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Capitolo 4 Tecnologie idroponiche

1. 4.1 Introduzione

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

   Nella produzione orticola, la definizione di coltivazione priva di suolo comprende tutti i sistemi che forniscono la produzione vegetale in condizioni prive di suolo in cui la fornitura di acqua e di minerali viene effettuata in soluzioni nutritive con o senza terreno di coltivazione (ad esempio lana di roccia, torba, perlite, pomice, cocco fibra, ecc.) I sistemi di coltura privi di suolo, comunemente noti come sistemi idroponici, possono essere ulteriormente suddivisi in sistemi aperti, dove la soluzione nutritiva in eccesso non viene riciclata, e sistemi chiusi, dove il flusso in eccesso di nutrienti dalle radici viene raccolto e riciclato nel sistema (Fig. 4.1).

   I sistemi di coltura privi di suolo si sono evoluti come una possibile soluzione per evitare malattie trasmesse dal suolo che sono sempre state un problema nel settore della coltivazione in serra.

   Al giorno d'oggi, i sistemi di coltivazione privi di suolo sono comuni nella pratica orticola nella maggior parte dei paesi europei, sebbene non in tutti i paesi ciò avvenga su larga scala. I vantaggi dei sistemi privi di suolo rispetto alle colture coltivate sul suolo sono:

   • Iniziare senza agenti patogeni con l'uso di substrati diversi dal suolo e/o un controllo più agevole degli agenti patogeni presenti sul suolo.
   • Crescita e resa sono indipendenti dal tipo di suolo/qualità della superficie coltivata.
   • Migliore controllo della crescita attraverso un apporto mirato di soluzione nutritiva.
   • Il potenziale di riutilizzo della soluzione nutritiva che consente di massimizzare le risorse.
   • Aumento della qualità dei prodotti ottenuta dal miglior controllo di altri parametri ambientali (temperatura, umidità relativa) e parassiti.

   

   Figura 4.1 Schema dei sistemi a ciclo aperto (a) e ad anello chiuso (b)

   Nella maggior parte dei casi, vengono adottati sistemi ad anello aperto o a ciclo chiuso piuttosto che sistemi a circuito chiuso o a ricircolo, anche se in un numero sempre maggiore di paesi europei questi ultimi sono obbligatori. In questi sistemi aperti, la soluzione nutritiva esaurita e/o superflua viene depositata nei corpi idrici sotterranei e superficiali, oppure viene utilizzata nella coltivazione in campo aperto. Tuttavia, per quanto riguarda le questioni economiche e ambientali, i sistemi privi di suolo dovrebbero essere il più possibile chiusi, vale a dire dove avviene il ricircolo della soluzione nutritiva, dove il substrato viene riutilizzato e dove vengono utilizzati materiali più sostenibili.

   I vantaggi dei sistemi chiusi sono:

   • Una riduzione della quantità di materiale di scarto.

   • Minore inquinamento delle acque sotterranee e superficiali.

   • Un uso più efficiente di acqua e fertilizzanti.

   • Aumento della produzione grazie a migliori opzioni di gestione.

   • Riduzione dei costi grazie al risparmio sui materiali e alla maggiore produzione.

   Ci sono anche una serie di svantaggi come:

   • L'alta qualità dell'acqua richiesta.

   • Investimenti elevati.

   • Il rischio di rapida dispersione di agenti patogeni trasmessi dal suolo mediante la soluzione nutritiva a ricircolo.

   • Accumulo di potenziali metaboliti fitotossici e sostanze organiche nella soluzione nutritiva a ricircolo.

   Nei sistemi commerciali, i problemi della dispersione degli agenti patogeni vengono affrontati disinfettando l'acqua attraverso tecniche di filtrazione fisiche, chimiche e/o biologiche. Tuttavia, uno dei principali fattori che ostacolano l'uso della coltura di soluzione nutritiva a ricircolo per le colture in serra è l'accumulo di sali nell'acqua di irrigazione. In genere, vi è un costante aumento della conducibilità elettrica (EC) a causa dell'accumulo di ioni, che non sono completamente assorbiti dalle colture. Ciò può essere particolarmente vero in ambienti aquaponici (AP) in cui il cloruro di sodio (NaCl), incorporato nel mangime per pesci, può accumularsi nel sistema. Per modificare questo problema, è stato suggerito che un'ulteriore fase di dissalazione potrebbe migliorare l'equilibrio dei nutrienti nei sistemi AP multi-loop (Goddek e Keesman 2018).

2. 4.2 Sistemi senza suolo

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

   L'intensa ricerca condotta nel campo della coltivazione idroponica ha portato allo sviluppo di una grande varietà di sistemi di coltivazione (Hussain et al. 2014). In termini pratici tutti questi possono essere implementati anche in combinazione con l'acquacoltura; tuttavia, a questo scopo, alcuni sono più adatti di altri (Maucieri et al. 2018). La grande varietà di sistemi che possono essere utilizzati richiede una categorizzazione dei diversi sistemi senza suolo (tabella 4.1).

   Tabella 4.1 Classificazione dei sistemi idroponici secondo diversi aspetti

   tavolo testata tr class = header» Caratteristica/Th TCategorie/TH Gli esempi/Th /tr /testata tbody tr class="dispari» td rowspan="6"Sistema senza sono/td td rowspan="3"Nessun substrato/td TDNFT (tecnica del film nutriente) /td /tr tr class="even» TDaeroponics/TD /tr tr class="dispari» TDDft (tecnica di flusso profondo) /td /tr tr class="even» td rowspan="3"Con substrato/td TDOrganic substrati (torba, fibra di cocco, corteccia, fibra di legno, ecc.) /td /tr tr class="dispari» td Substrati inorganici (lana di roccia, pomice, sabbia, perlite, vermiculite, argilla espansa) /td /tr tr class="even» TDSubstrati sintetici (poliuretano, polistirolo) /td /tr tr class="dispari» td rowspan="2"Open/sistemi chiusi/td Sistemi TDOPen o run-torifiuti/td td Gli impianti vengono alimentati in modo continuo con soluzione «fresca» senza recuperare la soluzione drenata dai moduli di coltivazione (Fig. 4.1a) /td /tr tr class="even» TDSistemi chiusi o ricircolatori/td td La soluzione nutritiva drenata viene riciclata e riempita con carenti sostanze nutritive al giusto livello CE (Fig. 4.1b) /td /tr tr class="dispari» td ROWSPAN="2"Alimentazione idrica/td TDContinuous/TD TDNFT (tecnica a film nutriente) DFT (tecnica a flusso profondo) /td /tr tr class="even» TDPeriodicale/TD TDrip irrigazione, riflusso e flusso, aeroponico/td /tr /tbody /tavolo

   4.2.1 Sistemi a substrato solido

   All'inizio della coltivazione senza suolo negli anni '70, molti substrati sono stati testati (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Verwer 1978). Molti hanno fallito per ragioni come essere troppo bagnato, troppo secco, non sostenibile, troppo costoso e rilascio di sostanze tossiche. Sono sopravvissuti diversi substrati solidi: lana di roccia, perlite, cocco (fibra di cocco), torba, poliuretano espanso e corteccia. I sistemi di substrato solido possono essere suddivisi come segue:

   Substrati fibrosi Possono essere organici (ad esempio torba, paglia e fibra di cocco) o inorganici (ad esempio lana di roccia). Sono caratterizzati dalla presenza di fibre di diverse dimensioni, che conferiscono al substrato un'elevata capacità di ritenzione idrica (60-80%) e una modesta capacità d'aria (porosità libera) (Wallach 2008). Un'alta percentuale di acqua trattenuta è facilmente disponibile per l'impianto, che si riflette direttamente nel volume minimo di substrato per pianta richiesto per garantire un approvvigionamento idrico sufficiente. In questi substrati non ci sono evidenti gradienti di acqua e salinità lungo il profilo e, di conseguenza, le radici tendono a crescere più velocemente, uniformemente e abbondantemente, utilizzando l'intero volume disponibile.

   Substrati granulari Sono generalmente inorganici (ad esempio sabbia, pomice, perlite, argilla espansa) e sono caratterizzati da diverse granulometrie e quindi texture; hanno un'elevata porosità e sono liberi di drenare. La capacità di ritenzione idrica è piuttosto scarsa (10 -40%) e gran parte dell'acqua trattenuta non è facilmente disponibile per l'impianto (Maher et al. 2008). Pertanto, il volume richiesto di substrato per pianta è più alto rispetto a quelli fibrosi. Nei substrati granulari, si osserva un marcato gradiente di umidità lungo il profilo e ciò fa sì che le radici si sviluppino principalmente sul fondo dei contenitori. Per l'impianto sono necessari granulometrie minori, aumento della capacità di ritenzione idrica, omogeneità dell'umidità e maggiore EC e un volume inferiore del substrato.

   I substrati sono solitamente avvolti in rivestimenti plastici (cosiddetti sacchetti di coltivazione o lastre) o inseriti in altri tipi di contenitori di varie dimensioni e di materiali sintetici.

   Prima di piantare il substrato deve essere saturo al fine di:

   • Fornire un adeguato apporto di acqua e sostanze nutritive nell'intera lastra di substrato.

   • Raggiungere livelli uniformi CE e di pH.

   • Espellere la presenza di aria e fare una bagnatura omogenea del materiale.

   È altrettanto importante che una fase secca del substrato dopo la semina stimoli le piante ad evolvere l'esplorazione omogenea del substrato da parte delle radici per ottenere un apparato radicale abbondante e ben distribuito ai vari livelli e per esporre le radici all'aria. L'utilizzo di un substrato per la seconda volta mediante rewetting può essere un problema perché la saturazione non è possibile a causa dei fori di scarico nell'involucro di plastica. In un substrato organico (come il cocco), adottando curve di irrigazione brevi e frequenti, è possibile recuperare la capacità di ritenzione idrica di utilizzarlo per la seconda volta, più facilmente dei substrati inerti (lana di roccia, perlite) (Perelli et al. 2009).

   4.2.2 Substrati per sistemi basati su media

   Un substrato è necessario per l'ancoraggio delle radici, un supporto per la pianta e anche come meccanismo idronutrizionale grazie alla sua microporosità e capacità di scambio cationico.

   Le piante coltivate in sistemi privi di suolo sono caratterizzate da uno sbilanciato rapporto germo/radice, richieste di acqua, aria e sostanze nutritive molto maggiori che in condizioni di campo aperto. In quest'ultimo caso, i tassi di crescita sono più lenti e le quantità di substrato sono teoricamente illimitate. Per soddisfare tali esigenze è necessario ricorrere a substrati che, da soli o in miscela, garantiscono condizioni chimico-fisiche e nutrizionali ottimali e stabili. Una serie di materiali con caratteristiche e costi diversi può essere utilizzata come substrati, come illustrato in Fig. 4.2. Tuttavia, al momento, non esiste un substrato che possa essere utilizzato universalmente in tutte le situazioni di coltivazione.

   

   Fig. 4.2 Materiali utilizzabili come substrati in sistemi privi di suolo

   4.2.3 Caratterizzazione dei substrati

   La densità apparente (BD) BD è espressa dal peso secco del substrato per unità di volume. Permette l'ancoraggio delle radici e offre supporto alle piante. Il BD ottimale per le colture in un contenitore varia tra 150 e 500 kg msup-3/sup (Wallach 2008). Alcuni substrati, a causa del loro basso BD e della loro scioltezza, come nel caso della perlite (ca. 100 kg msup-3/sup), del polistirene in granuli (ca. 35 kg msup-3/sup) e della torba non compressa sfagnum (ca. 60 kg msup-3/sup), non sono adatti all'uso da soli, soprattutto con piante che crescono verticalmente.

   Tabella 4.2 Principali caratteristiche chimico-fisiche delle torbe e della fibra di cocco. (dm = sostanza secca)

   tavolo testata tr class = header» th RowSPAN="2"caratteristiche/index-th th COLSPAN="2"Paludi sollevati/th Paludi THFen th Rowspan="2"fibra di cocco (cocco) /th /tr tr TDBlond/TD TDBrown/TD TDBlack/TD /tr /testata tbody tr class="even» TDSostanza organica (% dm) /td td94—99/td td94—99/td td55—75/td td94—98/td /tr tr class="dispari» TDash (% dm) /td td1—6/td td1—6/td td23—30/td td3—6/td /tr tr class="even» TDPorosità totale (% vol) /td td84—97/td td88—93/td td55—83/td td94—96/td /tr tr class="dispari» TD Capacità di ritenzione idrica (% vol) /td td52—82/td td74—88/td td65—75/td td80—85/td /tr tr class="even» Porosità senza TD (% vol) /td td15—42/td td6—14/td td6—8/td td10—12/td /tr tr class="dispari» TDbulk densità (kg msup3/sup) /td td60—120/td td140—200/td td320—400/td td65—110/td /tr tr class="even» TDCec (meq%) /td td100—150/td td120—170/td td80—150/td td60—130/td /tr tr class="dispari» TDAzoto totale (% dm) /td td0.5—2.5/td td0.5—2.5/td td1.5—3.5/td td0.5—0.6/td /tr tr class="even» TDC/N/TD td30—80/td td20—75/td td10—35/td td70—80/td /tr tr class="dispari» TDCalcio (% dm) /td td<0.4/td td<0.4/td td>2/td td—/td /tr tr class="even» TDpH (HSub2/subo) /td td3.0—4.0/td td3.0—5.0/td td5.5—7.3/td td5.0—6.8/td /tr /tbody /tavolo

   Fonte: Enzo et al. (2001)

   Porosità Il substrato ideale per le colture in vaso dovrebbe avere una porosità di almeno il 75% con percentuali variabili di macropori (15 — 35%) e micropori (40 — 60%) a seconda delle specie coltivate e delle condizioni ambientali e delle colture (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Maher et al. 2008). Nei contenitori di piccole dimensioni, la porosità totale dovrebbe raggiungere l'85% del volume (Bunt 2012). La struttura deve essere stabile nel tempo e deve resistere alla compattazione e alla riduzione del volume durante le fasi di disidratazione.

   Capacità di tenuta dell'acqua La capacità di ritenzione idrica garantisce livelli adeguati di umidità del substrato per le colture, senza dover ricorrere a frequenti irrigazioni. Tuttavia, la capacità di ritenzione idrica non deve essere troppo elevata per evitare asfissia radicale e troppo raffreddamento. L'acqua disponibile per l'impianto è calcolata in base alla differenza tra la quantità di acqua alla capacità di ritenzione e quella trattenuta nel punto di avvizzimento. Questo dovrebbe essere intorno al 30 -40% del volume apparente (Kipp et al. 2001). Infine, si deve considerare che con l'aumento costante della biomassa dell'apparato radicale durante la crescita, la porosità libera nel substrato viene gradualmente ridotta e le caratteristiche idrologiche del substrato vengono modificate.

   Capacità di scambio di cationi (CEC) _ CEC è una misura del numero di cationi che possono essere trattenuti sulle superfici delle particelle del substrato. In generale, i materiali organici hanno un CEC più elevato e una capacità tampone superiore rispetto a quelli minerali (Wallach 2008; Blok et al. 2008) (Tabella 4.2).

   Per soddisfare le esigenze delle specie coltivate è necessario un pH adeguato. I substrati con un pH basso sono più adatti per le colture in contenitori, poiché sono più facilmente modificabili verso i livelli desiderati aggiungendo carbonato di calcio e anche perché rispondono alle esigenze di un maggior numero di specie. Inoltre, durante la coltivazione il valore del pH tende ad aumentare a causa dell'irrigazione con acqua ricca di carbonati. Il pH può variare anche in funzione del tipo di fertilizzante utilizzato. È più difficile correggere un substrato alcalino. Ciò può tuttavia essere ottenuto aggiungendo fertilizzanti zolfo o fisiologicamente acidi (solfato di ammonio, solfato di potassio) o fertilizzanti costituzionalmente acidi (fosfato minerale).

   _Conducibilità elettrica (CE) _ I substrati devono avere un contenuto nutritivo noto e bassi valori CE (cfr. anche tabella 4.4). Spesso è preferibile utilizzare un substrato chimicamente inerte e aggiungere i nutrienti in relazione alle specifiche esigenze delle colture. Particolare attenzione deve essere prestata ai livelli CE. Elevati livelli CE indicano la presenza di ioni (ad esempio NASUP+/SUP) che, pur non essendo importanti come nutrienti, possono svolgere un ruolo decisivo nell'idoneità del substrato.

   Salute e sicurezza La salute nei sistemi e la sicurezza per gli operatori sono garantiti dall'assenza di agenti patogeni (nematodi, funghi, insetti), sostanze potenzialmente fitotossiche (pesticidi) e semi di erbe infestanti. Alcuni materiali di produzione industriale (argilla espansa, perlite, lana di roccia, vermiculite e polistirolo) garantiscono alti livelli di sterilità grazie alle alte temperature applicate durante la lavorazione.

   Sostenibilità Un'altra caratteristica importante di un substrato è il suo profilo di sostenibilità. Molti substrati di uso comune devono affrontare sfide ecologiche relative alla provenienza, al processo di produzione e/o alla successiva lavorazione e all'impronta di fine vita. A questo proposito, i substrati provenienti da materiali a basso impatto ecologico (modificati in modo ecologico e in definitiva biodegradabili) sono una caratteristica supplementare da considerare. La riutilizzabilità del substrato può anche essere un aspetto importante della sostenibilità di un substrato.

   Cost Ultimo ma non meno importante, il substrato deve essere economico o almeno conveniente, prontamente disponibile e standardizzato dal punto di vista chimico-fisico.

   4.2.4 Tipo di substrati

   La scelta dei substrati spazia dai prodotti di origine organica o minerale presenti in natura e sottoposti a lavorazioni speciali (ad esempio torba, perlite, vermiculite) a quelli di origine organica derivati da attività umane (ad esempio rifiuti o sottoprodotti agricoli, industriali e urbani attività) e di origine industriale ottenute mediante processi di sintesi (ad esempio polistirolo).

   4.2.4.1 Materiali organici

   Questa categoria comprende i substrati organici naturali, compresi i residui, i rifiuti e i sottoprodotti di natura organica derivati dall'agricoltura (letame, paglia, ecc.) o, per esempio, industriali, sottoprodotti dell'industria del legno, ecc. o da insediamenti urbani, ad esempio fanghi di depurazione, ecc. ulteriori lavorazioni, come estrazione e maturazione.

   Tutti i materiali che possono essere utilizzati in idroponica possono essere utilizzati anche in AP. Tuttavia, poiché il carico batterico in una soluzione AP può essere superiore a quello delle soluzioni idroponiche convenzionali, si può quindi prevedere che i substrati organici possano essere soggetti a un aumento della velocità di decomposizione, causando problemi di compattazione del substrato e aerazione delle radici. Pertanto, i materiali organici possono essere considerati per le colture con un ciclo di crescita più breve, mentre i substrati minerali possono essere preferiti per le colture con un ciclo di crescita lungo.

   **Torba

   La torba, utilizzata da sola o con altri substrati, è attualmente il materiale più importante di origine organica per la preparazione del substrato. Il termine torba si riferisce ad un prodotto derivato da residui di bryofite (sfagnum), Cyperaceae (Trichophorum, Eriophorum, Carex) e altri (Calluna, Phragmites, ecc.) trasformati in condizioni anaerobiche.

   Le paludi rialzate si formano in ambienti freddi e molto piovosi. L'acqua piovana, senza sali, viene trattenuta sulla superficie da muschi e residui vegetali, creando un ambiente saturo. Nelle paludi rialzate possiamo distinguere uno strato più profondo e molto decomposto di colore scuro (torba marrone) e uno strato leggermente scomposto, meno profondo di colore chiaro (_torba bionda _). Entrambe le torba sono caratterizzate da una buona stabilità strutturale, bassissima disponibilità di nutrienti e pH acido mentre differiscono principalmente nella loro struttura (Tabella 4.2).

   Le torbe brune, con pori molto piccoli, hanno una maggiore capacità di ritenzione idrica e meno porosità libera per l'aria e hanno una maggiore capacità CEC e tampone. Le caratteristiche fisiche variano in relazione alla dimensione delle particelle che consente l'assorbimento d'acqua da 4 a 15 volte il proprio peso. Le paludi sollevate di solito soddisfano i requisiti necessari per un buon substrato. Inoltre, hanno proprietà costanti e omogenee e quindi possono essere sfruttate industrialmente. Tuttavia, l'uso di queste torbe richiede correzioni del pH con, ad esempio, carbonato di calcio (CacoSub3/sub). Generalmente, per una torba sfagnum con pH 3—4, si devono aggiungere 2 kg msup-3/sup di CacoSub3/sub per aumentare il pH di una unità. Occorre prestare attenzione per evitare la completa asciugatura del substrato. Va inoltre tenuto presente che la torba è sottoposta a processi di decomposizione microbiologica che, nel tempo, possono aumentare la capacità di ritenzione idrica e ridurre la porosità libera.

   Le paludi sono presenti principalmente nelle zone temperate (ad esempio l'Italia e la Francia occidentale), dove sono dominanti Cyperaceae, Carex e Phragmites. Queste torbe si formano in presenza di acqua stagnante. Il contenuto di ossigeno, sali e calcio nell'acqua consentono una decomposizione e un'umificazione più veloci rispetto a quella che si verifica nelle paludi rialzate. Ciò si traduce in una torba molto scura, dal marrone al nero, con un maggior contenuto di nutrienti, in particolare azoto e calcio, un pH più elevato, una maggiore densità apparente e una porosità libera molto più bassa (Tabella 4.2). Sono piuttosto fragili allo stato secco e hanno una notevole plasticità allo stato umido, che conferisce elevata suscettibilità alla compressione e alla deformazione. Il rapporto carbonio/azoto (C/N) è generalmente compreso tra 15 e 48 (Kuhry e Vitt 1996; Abad et al. 2002). A causa delle sue proprietà, la torba nera è di basso valore e non è adatta come substrato, ma può essere miscelata con altri materiali.

   Va notato che in alcuni paesi vi è un'iniziativa volta a ridurre l'uso e l'estrazione della torba per ridurre gli effetti ambientali e vari sostituti della torba sono stati identificati con vari successi.

   Fibra di cocco

   La fibra di cocco (cocco) è ottenuta dalla rimozione delle bucce fibrose delle noci di cocco ed è un sottoprodotto dell'industria della copra (produzione di olio di cocco) e dell'estrazione delle fibre, ed è composta quasi esclusivamente da lignina. Prima dell'uso, viene compostato per 2-3 anni, quindi viene disidratato e compresso. Prima dell'uso, deve essere reidratato sommando con acqua fino a 2-4 volte del volume compresso. La fibra di cocco possiede caratteristiche chimico-fisiche simili alla torba bionda (tabella 4.2), ma con i vantaggi di avere un pH più alto. Ha anche un impatto ambientale inferiore rispetto alla torba (sfruttamento eccessivo delle torbiere) e alla lana di roccia dove ci sono problemi di smaltimento. Questo è uno dei motivi per cui è sempre più preferito nei sistemi senza suolo (Olle et al. 2012; Fornes et al. 2003).

   Substrati a base di legno

   I substrati organici derivati dal legno o dai suoi sottoprodotti, come corteccia, trucioli di legno o polvere di sega, vengono utilizzati anche nella produzione globale di impianti commerciali (Maher et al. 2008). I substrati basati su questi materiali possiedono generalmente un buon contenuto d'aria e un'elevata conduttività idraulica satura. Gli svantaggi possono includere basse capacità di ritenzione idrica, insufficiente aerazione causata dall'attività microbica, distribuzione inadeguata delle dimensioni delle particelle, immobilizzazione dei nutrienti o effetti negativi dovuti all'accumulo di sale e composti tossici (Dorais et al. 2006).

   4.2.4.2 Materiali inorganici

   Questa categoria comprende i materiali naturali (ad esempio sabbia, pomice) e i prodotti minerali derivati da processi industriali (ad esempio vermiculite, perlite) (tabella 4.3).

   Tabella 4.3 Principali caratteristiche chimico-fisiche dei substrati inorganici utilizzati nei sistemi privi di suolo

   tavolo testata tr class = header» ThSubstrati/Th Densità di massa (kg msup3/sup) /th Porosità totale (%vol) /th Porosità THFree (%vol) /th Capacità WaterRetention (%vol) /th THCEC (meq%) /th ilC (mS cmsup1/sup) /th THPH/Th /tr /testata tbody tr class="dispari» TDSand/TD td1400—1600/td td40—50/td td1—20/td td20—40/td td20—25/td td0.10/td td6.4—7.9/td /tr tr class="even» TDPUMICE/TD td450—670/td td55—80/td td30—50/td td24—32/td td—/td td0.08—0.12/td td6.7—9.3/td /tr tr class="dispari» TDvulcanic tuffs/td td570—630/td td80—90/td td75-85/td td2—5/td td3—5/td td—/td td7.0—8.0/td /tr tr class="even» TDVermiculite/TD td80—120/td td70—80/td td25—50/td td30—55/td td80—150/td td0.05/td td6.0—7.2/td /tr tr class="dispari» TDPerlite/TD td90—130/td td50—75/td td30—60/td td15—35/td td1.5—3.5/td td0.02—0.04/td td6.5—7.5/td /tr tr class="even» TDEXpanded argilla/td td300—700/td td40—50/td td30—40/td td5—10/td td3—12/td td0.02/td td4.5—9.0/td /tr tr class="dispari» TDStone lana/td td85—90/td td95—97/td td10—15/td td75—80/td td—/td td0.01/td td7.0—7.5/td /tr tr class="even» TDEXpanded Polistirene/TD td6—25/td td55/td td52/td td3/td td—/td td0.01/td td6.1/td /tr /tbody /tavolo

   Fonte: Enzo et al. (2001)

   Sabbia

   Le sabbie sono materiale naturale inorganico con particelle di diametro compreso tra 0,05 e 2,0 mm, provenienti dall'invecchiamento di diversi minerali. La composizione chimica delle sabbie può variare a seconda dell'origine, ma in generale è costituita dal 98,0— 99,5% di silice (Siosub2/sub) (Perelli et al. 2009). Il pH è principalmente legato al contenuto di carbonato. Le sabbie con basso contenuto di carbonato di calcio e pH 6,4-7,0 sono più adatte come materiale di substrato perché non influenzano la solubilità del fosforo e di alcuni microelementi (ad esempio ferro, manganese). Come tutti i substrati di origine minerale, le sabbie hanno una bassa CEC e una bassa capacità di tamponamento (Tabella 4.3). Le sabbie fini (0,05—0,5 mm) sono le più adatte per l'uso in sistemi idroponici in miscele dal 10 al 30% in volume con materiali organici. Le sabbie grossolane (\ >0,5 mm) possono essere utilizzate per aumentare la capacità di drenaggio del substrato.

   Pomica

   La pomice è costituita da silicato di alluminio di origine vulcanica, molto leggero e poroso, e può contenere piccole quantità di sodio e potassio e tracce di calcio, magnesio e ferro a seconda del luogo di origine. È in grado di trattenere calcio, magnesio, potassio e fosforo dalle soluzioni nutritive e di rilasciarli gradualmente alla pianta. Di solito ha un pH neutro, ma alcuni materiali possono avere pH eccessivamente alto, buona porosità libera ma bassa capacità di ritenzione idrica (Tabella 4.3). La struttura tende tuttavia a deteriorarsi abbastanza rapidamente, a causa della facile rottura delle particelle. La pomice, aggiunta alla torba, aumenta il drenaggio e l'aerazione del substrato. Per l'uso in orticoltura, sono preferite particelle di pomice da 2 a 10 mm di diametro (Kipp et al. 2001).

   **Tuffi vulcanici

   I tufi derivano da eruzioni vulcaniche, con particelle di diametro compreso tra 2 e 10 mm. Possono avere una densità apparente compresa tra 850 e 1100 kg msup-3/sup e una capacità di ritenzione idrica compresa tra il 15% e il 25% in volume (Kipp et al. 2001).

   Vermiculite

   La vermiculite comprende fillosilicati idrosi di magnesio, alluminio e ferro, che allo stato naturale hanno una sottile struttura lamellare che trattiene piccole gocce d'acqua. La vermiculite esfoliata è comunemente utilizzata nell'industria orticola ed è caratterizzata da un'elevata capacità tampone e valori CEC simili a quelli delle torbe migliori (Tabella 4.3), ma, rispetto a queste, ha una maggiore disponibilità di nutrienti (5— 8% potassio e 9— 12% magnesio) (Perelli et al. 2009). NHSub4/SubSUP+/SUP è particolarmente trattenuto dalla vermiculite; l'attività dei batteri nitrificanti, tuttavia, consente il recupero di parte dell'azoto fisso. Allo stesso modo, la vermiculite lega oltre il 75% del fosfato in forma irreversibile, mentre ha una bassa capacità assorbente per clsup-/SUP, nosub3/subsup-/SUP e sosub4/subsup-/SUP. Queste caratteristiche devono essere attentamente valutate quando la vermiculite viene utilizzata come substrato. La struttura in vermiculite non è molto stabile a causa di una bassa resistenza alla compressione e tende a deteriorarsi nel tempo, riducendo il drenaggio dell'acqua. Può essere usato da solo; tuttavia, è preferibile mescolarlo con perlite o torba.

   Perlite

   La perlite è costituita da silicato di alluminio di origine vulcanica contenente il 75% di Siosub2/sub e il 13% di Alsub2/Subosub3/sub. La materia prima viene frantumata, setacciata, compressa e riscaldata a 700-1000 °C. A queste temperature, la poca acqua contenuta nella materia prima si trasforma in vapore espandendo le particelle in piccoli aggregati grigio-biancastro che, a differenza della vermiculite, hanno una struttura a cellule chiuse. È molto leggero e possiede un'elevata porosità libera anche dopo l'ammollo. Non contiene sostanze nutritive, ha CEC trascurabile ed è praticamente neutro (Tabella 4.3) (Verdonk et al. 1983). Il pH, tuttavia, può variare facilmente, perché la capacità tampone è insignificante. Il pH deve essere controllato attraverso la qualità dell'acqua di irrigazione e non deve scendere al di sotto di 5,0 per evitare il fitotossico. effetti dell'alluminio. La struttura a celle chiuse consente di trattenere l'acqua solo sulla superficie e negli spazi tra gli agglomerati, quindi la capacità di ritenzione idrica è variabile in relazione alle dimensioni degli agglomerati. È commercializzato in diverse dimensioni, ma il più adatto per l'orticoltura è di 2-5 mm di diametro. Può essere utilizzato come substrato nei letti di radicazione, perché garantisce una buona aerazione. Nelle miscele con materiali organici, migliora la morbidezza, la permeabilità e l'aerazione del substrato. Perlite può essere riutilizzato per diversi anni, purché sia sterilizzato tra un utilizzo e l'altro.

   Argilla espansa

   L'argilla espansa si ottiene trattando la polvere di argilla a circa 700 C. Si formano aggregati stabili e, a seconda del materiale argilloso utilizzato, hanno valori variabili rispetto alla CEC, al pH e alla densità apparente (Tabella 4.3). L'argilla espansa può essere utilizzata in miscele con materiali organici nella quantità di circa 10 -35% in volume, a cui fornisce maggiore aerazione e drenaggio (Lamanna et al. 1990). Le argille espanse con valori di pH superiori a 7,0 non sono adatte per l'uso in sistemi privi di suolo.

   **Lana di Stone

   La lana di roccia è il substrato più utilizzato nella coltivazione senza suolo. Nasce dalla fusione di silicati di alluminio, calcio e magnesio e coke di carbonio a 1500—2000 °C. La miscela liquefatta viene estrusa in fili di 0,05 mm di diametro e, dopo la compressione e l'aggiunta di resine speciali, il materiale assume una struttura fibrosa molto leggera con un'elevata porosità (tabella 4.3).

   La lana di roccia è chimicamente inerte e, se aggiunta ad un substrato, ne migliora l'aerazione e il drenaggio e offre anche un ottimo ancoraggio per le radici delle piante. Viene utilizzato da solo, come substrato di semina e per la coltivazione senza suolo. Le lastre utilizzate per la coltivazione possono essere impiegate per diversi cicli produttivi a seconda della qualità, purché la struttura sia in grado di garantire sufficiente porosità e disponibilità di ossigeno per i sistemi radicali. Di solito, dopo diversi cicli di coltura, la maggior parte della porosità del substrato è piena di vecchie radici morte, e ciò è dovuto alla compattazione del substrato nel tempo. Il risultato è una profondità ridotta del substrato in cui le strategie di irrigazione possono richiedere un adattamento.

   Zeolite

   Le zeoliti sono costituite da silicati di alluminio idratati caratterizzati dalla capacità di assorbire elementi gassosi; sono ad alto contenuto di macro e microelementi, hanno un elevato potere assorbente e un'elevata superficie interna (strutture con pori di 0,5 mm). Questo substrato è di grande interesse in quanto assorbe e rilascia lentamente gli ioni KSUP+/SUP e NHSub4/SubSUP+/SUP, mentre non è in grado di assorbire clsup-/SUP e nasup+/SUP, che sono pericolosi per le piante. Le zeoliti sono commercializzate in formulazioni che differiscono per il contenuto N e P e che possono essere utilizzate nella semina, per la radicazione delle talee o durante la fase di coltivazione (Pickering et al. 2002).

   4.2.4.3 Materiali sintetici

   I materiali sintetici includono materiali plastici a bassa densità e resine sintetiche a scambio ionico. Questi materiali, detti «espansi», perché ottenuti da un processo di dilatazione ad alte temperature, non sono ancora ampiamente utilizzati, ma possiedono proprietà fisiche adatte a bilanciare le caratteristiche di altri substrati.

   Polistirene espanso

   Il polistirene espanso è prodotto in granuli di 4-10 mm di diametro con una struttura a celle chiuse. Non si decompone, è molto leggero e ha una porosità molto elevata ma con una capacità di ritenzione idrica estremamente bassa (Tabella 4.3). Non ha CEC e capacità tampone praticamente zero, quindi viene aggiunto al substrato (ad esempio torba) esclusivamente per migliorarne la porosità e il drenaggio. La dimensione delle particelle preferita è 4—5 mm (Bunt 2012).

   ** Schiuma poliuretanica

   La schiuma poliuretanica è un materiale a bassa densità (12—18 kg msup-3/sup) con una struttura porosa che permette un assorbimento dell'acqua pari al 70% del suo volume. È chimicamente inerte, ha un pH quasi neutro (6,5-7,0), non contiene nutrienti utili a disposizione delle piante e non subisce decomposizione (Kipp et al. 2001). Nel mercato è possibile trovarlo sotto forma di granuli, cubi o blocchi di radicazione. Come una lana di roccia, può essere utilizzata anche per la coltivazione senza terreno.

   4.2.5 Preparazione di substrati di coltivazione misti

   I substrati misti possono essere utili per ridurre i costi complessivi del substrato e/o per migliorare alcune caratteristiche dei materiali originali. Ad esempio, torba, vermiculite e cocco possono essere aggiunti per aumentare la capacità di ritenzione idrica; perlite, polistirolo, sabbia grossolana e argilla espansa per aumentare la porosità libera e il drenaggio; torba bionda per aumentare l'acidità; maggiori quantità di materiale organico o quantità adeguate di terreno argilloso per aumentare CEC e tampone e bassi substrati scomponibili per una maggiore durata e stabilità. Le caratteristiche delle miscele rappresentano raramente la media dei componenti perché con la miscelazione le strutture vengono modificate tra le singole particelle e di conseguenza il rapporto tra caratteristiche fisiche e chimiche. In generale, sono preferibili miscele a basso contenuto di nutrienti, per poter gestire meglio la coltivazione. Il giusto rapporto tra i diversi componenti di una miscela varia anche con le condizioni ambientali in cui opera. Alle alte temperature è razionale utilizzare componenti che possiedono una maggiore capacità di ritenzione idrica e non consentono una rapida evaporazione (ad esempio torba) e, allo stesso tempo, sono resistenti alla decomposizione. Al contrario, in ambienti umidi, con bassa radiazione solare, i componenti caratterizzati da elevata porosità sono preferiti per garantire un buon drenaggio. In questo caso, sarà necessario aggiungere substrati grossolani come sabbia, pomice, argilla espansa e polistirolo espanso (Bunt 2012).

3. 4.3 Tipi di sistemi idroponici secondo la distribuzione acqua/nutriente

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

   4.3.1 Tecnica a flusso profondo (DFT)

   La tecnica del flusso profondo (DFT), nota anche come tecnica dell'acqua profonda, è la coltivazione di piante su supporti galleggianti o sospesi (zattere, pannelli, tavole) in contenitori riempiti con soluzione nutritiva di 10-20 cm (Van Os et al. 2008) (Fig. 4.3). In AP questo può essere fino a 30 cm. Esistono diverse forme di applicazione che possono essere distinte principalmente dalla profondità e dal volume della soluzione e dai metodi di ricircolo e ossigenazione.

   

   Fig. 4.3 Illustrazione di un sistema DFT con pannelli flottanti

   Uno dei sistemi più semplici è costituito da vasche profonde 20-30 cm, che possono essere costruite con materiali diversi e impermeabilizzate con film di polietilene. Le vasche sono dotate di zattere galleggianti (diverse tipologie sono disponibili presso i fornitori) che servono a sostenere le piante sopra l'acqua mentre le radici delle piante penetrano nell'acqua. Il sistema è particolarmente interessante in quanto riduce al minimo i costi e la gestione. Ad esempio, vi è una necessità limitata di automatizzare il controllo e la correzione della soluzione nutritiva, in particolare nelle colture di breve durata come la lattuga, dove il volume relativamente elevato di soluzione facilita il rifornimento della soluzione nutritiva solo alla fine di ogni ciclo, e solo il il contenuto di ossigeno deve essere monitorato periodicamente. I livelli di ossigeno devono essere superiori a 4—5 mg di LSUP-1/SUP; in caso contrario, potrebbero comparire carenze nutritive dovute all'assorbimento dei sistemi radicali a basso rendimento. Normalmente la circolazione della soluzione aggiungerà ossigeno, oppure si possono aggiungere sistemi Venturi che aumentano notevolmente l'aria nel sistema. Ciò è particolarmente importante quando le temperature dell'acqua sono superiori a 23 ˚C, in quanto tali temperature elevate possono stimolare la bullonatura della lattuga.

   4.3.2 Tecnica del film nutriente (NFT)

   La tecnica NFT viene utilizzata in modo onnipresente e può essere considerata il classico sistema di coltivazione idroponica, dove una soluzione nutritiva scorre lungo e circola in vasche con uno strato d'acqua di 1-2 cm (Cooper 1979; Jensen e Collins 1985; Van Os et al. 2008) (Fig. 4.4). Il ricircolo della soluzione nutritiva e l'assenza di substrato rappresentano uno dei principali vantaggi del sistema NFT. Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal grande potenziale di automazione per risparmiare sui costi di manodopera (piantagione e raccolta) e dalla possibilità di gestire la densità ottimale delle piante durante il ciclo delle colture. D'altra parte, la mancanza di substrato e bassi livelli d'acqua rende l'NFT vulnerabile al guasto delle pompe, a causa ad esempio di intasamento o guasto all'alimentazione elettrica. Le fluttuazioni di temperatura nella soluzione nutritiva possono causare stress vegetale seguito da malattie.

   

   Fig. 4.4 Illustrazione del sistema NFT (a sinistra) e di un canale multistrato NFT, sviluppato e commercializzato da New Growing Systems (NGS), Spagna (a destra)

   Lo sviluppo dell'apparato radicale, parte del quale rimane sospeso nell'aria al di sopra del flusso di nutrienti ed esposto a un precoce invecchiamento e perdita di funzionalità, rappresenta un ostacolo importante in quanto impedisce la produzione di colture a ciclo lungo (oltre 4-5 mesi). A causa della sua elevata suscettibilità alle variazioni di temperatura, questo sistema non è adatto per ambienti di coltivazione caratterizzati da elevati livelli di irradiazione e temperatura (ad esempio aree meridionali del bacino mediterraneo). Tuttavia, in risposta a queste sfide, è stato progettato un trogolo multistrato NFT che consente cicli di produzione più lunghi senza problemi di intasamento (NGS). È costituito da una serie di strati interconnessi posti in una cascata, in modo che anche in specie di piante radicali forti, come i pomodori, la soluzione nutritiva possa ancora trovare la strada verso le radici bypassando lo strato intasato dalla radice attraverso uno strato posizionato più in basso.

   4.3.3 Sistemi Aeroponici

   La tecnica aeroponica si rivolge principalmente alle specie orticole più piccole e non è ancora stata ampiamente utilizzata a causa degli elevati costi di investimento e di gestione. Le piante sono supportate da pannelli di plastica o da polistirolo, disposti orizzontalmente o su piani inclinati delle scatole di coltivazione. Questi pannelli sono sostenuti da una struttura realizzata con materiali inerti (plastica, acciaio rivestito con film plastico, pannelli di polistirolo), in modo da formare scatole chiuse dove si può sviluppare l'apparato radicale sospeso (Fig. 4.5).

   

   Fig. 4.5 Illustrazione della tecnica aeroponica

   La soluzione nutritiva viene spruzzata direttamente sulle radici, che vengono sospese nella scatola in aria, con irrigatori statici (spruzzatori), inseriti su tubi alloggiati all'interno del modulo box. La durata dello spruzzo va dai 30 ai 60 secondi, mentre la frequenza varia a seconda del periodo di coltivazione, dello stadio di crescita delle piante, della specie e dell'ora del giorno. Alcuni sistemi utilizzano piastre vibranti per creare micro gocce d'acqua che formano un vapore che si condensa sulle radici. Il percolato viene raccolto sul fondo dei moduli box e convogliato al serbatoio di stoccaggio, per il riutilizzo.

4. 4.4 Fisiologia delle piante

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

   4.4.1 Meccanismi di Assorbimento

   Tra i principali meccanismi coinvolti nella nutrizione delle piante, il più importante è l'assorbimento che, per la maggior parte dei nutrienti, avviene in forma ionica a seguito dell'idrolisi dei sali disciolti nella soluzione nutritiva.

   Le radici attive sono l'organo principale della pianta coinvolto nell'assorbimento dei nutrienti. Gli anioni e i cationi vengono assorbiti dalla soluzione nutritiva e, una volta all'interno della pianta, provocano l'uscita dei protoni (HSUP+/SUP) o degli idrossili (Ohsup-/SUP) che mantengono l'equilibrio tra le cariche elettriche (Haynes 1990). Questo processo, pur mantenendo l'equilibrio ionico, può causare variazioni del pH della soluzione in relazione alla quantità e alla qualità dei nutrienti assorbiti (Fig. 4.6).

   Le implicazioni pratiche di questo processo per l'orticoltore sono duplice: fornire adeguata capacità tampone alla soluzione nutritiva (aggiungendo bicarbonati se necessario) e indurre lievi variazioni di pH con la scelta del fertilizzante. L'effetto dei fertilizzanti sul pH si riferisce alle diverse forme chimiche dei composti utilizzati.

   

   Fig. 4.6 Assorbimento ionico da parte del sistema radicale di una pianta

   Nel caso di N, ad esempio, la forma più comunemente utilizzata è l'azoto nitrico (NoSub3/subsup-/SUP), ma quando il pH deve essere abbassato, l'azoto può essere fornito come azoto di ammonio (NHSub4/subSUP+/SUP). Questa forma, quando assorbita, induce il rilascio di HSUP+/SUP e di conseguenza un'acidificazione del mezzo.

   Le condizioni climatiche, in particolare la temperatura dell'aria e del substrato e l'umidità relativa, esercitano una notevole influenza sull'assorbimento dei nutrienti (Pregitzer e King 2005; Masclaux-Daubresse et al. 2010; Marschner 2012; Cortella et al. 2014). In generale, la crescita migliore si verifica dove ci sono poche differenze tra il substrato e la temperatura dell'aria. Tuttavia, i livelli di temperatura persistentemente elevati nel sistema radicale hanno un effetto negativo. Le temperature sub-ottimali riducono l'assorbimento di N (Dong et al. 2001). Mentre NHSub4/SubSUP+/SUP è efficacemente utilizzato a temperature ottimali, a basse temperature, l'ossidazione batterica si riduce, causando accumulo all'interno della pianta che può produrre sintomi di tossicità e danni all'apparato radicale e alla biomassa aerea. Le basse temperature a livello radicale inibiscono anche l'assimilazione di K e P, così come la traslocazione P. Sebbene le informazioni disponibili sull'effetto delle basse temperature sull'assorbimento dei micronutrienti siano meno chiare, sembra che l'assorbimento di Mn, Zn, Cu e Mo siano maggiormente colpiti (Tindall et al. 1990; Fageria et al. 2002).

   4.4.2 Nutrienti essenziali, il loro ruolo e possibili antagonismi

   L'adeguata gestione dell'alimentazione vegetale deve basarsi su aspetti fondamentali che sono influenzati dall'assorbimento e dall'uso di macro e micronutrienti (Sonneveld e Voogt 2009). I macro-nutrienti sono necessari in quantità relativamente grandi, mentre i micronutrienti o gli oligoelementi sono necessari in piccole quantità. Inoltre, la disponibilità di nutrienti alla pianta nel caso dei sistemi privi di suolo presenta fenomeni più o meno consistenti di sinergia e antagonismo (Fig. 4.7).

   _Azoto (N) _ L'azoto viene assorbito dalle piante per produrre aminoacidi, proteine, enzimi e clorofilla. Le forme di azoto più utilizzate per la fertilizzazione delle piante sono nitrato e ammonio. I nitrati vengono rapidamente assorbiti dalle radici, sono altamente mobili all'interno delle piante e possono essere conservati senza effetti tossici. L'ammonio può essere assorbito dalle piante solo in quantità ridotte e non può essere immagazzinato in quantità elevate perché ha effetti tossici. Quantitativi superiori a 10 mg di LSUP-1/SUP inibiscono l'assorbimento di calcio e rame delle piante, aumentano la crescita dei germogli rispetto alla crescita delle radici e determinano un forte colore verde delle foglie. Ulteriori eccessi nella concentrazione di ammoniaca determinano effetti fitotossici come la clorosi lungo i margini delle foglie. L'eccesso di apporto di azoto provoca un'elevata crescita vegetativa, un aumento della lunghezza del ciclo delle colture, un forte colore verde delle foglie, un basso apporto di frutta, un alto contenuto di acqua nei tessuti, una bassa lignificazione dei tessuti e un elevato accumulo di nitrati tissutali. Comunemente, la carenza di azoto è caratterizzata da un colore verde pallido delle foglie più vecchie (clorosi), una crescita ridotta e un avanzamento senescenza.

   

   Fig. 4.7 Nutrienti sinergie e antagonismi tra ioni. Gli ioni connessi presentano una relazione sinergica o antagonistica secondo la direzione della freccia

   _Potassio (K) _ Il potassio è fondamentale per la divisione e l'estensione cellulare, la sintesi proteica, l'attivazione enzimatica e la fotosintesi e agisce anche come trasportatore di altri elementi e carboidrati attraverso la membrana cellulare. Ha un ruolo importante nel mantenere il potenziale osmotico della cellula in equilibrio e regolare l'apertura stomatale. I primi segni di carenza si manifestano sotto forma di macchie giallastre che si necrotizzano molto rapidamente ai margini delle foglie più vecchie. Le piante carenti di potassio sono più suscettibili a improvvise cadute di temperatura, stress idrico e attacchi fungini (Wang et al. 2013).

   _Fosforo (P) _ Il fosforo stimola lo sviluppo delle radici, la rapida crescita dei germogli e la quantità di fiori. P viene assorbito molto facilmente e può essere accumulato senza danneggiare la pianta. Il suo ruolo fondamentale è legato alla formazione di composti ad alta energia (ATP) necessari per il metabolismo delle piante. I quantitativi medi richiesti dagli impianti sono piuttosto modesti (10 -15% del fabbisogno di N e K) (Le Bot et al. 1998). Tuttavia, a differenza di ciò che accade nel suolo, P è facilmente percorribile nelle colture prive di suolo. L'assorbimento di P sembra essere ridotto dalle basse temperature del substrato (\ 13 ˚C) o dall'aumento dei valori di pH (\ 6.5) che possono portare a sintomi di carenza (Vance et al. 2003). In queste condizioni un aumento della temperatura e/o una riduzione del pH è più efficace rispetto alle modifiche aggiuntive dei fertilizzanti al fosforo. P eccesso può ridurre o bloccare l'assorbimento di alcuni altri nutrienti (ad esempio K, Cu, Fe) (Fig. 4.7). La carenza di fosforo si manifesta in un colore verde-violetto delle foglie più vecchie, che possono seguire clorosi e necrosi oltre alla crescita stentata dell'apice vegetativo. Tuttavia, questi sintomi non sono specifici e rendono difficile identificare le carenze P (Uchida 2000).

   _Calcio (Ca) _ Il calcio è coinvolto nella formazione della parete cellulare, nella permeabilità della membrana, nella divisione e nell'estensione delle cellule. Una buona disponibilità conferisce alla pianta una maggiore resistenza agli attacchi fungini e alle infezioni batteriche (Liu et al. 2014). L'assorbimento è strettamente legato al flusso d'acqua tra radici e parti aeree. Il suo movimento avviene attraverso lo xilem ed è quindi particolarmente influenzato dalle basse temperature a livello radicale, dal ridotto apporto idrico (siccità o salinità della soluzione) o dall'eccessiva umidità relativa dell'aria. Poiché Ca non è mobile all'interno dell'impianto, le carenze iniziano dalle parti più recenti (Adams 1991; Adams e Ho 1992; Ho et al. 1993). I sintomi principali sono la crescita delle piante stentata, la deformazione dei margini delle foglie più giovani, la colorazione verde chiaro o talvolta clorotica di nuovi tessuti e un apparato radicale stentato senza radici fini. Le carenze sono esposte in modi diversi, ad esempio marciume apicale nel pomodoro e/o doratura marginale delle foglie in lattuga.

   _Magnesio (Mg) _ Il magnesio è coinvolto nella costituzione delle molecole di clorofilla. Viene immobilizzato a valori di pH inferiori a 5,5 ed entra in competizione con l'assorbimento di K e Ca (Fig. 4.7). I sintomi di carenza sono ingiallimento tra le vene fogliari e la clorosi interna delle foglie basali. Poiché Mg può essere facilmente mobilitato, le piante carenti di magnesio prima abbatteranno la clorofilla nelle foglie più vecchie e trasporteranno il Mg alle foglie più giovani. Pertanto, il primo segno di carenza di magnesio è la clorosi interveinale nelle foglie più vecchie, contrariamente alla carenza di ferro, dove la clorosi interveinale appare per la prima volta nelle foglie più giovani (Sonneveld e Voogt 2009).

   _Zolfo (S) _ Lo zolfo è richiesto dalla pianta in quantità paragonabili a quelle del fosforo e, per ottimizzarne l'assorbimento, deve essere presente in un rapporto 1:10 con l'azoto (McCutchan et al. 2003). Viene assorbito come solfato. Le carenze non sono facilmente individuabili, in quanto i sintomi possono essere confusi con quelli della carenza di azoto, tranne che la carenza di azoto comincia a manifestarsi dalle foglie più vecchie, mentre quella dello zolfo delle più giovani (Schnug e Haneklaus 2005). La nutrizione S ha un ruolo significativo nel migliorare i danni nell'apparato fotosintetico causati dalla carenza di FE-FE-( Muneer et al. 2014).

   _Iron (Fe) _ Il ferro è uno dei micronutrienti più importanti perché è fondamentale in molti processi biologici come la fotosintesi (Briat et al. 2015; Heuvelink e Kierkels 2016). Per migliorare il suo assorbimento, il pH della soluzione nutritiva dovrebbe essere di circa 5,5-6,0, e il contenuto di Mn non dovrebbe essere permesso di diventare troppo alto perché i due elementi entrano in concorrenza successivamente (Fig. 4.7). Il rapporto ottimale di Fe— Mn è di circa 2:1 per la maggior parte delle colture (Sonneveld e Voogt 2009). A basse temperature, l'efficienza di assimilazione è ridotta. I sintomi di carenza sono caratterizzati da clorosi interveinale dalle foglie giovani verso quelle basali più vecchie, e da una ridotta crescita del sistema radicale. I sintomi di carenza non sono sempre dovuti alla bassa presenza di Fe nella soluzione nutritiva, ma spesso sono dovuti all'indisponibilità di Fe per la pianta. L'uso di agenti chelanti garantisce la costante disponibilità di Fe per l'impianto.

   _Cloro (Cl) _ Il cloro è stato recentemente considerato un micronutriente, anche se il suo contenuto nelle piante (0,2-2,0% dw) è piuttosto elevato. È facilmente assorbito dalla pianta ed è molto mobile al suo interno. È coinvolto nel processo fotosintetico e nella regolazione dell'apertura degli stomi. Le carenze, che sono piuttosto rare, si verificano con sintomi tipici di foglie che si seccano, specialmente ai margini. Molto più diffuso è il danno dovuto ad un eccesso di Cl che porta ad un cospicuo restringimento delle piante rispetto alle diverse sensibilità delle diverse specie. Per evitare danni alle colture, è sempre consigliabile controllare il contenuto di Cl nell'acqua utilizzata per preparare soluzioni nutritive e scegliere fertilizzanti adatti (ad esempio KSub2/SubsoSub4/sub anziché KCl).

   _Sodio (Na) _ Il sodio, se in eccesso, è dannoso per le piante, poiché è tossico e interferisce con l'assorbimento di altri ioni. L'antagonismo con K (Fig. 4.7), per esempio, non è sempre dannoso perché in alcune specie (ad esempio pomodori) migliora il gusto della frutta, mentre in altre (es. fagioli) può ridurre la crescita delle piante. Simile a Cl, è importante conoscere la concentrazione nell'acqua utilizzata per preparare la soluzione nutritiva (Sonneveld e Voogt 2009).

   _Manganese (Mn) _ Il manganese fa parte di molti coenzimi ed è coinvolto nell'estensione delle cellule radicali e nella loro resistenza agli agenti patogeni. La sua disponibilità è controllata dal pH della soluzione nutritiva e dalla concorrenza con altri nutrienti (Fig. 4.7). I sintomi di carenza sono simili a quelli della Fe tranne che per la comparsa di aree leggermente sommerse nelle aree interveinali (Uchida 2000). Le correzioni possono essere effettuate aggiungendo mnsoSub4/sub o abbassando il pH della soluzione nutritiva.

   _Boro (B) _ Il boro è essenziale per l'impostazione della frutta e lo sviluppo delle sementi. I metodi di assorbimento sono simili a quelli già descritti per Ca con cui può competere. Il pH della soluzione nutritiva deve essere inferiore a 6,0 e il livello ottimale sembra essere compreso tra 4,5 e 5,5. I sintomi di carenza possono essere rilevati nelle nuove strutture che appaiono verde scuro, le foglie giovani aumentano notevolmente il loro spessore e hanno una consistenza coriacea. Successivamente possono apparire clorotici e poi necrotici, con colorazione arrugginita.

   _Zinco (Zn) _ Lo zinco svolge un ruolo importante in alcune reazioni enzimatiche. Il suo assorbimento è fortemente influenzato dal pH e dall'apporto P della soluzione nutritiva. Valori di pH compresi tra 5,5 e 6,5 favoriscono l'assorbimento di Zn. Bassa temperatura e alti livelli P riducono la quantità di zinco assorbita dalla pianta. Le carenze di zinco si verificano raramente e sono rappresentate da macchie clorotiche nelle aree interveinali delle foglie, internodi molto brevi, epinastia fogliare e scarsa crescita (Gibson 2007).

   _Copper (Cu) _ Il rame è coinvolto nei processi respiratori e fotosintetici. Il suo assorbimento è ridotto a valori di pH superiori a 6,5, mentre valori di pH inferiori a 5,5 possono causare effetti tossici (Rooney et al. 2006). Alti livelli di ammonio e fosforo interagiscono con Cu riducendo la disponibilità di quest'ultimo. L'eccessiva presenza di Cu interferisce con l'assorbimento di Fe, Mn e Mo. Le carenze si manifestano con la clorosi interveinale che porta al collasso dei tessuti fogliari che sembrano essiccati (Gibson 2007).

   _Molibdeno (Mo) _ Il molibdeno è essenziale nella sintesi proteica e nel metabolismo dell'azoto. Contrariamente ad altri micronutrienti, è meglio disponibile con valori di pH neutro. I sintomi di carenza iniziano con clorosi e necrosi lungo la costola principale delle foglie vecchie, mentre le foglie giovani appaiono deformate (Gibson 2007).

   4.4.3 Gestione dei nutrienti in relazione ai requisiti delle piante

   Dopo lo sviluppo di sistemi di orticoltura privi di suolo negli anni '70 (Verwer 1978; Cooper 1979), sono state sviluppate e adattate diverse soluzioni nutritive secondo le preferenze dei coltivatori (tabella 4.4; De Kreij et al. 1999). Tutte le miscele seguono i principi dell'eccesso di disponibilità di tutti gli elementi per evitare carenze e l'equilibrio tra cationi (bivalenti) per evitare la concorrenza tra cationi nell'assorbimento di nutrienti vegetali (Hoagland e Arnon 1950; Steiner 1961; Steiner 1984; Sonneveld e Voogt 2009). Comunemente, la CE è autorizzata a salire nella zona radicale in misura limitata. Nei pomodori, ad esempio, la soluzione nutritiva ha tipicamente una CE di circa 3 dS msup-1/sup, mentre nella zona delle radici delle lastre di lana di roccia, la CE può salire a 4—5 dS msup-1/sup. Tuttavia, nei paesi dell'Europa settentrionale, per la prima irrigazione di nuove lastre di lana di roccia all'inizio del ciclo di produzione, la soluzione nutritiva può avere una CE fino a 5 dS msup-1/sup, saturando il substrato di lana di roccia con ioni fino ad una CE di 10 dS msup-1/sup, che sarà successivamente lavato dopo 2 settimane. Per fornire sufficiente risciacquo della zona radicale, in un tipico sistema di lastre di lana di roccia a goccia, circa il 20 -50% dell'acqua dosata viene raccolta come acqua di drenaggio. L'acqua di drenaggio viene quindi riciclata, filtrata, mescolata con acqua dolce e riempita con sostanze nutritive per l'uso nel ciclo successivo (Van Os 1994).

   Nella produzione di pomodori, l'aumento della CE può essere applicato per migliorare la sintesi del licopene (favorendo la colorazione rossa brillante dei frutti), i solidi totali solubili (TSS) e il contenuto di fruttosio e glucosio (Fanasca et al. 2006; Wu e Kubota 2008). Inoltre, le piante di pomodoro hanno tassi di assorbimento più elevati per N, P, Ca e Mg e basso assorbimento di K durante le prime fasi (vegetative). Una volta che le piante iniziano a sviluppare frutti, la produzione di foglie viene rallentata portando ad una riduzione del fabbisogno N e Ca, mentre il fabbisogno K aumenta (ad esempio Zekki et al. 1996; Silber, Bar-Tal 2008). Nella lattuga, d'altra parte, un aumento della CE può promuovere la malattia da punta durante le condizioni di crescita a caldo. Huett (1994) ha mostrato una significativa diminuzione del numero di foglie con malattia da punta per pianta quando la CE è stata scesa da 3,6 a 0,4 dS msup-1/sup, così come quando la formulazione nutriente K/Ca è stata ridotta da 3. 5:1 a 1. 25:1. In AP la gestione dei nutrienti è più difficile che in idroponica, poiché dipendono principalmente dalla densità degli stock ittici, dal tipo di mangime e dalla velocità di alimentazione.

   4.4.4 Proprietà della soluzione nutritiva

   Il fosforo è un elemento che si presenta in forme fortemente dipendenti dal pH ambientale. Nella zona radice, questo elemento può essere trovato come ioni POSUB4/subSUP-3/SUP, HPOSub4/subSUP2-/SUP e HSub2/subposub4/subsup-/SUP, dove gli ultimi due ioni sono le principali forme di P assunte dalle piante. Pertanto, quando il pH è leggermente acido (pH 5—6), la maggiore quantità di P viene presentata in una soluzione nutritiva (De Rijck e Schrevens 1997).

   Potassio, calcio e magnesio sono disponibili per le piante in una vasta gamma di pH. Tuttavia, la presenza di altri ioni può interferire nella loro disponibilità vegetale a causa della formazione di composti con diversi gradi di solubilità. Con un pH superiore a 8,3, gli ioni CasUP2+/SUP e MgSUP2+/SUP precipitano facilmente come carbonati reagendo con CoSub3/SubSUP2-/SUP. Anche il solfato forma complessi relativamente forti con CasUP2+/SUP e MGSUP2+/SUP (De Rijck e Schrevens 1998). Man mano che il pH aumenta da 2 a 9, aumenta la quantità di SOSUB4/subSUP2-/SUP che formano complessi solubili con MgSUP2+/SUP come MGSOSub4/sub e KSUP+/SUP come KSOSub4/subsup-/SUP (De Rijck e Schrevens 1999). In generale, la disponibilità di nutrienti per l'assorbimento delle piante a pH superiore a 7 può essere limitata a causa di una precipitazione di boro, FesUP2+/SUP, MNSUP2+/SUP, PoSub4/SubSUP3-/SUP, Casup2+/SUP e MGSUP2+/SUP a causa di sali insolubili e non disponibili. I valori di pH più appropriati della soluzione nutritiva per lo sviluppo delle colture sono compresi tra 5,5 e 6,5 (Sonneveld e Voogt 2009).

   4.4.5 Qualità dell'acqua e sostanze nutritive

   La qualità dell'acqua fornita è estremamente importante nei sistemi idroponici e AP. Per il ricircolo a lungo termine, la composizione chimica dovrebbe essere ben nota e monitorata frequentemente per evitare uno squilibrio nell'apporto di nutrienti, ma anche per evitare l'accumulo di alcuni elementi che determinino tossicità. De Kreij et al. (1999) hanno presentato una panoramica delle esigenze chimiche in materia di qualità dell'acqua per i sistemi idroponici.

   Prima di iniziare, un'analisi dell'approvvigionamento idrico deve essere effettuata sui macro e sui microelementi. Sulla base dell'analisi, è possibile realizzare uno schema per la soluzione nutritiva. Ad esempio, se si utilizza acqua piovana, occorre prestare particolare attenzione a Zn quando la raccolta avviene attraverso grondaie non trattate. Nell'acqua del rubinetto, possono comparire problemi con Na, Ca, Mg, SOSub4/sub e HCOSub3/sub. Inoltre, è possibile utilizzare acqua di superficie e foro che può contenere anche quantità di Na, Cl, K, Ca, Mg, SoSub4/sub e Fe ma anche microelementi come Mn, Zn, B e Cu. Va notato che tutte le valvole e i tubi devono essere fatti di materiali sintetici come PVC e PE e non contenenti parti Ni o Cu.

   Accade spesso che l'approvvigionamento idrico contenga una certa quantità di Ca e Mg; pertanto, il contenuto deve essere sottratto dalla quantità contenuta nella soluzione nutritiva per evitare l'accumulo di questi ioni. HCOSub3/sub deve essere compensato preferibilmente con acido nitrico, circa 0,5 mmol LSUP-1/SUP che può essere mantenuto come tampone di pH nella soluzione nutritiva. L'acido fosforico e solforico può anche essere usato per compensare il pH, ma entrambi daranno rapidamente un surplus di Hsub2/subposub4/subsup-/SUP o SOsub4/subSUP2-/SUP nella soluzione nutritiva. Nei sistemi AP l'acido nitrico (HNOSub3/sub) e l'idrossido di potassio (KOH) possono essere utilizzati anche per regolare il pH e contemporaneamente fornire macronutrienti nel sistema (Nozzi et al. 2018).

   4.4.5.1 Gestione della qualità dell'acqua

   Per la formulazione di soluzioni nutritive, si utilizzano preferibilmente fertilizzanti semplici (granulari, in polvere o liquidi) e sostanze (ad esempio composti acidi) che influenzano il pH. L'integrazione degli elementi nutritivi nella soluzione tiene conto dei valori ottimali delle quantità di ciascun elemento. Questo deve essere fatto in relazione alle esigenze della specie e delle sue cultivar considerando le fasi fenologiche e il substrato. Il calcolo degli integratori nutritivi deve essere effettuato tenendo conto delle condizioni dell'acqua utilizzata, secondo una serie di priorità _rigorose _. Sulla scala prioritaria, magnesio e solfati sono posizionati sul fondo, allo stesso livello, perché hanno meno importanza nutrizionale e le piante non presentano danni anche se la loro presenza è abbondante nella soluzione nutritiva. Questa caratteristica ha un vantaggioso riscontro pratico in quanto consente uno sfruttamento dei due elementi al fine di bilanciare la composizione nutrizionale rispetto ad altri macronutrienti la cui carenza o eccesso può essere negativa per la produzione. Ad esempio, possiamo considerare una soluzione nutritiva in cui è richiesta l'integrazione di solo potassio o solo nitrato. I sali da utilizzare, in questo caso, sono rispettivamente solfato di potassio o nitrato di magnesio. Infatti, se si utilizzasse il nitrato di potassio o il nitrato di calcio più comune, i livelli di nitrato, nel primo caso, e di calcio, nel secondo caso, aumenterebbero automaticamente. Inoltre, quando l'analisi dell'acqua utilizzata mostra uno squilibrio tra cationi e anioni, e per poter calcolare una soluzione nutritiva con la CE in equilibrio, si procede alla correzione dei valori dell'acqua riducendo i livelli di magnesio e/o solfati.

   I seguenti punti forniscono linee guida per la formulazione di soluzioni nutritive:

   1. Definizione delle specie e delle esigenze di cultivar. Occorre tener conto dell'ambiente di coltivazione e delle caratteristiche dell'acqua. Per soddisfare le esigenze delle piante nei periodi caldi e con radiazioni intense, la soluzione deve avere un tenore di EC e K inferiore, che contrasta con una maggiore quantità di Ca. Invece, quando la temperatura e la luminosità raggiungono livelli sub-ottimali, è consigliabile aumentare i valori della CE e K riducendo quelli della Ca. Per quanto riguarda le cultivar è importante notare che vi sono variazioni sostanziali, soprattutto per i valori del nosub3/subsup-/sup, dovute alla diversa vigorosità vegetativa delle cultivar. Per i pomodori, infatti, vengono utilizzati in media 15 mmol LSUP-1/SUP di Nosub3/subsup-/sup (tabella 4.4), e nel caso delle cultivar caratterizzate da un basso vigore vegetativo e in alcune fasi fenologiche (ad esempio l'impostazione del frutto della quarta capriata), si adotta fino a 20 mM LSUP-1/SUP di Nosub3/subsup-/sup. Nel caso in cui alcuni elementi come Na siano presenti nell'acqua, al fine di ridurne l'effetto, particolarmente negativo per alcune colture, sarà necessario aumentare la quantità di NOSub3/subsup-/SUP e Ca ed eventualmente diminuire il K, mantenendo la CE allo stesso livello.

   Tabella 4.4 Soluzione nutriente nella coltivazione idroponica di lattuga (DFT) pomodoro, pepe e cetriolo (lastre di lana di roccia a goccia) nei Paesi Bassi (De Kreiji et al.1999)

   tavolo testata tr class = header» th rowspan="2"/th THPH/Th Thec/th THNHSub4/Sub/Th THK/th THCA/th thmg/th Thnosub3/sub/th THSOSub4/Sub/Th THP/Th THFE/th THMN/Th THZN/th THB/th THCU/th THMO/Th /tr tr class = header» th/th THDs msup-1/sup/th thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH thmmol LSUP-1/SUP/TH /tr /testata tbody tr class="dispari» TDLattuce (Wageningen UR) /td td5.9/td td1.7/td td1.0/td td4.4/td td4.5/td td1.8/td td10.6/td td1.5/td td1.5/td td28.1/td td1.5/td td6.4/td td47.0/td td1.0/td td0.7/td /tr tr class="even» TDLattuce/TD td5.8/td td1.2/td td0.7/td td4.8/td td2.3/td td0.8/td td8.9/td td0.8/td td1.0/td td35.1/td td4.9/td td3.0/td td18.4/td td0.5/td td0.5/td /tr tr class="dispari» TDLattuce/TD td5.8/td td1.2/td td/td td3.0/td td2.5/td td1.0/td td7.5/td td1.0/td td0.5/td td50.0/td td3.7/td td0.6/td td4.8/td td0.5/td td0.01/td /tr tr class="even» TDTomato generativo/td td5.5/td td2.6-3.0/td td1.2/td td13.0/td td4.2/td td1.9/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="dispari» TDpomodoro vegetativo/td td5.5/td td2.6/td td1.2/td td8.3/td td5.7/td td2.7/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="even» TDcetriolo/TD td5.5/td td3.2/td td1.2/td td10.4/td td6.7/td td2.0/td td23.3/td td1.5-2.0/td td1.5-2.0/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td25.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="dispari» TDPepper/TD td5.6/td td2.5-3.0/td td1.2/td td5-7/td td4-5/td td2.0/td td17.0/td td1.8-2.0/td td1.5-2.5/td td25.0/td td10.0/td td7.0/td td30.0/td td1.0/td td0.5/td /tr tr class="even» TDPropagazione vegetale/td td5.5/td td2.3/td td1.2/td td6.8/td td4.5/td td3.0/td td16.8/td td2.5/td td1.3/td td25.0/td td10.0/td td5.0/td td35.0/td td1.0/td td0.5/td /tr /tbody /tavolo

   Adottato e modificato da Vermeulen (2016, comunicazione personale)

   2. I calcoli del fabbisogno di nutrienti devono essere ottenuti sottraendo i valori degli elementi chimici dell'acqua dagli elementi chimici sopra definiti. Ad esempio, la necessità stabilita di Mg di peperoni (Capsicum sp.) è 1,5 mM LSUP-1/SUP, avendo l'acqua a 0,5 mM LSUP-1/SUP, e 1,0 mM LSUP-1/SUP di Mg deve essere aggiunto all'acqua (requisito 1,5 — 0,5 acqua di alimentazione = 1,0).

   3. Scelta e calcolo dei fertilizzanti e degli acidi da utilizzare. Ad esempio, dovendo fornire Mg, come nell'esempio del punto 2 sopra, può essere utilizzato MGSOSub4/sub o Mg (NoSub3/sub) sub2/sub. Sarà presa una decisione tenendo conto anche del contributo collaterale del solfato o del nitrato.

   4.6 Confronto tra produzione idroponica e acquaponica

   Durante il loro ciclo di vita, le piante hanno bisogno di diversi macro e microelementi essenziali per lo sviluppo regolare (boro, calcio, carbonio, cloro, rame, idrogeno, ferro, magnesio, manganese, molibdeno, azoto, ossigeno, fosforo, potassio, zolfo, zinco), solitamente assorbito dalla soluzione nutritiva (Bittsanszky et al. 2016). La concentrazione dei nutrienti e il rapporto tra loro sono le variabili più importanti in grado di influenzare l'assorbimento delle piante. Nei sistemi AP i rifiuti metabolici dei pesci contengono sostanze nutritive per le piante, ma bisogna tener conto, soprattutto a scala commerciale, che le concentrazioni di nutrienti fornite dai pesci nei sistemi AP sono significativamente inferiori e sbilanciate per la maggior parte dei nutrienti rispetto ai sistemi idroponici (Nicoletto et al. 2018). Di solito, in AP, con tassi di allevamento adeguati, i livelli di nitrato sono sufficienti per una buona crescita delle piante, mentre i livelli di K e P sono generalmente insufficienti per la crescita massima delle piante. Inoltre, anche il calcio e il ferro potrebbero essere limitati. Ciò può ridurre la resa e la qualità delle colture e quindi l'integrazione dei nutrienti dovrebbe essere effettuata per sostenere un efficiente riutilizzo dei nutrienti. Le comunità microbiche svolgono un ruolo cruciale nella dinamica nutriente dei sistemi AP (Schmautz et al. 2017), convertendo l'ammonio in nitrato, ma contribuendo anche alla lavorazione del particolato e dei rifiuti disciolti nel sistema (Bittsanszky et al. 2016). L'assorbimento delle piante di N e P rappresenta solo una frazione della quantità rimossa dall'acqua (Trang e Brix 2014), indicando che i processi microbici nella zona radicale delle piante, e nel substrato (se presente) e in tutto il sistema, svolgono un ruolo importante.

   La composizione dei mangimi per pesci dipende dal tipo di pesce e questo influenza il rilascio di nutrienti dalla produzione metabolica del pesce. Tipicamente, il mangime per pesci contiene una fonte di energia (carboidrati e/o lipidi), aminoacidi essenziali, vitamine, così come altre molecole organiche necessarie per il normale metabolismo, ma alcune che le cellule del pesce non possono sintetizzare. Inoltre, si deve tener conto del fatto che le esigenze nutrizionali di una pianta variano a seconda delle specie (Nozzi et al. 2018), della varietà, della fase del ciclo di vita, della durata del giorno e delle condizioni meteorologiche e che recentemente (Parent et al. 2013; Baxter 2015), la legge di Liebig (la crescita delle piante è controllata dalla risorsa più scarsa) ha è stato sostituito da algoritmi complessi che considerano le interazioni tra i singoli nutrienti. Entrambi questi aspetti non consentono una semplice valutazione degli effetti delle variazioni delle concentrazioni di nutrienti nei sistemi idroponici o AP.

   Si pone quindi la questione se sia necessario ed efficace aggiungere sostanze nutritive ai sistemi AP. Come riportato da Bittsanszky et al. (2016), i sistemi AP possono essere utilizzati in modo efficiente e quindi con successo solo se si presta particolare attenzione attraverso il monitoraggio continuo della composizione chimica dell'acqua di ricircolo per ottenere concentrazioni e rapporti adeguati dei nutrienti e del componente potenzialmente tossico, ammonio. La necessità di aggiungere sostanze nutritive dipende dalle specie vegetali e dallo stadio di crescita. Spesso, sebbene la densità del pesce sia ottimale per l'apporto di azoto, l'aggiunta di P e K con fertilizzanti minerali, almeno, dovrebbe essere effettuata (Nicoletto et al. 2018). A differenza, per esempio, della lattuga, dei pomodori che hanno bisogno di dare frutti, maturare e maturare, hanno bisogno di nutrienti supplementari. Per calcolare queste esigenze, è possibile utilizzare un software, come Hydrobuddy che è un software libero (Fernandez 2016) che viene utilizzato per calcolare la quantità di integratori nutritivi minerali richiesti.

5. 4.5 Disinfezione della soluzione nutritiva a ricircolo

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

   Per ridurre al minimo il rischio di diffusione di agenti patogeni del suolo, è necessaria la disinfezione della soluzione nutritiva circolante (Postma et al. 2008). Il trattamento termico (Runia et al. 1988) è stato il primo metodo utilizzato. Van Os (2009) ha fatto una panoramica dei metodi più importanti e una sintesi è riportata di seguito. Il ricircolo della soluzione nutritiva apre possibilità di risparmiare sull'acqua e sui fertilizzanti (Van Os 1999). Il grande svantaggio del ricircolo della soluzione nutritiva è il crescente rischio di diffusione di patogeni trasportati dalle radici in tutto il sistema di produzione. Per ridurre al minimo tali rischi, la soluzione deve essere trattata prima del riutilizzo. L'uso di pesticidi per tale trattamento è limitato in quanto non sono disponibili pesticidi efficaci per tutti questi agenti patogeni e, se disponibili, può apparire una resistenza e la legislazione ambientale limita lo scarico di acqua con pesticidi (e sostanze nutritive) nell'ambiente (Parlamento europeo e Consiglio europeo 2000). Inoltre, nei sistemi AP, l'uso di pesticidi esercita effetti negativi sulla salute dei pesci e non può essere effettuato, anche se parti idroponiche e AP del sistema si trovano in ambienti diversi, poiché la spruzzatura di sostanze chimiche può entrare nella soluzione nutritiva tramite acqua di condensazione o spruzzatura diretta sul substrato lastre. In considerazione di ciò, è possibile adottare un approccio di controllo biologico per gestire le malattie parassitarie, accessibile tramite il Fact Sheet (EU Aquaponics Hub) dell'EU Aquaponics Hub (EU Aquaponics Hub). Allo stesso tempo, problemi simili possono essere osservati per il trattamento dei pesci con farmaci veterinari che non sono compatibili con il ciclo della pianta.

   4.5.1 Descrizione dei metodi di disinfezione

   La disinfezione della soluzione nutritiva circolante dovrebbe avvenire continuamente. Tutti gli scarichi restituiti (10—12 ore durante il giorno) devono essere trattati entro 24 ore. Per una serra di 1000 msup2/sup in un substrato di coltivazione (lana di roccia, cocco, perlite), è necessaria una capacità di disinfezione di circa 1—3 msup3/sup al giorno per disinfettare un surplus stimato necessario pari al 30% dell'acqua fornita con gocciolamento irrigazione alle piante di pomodoro durante un periodo di 24 ore in condizioni estive. A causa del tasso di ritorno variabile dell'acqua di scarico, è necessario un serbatoio di raccolta sufficientemente grande per l'acqua di scarico in cui l'acqua viene immagazzinata prima di essere pompata nell'unità di disinfezione. Dopo la disinfezione è necessario un altro serbatoio per conservare l'acqua pulita prima di regolare CE e pH e miscelare con acqua nuova per fornire agli impianti. Entrambi i serbatoi hanno una dimensione media di 5 msup3/sup per 1000 msup2/sup. In un sistema di film nutriente (NFT), circa 10 msup3/sup al giorno devono essere disinfettati ogni giorno. Si ritiene generalmente che tale capacità sia antieconomica da disinfettare (Ruijs 1994). DFT richiede un trattamento simile. Questo è il motivo principale per cui le unità di produzione NFT e DFT normalmente non disinfettano la soluzione nutritiva. La disinfezione viene effettuata con metodi non chimici o chimici come segue:

   4.5.1.1 Metodi non chimici

   In generale, questi metodi non alterano la composizione chimica della soluzione e non vi è accumulo di residui:

   1. Trattamento termico. Il riscaldamento dell'acqua di scarico a temperature abbastanza elevate da sradicare batteri e agenti patogeni è il metodo più affidabile per la disinfezione. Ogni tipo di organismo ha la sua temperatura letale. I batteri non spore hanno temperature letali tra 40 e 60 ˚C, funghi tra 40 e 85 ˚C, nematodi tra 45 e 55° C e virus tra 80 e 95° C (Runia et al. 1988) ad un tempo di esposizione di 10 s. Generalmente, il punto impostato della temperatura di 95 C è abbastanza alto da uccidere la maggior parte degli organismi che sono Può causare malattie con un tempo minimo di 10 s. Anche se questo può sembrare molto intenso, va notato che l'energia viene recuperata e riutilizzata con scambiatori di calore. La disponibilità di una fonte di energia a basso costo è di maggiore importanza per l'applicazione pratica.

   2. Radiazione UV. La radiazione UV è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda compresa tra 200 e 400 nm. Lunghezze d'onda comprese tra 200 e 280 nm (UV-C), con una temperatura ottimale di 254 nm, hanno un forte effetto di abbattimento sui microrganismi, perché riduce al minimo la moltiplicazione delle catene del DNA. Sono necessari diversi livelli di radiazioni per diversi organismi in modo da ottenere lo stesso livello di efficacia. Runia (1995) raccomanda una dose che varia da 100 mJ cmsup-2/sup per eliminare batteri e funghi a 250 mJ cmsup-2/sup per eliminare i virus. Queste dosi relativamente elevate sono necessarie per compensare le variazioni di torbidità dell'acqua e le variazioni di penetrazione dell'energia nella soluzione a causa della bassa turbolenza intorno alla lampada UV o delle variazioni di uscita dalla lampada UV. Zoschke et al. (2014) hanno rivisto che l'irradiazione UV a 185 e 254 nm offre il controllo e la disinfezione dei contaminanti organici dell'acqua. Inoltre, Moriarty et al. (2018) hanno riferito che la radiazione UV ha inattivato in modo efficiente i coliformi nei sistemi AP.

   3. Filtrazione. La filtrazione può essere utilizzata per rimuovere qualsiasi materiale non disciolto dalla soluzione nutritiva. Sono disponibili vari tipi di filtri in relazione alla gamma di granulometrie. I filtri a sabbia rapidi sono spesso utilizzati per rimuovere particelle di grandi dimensioni dall'acqua di scarico prima di aggiungere, misurare e controllare EC, pH e l'applicazione di nuovi fertilizzanti. Dopo aver superato l'unità fertilizzante, spesso un filtro sintetico fine (50-80 um) è costruito nel flusso d'acqua per rimuovere i sali di fertilizzanti non disciolti o precipitati per evitare l'intasamento dei gocciolatori di irrigazione. Questi filtri sintetici sono utilizzati anche come pretrattamento per metodi di disinfezione con trattamento termico, trattamento con ozono o radiazioni UV. Con una riduzione delle dimensioni dei pori di filtrazione, il flusso viene inibito, in modo che la rimozione di particelle molto piccole richieda una combinazione di filtri adeguati e alta pressione seguita da una pulizia frequente del filtro o dei filtri. La rimozione di agenti patogeni richiede dimensioni relativamente piccole dei pori (\ 10 μm; la cosiddetta micro-, ultra- o nanofiltrazione).

   4.5.1.2 Metodi chimici

   1. _ozono (o<sub3/sub) _. L'ozono è prodotto da aria secca ed elettricità utilizzando un ozonegeneratore (conversione 3OSub2/sub → 2OSub3/sub). L'aria arricchita di ozono viene iniettata nell'acqua che viene disinfettata e conservata per un periodo di 1 ora. Runia (1995) ha concluso che una fornitura di ozono di 10 g all'ora per msup3/sup acqua di scarico con un tempo di esposizione di 1 ora è sufficiente per eliminare tutti gli agenti patogeni, compresi i virus. Nicoletto et al. (2017) ha osservato anche la riduzione delle popolazioni microbiche nella produzione vegetale nei sistemi privi di suolo gestiti con l'ozono. Evitare l'esposizione umana all'ozono che fuoriesce dal sistema o dai serbatoi di stoccaggio poiché anche un breve tempo di esposizione di una concentrazione di 0,1 mg di LSUP-1/SUP di ozono può causare irritazione delle mucose. Uno svantaggio dell'uso dell'ozono è che reagisce con chelato di ferro, come fa i raggi UV. Di conseguenza, sono necessari dosaggi più elevati di ferro e devono essere prese misure per trattare i depositi di ferro nel sistema. Una ricerca recente (Van Os 2017) con installazioni contemporanee di ozono sembra promettente, dove si ottiene la completa eliminazione degli agenti patogeni e la degradazione dei restanti pesticidi, senza problemi di sicurezza.

   2. _Perossido di idrogeno (HSub2/subosub2/sub) _. Il perossido di idrogeno è un agente ossidante forte e instabile che reagisce per formare Hsub2/subo e un radicale O. Commercialmente i cosiddetti attivatori vengono aggiunti alla soluzione per stabilizzare la soluzione originale e aumentare l'efficacia. Gli attivatori sono per lo più acido formico o acido acetico, che riducono il pH nella soluzione nutritiva. Sono raccomandati dosaggi diversi (Runia 1995) contro Pythium spp. (0,005%), altri funghi (0,01%), come Fusarium, e virus (0,05%). La concentrazione dello 0,05% è dannosa anche per le radici delle piante. Il perossido di idrogeno è particolarmente utile per la pulizia del sistema di irrigazione, mentre l'uso per la disinfezione è stato assunto con altri metodi. Il metodo è considerato economico, ma non efficiente.

   3. Ipoclorito di sodio (NaoCl) _. L'ipoclorito di sodio è un composto con nomi commerciali diversi (ad esempio candeggina domestica) con concentrazioni diverse ma con la stessa struttura chimica (NaoCl). È ampiamente usato per il trattamento delle acque, specialmente nelle piscine. Il prodotto è relativamente economico. Quando aggiunto all'acqua, l'ipoclorito di sodio si decompone in HoCl e NaOH e a seconda del pH in Oclsup-/SUP; quest'ultimo si decompone in Cl e Osup. /sup per una forte ossidazione. Reagisce direttamente con qualsiasi sostanza organica e, se c'è abbastanza ipoclorito, reagisce anche con gli agenti patogeni. Le Quillec et al. (2003) hanno dimostrato che la tenabilità dell'ipoclorito dipende dalle condizioni climatiche e dalle relative reazioni di decomposizione. Le alte temperature e il contatto con l'aria causano una rapida decomposizione, alla quale Naclosub3/sub si forma con proprietà fitotossiche. Runia (1995) ha dimostrato che l'ipoclorito non è efficace per eliminare i virus. La clorazione con una concentrazione di 1—5 mg Cl LSUP-1/SUP e un tempo di esposizione di 2 h ha ottenuto una riduzione del 90-99,9% di Fusarium oxysporum, ma alcune spore sono sopravvissute a tutte le concentrazioni. Devono essere adottate misure di sicurezza per lo stoccaggio e la movimentazione sicuri. L'ipoclorito potrebbe funzionare contro un certo numero di agenti patogeni, ma non tutti, ma allo stesso tempo, la concentrazione di Nasup+/SUP e clsup-/SUP è aumentata in un sistema di coltivazione chiuso che porterà anche a livelli che diminuiscono la produttività del raccolto e nel momento in cui la soluzione nutritiva deve essere lisciviata. Nonostante gli inconvenienti di cui sopra, il prodotto viene utilizzato e raccomandato dagli operatori commerciali come metodo economico e utile.

   4.5.2 Metodi chimici e non chimici

   I coltivatori preferiscono metodi di disinfezione con prestazioni eccellenti in combinazione con bassi costi. Una buona prestazione può essere descritta eliminando gli agenti patogeni con una riduzione del 99,9% (o una riduzione di log 3) combinata con un processo chiaro, comprensibile e controllabile. I bassi costi sono preferibilmente combinati con bassi investimenti, bassi costi di manutenzione e nessuna necessità per il coltivatore di eseguire come specialista di laboratorio. Trattamento termico, radiazioni UV e trattamento con ozono mostrano buone prestazioni. Tuttavia, gli investimenti nel trattamento dell'ozono sono molto elevati e comportano costi annui elevati. Anche il trattamento termico e le radiazioni UV hanno costi annuali elevati, ma gli investimenti sono inferiori, mentre il processo di eliminazione è facile da controllare. Questi ultimi due metodi sono più popolari tra i coltivatori, specialmente nei vivai più grandi di 1 o 2 ettari. La filtrazione lenta a sabbia è meno perfetta in termini di prestazioni, ma ha costi annuali notevolmente inferiori. Questo metodo potrebbe essere raccomandato per i produttori di dimensioni inferiori a 1 ha e per i coltivatori con capitale d'investimento inferiore, poiché i filtri a sabbia possono essere costruiti dal coltivatore stesso. L'ipoclorito di sodio e il perossido di idrogeno sono anche metodi economici, ma le prestazioni sono insufficienti per eliminare tutti gli agenti patogeni. Inoltre si tratta di un biocida e non di un pesticida, il che significa che per legge, almeno nell'Unione europea, è legalmente vietato utilizzarlo per eliminare gli agenti patogeni.

   4.5.3 Biofouling e pretrattamento

   I metodi di disinfezione non sono molto selettivi tra agenti patogeni e altro materiale organico nella soluzione. Pertanto, il pretrattamento (filtri a sabbia rapidi o filtri meccanici da 50 a 80 um) della soluzione prima della disinfezione è raccomandato durante il trattamento termico, la radiazione UV e il trattamento con ozono. Se dopo la disinfezione i residui dei metodi chimici rimangono nell'acqua, essi possono reagire con i biofilm che si sono formati nelle tubazioni dei sistemi di irrigazione. Se il biofilm viene rilasciato dalle pareti dei tubi, verranno trasportati ai gocciolatori e causeranno l'intasamento. Diversi metodi ossidanti (ipoclorito di sodio, perossido di idrogeno con attivatori, biossido di cloro) sono principalmente utilizzati per pulire le tubazioni e le attrezzature, e questi creano un rischio speciale per intasare i gocciolatori nel tempo.