controllare il movimento del dispositivo di agitazione e il costo aggiunto nella fornitura di COSub2/sub.

   Le piste guidate da paddlewheel-driven sono il più comune sistema commerciale di coltivazione microalghe. Le piste sono generalmente costruite in un singolo canale o come canali collegati. Le piste sono generalmente poco profonde (0,15-0,25 m di profondità), sono costruite in un anello e normalmente coprono un'area compresa tra 0,5 e 1,5 ha. Le piste sono principalmente utilizzate e raccomandate per le principali colture commerciali di tre specie di microalghe tra cui Chlorella, Spirulina e Dunaliella. Un alto rischio di contaminazione e una bassa produttività, derivante principalmente da scarse regimi di miscelazione e penetrazione della luce, sono i principali svantaggi di questi sistemi aperti. Nelle piste, è stato dimostrato che sono possibili concentrazioni di biomassa fino a 1000 mg di peso secco. LSUP-1/SUP e produttività pari a 20 g di peso secco.msup2/sup.dsup-1/sup.

   Il prezzo della produzione di microalghe rende il risultato economico fortemente dipendente dalla commercializzazione di prodotti costosi ed esclusivi, per i quali la domanda è naturalmente limitata. Le piste sono anche il sistema di coltivazione più utilizzato per il trattamento delle acque reflue (Parks and Craggs 2010).

   Coltivazione Solida (dopo Wijihastuti et al. 2017): Un metodo alternativo di coltivazione microalgale è immobilizzare le cellule in una matrice polimerica o attaccarle alla superficie di un supporto solido (biofilm). In generale, la resa di biomassa di tali colture di biomassa è almeno del 99% più concentrata rispetto alle colture a base liquida. La disidratazione è una delle parti più costose e ad alta intensità energetica di qualsiasi produzione di alghe di massa. Il vantaggio principale della crescita del biofilm è la possibilità di ridurre il processo di disidratazione e il relativo consumo energetico e quindi i costi. La coltivazione di biofilm può anche aumentare la cattura della luce cellulare, ridurre lo stress ambientale (ad esempio pH, salinità, tossicità dei metalli, irradiazione molto elevata), ridurre i costi di produzione e ridurre il consumo di nutrienti. I metodi di coltivazione a base solida possono essere utilizzati per il trattamento delle acque reflue (rimozione di nutrienti e metalli). Esistono tre metodi principali per la coltivazione di biofilm: (a) 100% direttamente sommerso in mezzo, (b) parzialmente sommerso in mezzo e (c) utilizzando un substrato poroso per fornire i nutrienti e l'umidità dal mezzo alle cellule.

   12.3.3 Requisiti nutritivi per la crescita delle alghe

   Un certo numero di fattori fisici, chimici e biologici inibitori possono inibire l'alta produzione di microalghe. Questi sono descritti nella tabella 12.1.

   Una conoscenza di base dei limiti critici di crescita è probabilmente il fattore più essenziale prima di applicare qualsiasi microalga a qualsiasi processo. La luce è di gran lunga il fattore limitante più importante che influenza la crescita di qualsiasi alga. La temperatura è anche un fattore critico per la produzione di massa di alghe (Moheimani e Parlevliet 2013). Tuttavia, queste variabili sono difficili da controllare (Moheimani e Parlevliet 2013). Accanto alla luce e alla temperatura, i nutrienti sono il fattore limitante più importante che influenza la crescita di qualsiasi alga (Moheimani e Borowitzka 2007) e ogni specie di microalghe tende ad avere il proprio fabbisogno nutritivo ottimale. I nutrienti più importanti sono l'azoto, il fosforo e il carbonio (Oswald 1988). Più

   tavolo tbody tr Fattori tabiotici/th td Luce (qualità, quantità) /td /tr tr class="dispari» td/td td Temperatura /td /tr tr class="even» td/td td Concentrazione dei nutrienti /td /tr tr class="dispari» td/td td OSub2/Sub /td /tr tr class="even» td/td td COSub2/sub e pH /td /tr tr class="dispari» td/td td Salinità /td /tr tr class="even» td/td td Prodotti chimici tossici /td /tr tr class="dispari» Fattori thbiotici/th td patogeni (batteri, funghi, virus) /td /tr tr class="even» td/td td Concorrenza di altre alghe /td /tr tr class="dispari» Fattori operativi/th td Cesoia prodotta dalla miscelazione /td /tr tr class="even» td/td td Tasso di diluizione /td /tr tr class="dispari» td/td td profondità /td /tr tr class="even» td/td td Frequenza di raccolta /td /tr tr class="dispari» td/td td Aggiunta di bicarbonato /td /tr /tbody /tavolo

   Tabella 12.1 Limiti alla crescita e alla produttività delle microalghe (Moheimani e Borowitzka 2007)

   le alghe rispondono alla limitazione N aumentando il loro contenuto lipidico (Moheimani 2016). Ad esempio, Shifrin e Chisholm (1981) hanno riferito che in 20-30 specie di microalghe esaminate, le alghe hanno aumentato il loro contenuto lipidico in assenza di N-privazione. Il fosforo è anche un importante nutriente necessario per la crescita delle microalghe in quanto svolge un ruolo essenziale nel metabolismo e nella regolazione delle cellule, essendo coinvolto nella produzione di enzimi, fosfolipidi e composti alimentatori di energia (Smith 1983). Gli studi di Brown e Button (1979) sull'alga verde Selenastrum capricornutum hanno mostrato un'apparente limitazione della crescita quando la concentrazione di fosfato nel mezzo era inferiore a 10 nM. COSub2/sub è anche un nutriente critico per raggiungere un'elevata produttività delle alghe (Moheimani 2016). Ad esempio, se COSub2/sub aggiuntivo non viene aggiunto alla coltura algale, la produttività media può essere ridotta fino all'80% (Moheimani 2016). Tuttavia, l'aggiunta di COsub2/sub agli stagni algali è piuttosto costosa (Moheimani 2016). Il modo più economico per introdurre COSub2/sub in un mezzo di coltura è il trasferimento diretto del gas nel mezzo mediante gorgogliamento attraverso pietre porose sinterizzate o utilizzando tubi sotto fogli di plastica sommersi come iniettori COSub2/sub (Moheimani 2016). Purtroppo, in tutti questi metodi vi è ancora un'alta perdita di COsub2/sub nell'atmosfera a causa del breve tempo di ritenzione delle bolle di gas nella sospensione algale.

   Sebbene l'aggiunta di N, P e C sia fondamentale, altri nutrienti influenzano anche la crescita e il metabolismo delle microalghe. Una mancanza di altri nutrienti, come il manganese (Mn) e vari altri cationi (MgSUP2+/SUP, KSUP+/SUP e Casup2+/SUP), è nota anche per ridurre la crescita delle alghe (Droop 1973). Gli oligoelementi sono anche fondamentali per la crescita delle microalghe e alcune microalghe richiedono anche vitamine per la loro crescita (Croft et al. 2005). Un modo efficace ed economico di fornire sostanze nutritive consiste nel combinare la coltura algale e il trattamento delle acque reflue, che viene discusso immediatamente di seguito.

   12.3.4 Trattamento delle alghe e delle acque reflue

   Con un aumento del deterioramento ambientale e una maggiore necessità di generare fonti alternative alimentari ed energetiche, vi è l'impulso per esplorare la fattibilità dei trattamenti biologici delle acque reflue e il recupero delle risorse. I trattamenti delle acque reflue microalghe sono stati particolarmente attraenti, a causa delle attività fotosintetiche algali, dove la luce viene trasferita in biomassa redditizia. In determinate condizioni, la biomassa microalgale coltivata nelle acque reflue può essere equivalente o superiore nella produzione di biomassa a specie vegetali superiori. Pertanto, il processo può trasformare un prodotto di scarto in prodotti utili (ad esempio mangimi per animali, mangimi per acquacoltura, biofertilizzanti e bioenergia). Pertanto, l'effluente di scarto non è più un prodotto di scarto negativo, ma diventa un prezioso substrato per la produzione di sostanze importanti e da oltre mezzo secolo è stata segnalata una buona bioremediazione delle acque reflue microalghe (Oswald e Gotass 1957; Delrue et al. 2016). La fitoremediazione algale rappresenta infatti una soluzione ecologica per il trattamento delle acque reflue in quanto può utilizzare in modo efficiente sostanze nutritive organiche e inorganiche (Nwoba et al. 2017). Le colture microalghe hanno un enorme potenziale per le fasi successive del trattamento delle acque reflue, in particolare per ridurre 'N', 'P' e 'COD' (Nwoba et al. 2016). Inoltre, l'aggiunta della capacità delle microalghe di crescere attraverso diverse condizioni nutrizionali come le condizioni fotoautotrofe, mixotrofe ed eterotrofe migliora anche la sua capacità di rimuovere vari tipi di inquinanti e sostanze chimiche dalle matrici acquose. La capacità delle microalghe nel sequestrare il carbonio (COSub2/sub) consente la bioremediazione COSub2/sub. Il rapporto sincronizzato tra algali e batteri instaurato è anche idealmente sinergico per la bioremediazione delle acque reflue (Munoz e Guieysse 2006). Attraverso la fotosintesi, le microalghe forniscono ossigeno richiesto dai batteri aerobici per la mineralizzazione della materia organica e per l'ossidazione di NHsub4/subSUP+/SUP (Munoz e Guieysse 2006). In cambio, i batteri forniscono anidride carbonica per la crescita delle microalghe, riducendo significativamente la quantità di ossigeno necessaria per il processo complessivo di trattamento delle acque reflue (Delrue et al. 2016). In generale, gli effluenti di scarto a basso rapporto carbonio/azoto sono fondamentalmente adatti alla crescita di organismi fotosintetici. Ancora più importante, il trattamento delle acque reflue domestiche a microalghe è un'opzione interessante in quanto la tecnologia è relativamente facile e richiede una bassissima energia rispetto allo standard di trattamento degli effluenti. L'ottimizzazione del trattamento delle acque reflue microalghe negli stagni su larga scala è interessante poiché combina il trattamento efficace di un prodotto di scarto nocivo e la produzione di biomasse algali potenzialmente ricche di proteine. La Figura 12.1 riassume un sistema ad anello chiuso per il trattamento di eventuali rifiuti organici mediante la combinazione di digestione anaerobica e coltivazione di alghe.

   12.3.5 Alghe e Acquaponica

   Le microalghe nell'acquacoltura e nei sistemi aquaponici sono spesso considerate un fastidio in quanto possono limitare i flussi d'acqua intasando i tubi, consumando ossigeno,

   

   Fig. 12.1 Sistema di processo integrato per l'utilizzo della coltura algale per il trattamento dei rifiuti organici e dei potenziali utilizzatori finali. (Il processo è progettato sulla base delle informazioni di Ayre et al. 2017 e Moheimani et al. 2018)

   può attirare gli insetti, ridurre la qualità dell'acqua e quando si decompone può esaurire l'ossigeno. Tuttavia, un esperimento di Addy et al. (2017) mostra che le alghe possono migliorare la qualità dell'acqua in un sistema acquaponico, contribuire a controllare le gocce di pH legate al processo di nitrificazione, generare ossigeno disciolto nel sistema, «produrre acidi grassi polinsaturi come mangime per pesci a valore aggiunto, aggiungere diversità e migliorare resilienza al sistema». Uno dei «grani sacri» dell'acquaponica è quello di produrre almeno una parte del cibo che viene alimentato al pesce come parte del sistema ed è qui che è necessaria la ricerca per produrre alghe che potrebbero essere coltivate con una parte dell'acqua acquaponica, molto probabilmente in un ciclo separato, che può poi essere alimentato come parte del dieta al pesce.

4. 12.4 Maraponica e Aloponica

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

   Sebbene l'acquaponica d'acqua dolce sia la tecnica acquaponica più ampiamente descritta e praticata, le risorse di acqua dolce per la produzione alimentare (agricoltura e acquacoltura) stanno diventando sempre più limitate e la salinità del suolo aumenta progressivamente in molte parti del mondo (Turcios e Papenbrock 2014). Ciò ha comportato un maggiore interesse e/o un passaggio verso fonti d'acqua alternative (ad esempio acqua salmastra ad alta salina e acqua di mare) e l'uso di pesci euryalina o di acqua salata, piante alofitiche, alghe e glicofiti a bassa tolleranza al sale (Joesting et al. 2016). È interessante notare che, mentre la quantità di soluzione salina nelle acque sotterranee è stimata solo allo 0,93% delle risorse idriche totali mondiali a 12.870.000 kmsup3/sup, questa è superiore alle riserve sotterranee di acqua dolce (10.530.000 kmsup3/sup) che costituiscono il 30,1% di tutte le riserve d'acqua dolce (Appelbaum e Kotzen 2016).

   L'uso di acqua salina nell'acquaponica è uno sviluppo relativamente nuovo e, come per la maggior parte dei nuovi sviluppi, i termini utilizzati per descrivere la gamma/gerarchia dei tipi devono essere stabiliti su basi ferme. Nella sua breve storia, il termine maraponica (cioè acquaponica marina) è stato coniato per acquaponica di acqua di mare (SA), in altre parole, sistemi che utilizzano acqua di mare e acqua salmastra (Gunning et al. 2016). Questi sistemi si trovano principalmente a terra, in località costiere e, nel caso di SA, in prossimità di una fonte di acqua di mare. Ma ci sono pesci e piante che crescono e possono essere utilizzati in unità acquaponiche dove i livelli di salinità dell'acqua variano. Quindi, sebbene abbia senso etimologico usare il termine «maraponica» per l'acquaponica dell'acqua di mare, ha meno senso definire acquaponica dell'acqua salmastra usando questo termine. Suggeriamo quindi di aggiungere un nuovo termine al lessico acquaponico e questo è «aloponica», derivante dalla parola latina aureola che significa sale e combinandolo con ponici suffisso. La maraponica è quindi un sistema integrato di acquacoltura multitrofa (IMTA) che combina la produzione acquacolturale di pesci marini, crostacei marini, molluschi marini, ecc. con la produzione idroponica di piante acquatiche marine (ad esempio alghe marine, alghe marine e alofiti di acqua di mare) utilizzando forza acqua di mare (circa 35.000 ppm [35 g/L]). Tuttavia, i sistemi acquaponici che utilizzano acqua salina al di sotto dei livelli oceanici in una serie di salinità dovrebbero essere definiti aloponici (acqua leggermente salina da —1000 a 3000 ppm [1—3 g/L], moderatamente salina 3000—10.000 ppm [3—10 g/L] e ad alta salinità 10.000—35.000 ppm [10—35 g/L]). Questi sistemi sono anche sistemi IMTA a terra che combinano la produzione acquacolturale con la produzione idroponica di piante acquatiche, ma sia i pesci che le piante sono adattati o crescono bene in quella che può essere definita acqua salmastra.

   Sebbene il concetto di maraponica sia molto nuovo, negli anni '70 iniziò ad apparire un interesse per la maricoltura integrata a base di alghe marine, partendo da un laboratorio per poi espandersi fino a sperimentazioni su scala pilota all'aperto. In alcuni dei primi studi sperimentali, Langton et al. (1977) hanno dimostrato con successo la crescita delle alghe rosse, Hypnea musciformis, coltivate in vasche con effluenti di coltura dei molluschi. In alternativa, le colture che di solito sarebbero classificate come glicofiti, come il pomodoro comune (Lycopersicon esculentum), il pomodoro ciliegino (Lycopersicon esculentum var. Cerasiforme) e basilico (Ocimum basilicum), possono raggiungere livelli di produzione di notevole successo fino a 4 g/L (4000 ppm) di salinità e sono spesso indicati come con bassi livelli moderati di tolleranza al sale (da non confondere con veri alofiti, resistenti alle alte salinità). Altre colture che sono tolleranti di salinità a bassa moderata includono rapa, ravanelli, lattuga, patate dolci, fave, mais, cavoli, spinaci, asparagi, barbabietole, zucca, broccoli e cetrioli (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016). Ad esempio, Dufault et al. (2001) e Dufault e Korkmaz (2000) hanno sperimentato i rifiuti di gamberetti (materia fecale di gamberetti e mangimi decomposti) come fertilizzante per la produzione di broccoli (Brassica oleracea italica) e peperone (Capsicum annuum), rispettivamente. Anche se i loro studi non hanno utilizzato tecniche maraponiche, hanno coinvolto piante che sono comunemente coltivate utilizzando tecniche acquaponiche (acqua dolce). Pertanto, a causa dei loro livelli di tolleranza alla salinità, queste colture hanno un enorme potenziale come specie candidate per la produzione in sistemi aloponici che utilizzano salinità medio-basse.

   Recentemente, diversi studi hanno dimostrato che gli alofiti possono essere irrigati con successo con acque reflue acquacolturali provenienti da sistemi marini utilizzando tecniche idroponiche o come parte di un sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS). Waller et al. (2015) hanno dimostrato la fattibilità del riciclo dei nutrienti da una salinità di 16 psu [16.000 ppm]) per la spigola europea (D. labrax) attraverso la produzione idroponica di tre piante alofitiche: Tripolium pannonicum (aster marino), Plantago coronopus (piantaggine di corno di buck) e _ Salicornia dolichostachya_ (vetro a punta lunga).

   La maggior parte del lavoro maraponico svolto finora prevede l'integrazione di due livelli trofici: piante/alghe e pesci. Tuttavia, un esempio di sistema che incorpora più di due livelli trofici può essere visto in un esperimento condotto da Neori et al. (2000), che ha progettato un piccolo sistema per la cultura intensiva terrestre dell'abalone giapponese (Haliotis discus hannai), delle alghe (Ulva lactuca e Gracilaria conferta) e del pellet orata (Sparus aurata). Questo sistema consisteva in acqua di mare non filtrata (2400 l/giorno) pompata in due vasche di abalone e drenata attraverso un acquario e infine attraverso un'unità di filtrazione/produzione di alghe prima di essere scaricata in mare. I molluschi di alimentazione del filtro potrebbero essere utilizzati anche in un tale sistema. Kotzen e Appelbaum (2010) e Appelbaum e Kotzen (2016) hanno confrontato la crescita delle verdure comuni con acqua potabile e acqua moderatamente salina (4187—6813 ppm) e hanno scoperto che il basilico (Ocimum basilicum), sedano (Apium graveolens), porri (Allium ampeloprasum porrum), letum_) (Lactuca sativa — varie tipi), bietole svizzere (Beta vulgaris. 'cicla'), cipollotti (Allium cepa) e crescione (Nasturtium officinale) hanno funzionato molto bene.

   La maraponica (SAS) e l'aloponica offrono una serie di vantaggi rispetto ai metodi tradizionali di produzione delle colture e del pesce. Poiché usano acqua salina (da marina a salmastra), c'è una ridotta dipendenza dall'acqua dolce, che in alcune parti del mondo è diventata una risorsa molto limitata. Viene tipicamente praticato in un ambiente controllato (ad esempio una serra; serbatoi a portata controllata) offrendo migliori opportunità per una produzione intensiva. Molti sistemi maraponici e aloponici sono chiusi RAS con biofiltri organici e/o meccanici e, successivamente, il riutilizzo dell'acqua è elevato, l'inquinamento delle acque reflue viene notevolmente ridotto o eliminato e i contaminanti vengono rimossi o trattati. Anche i sistemi che non sono RAS possono ridurre significativamente i nutrienti in eccesso nelle acque reflue prima dello scarico. Inoltre, la presenza di contaminanti nei sistemi maraponici e aloponici non RAS può essere ridotta o eliminata mediante l'uso di acqua contenente bassi livelli di contaminanti presenti in natura e l'uso di acquafeed alternativi che non contengono diossine o PCD (ad esempio nuovi mangimi ottenuti da macroalghe). Questo miglioramento della qualità dell'acqua riduce il potenziale di insorgenza di malattie e la necessità di un uso di antibiotici viene quindi notevolmente ridotta. Grazie alla loro configurazione versatile e al basso fabbisogno idrico, i maraponici e gli aloponici possono essere implementati con successo in un'ampia varietà di ambienti, dalle fertili zone costiere ai deserti aridi (Kotzen e Appelbaum 2010), così come negli insediamenti urbani o periurbani. Un altro potenziale vantaggio è che molte delle specie adatte a questi sistemi hanno un alto valore commerciale. Ad esempio, la spigola europea euryhalina (Dicentrarchus labrax) e l'orata (Sparus aurata) possono ottenere un prezzo di mercato rispettivamente di 9/kg e 6/kg. Inoltre, gli alofiti commestibili tendono ad avere un prezzo di mercato elevato, con il mare agretti (Salsola soda), ad esempio, con un prezzo di mercato di 4—4,5/kg e il samphire di palude (Salicornia europaea) che vende a 18/kg nei supermercati.

   Le prove sono quindi convincenti. Maraponica e aloponica forniscono un campo dinamico e in rapida crescita che ha il potenziale per fornire una serie di servizi alle comunità, molti dei quali sono esplorati altrove in questa pubblicazione.

5. 12.5 Acquaponica Verticale

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

   12.5.1 Introduzione

   Mentre l'acquaponica può essere vista come parte di una soluzione globale per aumentare la produzione alimentare in modi più sostenibili e produttivi e dove la coltivazione di più cibo nelle aree urbane è ora riconosciuta come parte della soluzione alla sicurezza alimentare e di una crisi alimentare globale (Konig et al. 2016), i sistemi acquaponici possono diventare essi stessi più produttivo e sostenibile adottando tecnologie di crescita alternative e imparando da tecnologie emergenti come l'agricoltura verticale e le pareti viventi (Khandaker e Kotzen 2018). Inoltre, essendo efficienti in termini di spazio, possono essere meglio integrati nelle aree urbane.

   Nel mondo sviluppato la maggior parte dei sistemi acquaponici sono collocati in serre per controllare la temperatura; in Europa settentrionale e Nord America, ad esempio, le temperature invernali sono troppo fredde in inverno e in aree mediterranee come Spagna, Italia, Portogallo, Grecia e Israele le temperature estive sono troppo calde. Ci sono naturalmente molti altri vantaggi nella coltivazione di alimenti in serre controllate, come la capacità di regolare l'umidità relativa e controllare il movimento dell'aria, di mettere in quarantena i pesci e le piante provenienti da malattie e parassiti e potenzialmente di aggiungere COSub2/sub, per aiutare la crescita delle piante. Tuttavia, la coltivazione di prodotti in serra può facilmente aumentare i costi attraverso (a) i costi di capitale della serra (un'ampia stima di 350 US/msup2/sup Arnold 2017) e (b) le infrastrutture collegate come i controlli microclimatici che includono sistemi di riscaldamento e raffreddamento e illuminazione. Oltre ai costi iniziali dell'infrastruttura, vi sono anche i costi specifici di produzione delle serre, che comprendono l'energia e l'alimentazione per il riscaldamento e il raffreddamento e l'illuminazione.

   La maggior parte dei sistemi acquaponici come il sistema dell'Università dell'Isola Vergine (UVI) (Fig. 12.1), progettato dal Dr. James Rakocy e dai suoi colleghi, utilizza serbatoi o letti orizzontali, emulando i tradizionali modelli di coltivazione dei seminativi a terra per produrre ortaggi (Khandaker e Kotzen 2018). In altre parole, il sistema si basa su file/matrici orizzontali di piante generalmente elevate intorno al livello della vita, in modo che le attività di gestione correlate all'impianto possano essere prontamente intraprese. Sviluppi paralleli nelle tecnologie delle pareti viventi e dell'agricoltura verticale sono sorti quasi nello stesso momento in cui l'acquaponica si è evoluta e sono analogamente nella fase di sviluppo adolescenziale. Allo stesso modo, come nel caso dell'acquaponica, con il coinvolgimento di più persone, vi è un aumento concomitante dei sistemi e dello sviluppo tecnologico per aumentare la produttività e ridurre i costi. L'accoppiamento dei sistemi di coltivazione verticale (sistemi di coltivazione verticale e pareti viventi) piuttosto che dei letti orizzontali alle vasche per pesci e filtrazione è potenzialmente un modo chiave per aumentare la produttività in quanto dovrebbe essere possibile aumentare il numero di ortaggi coltivati rispetto al numero prodotto in acquaponica a letto orizzontale. I sistemi acquaponici UVI (Fig. 12.2) producono circa 32 piante per metro quadrato (Al-Hafedh et al. 2008), a seconda delle specie e cultivar che viene coltivata, ma come nota Khandaker e Kotzen (2018), circa 96 piante possono essere coltivate per metro quadrato utilizzando elementi back-to-back della Terapia Urbana [1] Sistema LW che è più di tre volte la densità

   

   Fig. 12.2 Schema schematico di un tipico sistema UVI che illustra il rapporto tra serbatoi per pesci/filtri/vasche per la coltivazione di piante che è 2:1:5. Ciò dimostra che l'area più grande è contenuta nelle piante ed è in questa zona che si può considerare il risparmio di spazio. (Khandaker e Kotzen 2018)

   rispetto al sistema di coltivazione orizzontale UVI». Una stima prudente dovrebbe almeno raddoppiare la quantità massima coltivata in letti orizzontali fino a 64 piante/msup2/sup. In un esperimento con lattuga (Lactuca sativa L. cv. «Little Gem») utilizzando letti orizzontali e colonne piantate, piantate a densità simili, Touliatos et al. (2016) suggeriscono che il «Vertical Farming System (VFS) rappresenta un'alternativa interessante ai sistemi orizzontali di crescita idroponica (e) che si potrebbero ottenere ulteriori aumenti della resa incorporando illuminazione artificiale nel VFS'.

   **Sistemi di Agricoltura Verticale (VFS) **

   Prima di discutere i requisiti specifici per i sistemi verticali abbiamo bisogno di discutere i tipi di sistemi che sono disponibili. In VFS ci sono tre tipi generici principali (Fig. 12.3):

   1. Letti orizzontali impilati: Invece di avere un solo letto orizzontale, i letti sono impilati come ripiani in livelli. Questa disposizione significa che in una serra, solo il letto superiore sarà rivolto alla luce naturale diretta e la luce supplementare deve essere fornita a tutti i livelli. Questo di solito è fornito direttamente sotto il letto di coltivazione sopra. In linea di principio ciò potrebbe significare che i letti in crescita potrebbero essere impilati più in alto che la serra consente, ma naturalmente far crescere le cose in quota significa maggiori difficoltà nella gestione del sistema, tra cui la semina, la manutenzione e la raccolta, la necessità di ascensori a forbice e di energia supplementare per pompare acqua ricca di sostanze nutritive a tutti i livelli. Secondo Bright Agrotech (Storey 2015), fino a quattro livelli è redditizio e qualsiasi cosa al di sopra che non è redditizio. Storey (2015) osserva inoltre che la manodopera aumenta del 25% al secondo, terzo e quarto livello quando è richiesto un sollevamento a forbice (figura 12.3, illustrazione A).

   

   Fig. 12.3 Sistemi di coltivazione verticale e loro disposizione di illuminazione

   2. Vertical Tower Systems (VTS): Vertical Tower Systems comprendono sistemi che coltivano piante in array verticali all'interno di un contenitore o di una serie di moduli impilati. A seconda del sistema, le piante vengono coltivate di fronte a una direzione o se, ad esempio, sono piantate in una forma a tubo, quindi possono essere disposte di fronte a qualsiasi direzione. Un esempio di sistema ad array verticale, in cui le piante sono coltivate rivolte in un'unica direzione è lo ZipGrowsUptm/SUP che sono appese o supportate in file (Fig. 12.3, Illustrazione B1). Le file sono di circa 0,5 metri (20 pollici). Crescere in modo più tridimensionale avviene con sistemi impilati o in sistemi tubolari che consentono di coltivare più piante, ma l'illuminazione è più complessa (Fig. 12.3, Illustrazione B2).

   3. Livelli a gradini: questi sistemi contengono abbeveratoi rigidi o mobili. Lo SkyGreens VFS di Singapore utilizza un sistema di trogoli rotanti che sposta i canali verso l'alto e verso la luce. La luce naturale aggiuntiva è più significativa verso l'alto e meno in basso (Fig. 12.3, Illustrazione C1). Gli altri sistemi di livello sono scalati in modo che ogni livello abbia un'interfaccia libera con la luce dall'alto, sia che si tratti di luce naturale proveniente dal tetto della serra che di luce artificiale. Ma questi sistemi devono essere piuttosto bassi per permettere alle persone di raggiungere le piante (Fig. 12.3, Illustrazione C2).

   Pareti Viventi

   I muri viventi devono ancora essere utilizzati in acquaponica tranne che in una serie di sistemi sperimentali come l'Università di Greenwich, Londra (Khandaker e Kotzen 2018). Mentre la maggior parte dei VFS utilizza la tecnica a film nutriente (NFT) per coltivare canali o blocchi di lana minerale incapsulati, le LW a volte usano anche substrati di tipo terreno in vasi o abbeveratoi, che forniscono il terreno radicale. Anche se questo va bene per la coltivazione di piante ornamentali così come verdure ed erbe aromatiche, se abbinato a vasche per pesci, qualsiasi aggiunta di terreno al sistema può complicare il carattere microbico del sistema ed essere dannosa per i pesci. Questo è tuttavia sconosciuto e richiede una ricerca. Gli esperimenti condotti presso l'Università di Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018) indicano che da una serie di singoli substrati inerti testati (tra cui idroleica, perlite, paglia, sfagnum muschio, lana minerale e fibra di cocco), la fibra di cocco e la lana minerale erano superiori in termini di penetrazione delle radici e la crescita delle radici nella lattuga (Lactuca sativa).

   Verticale v. Orizzontale: fattori da considerare

   Ci sono quattro aspetti chiave che devono essere presi in considerazione quando si confrontano i benefici (produttività e sostenibilità) della crescita verticale rispetto alla crescita orizzontale. Si tratta di (1) spazio, (2) illuminazione, (3) energia e (4) costi del ciclo di vita.

   1. spazio

   I vantaggi di essere in grado di coltivare i prodotti verticalmente, back to back, devono essere bilanciati con la quantità di spazio necessaria per fornire una diffusione uniforme dell'illuminazione e lo spazio necessario per la gestione e la manutenzione. La larghezza di una fila nei sistemi idroponici varia. Come notato, il sistema standard ZipGrowSuptm/SUP è di circa 0,5 metri, mentre la larghezza di fila abituale per la coltivazione di pomodori e cetrioli idroponicamente varia da 0,9 a 1,2 metri (Badgery-Parker e James 2010). La coltivazione di piante più piccole come lattuga ed erbe aromatiche come il basilico, può consentire file più stretti, ma naturalmente la larghezza delle file deve garantire che il prodotto non venga compromesso dallo spostamento di oggetti come carrelli e sollevatori a forbice. Un problema chiave con la crescita verticale è il conflitto che si verifica tra avere file fisse e illuminazione fissa, che deve essere posizionata nelle file tra le facciate di semina. Queste luci impediscono i movimenti delle persone e quindi o le luci devono essere (i) parte della struttura in crescita o (ii) retrattili o mobili, in modo che i lavoratori possano svolgere prontamente compiti, o (iii) le strutture di semina sono mobili e le luci rimangono statiche.

   2. Illuminazione

   La produzione in serra di ortaggi e altre piante si basa su specifiche disposizioni territoriali che consentono la semina, la gestione attraverso la crescita e la raccolta. La disposizione spaziale dipenderà dai tipi di piante e dai tipi di meccanizzazione installati. Inoltre, la crescita in modo efficiente si basa sul supplemento di luce aggiuntiva di diversi tipi, che hanno i loro pro e contro. In generale ciò che queste luci fanno è fornire lunghezze d'onda specifiche per la crescita delle piante e per la produzione di frutta o fiori. Mentre è relativamente semplice e più comune a piante uniformemente leggere cresciute orizzontalmente, è più una sfida illuminare uniformemente una superficie verticale.

   Per quanto riguarda i tipi di illuminazione, molti produttori si sono trasferiti o sono tentati di installare LED (diodi emettitori di luce), a causa della loro lunga durata, fino a 50.000 ore o più (Gupta 2017), del loro basso fabbisogno energetico e della loro recente riduzione dei costi. Virsile et al. in Gupta (2017) notare che la maggior parte delle applicazioni di illuminazione a LED nelle serre sceglie le combinazioni di lunghezze d'onda rosse e blu con alta efficienza fotonica, ma che la luce verde e bianca contenente notevoli quantità di lunghezze d'onda verdi ha un impatto fisiologico positivo sulle piante. Tuttavia, la combinazione di luci blu e rosse crea un'immagine grigio-porpora, il che ostacola la valutazione visiva della salute delle piante. Il tipo di lunghezze d'onda scelte è complesso e può avere benefici in diverse fasi della vita della pianta e anche in base alle cultivar, ad esempio, della lattuga. Le lattughe a foglia rossa, ad esempio, rispondono all'illuminazione a LED blu, aumentando la loro pigmentazione (Virsile et al. in Gupta 2017). Inoltre, l'illuminazione a LED blu può migliorare la qualità nutrizionale delle verdure verdi, riducendo il contenuto di nitrati, aumentando gli antiossidanti e fenolici e altri composti benefici. Gli spettri di luce influenzano anche il gusto, la forma e la consistenza (Virsile et al. in Gupta 2017). I costi dei LED sono diminuiti in modo significativo e l'efficacia dei LED è aumentata così il tempo di ritorno di pareggio sugli investimenti è diminuito (Bugbee in Gupta 2017).

   Naturalmente esiste un'altra illuminazione che comprende l'illuminazione fluorescente, l'illuminazione ad alogenuri metallici (MH) e l'illuminazione ad alta pressione al sodio (HPS). Il tipo di illuminazione che viene utilizzato in agricoltura verticale e con pareti viventi varia considerevolmente a seconda della scala e della posizione. Le lampade fluorescenti compatte (CFL) sono relativamente sottili e possono facilmente inserirsi in spazi ridotti, ma richiedono un alimentatore induttivo per regolare la corrente attraverso i tubi. Le lampade fluorescenti utilizzano solo il 20 -30% di una lampadina a incandescenza e durano da sei a otto volte più a lungo, ma sono quasi il 50% meno efficienti rispetto ai LED. Essi sono di gran lunga il più economico dei tre principali tipi di luci di crescita. La tecnologia HPS Grow Light ha più di 75 anni ed è ben consolidata per la coltivazione sotto il vetro, ma produce molto calore e quindi non sono adatti per l'agricoltura verticale e pareti viventi, dove la luce deve essere consegnata abbastanza vicino alle piante. Il calore prodotto dalle luci a LED, invece, è minimo. Tuttavia, il costo è superiore agli altri due tipi e la protezione degli occhi è necessaria per un'esposizione a lungo termine ai LED, poiché l'esposizione a lungo termine agli spettri di luce può essere dannosa per gli occhi. La disposizione delle unità VFS determinerà la disposizione dell'illuminazione, ma nel complesso queste sono illuminate da LED. Il metodo di illuminazione delle pareti viventi dipenderà dall'altezza del muro. Più alto è il muro più difficile è applicare una diffusione uniforme su tutta la superficie, anche se va notato che il numero di luci utilizzate non dovrebbe essere diverso da quelli utilizzati nei letti orizzontali e se la parete è alta allora le luci possono essere sfalsate. Poiché la maggior parte delle pareti vive si trovano per scopi estetici, l'illuminazione deve essere mantenuta il più possibile, fuori strada e l'illuminazione deve fornire non solo una luce adeguata per la crescita e la salute delle piante, ma anche in modo che le piante abbiano un bell'aspetto (Fig. 12,4).

   

   Fig. 12.4 Un muro vivente alto 4 metri e lungo 5 metri può essere adeguatamente illuminato con sei lampade a scarica ad alta efficienza. Si noti che questi sono stati scelti non solo per fornire una luce adeguata per la crescita, ma anche in modo che le piante nel muro vivente avrebbero un bell'aspetto. (Università di Greenwich Living Wall. Fonte: Benz Kotzen)

   I progressi della tecnologia LED, in cui le frequenze e l'intensità di illuminazione possono essere progettati per adattarsi a singole specie e cultivar, nonché ai loro vari cicli di vita, fanno sì che i LED diventeranno la tecnologia preferita nel prossimo futuro. Ciò sarà ulteriormente rafforzato dalle riduzioni dei costi.

   3. Energia

   È probabile che sia necessaria una maggiore energia per l'illuminazione sia per i VFS che per i LW, poiché anche l'illuminazione naturale non può essere ottenuta su superfici verticali. Inoltre sarà necessaria una maggiore potenza di pompaggio per l'irrigazione e questo sarà relativo all'altezza dei VFS o LW.

   4. _Analisi comparativa del ciclo di vita (LCA) _

   Sebbene ci siano numerosi studi condotti sull'analisi del ciclo di vita dell'acquaponica e vari aspetti dei sistemi aquaponici, non esistono studi comparativi che confrontino l'acquaponica verticale rispetto all'acquaponica orizzontale. Questo deve ancora essere fatto. Stiamo arrivando ad un punto in cui è probabile che l'acquaponica verticale giustifichi ulteriori test e ricerche e nel tempo l'acquaponica verticale, che abbina sistemi di allevamento verticali o sistemi di pareti viventi con le vasche e le unità di filtrazione, rischia di diventare più mainstream, purché questi possano essere redditizi e sostenibile.

6. 12.6 Tecnologia Biofloc (BFT) applicata per l'acquaponica

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

   12.6.1 Introduzione

   La tecnologia Biofloc (BFT) è considerata la nuova «rivoluzione blu» in acquacoltura (Stokstad 2010) poiché i nutrienti possono essere continuamente riciclati e riutilizzati nel terreno di coltura, beneficiando della produzione di microrganismi in situ e dello scambio idrico minimo o zero (Avnimelech 2015). Tali approcci potrebbero far fronte ad alcune serie sfide nel settore, come la concorrenza per la terra e l'acqua e gli effluenti scaricati nell'ambiente che contengono eccesso di materia organica, composti azotati e altri metaboliti tossici.

   BFT è stato sviluppato per la prima volta nei primi anni '70 dal team Aquacop di Ifremer-COP (Istituto francese di ricerca per lo sfruttamento del mare, Oceanic Center of the Pacific) con diverse specie di gamberetti penaiid tra cui Litopenaeus vannamei, L. stylirostris e Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011). Nello stesso periodo, Ralston Purina (una società statunitense privata) in connessione con Aquacop ha applicato la tecnologia sia a Crystal River (USA) che a Tahiti, che hanno portato a una maggiore comprensione dei benefici del biofloc per la coltura dei gamberetti. Molti altri studi hanno consentito un approccio globale alla BFT e hanno studiato le interrelazioni tra acqua, animali e batteri, confrontando BFT con un «rumeno esterno», ma ora applicato per i gamberetti. Negli anni '80 e all'inizio degli anni '90, sia Israele che gli Stati Uniti (Waddell Maricoltura Center) hanno iniziato la R\ &D in BFT con Tilapia e Pacific White Gamberetti L. vannamei, rispettivamente, in cui le preoccupazioni ambientali, la limitazione dell'acqua e il costo del terreno erano i principali agenti causali che hanno promosso la ricerca ( Emerenciano et al. 2013).

   

   Fig. 12.5 Tecnologia biofloc (BFT) applicata per la coltura dei gamberetti marini in Brasile (a) e per la cultura Tilapia in Messico (b) (Fonte: EMA-FURG, Brasile e Maurício G. C. Emerenciano)

   Le prime operazioni commerciali di BFT e probabilmente le più famose iniziarono negli anni '80 presso la fattoria 'Sopomer' di Tahiti, in Polinesia francese, e nei primi anni 2000 presso la fattoria Belize Aquacoltura o 'BAL', situata in Belize, America centrale. Le rese ottenute utilizzando serbatoi di cemento da 1000 msup2/sup e laghetti da 1,6 ha rivestiti sono state di circa 20-25 ton/ha/anno con due colture a Sopomer e 11-26 ton/ha/ ciclo a BAL, rispettivamente. Più recentemente, BFT è stato ampliato con successo nella coltivazione di gamberetti su larga scala in Asia, in America meridionale e centrale, nonché in piccole serre negli Stati Uniti, in Europa e in altre aree. Almeno in una fase (ad esempio la fase vivaio) BFT è stato utilizzato con grande successo in Messico, Brasile, Ecuador e Perù. Per la cultura commerciale Tilapia, le aziende agricole in Messico, Colombia e Israele utilizzano BFT con produzioni da 7 a 30 kg/msup3/sup (Avnimelech 2015) (Fig. 12,5 b). Inoltre, questa tecnologia è stata utilizzata (ad esempio in Brasile e Colombia) per produrre giovani tilapia (\ ~30 g) per ulteriori scorte in gabbie o stagni di terra (Durigon et al. 2017). BFT è stato applicato principalmente alla coltura dei gamberetti e, in una certa misura, alla tilapia. Altre specie sono state testate e mostrano promesse, come notato per il pesce gatto argento (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), carpa (Zhao et al., 2014), piracanjuba (Brycon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), cachama (Colossoma macropomum) (Poleo et al., 2011) e altre specie di crostacei come Macrobrachium rosenbergii (Granchio et al., 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Emerenciano et al., 2012), F. paulensis (Ballester et al., 2010), Penaeus semisulcatus (Megahed, 2010), L. stylirostris (Emerenciano et al., 2011) e P. monodulcatus_ (Arnold et al., 2006). L'interesse per BFT è evidente dal crescente numero di università e centri di ricerca che svolgono ricerche in particolare nei settori chiave della gestione della crescita, della nutrizione, della riproduzione, dell'ecologia microbica, della biotecnologia e dell'economia.

   12.6.2 Come funziona BFT?

   I microrganismi svolgono un ruolo chiave nei sistemi BFT (Martinez-Cordoba et al. 2015). Il mantenimento della qualità dell'acqua, principalmente attraverso il controllo della comunità batterica sui microrganismi autotrofici, si ottiene utilizzando un elevato rapporto carbonio/azoto (C:N) poiché i sottoprodotti azotati possono essere facilmente assorbiti dai batteri eterotrofici. All'inizio dei cicli di coltura è necessario un elevato rapporto carbonio/azoto per garantire una crescita ottimale dei batteri eterotrofici, utilizzando questa energia per il suo mantenimento e crescita (Avnimelech 2015). Inoltre, altri gruppi di microrganismi sono cruciali nei sistemi BFT. La comunità batterica chemioautotrofa (cioè batteri nitrificanti) si stabilizza dopo circa 20-40 giorni e potrebbe essere responsabile di due terzi dell'assimilazione dell'ammoniaca nel sistema (Emerenciano et al. 2017). Pertanto, l'aggiunta di carbonio esterno dovrebbe essere ridotta e l'alcalinità consumata dai microrganismi deve essere sostituita da diverse fonti di carbonato/bicarbonato (Furtado et al. 2011). La stabilità dello scambio idrico zero o minimo dipende dall'interazione dinamica tra comunità di batteri, microalghe, funghi, protozoi, nematodi, rotiferi, ecc. che avverrà naturalmente (MartinezCordoba et al. 2017). Gli aggregati (bioflocs) sono una ricca fonte naturale di proteine e lipidi di di cibo che diventano disponibili 24 ore al giorno a causa di una complessa interazione tra materia organica, substrato fisico e ampia gamma di microrganismi (Kuhn e Boardman 2008; Ray et al. 2010). La produttività naturale sotto forma di produzione di microrganismi svolge tre ruoli principali nei serbatoi, nelle piste o negli stagni rivestiti: (1) nel mantenimento della qualità dell'acqua, mediante l'assorbimento di composti azotati che generano proteine microbiche in situ; (2) nell'alimentazione, aumentando la fattibilità della coltura riducendo i mangimi rapporti di conversione e diminuzione dei costi dei mangimi; e (3) in concorrenza con gli agenti patogeni (Emerenciano et al. 2013).

   Per quanto riguarda la qualità dell'acqua per gli organismi di coltura, oltre all'ossigeno, l'eccesso di particolato organico e i composti azotati tossici sono la principale preoccupazione nei sistemi biofloc. In questo contesto, si verificano tre vie per la rimozione dell'azoto ammoniacale: ad un tasso minore (1) asportazione fotoautotrofa da alghe e ad un tasso più elevato (2) conversione batterica eterotrofa dell'azoto ammoniacale direttamente in biomassa microbica e (3) conversione batterica autotrofa da ammoniaca a nitrato ( MartinezCordoba et al. 2015). Il nitrato disponibile nei sistemi più altri nutrienti minori e maggiori accumulati nel ciclo potrebbe essere utilizzato come substrato per la crescita delle piante nei sistemi acquaponici (Pinho et al. 2017).

   12.6.3 BFT in Aquaponica

   L'applicazione di BFT nei sistemi aquaponici è relativamente nuova, anche se Rakocy (2012) menziona un progetto pilota commerciale con tilapia. La tabella 12.2 riassume i principali studi recenti che hanno utilizzato BFT nei sistemi aquaponici.

   Nel complesso, i risultati dimostrano che la tecnologia biofloc può essere utilizzata e integrata nella produzione di pesci o gamberetti. BFT rispetto ad altri sistemi convenzionali di acquacoltura (come il RAS) ha effettivamente migliorato la resa delle piante e dei pesci e ha promosso una migliore qualità visiva delle piante (Pinho et al. 2017), ma non in tutti i casi (Rahman 2010; Pinho 2018). Pinho et al. (2017) hanno osservato che le rese di lattuga con il sistema BFT erano maggiori rispetto al sistema di ricircolo dell'acqua pulita (Fig. 12.6). Ciò è probabilmente dovuto alla maggiore disponibilità di nutrienti fornita dal

   Tabella 12.2 Studi recenti in tutto il mondo che applicano il BFT nei sistemi acquaponici per diverse specie acquatiche e vegetali

   tavolo testata tr class = header» Specie acquatico/th th Specie vegetali /th th Principali risultati /th th I riferimenti /th /tr /testata tbody tr class="dispari» TDtilapia/TD td Lattuga /td td La tecnologia Biofloc non ha migliorato la produzione di lattuga rispetto alla soluzione idroponica convenzionale /td td Rahman (2010) /td /tr tr class="even» TDtilapia/TD td Lattuga /td td La resa e la qualità visiva della lattuga sono state migliorate utilizzando BFT rispetto al sistema di ricircolo dell'acqua pulita /td td Pinho e altri (2017) /td /tr tr class="dispari» TDtilapia (vivaio) /td td Lattuga /td td Le prestazioni dell'impianto (lattuga) con l'uso di Tilapia* in una fase di vivaio (1—30 g) sono state influenzate negativamente dalle acque reflue biofloc rispetto alle acque reflue RAS dopo due cicli di impianto (13 giorni ciascuno). Gli aspetti visivi vegetali sono stati migliori in RAS rispetto a BFT /td td Pinho (2018) /td /tr tr class="even» TDtilapia/TD td Lattuga /td td La presenza di elementi filtranti (filtro meccanico e filtro biologico) ha influenzato positivamente la produzione di lattuga nei sistemi aquaponici rispetto al trattamento senza filtri con BFT /td td Barbosa (2017) /td /tr tr class="dispari» TDtilapia/TD td Lattuga /td td Bassa salinità (3 ppt) può essere eseguita in acquaponica utilizzando BFT. Parametri visivi e prestazionali indicavano che la varietà viola aveva prestazioni migliori rispetto alle varietà lisce e croccanti /td td Lenz e altri. (2017) /td /tr tr class="even» TDsilver pesce gatto/td td Lattuga /td td L'uso di bioflocs nel sistema acquaponico può migliorare la produttività della lattuga in una coltura integrata con il pesce gatto d'argento /td td Rocha e altri (2017) /td /tr tr class="dispari» TdilitopenAeus vannamei/i/td td IsarcoCornia ambigua/i /td td Le prestazioni dell'ishrimp marino L. vannamei/i non sono state influenzate dalla produzione integrata di acquaponica ishrimp marino L. vannamei/i e migliorano anche l'uso di sostanze nutritive (ad esempio azoto) nel sistema di coltura /td td Pinheiro e altri (2017) /td /tr /tbody /tavolo

   

   Fig. 12.6 Serra acquaponica sperimentale che confronta la tecnologia biofloc e le acque reflue RAS presso la Santa Catarina State University (UDESC), Brasile. (Fonte: Pinho et al. 2017)

   maggiore attività microbica. Tuttavia, questa tendenza non è stata osservata nello studio di Rahman (2010), che ha confrontato gli effluenti provenienti dalla coltura ittica in un sistema BFT con una soluzione idroponica convenzionale in una produzione di lattuga. Inoltre, Pinho

   

   Fig. 12.7 Alofita ad alta salinità Sarcocornia ambigua produzione acquaponica integrata con gamberetti bianchi del Pacifico Litopenaeus vannamei applicando con successo la tecnologia biofloc presso l'Università Federale di Santa Catarina (UFSC), Brasile. (Fonte: LCM-UFSC, Brasile)

   

   Fig. 12.8 Produzione di lattuga acquaponica integrata con Tilapia utilizzando la tecnologia biofloc (sinistra) e accumulo di solidi sospesi nelle radici di lattuga (destra). Barbosa (2017)

   (2018) in un recente studio ha osservato che le prestazioni produttive della lattuga nel sistema acquaponico utilizzando Tilapia in una fase vivaio (1—30 g) sono state influenzate negativamente dalle acque reflue biofloc rispetto alle acque reflue RAS per 46 giorni. La variazione dei risultati individua la necessità di ulteriori studi in questo settore.

   BFT può essere utilizzato con acqua a bassa salinità, ad esempio con alcune varietà di lattuga (Lenz et al. 2017), e con acque di salinità più elevate, ad esempio con specie di piante alofite come Sarcocornia ambigua co-coltura con gamberetti bianchi del Pacifico Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (Fig. 12.7). Il pesce gatto d'argento Rhamdia quelen ha anche mostrato un buon potenziale per l'integrazione dell'acquaponica con BFT (Rocha et al. 2017).

   Con BFT, la concentrazione di solidi può influire gravemente sulle radici e influenzare l'assorbimento dei nutrienti e la disponibilità di ossigeno. Di conseguenza, le rese possono essere influenzate, ma anche la qualità visiva delle piante (ad esempio lattughe), che è un criterio importante per i consumatori. Tenendo conto di questo, la gestione dei solidi è un argomento importante per ulteriori studi in cui si considera l'impatto dei solidi (frazione di particolato e anche frazione disciolta) nei sistemi acquaponici quando si applica BFT (Fig. 12.8). Inoltre, è necessario effettuare studi economici per confrontare i costi dei vari sistemi di acquacoltura e di coltivazione delle piante e per individuare l'adeguatezza rispetto alle diverse località e condizioni.

7. 12.7 Digeponica

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

   La lavorazione anaerobica di biomassa appositamente coltivata, nonché di materiale vegetale residuo proveniente dall'attività agricola, per la produzione di biogas è un metodo consolidato. Il digestato battericamente indigesto viene restituito ai campi come fertilizzante e per la costruzione di humus. Sebbene questo processo sia diffuso in agricoltura, l'applicazione di questa tecnologia in orticoltura è relativamente nuova. Stoknes et al. (2016) affermano che, nell'ambito del progetto «Food to waste to food» (F2W2F), è stato sviluppato per la prima volta un metodo efficiente per l'utilizzo del digestato come substrato e fertilizzante. Il gruppo di ricerca ha coniato il termine «digeponica» per questo sistema circolare. La Digeponica, a differenza dell'acquaponica, sostituisce la parte dell'acquacoltura con un digestore anaerobico, oppure, se la confronta con un sistema acquaponico a tre anelli che include un anaerobico, la parte dell'acquacoltura viene rimossa dal sistema lasciando due anelli principali, il ciclo di digestione e il ciclo orticolo.

   L'apporto organico richiesto che viene fornito sotto forma di alimento per pesci in un sistema acquaponico viene sostituito con rifiuti alimentari provenienti dalla produzione alimentare umana per la digeponica. La diversa composizione dei nutrienti nel flusso di input contraria al flusso di nutrienti ben noto, costante e probabilmente ottimizzato dal punto di vista nutrizionale risultante dal mangime per pesci richiederà molto probabilmente un regime di analisi e gestione dei nutrienti più rigoroso di quello richiesto nell'acquaponica.

   Il biogas prodotto, che contiene principalmente metano e anidride carbonica, può essere utilizzato all'interno dell'impianto per la produzione di elettricità e calore. Il gas di scarico ricco di anidride carbonica può essere utilizzato come fertilizzante direttamente nella serra riducendo le emissioni rispetto ai classici impianti di biogas utilizzati in agricoltura.

   Poiché il «digestato fresco e non trattato in liquami liquidi anaerobici (contiene) sostanze tossiche vegetali, una conducibilità elettrica molto elevata (EC) e la domanda chimica di ossigeno (COD)» (Stoknes et al. 2016), deve essere trattato per renderlo idoneo alla fertilizzazione delle piante. Nell'ambito del progetto F2W2F sono stati esaminati diversi metodi di moderazione. La CE relativamente elevata del digestato e la flessibilità operativa di un digestore alimentato con rifiuti alimentari a basso costo alleviano alcuni dei problemi legati all'accoppiamento spesso attribuiti ai sistemi aquaponici accoppiati (cfr. cap. 7). La digeponica può quindi servire come interessante alternativa all'acquaponica in situazioni in cui la parte dell'acquacoltura rappresenta una sfida. Per quanto riguarda un sistema acquaponico a tre anelli che già comprende un circuito con un digestore anaerobico, l'inclusione di un flusso di rifiuti alimentari per l'input organico potrebbe rappresentare un'interessante direzione futura. La resa di metano dei fanghi di acquacoltura è piuttosto limitata. Un'inclusione mirata della biomassa agricola residua con l'obiettivo di ottimizzare la resa del metano potrebbe migliorare le prestazioni complessive.

8. 12.8 Vermiponica e Acquaponica

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

   Sarebbe negligente in questo capitolo per non parlare dei lombrichi e della loro introduzione in acquaponica, e quindi questo capitolo si conclude con un breve curriculum di questi invertebrati detritivori e delle loro capacità di convertire i rifiuti organici in fertilizzanti. Si dice che i vermi e il modo in cui digeriscono la materia erano di interesse per Aristotele e Charles Darwin, così come i filosofi Pascal e Thoreau (Adhikary 2012) e sono stati protetti dalla legge sotto Cleopatra. I lombrichi sono apprezzati in agricoltura e orticoltura in quanto sono «vitali per la salute del suolo perché trasportano sostanze nutritive e minerali dal basso alla superficie attraverso i loro rifiuti, e le loro gallerie aerano la terra» (National Geographic).

   La vermicultura moderna è attribuita a Mary Appelhof, che nei primi anni '70 e '80 ha prodotto una serie di pubblicazioni sul compostaggio con vermi. Il vermicompostaggio contemporaneo avviene su scale grandi e piccole con l'obiettivo di eliminare i rifiuti organici e produrre fertilizzanti sotto forma di compost e «verme». Il tè ai vermi può essere prodotto immergendo i calchi di vermi o lisciviando i nutrienti dal compost attraverso la bagnatura o la bagnatura naturale del percolato dovuto alle precipitazioni.

   Vermiponics utilizza i calchi di vermi principalmente rossi, noti anche come vermi tigre (Eisenia fetida) o (E. foetida) per fornire nutrienti in un sistema idroponico. Quando i vermi vengono introdotti in un sistema acquaponico, suggeriamo che il sistema venga definito «vermi-aquaponica» per differenziare i sistemi. È quindi l'introduzione di vermi nei letti in crescita delle parti vegetali di un sistema acquaponico. Va notato che la vermi-aquaponica è nella sua infanzia e praticata principalmente dagli hobbisti e nei laboratori di ricerca. I vermi vengono introdotti principalmente nei terreni di coltivazione delle piante, di solito letti di ghiaia, dove possono aiutare a scomporre eventuali rifiuti solidi provenienti dai pesci e dai detriti delle piante e inoltre fornire nutrienti aggiuntivi per le piante, e possono anche essere alimentati ai pesci carnivori. Nella maggior parte dei casi i letti sono di tipo alluvione e scarico, in modo che i vermi non siano costantemente sott'acqua.

   Riconoscimenti Gli autori ringraziano Consiglio Nazionale per lo Sviluppo Scientifico e Tecnologico-CNPQ (Numero Progetto 455349/2012-6) e Fondazione di Ricerca Scientifico e Tecnologico di Santa Catarina Stato-FAPESC (Numero Progetto 2013TR3406 e 2015TR453).