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Capitolo 5: Acquaponica: Le basi

1. 5.1 Introduzione

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

   L'acquaponica è una tecnologia che è un sottoinsieme di un approccio agricolo più ampio noto come sistemi agroacquacoltura integrati (IAAS) (Gooley e Gavine 2003). Questa disciplina consiste nell'integrare pratiche di acquacoltura di varie forme e stili (per lo più l'allevamento di pinne) con la produzione agricola vegetale. La logica dei sistemi agro-acquacoltura integrati è quella di sfruttare le risorse condivise tra acquacoltura e produzione vegetale, quali acqua e sostanze nutritive, per sviluppare e realizzare pratiche di produzione primaria economicamente redditizie e più sostenibili dal punto di vista ambientale (Gooley e Gavine 2003). In sostanza, sia i sistemi di produzione di piante terrestri che di animali acquatici condividono una risorsa comune: l'acqua. Generalmente le piante consumano acqua attraverso la traspirazione e la rilasciano nell'ambiente gassoso circostante, mentre i pesci sono generalmente meno consumatori di acqua, ma la loro coltura contenuta produce flussi di acque reflue sostanziali a causa dei rifiuti metabolici accumulati. Pertanto, l'acquacoltura può essere integrata nel percorso di approvvigionamento idrico della produzione vegetale in modo non consumativo, in modo che due colture (pesci e piante) possano essere prodotte da una fonte d'acqua generalmente utilizzata per produrre una sola coltura (piante).

   Un interessante vantaggio aggiuntivo dell'integrazione dell'acquacoltura con il percorso di approvvigionamento di irrigazione per la produzione vegetale è che l'acquacoltura produce anche nutrienti di scarto attraverso i rifiuti disciolti e non disciolti prodotti dal metabolismo dei pesci (e di altri animali acquatici). Pertanto, l'acquacoltura può anche produrre flussi di nutrienti di scarto che sono adatti alla produzione vegetale, contribuendo al fabbisogno di nutrienti delle piante.

   I vantaggi prodotti dall'integrazione dell'acquacoltura con i sistemi convenzionali di produzione di impianti terrestri e acquatici sono stati sintetizzati da Gooley e Gavine (2003) come:

   1. Aumento della produttività e della redditività delle aziende agricole senza alcun aumento netto del consumo di acqua (cap. 2).

   2. Diversificazione delle aziende agricole in colture di maggior valore, comprese le specie acquatiche di alto valore.

   3. Riutilizzo di risorse altrimenti sprecate nell'azienda agricola (ad esempio cattura e riutilizzo di sostanze nutritive e acqua).

   4. Riduzione degli impatti ambientali netti delle pratiche agricole semiintensive e intensive.

   5. Vantaggi economici netti compensando il capitale aziendale esistente e le spese operative (cap. 18).

   Si dice che l'acquaponica si sia evoluta da pratiche agricole relativamente antiche associate all'integrazione della cultura ittica con la produzione vegetale, in particolare quelle sviluppate nel sud-est asiatico, nel contesto dell'allevamento di risaie inondate e nelle pratiche sudamericane di Chinampa, isola galleggiante, agricoltura ( Komives e Junge 2015). In realtà, storicamente, i pesci venivano raramente aggiunti attivamente alle risaie fino all'Ottocento (Halwart e Gupta 2004) ed erano presenti in bassissime densità che non contribuivano ad alcun sostanziale aiuto nutritivo alle piante. Cinampas sono stati tradizionalmente costruiti sui laghi in Messico dove nutriente

   i vantaggi possono essere stati forniti attraverso i sedimenti eutrofici o semi-eutrofici del lago piuttosto che direttamente da qualsiasi sistema di produzione ittica progettato o attivamente integrato (Morehart 2016; Baquedano 1993).

   L'acquaponica moderna è iniziata negli Stati Uniti negli anni '70 ed è stata co-evoluta da diverse istituzioni interessate a pratiche agricole più sostenibili. Il primo lavoro importante è stato svolto da diversi ricercatori, ma alla fine, il progenitore di quasi tutte le moderne acquaponiche è pensato per essere il lavoro svolto da, e i sistemi prodotti da, James Rakocy e il suo team presso l'Università delle Isole Vergini (UVI) a partire dai primi anni '80 (Lennard 2017).

   L'acquaponica è ora considerata un'industria nuova ed emergente con un posto rilevante nel più ampio contesto della produzione agricola globale e vi sono una serie di variazioni della tecnologia di integrazione della cultura ittica con la cultura delle piante acquatiche che sono definite collettivamente sotto il banner o il nome dell'acquaponica ( Knaus e Palm 2017). Pertanto, l'acquaponica cerca di integrare la produzione animale di acquacoltura con la produzione vegetale idroponic* utilizzando vari metodi per condividere acqua e risorse nutritive tra i principali componenti di produzione per produrre pesce e prodotti vegetali commerciali e vendibili.

2. 5.2 A Definizione di acquaponica

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

   L'acquaponica si inserisce nella definizione più ampia di sistemi agro-acquacoltura integrati (IAAS). Tuttavia, l'IAAS applica molte diverse tecnologie per la produzione di animali acquatici e vegetali in molti contesti, mentre l'acquaponica è molto più strettamente associata all'integrazione delle tecnologie di coltura ittica basate su serbatoi (ad esempio sistemi di acquacoltura a ricircolo; RAS) con tecnologie di coltura acquatica o idroponica ( Lennard 2017). Le tecnologie RAS applicano metodi standard e conservati per la coltura del pesce in vasche con filtrazione applicata per controllare e modificare la chimica dell'acqua per renderlo adatto ai pesci (ad esempio, rimozione rapida ed efficiente dei rifiuti solidi di pesce, conversione efficace e batteriamediata di rifiuti potenzialmente tossici disciolti ammoniaca a nitrato meno tossico e mantenimento dell'ossigeno mediante aerazione assistita o gas di ossigeno iniettato direttamente) (Timmons et al. 2002). Le tecnologie idroponiche e di coltura del substrato applicano metodi standard e conservati per la coltura di piante terrestri commestibili all'interno di ambienti acquatici (cioè le piante ottengono accesso ai nutrienti necessari per la crescita tramite un metodo di erogazione a base d'acqua) (Resh 2013).

   L'associazione dell'acquaponica con l'acquacoltura RAS standard e la coltura idroponica/substrato significa che l'acquaponica è spesso definita semplicemente come «... la combinazione di produzione ittica (acquacoltura) e idroponica di coltivazione senza suolo sotto circolazione d'acqua accoppiata o disaccoppiata» (Knaus e Palm 2017). Questa ampia definizione pone l'accento sull'integrazione di hardware, apparecchiature o tecnologie e pone poco, se del caso, l'accento su altri aspetti del metodo.

   Poiché l'acquaponica è una tecnologia relativamente nuova su scala industriale che applica metodi e approcci diversi, la definizione applicata appare molto ampia. Alcuni definiscono l'acquaponica solo all'interno di un contesto di ricircolo (Cerozi e Fitzsimmons 2017), alcuni si concentrano su approcci che non restituiscono l'acqua dalle piante ai pesci (Delaide et al. 2016) e altri includono sia metodi di ricircolo che disaccoppiamento (Knaus e Palm 2017). Inoltre, alcuni ricercatori stanno includendo l'uso di effluenti di acquacoltura irrigati alla produzione di colture a base di suolo con il titolo aquaponico (Palm et al. 2018). Storicamente, l'acquaponica, come suggerisce la ripartizione della parola (aquacultura e idroponics), è stata definita come solo per l'acquacoltura e la produzione di piante idroponiche (Rakocy e Hargreaves 1993), per cui gli attuali tentativi di associazione con la cultura del suolo sembrano incongrui.

   

   Fig. 5.1 Rappresentazione schematica dei flussi di nutrienti all'interno di un sistema acquaponico. Il mangime per pesci è il principale punto di ingresso dei nutrienti. I pesci mangiano il mangime, usano le sostanze nutritive di cui hanno bisogno, rilasciano il resto come rifiuti e questi rifiuti vengono poi suddivisi tra i microbi, le piante e l'acqua del sistema. (adattato da Lennard 2017)

   Mentre i sistemi acquaponici integrano le tecnologie di acquacoltura basate su serbatoi con le tecnologie di coltura idroponica, i sistemi acquaponici funzionano fornendo nutrienti e suddividendo i nutrienti tra gli abitanti della produzione (pesci e piante) e gli abitanti che svolgono servizi biologici e chimici che assistono l'esito dell'abitante di produzione (microflora) (Fig. 5.1) (Lennard 2017). Pertanto, l'acquaponica è più un sistema associato all'apporto di nutrienti, alla dinamica e al partizionamento piuttosto che uno associato alla tecnologia, alle attrezzature o all'hardware applicati?

   Negli ultimi decenni, la definizione di aquaponica ha incluso un tema simile, con sottili variazioni. La definizione più ampia è stata generalmente fornita nelle pubblicazioni scientifiche di Rakocy e del suo team UVI, ad esempio:

   _Aquaponics è la coltura combinata di pesci e piante in sistemi a ricircolo chiuso. _

   — Rakocy e altri (2004a, b)

   Questa definizione iniziale si basava sul presupposto che i sistemi a ciclo unico, a ricircolo completo, costituiti da una componente di acquacoltura a ricircolo e da una componente idroponica, rappresentassero tutti i sistemi acquaponici, cosa che all'epoca lo facevano. Graber e Junge (2009) hanno ampliato la definizione, a causa di cambiamenti e sviluppi nell'approccio, come segue:

   _Aquaponic è una forma speciale di sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS), vale a dire una policcoltura costituita da vasche per pesci (acquacoltura) e piante coltivate nello stesso cerchio idrico (idroponico) . _

   — Graber e Junge (2009)

   I recenti sviluppi e metodi richiedono una riconsiderazione di questo punto di vista. Negli ultimi anni è stato presente uno spostamento del focus dell'acquaponica verso un sistema produttivo che affronta sia la responsabilità ecologica che la sostenibilità economica. Kloas et al. (2015) e Suhl et al. (2016) sono stati tra i primi ad affrontare questa considerazione economica:

   _ [...] un sistema acquaponico a doppio ricircolo unico ed innovativo è stato sviluppato come prerequisito per una produttività elevata paragonabile a quella professionale autonoma per pesci/impianti. _

   — Suhl e altri (2016)

   Il problema della definizione, o chiarire «ciò che può essere definito acquaponica», è stato un punto di discussione negli ultimi anni. Una delle principali aree di sviluppo è stata quella dei sistemi acquaponici multi-loop (o disaccoppiati) che mirano a fornire fertilizzanti aggiuntivi alle piante per esporle a una concentrazione ottimale di nutrienti (Goddek 2017). Non ci dovrebbe essere opposizione tra le ideologie di metodologie acquaponiche a ricircolo completo e multi-loop, entrambe hanno i loro rispettivi luoghi e applicazioni nel contesto industriale appropriato e un'unica forza trainante comune di entrambe dovrebbe essere che la tecnologia, pur essendo nutriente e acqua efficiente, ha anche bisogno di essere economicamente competitivo per affermarsi sul mercato. Al fine di sostituire le pratiche convenzionali, è necessario offrire più di un'ideologia ai potenziali clienti/utilizzatori, vale a dire fattibilità tecnica ed economica.

   L'European COST sponsorizzato da Aquaponics Hub (COST FA1305 2017) applica la definizione »... un sistema di produzione di organismi acquatici e piante in cui la maggior parte (\ > 50%) dei nutrienti che sostengono la crescita ottimale delle piante deriva dai rifiuti provenienti dall'alimentazione degli organismi acquatici «, che colloca chiaramente un enfasi sull'aspetto della condivisione dei nutrienti della tecnologia.

   Occorre inoltre precisare che la proporzione di pesce rispetto alle piante deve rimanere ad un livello che favorisca una prospettiva fondamentale dell'acquaponica; che le piante vengono coltivate utilizzando rifiuti ittici. Un sistema contenente un pesce e diversi ettari di coltivazione di piante idroponiche, ad esempio, non dovrebbe essere considerato acquaponica, semplicemente perché un pesce non contribuisce efficacemente al fabbisogno nutritivo delle piante. Poiché l'etichettatura dei prodotti acquaponici svolge un ruolo sempre più importante nella scelta dei consumatori, vogliamo incoraggiare una discussione ridefinendo l'acquaponica basata su questi molteplici sviluppi della tecnologia. Anche se chiediamo di chiudere il ciclo dei nutrienti al più alto grado possibile nel contesto dei mezzi migliori praticabili, una definizione potenziale dovrebbe anche prendere in considerazione tutti gli sviluppi.

   Pertanto, la definizione dovrebbe contenere come minimo il requisito per la maggior parte dei nutrienti derivati dall'acquacoltura per le piante. Una nuova definizione può pertanto essere rappresentata come segue:

   Aquaponics uis/u definita come un sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) e un'unità idroponica connessa, in cui l'acqua per la coltura è condivisa in qualche configurazione tra le due unità. fornito alle piante dovrebbe essere rifiuti di pesce derivati/u.

   Le definizioni basate sui nutrienti sono aperte e non giudicanti per la scelta della tecnologia applicata, o anche per le proporzioni di ciascun componente (pesci e piante), a condizione che si utilizzi la coltura ittica e una qualche forma di tecnologia di produzione vegetale acquatica (idroponica o substrato). Tuttavia, concentra anche la definizione sulle dinamiche dei nutrienti e sugli aspetti di condivisione dei nutrienti dei metodi applicati e quindi assicura, almeno in una certa misura, che i vantaggi spesso associati all'acquaponica (risparmio idrico, efficienza dei nutrienti, impatto ambientale ridotto, sostenibilità) siano presenti in una certa proporzione.

   La definizione di associazione nutriente applicata all'acquaponica sarà sempre fonte di ulteriore contesa tra coloro che la praticano. Ciò è supportato dal fatto che il nome aquaponics viene applicato a una vasta gamma di tecnologie diverse con diverse motivazioni di approvvigionamento di nutrienti e risultati di utilizzo: dai progetti e dai metodi di sistema che si aspettano, se non richiedono, che la stragrande maggioranza dei nutrienti necessari per far crescere le piante nasca dal rifiuti di pesce (in alcuni casi, superiori al 90%; Lennard 2017) a progetti che condividono l'apporto di nutrienti vegetali tra rifiuti di pesce e aggiunte esterne più sostanziali (ad esempio circa 50:50 rifiuti di pesce verso l'integrazione esterna — come fanno molti moderni progetti europei disaccoppiati sistemi acquaponici; COST FA1305 2017) a quei disegni che aggiungono così pochi pesci che non è presente alcun apporto di nutrienti distinguibile dagli scarti di pesce alle piante (Lennard 2017).

   Il nome aquaponics, fino a poco tempo fa (cioè negli ultimi 3-5 anni), è stato universalmente applicato a progetti di sistemi accoppiati e a ricircolo completo che cercano di fornire quanto più possibile la nutrizione vegetale richiesta dai rifiuti ittici (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard 2017) (Fig. 5.2).

   

   Fig. 5.2 Schema semplificato dei flussi d'acqua principali all'interno di un sistema acquaponico accoppiato. Le concentrazioni di nutrienti nell'acqua di processo sono distribuite equamente in tutto il sistema

   Tuttavia, gli approcci disaccoppiati rappresentano ora una parte dei sistemi oggetto di ricerca o di applicazione commerciale, soprattutto in Europa, e nella pratica attuale non forniscono il fabbisogno di nutrienti vegetali dai rifiuti ittici nella stessa misura dei sistemi a ricircolo completo (Lennard 2017; Goddek e Keesman 2018 ). Ad esempio, Goddek e Keesman (2018) affermano che per 3 esempi di attuali progetti europei di sistemi acquaponici disaccoppiati, i requisiti relativi per l'aggiunta di sostanze nutritive esterne derivate dall'idroponico sono del 40 -60% (NerBreen), del 60% (Tilamur) e del 38,1% (IGB Berlin). Poiché questi progetti disaccoppiati si basano sull'integrazione delle tecnologie RAS esistenti e di coltura idroponica/substrato, essi sono considerati di natura acquaponica (Delaide et al. 2016) (Fig. 5.3) (cfr. cap. 8).

   La definizione di acquaponica è ora ampliata oltre i driver ecologici, idrici e di ottimizzazione per includere anche i driver economici (Goddek e Körner 2019; Goddek e Keesman 2018; Goddek 2017; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016; Yogev et al. 2016) (Chap. 8). I vantaggi di tale approccio sono che un risultato economico positivo della tecnologia acquaponica è importante tanto quanto le sue credenziali biologiche, chimiche, ingegneristiche, ecologiche e sostenibili e, pertanto, il risultato economico dovrebbe svolgere un ruolo all'interno della definizione generale (cap. 8).

   Molti vantaggi sono spesso associati all'acquaponica, soprattutto in termini di efficienza nell'uso dell'acqua, efficienza nell'uso dei nutrienti, natura sostenibile, capacità di produrre due colture da un'unica fonte di input (mangimi per pesci) e impatto ambientale ridotto (Timmons, et al., 2002; Buzby e Lian-shin 2014; Wongkiew et al. 2017; Roosta e Hamidpour 2011; Suhl et al. 2016). Questi vantaggi sono regolarmente citati e applicati dagli operatori commerciali acquaponici e sono utilizzati come un percorso di commercializzazione e di regolamentazione dei prezzi per i prodotti (pesci e piante), e quindi, l'uso della denominazione «aquaponics» direttamente e immediatamente associa che i prodotti etichettati come tali sono stati prodotti con metodi che contengono o utilizzano i vantaggi elencati. Tuttavia, non esiste una regolamentazione formale dell'industria che imponga che l'uso della parola (aquaponica) si verifichi solo quando i vantaggi sono evidenti e presenti all'interno della tecnologia e dei metodi applicati. Se i vantaggi di cui sopra sono assegnati all'aquaponica come tecnologia, allora sicuramente la tecnologia dovrebbe fornire i vantaggi prescritti, e se la tecnologia non fornisce i vantaggi, allora la parola non dovrebbe essere applicata (Lennard 2017).

   

   Fig. 5.3 Schema semplificato dei flussi d'acqua principali all'interno di un sistema acquaponico disaccoppiato. Le concentrazioni di nutrienti in ciascun componente possono essere adattate separatamente al fabbisogno dei singoli componenti

   Poiché l'acquaponica può essere definita sia in termini di aspetti di integrazione hardware (RAS con idroponica), di proprietà di condivisione dei nutrienti o di partizionamento o di capacità di fornire importanti vantaggi, esiste ancora un ampio spettro di possibili applicazioni del nome a molte diverse tecniche approcci che utilizzano metodi diversi e richiedono risultati diversi. Pertanto, sembra che la definizione effettiva di acquaponica sia ancora irrisolta.

   Sembra quindi che le domande molto importanti debbano ancora essere risolte: cos'è l'acquaponica e come viene definita?

   Ciò suggerirebbe che un aspetto molto importante da considerare per l'industria acquaponica è lo sviluppo di una definizione veritiera e concordata. L'industria acquaponica in generale continuerà a essere piena di disaccordo se non si concorda una definizione e, cosa ancora più importante, i consumatori dei prodotti prodotti prodotti all'interno dei sistemi acquaponici diventeranno sempre più confusi riguardo a ciò che effettivamente è l'acquaponica, uno stato di cose che non aiuterà la crescita e l'evoluzione del settore.

3. 5.3 Principi generali

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   Anche se la definizione di acquaponica non è stata completamente risolta, esistono alcuni principi generali associati all'ampia gamma di metodi e tecnologie acquaponiche.

   L'utilizzo dei nutrienti aggiunti al sistema acquaponico nel modo più ottimale ed efficiente possibile per produrre i due prodotti principali dell'impresa (ossia biomassa ittica e vegetale) è un primo principio importante e condiviso associato alla tecnologia (Rakocy e Hargreaves 1993; Delaide et al. 2016; Knaus e Palm 2017). Non serve aggiungere sostanze nutritive (che possiedono un costo intrinseco in termini di denaro, tempo e valore) a un sistema per osservare un'alta percentuale di tali sostanze nutritive sono suddivise in processi, requisiti o risultati che non sono direttamente associati ai pesci e alle piante prodotte, o a qualsiasi vita intermedia forme che possono favorire l'accesso dei nutrienti da parte dei pesci e delle piante (ad esempio microrganismi — batteri, funghi, ecc.) (Lennard 2017). Pertanto, probabilmente il principio generale più importante associato all'acquaponica è quello di utilizzare i nutrienti applicati nel modo più efficiente possibile per ottenere una produzione ottimizzata sia dei pesci che delle piante.

   Lo stesso argomento può essere applicato anche al fabbisogno idrico del sistema acquaponico in questione; ancora una volta, l'acqua aggiunta al sistema dovrebbe essere utilizzata principalmente dai pesci e dalle piante e utilizzata nel modo più efficiente possibile e non permettere perdite a processi, forme di vita o risultati che non sono direttamente associati alla produzione di pesce e piante o possono avere un impatto sull'ambiente circostante (Lennard 2017).

   In termini reali, l'uso efficiente delle sostanze nutritive e dell'acqua porta a diversi principi progettuali ampiamente applicati al metodo aquaponico:

   1. Il principio più importante dell'acquaponica è quello di utilizzare i rifiuti prodotti dai pesci come fonte principale di nutrienti per le piante. In realtà, questa è l'intera idea dell'aquaponica e quindi dovrebbe essere un driver di primo ordine per il metodo. L'acquaponica era storicamente concepita come un sistema per la coltivazione di piante che utilizzano rifiuti di acquacoltura ittica, in modo che tali rifiuti di acquacoltura avessero meno impatto ambientale e fossero considerati come una merce positiva e redditizia, piuttosto che un prodotto di scarto fastidioso con un costo associato per soddisfare le normative ambientali requisiti (Rakocy e Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   2. La progettazione del sistema dovrebbe incoraggiare l'uso di tecnologie di allevamento e di coltura delle piante che non assorbono intrinsecamente o distruttivamente l'acqua o le risorse nutritive aggiunte. Ad esempio, i componenti per la conservazione dei pesci basati sull'utilizzo di stagni di terra sono scoraggiati, perché lo stagno di terra ha la capacità di utilizzare e rendere non disponibili acqua e risorse nutritive ai pesci e alle piante associati, riducendo così l'efficienza di utilizzo dell'acqua e dei nutrienti del sistema. Allo stesso modo, i metodi di coltura delle piante idroponiche non dovrebbero utilizzare mezzi che assorbono quantità eccessive di sostanze nutritive o acqua e li rendono inaccessibili alle piante (Lennard 2017).

   3. La progettazione del sistema non deve sprecare sostanze nutritive o acqua attraverso la produzione di flussi di rifiuti esterni. Principalmente, se l'acqua e i nutrienti lasciano il sistema attraverso un flusso di rifiuti, allora quell'acqua e quei nutrienti non vengono utilizzati per la produzione di pesce o di piante, e quindi l'acqua e questi nutrienti vengono sprecati e il sistema non è il più efficiente possibile. Inoltre, la produzione di un flusso di rifiuti può avere un potenziale impatto ambientale. Se le acque reflue e le sostanze nutritive lasciano il sistema acquaponico, dovrebbero essere utilizzate in tecnologie alternative per la produzione di impianti da esterno a sistema, in modo che acqua e sostanze nutritive non vengano sprecati, contribuiscano alla produzione complessiva di biomassa commestibile o vendibile e non presentino un potenziale di impatto ambientale più ampio ( Tyson et al. 2011).

   4. Il sistema deve essere progettato per abbassare o idealmente, negare completamente, l'impatto ambientale diretto da acqua o sostanze nutritive. Un obiettivo di primo ordine dell'acquaponica è quello di utilizzare i rifiuti prodotti dal pesce come fonte nutriente per le piante in modo da negare il rilascio di tali nutrienti direttamente nell'ambiente circostante dove possono causare impatti (Tyson et al. 2011).

   5. I progetti di sistemi Aquaponic dovrebbero idealmente prestarsi ad essere collocati all'interno di strutture e situazioni controllate dall'ambiente (ad esempio serre, locali per pesci). Ciò consente il potenziale di ottenere i migliori tassi produttivi di pesce e piante dal sistema. La maggior parte dei progetti acquaponici sono relativamente elevati in termini di costi di capitale e costi di produzione correnti, e quindi la capacità di ospitare il sistema in un ambiente perfetto aumenta i potenziali di profitto che giustificano finanziariamente l'alto capitale e i costi di produzione (Lennard 2017).

   I principi di progettazione sopra delineati si associano direttamente a una serie di principi generali che vengono spesso, ma non sempre, applicati all'ambiente di produzione acquaponica. Questi principi generali riguardano il funzionamento del sistema e il modo in cui i nutrienti vengono porzionati tra il sistema e i suoi abitanti.

   La premessa fondamentale dell'acquaponica, in un contesto dinamico dei nutrienti, è che i pesci vengono nutriti, i pesci metabolizzano e utilizzano i nutrienti nel mangime, i pesci rilasciano rifiuti basati sulle sostanze contenute nel mangime per pesci che non utilizzano (inclusi gli elementi), la microflora acceda a tali rifiuti metabolici dei pesci e utilizza piccole quantità di loro, ma trasformare il resto, e le piante quindi accedere e rimuovere quelli microflora trasformato, rifiuti metabolici di pesce come fonti di nutrienti e, in una certa misura, pulire il mezzo acqua di quei rifiuti e contrastare qualsiasi accumulo associato (Rakocy e Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   Poiché i sistemi di produzione ittica terrestre eliminano autonomamente i nutrienti, l'acquaponica utilizza generalmente quelli che sono noti come principi del sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) per la componente di produzione ittica (Rakocy e Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). I pesci sono tenuti in vasche fatte di materiali che non rimuovono sostanze nutritive dall'acqua (plastica, vetroresina, cemento, ecc.), l'acqua viene filtrata per trattare o rimuovere i prodotti di scarto metabolico del pesce (solidi e gas ammoniaca disciolti) e l'acqua (e le sostanze nutritive associate) viene quindi indirizzata ad una pianta componente colturale in cui le piante utilizzano i rifiuti ittici come parte della loro risorsa nutritiva (Timmons et al. 2002). Per quanto riguarda i pesci, i componenti vegetali a base di terra non vengono utilizzati perché i terreni coinvolti rimuovono i nutrienti e possono non necessariamente renderli completamente disponibili per le piante. Inoltre, le tecniche di coltura delle piante idroponiche non utilizzano il suolo e sono più pulite rispetto ai sistemi a base di suolo e consentono un certo controllo passivo delle miscele di microrganismi presenti.

   Le piante coltivate in idroponica convenzionale richiedono l'aggiunta di quelli che sono noti come fertilizzanti minerali: sostanze nutritive presenti nelle loro forme basali e ioniche (ad esempio nitrati, fosfati, potassio, calcio, ecc. come ioni) (Resh 2013). Al contrario, i sistemi di acquacoltura a ricircolo devono applicare regolari scambi idrici (giornalieri) per controllare l'accumulo di metaboliti dei rifiuti ittici (Timmons et al. 2002). Aquaponics cerca di combinare le due imprese separate per produrre un risultato che raggiunga il meglio delle due tecnologie, pur negando il peggio (Goddek et al. 2015).

   Le piante richiedono una suite di macro e micro elementi per una crescita ottimale ed efficiente. In acquaponica, la maggior parte di questi nutrienti deriva dai rifiuti ittici (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard 2017; COST FA1305 2017). Tuttavia, i mangimi per pesci (la principale fonte di nutrienti del sistema acquaponico) non contengono tutti i nutrienti necessari per ottimizzare la crescita delle piante e, pertanto, è necessaria una nutrizione esterna, in misura variabile.

   L'idroponica standard e la coltura del substrato aggiungono nutrienti all'acqua in forme direttamente disponibili alle piante (cioè forme ioniche e inorganiche prodotte tramite aggiunte di varietà di sale progettate) (Resh 2013). Una parte dei rifiuti rilasciati dai pesci è in forme direttamente disponibili (ad esempio ammoniaca) ma potenzialmente tossiche per i pesci (Timmons et al. 2002). Questi metaboliti di rifiuti ionici disciolti, come l'ammoniaca, vengono trasformati da onnipresenti specie batteriche che sostituiscono gli ioni idrogeno con ioni di ossigeno, il prodotto dell'ammoniaca è nitrato, che è molto meno tossico per i pesci e la fonte di azoto preferita per le piante (Lennard 2017). Altri nutrienti appropriati per l'assorbimento delle piante sono legati nella frazione solida dei rifiuti di pesce come composti organici e richiedono un ulteriore trattamento tramite interazione microbica per rendere i nutrienti disponibili per l'assorbimento delle piante (Goddek et al. 2015). Pertanto, i sistemi aquaponici richiedono una suite di microflora per eseguire queste trasformazioni.

   La chiave per ottimizzare l'integrazione acquaponica consiste nel determinare il rapporto tra la produzione di rifiuti ittici (direttamente influenzata dall'aggiunta di mangimi per pesci) e l'utilizzo di nutrienti vegetali (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard e Leonard 2006; Goddek et al. 2015). Diverse regole empiriche e modelli sono stati sviluppati nel tentativo di definire questo equilibrio. Rakocy et al. (2006) ha sviluppato un approccio che corrisponde al fabbisogno di superficie vegetale con l'apporto giornaliero di mangimi per pesci e lo ha chiamato «Il rapporto Aquaponic Feeding Rate». Il rapporto di alimentazione è fissato tra 60 e 100 grammi di mangime per pesci aggiunti al giorno, per metro quadrato di superficie vegetale (60-100 g/msup2/sup/giorno). Questo rapporto di alimentazione è stato sviluppato utilizzando Tilapia spp. pesce che mangia una dieta commerciale standard, 32% proteine (Rakocy e Hargreaves 1993). Inoltre, il sistema aquaponico a cui questo rapporto è particolarmente indicato (noto come Sistema Aquaponico dell'Università delle Isole Vergini — Sistema UVI) non utilizza la frazione di rifiuti solidi di pesce, è eccessivamente fornito di azoto e richiede una de-nitrificazione passiva nel sistema per controllare il tasso di accumulo di azoto ( Lennard 2017). Altri hanno determinato rapporti alternativi basati su diverse combinazioni di pesci e piante, testati in diverse condizioni specifiche (ad esempio Endut et al. 2010 — 15—42 g/msup2/sup/die per pesci gatto africani, Clarias gariepinus e spinaci d'acqua, Ipomoea aquatica).

   Il rapporto di alimentazione UVI è stato sviluppato da Rakocy e dal suo team come approccio approssimativo; quindi perché è indicato come un intervallo (Rakocy e Hargreaves 1993). Il rapporto UVI cerca di tenere conto del fatto che diverse piante richiedono diverse quantità di nutrienti e miscele e quindi un approccio «generico» alla progettazione acquaponica è una prospettiva difficile. Lennard (2017) ha sviluppato un approccio alternativo che cerca di abbinare direttamente i tassi di produzione dei nutrienti dei rifiuti di pesce (in base al mangime utilizzato e alla conversione e all'utilizzo del pesce di tale mangime) con tassi specifici di assorbimento dei nutrienti vegetali, in modo che il rapporto pesce/pianta esigente corrisponda a qualsiasi le specie ittiche o vegetali scelte possono essere realizzate e contabilizzate nella progettazione del sistema acquaponico. Corrisponde a questo approccio progettuale con un approccio di gestione specifico che utilizza anche tutti i nutrienti disponibili all'interno della frazione di rifiuti solidi ittici (tramite rimineralizzazione aerobica dei rifiuti solidi ittici) e aggiunge solo i nutrienti richiesti dalle specie vegetali prescelte per la coltura che mancano dal frazioni di produzione di rifiuti di pesce. Pertanto, ciò riduce sostanzialmente il rapporto di alimentazione associato (ad esempio meno di 11 g/msup2/sup/giorno per alcune varietà verdi a foglia come equivalente UVI) e consente a qualsiasi specie ittica di essere specificamente ed esattamente abbinata a qualsiasi specie vegetale scelta (Lennard 2017). Allo stesso modo, Goddek et al. (2016) hanno proposto modelli che consentono una determinazione più rigorosa del rapporto pesce/pianta per sistemi acquaponici disaccoppiati.

   I principi generali dell'uso efficiente dei nutrienti, dell'uso basso ed efficiente dell'acqua, dell'impatto ambientale basso o negato, della capacità di allontanarsi dalle risorse tradizionali del suolo e della sostenibilità dell'uso delle risorse sono i principi generali applicati alla progettazione e alla configurazione dei sistemi acquaponici e alla loro l'applicazione dovrebbe essere incoraggiata nel settore e nell'industria.

4. 5.4 Fonti d'acqua

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

   L'acqua è il mezzo chiave utilizzato nei sistemi acquaponici perché è condivisa tra i due componenti principali del sistema (componenti ittici e vegetali), è il principale vettore delle risorse nutritive all'interno del sistema e definisce l'ambiente chimico generale in cui i pesci e le piante sono coltivati. Pertanto, è un ingrediente vitale che può avere una notevole influenza sul sistema.

   In un sistema acquaponico, il contesto ambientale basato sull'acqua, la fonte d'acqua e ciò che tale fonte contiene chimicamente, fisicamente e biologicamente sono una grande influenza sul sistema perché stabilisce una linea di base per ciò che è necessario aggiungere al sistema dai vari input del sistema. Questi input, a loro volta, influenzano e impostano l'ambiente in cui i pesci e le piante sono coltivati all'interno. Ad esempio, alcuni dei principali input in termini di nutrienti per qualsiasi sistema acquaponico includono, ma non sono limitati a, il mangime per pesci (una risorsa nutriente primaria per il sistema), i tamponi applicati (che aiutano a controllare e impostare i valori di pH associati sia ai componenti dei pesci che alle piante) e qualsiasi esterno aggiunte o integrazioni nutritive necessarie per soddisfare il fabbisogno nutritivo dei pesci e delle piante (Lennard 2017).

   I mangimi per pesci sono concepiti per fornire l'alimentazione necessaria per la crescita e la salute dei pesci e quindi contengono miscele e quantità di nutrienti principalmente per aiutare il pesce in coltura (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). Le piante, d'altra parte, hanno un fabbisogno nutritivo diverso per i pesci, e i mangimi per pesci raramente, se mai, soddisfano il fabbisogno nutriente totale delle piante (Rakocy et al. 2006). Per questo motivo, i sistemi acquaponici che coltivano pesci e piante utilizzando esclusivamente risorse nutritive derivate dai mangimi per pesci possono produrre pesce in modo efficiente e ottimale, ma raramente lo fanno per le piante. I migliori sistemi acquaponici riconoscono che il risultato finale è quello di produrre pesci e piante a tassi di crescita ottimali ed efficienti e, pertanto, riconoscono anche che è necessaria una qualche forma di nutrizione supplementare per soddisfare il fabbisogno totale di nutrienti vegetali (Rakocy et al. 2006; Suhl et al. 2016).

   I sistemi acquaponici classici a ricircolo completo si basano generalmente sui mangimi per pesci (dopo che i pesci hanno consumato quel mangime, lo hanno metabolizzato e utilizzato i nutrienti al loro interno) come principale fonte nutritiva per le piante e integrano eventuali nutrienti mancanti richiesti dalle piante attraverso una qualche forma di regime di tampone ( Rakocy et al. 2006) o mediante ulteriore integrazione di nutrienti (ad esempio aggiungendo forme nutritive chelate direttamente all'acqua di coltura o aggiungendo sostanze nutritive tramite spray fogliari) (Roosta e Hamidpour 2011).

   Il miglior esempio di questo approccio acquaponico a ricircolo classico è il sistema acquaponico UVI (Università delle Isole Vergini) sviluppato dal Dr. James Rakocy e dal suo team UVI (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Il design UVI aggiunge principalmente sostanze nutritive sia per la coltura dei pesci che per le piante tramite l'aggiunta di mangimi per pesci. Tuttavia, i mangimi per pesci non contengono abbastanza calcio (CASUP+/SUP) e potassio (KSUP+/SUP) per una coltura vegetale ottimale. La conversione mediata dai batteri degli scarti di pesce ammoniaca coltivata in nitrato provoca la produzione sistemica di ioni idrogeno all'interno della colonna d'acqua, e la proliferazione di questi ioni idrogeno determina una costante diminuzione del pH dell'acqua del sistema verso l'acido. Il regime di tamponamento utilizzato aggiunge il calcio e il potassio mancanti aggiungendo sali di base (spesso sali a base di carbonato, bicarbonato o ioni idrossilici accoppiati con calcio o potassio) al sistema che aiutano a controllare il pH dell'acqua del sistema ad un livello che soddisfa sia i requisiti ambientali di pH condivisi di i pesci e le piante, fornendo al contempo il calcio e il potassio aggiuntivi richiesti dalle piante (Rakocy et al. 2006). Inoltre, il sistema UVI aggiunge un altro importante nutriente per la crescita delle piante che non è disponibile nei mangimi standard per pesci, il ferro (Fe), tramite aggiunte regolari e controllate di chelato di ferro. Pertanto, il potassio, il calcio e il ferro richiesti dalle piante che non si trovano nel mangime per pesci sono disponibili attraverso questi due meccanismi supplementari di apporto di nutrienti (Rakocy et al. 2006).

   I disegni acquaponici disaccoppiati adottano un approccio alla coltura dei pesci e delle piante in un modo in cui l'acqua viene utilizzata dai pesci e i nutrienti di scarto dei pesci vengono forniti alle piante, senza ricircolo dell'acqua al pesce (Karimanzira et al. 2016). I disegni disaccoppiati consentono quindi una maggiore flessibilità nella personalizzazione della chimica dell'acqua, dopo l'uso del pesce, per una produzione vegetale ottimizzata, poiché l'integrazione dei nutrienti non presenti nel mangime (e dei rifiuti di pesce) può essere ottenuta senza preoccupazioni per il ritorno dell'acqua ai pesci (Goddek et al. 2016). Ciò significa che i disegni disaccoppiati possono potenzialmente applicare miscele e punti di forza più esigenti all'acqua di coltura, dopo l'uso di pesce, per la coltura vegetale, e questo può essere ottenuto con un'integrazione nutriente più esigente e intensa.

   In entrambi i casi (progettazione di sistemi acquaponici a ricircolo e disaccoppiati), è fondamentale comprendere la qualità chimica dell'acqua sorgente in modo da raggiungere il più vicino alle concentrazioni ottimali di nutrienti per le piante. Se, ad esempio, l'acqua sorgente contiene calcio (un caso spesso visto quando si utilizzano risorse idriche sotterranee), ciò influenzerà e cambierà il regime di tampone applicato ai disegni acquaponici a ricircolo e l'estensione dell'integrazione nutriente applicata a un disegno disaccoppiato perché il calcio presente in l'acqua sorgente compenserà qualsiasi integrazione necessaria per il fabbisogno di calcio vegetale (Lennard 2017). Oppure, se l'acqua sorgente contiene concentrazioni elevate di sodio (NAsuP+/SUP) (di nuovo, spesso visto con le risorse idriche sotterranee e un nutriente piante non usano e che possono accumularsi nelle acque del sistema), è importante sapere quanto è presente in modo da poter applicare metodi di gestione per evitare potenziali piante tossicità nutriente (Rakocy et al. 2006). La natura chimica dell'acqua sorgente, quindi, è vitale per la salute e la gestione complessiva del sistema acquaponico.

   In definitiva, poiché la chimica dell'acqua di origine può influire sulla gestione dei nutrienti del sistema aquaponico e poiché gli operatori aquaponici amano avere la capacità di manipolare l'acqua acquaponica e la chimica dei nutrienti ad alto livello, è altamente desiderabile una fonte di acqua con poca, se presente, chimica dell'acqua associata (Lennard) 2017). In questo senso, l'acqua piovana o l'acqua trattata per la rimozione chimica (ad es. osmosi inversa) è la migliore fonte d'acqua per l'acquaponica in un contesto chimico dell'acqua (Rakocy et al. 2004a, b; Lennard 2017). Anche le acque sotterranee sono idonee, ma occorre garantire che non contengano sostanze chimiche o sali in concentrazioni troppo elevate per essere pratiche (ad esempio alte concentrazioni di magnesio o ferro) o contengano specie chimiche che non vengono utilizzate dai pesci o dalle piante (ad esempio alte concentrazioni di sodio) (Lennard 2017). Le acque fluviali possono anche essere idonee come acqua acquaponica, ma come per altre fonti d'acqua, devono essere sottoposte a test per la presenza chimica e le concentrazioni. Le fonti d'acqua della città (cioè l'acqua reticolata e fornita per scopi domestici e di consumo) sono ampiamente applicate in acquaponica (Love et al. 2015a, b) e sono accettabili anche se contengono concentrazioni di nutrienti, sale o sostanze chimiche accettabili. Nel caso delle risorse idriche fornite dai cittadini o dai comuni, va notato che molte forniture hanno una qualche forma di sterilizzazione per rendere l'acqua potabile per l'uomo. Se questa fonte d'acqua deve essere utilizzata per l'acquaponica, è importante assicurarsi che le sostanze chimiche che possono essere applicate per ottenere la sterilizzazione (ad esempio cloro, cloramina, ecc.) non siano presenti in concentrazioni che potrebbero danneggiare i pesci, le piante o i microrganismi all'interno del sistema aquaponico (Lennard 2017).

   La chimica associata all'acqua sorgente non è l'unico fattore che deve essere preso in considerazione quando si fornisce acqua sorgente per uso acquaponico. Molte acque naturali possono anche contenere microbici e altri microrganismi che possono influire sulla salute ecologica generale del sistema acquaponico o presentare un rischio evidente per la salute umana. Le acque piovane raramente contengono microbi; tuttavia, i vasi o i serbatoi in cui l'acqua piovana può essere immagazzinata possono contenere o consentire la proliferazione microbica. Le acque sotterranee sono generalmente buone in termini di presenza microbica, ma possono anche contenere carichi microbici elevati, soprattutto se provengono da aree associate all'allevamento animale o al trattamento dei rifiuti umani. Le acque fluviali possono anche contenere carichi microbici elevati dovuti a deflussi agricoli o di trattamento dei rifiuti umani e devono essere nuovamente controllate tramite analisi microbiche dettagliate (Lennard 2017).

   Poiché la natura chimica e microbica dell'acqua sorgente utilizzata nei sistemi aquaponici può avere effetti potenziali sulla chimica dell'acqua del sistema e sulla microbiologia, si raccomanda di sterilizzare e trattare qualsiasi fonte d'acqua applicata per la rimozione chimica (ad esempio osmosi inversa, distillazione, ecc.) prima di essere utilizzata. in un sistema acquaponico (Lennard 2017). Se la sterilizzazione viene applicata universalmente, la possibilità di introdurre microbi estranei e indesiderati nel sistema viene sostanzialmente ridotta. Se si applica il trattamento e la filtrazione dell'acqua, eventuali sostanze chimiche, sali, sostanze nutritive indesiderate, pesticidi, erbicidi, ecc. saranno rimossi e quindi non potranno contribuire negativamente al sistema.

   Una fonte di acqua pulita, priva di microbi, sali, sostanze nutritive e altre sostanze chimiche consente all'operatore aquaponico di manipolare l'acqua del sistema per contenere la miscela di nutrienti e la forza di cui hanno bisogno senza il timore che eventuali influenze esterne possano influenzare il funzionamento del sistema o la salute e la forza del sistema pesci e piante ed è un requisito vitale per qualsiasi operazione acquaponica commerciale.

5. 5.5 Requisiti per la qualità

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

   L'acquaponica rappresenta uno sforzo per controllare la qualità dell'acqua in modo che tutte le attuali forme di vita (pesci, piante e microbi) siano coltivate nel modo più vicino possibile alle condizioni chimiche ideali dell'acqua (Goddek et al. 2015). Se la chimica dell'acqua può essere adattata ai requisiti di questi tre gruppi di importanti forme di vita, l'efficienza e l'ottimizzazione della crescita e della salute di tutti possono essere aspirati a (Lennard 2017).

   L'ottimizzazione è importante per la produzione acquaponica commerciale perché è solo attraverso l'ottimizzazione che si può realizzare il successo commerciale (vale a dire la redditività finanziaria). Pertanto, la chimica dell'acqua e i requisiti di qualità dell'acqua all'interno del sistema acquaponico sono fondamentali per il successo commerciale ed economico finale dell'impresa (Goddek et al. 2015).

   Attualmente vi è disaccordo all'interno della più ampia industria e comunità acquaponica in termini di ciò che rappresenta una qualità dell'acqua buona o accettabile all'interno dei sistemi acquaponici. Sembra che sia universalmente accettato che i requisiti chimici naturali dell'acqua dei singoli sottoinsiemi di forme di vita (pesci, piante e microbi) siano ampiamente concordati (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). Tuttavia, la presenza di una vasta gamma di approcci, metodi e scelte tecnologiche che sono chiamati acquaponica e il background o la storia delle tecnologie a sé stanti associate dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) e della coltura idroponica (compresa la coltura del substrato) sembra portare a disaccordi tra operatori, scienziati e progettisti. Ad esempio, prendendo in considerazione un solo parametro chimico dell'acqua, il pH, alcuni sostengono che il fabbisogno di pH delle piante coltivate idroponicamente è molto diverso dai requisiti di pH delle specie ittiche di acqua dolce coltivate a RAS (Suhl et al. 2016). L'industria idroponica applica generalmente impostazioni di pH tra 4.5 e 6.0 per la coltura vegetale a base acquosa (Resh 2013), mentre l'industria RAS applica tipicamente impostazioni di pH tra 7.0 e 8.0 (Timmons et al. 2002) per soddisfare i requisiti dei pesci e dei microbi presenti (che svolgono importanti trasformazioni dei metaboliti potenzialmente tossici dei rifiuti di pesce in forme meno tossiche). L'argomento, quindi, è che qualsiasi punto di pH è un compromesso tra le esigenze delle piante, dei pesci e dei microbi e che quindi non è possibile ottenere un pH ottimale per tutte le forme di vita, il che porta alla produzione di impianti non ottimali (Suhl et al. 2016). Altri sostengono, tuttavia, che un esame più attento delle complessità delle dinamiche nutritive dell'assorbimento dei nutrienti vegetali può chiarire un'opinione diversa (Lennard 2017).

   I sistemi idroponici (e di coltura del substrato) alimentano le piante nelle loro forme basali e ioniche aggiungendo sali nutrienti all'acqua che si dissociano per rilasciare gli ioni nutrienti disponibili (Resh 2013). La ricerca ha dimostrato che queste forme di nutrienti ionici esistono in una finestra di disponibilità per la pianta, basata sul pH dell'acqua disponibile del sistema. Pertanto, in un contesto idroponico standard, senza presente flora microbica (cioè sterilizzata — come la maggior parte dei sistemi idroponici sono), è importante impostare il pH dell'acqua del sistema ad un livello che renda la miscela di nutrienti ionici richiesta dalla pianta il più possibile disponibile (Resh 2013). All'interno di qualsiasi sistema idroponico, questo è un compromesso in sé, perché come dimostra qualsiasi tabella di disponibilità di nutrienti ionici (vedi Fig. 5.4), diverse forme di nutrienti ionici sono le più disponibili a diversi pH (Resh 2013). È questa associazione standard di disponibilità di nutrienti ionici che l'industria idroponica utilizza come primer per i set point del pH e spiega perché il pH operativo idroponico desiderato è compreso tra 4,5 e 6,0 (un ambiente acido) nei sistemi di coltura idroponica e substrato sterilizzati.

   In alternativa, il RAS applica un set point di pH dell'acqua basato su ciò che è naturale per il pesce in coltura e i microbi che trattano e convertono i prodotti di scarto ittico

   

   Fig. 5.4 Esempio di una tabella standard di disponibilità dei nutrienti mediata da pH per piante coltivate in acqua. La linea rossa rappresenta un pH di funzionamento normale per un sistema idroponico; la linea blu che per un sistema acquaponico

   (Timmons et al. 2002; Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Negli ambienti naturali d'acqua dolce, la maggior parte delle specie ittiche richiede un pH ambientale (cioè pH dell'acqua) che corrisponda strettamente al pH interno del pesce, che è spesso vicino a un pH di 7,4 (Lennard 2017). Inoltre, i principali microbi associati alla trasformazione del metabolita disciolto nella coltura RAS (i batteri di nitrificazione di diverse specie) richiedono anche un pH intorno al 7,5 per una trasformazione ottimale dell'ammoniaca in nitrato (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Pertanto, gli operatori RAS applicano un punto di pH pari a circa 7,5 alla coltura ittica di acqua dolce RAS.

   Esiste un'evidente differenza tra un pH di 5,5 (una media per colture vegetali standard, sterilizzate e idroponiche) e un pH di 7,5 (uno standard medio per la coltura ittica RAS). Pertanto, si sostiene in linea generale che il pH rappresenta uno dei maggiori compromessi di qualità dell'acqua presenti nella scienza acquaponica (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). I sostenitori di progetti acquaponici disaccoppiati spesso citano questa differenza nel fabbisogno di pH ottimale come argomento per l'approccio progettuale disaccoppiato, affermando che i progetti a ricircolo completo devono trovare un compromesso di pH quando i progetti disaccoppiati hanno il lusso di applicare diversi punti di pH dell'acqua ai pesci e alle piante componenti (Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2016). Tuttavia, ciò che questo argomento ignora è che i sistemi acquaponici, a differenza dei sistemi idroponici, non sono sterili e utilizzano tecniche acquatiche ecologiche che incoraggiano una popolazione diversificata di microflora ad essere presente all'interno del sistema acquaponico (Eck 2017; Lennard 2017). Ciò si traduce in un'ampia varietà di microbi presenti, molti dei quali formano associazioni intricate e complesse con le piante, in particolare le radici delle piante, all'interno del sistema acquaponico (Lennard 2017). È noto e consolidato nella fisiologia vegetale che molti microbi, associati al terreno e alla matrice del suolo, si associano strettamente alle radici delle piante e che molti di questi microbi aiutano le piante ad accedere e ad assorbire nutrienti vitali (Vimal et al. 2017). È anche noto che alcuni di questi microbi producono molecole organiche che favoriscono direttamente la crescita delle piante, aiutano lo sviluppo dell'immunità delle piante e aiutano a superare la concorrenza degli agenti patogeni vegetali (in particolare delle radici) (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). In sostanza, questi microbi aiutano le piante in molti modi che semplicemente non sono presenti nell'ambiente sterilizzato applicato nella coltura idroponica standard.

   Con questi diversi microbi presenti, le piante hanno accesso ai nutrienti in molti modi che non sono possibili in sistemi che si basano solo su impostazioni di pH acquatico per consentire l'accesso ai nutrienti vegetali (ad es. idroponica standard e coltura del substrato). Molti di questi microbi operano ad ampi livelli di pH, proprio come altri microbi a base di suolo, come i batteri di nitrificazione (pH di 6,5-8,0, Timmons et al. 2002). Pertanto, con questi microbi presenti nei sistemi aquaponici, il setpoint del pH può essere innalzato al di sopra di quello che viene normalmente applicato nelle tecniche di coltura idroponica o substrato (cioè pH di 4,5-6,0) mentre la crescita avanzata ed efficiente delle piante è ancora presente (Lennard 2017). Ciò è dimostrato dal lavoro di diversi ricercatori aquaponici che hanno dimostrato tassi di crescita delle piante migliori in acquaponica rispetto all'idroponica standard (Nichols e Lennard 2010).

   Altri requisiti di qualità dell'acqua nei sistemi acquaponici riguardano i parametri fisici/chimici e, in particolare, i parametri del fabbisogno di nutrienti vegetali. In termini di requisiti fisici/chimici, piante, pesci e microbi condividono molte cose comuni. L'ossigeno disciolto (DO) è vitale per i pesci, le radici delle piante e la microflora e deve essere mantenuto nei sistemi acquaponici (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Le radici delle piante e la microflora generalmente richiedono concentrazioni di DO relativamente inferiori rispetto alla maggior parte dei pesci; le radici delle piante e i microbi possono sopravvivere con DO inferiore a 3 mg/L (Goto et al. 1996), mentre la maggior parte dei pesci richiede più di 5 mg/L (Timmons et al. 2002). Pertanto, se la concentrazione di DO all'interno del sistema acquaponico è impostata e mantenuta per il fabbisogno di pesce, viene rispettato anche il requisito di piante e microbi (Lennard 2017). Specie ittiche diverse richiedono diverse concentrazioni di DO: i pesci d'acqua calda (ad esempio Tilapia spp., barramundi) possono generalmente tollerare concentrazioni di DO inferiori rispetto alle specie di pesci d'acqua fredda (ad esempio salmonidi come la trota iridea e il salmerino artico); poiché il requisito DO del pesce è quasi sempre maggiore della pianta radici e requisiti microfloreali, si dovrebbe fissare DO per le specie ittiche specifiche in coltura (Lennard 2017).

   Le concentrazioni acqua-anidride carbonica (COSub2/sub), come quella per DO, sono generalmente fissate dai pesci perché le radici e i microbi delle piante possono tollerare concentrazioni più elevate rispetto ai pesci. Le concentrazioni di anidride carbonica sono importanti per la salute e la crescita ottimali dei pesci e vengono spesso ignorate nei progetti acquaponici. I parametri e i punti di riferimento per le concentrazioni di COsub2/sub devono essere gli stessi che per le stesse specie ittiche coltivate in soli pesci, i sistemi RAS e, in generale, devono essere mantenuti al di sotto di 20 mg/l (Masser et al. 1992).

   La temperatura dell'acqua è importante per tutte le forme di vita presenti all'interno di un sistema acquaponico. Le specie ittiche e vegetali devono essere abbinate il più vicino possibile ai requisiti di temperatura dell'acqua (ad esempio, Tilapia spp. di pesci come 25 ˚C più, e piante come il basilico prosperano in questa temperatura relativamente elevata dell'acqua; varietà di lattuga come acqua più fredda, e quindi, un candidato al pesce meglio abbinato è l'arcobaleno trota) (Lennard 2017). Tuttavia, come per altri parametri fisici e chimici dell'acqua, soddisfare il requisito del pesce per la temperatura dell'acqua è fondamentale perché i microbi hanno la capacità di sottoporsi a una selezione specifica di specie in base alle condizioni ambientali (ad esempio, la differenziazione batterica della nitrificazione avviene a diversi le temperature dell'acqua e le specie che meglio si abbinano alla particolare temperatura dell'acqua domineranno la biomassa batterica di nitrificazione del sistema) e molte piante possono crescere molto bene ad una gamma più ampia di temperature dell'acqua (Lennard 2017). Adeguare la temperatura dell'acqua e mantenerla entro più o meno 2 °C (cioè un controllo della temperatura ad alto livello) al pesce, è un requisito importante in acquaponica perché quando la temperatura dell'acqua è corretta e non si discosta dalla media ideale, i pesci raggiungono un metabolismo efficiente e ottimizzato e mangiare e convertire i mangimi in modo efficiente, portando a migliori tassi di crescita dei pesci e a rilasci stabili e prevedibili dei carichi di scarto, che aiutano la coltura delle piante (Timmons et al. 2002).

   Mantenere la chiarezza dell'acqua (bassa torbidità) è un altro parametro importante nella coltura acquaponica (Rakocy et al. 2006). La maggior parte della torbidità dell'acqua è dovuta a carichi solidi sospesi che non sono stati adeguatamente filtrati, e questi solidi possono influenzare i pesci aderendo alle branchie, il che può ridurre i tassi potenziali di trasferimento dell'ossigeno e i tassi di rilascio dell'ammoniaca (Timmons et al. 2002). I carichi solidi sospesi inferiori a 30 mg/L sono raccomandati per pesci coltivati in acquaponia (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Alti carichi solidi sospesi colpiscono anche le radici delle piante perché hanno la capacità di aderire alle radici che possono causare inefficienza nell'assorbimento dei nutrienti, ma più comunemente offre un maggiore potenziale di colonizzazione di organismi patogeni, che porta a cattive condizioni di salute delle radici e alla morte finale delle piante (Rakocy et al. 2006). Questi solidi sospesi favoriscono inoltre la prevalenza di batteri eterotrofici (specie che degradano e metabolizzano il carbonio organico) che, se autorizzati a dominare i sistemi, possono superare le altre specie richieste, come i batteri di nitrificazione.

   La conducibilità elettrica (EC) è una misura spesso applicata in idroponica per comprendere la quantità di nutrienti totali presenti nell'acqua. Tuttavia, non può fornire informazioni sulla miscela di nutrienti, sulla presenza o sull'assenza di singole specie nutritive o sulla quantità di singole specie nutritive presenti (Resh 2013). Non viene spesso applicato in acquaponica perché misura solo la presenza di forme nutritive ioniche (caricate), ed è stato sostenuto che l'acquaponica è un metodo di approvvigionamento di nutrienti organici e, pertanto, la CE non è una misura pertinente (Hallam 2017). Tuttavia, generalmente le piante generano solo forme ioniche di nutrienti e, pertanto, EC può essere utilizzato come strumento generale o guida alla quantità totale di nutrienti disponibili in un sistema acquaponico (Lennard 2017).

   Per i sistemi acquaponici a ricircolo completo, in termini di parametri fisici e chimici, sono i pesci ad essere più esigenti nelle loro esigenze, e quindi, se i sistemi sono riusciti a mantenere i requisiti dei pesci, le piante e i microbi stanno avendo i loro requisiti più che soddisfatti (Lennard 2017). La differenza per quanto riguarda le piante, tuttavia, è la necessità di una corretta miscela e forza dei nutrienti per consentire l'accesso e l'assorbimento dei nutrienti ottimizzati (autonomo o microbico assistito), il che porta a una crescita efficiente e rapida. I sistemi acquaponici disaccoppiati possono quindi essere più attraenti a causa della percezione che consentono un apporto di nutrienti più esigente alle piante (Goddek et al. 2016). I mangimi per pesci e, quindi, i rifiuti di pesce non contengono la miscela corretta di sostanze nutritive per soddisfare i requisiti vegetali (Rakocy et al. 2006). Pertanto, la progettazione del sistema aquaponico deve tenere conto di quei nutrienti mancanti e integrarli. I sistemi acquaponici a ricircolo completo integrano generalmente i nutrienti aggiungendoli nelle specie saline utilizzate per gestire il regime giornaliero di tamponamento del pH; la parte base del sale regola il pH e la parte positiva del sale permette l'integrazione dei nutrienti mancanti delle piante (ad esempio potassio, calcio, magnesio) (Rakocy et al. 2006). I disegni acquaponici disaccoppiati prendono le acque reflue e i rifiuti solidi associati dalla componente del pesce e regolano l'acqua per contenere i nutrienti necessari per la produzione delle piante aggiungendo nutrienti in diverse forme (Goddek et al. 2016). Queste aggiunte di nutrienti sono generalmente basate sull'utilizzo di specie di sale idroponiche standard che non forniscono necessariamente alcun risultato di aggiustamento del pH (ad esempio fosfato di calcio, solfato di calcio, fosfato di potassio, ecc.).

   Il percorso verso una crescita efficiente delle piante nei sistemi acquaponici consiste nel fornire un profilo nutriente acquatico che fornisca tutti i nutrienti necessari alla pianta (miscela) ai punti di forza richiesti (concentrazione) (Lennard 2017). Nei disegni acquaponici a ricircolo completo, o nei disegni acquaponici disaccoppiati che non applicano metodi di sterilizzazione, sembra che esistano meno requisiti per soddisfare le concentrazioni o i punti di forza dei nutrienti applicati nell'idroponica standard, poiché la natura ecologica del sistema associa molti tipi di microflora con le radici delle piante e queste microflora aiutano l'accesso ai nutrienti vegetali (Lennard 2017). Per i disegni acquaponici disaccoppiati o di altro tipo che applicano la sterilizzazione alla componente vegetale e seguono un approccio analogo idroponico standard, sembra essere necessario cercare di avvicinarsi alle concentrazioni di nutrienti idroponici standard (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Il compromesso, tuttavia, con l'approccio disaccoppiato è che porta a rapporti di integrazione esterna ben oltre quelli dei disegni acquaponici a ricircolo completo; i disegni europei disaccoppiati attualmente mediano al 50% o più aggiunte di nutrienti esterni (COST FA1305 2017; Goddek e Keesman 2018), mentre l'UVI fornisce meno del 20% e altri sistemi possono fornire un'integrazione nutriente esterna inferiore al 10% (Lennard 2017).

   Indipendentemente dal metodo, tutti i sistemi acquaponici dovrebbero sforzarsi di fornire alle piante la nutrizione necessaria per una crescita ottimizzata, in modo da fornire all'impresa le maggiori possibilità di redditività finanziaria. In questo contesto, il contenuto di nutrienti e la forza dell'acqua consegnata alle piante sono molto importanti e dovrebbero essere impiegati controlli regolari sui nutrienti dell'acqua in modo che la miscela e la forza nutritiva possano essere mantenute e gestite come un requisito molto importante per la qualità dell'acqua.

6. 5.6 Tecnologie di coltura ittica applicabili

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

   In acquaponica, la porzione di acquacoltura dell'equazione di integrazione è ampiamente applicata in un contesto basato su serbatoi, in cui i pesci sono tenuti in vasche, l'acqua viene filtrata tramite meccanismi meccanici (rimozione dei solidi) e biologici (trasformazione dell'ammoniaca in nitrato) e l'ossigeno disciolto viene mantenuto, sia tramite aerazione o iniezione diretta di ossigeno (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017).

   Come è stato affermato nella Sez. 5.0 (Introduzione) di questo capitolo, esempi storici di chinampa (Somerville et al. 2014) e risaie asiatiche (Halwart e Gupta 2004) come prime iterazioni dell'acquaponica sono esempi infondati e inappropriati di principi acquaponici , perché l'acquaponica moderna si basa su aggiunte progettate di pesci e mangimi per pesci per fornire un determinato livello di nutrizione alle piante, e quindi, questi esempi storici non possono essere considerati in alcun modo simili (Lennard 2017).

   Gli esempi storici di cui sopra, che si basano su sistemi di coltura vegetale basati sul suolo, portano alla questione di quali tecnologie di acquacoltura siano idonee per l'integrazione acquaponica. L'acquacoltura di pesci a pinna a base di suolo e di acqua dolce è il più grande metodo di coltura applicato alla produzione di pesci d'acqua dolce destinati al consumo umano (Boyd e Tucker 2012). Un approccio allo stagno si basa sulla base di terra dello stagno, e sulla microflora associata presente in quel suolo, per trattare e correggere i rifiuti prodotti dalla coltura ittica in modo che i pesci non vivano in acqua che ha un potenziale per essere tossici per loro (Boyd e Tucker 2012). Poiché questo sistema si basa sulla capacità di trattamento intrinseca dello stagno di terra, le densità dei pesci sono relativamente basse rispetto ad altri metodi di acquacoltura. Poiché le densità dei pesci sono basse (e quindi le percentuali di alimentazione associate sono basse) e lo stagno stesso tratta e assorbe i nutrienti di scarto prodotti dai pesci, le acque del laghetto presentano concentrazioni di nutrienti dell'acqua estremamente basse. Queste concentrazioni di nutrienti acquatici del sistema di stagni sono così basse che spesso sono inappropriate come fonti nutritive per metodi sostanziali di produzione di piante acquatiche commerciali (Lennard 2017). Pertanto, gli stagni non costituiscono un metodo di acquacoltura adeguato da integrare con l'idroponica in termini di tassi di produzione vegetali accettabili.

   Allo stesso modo, i metodi di coltura della pinna di pista (come regolarmente applicati per la produzione di salmonidi d'acqua dolce), che forniscono volumi molto grandi di acqua ad alti tassi di fatturato, o tempi di permanenza bassi, attraverso vasche di coltura controllata della pista, non sono adatti per l'integrazione acquaponica perché l'acqua alta i tassi di fatturato non consentono un adeguato accumulo di nutrienti per soddisfare il fabbisogno di nutrienti vegetali (Rakocy e Hargreaves 1993).

   Le tecnologie di coltura ittica più appropriate da applicare all'interno di un contesto di integrazione acquaponica sono quelle che coltivano pesci in vasche e consentono un livello di accumulo di rifiuti ittici (accumulo di nutrienti vegetali) che ha il potenziale di portare a concentrazioni di nutrienti in acqua applicabili per produzione di impianti idroponici (Rakocy et al. 2006). I principi del sistema di acquacultura a ricircolo (RAS) sono ampiamente applicati all'acquaponica perché forniscono le metodologie per mantenere e coltivare con successo il pesce, in volumi controllati di acqua, con bassi tassi di sostituzione giornaliera dell'acqua, che consentono di accumulare rifiuti di pesce (nutrienti vegetali) che si avvicinano a quelli necessari per la coltura idroponica efficiente delle piante (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard 2017). Le complessità e i requisiti di progettazione della RAS sono discussi in cap. 3 di questo libro. Basti dire che la coltura ittica RAS è l'unico vero metodo appropriato da applicare per le componenti di coltura ittica in un contesto acquaponico e, come discusso sopra, i sistemi di acquacoltura basati sul suolo, come i sistemi estesi di stagni e i sistemi di coltura delle piste, non possono fornire i requisiti nutritivi delle piante e pertanto non dovrebbe essere preso in considerazione.

7. 5.7 Fonti di Nutrienti

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

   L'apporto principale di qualsiasi sistema aquaponico sono i nutrienti aggiunti perché i sistemi aquaponici sono progettati per suddividere in modo efficiente i nutrienti ad essi aggiunti alle tre importanti forme di vita presenti: i pesci e le piante (che sono i principali prodotti del sistema) e la microflora (che contribuiscono a rendere il aggiunto nutrienti disponibili per i pesci e le piante) (Lennard 2017).

   Nei classici design acquaponici a ricircolo completo, uno dei principali driver di progettazione è quello di utilizzare la principale fonte di nutrienti, il mangime per pesci, nel modo più efficiente possibile e quindi i progetti a ricircolo completo si sforzano di fornire il maggior numero di nutrienti necessari per le piante dal mangime per pesci (Lennard 2017). I disegni disaccoppiati, invece, pongono l'accento sulla crescita ottimizzata delle piante confrontando direttamente le miscele di nutrienti e i punti di forza applicati nella coltura idroponica e substrato standard e cercando di replicare quelle all'interno del contesto acquaponico e quindi non si sforzano di fornire il maggior numero di nutrienti necessari per le piante dal mangime per pesci e utilizzano sostanziali supplementi di nutrienti esterni per raggiungere i tassi di crescita richiesti (Delaide et al. 2016). Ciò significa che viene posta un'enfasi diversa sull'origine dei nutrienti aggiunti, in base all'approccio tecnico di progettazione, e ciò, di conseguenza, influisce sulla principale fonte di approvvigionamento di nutrienti del sistema acquaponico; per i disegni a ricircolo completo, la principale fonte di nutrienti vegetali è il mangime per pesci (attraverso i rifiuti di pesce) ), e per i disegni disaccoppiati la principale fonte di approvvigionamento di nutrienti per le piante sono gli integratori esterni (ad esempio sali nutrienti) (Lennard 2017).

   I disegni acquaponici a ricircolo completo, come il modello del sistema acquaponico UVI, si basano sul mangime per pesci come principale fonte di nutrienti per il sistema (Rakocy et al. 2006). Il mangime per pesci viene aggiunto al pesce, che lo mangiano, lo metabolizzano e utilizzano i nutrienti da esso richiesti e quindi producono un flusso di rifiuti (sia solidi che disciolti). Questo flusso di rifiuti dal pesce diventa la principale fonte di nutrienti per le piante, e quindi, il mangime per pesci è la principale fonte di nutrienti per le piante. Il sistema UVI fornisce circa l'80% o più dei nutrienti necessari per coltivare le piante dal solo mangime per pesci (Lennard 2017). I restanti nutrienti necessari per la crescita delle piante, poiché il mangime per pesci non li contiene nelle quantità richieste, vengono aggiunti tramite un metodo di integrazione dei nutrienti che fornisce il duplice ruolo di integrare i nutrienti aggiuntivi e controllare il pH acquatico del sistema (Rakocy et al. 2006). Questo approccio a doppio ruolo è indicato come «buffering» e il supplemento è indicato come «buffer». Per il modello UVI, i due importanti nutrienti vegetali identificati come carenti nei mangimi per pesci e che richiedono l'integrazione sono potassio (K) e calcio (Ca) e vengono integrati quotidianamente tramite il regime di tampone. Inoltre, il ferro necessario per le piante (Fe) manca anche nel mangime per pesci ed è integrato in forma chelata mediante aggiunta diretta all'acqua del sistema ad una frequenza misurata in settimane (cioè ogni 2-4 settimane sulla base di analisi settimanale del ferro acquatico) (Rakocy et al. 2006).

   Altri approcci o metodi di progettazione acquaponica a ricircolo completo pongono un'enfasi ancora maggiore sulla fornitura di nutrienti attraverso il mangime per pesci. Lennard (2017) ha sviluppato un metodo per sistemi a ricircolo completo che fornisce oltre il 90% dei nutrienti necessari per la crescita delle piante dal mangime per pesci aggiunto. L'aumento dell'efficienza dei nutrienti forniti tramite il mangime per pesci di questo metodo rispetto al metodo UVI consiste nel fatto che questo approccio rimineralizza i rifiuti solidi di pesci (tramite biodigestione esterna mediata dai batteri) e aggiunge questi nutrienti nel sistema acquaponico per l'utilizzo delle piante, mentre il Il metodo UVI invia la maggior parte dei rifiuti solidi di pesce ad un flusso di rifiuti esterno (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Questo approccio aggiunge anche sostanze nutritive carenti nel mangime per pesci per la crescita delle piante attraverso un regime di tampone; tuttavia, questo regime è molto più esigente e consente una maggiore manipolazione dei punti nutritivi e delle miscele rispetto all'approccio UVI (Lennard 2017).

   Pertanto, le principali vie di aggiunta di nutrienti per la maggior parte dei progetti di sistemi acquaponici a ricircolo completo sono il mangime per pesci (via principale), l'integrazione esterna tampone per l'aggiunta di potassio e calcio (via minore) e l'integrazione diretta del chelato di ferro (via minore).

   I progetti di sistemi acquaponici disaccoppiati, come quelli attualmente ampiamente adottati in Europa, si basano su una miscela di nutrienti per mangimi per pesci e su un'integrazione esterna attiva per fornire i nutrienti necessari per la crescita delle piante (Suhl et al. 2016). Poiché i disegni disaccoppiati non restituiscono acqua dal componente vegetale al componente pesce, è possibile personalizzare il profilo nutritivo all'interno dell'acqua in modo specifico al fabbisogno vegetale (Goddek et al. 2016). Pertanto, i progetti acquaponici disaccoppiati si basano quasi sempre su una sostanziale integrazione di nutrienti esterni per soddisfare il requisito vegetale e porre molta meno enfasi sulla fornitura di quanto più nutrizionale possibile per le piante provenienti dai rifiuti ittici. Inoltre, la quantità di integrazione esterna è considerevole rispetto agli approcci a ricircolo completo (Lennard 2017) con frazioni esterne regolarmente 50% o più del fabbisogno totale di nutrienti vegetali o superiore (Goddek 2017). I nutrienti esterni integrati nei sistemi aquaponici disaccoppiati sono più spesso analoghi idroponici o derivati del sale nutriente (Delaide et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Questa dipendenza da una fonte di sostanze nutritive aggiuntive sostanziali diverse da quelle derivanti dai rifiuti ittici (mangimi per pesci) che sono in natura sale idroponico, per l'approvvigionamento vegetale dell'approccio europeo disaccoppiato, ha persino influenzato direttamente la definizione di acquaponica che attualmente la comunità acquaponica europea applica, con l'EU COST, EU Aquaponics Hub, definendo l'acquaponica come «... un sistema di produzione di organismi acquatici e piante in cui la maggioranza (\ > 50%) dei nutrienti che sostengono le piante deriva da rifiuti provenienti dall'alimentazione degli organismi acquatici» (Goddek 2017; COST FA 1305, 2017) rispetto a Lennard ( 2017) che definisce l'acquaponica che richiede almeno l'80% di apporto di nutrienti dai rifiuti ittici. Alcuni sostengono anche se un metodo che si basa sul 50% dei nutrienti necessari per la crescita delle piante provenienti da fonti esterne diverse dai mangimi per pesci sia effettivamente di natura acquaponica o meglio, un metodo idroponico con alcuni pesci integrati o aggiunti (Lennard 2017)?

   Un'altra fonte di approvvigionamento di sostanze nutritive ai sistemi acquaponici è quella dell'integrazione nutriente esterna tramite l'applicazione di spray per piante fogliari (Tyson et al. 2008; Roosta e Hamidpour 2011; Roosta e Hamidpour 2013; Roosta 2014). Questi spray fogliari sono ancora una volta, una consegna acquatica di sali nutrienti idroponici standard o derivati. La differenza è che negli esempi disaccoppiati sopra, i sali nutritivi vengono aggiunti direttamente all'acqua di coltura e sono quindi accessibili dalle piante attraverso l'assorbimento delle radici (Resh 2013), mentre gli spray fogliari, come suggerisce il nome, aggiungono sali nutritivi disciolti alle foglie della pianta e l'assorbimento avviene tramite pianta foglia stomatale o accesso cuticola (Fernandez et al. 2013).

   Ci sono quindi diverse principali fonti nutritive applicate in acquaponica: mangimi per pesci, sistemi di tamponamento (attraverso le specie di sale basiche che regolano il pH aggiunte alla colonna d'acqua), aggiunte di sali nutrienti (sali idroponici di nutrienti aggiunti alla colonna d'acqua) e spray fogliari (sali nutritivi idroponici aggiunti alla foglia superficie). Tutti i quali forniscono nutrienti al sistema acquaponico per la salute e la crescita dei pesci e delle piante coltivate.

8. 5.8 L'acquaponica come approccio ecologico

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

   L'acquaponica, fino a poco tempo fa, è stata dominata da approcci progettuali a ricircolo completo (o accoppiato) che condividono e ricircola costantemente la risorsa idrica tra i due componenti principali (coltura ittica e vegetale) (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Inoltre, gli approcci tecnologici medio-bassi applicati storicamente all'acquaponica hanno spinto il desiderio di eliminare componenti costosi in modo da aumentare il potenziale di un risultato economico positivo. Uno dei componenti di filtrazione applicati quasi sempre alle tecnologie RAS standard e idroponice/substrato, quello della sterilizzazione acquatica, non è stato regolarmente incluso dai progettisti acquaponici.

   La sterilizzazione in un contesto RAS e idroponico/substrato è universalmente applicata perché le elevate densità dei pesci o delle piante coltivate solitamente attirano pressioni da organismi acquatici patogeni che riducono sostanzialmente i tassi di produzione complessivi (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). La ragione principale di questo aumento della pressione dei parassiti acquatici in entrambe le tecnologie è che ognuna si concentra sulla fornitura di risorse biotiche ed ecologiche minime e quindi consente un considerevole «spazio ecologico» all'interno dell'acqua del sistema per la colonizzazione biotica. In queste condizioni biologiche «aperte», le specie parassitarie e patogene proliferano e tendono a colonizzarsi rapidamente per sfruttare le specie presenti (cioè pesci e piante) (Lennard 2017). In questo contesto, la sterilizzazione o la disinfezione dell'acqua di coltura è storicamente considerata come un approccio ingegnerizzato per contrastare la questione (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). Ciò significa che sia le industrie della coltura idroponica/substrato adottano un approccio di sterilizzazione per controllare gli organismi patogeni all'interno dell'acqua di coltura associata.

   L'acquaponica ha sempre posto l'accento sull'importanza della microbiologia associata per svolgere importanti servizi biologici. In tutti i progetti acquaponici accoppiati di Rakocy e del suo team UVI, un filtro biologico non è stato incluso perché hanno dimostrato che la coltura di zattera, componente idroponica, forniva una superficie più che sufficiente per sostenere la dimensione della colonia di batteri nitrificanti per trattare tutta l'ammoniaca prodotta dal pesce come prodotto di scarto disciolto e convertirlo in nitrato (Rakocy et al. 2006, 2011). Rakocy e il suo team non hanno quindi sostenuto l'applicazione della sterilizzazione dell'acqua del sistema perché potrebbe aver influenzato le colonie batteriche nitrificanti. Questa prospettiva storica UVI/Rakocy dettò il design del sistema aquaponico nel futuro. Altri vantaggi derivanti dall'esclusione della sterilizzazione acquatica nei sistemi aquaponici sono stati identificati e discussi, soprattutto nel contesto del microbiota delle piante assistive (Savidov 2005; Goddek et al. 2016).

   L'attuale pensiero nella ricerca e nell'industria acquaponica è che non applicare alcuna forma di sterilizzazione acquatica o disinfezione consente all'acqua del sistema di sviluppare una complessa ecologia acquatica costituita da molte forme di vita microbiologiche diverse (Goddek et al. 2016; Lennard 2017). Ciò produce una situazione simile a un ecosistema naturale in cui un'elevata diversità di microflora interagisce tra loro e le altre forme di vita associate all'interno del sistema (cioè pesci e piante). Il risultato proposto è che questa diversità porta a una situazione in cui nessun singolo organismo patogeno può dominare a causa della presenza di tutta l'altra microflora e non può quindi causare effetti devastanti per la produzione di pesci o vegetali. È stato dimostrato che i sistemi acquaponici contengono un'elevata diversità di microflora (Eck 2017) e attraverso il meccanismo di diversità ecologica proposto sopra descritto, l'assistenza alla salute e alla crescita dei pesci e delle piante è fornita attraverso questa diversità microbica (Lennard 2017).

   L'approccio non sterilizzato ed ecologico all'acquaponica è stato storicamente applicato ai disegni aquaponici accoppiati o a ricircolo completo (Rakocy et al. 2006), mentre un'analogia idroponica sterilizzata è stata proposta per alcuni approcci di progettazione acquaponica disaccoppiati (Monsees et al. 2016; Priva 2009; Goddek 2017). Tuttavia, sembra che i progettisti più disaccoppiati stiano applicando principi che prendono in considerazione un approccio ecologico e non sterilizzato (Goddek et al. 2016; Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016) e quindi riconoscono che esiste un effetto positivo associato a una variegata microflora aquaponica (Goddek et al. 2016; Lennard 2017).

9. 5.9 Vantaggi di Aquaponics

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

   Poiché esistono due tecnologie analoghe, esistenti e distinte, che producono pesci e piante a tassi elevati (coltura ittica RAS e produzione di piante idroponico/substrato), una ragione della loro integrazione sembra pertinente. La RAS produce pesci a tassi produttivi in termini di guadagno individuale di biomassa, per il peso del mangime aggiunto, che competono, se non meglio, con altri metodi di acquacoltura (Lennard 2017). Inoltre, le elevate densità di pesce che il RAS consente portano a maggiori guadagni collettivi di biomassa (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). L'idroponica e la coltura del substrato possiedono, all'interno di un contesto ambientale controllato, tassi di produzione avanzati di piante che meglio la maggior parte degli altri metodi agricoli e orticoli (Resh 2013). Pertanto, inizialmente, è necessario che l'acquaponica produca pesci e piante a tassi uguali a queste due tecnologie produttive distinte; in caso contrario, qualsiasi perdita di sforzo produttivo è contraria a qualsiasi argomentazione di integrazione. Se il tasso produttivo dei pesci e delle piante in un sistema acquaponico può essere uguale, o meglio, alle industrie RAS e idroponiche, allora si può fare un ulteriore caso per altri vantaggi che possono verificarsi a causa del processo di integrazione.

   La coltura idroponica standard o substrato è stata direttamente confrontata con l'acquaponica in termini di tassi di crescita delle piante delle due tecnologie. Lennard (2005) ha confrontato la produzione di lattuga acquaponica con un controllo idroponico in diversi esperimenti di laboratorio replicati. Egli ha dimostrato che la produzione di lattuga acquaponica era statisticamente inferiore in acquaponica (4,10 kg/msup2/sup) rispetto all'idroponica (6,52 kg/msup2/sup) quando è stato applicato un approccio standard alla progettazione e alla gestione del sistema acquaponico a letto multimediale. Tuttavia, ha poi eseguito una serie di esperimenti che hanno isolato parametri specifici del progetto (ad es. erogazione di acqua di subunità idroponica reciproca rispetto a quella costante, portata d'acqua applicata alla subunità idroponica e confrontando diverse subunità idroponiche) o confrontando driver di gestione specifici (es. buffering metodologie e specie e concentrazioni globali di nutrienti iniziali) per ottenere l'ottimizzazione e poi dimostrato che l'acquaponica (5,77 kg/msup2/sup) era statisticamente identica alla produzione di lattuga idroponica (5,46 kg/msup2/sup) dopo l'ottimizzazione del sistema acquaponico sulla base dei miglioramenti suggerito dai suoi precedenti esperimenti, il risultato suggerisce che i miglioramenti a progetti acquaponici accoppiati o a ricircolo completo possono eguagliare i tassi di produzione idroponica standard. Lennard (2005) ha inoltre dimostrato la sopravvivenza dei pesci, SGR, FCR e tassi di crescita uguali a quelli esposti nella RAS standard e nell'acquacoltura estensiva di stagni per le specie ittiche testate (Australian Murray Cod).

   Pantanella et al. (2010) hanno inoltre dimostrato risultati statisticamente simili nella produzione di lattuga nei sistemi acquaponici ad alta densità di pesce (5,7 kg/msup2/sup) e bassa densità di pesce (5,6 kg/msup2/sup) rispetto ad un controllo idroponico standard (6,0 kg/msup2/sup).

   Lennard (Nichols e Lennard 2010) ha dimostrato risultati statisticamente uguali o migliori per tutte le varietà di lattuga e per quasi tutta la produzione di varietà di erbe testate in un sistema acquaponico a film nutriente (NFT) rispetto a un sistema idroponico NFT all'interno della stessa serra.

   Delaide et al. (2016) ha confrontato l'acqua di produzione RAS integrata con sostanze nutritive (sostanze nutritive aggiunte per abbinare una miscela di nutrienti e un esempio di forza da Rakocy — indicata come analogo aquaponico), acqua di produzione RAS completamente integrata con sostanze nutritive (acqua di produzione RAS con aggiunta di sali nutritivi idroponici soddisfare una miscela e una forza di nutrienti idrici utilizzati per l'idroponica standard — indicata come un analogo disaccoppiato) e un controllo idroponico (soluzione nutriente idroponica standard) in termini di tasso di crescita delle piante e ha mostrato che l'analogo acquaponico dell'acqua equivaleva al controllo idroponico e all'acqua analogica disaccoppiata migliorato il controllo idroponico. Tuttavia, va notato che questi non erano sistemi aquaponici pienamente funzionanti contenenti pesci (e il contenuto microbico associato, pieno e attivo) che sono stati confrontati, ma semplicemente acqua rimossa da un RAS operativo e completata, poi confrontata con un'acqua di controllo idroponico.

   Rakocy e il suo team UVI hanno dimostrato con diversi studi che i tassi di crescita del pesce Tilapia spp. sono uguali agli standard industriali stabiliti dalle pratiche standard di produzione dell'acquacoltura (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2004a, b, 2006, 2011).

   Questi e altri studi hanno dimostrato che l'acquaponica, indipendentemente dalla configurazione (accoppiata e disaccoppiata), ha il potenziale di produrre tassi di produzione degli impianti pari o superiori a quelli di idroponica standard e di produzione ittica di uno standard simile a quello della RAS. Pertanto, il requisito sopra discusso per l'acquaponica di eguagliare i suoi analoghi industriali (RAS e idroponica) sembra essere stato adeguatamente dimostrato e pertanto si dovrebbero prendere in considerazione gli altri vantaggi dell'acquaponica.

   L'uso efficiente dell'acqua è regolarmente attribuito all'acquaponica. Lennard (2005) ha dichiarato che il risparmio idrico associato a un sistema di test aquaponico ottimizzato (laboratorio) era pari o superiore al 90% rispetto a un sistema standard di controllo dell'acquacoltura RAS in cui l'acqua è stata scambiata per controllare gli accumuli di nitrati, mentre le piante dell'acquaponica hanno eseguito lo stesso requisito. Pertanto, egli ha dimostrato che l'acquaponica offre un notevole vantaggio per il risparmio idrico rispetto all'acquacoltura RAS standard. È interessante notare che questa percentuale di risparmio idrico del 90% è stata successivamente dichiarata ampiamente all'interno della comunità mondiale dell'acquaponica in un contesto di utilizzo vegetale (ad esempio, l'acquaponica utilizza il 90% in meno di acqua rispetto alla produzione vegetale basata sul suolo (Graber e Junge 2009)) — un esempio di come l'argomento scientifico possa essere erroneamente adottato da partecipanti al settore non scientifico.

   McMurtry (1990) ha dimostrato un tasso di consumo di acqua nel suo sistema acquaponico di circa l'1% di quello richiesto in un simile sistema di coltura dello stagno. Rakocy (1989) ha dimostrato tassi di consumo di acqua simili all'1% rispetto all'acquacoltura a base di stagno. Rakocy e Hargreaves (1993) hanno dichiarato che il tasso giornaliero di sostituzione dell'acqua per il sistema acquaponico UVI era di circa l'1,5% del volume totale del sistema e Love et al. (2015a, b) ha dichiarato circa l'1% del tasso di perdita di acqua in volume del sistema al giorno per il loro sistema di ricerca acquaponica.

   Il confronto tra acquaponica e RAS può realizzare notevoli risparmi idrici e acquaponica utilizza piccole quantità di acqua sostitutiva su base giornaliera. Un sistema acquaponico ben progettato cercherà di utilizzare l'acqua nel modo più efficiente possibile e quindi solo di sostituire l'acqua persa attraverso l'evapotraspirazione delle piante (Lennard 2017). In effetti, è stato proposto che l'acqua possa anche essere recuperata da quella persa a causa dell'evapotraspirazione delle piante utilizzando una qualche forma di schema o tecnologia di raccolta del contenuto d'acqua dell'aria (Kalantari et al. 2017). I sistemi acquaponici accoppiati sembrano fornire un maggiore potenziale per conservare e ridurre l'uso dell'acqua (Lennard 2017). Se la dinamica nutrizionale tra la produzione del pesce e l'uso delle piante può essere bilanciata, l'unica perdita di acqua avviene attraverso l'evapotraspirazione delle piante, e poiché l'acqua è integralmente condivisa tra i componenti del pesce e delle piante, i volumi giornalieri di acqua di trucco rappresentano semplicemente tutta l'acqua persa dagli impianti del sistema (Lennard 2017 ). I disegni acquaponici disaccoppiati presentano una proposta più difficile perché i due componenti non sono integralmente collegati e l'uso quotidiano dell'acqua della componente ittica non corrisponde all'uso quotidiano dell'acqua della componente vegetale (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). Pertanto, l'uso dell'acqua e i tassi di sostituzione per i sistemi aquaponici non sono completamente risolti e probabilmente non saranno mai dovuti alle grandi differenze negli approcci di progettazione del sistema.

   L'uso efficiente dei nutrienti è assegnato al metodo aquaponico e citato come un vantaggio dell'approccio aquaponico (Rakocy et al. 2006; Blidariu e Grozea 2011; Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2015). Questo è generalmente dovuto al fatto che l'acquacoltura RAS standard utilizza le sostanze nutritive all'interno del mangime per pesci per coltivare il pesce, mentre il resto viene inviato allo spreco. I pesci metabolizzano gran parte del mangime che vengono nutriti, ma utilizzano solo circa il 25 -35% dei nutrienti aggiunti (Timmons et al. 2002; Lennard 2017). Ciò significa che fino al 75% dei nutrienti aggiunti al RAS per soli pesci vengono sprecati e non utilizzati. Aquaponics cerca di utilizzare i nutrienti sprecati nella RAS per la produzione vegetale, e quindi l'acquaponica usa i nutrienti aggiunti in modo più efficiente perché due colture sono prodotte dall'unica fonte di input (Rakocy e Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). L'entità dell'uso di sostanze nutritive di scarto di pesce differisce tra i vari metodi aquaponici. Il modello UVI a ricircolo completo non utilizza la maggior parte dei rifiuti solidi di pesce generati nella componente ittica e li invia ai rifiuti (Rakocy et al. 2006), il modello Lennard a ricircolo completo fa un passo avanti utilizzando tutti i rifiuti generati dalla componente ittica (rifiuti disciolti direttamente e solidi tramite remineralizzazione microbica esterna con sostituzione del sistema principale) (Lennard 2017). Molti approcci disaccoppiati tentano anche di utilizzare tutti i rifiuti generati dalla componente ittica, attraverso l'uso diretto di rifiuti disciolti e ancora, tramite remineralizzazione microbica esterna con sostituzione del sistema principale (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). Tutti questi metodi e approcci dimostrano che un motore primario per il metodo aquaponico consiste nell'utilizzare il maggior numero possibile di nutrienti aggiunti e quindi tentare di utilizzare i nutrienti aggiunti nel modo più efficiente possibile.

   L'indipendenza dal suolo è stata citata come un vantaggio del metodo aquaponico (Blidariu e Grozea 2011; Love et al. 2015a, b). Il vantaggio percepito è che, poiché il suolo non è richiesto, il sistema o l'impianto acquaponico può trovarsi dove l'operatore sceglie, piuttosto che dove è presente un terreno adatto (Love et al. 2015a, b). Pertanto, il metodo aquaponico è indipendente dalla posizione in base alla disponibilità del suolo, il che è un vantaggio rispetto all'agricoltura basata sul suolo.

   È stato sostenuto che l'acquaponica fornisce un vantaggio imitando i sistemi naturali (Blidariu e Grozea 2011; Love et al. 2014). Ciò è supportato dalla natura ecologica dell'approccio/metodo aquaponico, come descritto nella sezione Sez. 5.7 sopra riportata, con i vantaggi associati a comunità microfloreali diverse e dense (Lennard 2017).

   L'acquacoltura ha un potenziale impatto ambientale diretto grazie al rilascio di acque reflue ricche di sostanze nutritive nell'ambiente circostante, in generale negli ambienti acquatici (Boyd e Tucker 2012). Alcuni metodi idroponici possono anche possedere questo potenziale. Tuttavia, l'acquaponica può presentare un impatto ambientale diretto abbassato o negato dai flussi di rifiuti ricchi di nutrienti perché il principale componente generatore di rifiuti (cioè il pesce) è integrato con un componente per l'uso di nutrienti (cioè le piante) (Rakocy et al. 2006; Blidariu e Grozea 2011; Goddek et al. 2015; Lennard 2017) . Tuttavia, alcuni metodi acquaponici producono rifiuti (ad esempio il modello UVI); ma questi sono generalmente trattati e riutilizzati per altre pratiche agricole presso il sito dell'impianto acquaponico (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). Molti metodi acquaponici si basano sull'uso di mangimi standard per acquacoltura, che contengono concentrazioni variabili di sodio, solitamente mediante l'uso di farina di pesce o olio di pesce come ingrediente (Timmons et al. 2002). Il sodio non viene utilizzato dalle piante e quindi può accumularsi nel tempo in sistemi acquaponici, il che può comportare la necessità di una qualche forma di sostituzione dell'acqua, quindi il sodio non si accumula in concentrazioni che interessano le piante (Lennard 2017). Tuttavia, è stato riferito che alcune specie di lattuga avevano la capacità di assumere sodio, quando erano esposte all'acqua di acquacoltura (Goddek e Vermeulen 2018).

   I sistemi acquaponici accoppiati o a ricircolo completo condividono integralmente la risorsa idrica tra i due componenti principali (pesce e pianta). A causa di questa natura acquatica completamente connessa e a ricircolo, i sistemi acquaponici accoppiati presentano un meccanismo di autocontrollo in termini di incapacità di applicare in sicurezza erbicidi e pesticidi alle piante; se applicati, la loro presenza può influire negativamente sui pesci (Blidariu e Grozea 2011). I sostenitori del pieno ricircolo vedono questa incapacità di applicare pesticidi ed erbicidi come un vantaggio, sostenendo che garantisce un prodotto privo di spruzzi (Blidariu e Grozea 2011). Anche i sostenitori dell'acquaponica disaccoppiato cercano di non applicare erbicidi o pesticidi; tuttavia, a causa del fatto che l'acqua non viene ricircolata al pesce dalle piante, è presente la possibilità di applicare pesticidi ed erbicidi alle piante (Goddek 2017). Pertanto, l'applicazione o la mancanza di applicazione di pesticidi ed erbicidi alla componente vegetale dei disegni acquaponici è vista in modo diverso dai gruppi che sostengono diversi approcci progettuali.

   C'è la percezione che la presenza di pesci e piante nello stesso sistema acquatico produca effetti sinergici positivi per la salute dei pesci e delle piante (Blidariu e Grozea 2011). Ciò è stato indirettamente dimostrato dalla capacità dell'acquaponica in alcuni studi di produrre tassi di crescita delle piante superiori a quelli osservati nell'idroponica standard (Nichols e Lennard 2010; Delaide et al. 2016). Tuttavia, non è stato stabilito alcun nesso causale diretto tra la presenza di pesci e piante e qualsiasi esito positivo per la salute dei pesci o delle piante.