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Capitolo 3 Tecnologie dell'acquacoltura a ricircolo

1. 3.1 Introduzione

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

   I sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) descrivono sistemi intensivi di produzione ittica che utilizzano una serie di fasi di trattamento delle acque per depurare l'acqua di allevamento e facilitarne il riutilizzo. La RAS includerà generalmente (1) dispositivi per rimuovere le particelle solide dall'acqua che sono costituite da feci di pesce, mangimi non consumati e gregge batteriche (Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009), (2) biofiltri nitrificanti per ossidare l'ammoniaca escreta in nitrati dai pesci (Gutierrez-Wing e Malone 2006) e (3) di dispositivi di scambio di gas per rimuovere l'anidride carbonica disciolta espulsa dai pesci nonché l'aggiunta di ossigeno richiesto dai pesci e dai batteri nitrificanti (Colt and Watten 1988; Moran 2010; Summerfelt 2003; Wagner et al. 1995). Inoltre, RAS può anche utilizzare l'irradiazione UV per la disinfezione dell'acqua (Sharrer et al. 2005; Summerfelt et al. 2009), l'ozonizzazione e la scrematura proteica per i solidi fini e il controllo microbico (Atramadal et al. 2012a; Gonçalves e Gagnon 2011; Summerfelt e Hochheimer 1997) e sistemi di denitrificazione per rimuovere i nitrificazione (van Rijn et al. 2006).

   La moderna tecnologia dell'acquacoltura a ricircolo si sta sviluppando da oltre 40 anni, ma le nuove tecnologie offrono sempre più modi per cambiare i paradigmi delle tradizionali RAS, compresi miglioramenti sui processi classici come la cattura dei solidi, la biofiltrazione e lo scambio di gas. La RAS ha inoltre registrato importanti sviluppi in termini di scala, capacità di produzione e accettazione del mercato, con sistemi sempre più grandi e robusti.

   Questo capitolo illustra come la tecnologia RAS si sia sviluppata negli ultimi due decenni, da un periodo di consolidamento tecnologico a una nuova era di implementazione industriale.

   3.1.1 Storia della RAS

   La prima ricerca scientifica sulla RAS condotta in Giappone negli anni '50 si è concentrata sulla progettazione di biofiltri per la produzione di carpe, guidata dalla necessità di utilizzare risorse idriche localmente limitate (Murray et al. 2014). In Europa e negli Stati Uniti, gli scienziati hanno cercato allo stesso modo di adattare le tecnologie sviluppate per il trattamento delle acque reflue domestiche al fine di riutilizzare meglio l'acqua all'interno dei sistemi di ricircolo (ad esempio processi di fanghi attivi per il trattamento delle acque reflue, depurazione, biofiltri sommersi e downflow e diversi tipi di sistemi di filtrazione). Questi primi sforzi hanno riguardato principalmente i sistemi marini per la produzione di pesce e crostacei, ma sono stati presto adottati nelle regioni aride dove il settore agricolo è limitato dall'approvvigionamento idrico. In acquacoltura sono state progettate diverse soluzioni per massimizzare l'uso dell'acqua, compresi i sistemi di ricircolo altamente intensivo che incorporano sistemi di filtrazione dell'acqua come filtri a tamburo, filtri biologici, schiumatori proteici e sistemi di iniezione di ossigeno (Hulata e Simon 2011). Nonostante la forte convinzione da parte dei pionieri del settore circa la redditività commerciale del loro lavoro, la maggior parte dei primi studi si è concentrata esclusivamente sull'ossidazione dei rifiuti tossici di azoto inorganico derivati dal metabolismo delle proteine. La fiducia nella tecnologia è stata rafforzata dal buon funzionamento degli acquari pubblici e domestici, che generalmente dispongono di unità di trattamento di dimensioni eccessive per garantire acqua cristallina. Inoltre, le densità di stoccaggio estremamente basse e gli input di mangimi associati hanno fatto sì che tale ingegnerizzazione fornisse ancora un contributo relativamente modesto ai costi di capitale e di esercizio del sistema rispetto alla RAS intensiva. Di conseguenza, i cambiamenti nelle dinamiche di processo associati al cambiamento di scala non sono stati rilevati, con conseguente sottodimensionamento delle unità di trattamento RAS al fine di ridurre al minimo i costi di capitale. Di conseguenza, i margini di sicurezza erano troppo ristretti o inesistenti (Murray et al. 2014). Poiché molti scienziati pionieristici avevano background biologici piuttosto che ingegneristici, i miglioramenti tecnici sono stati anche limitati da errori di comunicazione tra scienziati, progettisti, personale edile e operatori. Lo sviluppo di una terminologia standardizzata, delle unità di misura e dei formati di rendicontazione nel 1980 (EIFAC/CIEM 1980) ha contribuito ad affrontare la situazione, anche se le differenze regionali persistono ancora. Solo a metà degli anni '80 i parametri ciclici della qualità dell'acqua sono diventati importanti nella produzione di stagni, ad esempio misurando periodicamente le concentrazioni di pH, ossigeno, TAN (azoto ammoniacale totale), NO2 (nitrato), BOD (domanda biochimica di ossigeno) e COD (domanda chimica di ossigeno).

   Nell'ultima parte del secolo scorso sono stati pubblicati numerosi articoli sullo sviluppo precoce della RAS. Rosenthal (1980) ha elaborato lo stato dei sistemi di ricircolo nell'Europa occidentale, mentre Bovendeur et al. (1987) ha sviluppato un sistema di ricircolo dell'acqua per la cultura del pesce gatto africano in relazione alla cinetica di produzione e rimozione dei rifiuti (è stato presentato un progetto per un sistema di trattamento delle acque costituito da un chiarificatore primario e un reattore aerobico a film fisso che ha dimostrato risultati soddisfacenti per la coltura ad alta densità del pesce gatto africano). Questo lavoro è stato parte del rapido sviluppo dei sistemi di coltura ittica fino alla metà degli anni '90 nell'Europa settentrionale e occidentale (Rosenthal e Black 1993), nonché in Nord America (Colt 1991). Nuove classificazioni, come la classificazione in base al modo in cui l'acqua scorre attraverso un sistema di acquacoltura, hanno fornito informazioni chiave sui processi di qualità dell'acqua importanti per la produzione ittica (Krom e van Rijn 1989). Nel successivo lavoro di van Rijn (1996), sono stati introdotti concetti incentrati sui processi biologici alla base dei sistemi di trattamento. Le conclusioni di questo lavoro sono state che l'introduzione di metodi per ridurre l'accumulo di fanghi e nitrati ha portato a condizioni di qualità dell'acqua più stabili all'interno delle unità di coltura. Durante questo periodo, la produzione di RAS è aumentata significativamente in termini di volume e diversità delle specie (Rosenthal 1980; Verreth ed Eing 1993; Martins et al. 2005). Oggi, più di 10 specie sono prodotte in RAS (pesce gatto africano, anguilla e trota come principali specie d'acqua dolce e rombo, fondali e sogliola come principali specie marine) (Martins et al 2010b), con RAS che diventa anche un elemento cruciale nella produzione di larve e novellame di diverse specie.

   Mentre le rese massime sostenibili di molte specie di stock acquatici selvatici sono state o saranno presto raggiunte e molte specie sono già sovrasfruttate, la RAS è considerata una tecnologia chiave che aiuterà il settore dell'acquacoltura a soddisfare le esigenze delle specie acquatiche nei prossimi decenni (Ebeling e Timmons 2012).

   3.1.2 Una breve storia dell'acquaponica nel contesto della RAS

   

   Fig. 3.1 Chinampas (giardini galleggianti) in America Centrale — costruzione di isole artificiali come antecedente della tecnologia acquaponica. (Da Marzolino/ Shutterstock.com)

   Aquaponica è un termine che è stato «coniato» negli anni '70, ma in pratica ha radici antiche, anche se ci sono ancora discussioni sulla sua prima apparizione. Gli Aztechi coltivavano isole agricole conosciute come chinampas (le prime 1150—1350CE), in un sistema considerato da alcuni come la prima forma di acquaponica per uso agricolo (Fig. 3.1). In tali sistemi, le piante sono state allevate su isole stabili, o talvolta mobili e galleggianti poste in acque lacustre dove fango ricco di nutrienti poteva essere dragato dai canali di Chinampa e posto sulle isole per sostenere la crescita delle piante (Crossley 2004).

   Un esempio ancora precedente di acquaponica è iniziato dall'altra parte del mondo nel sud della Cina e si ritiene che si sia diffuso nel sud-est asiatico, dove i coloni cinesi provenienti dallo Yunnan si sono insediati intorno al 5 CE. Gli agricoltori coltivavano e coltivavano riso nelle risaie in combinazione con il pesce (FAO 2001). Questi sistemi di agricoltura policturale esistevano in molti paesi dell'Estremo Oriente per allevare pesci come il loach orientale (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009), l'anguilla palude (fam. Synbranchidae), carpa comune (Cyprinus carpio) e carassio (Carassius carassius) (FAO 2004). In sostanza, tuttavia, questi non erano sistemi acquaponici, ma possono essere meglio descritti come primi esempi di sistemi integrati di acquacoltura (Gomez 2011). Nel ventesimo secolo, i primi tentativi di creare sistemi di produzione ittica pratici, efficienti ed integrati insieme alle verdure sono stati realizzati negli anni '70 con il lavoro di Lewis e Naegel (Lewis e Wehr 1976; Naegel 1977; Lewis et al. 1978). Altri primi sistemi sono stati progettati da Waten e Busch nel 1984 e Rakocy nel 1989 (Palm et al. 2018).

2. 3.2 Revisione del controllo della qualità dell'acqua nella RAS

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

   I RAS sono complessi sistemi di produzione acquatica che coinvolgono una serie di interazioni fisiche, chimiche e biologiche (Timmons ed Ebeling 2010). Comprendere queste interazioni e le relazioni tra i pesci presenti nel sistema e le attrezzature utilizzate è fondamentale per prevedere eventuali cambiamenti nella qualità dell'acqua e nelle prestazioni del sistema. Esistono più di 40 parametri di qualità dell'acqua che possono essere utilizzati per determinare la qualità dell'acqua in acquacoltura (Timmons ed Ebeling 2010). Di questi, solo pochi (come descritto in Seets. [3.2.1](#321 -disciolved-ossigeno-do), [3.2.2](#322 -ammoniaca), [3.2.3](#323 -biosolidi), [3.2.4](#324 -carbonio-diossido-cosub2sub), [3.2.5](#325 -total-gas-pressure-tgp), [3.2.6](#326 -nitgp) e [3.2.7](#327 -alcalinità)) sono tradizionalmente controllati nel ricircolo principale , dato che questi processi possono influenzare rapidamente la sopravvivenza dei pesci e sono inclini a cambiare con l'aggiunta di mangimi al sistema. Molti altri parametri di qualità dell'acqua non sono normalmente monitorati o controllati perché (1) l'analisi della qualità dell'acqua può essere costosa, (2) l'inquinante da analizzare può essere diluito con scambio idrico giornaliero, (3) le potenziali fonti di acqua che li contengono sono escluse per l'uso o (4) perché il loro potenziale negativo effetti non sono stati osservati nella pratica. Pertanto, i seguenti parametri di qualità dell'acqua sono normalmente monitorati in RAS.

   3.2.1 Ossigeno disciolto (DO)

   L'ossigeno disciolto (DO) è generalmente il parametro di qualità dell'acqua più importante nei sistemi acquatici intensivi, poiché bassi livelli di DO possono causare rapidamente stress elevato nei pesci, malfunzionamento del biofiltro nitrificante e perdite significative di pesce. Comunemente, la densità di stoccaggio, l'aggiunta di mangimi, la temperatura e la tolleranza della specie ittica all'ipossia determineranno il fabbisogno di ossigeno di un sistema. Poiché l'ossigeno può essere trasferito all'acqua in concentrazioni superiori alla sua concentrazione di saturazione in condizioni atmosferiche (questa è chiamata supersaturazione), esiste una serie di dispositivi e disegni per garantire che il pesce disponga di ossigeno sufficiente.

   In RAS, DO può essere controllato tramite aerazione, aggiunta di ossigeno puro o una combinazione di questi. Poiché l'aerazione è solo in grado di aumentare le concentrazioni di DO fino al punto di saturazione atmosferica, la tecnica è generalmente riservata a sistemi a carico leggero o sistemi con specie tolleranti come Tilapia o pesce gatto. Tuttavia, gli aeratori sono anche una componente importante del RAS commerciale in cui l'uso di ossigeno tecnico costoso viene ridotto aerando acqua con un basso contenuto di ossigeno disciolto fino al punto di saturazione prima di sovrasaturare l'acqua con ossigeno tecnico.

   

   Fig. 3.2 Diagrammi di due esempi di trasferimento gas-liquido: aerazione diffusa e iniettori/aspiratori Venturi

   Esistono diversi tipi di aeratori e ossigenatori che possono essere utilizzati in RAS e questi rientrano in due grandi categorie: i sistemi da gas a liquido e da liquido a gas (Lekang 2013). Gli aeratori gas-liquido comprendono principalmente sistemi di aerazione diffusi in cui il gas (aria o ossigeno) viene trasferito all'acqua, creando bolle che scambiano gas con il mezzo liquido (Fig. 3.2). Altri sistemi gas-liquido includono gas che passano attraverso diffusori, tubi perforati o piastre forate per creare bolle utilizzando iniettori Venturi che creano masse di piccole bolle o dispositivi che intrappolano bolle di gas nel flusso d'acqua come il cono Speece e l'ossigenatore del tubo a U.

   

   Fig. 3.3 Diagrammi di due esempi di trasferimento da liquido a gas: l'aeratore a colonna imballato e gli spruzzi di superficie in un serbatoio chiuso. L'aeratore a colonna impacchettata consente all'acqua di defluire lungo un recipiente chiuso, solitamente imballato con mezzi strutturati, dove l'aria viene forzata attraverso un ventilatore o un ventilatore. Gli spruzzatori di superficie presenti nell'acquacoltura del laghetto possono essere utilizzati anche in ambienti chiusi arricchiti da gas — normalmente ossigeno — per il trasferimento di gas

   Gli aeratori liquido-gas si basano sulla diffusione dell'acqua in piccole goccioline per aumentare la superficie disponibile per il contatto con l'aria, o sulla creazione di un'atmosfera arricchita con una miscela di gas (Fig. 3.3). L'aeratore a colonna imballato (Colt e Bouck 1984) e gli ossigenatori a bassa testa (LHO) (Wagner et al. 1995) sono esempi di sistemi liquido-gas utilizzati nell'acquacoltura a ricircolo. Tuttavia, altri sistemi liquido-gas popolari negli stagni e nelle fattorie all'aperto come gli aeratori a pale (Fast et al. 1999) sono utilizzati anche in RAS.

   Una notevole letteratura è disponibile sulla teoria dello scambio di gas e sui fondamenti del trasferimento di gas in acqua, e il lettore è incoraggiato non solo a consultare testi di ingegneria dell'acquacoltura e dell'acquacoltura, ma anche a fare riferimento all'ingegneria di processo e ai materiali di trattamento delle acque reflue per una migliore comprensione di questi processi.

   3.2.2 Ammoniaca

   In un mezzo acquoso, l'ammoniaca esiste in due forme: una forma non ionizzata (NHSub3/sub) tossica per i pesci e una forma ionizzata (NHSub4/SubSUP+/SUP) che ha una bassa tossicità per i pesci. Questi due formano l'azoto ammoniacale totale (TAN), in cui il rapporto tra le due forme è controllato da pH, temperatura e salinità. L'ammoniaca si accumula nell'acqua di allevamento come prodotto del metabolismo proteico dei pesci (Altinok e Grizzle 2004) e può raggiungere concentrazioni tossiche se non trattata. Dei 35 diversi tipi di pesci d'acqua dolce studiati, il valore medio di tossicità acuta per l'ammoniaca è 2,79 mg NH3/l (Randall e Tsui 2002).

   L'ammoniaca è stata tradizionalmente trattata nei sistemi di ricircolo con biofiltri nitrificanti, dispositivi progettati per promuovere le comunità microbiche che possono ossidare l'ammoniaca in nitrato (NoSub3/sub). Sebbene l'uso di biofiltri nitrificanti non sia nuovo, la RAS contemporanea ha visto una razionalizzazione dei progetti di biofiltri, con pochi progetti ben studiati che hanno una diffusa accettazione. Altre tecniche altamente innovative per trattare l'ammoniaca sono state sviluppate negli ultimi anni, ma non sono ampiamente applicate a livello commerciale (esempi riportati di seguito).

   L'ammoniaca è ossidata nei biofiltri da comunità di batteri nitrificanti. I batteri nitrificanti sono organismi chemolitotrofici che comprendono specie dei generi Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrobacter e Nitrococcus (Prosser 1989). Questi batteri ottengono la loro energia dall'ossidazione dei composti azotati inorganici (Mancinelli 1996) e crescono lentamente (la replicazione avviene 40 volte più lentamente rispetto ai batteri eterotrofi) quindi sono facilmente superabili dai batteri eterotrofici se il carbonio organico, per lo più presente nei biosolidi sospesi nella coltura acqua, sono autorizzati ad accumulare (Grady e Lim 1980). Durante il funzionamento RAS, una buona gestione del sistema si basa molto sulla riduzione dei solidi sospesi attraverso adeguate tecniche di rimozione dei solidi (Fig. 3.4).

   I biofiltri nitrificanti o i reattori biofiltri sono stati approssimativamente classificati in due categorie principali: la crescita sospesa e i sistemi di crescita collegati (Malone e Pfeiffer 2006). Nei sistemi di crescita sospesi, le comunità batteriche nitrificanti crescono liberamente nell'acqua, formando flocs batterici che ospitano anche ricchi ecosistemi dove sono presenti protozoi, ciliati, nematodi e alghe (Manan et al. 2017). Con un'adeguata miscelazione e aerazione, alghe, batteri, zooplancton, particelle di mangime e sostanze fecali rimangono sospesi nella colonna d'acqua e naturalmente flocculano insieme, formando le particelle che danno il nome ai sistemi di coltura biofloc (Browdy et al. 2012). Lo svantaggio principale dei sistemi di crescita sospesi è la loro tendenza a perdere la loro biomassa batterica man mano che l'acqua di processo esce dal reattore, richiedendo quindi un mezzo per catturarla e riportarla al sistema. Nei sistemi di crescita collegati, forme solide (grani di sabbia, pietre, elementi plastici) vengono utilizzate come substrati per trattenere i batteri all'interno del reattore e quindi, non necessitano di una fase di cattura dei solidi post-trattamento. In generale, i sistemi di crescita collegati forniscono una superficie maggiore per l'attacco batterico rispetto ai sistemi di crescita sospesi e non producono solidi significativi nel loro deflusso, che è uno dei motivi principali per cui i biofiltri a crescita attaccati sono stati così comunemente utilizzati in RAS.

   

   Fig. 3.4 Batteri nitrificanti Nitrosomonas (a sinistra) e Nitrobacter (a destra). (Foto a sinistra: Bock et al. 1983. Foto a destra: Murray e Watson 1965)

   Sono stati compiuti sforzi per classificare i biofiltri e documentarne le prestazioni al fine di aiutare gli agricoltori e i progettisti a definire sistemi con un migliore grado di affidabilità (Drennan et al. 2006; Gutierrez-Wing e Malone 2006). Negli ultimi anni, l'industria dell'acquacoltura ha optato per progetti di biofiltri che sono stati ampiamente studiati e quindi in grado di offrire prestazioni prevedibili. Il bioreattore a letto mobile (Rusten et al. 2006), il bioreattore con filtro a sabbia fluidificata (Summerfelt 2006) e il bioreattore a letto fisso (Emparanza 2009; Zhu e Chen 2002) sono esempi di progetti di biofiltri a crescita che sono diventati standard nella moderna RAS commerciale. I filtri di gocciolamento (Díaz et al. 2012), un altro design popolare, hanno visto diminuire la loro popolarità a causa delle loro esigenze di pompaggio relativamente elevate e dimensioni relativamente grandi.

   3.2.3 Biosolidi

   I biosolidi della RAS provengono da mangimi per pesci, feci e biofilm (Timmons ed Ebeling 2010) e sono uno dei parametri di qualità dell'acqua più critici e difficili da controllare. Poiché i biosolidi servono come substrato per la crescita batterica eterotrofa, un aumento della loro concentrazione può portare a un aumento del consumo di ossigeno, scarse prestazioni dei biofiltri (Michaud et al. 2006), aumento della torbidità dell'acqua e persino blocco meccanico di parti del sistema (Becke et al. 2016; Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009).

   In RAS, i biosolidi sono generalmente classificati sia in base alla loro dimensione che alla loro capacità di rimozione mediante determinate tecniche. Della frazione totale dei solidi prodotti in un RAS, i solidi sedimentabili sono quelli generalmente più grandi di 100 μm e che possono essere rimossi mediante separazione gravitazionale. I solidi sospesi, con dimensioni comprese tra 100 μm e 30 μm, sono quelli che non si depositano dalla sospensione, ma che possono essere rimossi con mezzi meccanici (cioè setacciatura). I solidi fini, di dimensioni inferiori a 30 μm, sono generalmente quelli che non possono essere rimossi mediante setacciatura e devono essere controllati con altri mezzi quali processi fisico-chimici, processi di filtrazione a membrana, diluizione o bioclarificazione (Chen et al. 1994; Lee 2014; Summerfelt e Hochheimer 1997; Timmons ed Ebeling 2010; Wold et al. 2014). Le tecniche per il controllo dei solidi sedimentabili e sospesi sono ben note e sviluppate, e esiste un'ampia letteratura sull'argomento. Ad esempio, l'uso di serbatoi a doppio scarico, separatori a spirale, separatori di flusso radiale e bacini di sedimentazione è un mezzo popolare per controllare i solidi sedimentabili (Couturier et al. 2009; Davidson e Summerfelt 2004; De Carvalho et al. 2013; Ebeling et al. 2006; Veerapen et al. 2005). I filtri microscreen sono il metodo più diffuso per il controllo dei solidi sospesi (Dolan et al. 2013; Fernandes et al. 2015) e sono spesso utilizzati nel settore per controllare sia solidi sedimentabili che sospesi con un'unica tecnica. Altri popolari dispositivi di cattura solidi sono filtri di profondità come i filtri a tallone (Cripps e Bergheim 2000) e i filtri a sabbia rapida, che sono anche popolari nelle applicazioni per piscine. Inoltre, le linee guida di progettazione per prevenire l'accumulo di solidi in serbatoi, tubazioni, pozzetti e altri componenti del sistema sono disponibili in letteratura (Davidson e Summerfelt 2004; Lekang 2013; Wong e Piedrahita 2000). Infine, i solidi fini nelle RAS sono comunemente trattati mediante ozonizzazione, bioclarificazione, frazionamento di schiuma o una combinazione di queste tecniche. Gli ultimi anni nello sviluppo della RAS si sono concentrati su una maggiore comprensione di come controllare la frazione di solidi fini e capire il suo effetto sul benessere dei pesci e sulle prestazioni del sistema.

   3.2.4 Anidride carbonica (COSub2/sub)

   Nel RAS, il controllo dei gas disciolti non si ferma con la fornitura di ossigeno ai pesci. Altri gas disciolti nell'acqua di allevamento possono influire sul benessere dei pesci se non controllati. Le alte concentrazioni di anidride carbonica disciolta (COsub2/sub) nell'acqua inibiscono la diffusione di COsub2/sub dal sangue dei pesci. Nei pesci, l'aumento di COsub2/sub nel sangue riduce il pH del sangue e, a sua volta, l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno (Noga 2010). Alte concentrazioni di COsub2/sub sono state associate anche a nefrocalcinosi, granulomi sistemici e depositi gessosi negli organi nei salmonidi (Noga 2010). COSub2/sub in RAS nasce come prodotto della respirazione eterotrofa da parte di pesci e batteri. Come gas altamente solubile, l'anidride carbonica non raggiunge l'equilibrio atmosferico con la stessa facilità dell'ossigeno o dell'azoto e quindi deve essere messa in contatto con elevati volumi d'aria con una bassa concentrazione di COsub2/sub per garantire il trasferimento dall'acqua (Summerfelt 2003). Come regola generale, le RAS fornite con ossigeno puro richiederanno una qualche forma di stripping dell'anidride carbonica, mentre le RAS fornite con aerazione per l'integrazione di ossigeno non richiederanno COsub2/sub stripping attivo (Eshchar et al. 2003; Loyless e Malone 1998).

   In teoria, qualsiasi dispositivo di trasferimento/aerazione del gas aperto all'atmosfera offrirà una qualche forma di COSub2/sub stripping. Tuttavia, i dispositivi specializzati di spellatura dell'anidride carbonica richiedono che grandi volumi di aria vengano messi in contatto con l'acqua di processo. I progetti COSub2/sub spogliarellista si sono concentrati principalmente su dispositivi a cascata come aeratori a cascata, biofiltri di trickling e, cosa più importante, l'aeratore a colonna imballato (Colt e Bouck 1984; Moran 2010; Summerfelt 2003), che è diventato un pezzo standard di apparecchiature per RAS commerciali che operano con ossigeno puro. Sebbene lo sviluppo della tecnologia di aerazione delle colonne imballate sia avanzato negli ultimi anni, la maggior parte delle ricerche fatte su questo dispositivo si è concentrata sulla comprensione delle sue prestazioni in diverse condizioni (ad esempio acqua dolce vs acqua di mare) e variazioni progettuali come altezze, tipi di imballaggio e velocità di ventilazione . L'effetto della velocità di carico idraulica (flusso unitario per unità di superficie di degasser) è noto per avere un effetto sull'efficienza di un degasser, ma sono necessarie ulteriori ricerche per avere una migliore comprensione di questo parametro progettuale.

   3.2.5 Pressione totale del gas (TGP)

   La pressione totale del gas (TGP) è definita come la somma delle pressioni parziali di tutti i gas disciolti in una soluzione acquosa. Meno solubile è un gas, più «spazio» occupa nella soluzione acquosa e, quindi, maggiore è la pressione che esercita. Dei principali gas atmosferici (azoto, ossigeno e anidride carbonica) l'azoto è il meno solubile (ad esempio 2,3 volte meno solubile dell'ossigeno e più di 90 volte meno solubile dell'anidride carbonica). Pertanto, l'azoto contribuisce alla pressione totale del gas più di qualsiasi altro gas, ma non viene consumato dai pesci o dai batteri eterotrofici, quindi si accumulerà nell'acqua a meno che non venga rimosso. È anche importante notare che l'ossigeno contribuirà anche ad un elevato TGP se il processo di trasferimento del gas non consente di spostare i gas in eccesso fuori dalla soluzione. Un classico esempio di questo sono gli stagni con attività fotoautotrofa in essi. I fotoautotrofi (di solito organismi vegetali che effettuano la fotosintesi) rilasciano ossigeno nell'acqua, mentre una superficie tranquilla dell'acqua potrebbe non fornire sufficiente scambio di gas in eccesso per fuoriuscire nell'atmosfera e quindi può verificarsi una sovrasaturazione.

   I pesci richiedono pressioni totali del gas pari alla pressione atmosferica. Se i pesci respirano acqua con una pressione gas totale elevata, il gas in eccesso (generalmente azoto) esce dal flusso sanguigno e forma bolle, con effetti spesso gravi per la salute del pesce (Noga 2010). In acquacoltura questo è noto come malattia delle bolle di gas.

   Evitare un alto TGP richiede un attento esame di tutte le aree della RAS in cui può verificarsi il trasferimento di gas. L'iniezione di ossigeno ad alta pressione senza fuoriuscita di gas (permettendo lo spostamento dell'azoto in eccesso dall'acqua) può anche contribuire all'elevato TGP. Nei sistemi con pesci che sono molto sensibili al TGP, l'uso di degasser sottovuoto è un'opzione (Colt e Bouck 1984). Tuttavia, mantenere un RAS privo di aree di pressurizzazione dei gas incontrollata, utilizzando strippers di anidride carbonica (che eliminerà anche azoto) e dosare l'ossigeno tecnico con cura, è sufficiente per mantenere il TGP a livelli di sicurezza nelle RAS commerciali.

   3.2.6 Nitrato

   Il nitrato (NoSub3/sub) è il prodotto finale della nitrificazione e comunemente l'ultimo parametro da controllare nella RAS, a causa della sua tossicità relativamente bassa (Davidson et al. 2014; Schroeder et al. 2011; van Rijn 2013). Ciò è principalmente attribuito alla sua bassa permeabilità alla membrana branchiale di pesce (Camargo e Alonso 2006). L'azione tossica del nitrato è simile a quella del nitrito, influenzando la capacità delle molecole che trasportano l'ossigeno. Il controllo delle concentrazioni di nitrati nel RAS è stato tradizionalmente ottenuto mediante diluizione, controllando efficacemente il tempo di ritenzione idraulica o il tasso di cambio giornaliero. Tuttavia, il controllo biologico dei nitrati mediante reattori di denitrificazione è un'area di ricerca e sviluppo in RAS in crescita.

   La tolleranza ai nitrati può variare a seconda delle specie acquatiche e dello stadio di vita, con la salinità che ha un effetto migliorante sulla sua tossicità. È importante che gli operatori della RAS comprendano gli effetti cronici dell'esposizione ai nitrati piuttosto che gli effetti acuti, poiché probabilmente non saranno raggiunte concentrazioni acute durante il normale funzionamento RAS.

   3.2.7 Alcalinità

   L'alcalinità è, in termini generali, definita come la capacità tampone del pH dell'acqua (Timmons ed Ebeling 2010). Il controllo dell'alcalinità nella RAS è importante in quanto la nitrificazione è un processo di formazione degli acidi che la distrugge. Inoltre, i batteri nitrificanti richiedono un apporto costante di alcalinità. Una bassa alcalinità nel RAS determinerà oscillazioni del pH e malfunzionamenti del biofiltro nitrificante (Summerfelt et al. 2015; Colt 2006). L'aggiunta di alcalinità nel RAS sarà determinata dall'attività di nitrificazione nei sistemi, che è a sua volta correlata all'aggiunta di mangimi, dal contenuto di alcalinità dell'acqua di trucco (scambio giornaliero) e dalla presenza di attività denitrificante, che ripristina l'alcalinità (van Rijn et al. 2006).

3. 3.3 Sviluppi della RAS

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

   Negli ultimi anni si è registrato un aumento del numero e delle dimensioni delle aziende di acquacoltura a ricircolo, soprattutto in Europa. Con l'aumento dell'accettazione della tecnologia, continuano ad emergere miglioramenti rispetto agli approcci ingegneristici tradizionali, alle innovazioni e alle nuove sfide tecniche. La sezione seguente descrive le principali tendenze progettuali e ingegneristiche e le nuove sfide che la tecnologia del ricircolo dell'acquacoltura si trova ad affrontare.

   3.3.1 Ossigenazione del flusso principale

   Il controllo dell'ossigeno disciolto nella moderna RAS mira ad aumentare l'efficienza del trasferimento di ossigeno e diminuire il fabbisogno energetico di questo processo. L'aumento dell'efficienza di trasferimento dell'ossigeno può essere ottenuto attraverso la progettazione di sistemi che trattengono l'ossigeno gas a contatto con l'acqua più a lungo, mentre una diminuzione del fabbisogno energetico può essere ottenuta mediante l'uso di sistemi di trasferimento dell'ossigeno a bassa testa o utilizzando sistemi che non utilizzano affatto energia elettrica, come l'ossigeno liquido collegati a diffusori di ossigeno funzionanti solo per pressione. Un fattore determinante degli ossigenatori a bassa testa è la concentrazione disciolta relativamente bassa che può essere raggiunta rispetto ai sistemi ad alta pressione. Per superare questa limitazione, i dispositivi di ossigenazione a bassa testa sono posizionati strategicamente per trattare l'intero flusso di ricircolo invece di utilizzare un piccolo bypass di acqua altamente sovrasaturata, garantendo così un sufficiente trasporto di massa di ossigeno. L'utilizzo di dispositivi di ossigenazione installati nel flusso di ricircolo principale consente di risparmiare sul consumo di elettricità perché si evita l'utilizzo di sistemi ad alta pressione ad alta intensità energetica necessari per raggiungere alte concentrazioni di DO in piccoli flussi. I sistemi di ossigenazione a bassa testa possono anche ridurre la quantità di sistemi di pompaggio necessari, poiché i sistemi di ossigenazione ad alta pressione sono comunemente collocati su un bypass nelle tubazioni che vanno alle vasche ittiche. Al contrario, i dispositivi di ossigenazione a bassa testa tendono ad essere relativamente più grandi a causa della loro necessità di gestire flussi più grandi e quindi, il loro costo iniziale può essere più alto. Esempi di dispositivi in grado di trattare la totalità del flusso includono l'ossigenatore a bassa testa (LHO) (Wagner et al. 1995), azionato per gravità poiché l'acqua viene dapprima pompata in un biofiltro e una colonna imballata (Summerfelt et al. 2004), coni di ossigeno a bassa testa, varianti dello Speece Cone (Ashley et al. 2008; Timmons e Losordo 1994) operati a bassa pressione, i coni dell'albero profondo (Kruger Kaldnes, Norvegia), anche una variante del cono Speece progettato per raggiungere pressioni di esercizio più elevate mediante l'aumento della pressione idrostatica derivante dal posizionamento dei dispositivi inferiori alle vasche di pesce e ai pozzetti della pompa, l'ossigenatore del tubo a U e le sue varianti progettuali come il tubo Farrell o il sistema brevettato di dissoluzione dell'ossigeno (AquaMaOf, Israele) e l'uso di ossigenazione diffusa in vasche di pesci profondi (Fig. 3.5).

   

   Fig. 3.5 Alternative di trasferimento del gas per il ricircolo dell'acqua che ritorna nelle vasche dei pesci. Se il recipiente di contatto del gas consente la pressurizzazione, l'ossigeno può essere trasferito in concentrazioni elevate in flussi relativamente piccoli e ad alta pressione (a, b). Tuttavia, l'ossigeno a concentrazioni inferiori può essere trasferito nel circuito di ricircolo principale, ma per questo, il dispositivo di trasferimento dell'ossigeno deve essere molto più grande per gestire il flusso completo del sistema (c)

   3.3.2 Alternative di biofiltrazione nitrificante

   Sebbene i biofiltri nitrificanti continuino ad essere il principale metodo commercialmente accettato per la rimozione dell'ammoniaca nelle RAS commerciali, negli ultimi anni sono state sviluppate nuove tecnologie di rimozione dell'azoto. Alcune di queste tecnologie considerano percorsi biologici alternativi per rimuovere l'ammoniaca dall'acqua di coltura, mentre altre mirano a sostituire o lavorare in parallelo con i biofiltri nitrificanti al fine di ridurre le limitazioni intrinseche. Questi includono grandi dimensioni del reattore, suscettibilità agli urti, lunghi tempi di avvio e prestazioni più scarse sia in acqua fredda che in sistemi marini.

   Processi basati su Anammox

   Una via biologica alternativa di rimozione dell'ammoniaca considerata per la RAS è il processo anammox (Tal et al. 2006), che si verifica in condizioni anaerobiche. L'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca è un processo che elimina l'azoto combinando ammoniaca e nitrito per produrre gas azotato (van Rijn et al. 2006). Il processo anammox è di interesse per il RAS perché consente la completa rimozione autotrofia dell'azoto, in contrasto con le tradizionali combinazioni di biofiltri nitrificanti con sistemi di denitrificazione eterotrofi che richiedono aggiunta di carbonio organico (van Rijn et al. 2006). Inoltre, nella via anammox, solo la metà dell'ammoniaca rilasciata dal pesce viene ossidata aerobicamente in nitrito (che richiede ossigeno), mentre l'altra metà viene convertita anaerobicamente in azoto insieme al nitrito prodotto. Ciò può comportare risparmi nel consumo di ossigeno ed energia nella RAS (van Rijn et al. 2006).

   I prototipi dei reattori Anammox sono stati dimostrati con successo (Tal et al. 2006, 2009), mentre si sospetta che l'attività anammox si verifichi nei sistemi di denitrificazione marina (Klas et al. 2006). Il progetto europeo del 7° PQ DEAMNRECIRC è riuscito anche a creare prototipi di reattori anammox per applicazioni di acquacoltura con acqua fredda e acqua di mare. Tuttavia, le applicazioni commerciali della tecnologia non sono ancora state identificate dagli autori.

   Rimozione chimica di ammonia

   I sistemi di rimozione dell'ammoniaca basati sui processi di scambio ionico e di ossidazione elettrochimica vengono proposti come alternative ai biofiltri nitrificanti. I processi di scambio ionico si basano sull'utilizzo di materiali adsorbenti come zeoliti o resine iono-selettive per estrarre l'ammoniaca disciolta dall'acqua (Lekang 2013), mentre i processi di ossidazione elettrochimica convertono l'ammoniaca in azoto gassoso attraverso una serie di complesse reazioni di ossidazione (Lahav et al. 2015). In confronto, i processi di scambio ionico sono adatti per le acque con basse concentrazioni di ioni (ad es. acqua dolce), mentre i processi di ossidazione elettrochimica sfruttano gli ioni cloruro presenti nell'acqua per produrre specie di cloro attive che reagiscono prontamente con l'ammoniaca (Lahav et al. 2015) e sono quindi adatto per acque con concentrazioni più elevate di ioni cloruro (acque salmastre e marine).

   Sebbene i processi di scambio ionico non siano nuovi, la loro applicazione in RAS è stata limitata dalla loro capacità di mantenere le prestazioni nel tempo: il materiale filtrante alla fine diventa «saturo», perdendo la sua capacità di adsorbimento e, quindi, deve essere rigenerato. Gendel e Lahav (2013), hanno proposto un nuovo approccio a un processo di ammoniaca a scambio ionico in tandem con un innovativo processo di rigenerazione adsorbente che utilizza l'ossidazione elettrochimica. L'ossidazione elettrochimica dell'ammoniaca è un processo che ha ricevuto maggiore attenzione negli ultimi anni, e diversi concetti sono stati studiati e sono stati lanciati commercialmente, ad esempio ELOXIRA in Spagna.

   I fattori che limitano l'applicazione di queste tecnologie nelle RAS commerciali comprendono, nel caso dei processi di scambio ionico, scarse prestazioni economiche, difficoltà a rigenerare grandi quantità di materiali adsorbenti su richiesta (Lekang 2013), complessità del sistema che richiede l'aggiunta di reagenti chimici, elevata consumo di energia elettrica e un alto grado di rimozione di solidi sospesi (Lahav et al. 2015), che è spesso poco pratico in RAS su larga scala. Nel caso dei processi di elettroossidazione dell'ammoniaca, la produzione di specie reattive tossiche che richiedono la rimozione attiva è la loro limitazione più importante, anche se il loro elevato requisito di controllo dei solidi, spesso possibile solo con filtri meccanici pressurizzati, è anche una sfida nel RAS operante con grandi flussi e bassa pressione.

   3.3.3 Controllo dei solidi fini

   I solidi fini sono la frazione solida dominante in RAS con particelle\ 30 μm che formano più del 90% dei solidi totali sospesi nell'acqua di coltura. Recenti indagini hanno rilevato che più del 94% dei solidi presenti nell'acqua di coltura di un RAS hanno dimensioni\ <20 μm o «fini» (Fernandes et al. 2015). L'accumulo di solidi fini si verifica principalmente quando solidi più grandi bypassano i filtri meccanici (che non sono efficienti al 100%) e vengono infine suddivisi per pompe, attrito con superfici e attività batterica. Una volta ridotte le dimensioni dei solidi, le tecniche di filtrazione meccanica tradizionali vengono rese inutili.

   Negli ultimi anni, continuano ad essere esplorati la produzione, il controllo, gli effetti del benessere dei pesci e gli effetti delle prestazioni del sistema dei solidi fini. Gli effetti dei solidi fini sul benessere dei pesci sono stati inizialmente studiati attraverso ricerche sulla pesca (Chen et al. 1994). Tuttavia, gli effetti diretti dei solidi fini nella RAS sul benessere dei pesci non sono stati approfonditi fino a poco tempo fa. Sorprendentemente, i lavori separati sulla trota iridea di Becke et al. (2016) e Fernandes et al. (2015) non hanno mostrato effetti negativi sul benessere in sistemi con concentrazioni di solidi sospesi fino a 30 mg/l in studi di esposizione della durata rispettivamente di 4 e 6 settimane. Nonostante questi risultati, gli effetti indiretti dell'accumulo di solidi fini nella RAS sono noti (Pedersen et al. 2017) e sono riferiti per lo più legati alla proliferazione di microrganismi opportunistici (Vadstein et al. 2004; Atramadal et al. 2014; Pedersen et al. 2017) poiché i solidi fini forniscono una superficie elevata substrato per i batteri di colonizzare. Un altro importante effetto negativo dell'accumulo di solidi fini è l'aumento della torbidità, che rende difficile l'ispezione visiva dei pesci e può ostacolare le strategie di controllo fotoperiodo che richiedono la penetrazione della luce nella colonna d'acqua. Le strategie di controllo dei solidi fini utilizzate nelle moderne RAS includono ozonizzazione, scrematura proteica, galleggiamento, filtrazione a cartuccia e filtrazione a membrana (Couturier et al. 2009; Cripps e Bergheim 2000; Summerfelt e Hochheimer 1997; Wold et al. 2014). Gli schiumatori proteici, noti anche come frazionatori di schiuma, sono anche dispositivi di controllo dei solidi fini relativamente popolari, specialmente nei sistemi marini (Badiola et al. 2012).

   3.3.4 Ozonazione

   La conoscenza dell'applicazione dell'ozono (O<Sub3/sub) nella RAS esiste dagli anni '70 e '80 (Summerfelt e Hochheimer 1997). Tuttavia, la sua applicazione non è stata così diffusa come altri processi come i biofiltri nitrificanti o i filtri meccanici (Badiola et al. 2012). Oltre al trattamento dei solidi fini, l'ozono, come potente ossidante, può essere utilizzato in RAS per eliminare microrganismi, nitriti e sostanze umiche (Gonçalves e Gagnon 2011). Negli ultimi anni si è registrato un aumento delle conoscenze sulle potenzialità e sui limiti dell'ozono applicati sia nelle RAS d'acqua dolce che in quelle marine. È importante sottolineare che le dosi di ozono che possono essere raggiunte in modo sicuro per migliorare la qualità dell'acqua sia nei sistemi di acqua dolce che di mare sono state confermate in diverse pubblicazioni (Li et al. 2015; Park et al. 2013, 2015; Schroeder et al. 2011; Summerfelt 2003; Timmons ed Ebeling 2010), con la conclusione che le dosi di ozono oltre i limiti raccomandati (1) non migliorano ulteriormente la qualità dell'acqua e (2) possono causare effetti negativi sul benessere, specialmente nei sistemi di acqua di mare dove l'ozonizzazione eccessiva causerà la formazione di ossidanti residui tossici. Nelle acque fredde RAS sono stati determinati i requisiti di ozonizzazione per ottenere la completa disinfezione del flusso di processo (Summerfelt et al. 2009).

   L'ozonizzazione migliora le prestazioni del filtro microschermo e riduce al minimo l'accumulo di materia disciolta che colpisce l'acquerello (Summerfelt et al. 2009).

   Tuttavia, un'eccessiva ozonizzazione può incidere gravemente sui pesci d'allevamento provocando effetti avversi tra cui danni istopatologici ai tessuti (Richardson et al. 1983; Reiser et al. 2010) e alterazioni del comportamento alimentare (Reiser et al. 2010) e stress ossidativo (Ritola et al. 2000, 2002; Livingstone 2003). Inoltre, i sottoprodotti dell'ozonizzazione possono essere dannosi. Il bromato è uno di questi ed è potenzialmente tossico. Tango e Gagnon (2003) hanno dimostrato che le RAS marine ozonizzate hanno concentrazioni di bromato che rischiano di compromettere la salute dei pesci. La tossicità cronica, subletale prodotta da ozono (OPO) è stata studiata nel rombo giovanile da Reiser et al. (2011), mentre la salute e il benessere delle trote iridee sono stati valutati in RAS ozonizzate e non ozonizzate da Good et al. (2011). Aumentare la trota iridea alle dimensioni di mercato nella RAS ozonizzata ha migliorato le prestazioni dei pesci senza influire in modo significativo sulla loro salute e benessere, mentre alte dosi di OPO influenzano il benessere del rombo giovanile.

   3.3.5 Denitrificazione

   Nella maggior parte dei sistemi di acquacoltura a ricircolo, il nitrato, il prodotto finale della nitrificazione, tende ad accumularsi. Tale accumulo è comunemente controllato dalla diluizione (introducendo nuova acqua nel sistema). Il controllo dei nitrati mediante diluizione può costituire un fattore limitante per un'operazione RAS a causa delle normative ambientali, della scarsa disponibilità di nuove acque, dei costi di trattamento dei flussi di acqua in entrata e di effluente o dei costi associati al raffreddamento o al riscaldamento dell'acqua nuova.

   La rimozione biologica dei nitrati in RAS può essere ottenuta mediante batteri anaerobici facoltativi utilizzando una via dissimilatoria per convertire nitrato in azoto gas in presenza di carbonio e nitrato come donatori di elettroni (van Rijn et al. 2006). I reattori di denitrificazione sono quindi reattori biologici che sono tipicamente azionati in condizioni anaerobiche e generalmente dosati con qualche tipo di fonte di carbonio come etanolo, metanolo, glucosio, melassa, ecc La tecnologia di denitrificazione è in fase di sviluppo sin dagli anni '90 (van Rijn e Riviera 1990), ma la sua popolarità tra l'industria dell'acquacoltura a ricircolo è aumentata solo negli ultimi anni, offrendo soluzioni innovative per reattori di denitrificazione.

   Una delle applicazioni più importanti dei sistemi di denitrificazione in acquacoltura è il RAS «a scambio zero» (Yogev et al. 2016), che utilizzano la digestione anaerobica dei biosolidi prodotti nel sistema per produrre acidi grassi volatili (VFA) che vengono poi utilizzati dai denitrificatori come fonte di carbonio. Klas at al. (2006) ha sviluppato un sistema di denitrificazione dei «fanghi singoli», in cui la produzione di VFA a partire da biosolidi e denitrificazione avviene in un unico reattore misto. Suhr et al. (2014) ha sviluppato ulteriormente il concetto di fango singolo, adattandolo al trattamento di fine tubo degli effluenti di allevamento ittico e aggiungendo un ulteriore passo che separa la produzione di VFA dal reattore di denitrificazione in un serbatoio di idrolisi. Questi lavori hanno fornito preziose informazioni sulle possibilità di utilizzare biosolidi acquacolturali invece di costose fonti di carbonio inorganico per la denitrificazione. Inoltre, Christianson et al. (2015) ha studiato l'efficacia dei reattori autotrofici a denitrificazione a base di zolfo come alternativa ai reattori di denitrificazione eterotrofi convenzionali. I reattori autotrofici producono meno biomassa (solidi) e possono essere alimentati con particelle di zolfo, che sono più economiche rispetto alle tradizionali fonti di carbonio inorganico.

   I VFA sono anche il componente precursore nella produzione di biopolimeri come i poliidroalkanoati (PHAs), utilizzati per la produzione di materie plastiche biodegradabili (Pittmann e Steinmetz 2013). Ciò potrebbe far parte del concetto di «bioraffineria» applicato agli impianti di depurazione delle acque reflue, per gli allevamenti ittici che utilizzano processi anaerobici a fanghi attivi.

   3.3.6 Controllo microbico

   Le comunità microbiche sono costituenti importanti dell'ecosistema acquatico. Nei sistemi di produzione dell'acquacoltura, svolgono un ruolo significativo nel riciclaggio dei nutrienti, nella degradazione della materia organica e nel trattamento e nel controllo delle malattie (Zeng et al. 2017). Lo sviluppo di RAS efficienti, produttivi, biologicamente sicuri e privi di malattie richiede una comprensione approfondita di tutti i processi di supporto vitale, dai processi fisici e chimici (trasferimento di gas, trattamento termico, ozonizzazione, irradiazione UV, aggiustamenti di pH e salinità) ai processi biologici (nitrificazione, denitrificazione e attività eterotrofa aerobica). Mentre i processi fisici e chimici possono essere controllati, i sistemi di filtrazione biologica si basano sull'interazione tra le comunità microbiche e il loro ambiente come conseguenza dell'apporto di nutrienti (produzione di rifiuti di pesce) e, come tali, non sono facilmente controllati (Schreier et al. 2010). Recenti studi che utilizzano strumenti molecolari non solo hanno permesso di valutare la diversità microbica nel RAS, ma hanno anche fornito alcune informazioni sulle loro attività che dovrebbero portare a una migliore comprensione delle interazioni della comunità microbica. Questi approcci sono certi di fornire nuovi accordi di processo RAS, nonché informazioni sui nuovi processi e strumenti per migliorare e monitorare questi sistemi (Schreier et al. 2010). L'attuale comprensione della diversità microbica dei biofiltri RAS sia nei sistemi d'acqua dolce che nei sistemi marini si basa su studi che utilizzano 16S rRNA e sonde funzionali specifiche del gene o librerie geniche 16S rRNA piuttosto che tecniche basate sulla cultura (Tabella 3.1).

   Anche le intuizioni sulle dinamiche temporali e spaziali del microbiota in RAS sono ancora limitate (Schreier et al. 2010), e mancano potenziali soluzioni per mantenere o ripristinare comunità microbiche vantaggiose in RAS (Rurangwa e Verdegem 2015). Oltre a una comunità microbica che depura l'acqua, il microbiota nel RAS può anche ospitare agenti patogeni o produrre composti fuori sapore (Guttman e van Rijn 2008). Data la difficoltà di trattare la malattia durante il funzionamento senza influire negativamente sul microbiota benefico, la gestione microbica in RAS è piuttosto una necessità dall'avvio all'intero processo produttivo. I microrganismi vengono introdotti nel RAS attraverso diversi percorsi: acqua di trucco, aria, vettori di animali, mangimi, stoccaggio di pesci, attrezzature sporche e attraverso personale o visitatori (Sharrer et al. 2005; Blancheton et al. 2013). Specifici microbi possono anche, d'altra parte, essere applicati intenzionalmente per guidare la colonizzazione microbica per migliorare le prestazioni del sistema o la salute degli animali (Rurangwa e Verdegem 2015).

   Tabella 3.1 Attività primarie associate alle unità di biofiltrazione RAS e ai microrganismi partecipanti. (Da Schreier et al. 2010)

   tavolo testata tr class = header» Thprocesso/th Threaction/TH th COLSPAN="2"microrganismo/TH /tr tr td/td td/td TDacqua dolce/TD TDMarine/TD /tr /testata tbody tr class="even» TDnitrificazione/TD td/td td/td td/td /tr tr class="dispari» Ossidazione tdammonio td NHSub4/SubSUP+/SUP + 1.5OSub2/sub → νoSub2/Sub + 2HSUP+/SUP + HSub2/Subo /td Tdinitrosomonas oligotrofa/i/td Tdinitrosomonas sp. /i/td /tr tr class="even» td/td td/td td/td Tdinitrosomonas criotolleranti/i/td /tr tr class="dispari» td/td td/td td/td Tdinitrosomonas europaea/i/td /tr tr class="even» td/td td/td td/td Tdinitrosomonas cinnybus/ nitrosa/i/td /tr tr class="dispari» td/td td/td td/td Tdinitrosococcus mobilis/i/td /tr tr class="even» Ossidazione tdnitriti/td td ΝO2SUP-/SUP + H2O → NO3SUP/SUP + 2HSUP+/SUP + 2esup -/sup

   /td Tdinitrospira spp. /i/td td/td /tr tr class="dispari» td/td td/td Tdinitrospira marina/isupa/sup/td Tdinitrospira marina/isupa/sup/td /tr tr class="even» td/td td/td Tdinitrospira moscoviensis/isupa/sup/td Tdinitrospira moscoviensis/isupa/sup/td /tr tr class="dispari» TDdenitrificazione/TD td/td td/td td/td /tr tr class="even» TDAutotrophic/TD td SSUB2/subsup-/SUP + 1.6noSub3/subsup-/SUP + 1.6Hsup +/sup

   → /td td/td TDitiomicrosporia denitrificani/i/td /tr tr class="dispari» td (solfuro dipendente) /td td SOSUB4/SubSUP2-/SUP + 0,8NSub2/sub (g) + 0,8HSub2/SubO /td td/td TDITHIOTHRIX disceformis/isupa/sup/td /tr tr class="even» td/td td/td td/td Tdirhodobacter litoralis/isupa/sup/td /tr tr class="dispari» td/td td/td td/td TdiHydrogenoPhaga sp. /i/td /tr tr class="even» TDHeterotrofico/TD td 5CHSub3/subcoosup-/SUP + 8noSub3/subsup-/SUP + 3Hsup +/sup

   → /td td/td Tdipseudomonas fluorescens/i/td /tr tr class="dispari» td/td td 10HCOSub3/subsup-/SUP + 4Nsub2/sub (g) + 4Hsub2/subo /td TDipseudomonas sp. /i/td Tdipseudomonas stutzeri/i/td /tr tr class="even» td/td td/td TDicomamonas sp. /i/td TDipseudomonas sp. /i/td /tr tr class="dispari» td/td td/td td/td Tdiparacoccus denitrificanti/i/td /tr tr class="even» TDdissimilatore/td td NoSub3/Subsup-/SUP + 2HSUP+/SUP + 4HSub2/sub → NHSub4/SubSUP+/SUP + 3HSub2/Subo /td td/td TDIVarious Proteobatteri e firmicutes/I/TD /tr tr class="dispari» TdReduzione in ammoniaca (DNRA) /td td/td td/td td/td /tr tr class="even» TDanAmmonio/td td NHSub4/SubSUP+/SUP + NoSub2/subsup-/SUP → NSub2/sub (g) + 2Hsub2/subo /td td/td TdiplanctomyceTES spp. /i/td /tr tr class="dispari» tdossidazione (Anammox) /td td/td td/td TDibrocadia sp. /isupa/sup/td /tr tr class="even» Riduzione di TDsolfato/td td SO4SUP2-/SUP + CHSub3/sottocoosup-/SUP + 3HSUP+/SUP → /td td/td TdiDesulfoVibrio sp. , /i/td /tr tr class="dispari» td/td TDHSSUP-/SUP + 2HCOSub3/Subsup-/SUP + 3HSUP+/SUP/TD td/td TdidethiosulfoVibrio sp. , /i/td /tr tr class="even» td/td td/td td/td Tdifusibacter/i sp., Ibacteroides sp. /i/td /tr tr class="dispari» Ossidazione di TDsolfuro td HSSUP-/SUP + 2OSub2/Sub → SOSUB4/SubSUP2-/SUP + HSUP+/SUP /td td/td TDITHIOMICROSpira sp. /i/td /tr tr class="even» TDmetanogenesi/TD td 4HSub2/Sub + HSUP+/SUP + HCOSub3/subsup-/SUP → CHSub4/sub (g) + 3Hsub2/subo /td td/td Tdmethanogenic Archeea [Mirzoyan e Gross, inedito] /td /tr /tbody /tavolo

   SUPA/SUPMicrorganismi identificati esclusivamente sulla base del gene 16S rRNA parziale o di sequenze geniche funzionali

   Uno degli approcci per inibire la colonizzazione patogena è l'uso di batteri probiotici che possono competere per i nutrienti, produrre inibitori della crescita, o, spegnere la comunicazione cello-cellula (quorum sensing) che permette di stabilirsi all'interno di biofilm (Defoirdt et al. 2007, 2008; Kesarcodi-Watson et al. 2008). I batteri probiotici includono Bacillus, Pseudomonas (Kesarcodi-Watson et al. 2008) e Roseobacter spp. (Bruhn et al. 2005) e batteri ad essi correlati sono stati identificati anche nei biofiltri RAS (Schreier et al. 2010) (Tabella 3.1). Per ottenere le informazioni necessarie per gestire la stabilità microbica nella RAS, Rojas-Tirado et al. (2017) hanno identificato i fattori che influenzano i cambiamenti nelle dinamiche batteriche in termini di abbondanza e attività. I loro studi dimostrano che l'attività batterica non era un semplice parametro prevedibile nella fase acquatica, dato che i livelli di nitrato-N in RAS identici hanno mostrato cambiamenti improvvisi e fluttuazioni all'interno di uno dei sistemi. Le particelle sospese in RAS forniscono una superficie che può essere colonizzata dai batteri. Più particelle si accumulano man mano che l'intensità del ricircolo aumenta, aumentando così potenzialmente la capacità di carico batterica dei sistemi. Pedersen et al. (2017) ha esplorato la relazione tra la superficie totale delle particelle (TSA) e l'attività batterica nella RAS d'acqua dolce. Hanno indicato una correlazione forte, positiva e lineare tra TSA e attività batterica in tutti i sistemi con intensità di ricircolo da bassa a moderata. Tuttavia, la relazione apparentemente cessò di esistere nei sistemi con la più alta intensità di ricircolo. Ciò è probabilmente dovuto all'accumulo di sostanze nutritive disciolte che sostengono popolazioni batteriche libere e/o all'accumulo di colloidi sospesi e particelle fini di diametro inferiore a 5 μm, che non sono state caratterizzate nel loro studio ma possono fornire una superficie significativa.

   Nel RAS, vari composti chimici (principalmente nitrati e carbonio organico) si accumulano nell'acqua di allevamento. Questi substrati chimici regolano l'ecofisiologia delle comunità batteriche sul biofiltro e hanno un impatto sulla sua efficienza e affidabilità di nitrificazione. Michaud et al. (2014) ha studiato lo spostamento della struttura della comunità batterica e la maggiore abbondanza relativa dei taxa in due diversi filtri biologici e ha concluso che la dinamica e la flessibilità della comunità batterica per adattarsi ai cambiamenti dell'acqua influenti sembravano essere collegate alle prestazioni del biofiltro. Uno degli aspetti chiave per migliorare l'affidabilità e la sostenibilità della RAS è la gestione appropriata delle popolazioni batteriche dei biofiltri, che è direttamente collegata alla disponibilità di C (carbonio) (Avnimelech 1999). Va notato che i RAS hanno proprietà che possono effettivamente contribuire alla stabilizzazione microbica, tra cui un lungo tempo di ritenzione idrica e un'ampia superficie di biofiltri per la crescita batterica, che potrebbero potenzialmente limitare le possibilità di proliferazione di microbi opportunistici nell'acqua di allevamento ( Atramadal et al. 2012a).

   Atramadal et al. (2012a) ha confrontato lo sviluppo della comunità microbica in una RAS con ozonizzazione moderata (a 350 mV) con quello di un sistema a flusso continuo convenzionale (FTS) per lo stesso gruppo di merluzzo dell'Atlantico, Gadus morhua. Hanno trovato meno variabilità nella composizione batterica tra le vasche di pesci replicati della RAS che tra le vasche dei FTS. La RAS aveva una struttura comunitaria microbica più uniforme con una maggiore diversità di specie e periodicamente una frazione inferiore di opportunisti. I pesci della RAS hanno ottenuto risultati migliori del loro controllo nell'FTS, pur essendo esposti a una qualità dell'acqua fisico-chimica apparentemente inferiore. Nel ricercare gli effetti dell'ozonizzazione moderata o dell'irradiazione UV ad alta intensità sull'ambiente microbico nella RAS per le larve di pesci marini, Atramadal et al. (2012b) hanno sottolineato che un RAS per tali larve probabilmente non dovrebbe includere una forte disinfezione perché porta ad una riduzione del numero batterico, che rischia di provocare una destabilizzazione della comunità microbica. Inoltre, i loro risultati supportano l'ipotesi della RAS come strategia di controllo microbico durante la prima alimentazione delle larve di pesce.

   RAS e maturazione microbica come strumenti per K-selezione delle comunità microbiche è stato oggetto dello studio di Atramadal et al. (2014) in cui hanno ipotizzato che le larve di pesce allevate in acqua dominata da K-strateghi (comunità microbiche mature) funzioneranno meglio, perché sono meno probabili per incontrare microbi opportunistici (selezionati R) e sviluppare interazioni dannose tra host e microbi. I risultati del loro esperimento hanno mostrato un alto potenziale per aumentare la sopravvivenza dei pesci utilizzando K selezione di batteri, che è un metodo economico e facile che può essere utilizzato in tutti i tipi di sistemi di acquacoltura nuovi o esistenti. Piccoli cambiamenti nella gestione (carico organico e maturazione dell'acqua) del trattamento delle acque danno microbiota significativamente diverso nelle vasche di pesce (Atramadal et al. 2016). D'altra parte, le sostanze umiche (HS) sono composti organici naturali, che comprendono una vasta gamma di polimeri pigmentati di alto peso organico. Si tratta di prodotti finali nella degradazione di composti organici complessi e, quando abbondanti, producono un tipico colore dal marrone al brunastro scuro del suolo e dell'acqua (Stevenson 1994). In un sistema di acquacoltura a scarica zero, sostanze simili a HS sono state rilevate nell'acqua di coltura e nel sangue di pesce (Yamin et al. 2017a). Un effetto protettivo dell'HS è stato riportato nei pesci esposti a metalli tossici (Peuranen et al. 1994; Hammock et al. 2003) e concentrazioni tossiche di ammoniaca e nitriti (Meinelt et al. 2010). Inoltre, sono state fornite prove del loro effetto fungistatico contro l'agente patogeno del pesce, Saprolengia parasitica (Meinelt et al. 2007). Nelle carpe comuni (Cyprinus carpio) esposte a (a) acqua ricca di umidi e fanghi provenienti da un sistema di ricircolo, (b) un acido umico sintetico e (c) un estratto ricco di humic derivato da Leonardit, le percentuali di infezione sono state ridotte rispettivamente al 14,9%, 17,0% e 18,8% rispetto a un tasso di infezione del 46,8% nel controllo trattamento (Yamin et al. 2017b). Allo stesso modo, l'esposizione del pesce guppy (Poecilia reticolata), infetto dalla monogenea Gyrodactylus turnbulli e Dactylogyrus sp. ad acqua e mangimi ricchi di umico-coltura, ha ridotto sia la prevalenza di infezione (% di pesci infetti) che l'intensità di infezione (parassiti per pesce) dei due parassiti (Yamin et al. 2017c).

   Si ritiene che la ricerca fondamentale nel settore dell'ecologia microbica dei sistemi di reattori di nitrificazione/denitrificazione in RAS possa fornire innovazioni che possono alterare e/o migliorare drasticamente le prestazioni del reattore nella RAS. Fino ad ora, la comunità microbica nei reattori è ancora difficile da controllare (Leonard et al. 2000, 2002; Michaud et al. 2006, 2009; Schreier et al. 2010; Rojas-Tirado et al. 2017) e molte delle inefficienze del sistema derivano da questo (Martins et al. 2010b).

   3.3.7 Efficienza Energetica

   La redditività economica della produzione ittica in un sistema di acquacoltura a ricircolo dipende, in parte, dalla riduzione al minimo del fabbisogno energetico di tali impianti. La RAS richiede un'infrastruttura tecnica più elevata rispetto ai sistemi aperti, pertanto i costi energetici della RAS sono già stati valutati come grandi vincoli che potrebbero impedire un'applicazione diffusa di questa tecnologia (Singh e Marsh 1996). Di tutti i costi associati all'uso di energia elettrica in RAS, la ventilazione e il raffreddamento ad acqua sono generalmente i più importanti. Nei RAS interni, la ventilazione degli edifici è importante per controllare l'umidità e i livelli di anidride carbonica. Uno scarso controllo dell'umidità può comportare un rapido deterioramento delle strutture edilizie, mentre l'accumulo di anidride carbonica atmosferica influenzerà i processi di stripping dell'anidride carbonica operanti nel RAS e causerà capogiri nei lavoratori. Al fine di mantenere un'atmosfera accettabile all'interno degli impianti, sono ampiamente in funzione impianti di ventilazione o condizionamento (Gehlert et al. 2018). Questi sistemi di ventilazione possono essere dotati di misure volte a ridurre il consumo di energia. Inoltre, al fine di sviluppare una RAS sostenibile dal punto di vista ambientale, l'energia può essere considerata un parametro chiave di guida e, in particolare, l'energia può essere considerata un indicatore importante. L'analisi delle prestazioni energetiche della RAS è stata effettuata da Kucuk et al. (2010) per contribuire alla gestione dell'energia nella RAS. Al fine di migliorare le prestazioni energetiche del RAS, hanno raccomandato che le condizioni operative dei componenti, in particolare, le pompe siano ottimizzate e migliorate in base alla capacità di produzione del pesce del sistema.

   Per aumentare l'efficienza, i responsabili RAS necessitano di linee guida e strumenti per ottimizzare la produzione. Gli audit energetici possono fornire dati reali che possono essere utilizzati per il processo decisionale. Badiola et al. (2014) ha studiato il consumo totale di energia (kWh) di un sistema di merluzzo RAS per 14 mesi e ha identificato la pompa di calore come un consumatore massimo di energia per l'allevamento di pesci che richiedono un trattamento termico ad alto contenuto idrico. Gehlert et al. (2018) hanno concluso che le unità di ventilazione offrono un significativo potenziale di risparmio energetico nella RAS. La maggior parte delle volte, quando i parametri climatici nella struttura rimangono entro un intervallo desiderato, le portate d'aria possono essere mantenute a livelli bassi per risparmiare energia. Inoltre, le misure di risparmio energetico nella RAS possono includere: software con dati sulle prestazioni energetiche, fonti energetiche alternative per riscaldare l'acqua e l'uso di convertitori di frequenza (Badiola et al. 2014).

4. 3.4 Problemi di benessere degli animali

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   3.4.1 Introduzione

   Nel corso dell'ultimo decennio, il benessere del pesce ha attirato molta attenzione, e questo ha portato l'industria dell'acquacoltura a integrare una serie di pratiche e tecnologie di allevamento sviluppate appositamente per migliorare questo aspetto. La neocorteccia, che nell'uomo è una parte importante del meccanismo neurale che genera l'esperienza soggettiva della sofferenza, è carente nei pesci e negli animali non mammiferi, ed è stato sostenuto che la sua assenza nei pesci indica che i pesci non possono soffrire. Una forte visione alternativa, tuttavia, è che gli animali complessi con comportamenti sofisticati, come i pesci, hanno probabilmente la capacità di soffrire, anche se questo può essere diverso per grado e genere dall'esperienza umana di questo stato (Huntingford et al. 2006).

   La Farm and Animal Welfare Committee (FAWC) del governo britannico ha basato le proprie linee guida sul quadro «Cinque Libertà», che definisce gli stati ideali piuttosto che i livelli specifici di benessere accettabili (FAWC 2014). La libertà dalla fame e dalla sete, dal disagio, dal dolore, dalle lesioni, dalle malattie, dalla paura e dall'angoscia, nonché dalla libertà di esprimere un comportamento normale, ci fornisce un quadro definito per valutare le questioni relative al benessere. La salute fisica è la misura più universalmente accettata di benessere ed è indubbiamente un requisito necessario per un buon benessere. In un settore competitivo, in espansione ed emergente, gli acquacoltori che incorporano considerazioni di benessere nelle loro pratiche quotidiane di allevamento possono ottenere un vantaggio competitivo e un premio aggiunto ai prezzi (Olesen et al. 2010) attraverso una migliore percezione dei consumatori e fiducia nei loro prodotti. Grimsrud et al. (2013) hanno dimostrato che esiste un'elevata disponibilità a pagare, tra tutte le famiglie norvegesi, per migliorare il benessere del salmone dell'Atlantico d'allevamento attraverso una maggiore resistenza alle malattie e ai pidocchi di salmone, il che può implicare un minor uso di medicinali e sostanze chimiche nel processo di produzione.

   Nella RAS intensiva, il benessere degli animali è strettamente connesso alle prestazioni dei sistemi. Negli ultimi anni, il benessere degli animali nella RAS è stato studiato principalmente dal punto di vista della qualità dell'acqua e degli effetti dell'affollamento dei pesci sulle prestazioni di crescita, sui bioindicatori di stress o sullo sviluppo di disturbi della salute. L'obiettivo principale della ricerca sul benessere degli animali nella RAS è stato quello di costruire e gestire sistemi che massimizzino la produttività e minimizzino lo stress e la mortalità. Temi di interesse sono stati l'accumulo di limiti di densità (Calabrese et al. 2017), i limiti di concentrazione dei composti azotati nell'acqua di allevamento (Davidson et al. 2014), i limiti di concentrazione per l'anidride carbonica disciolta (Good et al. 2018), gli effetti dell'ozonazione (Good et al. 2011; Reiser et al. 2011) e ad un minore misura, l'accumulo di composti recalcitranti nel RAS (van Rijn e Nussinovitch 1997) con scambi idrici limitati e rumore (Martins et al. 2012; Davidson et al. 2017).

   

   Fig. 3.6 I fattori di stress fisici, chimici e altri percepiti possono influenzare i pesci e causare risposte primarie, secondarie e/o di tutto il corpo. (Dopo Barton 2002)

   3.4.2 Stress

   La risposta allo stress nei pesci è una funzione adattiva di fronte a una minaccia percepita all'omeostasi e la fisiologia dello stress non equivale necessariamente alla sofferenza e alla diminuzione del benessere (Ashley 2007) (Fig. 3.6). Le risposte allo stress servono una funzione molto importante per preservare l'individuo. Le misure di benessere nell'acquacoltura sono quindi in gran parte associate agli effetti terziari della risposta allo stress che sono generalmente indicativi di stress prolungato, ripetuto o inevitabile (Conte 2004).

   La densità di stoccaggio è un fattore fondamentale che influenza il benessere dei pesci nell'industria dell'acquacoltura, in particolare la RAS, dove le alte densità in ambienti confinati sono finalizzate ad una produttività elevata. Anche se raramente definita, la densità di stoccaggio è il termine normalmente usato per riferirsi al peso del pesce per unità di volume o per unità di volume in unità di tempo di flusso d'acqua attraverso l'ambiente di allevamento (Ellis et al. 2001). Il concetto di spazio minimo per un pesce è più complesso che per le specie terrestri poiché i pesci utilizzano un mezzo tridimensionale (Conte 2004).

   Oltre a soddisfare le esigenze fisiologiche, la FAWC (2014) raccomanda che i pesci «abbiano bisogno di spazio sufficiente per mostrare il comportamento più normale con il minimo dolore, stress e paura». La densità di stoccaggio è quindi un'area che illustra sia il significato delle differenze di specie sia l'esistenza di una complessa rete di fattori interattivi che influiscono sul benessere dei pesci. Calabrese et al. (2017) hanno studiato limiti di densità di stoccaggio per il salmone atlantico post-smolt (Salmosalar L.) con particolare attenzione alle prestazioni produttive e al benessere in cui sono stati osservati danni alle pinne e cataratta in densità di stoccaggio di 100 kg msup-3/sup e superiori. Tuttavia, l'effetto della densità di stoccaggio sulle misure di benessere varia da una specie all'altra. Ad esempio, il branzino (Dicentrarchus labrax) ha mostrato livelli di stress più elevati ad alta densità, come indicato da cortisolo, risposta immunitaria innata ed espressione di geni correlati allo stress (Vazzana et al. 2002; Gornati et al. 2004). Le elevate densità di calza nell'orata giovanile (S. aurata) producono anche una situazione di stress cronico, riflessa da alti livelli di cortisolo, immunosoppressione e metabolismo alterato (Montero et al. 1999). Al contrario, il charr artico (Salvelinus alpinus) si nutre e cresce bene se rifornito ad alta densità, mostrando un consumo di cibo depresso e tassi di crescita a bassa densità (Jorgensen et al. 1993).

   Dieta può anche svolgere un ruolo importante nella sensibilità allo stress. Il pesce gatto africano (Clarias gariepinus) che riceve una dieta con un'elevata integrazione di acido ascorbico (vitamina C) durante lo sviluppo precoce ha mostrato una minore sensibilità allo stress (Merchie et al. 1997). D'altra parte, la carpa comune (Cyprinus carpio), alimentata con grandi dosi di vitamina C, ha mostrato un aumento più pronunciato del cortisolo (un ormone steroideo rilasciato con lo stress) in risposta allo stress rispetto ai livelli raccomandati di vitamina (Dabrowska et al. 1991). Tort et al. (2004) hanno dimostrato che una dieta modificata che fornisce un dosaggio supplementare di vitamine e oligominerali per aiutare il sistema immunitario può contribuire a co-ridurre alcuni degli effetti della sindrome da malattia invernale. Altre malattie comuni dell'acquacoltura riguardanti il benessere e lo stress degli animali sono esaminate ad Ashley (2007).

   3.4.3 Accumulo di sostanze nell'acqua di processo

   Le RAS intensive e a scarica zero offrono notevoli vantaggi ambientali. Tuttavia, la coltura di pesci in acqua riciclata continuamente solleva la questione se le sostanze rilasciate dai pesci nell'acqua possano accumularsi, con conseguente diminuzione dei tassi di crescita e un deterioramento del benessere. L'esistenza di un ritardo di crescita nella tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus) confrontando la crescita, il comportamento alimentare e la risposta allo stress dei pesci coltivati nella RAS con diversi livelli di sostanze accumulate (TAN, NoSub2/sub-N e NoSub3/sub-N, ortofosfato-P) è stata studiata da Martins et al. (2010a) . I risultati hanno mostrato che i grandi individui hanno avuto una tendenza verso il ritardo della crescita nel più alto accumulo RAS, mentre i piccoli individui, al contrario, sembrano crescere meglio in tali sistemi sulla base di alti livelli di glucosio nel sangue come indicatore di stress. Uno studio analogo condotto dallo stesso autore su embrioni e larve di carpe (Martins et al. 2011) ha trovato risultati che suggeriscono che la concentrazione di sostanze (ortofosfato-P, nitrato, arsenico e rame) potrebbe influenzare lo sviluppo. Nonostante questi risultati, gli autori sostengono che, nel complesso, la percentuale di mortalità e deformità registrate nello studio era relativamente bassa rispetto ad altri studi. In entrambi gli studi, gli autori hanno utilizzato sistemi con tassi di cambio idrico molto limitati con l'ausilio di reattori di denitrificazione (30 litri di acqua nuova per kg di mangime al giorno). Allo stesso modo l'accumulo di ormoni in acqua fredda salmonide RAS è stato studiato da Good et al. 2014, 2017). La loro ricerca nel 2014 non ha trovato né una relazione tra il tasso di cambio dell'acqua e l'accumulo di ormoni (ad eccezione del testosterone) né un legame tra l'accumulo di ormoni e la maturazione precoce nel salmone atlantico, ma è stato suggerito un ulteriore studio. Il loro studio nel 2017 si è concentrato sull'uso dell'ozonazione per la riduzione degli ormoni nello stesso RAS, con risultati inconcludenti per quanto riguarda l'accumulo di ormoni steroidei, ma con una riduzione positiva dell'estradiolo mediante ozono.

   D'altra parte, l'accumulo di sostanze umiche nel RAS a «scambio zero» ha dimostrato di avere un effetto protettivo contro le infezioni batteriche (Yamin et al. 2017a) e gli ectoparassiti (Yamin et al. 2017b). È stato inoltre dimostrato che gli acidi umici riducono la tossicità dell'ammoniaca e dei nitriti (Meinelt et al. 2010). Ciò ha implicazioni per la RAS operata con l'ozonizzazione, poiché l'ozono può migliorare la qualità dell'acqua e sacrificare gli effetti apparentemente benefici delle sostanze umiche.

   3.4.4 Salute e comportamento

   Le caratteristiche fondamentali del buon benessere sono la buona salute e l'assenza di malattie e, per quanto riguarda l'acquacoltura, la buona produttività (Turnbull e Kadri 2007; Volpato et al. 2007). Mentre la salute fisica di un animale è fondamentale per un buon benessere (Ashley 2007; Duncan 2005), il fatto che un animale sia sano non significa necessariamente che il suo stato di benessere sia adeguato. Pertanto, il benessere è un concetto più ampio e più ampio rispetto al concetto di salute. Le misure fisiologiche e comportamentali sono intrinsecamente legate e dipendono l'una dall'altra per una corretta interpretazione in materia di benessere (Dawkins 1998).

   Il comportamento degli animali e nel nostro caso dei pesci, rappresenta una reazione all'ambiente come i pesci lo percepiscono e il comportamento è quindi un elemento chiave del benessere dei pesci. I cambiamenti nei comportamenti di foraggiamento, nell'attività di ventilazione delle branchie, nell'aggressività, nel comportamento individuale e di gruppo, nei comportamenti stereotipici e anormali sono stati collegati a fattori di stress acuti e cronici nell'acquacoltura e possono pertanto essere considerati come probabili indicatori di cattivo benessere (Martins et al. 2011). Gli indicatori di benessere comportamentale hanno il vantaggio di essere rapidi e facili da osservare e pertanto sono buoni candidati all'uso «in azienda». Esempi di comportamenti comunemente utilizzati come indicatori di benessere sono i cambiamenti nel comportamento previsionale degli alimenti, l'assunzione di mangimi, l'attività di nuoto e i tassi di ventilazione (Huntingford et al. 2006). Tuttavia, Barreto e Volpato (2004) mettono in guardia l'uso della frequenza di ventilazione come indicatore di stress nei pesci perché sebbene la frequenza di ventilazione sia una risposta molto sensibile ai disturbi, è di uso limitato perché non riflette la gravità dello stimolo.

   3.4.5 Rumore

   I pesci d'allevamento sono coltivati per lunghi periodi di tempo nelle stesse vasche dello stesso colore e della stessa forma ed esposti agli stessi rumori di fondo potenzialmente dannosi (Martins et al. 2012). I sistemi di acquacoltura intensiva e in particolare i sistemi di ricircolo utilizzano apparecchiature quali aeratori, pompe per aria e acqua, soffianti e sistemi di filtrazione che aumentano inavvertitamente i livelli di rumore nelle vasche di coltura ittica. I livelli sonori e le frequenze misurate all'interno dei sistemi di acquacoltura intensiva rientrano nell'ambito dell'udito dei pesci, ma gli effetti specifici del rumore della produzione dell'acquacoltura non sono ben definiti (Davidson et al. 2009).

   Bart et al. (2001) ha rilevato che i livelli medi di pressione sonora a banda larga (SPL) differivano tra i vari sistemi di acquacoltura intensiva. Nel suo studio, un livello sonoro di 135 dB re 1μPa è stato misurato in uno stagno di terra vicino a un aeratore operativo, mentre grandi serbatoi in fibra di vetro (14 m di diametro) all'interno di un sistema di ricircolo avevano gli SPL più alti di 153 dB re 1μPa.

   Studi sul campo e di laboratorio hanno dimostrato che il comportamento e la fisiologia dei pesci possono essere influenzati negativamente dal suono intenso. Terhune et al. (1990) hanno osservato una diminuzione della crescita e dei tassi di smoltificazione del salmone atlantico, Salmo salar, in serbatoi in fibra di vetro che avevano livelli sonori subacquei 2—10 dB re 1μPa superiori a 100—500 Hz rispetto ai serbatoi di cemento. Pertanto, l'esposizione cronica al rumore della produzione dell'acquacoltura potrebbe causare un aumento dello stress, una riduzione dei tassi di crescita e l'efficienza di conversione dei mangimi e una diminuzione della sopravvivenza. Tuttavia, Davidson et al. (2009) hanno rilevato che, dopo 5 mesi di esposizione al rumore, non sono state identificate differenze significative tra i trattamenti per peso medio, lunghezza, tassi di crescita specifici, fattore di condizione, conversione dei mangimi o sopravvivenza della trota iridea, Oncorhynchus mykiss. Risultati simili sono descritti da Wvysocki et al. (2007). Tuttavia, questi risultati non dovrebbero essere generalizzati in tutte le specie ittiche coltivate, perché molte specie, compresi i pesci gatto e i ciprinidi, hanno una sensibilità uditiva molto maggiore rispetto alla trota iridea e potrebbero essere influenzate in modo diverso dal rumore. Ad esempio, Papoutsoglou et al. (2008) hanno fornito elementi di prova iniziali che la trasmissione musicale in specifiche condizioni di allevamento potrebbe avere effetti positivi sulla performance di crescita S. aurata, almeno per determinate dimensioni di pesce. Inoltre, gli effetti musicali osservati su diversi aspetti della fisiologia dei pesci (ad esempio enzimi digestivi, composizione di acidi grassi e neurotrasmettitori cerebrali) implicano che certe musiche potrebbero fornire un ulteriore miglioramento della crescita, della qualità, del benessere e della produzione.

5. 3.5 Sfide di scalabilità in RAS

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   Le RAS sono operazioni ad alta intensità di capitale, che richiedono elevate spese di finanziamento per attrezzature, infrastrutture, sistemi di trattamento degli effluenti e degli effluenti, ingegneria, costruzione e gestione. Una volta costruita l'azienda agricola RAS, è necessario anche il capitale circolante fino al raggiungimento dei raccolti e delle vendite di successo. Anche le spese operative sono considerevoli e comprendono per lo più costi fissi quali affitto, interessi sui prestiti, ammortamenti e costi variabili quali mangimi per pesci, sementi (uova o zampe), manodopera, elettricità, ossigeno tecnico, tamponi di pH, elettricità, vendita/commercializzazione, costi di manutenzione, ecc.

   Confrontando la produttività e l'economia, la RAS sarà sempre in concorrenza con altre forme di produzione ittica e persino con altre fonti di produzione proteica per il consumo umano. È probabile che questa concorrenza eserciterà una pressione al ribasso sul prezzo di vendita del pesce, che a sua volta deve essere sufficientemente elevata da rendere redditizia un'attività della RAS. Come in altre forme di produzione dell'acquacoltura, raggiungere economie di scala più elevate è generalmente un modo per ridurre i costi di produzione e quindi ottenere l'accesso ai mercati. Alcuni esempi di riduzione dei costi di produzione che possono essere raggiunti con impianti più grandi sono:

   1. Riduzione dei costi di trasporto per ordini alla rinfusa di mangimi, prodotti chimici, ossigeno.

   2. Sconti sull'acquisto di grandi quantità di attrezzature.

   3. Accesso alle tariffe elettriche industriali.

   4. Automazione dei processi agricoli come monitoraggio e controllo dei processi, alimentazione, raccolta, macellazione e lavorazione.

   5. Massimizzazione dell'uso del lavoro: la stessa manodopera era necessaria per prendersi cura di 10 tonnellate di pesce che era necessaria per prendersi cura di 100 tonnellate di pesce o più.

   A seguito dell'aumento delle economie di scala nel settore dell'acquacoltura a penna netta, si stanno sviluppando RAS più grandi su scale non considerate dieci anni fa. L'ultimo decennio ha visto la costruzione di impianti con capacità di produzione di migliaia di tonnellate all'anno, e questo enorme aumento di dimensioni delle strutture RAS sta portando nuove sfide tecniche, esplorate nella prossima sezione.

   3.5.1 Idrodinamica e trasporto idrico

   Un adeguato controllo delle condizioni idrodinamiche nelle vasche ittiche è essenziale per garantire una qualità uniforme dell'acqua e un adeguato trasporto dei solidi verso le uscite delle cisterne (Masaló 2008; Oca e Masalo 2012). I serbatoi che non sono in grado di svuotare i metaboliti abbastanza rapidamente avranno meno capacità di carico. Garantire una corretta prestazione idrodinamica nelle vasche per pesci è un importante argomento di ricerca di ingegneria acquacoltura che ha aiutato il settore a progettare e gestire vasche di diverse forme e dimensioni. Tuttavia, l'aumento delle dimensioni dei serbatoi utilizzati nelle RAS commerciali pone nuove sfide ingegneristiche ai progettisti e agli operatori. Recenti indagini sono in corso per ottimizzare le caratteristiche idrodinamiche nelle grandi vasche ottagonali utilizzate per la produzione di smolt di salmone (Gorle et al. 2018), studiando l'effetto della biomassa ittica, della geometria e delle strutture di ingresso e di uscita in grandi vasche utilizzate negli impianti norvegesi. Allo stesso modo, Summerfelt et al. (2016) hanno riscontrato una tendenza verso una diminuzione del tasso di carico per unità di flusso nei serbatoi moderni rispetto ai serbatoi costruiti più di dieci anni fa negli impianti norvegesi di smolt. Una riduzione del carico di alimentazione si traduce in un miglioramento della qualità dell'acqua del serbatoio, poiché l'acqua di ricircolo viene trattata ad una velocità più rapida, impedendo l'accumulo di metaboliti e l'esaurimento di ossigeno nel serbatoio ancora di più rispetto ai serbatoi più vecchi che operavano a carichi di alimentazione più elevati. I lavori futuri forniranno probabilmente maggiori informazioni sull'idrodinamica dei serbatoi con volume superiore a 1000 msup3/sup. Altri esempi di enormi carri armati attualmente utilizzati sono i carri utilizzati nei sistemi RAS 2020 (Kruger, Danimarca) o il concetto Niri (Niri, Norvegia). L'adozione di questi nuovi concetti utilizzando serbatoi più grandi avrà un ruolo fondamentale nella loro redditività, purché si raggiungano condizioni idrodinamiche adeguate.

   3.5.2 Rischio di perdita di titoli

   In RAS, le condizioni di allevamento intensivo possono portare a improvvisa e catastrofico perdita di pesce in caso di guasto del sistema. Le fonti di guasto del sistema possono includere guasti meccanici dei sistemi di pompaggio e delle apparecchiature RAS, interruzioni di corrente, perdita di sistemi di ossigenazione/aerazione, accumulo e rilascio di idrogeno solforato, incidenti operativi e altro ancora. Tali rischi e soluzioni devono essere identificati e integrati nelle procedure operative.

   L'aumento delle dimensioni delle operazioni RAS può anche comportare un aumento del rischio di perdita finanziaria in caso di perdita catastrofico del pesce. D'altra parte, le misure di attenuazione del rischio e la ridondanza del sistema possono anche aumentare il costo di un progetto RAS e quindi, progettisti e ingegneri devono trovare un equilibrio tra questi elementi.

   A parte i rapporti dell'industria e dei media, sono state fatte poche ricerche accademiche sul rischio di iniziative commerciali RAS. Badiola et al. (2012) ha esaminato le aziende agricole della RAS e analizzato i principali problemi tecnici, constatando che la scarsa progettazione del sistema, i problemi di qualità dell'acqua e i problemi meccanici erano i principali elementi di rischio che incidevano sulla redditività della RAS.

   3.5.3 Economia

   Il dibattito sulla redditività economica della RAS si concentra principalmente sugli elevati costi di avviamento del capitale delle aziende di acquacoltura a ricircolo e sul lungo tempo necessario prima che il pesce sia pronto per essere commercializzato, nonché sulla percezione che le aziende della RAS abbiano costi operativi elevati. De Ionno et al. (2007) ha studiato le prestazioni commerciali delle aziende agricole RAS, concludendo che la redditività economica aumenta con l'entità dell'operazione. Secondo questo studio, le aziende agricole di dimensioni inferiori a 100 tonnellate all'anno di capacità produttiva sono solo marginalmente redditizie nel contesto australiano in cui lo studio ha avuto luogo. Timmons ed Ebeling (2010) rappresentano anche un esempio per il raggiungimento di grandi economie di scala (in ordine di grandezza di migliaia di tonnellate di produzione all'anno) che consentono di ridurre i costi di produzione attraverso progetti di integrazione verticale come l'inclusione di impianti di lavorazione, incubatoi o mangimi mulini. Liu et al. (2016) ha studiato le performance economiche di un'azienda agricola RAS teorica con una capacità di 3300 tonnellate all'anno, rispetto ad una tradizionale pinna netta della stessa capacità. A questa scala, l'operazione RAS raggiunge costi di produzione simili rispetto all'azienda agricola netta, ma l'investimento di capitale più elevato raddoppia il periodo di recupero, anche quando il pesce dell'azienda RAS viene venduto a un prezzo premium. In futuro, licenze costose e rigorose che richiedono buone prestazioni ambientali potrebbero aumentare la redditività della RAS come opzione competitiva per la produzione di salmone dell'Atlantico.

   3.5.4 Manipolazione del pesce

   Negli allevamenti terrestri, la manipolazione del pesce è spesso necessaria per vari motivi: separare il pesce in classi di peso, ridurre la densità di stoccaggio, trasportare il pesce attraverso i reparti di coltivazione (cioè da un vivaio a un reparto in crescita) o raccogliere il pesce quando è pronto per il mercato. Secondo Lekang (2013), i pesci sono trattati in modo più efficace con metodi attivi come pompe per pesci e anche con metodi passivi come l'uso di segnali visivi o chimici che permettono al pesce di spostarsi da un luogo all'altro.

   Summerfeltet al. (2009) ha studiato diversi mezzi per affollare e raccogliere salmonidi da grandi vasche circolari utilizzando doppi scarichi di tipo Cornell. Le strategie comprendevano l'affollamento di pesci con ciancioli, i crostacei a conchiglia e la raccolta di pesci tra le vasche sfruttando la loro risposta innata all'anidride carbonica. Le tecniche di raccolta comprendevano l'estrazione del pesce attraverso la porta di scarico laterale di una vasca a doppio scarico di tipo Cornel o l'utilizzo di un sollevatore aereo per sollevare il pesce affollato in una scatola di disidratazione. AquaMaof (Israele) impiega corsi di nuoto e vasche che condividono un muro comune per trasferire passivamente il pesce attraverso la fattoria, con la raccolta che avviene utilizzando un pescalator (pompa a vite Archimede) alla fine di un percorso di nuoto. Il concetto RAS2020 di Kruger (Danimarca) utilizza selezionatrici da bar o crowder installati in modo permanente in una vasca circolare a forma di ciambella per spostare e affollare il pesce senza la necessità di pompe per pesci.

   Nonostante i continui sviluppi su questo argomento, la crescente dimensione delle aziende agricole RAS continuerà a impegnare progettisti e operatori su come gestire il pesce in modo sicuro, economico e senza stress. L'espansione della gamma di disegni, specie in produzione e intensità operativa degli allevamenti RAS può comportare diverse e nuove tecnologie di trasporto e raccolta del pesce.

6. 3.6 RAS e Acquaponica

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

   I sistemi acquaponici sono un ramo della tecnologia di acquacoltura a ricircolo in cui le colture vegetali sono incluse per diversificare la produzione di un'azienda, per fornire capacità extra di filtrazione dell'acqua, o per una combinazione dei due.

   Come ramo del RAS, i sistemi aquaponici sono legati agli stessi fenomeni fisici, chimici e biologici che si verificano nel RAS. Pertanto, gli stessi fondamenti dell'ecologia dell'acqua, della meccanica dei fluidi, del trasferimento del gas, della depurazione dell'acqua ecc. si applicano in termini più o meno uguali all'acquaponica, ad eccezione del controllo della qualità dell'acqua, in quanto piante e pesci possono avere requisiti specifici e diversi.

   Anche le realtà economiche fondamentali della RAS e dell'acquaponica sono correlate. Entrambe le tecnologie, sono ad alta intensità di capitale e altamente tecniche e sono influenzate da economie di scala, progettazione adeguata dei componenti, dipendenza dalle condizioni di mercato e dalla competenza degli operatori.

   3.6.1 Benessere

   Nei sistemi aquaponici, l'assorbimento dei nutrienti dovrebbe essere massimizzato per una sana produzione di biomassa vegetale, ma senza trascurare le migliori condizioni di benessere per i pesci in termini di qualità dell'acqua (Yildiz et al. 2017). Sono altresì importanti misure volte a ridurre i rischi di introduzione o diffusione di malattie o infezioni e ad aumentare la biosicurezza nell'acquaponica. Dovrebbero essere presi in considerazione anche i possibili impatti degli allelochimici, cioè delle sostanze chimiche rilasciate dalle piante. Inoltre, l'effetto della digeribilità alimentare, della dimensione delle particelle delle feci e del rapporto di assestamento sulla qualità dell'acqua dovrebbe essere attentamente considerato. Manca ancora la conoscenza del rapporto tra i livelli appropriati di minerali necessari alle piante e il metabolismo, la salute e il benessere dei pesci (Yildiz et al. 2017), che richiede ulteriori ricerche.

   3.6.2 Diversità microbica e controllo

   Come accennato in precedenza nel capitolo, l'acquaponica combina un sistema di acquacoltura a ricircolo con un'unità idroponica. Una delle sue caratteristiche più importanti è la dipendenza dai batteri e dai loro prodotti metabolici. Inoltre, Sez. 3.2.6 .ha discusso l'importanza delle comunità microbiche e del suo controllo nella RAS. I batteri servono come ponte che collega gli escrementi di pesce, che sono ad alta concentrazione di ammonio, al fertilizzante vegetale, che dovrebbe essere una combinazione di basso ammonio e alto nitrato (Somerville et al. 2014). Poiché i sistemi acquaponici possono avere diverse subunità, ad esempio acquari, biofiltri, filtri a tamburo, vasche di coloni e unità idroponiche, ognuna con diversi progetti possibili e condizioni ottimali diverse, le comunità microbiche in questi componenti possono differire considerevolmente. Questo fornisce un interessante argomento di ricerca con l'obiettivo finale di migliorare i processi di gestione del sistema. Schmautz et al. (2017) ha tentato di caratterizzare la comunità microbica in diverse aree dei sistemi aquaponici. Essi hanno concluso che le feci di pesce contenevano una comunità separata dominata da batteri del genere Cetobacterium, mentre i campioni provenienti da radici vegetali, biofiltro e perifitone erano più simili tra loro, con comunità batteriche più diverse. I campioni di biofiltro contenevano un gran numero di nitrospira (3,9% della comunità totale) che sono stati trovati solo in basso numero nel perifitone o nelle radici delle piante. D'altra parte, solo piccole percentuali di nitrosomonadales (0,64%) e nitrobacter (0,11%) sono state trovate negli stessi campioni. Questo secondo gruppo di organismi sono comunemente testati per la loro presenza nei sistemi acquaponici in quanto sono considerati principalmente responsabili della nitrificazione (Rurangwa e Verdegem 2015; Zou et al. 2016); Nitrospira è stato descritto solo di recente come un nitrificatore totale (Daims et al. 2015), potendo convertire direttamente ammonio al nitrato nel sistema. Il dominio di Nitrospira è quindi una novità in tali sistemi e potrebbe essere correlato con una differenza nella configurazione di base (Graber et al. 2014).

   Schmautz et al. (2017) ha anche sottolineato che l'aumento della presenza di Nitrospira non è necessariamente correlato alla maggiore attività di questi organismi nel sistema, poiché le sue attività metaboliche non sono state misurate. Inoltre, molte specie di batteri e coliformi sono intrinsecamente presenti nei biofiltri acquaponici a ricircolo che effettuano trasformazioni di materia organica e rifiuti ittici. Ciò implica la presenza di molti microrganismi che possono essere patogeni per piante e pesci, così come per le persone. A tale scopo, alcuni microrganismi sono stati considerati indicatori di sicurezza per i prodotti e la qualità dell'acqua nel sistema (Fox et al. 2012). Alcuni di questi indicatori di sicurezza sono Escherichia coli e Salmonella spp. Di recente è stata condotta una ricerca molto necessaria per accertare la sicurezza microbica dei prodotti acquaponici (Fox et al. 2012; Sirsat e Neal 2013). Una direzione futura per l'analisi dell'attività microbica in acquaponica è stata identificata da Munguia-Fragozo et al. (2015), che ha esaminato le tecnologie Omic per l'analisi della comunità microbica. Essi hanno concluso che la metagenomica e l'analisi metatranscriptomica saranno cruciali nei futuri studi sulla diversità microbica nei biosistemi acquaponici.

   • Da un periodo di consolidamento tecnologico a una nuova era di implementazione industriale, la tecnologia RAS si è notevolmente sviluppata negli ultimi due decenni. Negli ultimi anni è stato registrato un aumento del numero e della portata delle aziende di acquacoltura a ricircolo. Con l'aumento dell'accettazione della tecnologia, continuano ad emergere miglioramenti rispetto agli approcci ingegneristici tradizionali, alle innovazioni e alle nuove sfide tecniche.

   • Aquaponics combina un sistema di acquacoltura a ricircolo con un'unità idroponica. I RAS sono complessi sistemi di produzione acquatica che coinvolgono una serie di interazioni fisiche, chimiche e biologiche.

   • L'ossigeno disciolto (DO) è generalmente il parametro di qualità dell'acqua più importante nei sistemi acquatici intensivi. Tuttavia, l'aggiunta di ossigeno sufficiente all'acqua di allevamento può essere ottenuta in modo relativamente semplice e quindi il controllo di altri parametri dell'acqua diventa più impegnativo.

   • Le alte concentrazioni di anidride carbonica disciolta (COSub2/sub) hanno un effetto negativo sulla crescita dei pesci. La rimozione di COSub2/sub dall'acqua a concentrazioni inferiori a 15 mg/L è difficile a causa della sua elevata solubilità e della limitata efficienza delle apparecchiature di degassaggio.

   • L'ammoniaca è stata tradizionalmente trattata nei sistemi di ricircolo con biofiltri nitrificanti. Alcune tecnologie emergenti vengono esplorate come alternative alla rimozione dell'ammoniaca.

   • I biosolidi della RAS provengono da mangimi per pesci, feci e biofilm e sono uno dei parametri di qualità dell'acqua più critici e difficili da controllare. Un sistema di trattamento a più fasi in cui solidi di diverse dimensioni e rimossi tramite meccanismi diversi, è l'approccio più comune.

   • L'ozono, come potente ossidante, può essere utilizzato in RAS per eliminare microrganismi, nitriti e sostanze umiche. L'ozonizzazione migliora le prestazioni del filtro microschermo e riduce al minimo l'accumulo di materia disciolta che influisce sul colore dell'acqua.

   • I reattori di denitrificazione sono reattori biologici che sono tipicamente azionati in condizioni anaerobiche e generalmente dosati con qualche tipo di fonte di carbonio come etanolo, metanolo, glucosio e melassa. Una delle applicazioni più importanti dei sistemi di denitrificazione in acquacoltura è la RAS a «scambio zero».

   • Nei sistemi di produzione dell'acquacoltura le comunità microbiche svolgono un ruolo significativo nel riciclaggio dei nutrienti, nella degradazione della materia organica e nel trattamento e nel controllo delle malattie. Il ruolo della disinfezione dell'acqua nel RAS è messo in discussione dall'idea di utilizzare acqua microbicamente matura per controllare gli agenti patogeni opportunistici.

   • Nel RAS intensivo, il benessere degli animali è strettamente connesso alle prestazioni dei sistemi. L'obiettivo principale della ricerca sul benessere degli animali in RAS è stato quello di costruire e gestire sistemi che massimizzino la produttività e minimizzino stress e mortalità.