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Capitolo 14: patogeni vegetali e strategie di controllo in acquaponica

1. 14.1 Introduzione

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

   Oggi, i sistemi acquaponici sono al centro di numerosi sforzi di ricerca volti a comprendere meglio questi sistemi e a rispondere alle nuove sfide della sostenibilità della produzione alimentare (Goddek et al. 2015; Villarroel et al. 2016). Il numero cumulato di pubblicazioni che menzionano «aquaponica» o termini derivati nel titolo è passato da 12 all'inizio del 2008 a 215 nel 2018 (risultati della ricerca nel database Scopus di gennaio 2018). Nonostante questo numero crescente di articoli e la vasta area di argomenti di studio che stanno trattando, manca ancora un punto critico, vale a dire la gestione dei parassiti delle piante (Stouvenakers et al. 2017). Secondo un sondaggio sui membri dell'EU Aquaponic Hub, solo il 40% dei praticanti ha alcune nozioni riguardo ai parassiti e alla lotta contro i parassiti delle piante (Villarroel et al. 2016).

   Nell'acquaponica, le malattie potrebbero essere simili a quelle riscontrate nei sistemi idroponici sotto strutture a effetto serra. Tra i patogeni più problematici, in termini di diffusione, vi sono i funghi idrofili o i protisti simili a funghi che sono responsabili delle malattie delle radici o del colletto. Per considerare il controllo degli agenti patogeni vegetali nell'acquaponica, in primo luogo, è importante distinguere tra sistemi accoppiati e disaccoppiati. I sistemi disaccoppiati consentono la disconnessione tra l'acqua dal compartimento dei pesci e delle colture (cfr. cap. 8). Questa separazione consente l'ottimizzazione e un migliore controllo di diversi parametri (ad es. temperatura, composizione minerale o organica e pH) in ogni compartimento (Goddek et al. 2016; Monsees et al. 2017). Inoltre, se l'acqua proveniente dall'unità di coltura non ritorna alla parte ittica, qui potrebbe essere consentita l'applicazione di trattamenti fitosanitari (ad esempio pesticidi, biopesticidi e agenti chimici di disinfezione). I sistemi accoppiati sono costruiti in un unico anello in cui l'acqua ricircola in tutte le parti del sistema (cfr. Chaps. 5 e 7). Tuttavia, nei sistemi accoppiati, il controllo dei parassiti delle piante è più difficile a causa sia della presenza di pesci che di microrganismi benefici che trasformano i fanghi dei pesci in nutrienti vegetali. La loro esistenza limita o esclude l'applicazione di agenti disinfettanti e trattamenti chimici già disponibili. Inoltre non sono stati sviluppati pesticidi o biopesticidi specificamente per l'acquaponica (Rakocy et al. 2006; Rakocy 2012; Somerville et al. 2014; Bittsanszky et al. 2015; Nemethy et al. 2016; Sirakov et al. 2016). Le misure di controllo si basano quindi principalmente su pratiche fisiche non curative (cfr. Sez. 14.3.1) (Nemethy et al. 2016; Stouvenakers et al. 2017).

   D'altra parte, studi recenti evidenziano che la produzione di piante acquaponiche offre rese simili rispetto all'idroponica, sebbene le concentrazioni di nutrienti vegetali minerali siano più basse nell'acqua acquaponica. Inoltre, quando l'acqua acquaponica viene integrata con alcuni minerali per raggiungere concentrazioni idroponiche di elementi nutritivi minerali, si possono osservare rese ancora migliori (Pantanella et al. 2010; Pantanella et al. 2015; Delaide et al. 2016; Saha et al. 2016; Anderson et al. 2017; Wielgosz et al. 2017; Goddek e Vermeulen 2018). Inoltre, alcune osservazioni informali di praticanti in acquaponica e due recenti studi scientifici (Gravel et al. 2015; Sirakov et al. 2016) riportano la possibile presenza di composti benefici e/o microrganismi nell'acqua che potrebbero svolgere un ruolo nella biostimolazione e/o avere antagonisti (es. attività inibitoria) contro i patogeni delle piante. La biostimolazione è definita come il miglioramento dei tratti qualitativi delle piante e la tolleranza delle piante contro lo stress abiotico utilizzando qualsiasi microrganismo o sostanza.

   Per quanto riguarda questi aspetti, questo capitolo ha due obiettivi principali. Il primo è quello di fornire una revisione dei microrganismi coinvolti nei sistemi aquaponici con particolare attenzione ai microrganismi patogeni vegetali e vegetali benefici. Saranno presi in considerazione anche i fattori che influenzano questi microrganismi (ad esempio la materia organica). Il secondo è quello di rivedere i metodi disponibili e le possibilità future nel controllo delle malattie delle piante.

2. 14.2 Microrganismi in acquaponica

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

   I microrganismi sono presenti nell'intero sistema acquaponico e svolgono un ruolo chiave nel sistema. Si trovano quindi nel pesce, nella filtrazione (meccanica e biologica) e nelle parti di coltura. Comunemente, la caratterizzazione del microbiota (cioè dei microrganismi di un particolare ambiente) viene effettuata su acqua circolante, perifitone, piante (rizosfera, fillosfera e superficie della frutta), biofiltro, mangime per pesci, budello e feci di pesce. Finora, in acquaponica, la maggior parte della ricerca microbica si è concentrata sui batteri nitrificanti (Schmautz et al. 2017). Pertanto, la tendenza al momento è quella di caratterizzare i microrganismi in tutti i compartimenti del sistema utilizzando moderne tecnologie di sequenziamento. Schmautz et al. (2017) hanno identificato la composizione microbica in diverse parti del sistema, mentre Munguia-Fragozo et al. (2015) offrono prospettive su come caratterizzare la microbiota acquaponica da un punto di vista tassonomico e funzionale utilizzando tecnologie all'avanguardia. Nelle seguenti sottosezioni, si concentrerà solo sui microrganismi che interagiscono con le piante in sistemi acquaponici organizzati in microrganismi vegetali benefici e patogeni vegetali.

   14.2.1 Patogeni vegetali

   I patogeni vegetali che si verificano nei sistemi aquaponici sono teoricamente quelli comunemente presenti nei sistemi privi di suolo. Una specificità della coltura vegetale acquaponica e idroponica è la presenza continua di acqua nel sistema. Questo ambiente umido/acquatico si adatta a quasi tutti i funghi patogeni delle piante o batteri. Per gli agenti patogeni radicali alcuni sono particolarmente adatti a queste condizioni, come gli pseudo-funghi appartenenti ai taxa di Oomiceti (ad esempio malattie da marciume radicale causate da Pythium spp. e Phytophthora spp.) che sono in grado di produrre una forma mobile di diffusione chiamata zoospore. Questi zoospori sono in grado di muoversi attivamente in acqua liquida e quindi sono in grado di diffondersi su tutto il sistema estremamente rapidamente. Una volta infettata una pianta, la malattia può diffondersi rapidamente il sistema, soprattutto a causa del ricircolo dell'acqua (Jarvis 1992; Hong and Moorman 2005; Sutton et al. 2006; Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010; Rakocy 2012; Rosberg 2014; Somerville et al. 2014). Sebbene gli Oomiceti siano tra i patogeni più diffusi rilevati durante le malattie delle radici, spesso formano un complesso con altri agenti patogeni. Alcune specie di Fusarium (con l'esistenza di specie ben adattate all'ambiente acquatico) o specie dei generi Colletotrichum, Rhizoctonia e Thielaviopsis possono essere trovate come parte di questi complessi e possono anche causare danni significativi da soli (Paulitz e Bélanger 2001; Hong e Moorman 2005; Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010). Altri generi fungini come Verticillium e Didymella, ma anche batteri, come Ralstonia, Xanthomonas, Clavibacter, Erwinia e Pseudomonas, così come virus (ad esempio mosaico di pomodori, mosaico di cetrioli, virus necrotico del melone, virus infettivo della lattuga e necrosi del tabacco), necrosi del tabacco), possono essere rilevati in idroponica) o acqua di irrigazione e causare danni alla nave, al fusto, alle foglie o alla frutta (Jarvis 1992; Hong e Moorman 2005). Tuttavia si noti che non tutti i microrganismi rilevati sono dannosi o portano a sintomi nel raccolto. Anche le specie dello stesso genere possono essere dannose o benedette (ad esempio Fusarium, Phoma, Pseudomonas). Gli agenti patologici di cui sopra sono principalmente agenti patogeni legati al ricircolo dell'acqua, ma possono essere identificati anche nelle serre. [Sezione 14.2.2](#142 -microrganisms-in-aquaponics) mostra i risultati della prima indagine internazionale sulle malattie vegetali che si verificano specificamente nell'acquaponica, mentre Jarvis (1992) e Albajes et al. (2002) forniscono una visione più ampia degli agenti patogeni presenti nelle strutture delle serre.

   Nell'idroponica o nei sistemi acquaponici, le piante crescono generalmente in condizioni di serra ottimizzate per la produzione vegetale, soprattutto per la produzione su larga scala dove tutti i parametri ambientali sono gestiti dal computer (Albajes et al. 2002; Vallance et al. 2010; Somerville et al. 2014; Parvatha Reddy 2016). Tuttavia, le condizioni ottimali per la produzione vegetale possono essere sfruttate anche da agenti patogeni vegetali. Infatti, queste strutture generano condizioni calde, umide, senza vento e senza pioggia che possono favorire le malattie delle piante se non sono gestite correttamente (ibid.). Per ovviare a questo problema, è necessario compromettere le condizioni ottimali delle piante e la prevenzione delle malattie (ibid.). Nel microclima della serra, una gestione inappropriata del deficit di pressione del vapore può portare alla formazione di un film o una goccia d'acqua sulla superficie delle piante. Questo spesso promuove lo sviluppo di agenti patogeni vegetali. Inoltre, per massimizzare la resa nell'idroponica commerciale, alcuni altri parametri (ad esempio alta densità delle piante, alta fertilizzazione, per prolungare il periodo di produzione) possono aumentare la suscettibilità delle piante a sviluppare malattie (ibid.).

   La questione ora è sapere con quale via l'inoculo iniziale (cioè il primo passo di un ciclo epidemiologico) viene introdotto nel sistema. Le diverse fasi del ciclo epidemiologico delle malattie vegetali (EPC) sono rappresentate nella figura 14.1. Nell'acquaponica, come nella coltura idroponica in serra, si può considerare che l'ingresso di agenti patogeni potrebbe essere collegato all'approvvigionamento idrico, all'introduzione di piante o semi infetti, al materiale di crescita (ad esempio il riutilizzo dei mezzi), allo scambio d'aria (trasporto di polveri e particelle), agli insetti (vettori di malattie e trasporto di particelle) ) e personale (attrezzi e abbigliamento) (Paulitz e Bélanger 2001; Albajes et al. 2002; Hong and Moorman 2005; Sutton et al. 2006; Parvatha Reddy 2016).

   img src=» https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom: 50%;»/

   Fig. 14.1 Passi fondamentali (da 1 a 6) nel ciclo epidemiologico delle malattie delle piante (EPC) secondo Lepoivre (2003). (1) Arrivo dell'inoculo patogeno, (2) contatto con la pianta ospite, (3) penetrazione dei tessuti e processo di infezione da parte del patogeno, (4) sviluppo dei sintomi, (5) tessuti vegetali che diventano infettiva, (6) rilascio e diffusione della forma infettiva di dispersione

   Una volta che l'inoculo è in contatto con la pianta (fase 2 dell'ePC), sono possibili diversi casi di infezione (fase 3 dell'ePC) (Lepoivre 2003):

   • Il rapporto patogeno-pianta è incompatibile (relazione non ospite) e la malattia non si sviluppa.

   • C'è una relazione ospite ma la pianta non mostra sintomi (la pianta è tollerante).

   • L'agente patogeno e la pianta sono compatibili, ma la risposta di difesa è abbastanza forte da inibire la progressione della malattia (la pianta è resistente: interazione tra gene di resistenza ospite e gene avirulence patogeno).

   • La pianta è sensibile (relazione ospite senza gene per il riconoscimento genico), e l'agente patogeno infetta la pianta, ma i sintomi non sono molto gravi (fase 4 dell'ePC).

   • Infine, la pianta è sensibile e i sintomi della malattia sono visibili e gravi (fase 4 dell'ePC).

   Indipendentemente dal grado di resistenza, alcune condizioni o fattori ambientali possono influenzare la suscettibilità di una pianta ad essere infettata, sia da un indebolimento della pianta o promuovendo la crescita del patogeno vegetale (Colhoun 1973; Jarvis 1992; Cherif et al. 1997; Alhussaen 2006; Somerville et al. 2014). I principali fattori ambientali che influenzano gli agenti patogeni delle piante e lo sviluppo della malattia sono la temperatura, l'umidità relativa (RH) e la luce (ibid.). Nell'idroponica, le concentrazioni di temperatura e ossigeno all'interno della soluzione nutritiva possono costituire fattori aggiuntivi (Cherif et al. 1997; Alhussaen 2006; Somerville et al. 2014). Ogni agente patogeno ha la propria preferenza di condizioni ambientali che possono variare durante il suo ciclo epidemiologico. Ma in generale, l'umidità e la temperatura elevate sono favorevoli alla realizzazione di passi chiave nel ciclo epidemico dell'agente patogeno come la produzione di spore o la germinazione di spore (Fig. 14.1, step 5 dell'EPC) (Colhoun 1973; Jarvis 1992; Cherif et al. 1997; Alhussaen 2006; Somerville et al. 2014). Colhoun (1973) riassume gli effetti dei vari fattori che promuovono le malattie delle piante nel suolo, mentre la tabella 14.1 mostra i fattori più specifici o aggiunti che possono favorire lo sviluppo di agenti patogeni vegetali legati alle condizioni acquaponiche delle serre.

   Nel ciclo epidemiologico, una volta raggiunta la fase infettiva (passaggio 5 nell'ePC), i patogeni possono diffondersi in diversi modi (Fig. 14.1, step 6 nell'ePC) e infettare altre piante. Come spiegato in precedenza, i patogeni delle radici appartenenti ai taxa di Oomycetes possono diffondersi attivamente nell'acqua a ricircolo mediante il rilascio di zoospore (Alhussaen 2006; Sutton et al. 2006). Per altri funghi, batteri e virus responsabili di malattie radicali o aeree, la dispersione dell'agente causale può avvenire mediante propagazione di materiale infetto, ferite meccaniche, strumenti infetti, vettori (ad esempio insetti) e particelle (ad esempio spore e propagoli) espulsione o trasporto consentiti da siccità, correnti d'aria o spruzzi d'acqua (Albajes et al. 2002; Lepoivre 2003).

   14.2.2 Indagine sulle malattie delle piante acquaponiche

   Nel gennaio 2018 è stata effettuata la prima indagine internazionale sulle malattie delle piante tra i membri del COST FA1305, dell'American Aquaponics Association e dell'EU Aquaponics Hub. Ventotto risposte erano

   Tabella 14.1 Aggiunta di fattori che incoraggiano lo sviluppo di agenti patogeni vegetali nella struttura acquaponica delle serre rispetto alla coltura classica in serra

   tavolo testata tr class = header» Fattore promozione/esimo th Profitte per /th th Cause /th th I riferimenti /th /tr /testata tbody tr class="dispari» Tecnica a film TDNutrient (NFT), tecnica a flusso profondo (DFT) /td td Ipithium/I spp. , Ifusarium/I spp. /td td Facile da spalmare con l'acqua ricircolo; possibilità di post-contaminazione dopo una fase di disinfezione; scarso contenuto di ossigeno nella soluzione nutritiva /td td Koohakan et al. (2004) e Vallance et al. (2010) /td /tr tr class="even» TdinOrganic media (ad esempio lana di roccia) /td td Contenuti più elevati in batteri (nessuna informazione sulla loro possibile patogenicità) /td td Composti organici non disponibili nei media /td td Khalil e Alsanius (2001), Koohakan et al. (2004), Vallance et al. (2010) /td /tr tr class="dispari» Supporti TDOrganici (ad esempio fibra di cocco e torba) /td td Maggiore contenuto di funghi; maggiore contenuto in Fusarium spp. per cocco fibra /td td Composti organici disponibili nei media /td td Koohakan e altri. (2004), Khalil et al. (2009) e Vallance et al. (2010) /td /tr tr class="even» TDmedia con alto contenuto di acqua e basso contenuto di ossigeno (ad esempio lana di roccia) /td td Ipithium/I spp. /td td Mobilità degli zoospori; stress delle piante /td td Van Der Gaag e Wever (2005), Vallance et al. (2010), e Khalil e Alsanio (2011) /td /tr tr class="dispari» TDMedia consente un piccolo movimento dell'acqua (ad esempio lana di roccia) /td td Ipithium/I spp. /td td Condizioni migliori per la dispersione degli zoospori e il movimento chemiotaxi; nessuna perdita di flagelli zoosporici /td td Sutton e altri (2006) /td /tr tr class="even» TDAlta temperatura e bassa concentrazione di DO nel soluzione nutriente/td td Ipithium/I spp. /td td Pianta stressata e condizione ottimale per la crescita di Ipitio/I /td td Cherif e altri (1997), Sutton et al. (2006), Vallance et al. (2010), e Rosberg (2014) /td /tr tr class="dispari» TDElevata densità dell'impianto ospite e conseguente microclima/td td Crescita di agenti patogeni; diffusione delle malattie /td td Caldo e umido ambiente /td td Albajes et al. (2002) e Somerville et al. (2014) /td /tr tr class="even» TDCarenze, eccesso o squilibrio di macro/ micronutrienti/td td Funghi, virus e batteri /td td Modificazioni fisiologiche vegetali (ad es. azione sulla risposta di difesa, traspirazione, integrità delle pareti cellulari); modificazioni morfologiche vegetali (ad esempio maggiore suscettibilità agli agenti patogeni, attrazione di parassiti); risorse nutritive nei tessuti ospiti per agenti patogeni; azione diretta sul ciclo di sviluppo del patogeno /td td Colhoun (1973), Snoeijers e Alejandro (2000), Mitchell et al. (2003), Dordas (2008), Veresoglou et al. (2013), Somerville et al. (2014) e Geary et al. (2015) /td /tr /tbody /tavolo

   ha ricevuto la descrizione di 32 sistemi aquaponici provenienti da tutto il mondo (UE, 21; Nord America, 5; Sud America, 1; Africa, 4; Asia, 1). Il primo risultato è stato il piccolo tasso di risposta. Tra le possibili spiegazioni della riluttanza a rispondere al questionario c'era che i praticanti non si sentivano in grado di comunicare sui patogeni vegetali a causa della mancanza di conoscenze su questo argomento. Ciò era già stato osservato nelle indagini di Love et al. (2015) e Villarroel et al. (2016). Le informazioni chiave ottenute dal sondaggio sono:

   • L'84,4% dei terapeuti osserva la malattia nel loro sistema.

   • Il 78,1% non è in grado di identificare l'agente eziologico di una malattia.

   • Il 34,4% non applica misure di controllo delle malattie.

   • 34,4% utilizzare il trattamento fisico o chimico delle acque.

   • 6,2% utilizzare pesticidi o biopesticidi nel sistema aquaponico accoppiato contro gli agenti patogeni vegetali.

   Questi risultati supportano le argomentazioni precedenti affermando che le piante acquaponiche subiscono malattie. Tuttavia, i praticanti soffrono di una mancanza di conoscenze sui patogeni vegetali e le misure di controllo delle malattie effettivamente utilizzate si basano essenzialmente su azioni non curative (90,5% dei casi).

   Nell'indagine è stato fornito un elenco degli agenti patogeni vegetali che si verificano nel loro sistema acquaponico. La tabella 14.2 mostra i risultati di tale identificazione. Per porre rimedio alla mancanza di esperienza del terapeuta sulla diagnostica delle malattie delle piante, una seconda versione del sondaggio è stata

   Tabella 14.2 Risultati delle prime identificazioni di patogeni vegetali in acquaponica dall'analisi internazionale 2018 e dalla letteratura esistente

   tavolo testata tr class = header» Host THPlant/th th Patogeno vegetale /th th Riferimenti o risultati dell'indagine /th /tr /testata tbody tr class="dispari» TDallium schoenoprasu/td td Pythium sp.sup (b) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» TDbeta vulgaris (bietole svizzere) /td td Erisifo betaesup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="dispari» TDcetriis sativus/td td Podosphaera xanthiisup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» TDFragaria spp. /td td Botrytis cinereasup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="dispari» TDlActuca sativa/td td Botrytis cinereasup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» td/td td Bremia lactucaesup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="dispari» td/td td Fusarium sp.sup (b) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» td/td td Pythium dissotocumsup (b) /sup /td td Rakocy (2012) /td /tr tr class="dispari» td/td td Pythium myriotylumsup (b) /sup /td td Rakocy (2012) /td /tr tr class="even» td/td td Sclerotinia sp.sup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="dispari» TDMentha spp. /td td Pythium sp.sup (b) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» TDNASturtium officinale/td td Aspergillus sp.sup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="dispari» Tdocimum basilicum/td td Alternaria sp.sup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» td/td td Botrytis cinereasup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="dispari» td/td td Pythium sp.sup (b) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» td/td td Sclerotinia sp.sup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="dispari» TDPisum sativum/td td Erisifo pisisup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr tr class="even» TDSolanum lycopersicum/td td Pseudomononas solanacearumsup (a) /sup /td td McMurty e altri (1990) /td /tr tr class="dispari» td/td td Fitofthora infestanssup (a) /sup /td td L'indagine /td /tr /tbody /tavolo

   Gli agenti patogeni vegetali identificati dai sintomi nella parte della pianta aerea sono annotati dalla lettera a) e dalla lettera b) nell'esponente inviato allo scopo di identificare i sintomi senza legame con il nome della malattia (tabella 14.3). La tabella 14.2 individua principalmente le malattie con sintomi specifici, cioè i sintomi che possono essere direttamente collegati a un agente patogeno vegetale. È il caso di Botrytis cinerea e la sua tipica muffa grigia, oidio (Erysiphe e Podosphaera genera nella tabella) e il suo micelio bianco polveroso e conidia, e infine Sclerotinia spp. e la sua produzione di sclerozia. La presenza di 3 patologi vegetali negli intervistati espande l'elenco, con l'identificazione di alcuni patogeni delle radici (ad esempio Pythium spp.). Sintomi generali che non sono sufficientemente specifici da essere direttamente correlati a un agente patogeno senza ulteriori verificazioni (vedere diagnosi in Sez. 14.3 si trovano di conseguenza nella Tabella 14.3. Ma è importante sottolineare che la maggior parte dei sintomi osservati in questa tabella potrebbe anche essere la conseguenza di stress abiotici. La clorosi fogliare è uno degli esempi più espliciti perché può essere correlata a un gran numero di agenti patogeni (ad esempio per le lattughe: Pythium spp., Bremia lactucae, Sclerotinia spp., virus dei gialli occidentali della barbabietola), alle condizioni ambientali (es. eccesso di temperatura) e alle carenze minerali (azoto, magnesio, potassio, calcio, zolfo, ferro, rame, boro, zinco, molibdeno) (Lepoivre 2003; Resh 2013).

   Tabella 14.3 Revisione dei sintomi che si verificano in acquaponica dall'analisi internazionale del 2018

   tavolo testata tr class = header» Sintomi/Th th Specie di piante /th /tr /testata tbody tr class="dispari» Clorosi fogliare/td td Allium schoenoprasum sup1/sup, Amaranthus viridis sup1/sup, Coriandrum sativum sup1/sup, iCucumis sativus/i sup1/sup, iocimum basilicum/i sup6/sup, iLactuca sativa/i sup4/sup, Mentha spp. sup2/sup, IPetroselinum crispum/i sup1/sup, Spinacia oleracea sup2/sup, Isolanum lycopersicum/i sup1/sup, Fragaria spp. sup1/sup /td /tr tr class="even» Necrosi fogliare/td td Mentha spp. sup2/sup, iocimum basilicum/i sup1/sup, /td /tr tr class="dispari» Necrosi del TDstem/td td Isolanum lycopersicum/i sup1/sup, /td /tr tr class="even» Necrosi collare/td td Iocimum basilicum/i sup1/sup /td /tr tr class="dispari» Mosaico tdfogliare/TD td iCucumis sativus/i sup1/sup, Mentha spp. sup1/sup, iocimum basilicum/i sup1/sup, /td /tr tr class="even» Tdfoliare avvizzamento/td td Brassica oleracea gruppo Acephala sup1/sup, iLactuca sativa/i sup1/sup, Mentha spp. sup1/sup, iCUCUMis sativus/i sup1/sup, iocimum basilicum/i sup1/sup, Isolanum lycopersicum/i sup1/sup /td /tr tr class="dispari» TDfogliare, stelo e collare/td td Allium schoenoprasum sup1/sup, iCapsicum annuum/i sup1/sup, Iucumis sativus/i sup1/sup, iLactuca sativa/i sup2/sup, Mentha spp. sup2/sup, iocimum basilicum/i sup4/sup, Isolanum lycopersicum/i sup1/sup /td /tr tr class="even» TdFoliari/td td iCapsicum annuum/i sup1/sup, iCucumis sativus/i sup1/sup, iLactuca sativa/i sup2/sup, Mentha spp. sup1/sup, Iocimum basilicum/i sup5/sup /td /tr tr class="dispari» TDDamping disattivato/td td Spinacia oleracea sup1/sup, Iocimum basilicum/i sup1/sup, Isolanum lycopersicum/i sup1/sup, piantine in generale sup5/sup /td /tr tr class="even» TDCrinkle/TD td iBeta vulgaris/i (bietola svizzera) sup1/sup, iCapsicum annuum/i sup1/sup, iLactuca sativa/i sup1/sup, Iocimum basilicum/i sup1/sup /td /tr tr class="dispari» TDBrowning o radice in decomposizione td Allium schoenoprasum sup1/sup, Amaranthus viridis sup1/sup, iBeta vulgaris/i (bietola svizzera) sup1/sup, Coriandrum sativum sup1/sup, iLactuca sativa/i sup1/sup, Mentha spp. sup2/sup, Iocimum basilicum/i sup2/sup, iPetroselinum crispum/i sup2/sup, Isolanum lycopersicum/i sup1/sup, Spinacia oleracea sup1/sup /td /tr /tbody /tavolo

   I numeri in esponente rappresentano la comparsa del sintomo per una pianta specifica su un totale di 32 sistemi aquaponici esaminati

   14.2.3 Microrganismi benefici in acquaponica: le possibilità

   Come spiegato nell'introduzione, diverse pubblicazioni si sono concentrate sui batteri coinvolti nel ciclo dell'azoto, mentre altre hanno già sottolineato la potenziale presenza di microrganismi benefici che interagiscono con patogeni vegetali e/o piante (Rakocy 2012; Gravel et al. 2015; Sirakov et al. 2016). Questa sezione esamina il potenziale dei microrganismi vegetali benefici coinvolti nell'acquaponica e le loro modalità d'azione.

   Sirakov et al. (2016) ha proiettato i batteri antagonisti contro Pythium ultimum isolati da un sistema aquaponico. Tra i 964 isolati testati, 86 hanno mostrato un forte effetto inibitorio su Pythium ultimum in vitro. È necessario effettuare ulteriori ricerche per identificare tassonomicamente questi batteri e valutarne il potenziale in condizioni in vivo. Gli autori presuppongono che molti di questi isolati appartengano al genere Pseudomonas. Schmautz et al. (2017) è giunto alla stessa conclusione identificando Pseudomonas spp. nella rizosfera della lattuga. Le specie antagoniste del genere Pseudomonas sono state in grado di controllare gli agenti patogeni vegetali in ambienti naturali (ad esempio in suoli soppressivi) mentre questa azione è influenzata anche dalle condizioni ambientali. Possono proteggere le piante dagli agenti patogeni in modo attivo o passivo suscitando una risposta di difesa delle piante, svolgendo un ruolo nella promozione della crescita delle piante, competere con gli agenti patogeni per lo spazio e le sostanze nutritive (ad esempio, la concorrenza del ferro mediante rilascio di sideropfori chelanti del ferro) e/o infine con la produzione di antibiotici o metaboliti antifungini come biotensioattivi (Arras e Arru 1997; Ganeshan e Kumar 2005; Haas e Défago 2005; Beneduzi et al. 2012; Narayanasamy 2013). Sebbene nessuna identificazione dei microrganismi sia stata effettuata da Gravel et al. (2015)), essi riferiscono che gli effluenti ittici hanno la capacità di stimolare la crescita delle piante, diminuire la crescita miceliale di Pythium ultimum e Pythium oxysporum in vitro e ridurre la colonizzazione della radice di pomodoro da parte di questi funghi.

   Le informazioni sulla possibile capacità fitosanitaria naturale del microbiota aquaponico sono scarse, ma il potenziale di tale azione protettiva può essere previsto per quanto riguarda diversi elementi già noti nell'idroponica o nell'acquacoltura ricircolata. Un primo studio è stato condotto nel 1995 sull'azione soppressiva o soppressiva promossa dai microrganismi nella coltura priva di suolo (McPherson et al. 1995). La soppressività nell'idroponica, qui definita da Postma et al. (2008)), è stata «riferita ai casi in cui (i) l'agente patogeno non si stabilisce o persiste; o (ii) stabilisce ma provoca pochi o nessun danno». L'azione soppressiva di un ambiente può essere correlata all'ambiente abiotico (ad esempio pH e materia organica). Tuttavia, nella maggior parte delle situazioni, è considerato correlato direttamente o indirettamente all'attività dei microrganismi o ai loro metaboliti (James e Becker 2007). Nella coltura priva di suolo, la capacità soppressiva dimostrata dalla soluzione idrica o dai supporti privi di suolo è esaminata da Postma et al. (2008) e Vallance et al. (2010). In queste recensioni, i microrganismi responsabili di questa azione soppressiva non sono chiaramente identificati. Al contrario, patogeni vegetali come Phytophthora cryptogea, Pythium spp., Pythium aphanidermatum e Fusarium oxysporum f.sp. radicis-lycopersici controllati o soppressi dal microbiota naturale sono descritti in modo esauriente. Nei vari articoli esaminati da Postma et al. (2008) e Vallance et al. (2010), il coinvolgimento microbico nell'effetto soppressivo è generalmente verificato attraverso una distruzione del microbiota del substrato privo di suolo mediante prima sterilizzazione e successivamente seguita da una reinoculazione. Rispetto ad un sistema aperto senza ricircolo, l'attività soppressiva nei sistemi privi di suolo potrebbe essere spiegata dal ricircolo dell'acqua (McPherson et al. 1995; Tu et al. 1999, citato da Postma et al. 2008) che potrebbe consentire un migliore sviluppo e diffusione di microrganismi benefici (Vallance et al. 2010) .

   Dal 2010, la soppressività dei sistemi idroponici è stata generalmente accettata e gli argomenti di ricerca sono stati più guidati sull'isolamento e sulla caratterizzazione dei ceppi antagonistici nella coltura priva di suolo con le specie Pseudomonas come organismi principali studiati. Se è stato dimostrato che i sistemi di coltura privi di suolo possono offrire capacità soppressiva, non vi è alcuna dimostrazione simile di tale attività nei sistemi acquaponici. Tuttavia, non vi è alcuna indicazione empirica che non dovrebbe essere il caso. Questo ottimismo nasce dalle scoperte di Gravel et al. (2015) e Sirakov et al. (2016) descritte nel secondo paragrafo di questa sezione. Inoltre, è stato dimostrato in idroponica (Haarhoff e Clasby 1991 citati da Calvo-bado et al. 2003; Van Os et al. 1999) ma anche nel trattamento delle acque per il consumo umano (revisionato da Verma et al. 2017) che filtrazione lenta (descritta nella sezione 14.3.1]) e più precisamente una lenta filtrazione della sabbia possono anche agire contro gli agenti patogeni vegetali mediante un'azione microbica soppressiva oltre ad altri fattori fisici. Nell'idroponica, la filtrazione lenta è stata dimostrata efficace contro i patogeni vegetali esaminati nella tabella 14.4. Si presume che l'attività microbica soppressiva nei filtri sia probabilmente dovuta a specie di Bacillus e/o Pseudomonas (Brand 2001; Déniel et al. 2004; Renault et al. 2007; Renault et al. 2012). I risultati di Déniel et al. (2004) suggeriscono che nell'idroponica, il modo d'azione di Pseudomonas e Bacillus si basa rispettivamente sulla concorrenza per i nutrienti e l'antibiotico. Tuttavia, potrebbero essere presenti ulteriori modalità di azione per questi due generi, come già spiegato per Pseudomonas spp. Le specie bacillus_ possono, a seconda dell'ambiente, agire indirettamente mediante biostimolazione vegetale o provocando difese vegetali o direttamente antagonismo attraverso la produzione di sostanze antifungine e/o antibatteriche. Gli enzimi degradanti della parete cellulare, le batteriocine e gli antibiotici, i lipopeptidi (cioè biotensioattivi), sono identificati come molecole chiave per quest'ultima azione (Pérez-García et al. 2011; Beneduzi et al. 2012; Narayanasamy 2013). Tutto considerato, il funzionamento di un filtro lento non è così diverso dal funzionamento di alcuni biofiltri utilizzati in acquaponica. Inoltre, alcuni batteri eterotrofici come Pseudomonas spp. sono già stati identificati nei biofiltri aquaponici (Schmautz et al. 2017). Ciò è conforme ai risultati di altri ricercatori che hanno frequentemente rilevato Bacillus e/o Pseudomonas nei biofiltri RAS (sistema di acquacoltura ricircolato) (Tal et al. 2003; Sugita et al. 2005; Schreier et al. 2010; Munguia-Fragozo et al. 2015; Rurangwa e Verdegem 2015). Tuttavia, finora non è stato effettuato alcun studio sulla possibile soppressione nei biofiltri aquaponici.

   Tabella 14.4 Revisione degli agenti patogeni vegetali efficacemente rimossi mediante lenta filtrazione in idroponica

   tavolo testata tr class = header» Patogeni patogeni THPlant/th th I riferimenti /th /tr /testata tbody tr class="dispari» Tdixantomonas campestris/i pv. ipelargonii/i/TD td Marca (2001) /td /tr tr class="even» TDiFusarium ossisporo/i/td td Wohanka (1995), Ehret et al. (1999) citati da Ehret et al. (2001), van Os et al. (2001), Déniel et al. (2004) e Furtner et al. (2007) /td /tr tr class="dispari» Tdipythium/I spp. /td td Déniel e altri (2004) /td /tr tr class="even» Tdipythium aphanidermatum/i/td td Ehret et al. (1999) citati da Ehret et al. (2001) e Furtner et al. (2007) /td /tr tr class="dispari» Tdiphytophthora cinnamomi/i/td td Van Os et al. (1999), 4 riferimenti citati da Ehret et al. (2001) /td /tr tr class="even» Tdiphytophthora cryptogea/i/td td Calvo-bado e altri (2003) /td /tr tr class="dispari» Tdiphytophthora cactorum/i/td td Evenhuis e altri (2014) /td /tr /tbody /tavolo

3. 14.3 Proteggere le piante dagli agenti patogeni nell'acquaponica

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

   Al momento i praticanti aquaponici che utilizzano un sistema accoppiato sono relativamente impotenti contro le malattie delle piante quando si verificano, specialmente nel caso di patogeni delle radici. Nessun pesticida né biopesticida è specificamente sviluppato per uso acquaponico (Rakocy 2007; Rakocy 2012; Somerville et al. 2014; Bittsanszky et al. 2015; Sirakov et al. 2016). In breve, i metodi curativi sono ancora carenti. Solo Somerville et al. (2014) elencano i composti inorganici che possono essere utilizzati contro i funghi in acquaponica. In ogni caso, è obbligatoria una diagnostica appropriata del patogeno (i) che causa la malattia al fine di identificare il (i) target (i) per le misure curative. Questa diagnosi richiede una buona esperienza in termini di capacità di osservazione, comprensione del ciclo patogeno vegetale e analisi della situazione. Tuttavia, in caso di sintomi generalisti (non specifici) e a seconda del grado di accuratezza necessario, è spesso necessario utilizzare tecniche di laboratorio per convalidare l'ipotesi rispetto all'agente causale (Lepoivre 2003). Postma et al. (2008) ha esaminato i diversi metodi per rilevare gli agenti patogeni vegetali nell'idroponica e sono stati identificati quattro gruppi:

   1. Osservazione macroscopica diretta e microscopica dell'agente patogeno

   2. Isolamento del patogeno

   3. Uso di metodi sierologici

   4. Uso di metodi molecolari

   14.3.1 Metodi di protezione non biologici

   Le buone pratiche agricole (GAP) per il controllo dei patogeni vegetali sono le varie azioni volte a limitare le malattie delle colture sia per la resa che per la qualità dei prodotti (FAO 2008). I GAP trasponibili all'acquaponica sono essenzialmente pratiche fisiche o di coltivazione non curative che possono essere suddivise in misure preventive e trattamento delle acque.

   Misure preventive

   Le misure preventive hanno due scopi distinti. Il primo è quello di evitare l'ingresso dell'inoculo patogeno nel sistema e il secondo è quello di limitare (i) l'infezione delle piante, (ii) lo sviluppo e (iii) la diffusione dell'agente patogeno durante il periodo di crescita. Le misure preventive volte ad evitare l'ingresso dell'inoculo iniziale nella serra sono, ad esempio, un periodo di riposo, un locale specifico per l'igiene, l'igiene dell'ambiente (ad es. rimozione di detriti vegetali e disinfezione della superficie), indumenti specifici, semi certificati, un locale specifico per la germinazione delle piante e fisico barriere (contro i vettori di insetti) (Stanghellini e Rasmussen 1994; Jarvis 1992; Albajes et al. 2002; Somerville et al. 2014; Parvatha Reddy 2016). Tra le pratiche più importanti utilizzate per il secondo tipo di misure preventive sono l'uso di varietà vegetali resistenti, la disinfezione degli strumenti, la prevenzione delle sollecitazioni abiotiche delle piante, la buona spaziatura delle piante, la prevenzione dello sviluppo delle alghe e la gestione delle condizioni ambientali. L'ultima misura, vale a dire la gestione delle condizioni ambientali, consiste nel controllare tutti i parametri delle serre al fine di evitare o limitare le malattie intervenendo nel loro ciclo biologico (ibid.). Generalmente, nelle strutture di serra su larga scala, vengono utilizzati software e algoritmi informatici per calcolare i parametri ottimali che consentono sia la produzione di impianti che il controllo delle malattie. I parametri misurati, tra gli altri, sono temperatura (dell'aria e della soluzione nutritiva), umidità, deficit di pressione del vapore, velocità del vento, probabilità di rugiada, umidità fogliare e ventilazione (ibid.). Il terapeuta agisce su questi parametri manipolando il riscaldamento, la ventilazione, l'ombreggiatura, il supplemento di luci, il raffreddamento e l'appannamento (ibid.).

   Trattamento dell'acqua

   I trattamenti fisici delle acque possono essere impiegati per controllare i potenziali agenti patogeni dell'acqua. Filtrazione (pori di dimensioni inferiori a 10 μm), trattamenti termici e UV sono tra i più efficaci per eliminare gli agenti patogeni senza effetti nocivi sulla salute dei pesci e delle piante (Ehret et al. 2001; Hong e Moorman 2005; Postma et al. 2008; Van Os 2009; Timmons ed Ebeling 2010). Queste tecniche consentono il controllo dei focolai di malattia diminuendo l'inoculo, la quantità di agenti patogeni e le loro fasi di proliferazione nel sistema di irrigazione (ibid.). La disinfezione fisica riduce gli agenti patogeni dell'acqua ad un certo livello a seconda dell'aggressività del trattamento. Generalmente, l'obiettivo della disinfezione termica e UV è la riduzione della popolazione iniziale di microrganismi del 90-99,9% (ibid.). La tecnica di filtrazione più utilizzata è la filtrazione lenta a causa della sua affidabilità e del suo basso costo. I substrati di filtrazione generalmente utilizzati sono sabbia, lana di roccia o pozzolana (ibid.). L'efficienza di filtrazione dipende essenzialmente dalla dimensione e dal flusso dei pori. Per essere efficace come trattamento di disinfezione, la filtrazione deve essere ottenuta con una dimensione dei pori inferiore a 10 μm e una portata di 100 l/msup2/sup/h, anche se parametri meno vincolanti mostrano prestazioni soddisfacenti (ibid.). La filtrazione lenta non elimina tutti gli agenti patogeni; oltre il 90% dei batteri aerobici totali rimane nell'effluente (ibid.). Tuttavia, permette una soppressione di detriti vegetali, alghe, piccole particelle e alcune malattie trasmesse dal suolo come Pythium e Phytophthora (l'efficienza dipende dal genere). I filtri lenti non agiscono solo con l'azione fisica, ma mostrano anche un'attività microbica soppressiva, grazie a microrganismi antagonisti, come discusso nella Sez. 14.2.3 (Hong e Moorman 2005; Postma et al. 2008; Van Os 2009; Vallance et al. 2010). Il trattamento termico è molto efficace contro i patogeni delle piante. Tuttavia richiede temperature che raggiungano 95 C per almeno 10 secondi per sopprimere tutti i tipi di agenti patogeni, inclusi i virus. Questa pratica consuma molta energia e impone il raffreddamento ad acqua (scambiatore di calore e serbatoio di transizione) prima della reiniezione dell'acqua trattata nel circuito di irrigazione. Inoltre, ha lo svantaggio di uccidere tutti i microrganismi compresi quelli benefici (Hong e Moorman 2005; Postma et al. 2008; Van Os 2009). L'ultima tecnica e probabilmente la più applicata è la disinfezione UV. Il 20,8% dei praticanti EU Aquaponics Hub la usano (Villarroel et al. 2016). La radiazione UV ha una lunghezza d'onda da 200 a 280 nm. Ha un effetto dannoso sui microrganismi da danno diretto del DNA. A seconda dell'agente patogeno e della turbolenza dell'acqua, la dose di energia varia tra 100 e 250 MJ/cmSUP2/SUP per essere efficace (Postma et al. 2008; Van Os 2009).

   I trattamenti fisici delle acque eliminano la maggior parte degli agenti patogeni dall'acqua in entrata, ma non possono sradicare la malattia quando è già presente nel sistema. Il trattamento fisico delle acque non copre tutta l'acqua (in particolare la zona dell'acqua stagnante vicino alle radici), né il tessuto vegetale infetto. Ad esempio, i trattamenti UV spesso non riescono a sopprimere Pythium marciume radicale (Sutton et al. 2006). Tuttavia, se il trattamento fisico delle acque consente una riduzione dei patogeni vegetali, teoricamente, essi hanno anche un effetto sui microrganismi non patogeni potenzialmente agiscono sulla soppressione delle malattie. In realtà, i trattamenti termici e UV creano un vuoto microbiologico, mentre la filtrazione lenta produce uno spostamento nella composizione dei microbiota degli effluenti con conseguente maggiore capacità di soppressione delle malattie (Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010). Nonostante il fatto che i raggi UV e il trattamento termico in idroponica eliminino oltre il 90% dei microrganismi nell'acqua di ricircolo, non è stata osservata alcuna diminuzione della soppressione della malattia. Ciò è dovuto probabilmente a una quantità troppo bassa di acqua trattata e a una ri-contaminazione dell'acqua dopo il contatto con il sistema di irrigazione, le radici e i mezzi vegetali (ibid.).

   Il trattamento delle acque acquaponiche mediante sostanze chimiche è limitato in applicazione continua. L'ozonizzazione è una tecnica utilizzata nell'acquacoltura ricircolata e nell'idroponica. Il trattamento con ozono ha il vantaggio di eliminare tutti gli agenti patogeni inclusi i virus in determinate condizioni e di essere rapidamente decomposto in ossigeno (Hong and Moorman 2005; Van Os 2009; Timmons ed Ebeling 2010; Gonçalves e Gagnon 2011). Tuttavia ha diversi svantaggi. L'introduzione di ozono nell'acqua grezza può produrre sottoprodotti ossidanti e una notevole quantità di ossidanti residui (ad esempio composti bromurati e anioni alossici tossici per i pesci) che devono essere rimossi, ad esempio, prima di tornare alla parte di pesce (esaminata da Gonçalves e Gagnon 2011). Inoltre, il trattamento con ozono è costoso, è irritante per le mucose in caso di esposizione umana, ha bisogno di periodi di contatto da 1 a 30 minuti con un intervallo di concentrazione di 0,1—2,0 mg/L, ha bisogno di una coppa temporale per ridurre completamente da Osub3/sub a Osub2/sub e può ossidare gli elementi presenti nella soluzione nutritiva , come i chelati di ferro, e quindi li rende indisponibili per le piante (Hong e Moorman 2005; Van Os 2009; Timmons ed Ebeling 2010; Gonçalves e Gagnon 2011).

   14.3.2 Metodi biologici di protezione

   Nell'idroponica, numerosi articoli scientifici esaminano l'uso di microrganismi antagonisti (cioè in grado di inibire altri organismi) per controllare gli agenti patogeni delle piante, ma finora non sono state effettuate ricerche per il loro uso in acquaponica. Il modo di azione di questi microrganismi antagonisti è secondo Campbell (1989)), Whipps (2001) e Narayanasamy (2013) raggruppati in:

   1. Concorso per sostanze nutritive e nicchie

   2. Parassitismo

   3. Antibiosi

   4. Induzione della resistenza alle malattie nelle piante

   Gli esperimenti che introducono microrganismi nei sistemi aquaponici si sono concentrati sull'aumento della nitrificazione mediante aggiunta di batteri nitrificanti (Zou et al. 2016) o sull'uso di promotori della crescita vegetale (PGPR) come Azospirillum brasilense e Bacillus spp. per aumentare le prestazioni delle piante (Mangmang et al. 2014; Mangmang et al. 2015a; Mangmang et al. 2015b; Mangmang et al. 2015c; da Silva Cerozi e Fitzsimmons 2016; Bartelme et al. 2018). Ora è urgente lavorare sugli agenti di biocontrollo (BCA) contro gli agenti patogeni vegetali in acquaponica per quanto riguarda l'uso limitato di trattamenti curativi sintetici, l'alto valore della coltura e l'aumento dei sistemi aquaponici nel mondo. I BCA sono definiti, in questo contesto, come virus, batteri e funghi che esercitano effetti antagonistici sui patogeni vegetali (Campbell 1989; Narayanasamy 2013).

   Generalmente, l'introduzione di un BCA è considerata più semplice nei sistemi privi di suolo. Infatti, l'ambiente delle radici idroponiche è più accessibile che nel suolo e anche il microbiota del substrato è sbilanciato a causa di un vuoto biologico. Inoltre, le condizioni ambientali della serra possono essere manipolate per soddisfare le esigenze di crescita del BCA. Teoricamente tutte queste caratteristiche consentono una migliore introduzione, creazione e interazione del BCA con le piante in idroponica rispetto al suolo (Paulitz e Bélanger 2001; Postma et al. 2009; Vallance et al. 2010). Tuttavia, in pratica, l'efficacia dell'inoculazione di BCA per controllare gli agenti patogeni delle radici può essere altamente variabile nei sistemi privi di suolo (Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010; Montagne et al. 2017). Una spiegazione è che la selezione del BCA si basa su test in vitro che non rappresentano condizioni reali e successivamente un debole adattamento di questi microrganismi all'ambiente acquatico utilizzato in idroponica o acquaponica (Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010). Per controllare gli agenti patogeni delle piante e, più in particolare, i responsabili dei marciumi radicali, è necessario selezionare e identificare i microrganismi coinvolti nei sistemi acquatici che mostrano un'attività soppressiva contro gli agenti patogeni vegetali. Nella coltura priva di suolo, diversi microrganismi antagonisti possono essere raccolti a causa del loro ciclo biologico simile ai patogeni delle radici o della loro capacità di crescere in condizioni acquose. Questo è il caso delle specie e dei batteri non patogeni Pythium e Fusarium, dove Pseudomonas, Bacillus e Lysobacter sono i generi più rappresentati in letteratura (Paulitz e Bélanger 2001; Khan et al. 2003; Chatterton et al. 2004; Folman et al. 2004; Sutton et al. 2006; Liu et al.; Postma et al. 2008; Postma et al. 2009; Vallance et al. 2010; Sopher e Sutton 2011; Hultberg et al. 2011; Lee e Lee 2015; Martin e Loper 1999; Moruzzi et al. 2017; Thongkamngam e Jaenaksorn 2017). È stata inoltre studiata l'aggiunta diretta di alcuni metaboliti microbici come i biotensioattivi (Stanghellini e Miller 1997; Nielsen et al. 2006; Nielsen et al. 2006). Sebbene alcuni microrganismi siano efficienti nel controllare gli agenti patogeni delle radici, ci sono altri problemi che devono essere superati per produrre un biopesticida. Le sfide principali sono determinare i mezzi di inoculazione, la densità dell'inoculo, la formulazione del prodotto (Montagne et al. 2017), il metodo per la produzione di quantità sufficiente a basso costo e lo stoccaggio del prodotto formulato. Anche gli studi ecotossicologici sui pesci e sui microrganismi benefici viventi nel sistema sono un punto importante. Un'altra possibilità che potrebbe essere sfruttata è l'uso di un complesso di agenti antagonisti, come osservato nelle tecniche soppressive del suolo (Spadaro e Gullino 2005; Vallance et al. 2010). Infatti, i microrganismi possono lavorare in sinergia o con modalità d'azione complementari (ibid.). L'aggiunta di modifiche potrebbe anche migliorare il potenziale di BCA agendo come prebiotici (cfr. Sez. 14.4).

4. 14.4 Il ruolo della materia organica nell'attività di biocontrollo nei sistemi acquaponici

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

   Nella Sez. 14.2.3 è stata suggerita la soppressione dei sistemi aquaponici. Come detto in precedenza, l'ipotesi principale è legata al ricircolo dell'acqua così come è per i sistemi idroponici. Tuttavia, esiste una seconda ipotesi che è legata alla presenza di materia organica nel sistema. Materia organica che potrebbe guidare un ecosistema microbico più equilibrato, inclusi agenti antagonisti meno adatti ai patogeni vegetali (Rakocy 2012).

   Nell'acquaponica, la materia organica proviene da approvvigionamento idrico, mangimi non consumati, feci di pesce, substrato vegetale organico, attività microbica, essudati radicali e residui vegetali (Waechter-Kristensen et al. 1997; Naylor et al. 1999; Waechter-Kristensen et al. 1999). In tale sistema, i batteri eterotrofici sono organismi in grado di utilizzare la materia organica come fonte di carbonio ed energia, generalmente sotto forma di carboidrati, aminoacidi, peptidi o lipidi (Sharrer et al. 2005; Willey et al. 2008; Whipps 2001). Nell'acquacoltura ricircolata (RAS), essi sono localizzati principalmente nel biofiltro e consumano particelle organiche intrappolate in esso (Leonard et al. 2000; Leonard et al. 2002). Tuttavia, un'altra fonte di carbonio organico per i batteri eterotrofici sono le sostanze umiche presenti come materia organica disciolta e responsabili della colorazione giallo-brunastra dell'acqua (Takeda e Kiyono 1990 citati da Leonard et al. 2002; Hirayama et al. 1988). Nel suolo e nell'idroponica, gli acidi umici sono noti per stimolare la crescita delle piante e sostenere la pianta in condizioni di stress abiotico (Bohme 1999; du Jardin 2015). Le proteine presenti nell'acqua possono essere utilizzate dalle piante come fonte alternativa di azoto, migliorando così la loro crescita e resistenza agli agenti patogeni (Adamczyk et al. 2010). Nell'acqua ricircolata, l'abbondanza di batteri eterotrofici vivi liberi è correlata alla quantità di carbonio organico biologicamente disponibile e rapporto carbonio-azoto (C/N) (Leonard et al. 2000; Leonard et al. 2002; Michaud et al. 2006; Atramadal et al. 2012). Nel biofiltro, un aumento del rapporto C/N aumenta l'abbondanza di batteri eterotrofici a scapito del numero di batteri autotrofici responsabili del processo di nitrificazione (Michaud et al. 2006; Michaud et al. 2014). Come implicito, i microrganismi eterotrofici possono avere un impatto negativo sul sistema perché competono con i batteri autotrofici (ad esempio batteri nitrificanti) per lo spazio e l'ossigeno. Alcuni di essi sono patogeni vegetali o dei pesci, o responsabili del dissapore dei pesci (Chang-Ho 1970; Funck-Jensen e Hockenhull 1983; Jones et al. 1991; Leonard et al. 2002; Nogueira et al. 2002; Michaud et al. 2006; Mukerji 2006; Whipps 2001; Rurangwa e Verdegem 2015). Tuttavia, i microrganismi eterotrofici coinvolti nel sistema possono anche essere positivi (Whipps 2001; Mukerji 2006). Diversi studi che utilizzano fertilizzanti organici o mezzi organici privi di suolo, in idroponica, hanno mostrato interessanti effetti in cui il microbiota residente è stato in grado di controllare le malattie delle piante (Montagne et al. 2015). Tutti i substrati organici hanno le loro proprietà fisico-chimiche. Di conseguenza, le caratteristiche dei media influenzeranno la ricchezza e le funzioni microbiche. La scelta di un mezzo vegetale specifico potrebbe quindi influenzare lo sviluppo microbico in modo da avere un effetto soppressivo sui patogeni (Montagne et al. 2015; Grunert et al. 2016; Montagne et al. 2017). Un'altra possibilità di soppressione degli agenti patogeni legati al carbonio organico è l'uso di modifiche organiche in idroponica (Maher et al. 2008; Vallance et al. 2010). Aggiungendo compost in mezzi privi di suolo come se fosse un uso comune nel suolo, si prevedono effetti soppressivi (Maher et al. 2008). Rafforzare o mantenere un microrganismo specifico come Pseudomonas popolazione aggiungendo alcune fonti di carbonio formulate (ad esempio prodotto a base di nitrapirina) come riportato da Pagliaccia et al. (2007) e Pagliaccia et al. (2008) è un'altra possibilità. L'emergere di colture organiche prive di suolo evidenzia anche il coinvolgimento di microrganismi benefici contro i patogeni vegetali sostenuti dall'uso di fertilizzanti organici. Fujiwara et al. (2013), Chinta et al. (2014), e Chinta et al. (2015) hanno riferito che la fecondazione con liquore ripido di mais aiuta a controllare Fusarium oxysporum f.sp. lactucae e Botrytis cinerea su lattughe e Fusarium oxysporum f.sp. radicis-lycopersici sulle piante di pomodoro. E anche se difficilmente consigliato per l'uso acquaponico, 1 g/l di fertilizzante solubile a base di pesce (Shinohara et al. 2011) sopprime l'appassimento batterico sul pomodoro causato da Ralstonia solanacearum in idroponica (Fujiwara et al. 2012).

   Infine, sebbene le informazioni sull'impatto della materia organica sulla protezione delle piante nell'acquaponica siano scarse, i vari elementi sopra menzionati mostrano la loro potenziale capacità di promuovere un microbiota specifico per il sistema e sopprimendo gli agenti patogeni vegetali.

5. 14.5 Conclusioni e considerazioni future

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

   Questo capitolo mirava a fornire una prima relazione sugli agenti patogeni vegetali che si verificano in acquaponica, esaminando i metodi attuali e le possibilità future di controllarli. Ogni strategia ha vantaggi e svantaggi e deve essere accuratamente progettata per adattarsi a ogni caso. Tuttavia, in questo momento, i metodi curativi nei sistemi aquaponici accoppiati sono ancora limitati e devono essere trovate nuove prospettive di controllo. Fortunatamente, si potrebbe considerare la soppressività in termini di sistemi acquaponici, come già osservato in idroponica (ad esempio nei terreni vegetali, nell'acqua e nei filtri lenti). Inoltre, la presenza di materia organica nel sistema è un fattore incoraggiante rispetto ai sistemi di coltura privi di suolo che utilizzano fertilizzanti organici, supporti vegetali organici o modifiche organiche.

   Per il futuro, sembra importante indagare su questa azione soppressiva seguita dall'identificazione e dalla caratterizzazione dei microbi o consorzi di microbi responsabili. Sulla base dei risultati, si potrebbero prevedere diverse strategie per potenziare la capacità delle piante di resistere agli agenti patogeni. Il primo è il controllo biologico mediante conservazione, che significa favorire i microrganismi benefici manipolando e gestendo la composizione dell'acqua (ad esempio rapporto C/N, sostanze nutritive e gas) e parametri (ad esempio pH e temperatura). Ma l'identificazione di questi fattori di influenza deve essere realizzata prima. Questa gestione dei batteri autotrofici ed eterotrofici è anche di fondamentale importanza per sostenere una buona nitrificazione e mantenere i pesci sani. La seconda strategia è il controllo biologico aumentativo mediante ulteriore rilascio di microrganismi benefici già presenti nel sistema in gran numero (metodo inundativo) o in piccoli numeri ma ripetuti nel tempo (metodo di inoculazione). Ma dovrebbero essere raggiunte l'identificazione preventiva e la moltiplicazione di un BCA aquaponico. La terza strategia riguarda l'importazione, ossia l'introduzione di un nuovo microrganismo normalmente non presente nel sistema. In questo caso, è necessaria la selezione di un microrganismo adattato e sicuro per l'ambiente aquaponico. Per le ultime due strategie, il sito di inoculazione nel sistema deve essere considerato in funzione dello scopo desiderato. I siti in cui l'attività microbica potrebbe essere potenziata sono l'acqua ricircolata, la rizosfera (compresi i mezzi vegetali), il biofiltro (ad esempio nei filtri a sabbia lenta dove l'aggiunta di BCA è già stata testata) e la fillosfera (cioè parte della pianta aerea). Qualunque sia la strategia, l'obiettivo finale dovrebbe essere quello di guidare le comunità microbiche a fornire un ambiente microbico stabile ed ecologicamente equilibrato che consenta una buona produzione sia di piante che di pesci.

   Per concludere, seguire i requisiti della gestione integrata dei parassiti delle piante (IPM) è una necessità di gestire correttamente il sistema ed evitare lo sviluppo e la diffusione di malattie vegetali (Bittsanszky et al. 2015; Nemethy et al. 2016). Il principio dell'IPM consiste nell'applicare pesticidi chimici o altri agenti come ultima risorsa quando si raggiunge il livello di pregiudizio economico. Di conseguenza, il controllo degli agenti patogeni dovrà basarsi in primo luogo su metodi fisici e biologici (descritti sopra), sulla loro combinazione e su un'efficace individuazione e monitoraggio della malattia (Parlamento europeo 2009).