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Capitolo 6 Relazioni batteriche in Aquaponica: nuove direzioni di ricerca

1. 6.1 Introduzione

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

   L'acqua di ricircolo nella porzione di acquacoltura di un sistema acquaponico contiene sia particolato che sostanza organica disciolta (POM, DOM) che entrano nel sistema principalmente tramite mangimi per pesci; la porzione di mangime che non viene consumata o metabolizzata dai pesci rimane come rifiuti nell'acqua del sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) , in forma disciolta (ad esempio ammoniaca) o come solidi sospesi o depositati (ad esempio fanghi). Una volta rimossa la maggior parte dei fanghi mediante separazione meccanica, la restante sostanza organica disciolta deve ancora essere rimossa da un sistema RAS. Tali processi si basano sul microbiota in vari biofiltri al fine di mantenere la qualità dell'acqua per i pesci e di convertire i rifiuti inorganici/organici in forme di nutrienti biodisponibili per le piante. Le comunità microbiche nel sistema acquaponico includono batteri, archea, funghi, virus e protisti in assemblaggi che fluttuano nella composizione in base a un riflusso e flusso di sostanze nutritive e cambiamenti nelle condizioni ambientali come pH, luce e ossigeno. Le comunità microbiche svolgono un ruolo significativo nei processi di denitrificazione e mineralizzazione (cfr. cap. 10) e svolgono quindi un ruolo chiave nella produttività complessiva del sistema, compreso il pesce benessere e salute delle piante.

   Le sfide all'interno di qualsiasi sistema acquaponico consistono nel controllare gli input (acqua, fingerlings, mangimi, piantagioni) e il loro microbiota associato per massimizzare i benefici della materia organica e la sua ripartizione in forme biodisponibili per gli organismi bersaglio. Dato che i parametri ottimali di crescita ambientale e le sostanze nutritive differiscono per pesci e piante (cfr. cap. 8), vari sistemi di separazione e aerazione e biofiltri contenenti i relativi assemblaggi microbici, devono essere situati in punti strategici della per contribuire a mantenere i livelli di nutrienti, di pH e di ossigeno disciolto (DO) entro gli intervalli desiderati sia per i pesci bersaglio che per le specie vegetali. Infatti, i parametri di qualità dell'acqua, tra cui temperatura, DO, conducibilità elettrica, potenziale redox, livelli di nutrienti, anidride carbonica, illuminazione, alimentazione e portata, influenzano il comportamento e la composizione delle comunità microbiche all'interno di un sistema acquaponico (Junge et al. 2017). A questo proposito, è importante perfezionare la configurazione e il funzionamento in modo che ogni unità apporti al suo successore quantità adeguate di forme biodisponibili di nutrienti, piuttosto che consentire la proliferazione di agenti patogeni o microbi opportunistici che possono consumare la maggior parte dei macronutrienti necessari a valle.

   Varie tecniche per l'analisi delle comunità microbiche possono fornire importanti informazioni sui cambiamenti nella struttura e nella funzione della comunità nel tempo in diverse configurazioni acquaponiche. Correlando questi cambiamenti con la biodisponibilità dei nutrienti e i parametri operativi, è possibile ridurre la produzione eccessiva o sottoproduzione di nutrienti essenziali o la produzione di sottoprodotti nocivi. Ad esempio, la massimizzazione del recupero dei nutrienti benefici delle piante dalle sostanze organiche di scarto nella componente del pesce dipende principalmente dalla capacità del microbiota di facilitare la ripartizione dei nutrienti all'interno di una serie di biofiltri e digestione dei fanghi, le cui prestazioni si basano su una serie di parametri operativi quali portate, tempo di permanenza e pH (Van Rijn 2013). Poiché non tutti i sistemi acquaponici includono digestori di fanghi, affronteremo questo aspetto più dettagliatamente nella seconda metà di questa recensione, mentre rimandiamo il lettore a cap. 3 per maggiori dettagli sulle tecniche di separazione dei solidi e sui chaps 7 e 8 per le discussioni sul sistema acquaponica accoppiato vs disaccoppiato. Se consideriamo qui solo particelle disciolte e sospese nell'acqua (e non fanghi), tutti i sistemi acquaponici impiegano una gamma di biofiltri diversi che espongono i microrganismi collegati alla materia organica che passa attraverso il filtro e forniscono un substrato adeguato e una superficie sufficiente per attaccamento microbico e formazione di biofilm. La degradazione di questa materia organica fornisce energia alle comunità microbiche, che a loro volta rilasciano macronutrienti (ad esempio nitrato, ortofosfato) e micronutrienti (ad esempio ferro, zinco, rame) nel sistema in forme utilizzabili (Blancheton et al. 2013; Schreier et al. 2010; Vilbergsson et al. 2016a).

   Esiste una notevole ricerca agricola sul ruolo del microbiota nel radicamento delle piante, nella crescita e nella salute. La preponderanza di questa ricerca si concentra sui sistemi basati sul suolo; tuttavia, la ricerca sull'idroponica è aumentata anche negli ultimi anni (Bartelme et al. 2018). Anche il microbiota in acquacoltura è stato caratterizzato in modo simile, dove il ruolo dei microbi nella salute e nella digestione dei pesci ha ricevuto una notevole attenzione in quanto i ricercatori cercano di caratterizzare meglio il ruolo della salute intestinale sull'assimilazione dei nutrienti. Data l'importanza della biofiltrazione nei sistemi RAS, anche i batteri coinvolti nel processo di nitrificazione per la RAS sono stati studiati relativamente bene e quindi non vengono affrontati qui (cfr. Chaps. 10 e 12). Tuttavia, ci sono state ricerche relativamente limitate sui microbi nel sistema acquaponico, in particolare le interazioni cruciali del microbiota tra i vari comparti del sistema. Questa mancanza di ricerca limita attualmente la portata e la produttività di tali sistemi, dove vi è un notevole potenziale di miglioramento con pre e probiotici, così come altre opportunità di migliorare la salute del sistema acquaponico attraverso una migliore comprensione, e quindi una migliore capacità di controllo, il vasto insieme di microbiota non caratterizzato che influenzano la salute e le prestazioni del sistema.

   In quanto tale, questo capitolo si concentra principalmente su studi recenti che rivelano come e dove le comunità microbiche determinano la produttività all'interno dei compartimenti, evidenziando al contempo il numero relativamente limitato di studi che collegano tali comunità microbiche alle interazioni tra componenti e sistema complessivo produttività. Cerchiamo di identificare le lacune in cui ulteriori conoscenze sulle comunità microbiche potrebbero affrontare le sfide operative e fornire informazioni importanti per migliorare l'efficienza e l'affidabilità.

2. 6.2 Strumenti per lo studio delle comunità microbiche

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   Le nuove tecnologie per studiare il modo in cui le comunità microbiche cambiano nel tempo e quali gruppi di organismi predominano in particolari condizioni ambientali, hanno sempre più offerto opportunità di anticipare gli esiti negativi all'interno dei componenti del sistema e quindi portare alla progettazione di sensori e test migliori per il monitoraggio efficace delle comunità microbiche nelle colture ittiche o vegetali. Ad esempio, varie tecnologie «omiche» — metagenomica, metatranscriptomica, proteomica comunitaria, metabolomica — stanno sempre più consentendo ai ricercatori di studiare la diversità del microbiota nei sistemi RAS, biofiltri, idroponica e digestori dei fanghi, dove il campionamento include interi assemblaggi microbici invece di un determinato genoma. L'analisi della diversità procariotica in particolare, è stata enormemente aiutata negli ultimi decenni da tecniche metagenomiche e metatranscriptomiche. In particolare, l'amplificazione e l'analisi di sequenza del gene 16S rRNA, basata sulla conservazione intraspecific di sequenze geniche neutre che affiancano gli operoni ribosomiali nel DNA batterico, è stata considerata la «gold standard» per la classificazione tassonomica e l'identificazione delle specie batteriche. Tali dati vengono utilizzati anche in microbiologia per monitorare epidemie e distribuzioni geografiche e studiare popolazioni batteriche e filogenie (Bouchet et al. 2008). La metodologia può essere ad alta intensità di manodopera e costosa, ma i recenti sistemi automatizzati, pur non necessariamente discriminatori a livello di specie e ceppo, offrono opportunità di applicazione in ambienti acquaponici (Schmautz et al. 2017). Recenti recensioni sintetizzano le applicazioni di 16S RRNA in quanto riguardano RAS (Martínez-Porchas e Vargas-Albores 2017; Munguia-Fragozo et al. 2015; Rurangwa e Verdegem 2015). I progressi nella metagenomica di microbi diversi dai batteri presenti in RAS e idroponica si basano su metodologie simili, ma usano 18S (eucarioti), 26S (funghi) e 16S in combinazione con le librerie di cloni 26S (lieviti) rRNA per caratterizzare questi microbiota (Martínez-Porchas e Vargasalbores 2017). Le librerie dettagliate di rRNA, ad esempio, sono state utilizzate anche in idroponica per caratterizzare le comunità microbiche nella rizosfera (Oburger e Schmidt 2016). Tali biblioteche possono essere particolarmente utili in acquaponica, dato che possono esaminare l'assemblaggio di microrganismi come batteri, archea, protozoi e funghi e fornire feedback sui cambiamenti all'interno del sistema.

   Lo sviluppo del sequenziamento automatico di prossima generazione (NGS) ha anche consentito l'analisi dei dati dei genomi provenienti da campioni di popolazione (metagenomica) che possono essere utilizzati per caratterizzare il microbiota, rivelare cambiamenti filogenetici temporali-spaziali e tracciare agenti patogeni. Le applicazioni in RAS includono il tracciamento di alcuni ceppi batterici tra i pesci coltivati e l'eliminazione delle popolazioni che trasportano ceppi virulenti, preservando nel contempo i portatori di altri ceppi (recensione: (Bayliss et al. 2017). Gli approcci metagenomici possono essere indipendenti dalla cultura e dall'amplificazione, il che consente alle specie precedentemente inculturabili di diventare conosciute e studiate per i loro possibili effetti (Martínez-Porchas e Vargas-Albores 2017). Le tecniche di sequenziamento di nuova generazione sono comunemente utilizzate nella microbiologia vegetale insieme alle analisi metatranscriptomiche di follow-up. Un esempio eccellente è il primo studio completo delle comunità microbiche nella rizosfera, in cui gli essudati di radice sono stati mostrati correlati con gli stadi di sviluppo (Knief 2014).

   La proteomica è particolarmente utile quando si studia una particolare specie batterica o ceppo in condizioni ambientali specifiche al fine di descriverne la patogenicità o il possibile ruolo nella simbiosi. Tuttavia, ci sono progressi nella proteomica comunitaria che si basano su precedenti studi metagenomici e utilizzano varie tecniche biochimiche per identificare, ad esempio, proteine secrete associate a comunità microbiche commensali o simbiotiche, e ulteriori possibilità abbondano man mano che la capacità delle tecnologie NGS avanzare rapidamente (recensione: (Knief et al. 2011).

   La metabolomica caratterizza le funzioni dei geni, ma le tecniche non sono specifiche dell'organismo o dipendono dalla sequenza e possono quindi rivelare l'ampia gamma di metaboliti che sono prodotti finali della biochimica cellulare in organismi, tessuti, cellule o compartimenti cellulari (a seconda dei campioni analizzati). Tuttavia, la conoscenza del metaboloma delle comunità microbiche in particolari condizioni ambientali (microcosmi) rivela molto sul ciclo biogeochimico dei nutrienti e sugli effetti delle perturbazioni. Tale conoscenza caratterizza varie vie metaboliche e la gamma di metaboliti presenti nei campioni. Le successive analisi biochimiche e statistiche possono indicare stati fisiologici che possono a loro volta essere correlati con parametri ambientali che potrebbero non essere evidenti da approcci genomici o proteomici. Tuttavia, la combinazione di metabolomica con studi sulla funzione genica ha un enorme potenziale per promuovere la ricerca acquaponica; si veda la revisione (van Dam e Bouwmeester 2016).

3. 6.3 Considerazioni sulla biosicurezza per la sicurezza alimentare e il controllo degli agenti patogeni

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   6.3.1 Sicurezza alimentare

   Una buona sicurezza alimentare e garantire il benessere degli animali sono priorità elevate per ottenere il sostegno pubblico all'acquaponica. Uno dei problemi più frequenti sollevati dagli esperti di sicurezza alimentare in relazione all'acquaponica è il potenziale rischio di contaminazione da agenti patogeni umani quando si utilizzano gli effluenti di pesce come fertilizzante per le piante (Chalmers 2004; Schmautz et al. 2017). Una recente ricerca in letteratura per determinare i rischi zoonotici nell'acquaponica ha concluso che gli agenti patogeni nell'acqua di aspirazione contaminata, o agenti patogeni nei componenti di mangimi originari di animali a sangue caldo, possono diventare associati a microbiota intestinale di pesce, che, anche se non dannosi per i pesci stessi, possono potenzialmente essere abbandonato la catena alimentare agli esseri umani (Antaki e Jay-Russell 2015). I meccanismi di introduzione di agenti patogeni in un sistema acquaponico sono quindi preoccupanti, con la fonte più probabile di coliformi fecali o di altri batteri patogeni derivanti dall'immissione di mangimi nei pesci. Dal punto di vista biologico, vi sono potenziali rischi di proliferazione di questi agenti patogeni nei biofiltri o, nei sistemi a ciclo singolo, mediante l'introduzione di agenti patogeni trasportati dall'aria dai componenti delle piante aperte nelle vasche ittiche. Sebbene i rischi di biosicurezza siano bassi nello spazio ambientale relativamente chiuso di un sistema acquaponico — rispetto ad esempio all'acquacoltura di stagni aperti — e siano ancora più bassi nel sistema acquaponico disaccoppiato in cui alcune parti del sistema possono essere isolate, vi è ancora la percezione che i fanghi di pesce possano essere potenzialmente pericoloso se applicato a piante destinate al consumo umano. Escherichia coli (E. coli) è un agente patogeno enterico umano che causa malattie di origine alimentare che è stato una preoccupazione fondamentale per quanto riguarda l'uso dei rifiuti animali come fertilizzante in agricoltura o acquacoltura, ad esempio sistemi integrati di pesci suini (Dang e Dalsgaard 2012). Tuttavia, in genere non si ritiene che presenti un rischio nell'acquaponica delle piante ittiche. Ad esempio, Moriarty et al. (2018) hanno precedentemente dimostrato che il trattamento con radiazioni UV può ridurre con successo E. coli, ma ha anche osservato che i coliformi rilevati nel sistema acquaponico erano a livelli di fondo e non proliferano nelle piste di pesce o nella lattuga coltivata idroponicamente all'interno del sistema sperimentale, e quindi non ha presentato un rischio per la salute. La ricerca su questi aspetti è limitata, ma alcuni studi preliminari hanno rilevato rischi molto bassi di contaminazione da coliformi, ad esempio, non mostrando alcuna differenza nei livelli di coliformi rispetto ai trattamenti delle acque RAS sterilizzati e non sterilizzati applicati alle piante (Pantanella et al. 2015). Anche se esiste un potenziale rischio di internalizzazione dei microbi all'interno delle foglie delle piante, e quindi la loro trasmissione alle porzioni consumate di alcune piante a foglia commestibili coltivate in acquaponica, altri studi sono giunti a conclusioni analoghe secondo cui i rischi sono minimi di introdurre potenzialmente pericolosi patogeni (Elumalai et al. 2017).

   Tuttavia, la gestione dei rischi, o soprattutto la gestione delle percezioni di tali rischi, rimane una priorità elevata per le autorità governative e gli investitori acquaponici. Si presume che il controllo di qualità degli input di mangimi e l'attenta gestione dei rifiuti di pesce e pesce possano limitare la maggior parte di queste potenziali preoccupazioni (Fox et al. 2012). In effetti, attualmente non sono stati segnalati incidenti noti per la salute umana in relazione al sistema acquaponico, e questo può essere dovuto al fatto che le strutture RAS e le serre idroponiche in genere dispongono di buone misure di biosicurezza, comprese le pratiche igieniche e di quarantena che sono rigorose osservato. Le pratiche microbiologiche raccomandate per la biosicurezza sono state valutate per diversi sistemi di produzione dell'acquacoltura e raccomandazioni formulate nelle linee guida dei punti critici di controllo, un sistema internazionale per il controllo della sicurezza alimentare (Orriss e Whitehead 2000). Tuttavia, sussiste ancora la necessità di una migliore documentazione scientifica dei rischi per i trasferimenti di agenti patogeni all'uomo e di una ricerca diretta sulla gestione in questo settore della produzione acquaponica.

   6.3.2 Patogeni di pesci e piante

   Esiste una letteratura specifica per la disciplina in acquacoltura, idroponica e bioingegneria che può aiutare a informare e migliorare le prestazioni microbiche in acquaponica. Ad esempio, le comunità microbiche svolgono un'ampia gamma di funzioni importanti per la salute dei pesci, tra cui svolgere un ruolo chiave nella digeribilità e nell'assimilazione dei mangimi, nonché nell'immunodulazione, e queste funzioni e il ruolo dei probiotici nel potenziare i sistemi di acquacoltura sono ben riesaminati (Akhter et al. 2015). In particolare, il ruolo dei microbi nei sistemi RAS è ben coperto, tra cui la gestione microbica dei biofiltri, la ricerca sul controllo degli agenti patogeni, nonché varie tecniche di controllo dei dissapori derivanti dai sistemi RAS (Rurangwa e Verdegem 2015). Allo stesso modo, i microbi presenti nella rizosfera delle piante sono importanti per il radicamento e la crescita delle piante (Dessaux et al. 2016) ma anche per il controllo della diffusione di agenti patogeni nella produzione di piante idroponiche; queste aree sono ben esplorate in una recente recensione di Bartelme et al. (2018). Tuttavia, vi è ancora una comprensione molto limitata dei collegamenti nel microbioma tra i compartimenti del sistema acquaponico, conoscenza che è fondamentale per massimizzare la produttività e ridurre il trasferimento di agenti patogeni.

   La proliferazione di agenti patogeni opportunistici pericolosi per la salute dei pesci o delle piante sono considerazioni importanti nell'economia delle operazioni acquaponiche, dato che qualsiasi uso di antibiotici o disinfettanti può avere un effetto potenzialmente dannoso sulla funzione dei biofiltri, oltre che sulla destabilizzazione microbica relazioni in altri compartimenti del sistema. I protocolli di disinfezione comunemente utilizzati nel RAS includono il trattamento dell'acqua con luce ultravioletta (Elumalai et al. 2017), che, in combinazione con l'ozono (e di solito una combinazione di entrambi), comprende un approccio abiotico di prima linea per mantenere la qualità dell'acqua. Anche le uova di pesce/larve vengono spesso messe in quarantena prima di essere introdotte e tutte le acque di aspirazione trattate, riducendo così le potenziali fonti dirette di ingresso di agenti patogeni del pesce nel sistema.

   Anche l'acqua in entrata al RAS è generalmente autorizzata a «maturare» nei biofiltri prima di essere immessa nel sistema di ricircolo. Gli esperimenti, ad esempio, hanno dimostrato che inoculare un pre-biofiltro con una miscela di batteri nitrificanti e «alimentarlo» con sostanza organica fino a quando le popolazioni batteriche non corrispondono alla capacità di carico degli acquari, significa che l'acqua del serbatoio di allevamento è meno probabile che sia instabile e superata da batteri opportunistici (Atramadal et al. 2016; Rurangwa e Verdegem 2015). Tuttavia, se gli agenti patogeni diventano problematici, talvolta può essere necessario l'uso di trattamenti UV, ozono, chimici o antibiotici ad alta dose, anche se tale uso è generalmente dirompente per altri comparti del sistema, in particolare per i biofiltri (Blancheton et al. 2013). Infatti, a seconda della dose e della posizione all'interno del sistema, i trattamenti non selettivi per gli agenti patogeni possono effettivamente favorire la proliferazione degli opportunisti. Ad esempio, elevati livelli di trattamento con ozono non solo uccidono batteri, protisti e virus, ma ossidano anche DOM e influenzano l'aggregazione di POM, esercitando così una pressione di selezione sulle popolazioni batteriche (ibid.).

   Una discussione dettagliata sugli agenti patogeni vegetali nel sistema acquaponico e sul loro controllo è inclusa nel capitolo 14 e quindi non è ribadita in questa sede. Tuttavia, vale la pena notare che le specie Bacillus sono abitualmente utilizzate come probiotici commerciali in acquacoltura, e ci sono sempre più prove che simili specie Bacillus sono efficaci anche per le piante, che sono già disponibili in alcune soluzioni probiotiche idroponiche commerciali (Shafi et al. 2017). Un recente studio ha esteso tali studi su Bacillus per includere la sperimentazione nel sistema acquaponico (Cerozi e Fitzsimmons 2016b). Il luogo in cui vengono introdotti i probiotici — nei pesci, nelle piante o nei biofiltri — può essere importante, ma non è chiaro dal lavoro esistente se l'aggiunta di probiotici nella componente pesce, con potenziali benefici per il pesce, abbia anche effetti migliori sulla crescita e sulla salute delle piante rispetto all'aggiunta di livelli simili di probiotici direttamente nel comparto idroponico.

   Oltre ai probiotici di applicazione standard, esistono una varietà di tecniche innovative per il biocontrollo che in futuro potrebbero diventare sempre più preziose per ridurre la presenza e la proliferazione di microbi nocivi. In uno studio recente, gli isolati batterici sono stati selezionati da un sistema acquaponico consolidato in base alla loro capacità di esercitare effetti inibitori sia sui pesci che sui patogeni fungini vegetali. L'obiettivo era quello di coltivare questi isolati come inocula che avrebbe potuto agire successivamente come controlli biologici per le malattie all'interno di quel sistema acquaponico (Sirakov et al. 2016). Ad esempio, Sirakov et al. hanno dimostrato che una Pseudomonas sp. isolata era efficace come biocontrollo per i funghi patogeni Saprolegnia parassitica dei pesci e Pythium ultimum delle piante. I ricercatori hanno anche riferito l'inibizione in vitro di una varietà di altri isolati batterici provenienti dai diversi comparti aquaponici, ma senza testare i loro effetti in vivo. Il potenziale per l'utilizzo di tali isolati come controlli biologici non è nuovo, ma le applicazioni delle tecniche NGS possono ora rivelare maggiori informazioni sulle interazioni di tali isolati tra loro e con potenziali agenti patogeni, consentendo così di ottimizzare l'efficacia della consegna. L'uso di altre tecniche di «omica» potrebbe aiutare a rivelare la struttura complessiva della comunità e le funzioni metaboliche associate, e iniziare a chiarire quali organismi e funzioni sono più utili. In futuro, tali tecniche potrebbero consentire la selezione di «ceppi ausiliari» all'interno delle comunità microbiche, o l'identificazione di essudati che hanno effetti antimicrobici (Massart et al. 2015).

4. 6.4 Equilibrio microbico e potenziamento nelle unità acquaponiche

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

   La produttività nel sistema acquaponico comporta il monitoraggio e la gestione dei parametri ambientali al fine di fornire a ciascun componente, sia microbico, animale o vegetale, condizioni di crescita ottimali. Sebbene ciò non sia sempre possibile in considerazione dei compromessi dei requisiti, uno degli obiettivi chiave dell'acquaponica ruota attorno al concetto di omeostasi, in cui il mantenimento della stabilità del sistema comporta la regolazione dei parametri operativi per ridurre al minimo le perturbazioni inutili che causano stress all'interno di un'unità, oppure effetti dannosi su altri componenti. Con gli assemblaggi microbici in continua evoluzione, l'omeostasi non implica mai uno stato permanente di equilibrio, ma piuttosto un obiettivo di raggiungere la massima stabilità possibile, in particolare all'interno dei parametri di qualità dell'acqua.

   Un RAS accoppiato ad un sistema idroponico sarà in continua evoluzione, ma all'interno di questa configurazione la componente RAS rimane relativamente stabile, in particolare nei sistemi disaccoppiati (Goddek e Körner 2019). Il sistema idroponico, d'altra parte, tende ad essere più irregolare nella qualità dell'acqua poiché le colture vegetali sono spesso raccolte in modalità batch e raramente in sincronia con la produzione ittica.

   Durante la fase iniziale di avvio di qualsiasi sistema acquaponico, la qualità dell'acqua — in particolare per quanto riguarda le comunità microbiche nei biofiltri — è una preoccupazione e, al fine di ridurre al minimo la proliferazione di batteri opportunistici, una pratica di routine è stata quella di consentire la maturazione microbica dell'acqua di aspirazione prima della sua introduzione nella RAS, aggiungendo pesce solo dopo che la capacità dei biofiltri corrisponde alla capacità di carico delle vasche di allevamento a una particolare densità di stoccaggio (Blancheton et al. 2013). Una pratica simile si osserva in idroponica dove almeno una porzione di acqua riciclata viene utilizzata per inoculare una nuova coltura, dato che le comunità microbiche mature richiedono tempo per sviluppare e introdurre tutti i nuovi risultati idrici in tempi lunghi. Tali pratiche portano ad una maggiore stabilità nelle condizioni di coltura e ad una maggiore produttività. Ad esempio, è stato notato un miglioramento delle prestazioni nei sistemi RAS quando il filtro di pre-aspirazione viene fornito con alimenti polverizzati per pesci per sviluppare comunità microbiche più simili a quelle delle vasche di allevamento (Atramadal et al. 2014).

5. 6.5 Ruoli batterici nel ciclo nutriente e biodisponibilità

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

   Sono state condotte notevoli ricerche per caratterizzare i batteri eterotrofici e autotrofici nei sistemi RAS e per comprendere meglio il loro ruolo nel mantenimento della qualità dell'acqua e nel ciclo dei nutrienti (per le recensioni, vedere Blancheton et al. (2013); Schreier et al. (2010). Gli eterotrofi non patogeni, tipicamente dominati da Alphaproteobacteria e Gammaproteobacteria, tendono a prosperare nei biofiltri, e il loro contributo alle trasformazioni dell'azoto è abbastanza ben compreso perché il ciclo di azoto (NC) è stato di fondamentale importanza nello sviluppo della coltura di ricircolo sistemi (Timmons ed Ebeling 2013). Da tempo è stato riconosciuto che la trasformazione batterica dell'ammoniaca escreta dai pesci in un sistema RAS deve essere abbinata a tassi di escrezione, perché l'eccesso di ammoniaca diventa rapidamente tossica per i pesci (cfr. cap. 9). Pertanto, nei RAS d'acqua dolce e marina, i ruoli funzionali delle comunità microbiche nella dinamica NC — nitrificazione, denitrificazione, ammonificazione, ossidazione anaerobica dell'ammonio e riduzione dei nitrati dissimilatori — hanno ricevuto una notevole attenzione di ricerca e sono ben descritti nelle recenti recensioni (Rurangwa e Verdegem 2015; Schreier et al. 2010). Ci sono molti meno studi sulle trasformazioni dell'azoto in acquaponica, ma una recente revisione (Wongkiew et al. 2017) fornisce una sintesi insieme alla discussione sull'efficienza dell'utilizzo dell'azoto, che è una considerazione primaria per la crescita delle piante nell'idroponica.

   Dopo l'azoto, il secondo macronutriente più essenziale nell'acquaponica è il fosforo, che non è un fattore limitante per i pesci che lo acquistano dai mangimi, ma è fondamentale per le piante idroponiche. Tuttavia, le forme di fosfato nei rifiuti ittici non sono immediatamente biodisponibili per le piante. Le piante devono avere quantità adeguate di ortofosfato ionico inorganico (HSub2/subposub4/subsup-/SUP e HPOsub4/subSUP2-/SUP = Pi) (Becquer et al. 2014), poiché questa è l'unica forma biodisponibile per l'assorbimento e l'assimilazione. Il fosfato inorganico si lega al calcio al di sopra del pH 7.0, quindi il sistema aquaponico deve fare attenzione a mantenere le condizioni di pH vicino a pH 7.0. Poiché i valori di pH superano 7,0, varie forme insolubili di fosfato di calcio possono finire come precipitati nei fanghi (Becquer et al. 2014; Siebielec et al. 2014). Pertanto, le perdite RAS di P derivano principalmente dalla rimozione dei fanghi dal sistema (Van Rijn 2013). Tuttavia, da qualche parte nel sistema acquaponico, il particolato deve essere catturato e permesso di mineralizzare al fine di fornire un sufficiente apporto di nutrienti utilizzabili per le colture dell'unità idroponica. La fase di mineralizzazione rilascerà anche altri macro- e micronutrienti in modo che ci siano meno carenze, riducendo così la necessità di integrazione nel comparto idroponico. Dato che le forniture mondiali di fertilizzanti ricchi di fosfati stanno diminuendo e l'integrazione con P è sempre più costosa, si stanno facendo sforzi per massimizzare il recupero di P dai fanghi RAS (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017).

   La biodisponibilità di macro e micronutrienti è attualmente poco conosciuta. Ricerche precedenti (Cerozi e Fitzsimmons 2016a) suggeriscono che la disponibilità di sostanze nutritive diventa compromessa poiché il pH è ridotto al di sotto di 7,0 e ha portato a un sistema idroponico accoppiato per verdi a foglia verde viene utilizzato intorno al pH 6,0. Tuttavia, una recente ricerca che ha confrontato le condizioni acquaponiche e il pH 7,0 con le condizioni idroponiche di pH 5,8 non ha mostrato alcuna differenza nella produttività (Anderson et al. 2017a, b). In questi studi, le condizioni idroponiche a pH 7,0 hanno ridotto la produttività del\ ~ 22% rispetto al pH idroponico 5,8. Inizialmente, l'ipotesi era che le differenze di produttività potessero essere attribuite al microbiota dell'acqua acquaponica, ma la ricerca successiva ha respinto tale teoria (Wielgosz et al. 2017).

   In RAS dove i rapporti C:N aumentano a causa della disponibilità di materia organica, denitrificanti batteri, in particolare Pseudomonas sp., utilizzare il carbonio come donatore di elettroni in condizioni anossiche, per produrre NSub2/sub a scapito del nitrato (Schreier et al. 2010; Wongkiew et al. 2017). I sistemi Biofloc sono talvolta utilizzati per aumentare il mangime per i pesci (Crab et al. 2012; Martínez-Córdova et al. 2015), e il biofloc è sempre più utilizzato nel sistema acquaponico, specialmente in Asia (Feng et al. 2016; Kim et al. 2017; Li et al. 2018). Quando il biofloc viene utilizzato in acquaponica (da Rocha et al. 2017; Pinho et al. 2017), il ciclo dei nutrienti diventa ancora più complesso dato che DO, temperatura e pH influenzano se le comunità microbiche eterotrofe (che utilizzano carbonio) predominano sui denitrificatori autotrofici che sono in grado di ridurre il solfuro a solfato (Schreier et al. 2010). Gli eterotrofi tendono ad avere un tasso di crescita più elevato rispetto agli autotrofi in presenza di adeguate fonti di carbonio (Michaud et al. 2009); pertanto, manipolare il tipo o i regimi di mangime, o aggiungere direttamente una fonte di carbonio organico, monitorando i livelli di ossigeno disciolto, può aiutare a mantenere equilibrate le popolazioni mentre ancora fornendo idroponica con N in una forma utilizzabile (Vilbergsson et al. 2016a).

   Nel sistema idroponico, il ciclo dei nutrienti è stato meno studiato poiché i composti inorganici contenenti il necessario equilibrio di nutrienti sono tipicamente aggiunti al fine di garantire una corretta crescita delle piante. Tuttavia, le alte concentrazioni di nutrienti, specialmente in ambienti caldi e umidi come le serre, facilitano facilmente la crescita delle comunità microbiche, in particolare fitopatogeni come funghi (Fusarium) e oomycota (Phytophthora, Pythium sp.), che possono rapidamente immergersi in acqua circolante e possono provocare la die- off (Lee e Lee 2015). Recenti sforzi per comprendere meglio i rizobatteri idroponici e i loro effetti benefici nel promuovere la crescita delle piante (ma anche per inibire la proliferazione degli agenti patogeni) hanno utilizzato varie tecniche «omiche» per analizzare le comunità microbiche e le loro interazioni con i sistemi radicali (Lee e Lee 2015).

   Ad esempio, quando sono presenti batteri probiotici come Bacillus, è stato dimostrato che essi migliorano la disponibilità di P e sembrano anche avere un effetto di promozione della crescita delle piante in un sistema di tilapia-lattuga (Cerozi e Fitzsimmons 2016b). Nel sistema acquaponico, l'aggiunta di probiotici all'alimentazione dei pesci e all'acqua RAS, nonché all'approvvigionamento idrico idroponico, merita ulteriori esperimenti, poiché le comunità microbiche possono avere molteplici effetti modulatori sulla fisiologia delle piante. Ad esempio, le comunità microbiche (batteri, funghi, oomiceti) di quattro colture alimentari sono state analizzate mediante sequenziamento metagenomico quando mantenute in un sistema idroponico a film nutriente costante, in cui le concentrazioni di pH e nutrienti sono state autorizzate a fluttuare naturalmente durante i cicli di vita delle piante (Sheridan et al. 2017). Gli autori hanno concluso che il trattamento con una miscela commerciale di microbi che promuovono la crescita delle piante (PGPM), in questo caso batteri, micorrize e funghi, sembrava conferire maggiore stabilità e somiglianze nella composizione comunitaria dopo 12-14 settimane rispetto ai controlli. Essi suggeriscono che ciò potrebbe essere attribuito agli essudati radicali, che presumibilmente favoriscono e addirittura controllano lo sviluppo di comunità microbiche adeguate alle successive fasi di sviluppo delle piante. Considerati gli effetti noti dei PGPM nella produzione di colture basate sul suolo e i pochi studi disponibili per i sistemi privi di suolo, sono necessarie ulteriori indagini per determinare come migliorare i PGPM e migliorarne gli effetti nel sistema acquaponico (Bartelme et al. 2018). Se le colture idroponiche sono più stabili e la crescita delle piante è più robusta con i PGPM, l'obiettivo dovrebbe essere quello di caratterizzare le comunità microbiche in acquaponica tramite metagenomica e correlarle con la disponibilità ottimale di macro e micronutrienti tramite metabolomica e proteomica.

6. 6.6 Solidi e fanghi sospesi

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

   I parametri per il funzionamento dell'acquaponica su una determinata scala — compresi volume d'acqua, temperatura, portate e portate, pH, età e densità dei pesci e delle colture — influenzano tutti la distribuzione temporale e spaziale delle comunità microbiche che si sviluppano all'interno dei suoi comparti, per le revisioni: RAS (Blancheton et al. 2013); idroponica (Lee e Lee 2015).

   Oltre a controllare l'ossigeno disciolto, i livelli di anidride carbonica e il pH in acquaponica, è anche essenziale controllare l'accumulo di solidi nel sistema RAS in quanto particelle fini sospese possono aderire alle branchie, causare abrasioni e distress respiratorio e aumentare la suscettibilità alle malattie (Yildiz et al. 2017) . Più rilevante, il particolato organico (POM) deve essere rimosso rapidamente ed efficacemente dai sistemi RAS, altrimenti un'eccessiva crescita eterotrofia causerà il fallimento di quasi tutti i processi unitari. Le velocità di alimentazione RAS devono essere gestite con cura per ridurre al minimo il carico di solidi sul sistema (ad esempio evitare l'eccesso di alimentazione e ridurre al minimo i costi di alimentazione). Le proprietà biofisiche dei mangimi — dimensioni delle particelle, contenuto di nutrienti, digeribilità, appeal sensoriale, densità e tasso di assestamento — determinano i tassi di ingestione e assimilazione, che a loro volta hanno un impatto sull'accumulo di solidi e quindi sulla qualità dell'acqua. Sebbene la qualità dell'acqua sia frequentemente studiata nel contesto del ciclo dei nutrienti (cfr. cap. 9), è anche importante ottenere una migliore comprensione della composizione delle comunità microbiche e dei cambiamenti in queste basate sulla composizione dei mangimi, carico di particolato e come questo influenza la crescita delle comunità batteriche eterotrofe e autotrofe.

   Varie caratteristiche dei sistemi RAS sono state sviluppate appositamente per trattare i solidi (Timmons ed Ebeling 2013); vedi anche recensione: (Vilbergsson et al. 2016b). Ad esempio, alcuni biofiltri funzionano per mantenere sospese porzioni considerevoli di rifiuti al fine di facilitare la degradazione, mentre altri filtrano meccanicamente attraverso schermi o mezzi granulari. Altri ancora si affidano alla sedimentazione per raccogliere e rimuovere semplicemente i fanghi. Tuttavia, tali metodi non sono particolarmente efficaci per recuperare i nutrienti all'interno dei fanghi e renderli biodisponibili per l'uso vegetale. Storicamente, questo fango è stato trattato in bioreattori per il suo valore metanogeno o disidratato per essere utilizzato come fertilizzante per colture a base di suolo, ma vari progetti più recenti hanno cercato di migliorare il recupero per l'uso nella componente idroponica. Migliorare il recupero di questi fanghi è un'importante area di indagine, dato che una parte significativa dei macro e dei micronutrienti essenziali necessari per la crescita delle piante è legata al particolato organico che, se scartato, viene perso dal sistema. Aggiungendo un ulteriore ciclo di riciclaggio dei fanghi al sistema acquaponico, i rifiuti solidi possono essere convertiti in sostanze nutritive disciolte per il riutilizzo da parte delle piante anziché essere scartati (Goddek et al. 2018). I digestori o i bioreattori rimineralizzanti sono un modo per ottenere questo risultato, tuttavia una delle aree chiave attualmente sottosviluppate include la conoscenza di come le comunità microbiche all'interno di questi digestori di fanghi possono essere migliorate (ad esempio attraverso l'aggiunta di microbi) o meglio utilizzate (ad esempio attraverso una migliore progettazione ingegnerizzata dei reattori collegati) per recuperare i nutrienti in forme biodisponibili per le piante. Anche se le attuali comunità microbiche all'interno dei digestori dei fanghi non sono state ben studiate per l'acquaponica, esiste una notevole letteratura sul microbiota dei digestori dei fanghi per le acque reflue e i rifiuti animali in agricoltura, compresi gli effluenti di pesce, che può fornire ulteriori informazioni sui progetti ideali per recupero dei fanghi nel sistema acquaponico. L'attuale ricerca sull'incorporazione dei fanghi nel sistema acquaponico prevede la remineralizzazione nei digestori situati tra la RAS e l'unità idroponica (Goddek et al. 2016a, 2018). All'interno di bioreattori aerobici o anaerobici, le condizioni ambientali favorevoli alla degradazione dei rifiuti possono efficacemente abbattere questi fanghi in nutrienti biodisponibili, che possono essere successivamente consegnati al sistema idroponico senza la presenza di suolo (Monsees et al. 2017). Molti sistemi acquaponici a ciclo unico includono già digestori aerobici (Rakocy et al. 2004) e anaerobici (Yogev et al. 2016) per trasformare i nutrienti intrappolati nei fanghi dei pesci e renderli biodisponibili per le piante. La capacità di disaccoppiarli presenta una serie di vantaggi che sono ulteriormente discussi in cap. 8 e sembra portare a tassi di crescita più elevati (Goddek e Vermeulen 2018). Tuttavia, nonostante i numerosi progressi, la tecnologia effettiva per raggiungere questo obiettivo rimane difficile. Ad esempio, alcuni batteri denitrificanti eterotrofici coltivati in condizioni anossiche o anche aerobiche con fanghi del RAS utilizzeranno nitrati come recettore di elettroni e fonti di carbonio ossidato per l'energia, mentre immagazzinano P in eccesso come polifosfato insieme a ioni metallici divalenti come CASUP+2/SUP o CUSUP+2/SUP. Quando stressati a pH alcalino, questi batteri degradano il polifosfato e rilasciano ortofosfato, che è la forma necessaria per l'assimilazione del fosfato da parte delle piante (Van Rijn et al. 2006). L'inserimento di unità bioreattori di remineralizzazione, come quelle di Goddek et al. (2018), potrebbe fornire un modo per recuperare meglio P per l'idroponica. Metodi analoghi sono stati utilizzati, ad esempio, per i fanghi di trota provenienti da un RAS trattati per il tenore di nitrati e P superiore ai limiti di smaltimento consentiti (Goddek et al. 2015). Tuttavia, le comunità microbiche coinvolte in questi processi sono sensibili a condizioni di coltura come rapporti C:N, ossigenazione, ioni metallici e pH, in modo che nitriti e altri intermedi nocivi possano accumularsi. Nonostante una vasta letteratura sui digestori di vari rifiuti organici, principalmente anaerobici per la produzione di biogas (Ibrahim et al. 2016), c'è molto meno ricerca sul trattamento dei rifiuti RAS (Van Rijn 2013), e nel caso del sistema acquaponico, ricerca ancora meno disponibile sul rapporto tra nutrienti biodisponibilità e crescita delle colture nel sistema idroponico (Möller e Müller 2012). In questo momento, ulteriori studi sui bioreattori fanghi RAS potrebbero fornire importanti informazioni sulle condizioni di coltura per le popolazioni microbiche che producono risultati favorevoli, ad esempio, sul recupero P e sulla sua introduzione nelle unità idroponiche.

   Una delle sfide attuali negli sforzi per valutare il recupero di P dai fanghi sorge quando si confrontano prove di digestori anaerobici e aerobici per la loro efficacia (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). Sebbene entrambi gli studi utilizzassero inizialmente una composizione simile dei fanghi, i risultati erano molto diversi. In uno studio (Monsees et al. 2017), le misure di vari nutrienti solubili nei trattamenti aerobici hanno determinato un aumento del 330% della concentrazione di P e una diminuzione del 16% della concentrazione di nitrati rispetto ai minori aumenti di P e una diminuzione del 97% dei nitrati nei trattamenti anaerobici. Al contrario, i risultati di uno studio simile (Goddek et al. 2016b) hanno mostrato che la crescita delle piante di lattuga in un'unità idroponica era superiore utilizzando un surnatante anaerobico, anche se entrambi i trattamenti anaerobici e aerobici hanno determinato solo un recupero leggermente migliore dei nitrati dalle condizioni anaerobiche e una perdita quasi completa di POSUB4/sub da entrambi i trattamenti (Goddek et al. 2016b). Ovviamente, fattori quali la composizione e le velocità dei mangimi, la sospensione rispetto al sedimentamento dei solidi, il pH (mantenuto a 7 ± 1 con CaOhSub2/sub nel primo e la variabile 8.2-8.65 nel secondo), il campionamento e i ceppi di pesce differivano in questi due studi. Tuttavia, i risultati contrastanti per POSUB4/SUB e NOSUB3/sub indicano la necessità di ulteriori ricerche per ottimizzare il recupero dei nutrienti, con l'aggiunta di un approccio metagenomico per caratterizzare le comunità microbiche in modo da comprendere meglio il loro ruolo in questi processi.

7. 6.7 Conclusioni

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

   Anticamente il settore dei piccoli produttori, i progressi tecnologici stanno spostando sempre più l'acquaponica verso una produzione commerciale su larga scala, concentrandosi su un miglioramento del recupero di macro e micronutrienti, fornendo al contempo innovazioni tecniche per ridurre il fabbisogno idrico ed energetico. Tuttavia, l'aumento dell'acquaponica su scala industriale richiede una migliore comprensione e manutenzione degli assemblaggi microbici e l'attuazione di forti misure di biocontrollo che favoriscano la salute e il benessere dei pesci e delle colture, pur rispettando gli standard di sicurezza alimentare per gli esseri umani consumo. Sono necessarie ulteriori ricerche sul biocontrollo degli agenti patogeni microbici nell'acquaponica, compresi i potenziali patogeni umani, dei pesci e delle piante, alla luce della sensibilità di tali sistemi alla perturbazione e del fatto che l'uso di sostanze chimiche e antibiotici può avere effetti profondi sulle popolazioni microbiche, sui pesci e sui fisiologie vegetali, così come il funzionamento complessivo del sistema. Schiarire le interazioni microbiche può migliorare la produttività del sistema acquaponico dato il ruolo cruciale dei microbi nella conversione della materia organica in forme utilizzabili che possono permettere ai pesci e alle piante di prosperare.