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Capitolo 13 Diete ittiche in acquaponica

1. 13.1 Introduzione

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

   Il cibo acquatico è riconosciuto come benefico per la nutrizione e la salute umana e svolgerà un ruolo essenziale nelle future diete sane e sostenibili (Beveridge et al. 2013). Per raggiungere questo obiettivo, il settore globale dell'acquacoltura deve contribuire ad aumentare la quantità e la qualità dell'approvvigionamento ittico entro il 2030 (Thilsted et al. 2016). Questa crescita dovrebbe essere promossa non solo aumentando la produzione e/o il numero di specie, ma anche attraverso la diversificazione dei sistemi. Tuttavia, il pesce proveniente dall'acquacoltura è stato incluso solo di recente nel dibattito sulla sicurezza e la nutrizione alimentare (FSN) e nelle strategie e politiche future, dimostrando l'importante ruolo di questa produzione per prevenire la malnutrizione in futuro (Bénét et al. 2015), in quanto i pesci forniscono una buona fonte di proteine e grassi insaturi, così come minerali e vitamine. È importante notare che molte nazioni africane stanno promuovendo l'acquacoltura come risposta ad alcune delle loro sfide attuali e future della produzione alimentare. Anche in Europa l'offerta ittica non è attualmente autosufficiente (con una domanda interna squilibrata), essendo sempre più dipendente dalle importazioni. Pertanto, garantire il successo e lo sviluppo sostenibile dell'acquacoltura globale è un programma imperativo per l'economia globale ed europea (Kobayashi et al. 2015). La sostenibilità è generalmente necessaria per mostrare tre aspetti chiave: accettabilità ambientale, equità sociale e redditività economica. I sistemi Aquaponic offrono l'opportunità di essere sostenibili, combinando sistemi di produzione animale e vegetale in modo economico, rispettoso dell'ambiente e socialmente vantaggioso. Per Staples e Funge-Smith (2009), lo sviluppo sostenibile è l'equilibrio tra benessere ecologico e benessere umano e, nel caso dell'acquacoltura, un approccio ecosistemico è stato inteso solo di recente come un settore prioritario per la ricerca.

   L'acquacoltura è stato il settore della produzione alimentare in più rapida crescita negli ultimi 40 anni (Tveterås et al. 2012), essendo una delle attività agricole più promettenti per soddisfare il fabbisogno alimentare mondiale prossimo al futuro (Kobayashi et al. 2015). Le statistiche totali sulla produzione dell'acquacoltura (FAO 2015) indicano un incremento annuo della produzione globale del 6%, che dovrebbe fornire fino al 63% del consumo mondiale di pesce entro il 2030 (FAO 2014), per una popolazione stimata di nove miliardi di persone nel 2050. Nel caso dell'Europa, l'aumento previsto si osserva non solo nel settore marino, ma anche nei prodotti prodotti terrestri. Alcune delle sfide attese per la crescita dell'acquacoltura nei prossimi anni sono la riduzione dell'uso di antibiotici e di altri trattamenti patologici, lo sviluppo di sistemi e attrezzature di acquacoltura efficienti, la diversificazione delle specie e la maggiore sostenibilità nel

   area di produzione di mangimi e di impiego di mangimi. Anche il passaggio dalla farina di pesce (FM) nei mangimi ad altre fonti proteiche rappresenta una sfida importante, così come i rapporti «fish-in-fish-out». C'è una lunga storia, che risale agli anni '60, di promuovere la crescita del settore dell'acquacoltura verso una corretta sostenibilità, compreso l'incoraggiamento ad adattare e creare formule di mangimi nuove e più sostenibili, a ridurre la fuoriuscita di mangimi e a ridurre il rapporto di conversione alimentare (FCR). Benché l'acquacoltura sia riconosciuta come il settore di produzione animale più efficiente, se confrontata con la produzione animale terrestre, vi è ancora margine di miglioramento in termini di efficienza delle risorse, diversificazione delle specie o dei metodi di produzione, nonché una chiara necessità di un approccio ecosistemico pieno vantaggio del potenziale biologico degli organismi e fornendo un'adeguata considerazione dei fattori ambientali e sociali (Kaushik 2017). Questa crescita della produzione di acquacoltura dovrà essere sostenuta da un aumento della produzione totale di mangimi prevista. Occorreranno produrre circa tre milioni di tonnellate supplementari di mangimi ogni anno per sostenere la crescita prevista dell'acquacoltura entro il 2030. Inoltre, è necessaria la sostituzione della farina di pesce e dell'olio di pesce (FO) con sostituti vegetali e terrestri, che richiede una ricerca essenziale sui mangimi formativi per l'allevamento animale.

   Le industrie animali e acquafeed fanno parte di un settore produttivo globale, che è anche al centro delle future strategie di sviluppo. L'indagine annuale di Alltech (Alltech 2017) rivela che la produzione totale di mangimi per animali ha superato 1 miliardo di tonnellate metriche, con un aumento della produzione del 3,7% rispetto al 2015, nonostante una diminuzione del 7% del numero di mulini per mangimi. La Cina e gli Stati Uniti hanno dominato la produzione nel 2016, rappresentando il 35% della produzione totale mondiale di mangimi. L'indagine indica che i primi 10 paesi produttori hanno più della metà dei foraggi mondiali (56%) e rappresentano il 60% della produzione totale di mangimi. Questa concentrazione nella produzione significa che molti degli ingredienti chiave tradizionalmente utilizzati nelle formulazioni per i mangimi commerciali per acquacoltura sono materie prime commercializzate a livello internazionale, il che sottopone la produzione acquafeed a qualsiasi volatilità del mercato globale. La farina di pesce, ad esempio, dovrebbe raddoppiare di prezzo entro il 2030, mentre l'olio di pesce dovrebbe aumentare di oltre il 70% (Msangi et al. 2013). Ciò dimostra l'importanza di ridurre la quantità di questi ingredienti nei mangimi per pesci, aumentando al contempo l'interesse e l'attenzione verso fonti nuove o alternative (García-Romero et al. 2014a, b; Robaina et al. 1998, 1999; Terova et al. 2013; Torrecillas et al. 2017).

   Sebbene siano state sviluppate nuove piattaforme offshore per la produzione di acquacoltura, vi è anche un'attenzione significativa ai sistemi di acquacoltura a ricircolo marino e d'acqua dolce (RAS), poiché questi sistemi utilizzano meno acqua per kg di mangime utilizzato, il che aumenta la produzione di pesce riducendo al contempo gli impatti ambientali di acquacoltura, comprese le riduzioni del consumo di acqua (Ebeling e Timmons 2012; Kingler e Naylor 2012). Il RAS può essere integrato con la produzione vegetale in sistemi acquaponici, che si adattano facilmente a modelli di sistemi alimentari locali e regionali (cfr. cap. 15) che possono essere praticati in o nelle vicinanze di grandi centri abitati (Love et al. 2015a). Acqua, energia e mangime per pesci sono i tre più grandi input fisici per i sistemi aquaponici (Love et al. 2014, 2015b). Circa il 5% dei mangimi non viene consumato dai pesci d'allevamento, mentre il restante 95% viene ingerito e digerito (Khakyzadeh et al. 2015). Di questa quota, il 30 -40% viene mantenuto e convertito in nuova biomassa, mentre il

   Sviluppo dei mangimi aquaponici e bioeconomia circolare

   

   Fig. 13.1 Rappresentazione schematica di un approccio multidisciplinare per valorizzare localmente i bio-sottoprodotti per le diete acquaponiche. (Basato su «R+D+I verso lo sviluppo aquaponico nelle isole ultraperiferiche e l'economia circolare»; progetto ISLANDAP, Interreg MAC/1.1A/2072014-2019)

   rimanente 60— 70% viene rilasciato sotto forma di feci, urina e ammoniaca (FAO 2014). In media, 1 kg di mangime (30% di proteine grezze) rilascia globalmente circa 27,6 g di N e 1 kg di biomassa ittica rilascia circa 577 g di BOD (domanda biologica di ossigeno), 90,4 g di N e 10,5 g di P (Tyson et al. 2011).

   L'acquaponica è attualmente un settore piccolo ma in rapida crescita che è chiaramente adatto a sfruttare le seguenti sfide politiche e socioeconomiche, in cui 1) i prodotti acquatici soddisfano le esigenze di sicurezza alimentare e nutrizione, 2) regioni autosufficienti dei pesci sono stabilite in tutto il mondo, 3) acquacoltura è un settore chiave, ma gli ingredienti globali e la produzione globale di mangimi sono al centro dell'attenzione, 4) l'innovazione in agricoltura promuove la biodiversità in modi più sostenibili e nell'ambito dell'economia circolare e 5) vi è una maggiore diffusione degli alimenti prodotti localmente. Questi aspetti sono in linea con le raccomandazioni dell'Unione internazionale per la conservazione della natura (Le Gouvello et al. 2017), che hanno riguardato la sostenibilità dell'acquacoltura e dei mangimi per pesci, che ha raccomandato di compiere sforzi per localizzare la produzione dell'acquacoltura e l'approccio circolare, e per l'attuazione di un programma di controllo della qualità per i nuovi prodotti e sottoprodotti, nonché la trasformazione dei mangimi locali per i pesci nelle regioni. Finora, l'acquaponica come «piccole aziende di acquacoltura» potrebbe fornire esempi per l'attuazione della bioeconomia e della produzione su scala locale, promuovendo in tal modo modi di utilizzare prodotti e sottoprodotti di materia organica non adatti ad altri scopi, ad esempio insetti e vermi d'allevamento, macroalghe e microalghe, idrolizzati di pesci e sottoprodotti, nuovi impianti prodotti agroecologici e bioattivi e micronutrienti di produzione locale, riducendo al contempo l'impatto ambientale con una produzione alimentare di qualità (pesce e piante) e muovendosi verso una produzione zero di rifiuti. Inoltre, l'acquaponica fornisce un buon esempio per promuovere un modo multidisciplinare di apprendimento sulla produzione sostenibile e sulla valorizzazione della bioresource, ad esempio il «Progetto Islandap» (INTERREG V-A MAC 20142020) (Fig. 13.1).

   Le sezioni seguenti di questo capitolo esaminano lo stato dell'arte delle diete ittiche, degli ingredienti e degli additivi, nonché le sfide nutrizionali/sostenibili da considerare quando si producono mangimi aquaponici specifici.

2. 13.2 Sviluppo sostenibile della nutrizione dei pesci

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   Lo sviluppo sostenibile della nutrizione dei pesci in acquacoltura dovrà corrispondere alle sfide che l'acquaponica pone per quanto riguarda la crescente necessità di produrre alimenti di alta qualità. Manipolare l'azoto, il fosforo e il contenuto minerale delle diete ittiche utilizzate in acquaponica è un modo per influenzare i tassi di accumulo di nutrienti, riducendo così la necessità di integrazione artificiale ed esterna dei nutrienti. Secondo Rakocy et al. (2004), i rifiuti di pesci e mangimi forniscono la maggior parte delle sostanze nutritive richieste dalle piante se si mantiene il rapporto ottimale tra l'apporto giornaliero di mangime per pesci e le zone di coltivazione delle piante. I rifiuti solidi di pesce chiamati «fanghi» nei sistemi acquaponici comportano la perdita di circa la metà dei nutrienti disponibili in ingresso, in particolare il fosforo, che teoricamente potrebbero essere utilizzati per la produzione di biomassa vegetale, ma le informazioni sono ancora limitate (Delaide et al. 2017; Goddek et al. 2018). Mentre l'obiettivo della sostenibilità nella nutrizione dei pesci in acquacoltura sarà raggiunto in futuro utilizzando diete su misura, i mangimi per pesci in acquaponica devono soddisfare i requisiti nutrizionali sia per i pesci che per le piante. Gli aumenti della sostenibilità deriveranno in parte dalla minore dipendenza dalla farina di pesce (FM) e dall'olio di pesce (FO) e da nuovi ingredienti naturali, ad alta energia e a bassa emissione di carbonio. Per salvaguardare la biodiversità e l'uso sostenibile delle risorse naturali, l'uso di FM e FO basati sulla pesca selvatica deve essere limitato negli aquafeed (Tacon e Metian 2015). Tuttavia, le prestazioni del pesce, la salute e la qualità del prodotto finale possono essere alterate quando si sostituisce l'FM dietetico con ingredienti alternativi. Pertanto, la ricerca sulla nutrizione dei pesci si concentra sull'uso e la trasformazione efficienti dei componenti dietetici per fornire i nutrienti essenziali necessari che massimizzino le prestazioni di crescita e raggiungano un'acquacoltura sostenibile e resiliente. Sostituire FM, che è un'ottima ma costosa fonte proteica nelle diete ittiche, non è semplice per il suo profilo amminoacidico unico, elevata digeribilità dei nutrienti, elevata appetibilità, adeguata quantità di micronutrienti, oltre ad avere una generale mancanza di fattori anti-nutrizionali (Gatlin et al. 2007).

   Molti studi hanno dimostrato che l'FM può essere sostituito con successo dalla farina di soia negli aquafeeds, ma la farina di soia ha fattori anti-nutrizionali come inibitori della tripsina, agglutinina di soia e saponina, che ne limitano l'uso e alte percentuali di sostituzione nell'allevamento di pesci carnivori. L'elevata sostituzione di FM con farine vegetali nelle diete a base di pesce può anche ridurre la biodisponibilità dei nutrienti nel pesce, il che si traduce in alterazioni dei nutrienti nella qualità finale del prodotto (Gatlin et al. 2007). Può anche causare disturbi indesiderati all'ambiente acquatico (Hardy 2010) e ridurre la crescita dei pesci a causa dei ridotti livelli di aminoacidi essenziali (in particolare metionina e lisina), e ridotta appetibilità (Krogdahl et al. 2010). Gerile e Pirhonen (2017) hanno osservato che una sostituzione FM al 100% con farina di glutine di mais ha ridotto significativamente il tasso di crescita della trota iridea, ma la sostituzione FM non ha influenzato il consumo di ossigeno o la capacità di nuoto.

   Livelli elevati di materiale vegetale possono anche influire sulla qualità fisica dei pellet e possono complicare il processo di produzione durante l'estrusione. La maggior parte delle fonti nutritive alternative derivate dalle piante per i mangimi per pesci contengono un'ampia varietà di fattori anti-nutrizionali che interferiscono con il metabolismo delle proteine dei pesci compromettendo la digestione e l'utilizzo, portando quindi ad un aumento del rilascio di N nell'ambiente che può influire sulla salute e sul benessere dei pesci. Inoltre, diete tra cui alti livelli di acido fitico alterato fosforo e digestione proteica che portano ad un elevato rilascio di N e P nell'ambiente circostante. L'assunzione e l'appetibilità dei mangimi, la digeribilità e la ritenzione dei nutrienti possono variare a seconda della tolleranza e dei livelli delle specie ittiche e possono modificare la quantità e la composizione dei rifiuti di pesce. Tenendo conto di questi risultati, le formulazioni di dieta per pesci in acquaponica dovrebbero studiare i livelli dietetici di «tolleranza» dei fattori anti-nutrizionali (vale a dire il fitato) per i diversi ingredienti dei mangimi e per ciascuna specie ittica utilizzata nell'acquaponica, nonché gli effetti dell'aggiunta di minerali quali Zn e fosfato nelle diete. Va inoltre osservato che, anche se il materiale vegetale è considerato un'opzione ecologicamente sana per sostituire l'FM negli acquafeeds, le piante necessitano di irrigazione e possono quindi indurre impatti ecologici sotto forma di acqua e impronte ecologiche (Pahlow et al. 2015) derivanti dal deflusso di nutrienti dai campi.

   I sottoprodotti di origine animale terrestre, come le proteine animali trasformate non ruminanti (PAP) derivate da animali d'allevamento monogastrici (ad esempio pollame, suino) idonei al consumo umano al momento della macellazione (materiali di categoria 3, regolamento CE 142/2011; regolamento UE 56/2013), potrebbero anche sostituire l'FM e sostenere il economia circolare. Hanno un contenuto proteico più elevato, profili aminoacidici più favorevoli e meno carboidrati rispetto agli ingredienti dei mangimi vegetali, pur mancando di fattori antinutritionali (Hertrampf e Piedad-Pascual 2000). È stato dimostrato che le farine di carne e ossa possono servire come una buona fonte di fosforo quando sono incluse nella dieta del Nilo Tilapia (Ashraf et al. 2013), sebbene siano state rigorosamente vietate nel mangime dei ruminanti a causa del pericolo di iniziare l'encefalopatia spongiforme bovina (malattia della mucca pazza). Alcune specie di insetti, come la mosca del soldato nero (Hermetia illucens), potrebbero essere utilizzate come fonte proteica alternativa per le diete sostenibili per l'alimentazione dei pesci. I principali vantaggi ambientali dell'allevamento di insetti sono: (a) sono necessari meno terreni e acqua, (b) le emissioni di gas a effetto serra sono inferiori e (c) gli insetti hanno elevate efficienze di conversione dei mangimi (Henry et al. 2015). Tuttavia, sussiste la necessità di ulteriori ricerche per fornire prove sulle questioni relative alla qualità e alla sicurezza e per individuare i rischi per i pesci, le piante, le persone e l'ambiente.

   È importante notare che i pesci non possono sintetizzare diversi nutrienti essenziali necessari per il loro metabolismo e la loro crescita e dipendono dal mangime per questa fornitura. Tuttavia, ci sono alcuni gruppi animali che possono utilizzare diete carenti di nutrienti, in quanto portano microrganismi simbiotici che possono fornire questi composti (Douglas 2010), e quindi, i pesci possono ottenere il massimo beneficio quando l'apporto microbico dei loro nutrienti essenziali viene ridimensionato in base alla domanda. La scarsa offerta limita la crescita dei pesci, mentre l'eccesso di offerta può essere dannoso a causa della necessità per i pesci di neutralizzare la tossicità causata da composti non essenziali. La misura in cui la funzione microbica varia con le esigenze delle diverse specie ittiche e quali sono i meccanismi sottostanti sono in gran parte sconosciuti. È importante sottolineare che il microbiota intestinale di un animale acquatico può in teoria svolgere un ruolo fondamentale nel fornire i nutrienti necessari e ottenere sostenibilità nell'allevamento ittico (Kormas et al. 2014; Mente et al. 2016). Ulteriori ricerche in questo campo contribuiranno a facilitare la selezione degli ingredienti da utilizzare nei mangimi per pesci che promuovono la diversità dei microbioti intestinali al fine di migliorare la crescita e la salute dei pesci.

   Sono in corso ricerche sull'utilizzo di fonti alternative di proteine vegetali e animali e di ingredienti per mangimi a basso contenuto trofico. La sostituzione di materie prime di origine marina nei mangimi per pesci, che potrebbero essere utilizzate direttamente per scopi alimentari umani, dovrebbe ridurre la pressione di pesca e contribuire a preservare la biodiversità. Gli organismi a basso livello trofico, come la mosca del soldato nero, che possono fungere da ingredienti aquafeed, possono essere coltivati su sottoprodotti e rifiuti di altre pratiche agricole industriali in base a diversi pasti di qualità nutrizionale, aggiungendo in tal modo ulteriori benefici ambientali. Tuttavia, gli sforzi per avere successo con l'economia circolare e il riciclo di sostanze nutritive organiche e inorganiche dovrebbero essere gestiti con cautela, poiché i composti indesiderabili nelle materie prime e nei prodotti ittici potrebbero aumentare il rischio per la salute degli animali, il benessere, le prestazioni di crescita e la sicurezza del prodotto finale per consumatori. La ricerca e il monitoraggio continuo e la comunicazione sui contaminanti degli animali acquatici d'allevamento in relazione ai limiti massimi di ingredienti e diete per mangimi sono essenziali per informare le revisioni e l'introduzione di nuovi regolamenti.

3. 13.3 Ingredienti e additivi per mangimi

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   13.3.1 Fonti proteiche e lipidiche per acquafeeds

   Dalla fine del XX secolo, ci sono stati cambiamenti significativi nella composizione degli aquafeeds, ma anche progressi nella produzione. Queste trasformazioni hanno avuto origine dalla necessità di migliorare la redditività economica dell'acquacoltura e di mitigarne gli impatti ambientali. Tuttavia, la forza trainante di questi cambiamenti è la necessità di ridurre la quantità di farina di pesce (FM) e olio di pesce (FO) nei mangimi, che tradizionalmente hanno costituito la maggior parte dei mangimi, soprattutto per i pesci carnivori e i gamberetti. In parte a causa del sovrasfruttamento, ma soprattutto a causa del continuo aumento del volume globale dell'acquacoltura, vi è una crescente necessità di proteine e oli alternativi per sostituire FM e FO negli aquafeed.

   

   Fig. 13,2 Rapporto fish-in-fish-out (linea blu, asse y sinistro) e quantità di olio di pesce utilizzato (linea gialla, asse y destro) per l'alimentazione della trota iridea in Finlandia tra il 1990 e il 2013. (Dati provenienti da www.raisioagro. com)

   La composizione dei mangimi per pesci è cambiata considerevolmente poiché la percentuale di FM nelle diete è diminuita dal\ > 60% negli anni '90 al\ 20% nelle diete moderne per pesci carnivori come il salmone atlantico (Salmo salar) e il contenuto di FO è diminuito dal 24% al 10% (Ytrestøyl et al. 2015). Di conseguenza, il cosiddetto rapporto FIFO (fish-in-fish-out) è diminuito al di sotto di 1 per il salmone e la trota iridea, il che significa che la quantità di pesce necessaria nel mangime per produrre 1 kg di carne di pesce è inferiore a 1 kg (figura 13,2). Così, la cultura del pesce carnivoro nel XXI secolo è un produttore netto di pesce. D'altra parte, i mangimi per specie ittiche onnivore trofe inferiori (ad esempio carpa e tilapia) possono contenere meno del 5% FM (Tacon et al. 2011). L'allevamento di specie ittiche a basso contenuto trofico è ecologicamente più sostenibile rispetto alle specie trofe più elevate, e la FIFO per Tilapia è stata 0,15 e per i ciprinidi (specie di carpe) solo 0,02 nel 2015 (IFO). Va notato che la sostituzione totale FM nelle diete di Tilapia (Koch et al. 2016) e salmone (Davidson et al. 2018) non è possibile senza influire in modo significativo sui parametri di produzione.

   Oggi, il maggior apporto di proteine e lipidi nell'alimentazione dei pesci proviene dalle piante, ma anche comunemente da altri settori, tra cui i pasti e i grassi provenienti da carne e sottoprodotti di pollame e farine di sangue (Tacon e Metian 2008). Inoltre, i rifiuti e i sottoprodotti della lavorazione del pesce (frattaglie e rifilature dei rifiuti) sono comunemente utilizzati per produrre FM e FO. Tuttavia, a causa della normativa UE (CE 2009), l'uso di FM di una specie non è consentito come mangime per la stessa specie, ad esempio il salmone non può essere alimentato FM contenente rifilature di salmone.

   Le sostituzioni FM e FO con altri ingredienti possono influire sulla qualità del prodotto venduto ai clienti. Il pesce ha la reputazione di essere un alimento sano, soprattutto per il suo alto contenuto di acidi grassi poli e altamente insaturi. Soprattutto, il pesce è l'unica fonte di EPA (acido eicosapentaenoico) e DHA (acido docosaesaenoico), entrambi i quali sono acidi grassi omega-3, e nutrienti essenziali per molte funzioni nel corpo umano. Se FM e FO vengono sostituiti con prodotti di origine terrestre, ciò influenzerà direttamente la qualità della carne di pesce, soprattutto la sua composizione di acidi grassi, poiché la proporzione di acidi grassi omega-3 (in particolare EPA e DHA) diminuirà mentre la quantità di acidi grassi omega-6 aumenterà insieme al aumento del materiale vegetale che sostituisce FM e FO (Lazzarotto et al. 2018). Pertanto, i benefici per la salute del consumo di pesce sono in parte persi e il prodotto che finisce sul piatto non è necessariamente quello che i consumatori si aspettano di acquistare. Tuttavia, al fine di superare il problema della diminuzione degli acidi grassi omega-3 nel prodotto finale derivante da minori ingredienti ittici negli acquafeeds, gli allevatori di pesci potrebbero impiegare le cosiddette diete di finitura ad alto contenuto di FO durante le fasi finali della coltivazione (Suomela et al. 2017).

   Una nuova interessante opzione per sostituire FO nei mangimi per pesci è la possibilità di ingegneria genetica, cioè piante geneticamente modificate che possono produrre EPA e DHA, ad esempio olio da Camelina sativa geneticamente modificato (nome comune di camelina, oro del piacere o falso lino che è noto per avere alti livelli di acidi grassi omega-3) è stato utilizzato con successo per coltivare il salmone, finendo con una concentrazione molto elevata di EPA e DHA nel pesce (Betancor et al. 2017). L'uso di organismi geneticamente modificati nella produzione alimentare umana, tuttavia, è soggetto ad approvazione regolamentare e potrebbe non essere un'opzione a breve termine.

   Un'altra nuova possibilità di sostituire FM in aquafeeds sono le proteine fatte di insetti (Makkar et al. 2014). Questa nuova opzione è diventata possibile all'interno dell'UE solo di recente, quando l'UE ha modificato la legislazione, consentendo le farine di insetti negli aquafeeds (UE 2017). Le specie consentite sono la mosca del soldato nero (Hermetia illucens), la mosca domestica comune (Musca domestica), la verme della farina gialla (Tenebrio molitor), il verme della farina minore (Alfitobius diaperinus), il cricket domestico (Acheta domesticus), il cricket fasciato (_Gryllodes sigillatatatatatattodes _) e cricket da campo (Gryllus assimilis). Gli insetti devono essere allevati su determinati substrati consentiti. Gli esperimenti di crescita condotti con diverse specie ittiche mostrano che sostituire FM con un pasto fatto di larve di mosca di soldato nero non compromette necessariamente la crescita e altri parametri di produzione (Van Huis e Oonincx 2017). D'altra parte, i pasti a base di verme giallo potrebbero sostituire FM solo parzialmente per evitare la diminuzione della crescita (Van Huis e Oonincx 2017). Tuttavia, la sostituzione FM con farina di insetti può causare un calo di acidi grassi omega-3, in quanto sono vuoti di EPA e DHA (Makkar e Ankers 2014).

   A differenza degli insetti, le microalghe hanno tipicamente profili di aminoacidi e acidi grassi nutrizionalmente favorevoli (inclusi EPA e DHA), ma c'è anche un'ampia variazione tra le specie in questo senso. La sostituzione parziale di FM e FO negli aquafeeds con alcune microalghe ha dato risultati promettenti (Camachorodríguez et al. 2017; Shah et al. 2018) e in futuro l'uso di microalghe negli aquafeeds può aumentare (White 2017) anche se il loro uso può essere limitato dal prezzo.

   Questo breve riassunto dei potenziali ingredienti per mangimi indica che esiste un'ampia gamma di possibilità di sostituire almeno parzialmente FM e FO nei mangimi per pesci. In generale, il profilo aminoacidico di FM è ottimale per la maggior parte delle specie ittiche e FO contiene DHA e EPA che sono praticamente impossibili da fornire da oli terrestri, anche se l'ingegneria genetica potrebbe cambiare la situazione in futuro. Tuttavia, i prodotti OGM devono prima essere accettati nella legislazione e poi dai clienti.

   13.3.2 L'uso di additivi specializzati per mangimi su misura per l'acquaponica

   La personalizzazione degli aquafeeds specifici per i sistemi aquaponici è più difficile dello sviluppo dei mangimi per acquacoltura convenzionale, poiché la natura dei sistemi acquaponici richiede che gli aquafeed non solo forniscano nutrimento agli animali coltivati, ma anche alle piante coltivate e alle comunità microbiche che abitano il sistema. L'attuale pratica acquaponica utilizza gli aquafeeds formulati per fornire un'alimentazione ottimale agli animali acquatici coltivati; tuttavia, come principale apporto di nutrienti nei sistemi acquaponici (Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011; Junge et al. 2017), i mangimi devono anche tener conto delle esigenze nutritive della componente di produzione dell'impianto. Ciò è particolarmente importante per i sistemi acquaponici su scala commerciale, in cui la produttività del sistema di produzione degli impianti ha un impatto significativo sulla redditività complessiva del sistema (Adler et al. 2000; Palm et al. 2014; Love et al. 2015a) e dove il miglioramento delle prestazioni di produzione della componente dell'impianto può significativamente migliorare la redditività complessiva del sistema.

   Pertanto, l'obiettivo generale dello sviluppo di mangimi aquaponici personalizzati sarebbe quello di progettare un mangime che permetta un equilibrio tra la fornitura di nutrienti supplementari per le piante, mantenendo nel contempo un funzionamento accettabile del sistema acquaponico (ossia una qualità dell'acqua sufficiente per la produzione animale, il biofiltro e le prestazioni del digestore anaerobico, e l'assorbimento dei nutrienti da parte delle piante). A tal fine, il mangime acquaponico su misura finale potrebbe non essere ottimale per la produzione individuale di animali acquatici o vegetali, ma sarebbe piuttosto ottimale per il sistema acquaponico nel suo complesso. Il punto ottimale sarebbe determinato sulla base di parametri generali di prestazione del sistema, ad esempio misure di sostenibilità economica e/o ambientale.

   Una delle principali sfide nell'aumentare la produzione di sistemi acquaponici accoppiati è rappresentata dalle concentrazioni relativamente basse di nutrienti sia macro che micro vegetali (principalmente in forma inorganica) nell'acqua di ricircolo, rispetto ai sistemi idroponici convenzionali. Questi bassi livelli di nutrienti possono causare carenze di nutrienti nelle piante e tassi di produzione di piante subottimali (Graber e Junge 2009; Kloas et al. 2015; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2017). Un'ulteriore sfida è rappresentata dalle notevoli quantità di cloruro di sodio negli acquafeeds convenzionali a base di pesce e dal potenziale accumulo di sodio nei sistemi acquaponici (Treadwell et al. 2010). Possono essere sviluppati approcci diversi per affrontare queste sfide, come soluzioni tecnologiche, ad esempio sistemi acquaponici disaccoppiati (Goddek et al. 2016) (vedi anche cap. 8), integrazione diretta dei nutrienti nel sistema di produzione vegetale tramite spray fogliare o aggiunta all'acqua di ricircolo (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011), o la coltura di una migliore pianta tollerante al sale (cfr. cap. 12). Un nuovo approccio è lo sviluppo di aquafeeds su misura specificamente per l'uso in acquaponica.

   Per far fronte alla carenza di nutrienti vegetali nell'acquaponica, i mangimi aquaponici personalizzati devono aumentare la quantità di nutrienti disponibili nelle piante, aumentando le concentrazioni di nutrienti specifici dopo l'escrezione da parte degli animali coltivati, o rendendo i nutrienti più biodisponibili dopo l'escrezione e biotrasformazione, per un rapido assorbimento da parte delle piante. Il raggiungimento di questo aumento dell'escrezione di nutrienti non è tuttavia semplice come integrare maggiori quantità di nutrienti desiderati nelle diete dell'acquacoltura, in quanto vi sono molti fattori (spesso contrastanti) che devono essere considerati in un sistema acquaponico integrato. Ad esempio, sebbene una produzione vegetale ottimale richieda maggiori concentrazioni di nutrienti specifici, alcuni minerali, ad esempio alcune forme di ferro e selenio, possono essere tossici per i pesci anche a basse concentrazioni e avrebbero quindi livelli massimi ammissibili nell'acqua circolante (Endut et al. 2011; Tacon 1987). Oltre ai livelli di nutrienti totali, il rapporto tra nutrienti (ad esempio il rapporto P:N) è importante anche per la produzione vegetale (Buzby e Lin 2014), e gli squilibri nei rapporti tra nutrienti possono portare all'accumulo di alcuni nutrienti nei sistemi aquaponici (Kloas et al. 2015). Inoltre, anche se un mangime acquaponico aumenta i livelli di nutrienti vegetali, la qualità generale dell'acqua e il pH del sistema devono ancora essere mantenuti entro limiti accettabili per garantire una produzione animale accettabile, un efficace assorbimento dei nutrienti da parte delle radici delle piante, un funzionamento ottimale dei biofiltri e dei digestori anaerobici ( Goddek et al. 2015b; Rakocy et al. 2006) e per evitare la precipitazione di alcuni nutrienti importanti come i fosfati, in quanto ciò li renderà indisponibili alle piante (Tyson et al. 2011). Raggiungere questo equilibrio complessivo non è un'impresa media, in quanto vi sono complesse interazioni tra le diverse forme di azoto nel sistema (NH<Sub3/Sub, NHSub4/SubSUP+/SUP, NoSub2/Subsup-/SUP, NoSub3/Subsup-/SUP), il pH del sistema e l'assortimento di metalli e altri ioni presenti nel sistema (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016).

   Carenza comune di nutrienti nei sistemi acquaponici

   Le piante richiedono una gamma di macro e micronutrienti per la crescita e lo sviluppo. I sistemi acquaponici sono comunemente carenti nei macronutrienti vegetali potassio (K), fosforo (P), ferro (Fe), manganese (Mn) e zolfo (S) (Graber e Junge 2009; Roosta e Hamidpour 2011). L'azoto (N) è presente in diverse forme nei sistemi aquaponici ed è escreto come parte del metabolismo proteico degli animali acquatici coltivati (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011) dopo di che entra nel ciclo dell'azoto nell'ambiente acquaponico integrato. (L'azoto è discusso dettagliatamente in cap. 9 ed è pertanto escluso dalla presente discussione.)

   L'uso di additivi specializzati per mangimi per acquacoltura selezionati può contribuire allo sviluppo di aquafeeds su misura specificamente per l'acquaponica, fornendo nutrienti aggiuntivi agli animali acquatici e/o alle piante coltivate o modificando il rapporto dei nutrienti. Gli additivi per mangimi per acquacoltura sono diversi, con una vasta gamma di funzioni e meccanismi di funzionamento. Le funzioni possono essere nutritive e non nutritive, e gli additivi possono essere mirati all'azione nei mangimi o verso i processi fisiologici degli animali acquatici coltivati (Encarnação 2016). Ai fini del presente capitolo, l'accento è posto su tre tipi specifici di additivi che potrebbero favorire la personalizzazione delle diete acquaponiche: (1) integratori minerali aggiunti direttamente ai mangimi, (2) minerali aggiunti coincidentalmente come parte di additivi che servono a scopi non minerali e (3) additivi che rendere i minerali, già presenti nei mangimi, più a disposizione degli animali acquatici e/o delle piante coltivate nei sistemi acquaponici.

   1. Integrazione minerale diretta nei mangimi aquaponico

   L'integrazione diretta dei minerali nelle diete di acquacoltura utilizzate nei sistemi acquaponici è un metodo potenziale per aumentare la quantità di minerali escreti dagli animali coltivati o per aggiungere minerali specifici richiesti dalle piante nei sistemi acquaponici. I minerali vengono regolarmente aggiunti sotto forma di premiscele minerali alle diete dell'acquacoltura, per fornire agli animali acquatici coltivati gli elementi essenziali necessari per la crescita e lo sviluppo (NG et al. 2001; NRC 2011). Tutti i minerali non assorbiti dai pesci durante la digestione vengono escreti e, se questi sono in forma solubile (principalmente ionica) nel sistema aquaponico, questi sono disponibili per l'assorbimento delle piante (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015). Non è chiaro quanto sia fattibile tale approccio, in quanto vi sono scarse informazioni sull'efficacia dell'aggiunta di integratori minerali agli aquafeeds allo scopo di migliorare la produzione di piante acquaponiche. In generale, il fabbisogno di minerali e il metabolismo nell'acquacoltura sono poco compresi rispetto alla produzione animale terrestre e la fattibilità di tale approccio non è quindi ben descritta. I potenziali vantaggi di questo approccio sarebbero che potrebbe rivelarsi un intervento abbastanza semplice per migliorare le prestazioni complessive del sistema, potrebbe consentire l'integrazione di una vasta gamma di sostanze nutritive ed è probabile che sia relativamente basso costo. Tuttavia, è ancora necessaria una ricerca sostanziale per evitare eventuali gravi potenziali insidie che possono sorgere. Uno di questi è incentrato sul fatto che i minerali integrati destinati alle piante devono prima passare attraverso il tratto digestivo degli animali acquatici coltivati e questi potrebbero essere assorbiti completamente o parzialmente durante questo passaggio. Ciò potrebbe comportare un accumulo indesiderato di minerali negli animali acquatici, o interferenze nel normale assorbimento di nutrienti e/o minerali e processi fisiologici intestinali (Oliva-Teles 2012). Possono verificarsi interazioni significative tra minerali dietetici nelle diete acquacoltura (Davis e Gatlin 1996), che devono essere determinate prima che si possa impiegare un'integrazione diretta di minerali nelle diete acquaponiche. Altri effetti potenziali possono includere alterate la struttura fisica e le caratteristiche chemiosensoriali dei mangimi, che a loro volta potrebbero influire sull'appetibilità dei mangimi. Chiaramente, è ancora necessaria una ricerca sostanziale prima di poter adottare questo metodo di personalizzazione dei mangimi aquaponici.

   2. _aggiunta coincidentale di minerali mediante additivi per mangimi

   Alcune classi di additivi per mangimi vengono aggiunte agli aquafeed sotto forma di composti ionici e in cui solo uno degli ioni contribuisce all'attività prevista. L'altro ione è considerato come un'aggiunta coincidentale e inevitabile all'aquafeed e spesso non viene considerato in alcuna ricerca in acquacoltura. Un esempio specifico di tale classe di additivi per mangimi spesso utilizzati sono i sali acidi organici, dove il principio attivo previsto nell'acquafeed è l'anione di un acido organico (ad esempio formiato, acetato, butirrato o lattato) e il catione di accompagnamento viene spesso ignorato nell'alimentazione degli animali coltivati. Pertanto, se il catione di accompagnamento viene scelto intenzionalmente come un importante nutriente macro o micro vegetale, vi è la possibilità che gli animali coltivati possano essere escreti nell'acqua del sistema ed essere disponibile per l'assorbimento da parte delle piante.

   Gli acidi organici a catena corta e i loro sali sono diventati ben noti e spesso utilizzati negli additivi per mangimi sia nell'alimentazione animale terrestre che nell'acquacoltura, dove i composti sono impiegati come potenziatori delle prestazioni e agenti per migliorare la resistenza alle malattie. Questi composti possono avere diversi meccanismi di funzionamento, tra cui agire come antimicrobici, antibiotici o promotori della crescita, migliorare la digeribilità e l'utilizzo dei nutrienti e agire come fonte di energia direttamente metabolizzabile (Partanen e Mroz 1999; Lückstädt 2008; Ng e Koh 2017). Gli acidi organici nativi o i loro sali possono essere utilizzati nelle diete dell'acquacoltura, ma le forme saline dei composti sono spesso preferite dai produttori in quanto sono meno corrosive per alimentare le attrezzature di produzione, sono meno pungenti e sono disponibili in forma solida (in polvere), il che semplifica l'aggiunta a mangimi formulati durante la produzione (Encarnação 2016; Ng e Koh 2017). Per una revisione completa sull'uso degli acidi organici e dei loro sali in acquacoltura, i lettori sono riferiti al lavoro di Ng e Koh (2017).

   L'impiego di sali acidi organici in acquaponica ha il potenziale di avere duplice vantaggio nel sistema, dove l'anione potrebbe migliorare le prestazioni e la resistenza alle malattie degli animali acquatici coltivati, mentre il catione (ad esempio potassio) potrebbe aumentare la quantità di nutrienti essenziali delle piante escrete. Il potenziale vantaggio di questo approccio è che i livelli di inclusione alimentare di sali di acidi organici possono essere relativamente elevati per un additivo per mangimi, e la ricerca segnala regolarmente l'inclusione totale di sali organici di acido fino al 2% in peso (Encarnação 2016), anche se i produttori commerciali tendono a raccomandare livelli più bassi di circa 0,15-0,5% (Ng e Koh 2017). Il catione dei sali acidi organici potrebbe costituire una proporzione significativa del peso complessivo del sale, e dato che questi vengono alimentati quotidianamente agli animali coltivati, potrebbero apportare una notevole quantità di nutrienti alle piante in un sistema acquaponico nel corso di una stagione vegetativa. Non è attualmente disponibile alcuna ricerca pubblicata che riporti i risultati di questa linea di indagine e, come con l'integrazione diretta di minerali ai mangimi aquaponici, questo approccio deve essere convalidato attraverso ricerche future per determinare il destino dei cationi aggiunti come parte dei sali acidi organici (se sono escreti o assorbiti dagli animali acquatici) e se vi sono interazioni con minerali o sostanze nutritive. Rimane, tuttavia, un eccitante futuro viale di indagine.

   3. Additivi per mangimi che rendono le sostanze nutritive più biodisponibili per le piante

   Negli acquafeeds formulati vengono utilizzate quantità crescenti di ingredienti vegetali, tuttavia i minerali provenienti da materie prime vegetali sono meno biodisponibili per gli animali acquatici coltivati, principalmente a causa della presenza di fattori anti-nutrizionali negli ingredienti dietetici vegetali (Naylor et al. 2009; Kumar et al. 2012; Prabhu et al. 2016). Ciò significa che una percentuale più elevata di minerali viene escreta nelle feci in forma legata, che richiede «liberazione» prima di essere disponibile per l'assorbimento delle piante. Un esempio tipico è il fosforo organico che si verifica come fitato, che può legarsi ad altri minerali per formare composti insolubili, dove è necessaria un'azione microbica nell'ambiente prima che il fosforo venga rilasciato come fosfato solubile vegetale (Kumar et al. 2012).

   L'uso di enzimi esogeni in diete aquaponiche personalizzate potrebbe potenzialmente contribuire al rilascio di maggiori quantità di sostanze nutritive dagli aquafeed ad alto contenuto vegetale per l'alimentazione animale e vegetale nei sistemi aquaponici. Gli enzimi più spesso impiegati negli aquafeeds sono proteasi, carboidrati e fitasi, sia per migliorare la digestione dei nutrienti che per degradare i composti anti-nutrizionali come il fitato (Encarnação 2016), che può comportare il rilascio di nutrienti aggiuntivi dagli aquafeeds. Sebbene sia noto che l'integrazione enzimatica esogena porta ad un migliore utilizzo dei nutrienti negli animali coltivati, non è chiaro se ulteriori nutrienti sarebbero escreti in forma vegetale, evitando quindi una fase separata di rimineralizzazione nei sistemi aquaponici (cfr. cap. 10. Inoltre, sono possibili interazioni tra enzimi esogeni e sostanze nutritive in diverse parti del tratto digestivo dei pesci (Kumar et al. 2012), il che avrà ulteriori implicazioni per la quantità di nutrienti escreti per la crescita delle piante. Sono pertanto necessarie ulteriori ricerche per determinare l'utilità degli enzimi esogeni specificamente destinati all'uso nei mangimi aquaponici.

4. 13.4 Ritmi fisiologici: Corrispondenza dei pesci e delle piante

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

   La progettazione dei mangimi per pesci è fondamentale in acquaponica perché il mangime per pesci è il singolo o almeno il principale apporto di nutrienti sia per gli animali (macronutrienti) che per le piante (minerali) (Fig. 13.3).

   L'azoto viene introdotto nel sistema acquaponico attraverso proteine contenute nei mangimi per pesci che vengono metabolizzate dai pesci ed escrete sotto forma di ammoniaca. L'integrazione dell'acquacoltura a ricircolo con l'idroponica può ridurre lo scarico di sostanze nutritive indesiderate nell'ambiente e generare profitti. In uno studio economico precoce, la rimozione del fosforo in un sistema acquaponico integrato di trota e lattuga/basilico si è rivelata economicamente vantaggiosa (Adler et al. 2000). Integrare il tasso di alimentazione dei pesci è fondamentale anche per soddisfare le esigenze nutrizionali delle piante. In realtà, gli agricoltori devono conoscere la quantità di mangimi utilizzati nell'unità di acquacoltura per calcolare la quantità di nutrienti da integrare per promuovere la crescita delle piante nell'unità idroponica. Ad esempio, in un sistema acquaponico tilapia-fragola, la quantità totale di mangime necessaria per produrre ioni (ad esempio NoSub3/subsup—, /sup casub2/subsup+/sup, Hsub2/subposub4/subsup—/sup e KSUP+/sup) per le piante è stata calcolata a densità di pesce diverse, con un risultato migliore per una densità di pesce ridotta 2 kg di pesce/msup-3/sup per ridurre il costo dell'integrazione della soluzione idroponica (Villarroel et al. 2011).

   

   Fig. 13.3 Flusso di nutrienti in un sistema acquaponico. Si noti che il mangime per pesci, attraverso le acque reflue provenienti dal sistema di acquacoltura, fornisce i minerali necessari per la crescita delle piante nel sistema idroponico. La tempistica dei pasti deve essere progettata in modo da corrispondere ai ritmi di alimentazione/escrezione nei pesci e nei ritmi di assorbimento dei nutrienti nelle piante

   E 'noto che le piante hanno ritmi quotidiani e ritmicità circadiana nei movimenti fogliari è stato descritto per la prima volta nelle piante da de Mairan all'inizio del XVIII secolo (McClung 2006). I ritmi circadiani nelle piante controllano tutto dal momento della fioritura alla nutrizione delle piante e quindi questi ritmi devono essere presi in considerazione soprattutto quando si utilizza l'illuminazione orticola artificiale. I pesci sono anche legati ai ritmi quotidiani nella maggior parte delle funzioni fisiologiche, tra cui l'alimentazione e l'assorbimento dei nutrienti. Non dovrebbe sorprendere che i pesci mostrino ritmi di alimentazione perché la disponibilità di cibo e il verificarsi di predatori sono difficilmente costanti, ma limitati a un particolare momento del giorno/notte (López-Olmeda e Sánchez-Vázquez 2010). Pertanto, i pesci dovrebbero essere nutriti al momento giusto in base ai loro ritmi di appetito: pasti programmati durante il giorno per le specie ittiche diurne e di notte per i pesci notturni. È noto che i pesci mostrano modelli giornalieri di deaminazione delle proteine e dei rifiuti azotati legati al loro stato nutrizionale e ai loro ritmi di alimentazione (Kaushik 1980). Il tempo di alimentazione influisce sull'escrezione di azoto, poiché Gelineau et al. (1998) ha riferito che la produzione di ammoniaca e il catabolismo proteico era inferiore nei pesci alimentati all'alba (in fase con il loro ritmo di alimentazione) rispetto a quelli alimentati a mezzanotte (fuori fase). Più interessante, l'escrezione di urea mostra ritmicità circadiana che persistono nei pesci affamati in condizioni costanti (Kajimura et al. 2002), rivelando la sua origine endogena. Inoltre, la permeabilità dell'urea (determinata come contenuto di urea corporea dopo immersione in una soluzione di urea) ha coinciso con l'acrofase, cioè il picco del ritmo giornaliero di escrezione, indicando che l'urea non permea le cellule per semplice diffusione ma vi è un controllo circadiano. Le piante mostrano anche ritmi giornalieri di assorbimento dell'azoto, come descritto in precedenza da Pearson e Steer (1977), che hanno trovato un modello giornaliero di assorbimento dei nitrati e nitrati reduttasi nei peperoni tenuti in un ambiente costante. La concentrazione di nitrati nelle foglie degli spinaci è aumentata anche durante la notte con l'aumento del tasso di assorbimento del nitrato da parte delle radici (Steingrover et al. 1986). Nell'acquaponica, l'evidenza indica quindi la necessità di adeguare i ritmi di escrezione nei pesci e i ritmi di assorbimento dei nutrienti nelle piante. Per ottimizzare le prestazioni e l'economicità dei sistemi acquaponici, le diete ittiche e i programmi di alimentazione dovrebbero essere progettati con attenzione per fornire nutrienti al giusto livello e al momento giusto per completare sia i pesci che le piante.