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Capitolo 7 Sistemi Acquaponici accoppiati

1. 7.1 Introduzione

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

   

   Fig. 7.1 Diagramma del primo sistema di Naegel (1977) che cresce Tilapia e carpa comune in combinazione con lattuga e pomodori in un sistema di ricircolo chiuso

   La combinazione di coltivazione di pesci e piante in acquaponica accoppiata risale al primo progetto di Naegel (1977) in Germania, utilizzando un sistema di scala da 2000 L (Fig. 7.1) situato in una serra a ambiente controllato. Questo sistema è stato sviluppato per verificare l'uso di sostanze nutritive provenienti dalle acque reflue dei pesci in condizioni di ricircolo dell'acqua completamente controllate destinate alla produzione di impianti, compreso un sistema a doppio fango (trattamento delle acque reflue aerobiche). Naegel ha basato il suo concetto sul sistema acquaponico a stagno aperto della South Carolina Agricultural Experiment Station, negli Stati Uniti, dove i nutrienti in eccesso provenienti dagli stagni, riforniti di pesce gatto del canale (Ictalurus punctatus) sono stati eliminati dalla produzione idroponica di castagne d'acqua (Eleocharis dulcis) ( Loyacano e Grosvenor 1973). Includendo serbatoi di nitrificazione e denitrificazione per aumentare la concentrazione di nitrati all'interno del suo sistema, Naegel (1977) ha tentato una completa ossidazione di tutti i composti azotati, raggiungendo concentrazioni di nitrati di 1200 mg/L e dimostrando l'efficacia della fase di nitrificazione. Sebbene il sistema fosse rifornito a bassa densità (20 kg/msup3/sup ciascuno) utilizzando tilapia (Tilapia mossambica) e carpe (Cyprinus carpio), i pomodori (Lycopersicon esculentum) e la lattuga iceberg (Lactuca scariola) sono cresciuti bene e hanno prodotto una resa raccolta. Questi primi risultati di ricerca hanno portato al concetto di sistemi acquaponici accoppiati, in cui le piante eliminano i rifiuti prodotti dai pesci, creando una crescita adeguata, dimostrando un uso altamente efficiente dell'acqua in entrambe le unità. Il principio dell'acquaponica accoppiata è stato descritto per la prima volta da Huy Tran alla Conferenza Mondiale dell'Acquacoltura nel 2015 (Tran 2015).

   I sistemi acquaponici accoppiati non utilizzano necessariamente il filtraggio meccanico del particolato nel senso classico e mantengono un flusso di nutrienti costante tra l'acquacoltura e le unità idroponiche. La sfida principale è come gestire il carico fecale nel sistema acquaponico accoppiato dove le piante assorbono i nutrienti e i rifiuti di particolato possono essere rimossi dal sistema mediante presse filtranti o geotessili.

   Lo sviluppo dell'agricoltura moderna, la crescita della popolazione umana e la riduzione delle risorse in tutto il mondo, ha favorito lo sviluppo di sistemi acquaponici accoppiati. Poiché l'allevamento ittico è notevolmente più efficiente nella produzione di proteine e nell'uso di acqua rispetto ad altri animali d'allevamento e poiché i sistemi chiusi sono ampiamente indipendenti dal sito, i sistemi aquaponici accoppiati sono stati in grado di svilupparsi in tutto il mondo (Graber e Junge 2009), in condizioni aride (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016) e anche in contesti urbani (König et al. 2016). I sistemi più descritti appartengono a impianti domestici, su piccola scala e semi-commerciali (Palm et al. 2018) che sono guidati da acquariofili, appassionati o piccole imprese start-up. I nuovi risultati della ricerca, riassunti in questo capitolo, dimostrano sia le potenzialità che i vincoli relativi al continuo sviluppo di questi sistemi nell'acquaponica commerciale, essendo in grado di dare un contributo significativo alla futura produzione alimentare.

2. 7.2 Sviluppo Storico dell'Acquaponica accoppiata

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   La maggior parte degli sforzi di ricerca originali sui sistemi acquaponici accoppiati si è svolta negli Stati Uniti, con una crescente presenza nell'UE, in parte avviata dall'azione COST FA1305, dall'hub acquaponica dell'UE e da altri centri di ricerca europei. Oggi, i progetti di sistemi aquaponici a ricircolo completo dominano quasi completamente l'industria acquaponica americana, con stime che oltre il 90% dei sistemi aquaponici esistenti negli Stati Uniti sono di un progetto a ricircolo completo (Lennard, pers. comm.). La prima ricerca acquaponica accoppiata americana è stata intrapresa presso l'Illinois Fisheries and Aquaculture Center (ex SIU Cooperative Fisheries Research Laboratory) e il Dipartimento di Zoologia, concentrandosi sui sistemi acquaponici accoppiati forniti con il pesce gatto di canale (Ictalurus punctatus) in combinazione con pomodori (Lycopersicon esculentum) (Lewis et al. 1978). Gli autori hanno osservato che una crescita ottimale delle piante è possibile solo quando tutti i macro e micronutrienti essenziali sono disponibili nell'acqua di processo, e quindi è necessaria un'integrazione nutriente in caso di carenze di nutrienti. Gli autori hanno anche dimostrato una carenza di ferro disponibile per le piante, limitando la crescita delle piante, che potrebbe essere risolta attraverso l'integrazione di ferro. Altri primi studi negli Stati Uniti si sono concentrati sull'analisi della funzionalità tecnologica e della qualità del pesce gatto e dei pomodori del canale raccolto (Lewis et al. 1978; Sutton e Lewis 1982). I sistemi acquaponici su scala di laboratorio hanno esaminato parametri, quali l'efficienza delle risorse per quanto riguarda i materiali, i costi, il consumo di acqua ed energia, ed hanno esaminato l'uso di altre specie ittiche come Tilapia spp. nelle Isole Vergini americane (UVI) (Watten e Busch 1984). Il Dr. James Rakocy all'UVI ha sviluppato il primo sistema acquaponico accoppiato commerciale, un sistema di zattera che combinava la produzione del Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus) e lattuga (Lactuca sativa), e successivamente ha studiato la produzione di altre specie vegetali (Rakocy 1989, 2012; Rakocy et al. 2000, 2003, 2004, 2006, 2011). Questa installazione commerciale di media scala ha approfittato del clima locale in cui le serre non erano necessarie e delle condizioni di mercato delle Isole Vergini per generare profitto. Il sistema acquaponico UVI è stato successivamente adottato in diversi paesi per quanto riguarda le rispettive esigenze dei diversi impianti e l'adeguatezza della tecnologia, ad esempio in Canada da Savidov (2005) e in Arabia Saudita da Al-Hafedh et al. (2008). Questo è il caso anche in Europa, dove i sistemi aquaponici accoppiati si sono evoluti dal design originale UVI, ad esempio il sistema acquaponico verticale presso l'Aquaponics Research Lab., University of Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018). Numerosi altri dipartimenti di ricerca hanno studiato la fattibilità tecnologica della produzione acquaponica chiusa (o «accoppiata») utilizzando varie specie ittiche e vegetali, nonché sottosistemi idroponici per aumentare le rese e ridurre i diversi parametri di emissione (Graber e Junge 2009). Ad esempio, presso l'Università di Rostock (Germania), la ricerca si è concentrata sulla stabilità dei sistemi di cortile (Palm et al. 2014a), combinando diverse specie ittiche, pesce gatto africano (Clarias gariepinus) e tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus), con diverse piante (Palm et al. 2014b, 2015). Nel 2015, nel campus dell'Università di Rostock (Palm et al. 2016) è stato costruito un moderno sistema acquaponico su scala semi-commerciale, la «FishGlassHouse». Tuttavia, il sistema è stato progettato per consentire operazioni sia accoppiate che disaccoppiate. Altre strutture di rilievo sono state costruite presso l'Università di Scienze Applicate di Zurigo (ZHAW) a Waedenswil in Svizzera (Graber e Junge 2009; Graber et al. 2014), struttura di ricerca accoppiata e disaccoppiata della società islandese Svinna-Verkfraedi Ltd. (Thorarinsdottir 2014; Thorarinsdottir et al. 2015), Sistema acquaponico ad acqua fredda NIBIO Landvik a Grimstad (Skar et al. 2015; Thorarinsdottir et al. 2015), il sistema acquaponico PAFF Box (impianto e acquacoltura) a ciclo unico presso l'Università Gembloux Agro-Bio Tech di Liegi, in Belgio (Delaide et al. 2017), la parete vivente combinata e l'agricoltura verticale sistema acquaponico presso l'Università di Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018), così come il sistema acquaponico accoppiato ricerca-domestico (cambiato da disaccoppiato a accoppiato nel 2018, Morgenstern e Dapprich 2018, pers. comm.) presso la South Westfalia University of Applied Sciences, i.Green Institute for Green Tecnologia e sviluppo rurale.

3. 7.3 Aquaponics accoppiato: progettazione generale del sistema

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   Il principio acquaponico accoppiato combina tre classi di organismi: (1) organismi acquatici, (2) batteri e (3) piante che beneficiano l'una dall'altra in un corpo idrico a ricircolo chiuso. L'acqua funge da mezzo di trasporto di nutrienti, principalmente dai rifiuti di pesce disciolti, che vengono convertiti in nutrienti per la crescita delle piante dai batteri. Questi batteri (ad esempio Nitrosomonas spec., Nitrobacter spec.) ossidano l'ammonio in nitrito e infine in nitrato. Pertanto, è necessario che i batteri ricevano notevoli quantità di ammonio e nitrito per stabilizzare la crescita della colonia e la quantità di produzione di nitrati. Di conseguenza, in un sistema acquaponico accoppiato, i volumi sono di fondamentale importanza, i) l'unità di acquacoltura secondo i principi dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS), ii) il substrato di crescita batterica e iii) lo spazio per le unità vegetali e la quantità di piante da coltivare. Insieme formano l'unità acquaponica (Fig. 7.2).

   

   Fig. 7.2 Principio del sistema acquaponico accoppiato con pesci, batteri e piante in un ricircolo d'acqua completamente chiuso

   I componenti biologico-chimici specifici dell'acqua di processo rivestono particolare importanza per i sistemi aquaponici accoppiati. Con il cibo o le particelle di mangime non consumate, i rifiuti organici di pesce e i batteri all'interno dell'acqua di processo, un'emulsione di sostanze nutritive combinata con enzimi e batteri digestivi favoriscono la crescita di pesci e piante. Rispetto ai sistemi autonomi come l'acquacoltura (pesci) e l'idroponica (piante), la crescita degli organismi acquatici e delle colture in un'acquaponica accoppiata può essere simile o addirittura superiore. Rakocy (1989) descrisse una resa leggermente più elevata di tilapia (Tilapia nilotica, 46,8 kg) nell'acquaponica accoppiata in contrasto con la coltura ittica autonoma (41,6 kg) e lievi aumenti della resa di lattuga Summer Bibb (385,1 kg) rispetto alla produzione idroponica vegetale (380,1 kg). Knaus et al. (2018b) hanno registrato che l'acquaponica ha aumentato la crescita della biomassa di O. basilicum, apparentemente dovuto all'aumento della generazione fogliare delle piante (3550 foglie in acquaponica) rispetto all'idroponica convenzionale (2393 foglie). Delaide et al. (2016) hanno dimostrato che i trattamenti acquaponici e idroponici della lattuga presentavano una crescita simile delle piante, mentre il peso del germoglio della soluzione acquaponica integrata con sostanze nutritive risulta migliore. Osservazioni analoghe sono state fatte da Goddek e Vermeulen (2018). Lehmonen e Sireeni (2017) hanno osservato un aumento del peso delle radici, dell'area delle foglie e del colore delle foglie nell'insalata di Batavia (Lactuca sativa var. capitata) e lattuga iceberg (L. sativa) con acqua di processo acquaponica da C. gariepinus combinata con fertilizzante aggiuntivo. Alcune piante come lattuga (Lactuca sativa), cetrioli (Cucumis sativus) o pomodori (Solanum lycopersicum) possono consumare sostanze nutritive più velocemente, e di conseguenza fiorire prima in acquaponica rispetto all'idroponica (Savidov 2005). Inoltre, Saha et al. (2016) ha riferito un maggior rendimento di biomassa vegetale in O. basilicum in combinazione con gamberi Procambarus spp. e una bassa fertilizzazione all'avviamento del sistema aquaponico.

   La progettazione di base del sistema acquaponica accoppiata consiste in uno o più acquari, un'unità di sedimentazione o chiarificatore, substrati per la crescita di batteri o biofiltri adatti e un'unità idroponica per la crescita delle piante (Fig. 7.3). Queste unità sono collegate da tubi per formare un ciclo dell'acqua chiuso. Spesso, dopo la filtrazione meccanica e il biofiltro, viene utilizzato un pozzetto di pompaggio (una pompa o un sistema ad anello) che, come punto più profondo del sistema, ripompa l'acqua nelle vasche da dove scorre per gravità verso l'unità idroponica.

   

   Fig. 7.3 Progettazione tecnica di base di un sistema acquaponico accoppiato con acquario, sedimentatore, biofiltro, unità idroponica e pozzetto in cui l'acqua viene pompata o sollevata in aria verso le vasche e scorre per gravità lungo i componenti

   I sistemi aquaponici accoppiati sono utilizzati in diverse scale. Il principio a circuito chiuso può essere utilizzato in sistemi domestici (mini/hobby/backyard-coupled), unità dimostrative (ad esempio muri vivi accoppiati), acquaponica commerciale e agricoltura acquaponica (con suolo) che vanno dai sistemi piccoli/semi-commerciali a quelli di grandi dimensioni (Palm et al. 2018). Un recente sviluppo in acquaponica ha incluso la fertilizzazione parziale, che dipende dalla tolleranza delle specie ittiche. Ciò, tuttavia, può comportare un picco di nutrienti a breve termine nel sistema, ma può essere compensato attraverso la ritenzione di nutrienti da parte delle piante. Nell'acquaponica accoppiata, è necessario ottenere un rapporto ottimale tra la zona di produzione (o i volumi di pesce) dell'unità di acquacoltura e la domanda di mangimi risultante, nonché una quantità adeguata di piante da coltivare nell'unità idroponica (zona di produzione vegetale). (Per le discussioni sul ruolo dell'evapotraspirazione e della radiazione solare all'interno dei sistemi, cfr. Chaps. 8 e 11). Per l'acquaponica di ghiaia, Rakocy (2012) come primo tentativo ha suggerito «principi di rapporto componente», con un volume di allevamento di pesce di 1 msup3/sup di volume di acquario a 2 msup3/sup media idroponica di 3-6 cm di ghiaia di piselli come regola empirica. In definitiva, la quantità di pesce determina la resa delle colture in acquaponica accoppiata. Inoltre, le condizioni tecniche dell'unità di allevamento devono essere adattate in funzione delle esigenze delle specie acquatiche coltivate.

4. 7.4 Unità di acquacoltura

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   Le vasche di allevamento (dimensioni, numeri e design) sono selezionate in base alla scala di produzione e alle specie ittiche in uso. Rakocy et al. (2006) utilizzavano quattro grandi vasche di pesca per la produzione commerciale di O. niloticus nel sistema acquaponico UVI (USA). Con la produzione di specie ittiche onnivore o piscivore, come C. gariepinus, si dovrebbero utilizzare diverse vasche a causa della selezione delle classi di taglia e della produzione sfalsata (Palm et al. 2016). Le vasche per pesci devono essere progettate in modo che i solidi che si depositano sul fondo delle vasche possano essere efficacemente rimossi attraverso un effluente sul fondo. Questa rimozione dei rifiuti solidi è la prima fase cruciale del trattamento delle acque nell'acquaponica accoppiata, come nel caso dell'acquacoltura e dell'acquaponica disaccoppiata. I rifiuti provengono da mangimi non consumati, feci di pesce, biomassa batterica e flocculanti prodotti durante la produzione dell'acquacoltura, aumentando il BOD e riducendo la qualità dell'acqua e la disponibilità di ossigeno sia per quanto riguarda l'acquacoltura che le unità idroponiche. In acquacoltura, i rifiuti solidi sono costituiti in larga misura da carbonio organico, che viene utilizzato dai batteri eterotrofici per produrre energia attraverso il consumo di ossigeno. Maggiore è la rimozione dei rifiuti solidi, migliori sono le prestazioni generali del sistema sia per i pesci che per le piante, cioè con livelli ottimali di ossigenazione e nessun accumulo di particelle nella rizosfera che inibiscono l'assorbimento dei nutrienti, e con vasche rotonde o ovali che si rivelano particolarmente efficienti (Knaus et al. 2015).

   La produzione di pesce in acquaponica accoppiata nella FishglassHouse in Germania è stata testata su diverse scale per accertare l'efficacia dei costi. Questo è stato fatto in modo efficace come produzione estesa (max. 50 kg, 35 pesci msup-3/sup) o intensiva (max. 200 kg, 140 pesci msup-3/sup) di pesce gatto africano. La produzione semiintensiva (max. 100 kg, 70 pesci msup-3/sup) non può essere raccomandata a causa di un negativo rapporto costi/benefici. Nella modalità di produzione semi-intensiva, la manutenzione del sistema, la manodopera e l'input di mangimi erano tanto meno in fase di produzione intensiva, ma con una ridotta produzione di biomassa ittica e vegetale, e gli eventuali guadagni economici nell'unità di acquacoltura non sono stati ripagati (Palm et al. 2017). Ciò è dovuto alle elevate richieste biochimiche di ossigeno (BOD), all'elevata denitrificazione a causa della ridotta disponibilità di ossigeno, ai tassi di cambio dell'acqua relativamente elevati, alla mineralizzazione prevalentemente anaerobica con precipitazioni distinte, ai bassi livelli di P e K, nonché a bassi valori di pH con una resa molto inferiore rispetto ai pesci con le condizioni intensive. Al contrario, l'ampia produzione di pesce ha permesso una maggiore disponibilità di ossigeno con minori tassi di scambio dell'acqua e una migliore disponibilità di nutrienti per la crescita delle piante. Pertanto, alle condizioni di cui sopra, un'unità di produzione ittica RAS per l'acquaponica accoppiata funziona in condizioni di produzione di pesce estensiva o intensiva, ed è opportuno evitare condizioni intermedie.

   7.4.1 Filtrazione

   I chiarificatori, talvolta chiamati anche sedimentatori o separatori a spirale (vedi anche cap. 3, sono i dispositivi più utilizzati per la rimozione dei rifiuti solidi nell'acquaponica accoppiata (Rakocy et al. 2006; Nelson e Pade 2007; Danaher et al. 2013, Fig. 7.4). Le particelle più grandi devono essere rimosse dal sistema per evitare zone anossiche con effetti denitrificanti o lo sviluppo di Hsub2/subs. La maggior parte dei chiarificatori utilizza lamelle o inserti in piastre per facilitare la rimozione dei solidi. I fondi conici supportano la concentrazione dei fanghi nella parte inferiore durante il funzionamento e la pulizia, mentre i fondi piatti richiedono grandi quantità di acqua per sciacquare e rimuovere i fanghi. Durante il funzionamento, i solidi affondano sul fondo del chiarificatore per formare fanghi. A seconda dell'alimentazione e del tempo di ritenzione, questo fango può accumularsi fino a formare strati relativamente spessi. L'attività microbica all'interno degli strati di fango si sposta gradualmente verso condizioni anaerobiche, stimolando la denitrificazione microbica. Questo processo riduce i nitrati disponibili delle piante e dovrebbe essere evitato, soprattutto se l'acqua di processo deve essere utilizzata per la produzione di impianti idroponici. Di conseguenza, la denitrificazione può risultare controproducente nell'acquaponica accoppiata.

   La densità dei rifiuti solidi rimossi dal chiarificatore è piuttosto bassa, rispetto ad altre tecnologie, la manutenzione richiede molto tempo e la pulizia del chiarificatore con acqua dolce è responsabile della principale perdita d'acqua dell'intero sistema. La quantità di acqua richiesta è influenzata dal suo design generale, dalla forma inferiore e dall'accessibilità dei deflettori in PVC all'acqua di lavaggio (Fig. 7.4a, b). L'aumento delle densità di stoccaggio dei pesci richiede maggiori quantità di scambio idrico (ogni giorno della settimana in condizioni intensive) per mantenere una qualità ottimale dell'acqua per la produzione ittica, il che può comportare la perdita di grandi quantità di acqua di processo, perdendo anche notevoli quantità di nutrienti necessari per le piante crescita. Inoltre, la sostituzione con acqua dolce introduce carbonati di calcio e magnesio che possono poi precipitare con fosfati. Pertanto, l'uso di tali chiarificatori azionati manualmente rende quasi impossibili previsioni sulla composizione dell'acqua di processo rispetto alla crescita ottimale delle piante (Palm et al. 2019). Sarebbe più efficace seguire l'esempio di Naegle (1977) di separazione dei fanghi aerobici e anaerobici e dello scarico gassoso di azoto con un sistema a doppio fango.

   

   Fig. 7.4 Principio della filtrazione acquaponica con sedimentatore (a-b) e (c) filtro a disco (Pal-Aquakulur GmbH, Abtshagen, Germania) del pesce gatto africano commerciale (Clarias gariepinus) RAS nella FishglassHouse (Università di Rostock, Germania)

   Una rimozione più efficace dei rifiuti solidi può essere ottenuta con filtri automatici a tamburo o a disco che forniscono barriere meccaniche che trattengono i solidi, che vengono poi rimossi attraverso il risciacquo. I nuovi sviluppi mirano a ridurre l'uso dell'acqua di risciacquo attraverso tecnologie di aspirazione, consentendo la concentrazione dei solidi totali nei fanghi fino al 18% (Dr. Günther Scheibe, Pal-aquakultur GmbH, Germania, comunicazione personale, Fig. 7.4c). Tale efficace rimozione dei rifiuti ha un'influenza positiva sulla composizione dei fanghi, migliorando il controllo delle acque reflue al fine di soddisfare meglio i requisiti orticoli. Un'altra opzione è l'applicazione di più chiarificatori (sedimentatori) o componenti per la rimozione dei fanghi in fila.

   I biofiltri sono un'altra parte essenziale del RAS, poiché convertono l'azoto ammoniacale attraverso l'ossidazione microbica in nitrati (nitrificazione). Anche se le radici delle piante e il sistema stesso forniscono superfici per i batteri nitrificanti, la capacità di controllare la qualità dell'acqua è limitata. I sistemi che non dispongono di biofiltrazione sono limitati alle installazioni mini o hobby con bassi ingressi di alimentazione. Non appena la biomassa del pesce e l'alimentazione dei mangimi aumentano, è necessaria una capacità supplementare di biofiltro per mantenere un'adeguata qualità dell'acqua per la coltura ittica e fornire quantità sufficienti di nitrati per la crescita delle piante.

   Per l'acquaponica domestica e su piccola scala, i mezzi vegetali (ghiaia o argilla espansa per esempio) possono essere sufficienti come biofiltri efficaci. Tuttavia, a causa dell'elevato potenziale di intasamento e quindi della necessità di regolare pulizia e manutenzione manuale, questi metodi non sono adatti per acquaponica commerciale su larga scala (Palm et al. 2018). Inoltre, Knaus e Palm (2017a) hanno dimostrato che l'uso di un semplice biofiltro in un bypass ha già aumentato di circa il 25% l'ingresso di alimentazione giornaliera in un sistema acquaponico con accoppiamento posteriore. I moderni biofiltri utilizzati in RAS intensivi sono efficaci nel fornire una sufficiente capacità di nitrificazione per la produzione di pesce e piante. A causa dell'aumento dei costi di investimento, tali componenti sono più applicabili nei sistemi acquaponici commerciali di medie e grandi dimensioni.

   7.4.1.1 Idroponica in acquaponica accoppiata

   Nell'acquaponica accoppiata, è possibile utilizzare una vasta gamma di sottosistemi idroponici (vedi anche cap. 4) a seconda della scala operativa (Palm et al. 2018). A meno che la manodopera non abbia un impatto significativo sul rendimento (o sul profitto) e il sistema non sia troppo grande, possono essere utilizzati contemporaneamente diversi sottosistemi idroponici. Questo è comune nelle acquaponiche domestiche e dimostrative che spesso utilizzano sistemi di substrati (sabbia, ghiaia, perlite, ecc.) in canali di riflusso e flusso, canali DWC (sistemi di coltura di acque profonde o zattera) e anche spesso canali di film nutriente fatti in casa (NFT). La maggior parte ad alta intensità di manodopera sono i letti di substrato (sabbia/ghiaia) nei canali di riflusso e di flusso, che possono ostruirsi a causa della deposizione di detriti e spesso devono essere lavati (Rakocy et al. 2006). A causa della manipolazione dei substrati, questi sistemi sono solitamente di dimensioni limitate. D'altro canto, i sottosistemi idroponici DWC richiedono meno manodopera e sono meno inclini alla manutenzione, consentendo loro di essere adottati per aree di impianto più ampie. Per questo motivo, i sottosistemi DWC si trovano principalmente nei sistemi domestici e semicommerciali, ma di solito non nei sistemi acquaponici su larga scala. Per una maggiore produzione acquaponica commerciale, la percentuale di manodopera e manutenzione nel sistema DWC è ancora considerata troppo elevata. Anche l'uso di risorse idriche e di energia per il pompaggio sono sfavorevoli per i sistemi su larga scala.

   Se i sistemi acquaponici chiusi sono progettati per una produzione orientata al profitto, l'impiego della manodopera deve diminuire mentre la zona di produzione deve aumentare. Ciò è possibile solo semplificando la produzione ittica combinata con l'applicazione di sottosistemi idroponici di facile utilizzo. Attualmente la tecnica del film nutriente (NFT) può essere considerata il sistema idroponico più efficiente, combinando manodopera ridotta con grandi superfici vegetali e un buon rapporto tra acqua, energia e costi di investimento. Tuttavia, non tutte le piante acquaponiche crescono bene nei sistemi NFT e quindi è necessario trovare la giusta scelta di piante per ciascun sottosistema idroponico, che a sua volta è correlato con l'apporto di nutrienti di una specifica specie ittica integrata in uno specifico progetto di sottosistema idroponico. Per l'acquaponica accoppiata, il carico di particelle talvolta più elevato nell'acqua può essere problematico intasando gocciolamenti, tubi e valvole negli impianti NFT. Pertanto, i grandi sistemi aquaponici devono contenere una gestione professionale dell'acqua con un'efficace filtrazione meccanica per evitare blocchi di ricircolo. Quando la fornitura continua di acqua è assicurata attraverso i tubi, il sistema NFT può essere utilizzato in tutti i tipi di sistemi acquaponici accoppiati, ma è più consigliato per la produzione con sistemi piccoli/semi-commerciali e sistemi su larga scala (Palm et al. 2018).

5. 7.5 Sistemi Aquaponic accoppiati in scala

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   Tipici sistemi aquaponici accoppiati vanno da sistemi di piccole a medie dimensioni e grandi dimensioni (Palm et al. 2018). L'upscaling rimane una delle sfide future perché richiede un'attenta verifica delle possibili combinazioni di pesci e piante. Le dimensioni ottimali delle unità possono essere ripetute per formare sistemi multiunità, indipendentemente dalla scala di produzione. Secondo Palm et al. (2018), la gamma di sistemi aquaponici è stata classificata in (1) mini, (2) hobby, (3) domestico e cortile, (4) sistemi piccoli/semi-commerciali e (5) grandi (r) sistemi su scala, come descritto di seguito:

   

   Fig. 7.5 Principio di un mini sistema acquaponico accoppiato domestico (\ 2 m<sup2/sup, dopo Palm et al. 2018) con aerazione (a) e pompa (b), l'idroponica (c) agisce come un biofiltro

   Le mini installazioni (Fig. 7.5) sono solitamente costituite da un piccolo serbatoio di pesci come un acquario o un acquario su cui le piante crescono in superficie o all'interno di un piccolo letto idroponico. Solitamente vengono utilizzati filtri per acquari convenzionali, aerazione e pompe. I mini sistemi sono solitamente 2 msup2/sup o meno di dimensioni (Palm et al. 2018). Questi piccoli sistemi acquaponici possono essere utilizzati in casa con poche piante per il consumo domestico e piantati con piante come pomodori, erbe o ornamentali. Tali sistemi aggiungono nuovi valori allo spazio vitale umano aggiungendo «natura» all'area di vita familiare, particolarmente popolare nelle grandi città. Alcuni mini sistemi sono costituiti solo da un vaso per piante e da uno o più pesci senza filtro e pompa. Tuttavia, questi sistemi sono a breve termine per funzionare perché manca una filtrazione regolamentata.

   

   Fig. 7.6 Principio di un sistema acquaponico per hobby domestico accoppiato (2—10 msup2/sup dopo Palm et al. 2018) con (a) acquario e aerazione, (b) sedimentatore o chiarificatore alterati dopo Nelson e Pade (2007), (c) letto idroponico, ad esempio ghiaia con colture diverse che agisce come un biofiltro e (d) una coppa con pompa

   I sistemi aquaponic Hobby sono classificati per raggiungere una dimensione massima di 10 msup2/sup (Palm et al. 2018). Con una maggiore densità di stoccaggio dei pesci, più alimentazione e aerazione, è necessaria un'unità di sedimentazione meccanica (sedimento/chiarificatore) (Fig. 7.6). Il sedimentatore rimuove dal sistema il particolato, come le feci e il mangime non consumato, senza usare energia. L'acqua scorre per gravità dall'acquario al sedimentatore e poi attraverso le vasche idroponiche per poi cadere in un pozzetto da dove una pompa o un sollevatore d'aria pompa l'acqua di nuovo alle vasche. Nelle installazioni hobby, i letti delle piante fungono da filtro microbico naturale e spesso vengono utilizzati substrati per letti multimediali come sabbia, ghiaia fine o perlite. I sistemi aquaponici Hobby sono più la categoria di espedienti che non mirano alla produzione alimentare. Piuttosto godono della funzionalità del sistema integrato. I sistemi per hobby, come suggerisce il nome, sono solitamente installati da hobbisti che sono interessati a coltivare una varietà di organismi acquatici e piante per il proprio uso e per il «divertimento».

   L'acquaponica domestica/cortile ha lo scopo di produzione domestica esterna di pesci e piante caratterizzate come aventi una superficie massima di produzione di 50 msup2/sup (Palm et al. 2018). Questi sistemi sono costruiti da appassionati. La costruzione è tecnicamente differenziata con una maggiore produzione di pesce, un'aerazione aggiuntiva e un maggiore apporto di alimentazione. Il principio dell'acquaponica accoppiato viene applicato con l'uso di una singola pompa che ricircolas l'acqua da un pozzetto (punto più basso) ad acquari più alti e poi per gravità attraverso sedimentatore e un biofiltro (con substrati di aerazione e batteri) fino al unità idroponiche (fig. 7.7).

   

   Fig. 7.7 Principio di un sistema acquaponico di cortile domestico accoppiato, 10-50 msup2/sup (da Palm et al. 2018) con (a) acquario e aerazione, (b) sedimentatore o chiarificatore alterati dopo Nelson e Pade (2007), (c) biofiltro con substrati e aerazione, (d) unità idroponica che potrebbe essere costituita da zatterra combinata o canali DWC, (e) sistema di substrato di ghiaia o sabbia, (f) tecnica del film nutriente NFT canali e (g) un pozzetto con una pompa

   Per la biofiltrazione, i filtri a letto convenzionali possono essere utilizzati anche come descritto in Palm et al. (2014a, b, 2015). Nell'acquaponica del cortile, l'idroponica potrebbe consistere da sola o insieme di zattera o DWC (coltura dell'acqua profonda) trogolos, sottosistemi di substrati come ghiaia/riflusso di sabbia e scatole di flusso o canali di tecnica a film nutriente (NFT). Nell'emisfero settentrionale, negli impianti esterni, la produzione è limitata ai periodi primaverili, estivi e inizio autunnali a causa delle condizioni meteorologiche. Con questa scala di attività si possono produrre pesci e piante per il consumo privato (e la produzione può essere estesa attraverso una piccola produzione in serra), ma sono possibili anche vendite dirette in piccole quantità.

   I sistemi acquaponici in scala Small e semi-commercial sono caratterizzati da essere fino a 100 msup2/sup (Palm et al. 2018) con una produzione focalizzata sul mercato retail. Più serbatoi, spesso con una maggiore densità di stoccaggio, filtri aggiuntivi e sistemi di trattamento delle acque e un'area idroponica più ampia con disegni più diversi caratterizzano questi sistemi.

   Le grandi operazioni commerciali (r) su scala superiore a 100 msup2/sup (Palm et al. 2018) e raggiungendo molte migliaia di metri quadrati raggiungono la massima complessità e richiedono un'attenta pianificazione del flusso idrico e dei sistemi di trattamento (Fig. 7.8). I componenti generali sono vasche multiple, progettate come sistemi di acquacoltura a ricircolo intensivo (RAS), un punto di trasferimento dell'acqua o una vasca che consente lo scambio idrico tra i pesci e le piante, e unità di produzione di impianti commerciali (acquaponics s.s./s.l.). Poiché la produzione di pesce è destinata a densità di stoccaggio intensiva, componenti quali filtrazione aggiuntiva con l'ausilio di filtri a tamburo, fornitura di ossigeno, trattamenti di luce UV per il controllo microbico, alimentazione controllata automatica e informatizzazione, incluso il controllo automatico della qualità dell'acqua, classificano questi sistemi.

   Questi sistemi hanno un design multiunità in grado di upscaling sotto ricircolo d'acqua completamente chiuso che consente anche la produzione sfalsata, la coltivazione parallela di diverse piante che richiedono diversi sottosistemi idroponici e un migliore controllo delle diverse unità in caso di focolai di malattia e di impianto controllo dei parassiti.

6. 7.6 Acquaponics acqua salmastra

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

   Un campo di ricerca relativamente nuovo è la valutazione delle diverse salinità dell'acqua di processo per la crescita delle piante. Poiché l'acqua dolce in tutto il mondo è in continuo aumento della domanda e a prezzi elevati, è stata prestata una certa attenzione all'uso delle risorse idriche saline/salmastre per l'agricoltura, l'acquacoltura e anche l'acquaponica. L'uso dell'acqua salmastra è significativo in quanto molti paesi come Israele hanno risorse idriche salmastre sotterranee, e più della metà dell'acqua sotterranea del mondo è salina. Mentre la quantità di acqua salina sotterranea è stimata solo allo 0,93% delle risorse idriche totali mondiali a 12.870.000 kmsup3/sup, questa è superiore alle riserve sotterranee di acqua dolce (10.530.000 kmsup3/sup), che costituiscono il 30,1% di tutte le riserve d'acqua dolce (USGS).

   

   Fig. 7.8 Schema (supervisione) di un modulo acquaponica su larga scala adottato dopo la FishGlassHouse dell'Università di Rostock (Germania) (1000 msup2/sup superficie di produzione totale, Palm et al. 2018) con (a) unità indipendente di acquacoltura, (b) il sistema di trasferimento dell'acqua e (c) l'unità idroponica indipendente; F1-F9 pesci serbatoi, S) sedimentatore, P-I pompa uno (pompa biofiltro), P-II pompa due (pompa di ricircolo dell'acquacoltura), T) filtro di gocciolamento, Su) coppa. Nel mezzo, sistema di trasferimento dell'acqua nutriente con Wt-I) serbatoio di trasferimento dell'acqua dall'unità di acquacoltura, P-III) pompa tre, che pompa l'acqua ricca di nutrienti dall'acquacoltura all'unità idroponica C) a destra con serbatoio nutriente Nu) e un sistema indipendente di ricircolo idroponico e tavoli di piantagione (o NFT) ; P-IV) pompa quattro, che pompa l'acqua a basso contenuto di nutrienti dall'unità idroponica al serbatoio di trasferimento dell'acqua due e all'unità di acquacoltura per condizioni acquaponiche accoppiate (o disaccoppiate se non utilizzate)

   La prima ricerca pubblicata sull'uso dell'acqua salmastra nell'acquaponica è stata condotta nel 2008-2009 nel deserto del Negev di Israele (Kotzen e Appelbaum 2010). Gli autori hanno studiato il potenziale per l'acquaponica di acqua salmastra che potrebbe utilizzare i 200-300 miliardi di msup3/sup situati 550—1000 metri sotterranei nella regione. Questo e ulteriori studi hanno utilizzato fino a 4708-6800 μS/cm (4000—8000 μS/cm = moderatamente salina, Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016) in sistemi acquaponici accoppiati con Tilapia sp. (ceppo rosso degli ibridi del Nilo tilapia Oreochromis niloticus x blu Tilapia O. aureus), combinato con sistemi di zattera galleggianti e ghiaia di coltura profonda. I sistemi sono stati specchiati con sistemi di acqua potabile come controllo. È stata coltivata una vasta gamma di erbe e ortaggi, con risultati molto buoni e comparativi sia nei sistemi salmastri che d'acqua dolce. In entrambi i sistemi la salute e la crescita dei pesci erano buone come la crescita delle piante di porri (Allium ampeloprasum), sedano (Apium graveolens) (Fig. 7.9), cavolo rapa (Brassica oleracea v. gongylodes), cavolo (Brassica oleracea v. capitata), lattuga (Lactuca sativativa) (Brassica oleracea v. botrytis), cavolfiore (Brassica oleracea v. botrytis), Svizzera bietola (Beta vulgaris vulgaris), cipollotto (Allium fistulosum), basilico (Ocimum basilicum) e crescione d'acqua (Nasturtium officinale) (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016).

   

   Fig. 7.9 Sedano maturo coltivato in acqua salmastra

   Un «rapporto di missione» di van der Heijden et al. (2014) sull'integrazione dell'agricoltura e dell'acquacoltura con l'acqua salmastra in Egitto suggerisce che il rosso Tilapia (probabilmente ceppi rossi di Oreochromis mossambicus) ha un alto potenziale combinato con verdure come piselli, pomodori e aglio che possono tollerare Salinità moderata. Le piante che sono note per avere tolleranza salina includono la famiglia dei cavoli (Brassica oleracea_), i broccoli (Brassica oleracea italica), il cavolo (Brassica oleracea var. sabellica), la famiglia Beta, come Beta vulgaris (barbabietola), spinaci perpetui (*Beta vulgaris * subsp. Vulgaris_), peperoni (Capsicum annuum) e pomodori (Solanum lycopersicum). Una pianta candidata all'acquaponica salmastra è il samphire di palude (Salicornia europaea) e potenzialmente altre «verdure a filo» come il cavolo marino (Crambe maritima), l'aster marino (Tripolium pannonicum) e la portulaca marina (Atriplex portulacoides). Gunning (2016) ha osservato che nelle regioni più aride della parola la coltivazione degli alofiti come alternativa alle colture convenzionali sta guadagnando una notevole popolarità e la Salicornia europea sta diventando sempre più popolare nei menu dei ristoranti e nei banchi dei pescivendoli e dei negozi di alimenti salutari in tutta il paese. Lo stesso vale nel Regno Unito e nell'Unione europea, dove la maggior parte dei prodotti viene esportata da Israele e ora anche dall'Egitto. Un netto vantaggio della coltivazione del samphire di palude è che si tratta di una coltura «taglia e vieni di nuovo», il che significa che può essere raccolta ad intervalli di circa 1 mese. Nel suo ambiente naturale lungo estuari salini Salicornia europaea cresce lungo un gradiente salino dalla soluzione salina al salmastro (Davy et al. 2001). Nelle prove di Gunning (2016), le piante sono state coltivate da seme, mentre Kotzen ha coltivato le sue piante di prova da steli tagliati acquistati al banco del pesce del supermercato. Ulteriori studi in condizioni saline sono stati effettuati da Nozzi et al. (2016), che ha studiato gli effetti dell'infezione da dinoflagellato (Amyloodinum ocellatum) nel branzino (Dicentrarchus labrax) a diversi livelli di salinità. Pantanella (2012) ha studiato la crescita dell'alofita Salsola soda (cavolo sale) in combinazione con la triglia piatta (Mugil cephalus) in condizioni marine con un aumento del contenuto di sale in una fattoria sperimentale dell'Università della Tuscia (Italia). Le risorse idriche marine sono state utilizzate con successo anche nell'acquaponica accoppiata con la produzione di spigole (Dicentrarchus labrax) e piante tolleranti al sale (alofiti) come Salicornia dolichostachya, Plantago coronopus e Tripolium pannonicum in un'acquacoltura a ricircolo marino terrestre interno sistema (Waller et al. 2015).

7. 7.7 Scelte di pesci e piante

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

   7.7.1 Produzione di pesce

   In acquaponica commerciale su larga scala, la produzione di pesci e impianti deve soddisfare le esigenze del mercato. La produzione di pesce consente la variazione delle specie, in base alla progettazione del sistema e ai mercati locali. La scelta del pesce dipende anche dal loro impatto sul sistema. La produzione di pesce acquaponica accoppiata problematica dovuta a concentrazioni inadeguate di nutrienti, che influiscono negativamente sulla salute dei pesci, può essere evitata. Se i sistemi acquaponici accoppiati hanno rapporti bilanciati tra pesci e piante, i nutrienti tossici saranno assorbiti dalle piante che stanno pulendo l'acqua. Poiché l'accettazione di sostanze tossiche dipende dalle specie, la scelta delle specie ittiche ha un'influenza determinante sul successo economico. Pertanto, è importante trovare la giusta combinazione e rapporto tra il pesce e le piante, in particolare quelle specie ittiche con meno attività inquinanti dell'acqua e piante con elevata capacità di ritenzione dei nutrienti.

   I vantaggi di avere una particolare famiglia di pesci in sistemi acquaponici accoppiati non sono chiaramente compresi rispetto alle loro esigenze specifiche in termini di qualità dell'acqua e di carichi nutritivi accettabili. Naegel (1977) scoprì che non vi è stato alcun notevole impatto negativo sulla crescita dei pesci e dei pesci nel suo uso di Tilapia (Tilapia mossambica) e carpa comune (Cyprinus carpio). Il pesce gatto di canale (Ictalurus punctatus) è stato utilizzato anche da Lewis et al. (1978) e da Sutton e Lewis (1982) negli Stati Uniti. È stato dimostrato che la qualità dell'acqua acquaponica soddisfaceva prontamente le esigenze delle diverse specie ittiche, soprattutto attraverso l'uso di specie ittiche «facili da produrre» come il blu Tilapia (Oreochromis aureus, precedentemente Sarotherodon aurea) a Watten e Busch (1984); tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus), che è stato spesso utilizzato in studi con diverse specie vegetali come specie di pesci modello (Rakocy 1989; Rakocy et al. 2003, 2004; Al-Hafedh et al. 2008; Rakocy 2012; Villarroel et al. 2011; Simeonidou et al. 2012; Palm et al. 2014a, 2014b; Diem et al. 2017); e anche Ceppo ibrido-rosso (_ Oreochromis niloticus_ x blue tilapia O. aureus ibridi), che sono stati studiati in ambienti aridi desertici (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016).

   Si è verificata un'espansione dei tipi di specie ittiche utilizzate nell'acquaponica, almeno in Europa, basata sull'uso delle specie ittiche indigene e di quelle che godono di una maggiore accettazione da parte dei consumatori. Questo include il pesce gatto africano (Clarias gariepinus) coltivato con successo in condizioni acquaponiche accoppiate da Palm et al. (2014b), Knaus and Palm (2017a) e Baßmann et al. (2017) nella Germania settentrionale. Il vantaggio di C. gariepinus è una maggiore accettazione di parametri avversi dell'acqua come ammonio e nitrato, così come non c'è bisogno di ulteriore apporto di ossigeno a causa della loro speciale fisiologia respiratoria dell'aria. I buoni tassi di crescita di C. gariepinus in condizioni acquaponiche accoppiate sono stati ulteriormente descritti in Italia da Pantanella (2012) e in Malesia da Endut et al. (2009). Si può prevedere un'espansione della produzione di pesce gatto africano sotto l'acquaponica accoppiata, a causa della produzione e della gestione senza problemi, dell'elevata qualità dei prodotti e della crescente domanda del mercato in molte parti del mondo.

   In Europa, altre specie ittiche con alto potenziale di mercato e valore economico sono recentemente divenute al centro della produzione acquaponica, con particolare attenzione alle specie piscivore come il luccioperca europeo (Sander lucioperca). La produzione di luccioperca, una specie ittica relativamente sensibile ai parametri dell'acqua, è stata testata in Romania in acquaponica accoppiata. Blidariu et al. (2013a, b) hanno mostrato livelli nettamente più elevati di Psub2/subosub5/sub (pentossido di fosforo) e nitrati nella lattuga (Lactuca sativ) utilizzando il lucioperca rispetto alla produzione convenzionale, suggerendo che la produzione di lucioperca in acquaponica accoppiata è possibile senza effetti negativi sui pesci crescita per tossicità dei nutrienti. I Cyprinidae (Cipriniformi) come la carpa sono stati comunemente utilizzati in acquaponica accoppiata e hanno generalmente mostrato una crescita migliore con densità di stoccaggio ridotte e portate minime di acqua di processo acquaponico (uso efficiente dell'acqua) durante gli esperimenti in L'India. La densità ottimale di stoccaggio della carpa koi (Cyprinus carpio var. koi) era di 1,4 kg/m (Hussain et al. 2014), e il miglior aumento di peso e rendimento di Beta vulgaris var. bengalensis (spinaci) è stato trovato con una portata d'acqua di 1,5 l/min (Hussain et al. 2015). Una buona crescita del pesce e la resa vegetale degli spinaci dell'acqua (Ipomoea aquatica) con una percentuale massima di rimozione dei nutrienti (NoSub3/Sub-N, PoSub4/Sub-P e K) sono stati riportati a una portata d'acqua minima di 0,8 l/min con carpe koi policulturate (Cyprinus carpio var. koi) e pesci d'oro (Carassius auratus) da Nubi Wansi et al. (2016). È interessante notare che la crescita delle piante e la rimozione dei nutrienti nella produzione di koi (Cyprinus carpio var. koi) e pesci d'oro (Carassius auratus) (Hussain et al. 2014, 2015) con Beta vulgaris var. bengalensis (spinaci) e spinaci d'acqua (Ipomoea aquatica) sono aumentati linearmente con una diminuzione del flusso d'acqua di processo tra 0,8 l/min e 1,5 l/min. Questi risultati suggeriscono che per la coltura dei pesci ciprinidi si raccomanda un flusso d'acqua inferiore in quanto ciò non ha effetti negativi sulla crescita dei pesci. Al contrario, Shete et al. (2016) hanno descritto una portata più elevata di 500 L hsup-1/sup (circa 8 L/min) per la produzione di carpa e menta (Mentha arvensis), indicando la necessità di diverse portate d'acqua per diverse specie vegetali. Un altro ciprinide, la tinca (Tinca tinca), è stato testato con successo da Lobillo et al. (2014) in Spagna e ha mostrato alti tassi di sopravvivenza dei pesci (99,32%) a basse densità di stoccaggio di 0,68 kg msup-3/sup senza dispositivi di rimozione dei solidi e buoni tassi di sopravvivenza della lattuga (98%). Nel complesso, i membri della famiglia Cyprinidae contribuiscono fortemente alla produzione mondiale dell'acquacoltura (FAO 2017); molto probabilmente questo sarebbe vero anche in condizioni acquaponiche e produttività, ma la situazione economica dovrebbe essere testata separatamente per ciascun paese.

   Altri organismi acquatici come gamberetti e gamberi sono stati introdotti nella produzione acquaponica accoppiata. Mariscal-Lagarda et al. (2012) ha studiato l'influenza dell'acqua di processo dei gamberetti bianchi (Litopenaeus vannamei) sulla crescita dei pomodori (Lycopersicon esculentum) e ha trovato buoni rendimenti in acquaponica con un duplice effetto di risparmio idrico sotto produzione integrata. Un altro studio ha confrontato la produzione acquaponica semi-intensiva combinata di gamberi d'acqua dolce (Macrobrachium rosenbergii — i gamberetti malesi) con basilico (Ocimum basilicum) rispetto alla coltivazione tradizionale di piante idroponiche con una soluzione nutritiva (Ronzón-Ortega et al. 2012). Tuttavia, la produzione di basilico in acquaponica era inizialmente meno efficace (25% di sopravvivenza), ma con l'aumento della biomassa dei gamberi, anche la biomassa vegetale è aumentata in modo che gli autori giunsero a una conclusione positiva con la produzione di basilico con M. rosenbergii. Sace e Fitzsimmons (2013) hanno riportato una migliore crescita delle piante in lattuga (Lactuca sativa), cavolo cinese (Brassica rapa pekinensis) e pakchoi (Brassica rapa) con M. rosenbergii in policcultura con il Nilo Tilapia (O. niloticus). La coltivazione con gamberi ha stabilizzato il sistema in termini di parametri chimico-fisici, che a loro volta migliorano la crescita delle piante, anche se a causa di un aumento del pH, si sono verificate carenze di nutrienti nel cavolo cinese e nella lattuga. In generale, questi studi dimostrano che la produzione di gamberetti in condizioni acquaponiche è possibile e può persino esercitare un effetto stabilizzante sul circuito chiuso o sul principio aquaponico accoppiato.

   7.7.2 Produzione di impianti

   La coltivazione di molte specie di piante, erbe, colture fruttifere e ortaggi a foglia è stata descritta in acquaponica accoppiata. In molti casi, il contenuto di nutrienti dell'acqua di processo acquaponica era sufficiente per una buona crescita delle piante. Un riesame di Thorarinsdottir et al. (2015) ha riassunto le informazioni sulla produzione vegetale in condizioni di produzione acquaponica provenienti da varie fonti. La lattuga (Lactuca sativa) era la principale pianta coltivata in acquaponica e veniva spesso utilizzata in diverse varianti come lattuga croccante (iceberg), lattuga di farfalla (bibb negli Stati Uniti), lattuga romana e lattuga in foglie sciolte sotto la notte bassa (3—12 ˚C) e temperature diurne più elevate (17—28 ˚C) (Somerville et al. 2014). Molti esperimenti sono stati condotti con la lattuga in acquaponica (ad esempio Rakocy 1989) o come confronto della crescita della lattuga tra acquaponica, idroponica e acquaponica integrata (Delaide et al. 2016). Lattuga romana (Lactuca sativa longifolia cv. Jericho) è stato anche studiato da Seawright et al. (1998) con buoni risultati di crescita simili all'idroponica standalone e un crescente accumulo di K, Mg, Mn, P, Na e Zn con l'aumento della biomassa ittica del Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus). Le concentrazioni di Fe e Cu non sono state influenzate. La resa della lattuga è stata insignificante con diverse densità di stoccaggio di pesce (151 g, 377 g, 902 g, 1804 g) e biomassa vegetale tra 3040 g (151 g di pesce) e 3780 g (902 g di pesce). Anche la lattuga è stata coltivata, ad esempio da Lennard e Leonard (2006) con Murray Cod (Maccullochella peelii peelii), e da Lorena et al. (2008) con lo storione 'bester' (ibrido di Huso femmina e Acipenser ruthenus maschio) e da Pantanella (2012) con Nilo tilotapia (O. icus). Come coltura ad acqua calda, il basilico (Ocimum basilicum) è stato segnalato come una buona erba per la coltivazione sotto acquaponica accoppiata ed è stato segnalato come il raccolto più piantato dall'81% degli intervistati nei risultati di un sondaggio internazionale (Love et al. 2015). Rakocy et al. (2003) ha studiato il basilico con rese comparabili in produzione in lotti e sfalsata (2,0; 1,8 kg/msup2/sup) in contrasto con la coltivazione in campo con una resa relativamente bassa (0,6 kg/msup2/sup). Somerville et al. (2014) ha descritto il basilico come una delle erbe più popolari per l'acquaponica, soprattutto nei sistemi su larga scala, grazie alla sua crescita relativamente rapida e al buon valore economico. Diverse cultivar di basilico possono essere coltivate a temperature più elevate tra i 20 e i 25 ˚C nei sistemi idroponici, NFT (nutrient film technique) e DWC (deep water culture). Il basilico coltivato in letti di ghiaia può raggiungere una resa di 2,5 volte superiore in combinazione con i giovani tilapia (O. niloticus, 0,30 g) in contrasto con C. gariepinus (0,12 g) (Knaus e Palm 2017a).

   I pomodori (Lycopersicon esculentum) sono stati descritti da Somerville et al. (2014) come una 'eccellente verdura da fruttificazione estiva' in acquaponica e possono far fronte alla piena esposizione al sole e a temperature inferiori a 40 ˚C a seconda del tipo di pomodoro. Tuttavia, la sostenibilità economica dell'acquaponica accoppiata è contestata a causa della ridotta competitività della produzione di pomodoro acquaponica rispetto alla produzione idroponica convenzionale di alta ingegneria nelle serre, ad esempio il Centro di miglioramento olandese di DLV GreenQ a Bleiswijk con una resa di pomodoro di 100,6 kg. msup-2/sup (Hortidaily 2015), o anche superiore (Heuvelink 2018). Le indagini precedenti si sono concentrate sulla coltivazione di questa pianta soprattutto rispetto alla produzione sul campo. Lewis et al. (1978) riferivano quasi il doppio della coltura di pomodori in acquaponica rispetto alla produzione sul campo e la carenza di ferro verificatasi è stata fissata utilizzando l'acido tetraacetico etilenico diammina. I pomodori sono stati prodotti anche in diversi sistemi acquaponici negli ultimi decenni, da Sutton e Lewis (1982) con buone rese vegetali a temperature dell'acqua fino a 28 °C in combinazione con il pesce gatto Canale (Ictalurus punctatus), da Watten e Busch (1984) combinato con tilapia (Sarotherodon aurea) e un calcolo resa totale di frutti di pomodoro commerciabili pari a 9,6 kg/msup2/sup, circa il 20% delle rese registrate per l'acquaponica disaccoppiata (47 kg/msup2/sup/y, Geelen 2016). McMurtry et al. (1993) combinato tilapia ibrida (Oreochromis mossambicus x Oreochromis niloticus) con pomodori nei biofiltri a sabbia associati che hanno mostrato una «resa vegetale/alta resa totale delle piante» di 1:1 ,5 rapporto serbatoio/biofiltro (letto filtrante a sabbia) e McMurtry et al. (1997) con un aumento totale dei frutti vegetali resa con aumento del rapporto biofiltro/serbatoio. Va precisato che la produzione di pomodori è possibile sotto acquaponica accoppiata. Seguendo il principio della coltivazione di piante prive di suolo in acquaponics sensu stricto dopo Palm et al. (2018), è vantaggioso concimare parzialmente alcuni nutrienti come fosforo, potassio o magnesio per aumentare le rese (vedi sfide di seguito).

   È possibile anche la coltivazione di altre specie vegetali e vengono continuamente segnalati i test di nuove colture. Nel Regno Unito, Kotzen e Khandaker hanno testato verdure esotiche asiatiche, con particolare successo con zucca amara, altrimenti nota come kerala o melone amaro (Momordica charantia) (Kotzen pers. comm.). Il Taro (Colocasia esculenta) è un'altra specie che viene facilmente coltivata con successo segnalato sia per il suo grande «orecchio di elefante» come foglie, sia per le sue radici (Kotzen pers. comm.). Somerville et al. (2014) ha osservato che colture come cavolfiori, melanzane, peperoni, fagioli, piselli, cavoli, broccoli, bietole svizzere e prezzemolo hanno il potenziale di coltivazione sotto acquaponica. Ma ce ne sono molti altri (ad esempio sedano, broccoli, cavolo rapa, peperoncini, ecc.) tra cui piante che preferiscono avere condizioni di radice umide, tra cui spinaci d'acqua (Ipomoea aquatica) e menta (Menta sp.) e alcune piante alofitiche, come il samphire di palude (Salicornia europaea).

   Le piante ornamentali possono anche essere coltivate, da sole o insieme ad altre colture (intercropping), ad esempio Hedera helix (edera comune) coltivate presso l'Università di Rostock da Palm & Knaus in un sistema acquaponico accoppiato. Gli studi hanno utilizzato il 50% in meno di nutrienti che normalmente sarebbero stati forniti alle piante in condizioni normali di vivaio con un tasso di successo del 94,3% (Fig. 7.10).

   

   Fig. 7.10 Tre categorie di qualità di edera (Hedera helix), coltivate in un sistema acquaponico accoppiato che indica la qualità che il commercio di vivai richiede (a) molto buona e direttamente commerciabile, (b) buona e commerciabile e (c) non di qualità sufficientemente elevata

   Oltre alla pianta e alla variante scelta, ci sono due grandi ostacoli che riguardano la produzione di piante acquaponica sotto i due stati suggeriti di produzione ittica, estensiva e intensiva. In condizioni estese, la disponibilità di nutrienti all'interno dell'acqua di processo è molto inferiore rispetto alla produzione vegetale commerciale, sostanze nutritive come K, P e Fe sono carenti, e la conducibilità è compresa tra 1000 e 1500 μS/cm, che è molto inferiore rispetto alla normale produzione idroponica commerciale piante regolarmente tra 3000 e 4000 μS/cm. Le piante che sono carenti di alcuni nutrienti possono mostrare segni di necrosi fogliari e hanno meno clorofilla rispetto alle piante fertilizzate in modo ottimale. Di conseguenza, l'aggiunta selettiva di alcuni nutrienti aumenta la qualità delle piante necessaria per produrre prodotti competitivi.

   In conclusione, la produzione commerciale di acquaponica accoppiata nell'ambito della produzione intensiva di pesce ha difficoltà a competere con la produzione vegetale regolare e con l'idroponica commerciale su larga scala. La composizione non ottimale e secondo Palm et al. (2019) imprevedibile dei nutrienti causati dal processo di produzione del pesce deve competere con condizioni nutritive ottimali riscontrate nei sistemi idroponici. Non c'è dubbio che occorra sviluppare soluzioni che consentano una crescita ottimale delle piante, garantendo al contempo la qualità dell'acqua richiesta ai pesci.

   7.7.3 Opzioni di combinazione di pesci e piante

   La combinazione di pesci e piante in acquaponica chiusa può generare una migliore crescita delle piante (Knaus et al. 2018b) combinata con benefici per il benessere dei pesci (Baßmann et al. 2017). All'interno dell'acqua di processo possono verificarsi grandi variazioni di micronutrienti e macronutrienti con effetti negativi sul fabbisogno nutrizionale delle piante (Palm et al. 2019). Un'analisi generale dei sistemi acquaponici accoppiati ha dimostrato che all'interno dei sistemi sono presenti bassi livelli di nutrienti (Bittsanszky et al. 2016) rispetto alle soluzioni nutritive idroponiche (Edaroyati et al. 2017). Le piante non tollerano un sottoapporto o un eccesso di sostanze nutritive senza effetti sulla crescita e sulla qualità, e l'apporto giornaliero di alimentazione del sistema acquaponico deve essere adattato alle esigenze nutritive della pianta. Ciò può essere ottenuto regolando la densità di stoccaggio del pesce e modificando il mangime. Somerville et al. (2014) ha classificato le piante in acquaponica in base al loro fabbisogno nutritivo come segue:

   1. Piante con basso fabbisogno di nutrienti (ad esempio basilico, Ocimum basilicum)

   2. Piante con fabbisogno nutrizionale medio (ad esempio cavolfiore, Brassica oleracea var. Botrytis)

   3. Piante con elevato fabbisogno di nutrienti, come le specie fruttifere (ad esempio fragole, Fragaria spec.).

   Non tutte le piante possono essere coltivate in tutti i sottosistemi idroponici con la stessa resa. La scelta dell'impianto dipende dal sottosistema idroponico se si utilizzano sistemi acquaponici convenzionali privi di suolo (ad esempio DWC, NFT, riflusso e flusso; aquaponics sensu stricto» — s.s. — in senso stretto). Nell'ambito dell'agricoltura acquaponica («aquaponics sensu lato' — s.l. — in senso più ampio, Palm et al. 2018), l'uso di terreno inerte o con aggiunta di fertilizzanti applica tecniche di giardinaggio provenienti dall'orticoltura, aumentando la possibile gamma di specie.

   In condizioni idroponiche, le strutture componenti dei sottosistemi hanno un'influenza decisiva sui parametri di crescita delle piante. Secondo Love et al. (2015), la maggior parte dei produttori acquaponici ha utilizzato sistemi di zattera e letti multimediali e in una quantità minore NFT e torri verticali. Lennard e Leonard (2006) hanno studiato la crescita della lattuga di quercia verde (Lactuca sativa) e hanno registrato il rapporto letto ghiaia\ > zattera galleggiante\ > NFT in termini di sviluppo e resa della biomassa in combinazione con il Murray Cod (Maccullochella peelii peelii) in Australia. Knaus & Palm (2016—2017, dati inediti) hanno testato diversi sottosistemi idroponici come NFT, zattera galleggiante e substrato di ghiaia sulla crescita di diverse piante nella FishGlassHouse in un progetto sperimentale acquaponico disaccoppiato, richiedendo successivi test in condizioni accoppiate. Con l'aumento della densità di produzione del pesce gatto africano (C. gariepinus, ca. 20-168 kg/msup3/sup), la maggior parte delle colture coltivate come i cetrioli (Cucumis sativus), il basilico (Ocimum basilicum) e il pak choi (Brassica rapa chinensis) tendevano a crescere meglio, a differenza di Lennard e Leonard (2006), in ghiaia e acquaponica NFT (GRAVEL\ > NFT\ > RAFT; Wermter 2016; Pribbernow 2016; Lorenzen 2017), e la menta marocchina 'spearmint' (Mentha spicata) hanno mostrato la performance di crescita opposta (RAFT = NFT\ > GRAVEL) con il maggior numero di foglie in NFT (Zimmermann 2017). Ciò dimostra un vantaggio delle condizioni di ghiaia e può essere utilizzato in modo figurato anche in vasi convenzionali con substrato di terreno in condizioni acquaponiche accoppiate. Questo tipo di acquaponica è stato designato come «orticoltura — acquaponica _ (s.l.) _» a causa dell'uso di substrati del settore orticolo (suolo, fibra di cocco, torba, ecc.) (vedi Palm et al. 2018). Si tratta di tutte le tecniche di coltivazione delle piante che permettono alle piante di crescere in vaso, per cui il substrato nel vaso stesso può essere considerato equivalente a un substrato di ghiaia classico per l'acquaponica. Le ricerche di Knaus & Palm (dati inediti) hanno mostrato una varianza nella qualità degli ortaggi di coltivazione comune e quindi la loro idoneità alla coltivazione in questo tipo di acquaponica con il suolo (Fig. 7.11, Tabella 7.1). In questo tipo di acquaponica, fagioli, lattuga di agnelli e ravanelli hanno fatto bene.

   

   Fig. 7.11 Esperimenti con una varietà di verdure comunemente coltivate, in inverno 2016/2017 nella FishglassHouse (Università di Rostock, Germania)

   Tabella 7.1 Raccomandazione per l'uso di piante da giardinaggio in agricoltura acquaponica con l'uso del 50% del fertilizzante regolare in vasi con terreno

   tavolo testata tr class = header» Thname/th Thlat. Nome/Th THPossibile per acquaponia/th Thmark/Th ThNutriente/th /tr /testata tbody tr class="dispari» TDBeans/TD td iPhaseolus vulgaris/i /td TDYes/TD td1/td TDextensive/TD /tr tr class="even» TDPEAS/TD td iPisum sativum/i /td TDNO/TD td2/td TDIntensive/TD /tr tr class="dispari» TDBeet/TD td iBeta vulgaris/i /td TDNO/TD td2/td TDBoth/TD /tr tr class="even» TDpomodori/TD td Isolanum lycopersicum/i /td TDNO/TD td2.3/td TDBoth/TD /tr tr class="dispari» Lattuga/td di TDLamb td iValerianella locusta/i /td TDYes/TD td1/td TDBoth/TD /tr tr class="even» TDradish/TD td Iraphanus sativus/i /td TDYes/TD td1/td TDBoth/TD /tr tr class="dispari» TDgrano /TD td itriticum aestivum/i /td TDNO/TD td2/td TDBoth/TD /tr tr class="even» TDlattuce/TD td iLactuca sativa/i /td TDYes/TD td1/td TDIntensive/TD /tr /tbody /tavolo

   La scelta delle piante (specie e ceppo) e in particolare il sottosistema e/o il substrato idroponico, compresi torba, sostituti della torba, fibre di cocco, compost, argilla, ecc. o un loro mix (vedi Somerville et al. 2014), ha un impatto significativo sul successo economico dell'impresa. L'efficienza di alcuni substrati deve essere testata nelle sottounità idroponiche dei letti mediali (ad esempio l'uso di sabbia (McMurtry et al. 1990, 1997), ghiaia (Lennard e Leonard 2004) e perlite (Tyson et al. 2008). Somerville et al. (2014) ha descritto l'uso di altri substrati di supporti quali ghiaia vulcanica o roccia (tufo), ghiaia calcarea, ghiaia del letto di fiume, pietra pomice, plastica riciclata, substrati organici come fibra di cocco, segatura, muschio di torba e tronco di riso. Gli studi comparativi qualitativi con raccomandazioni, tuttavia, sono molto rari e oggetto di ricerche future.

   7.7.4 Poliponica

   La combinazione di diversi organismi acquatici in un unico sistema acquaponico può aumentare la resa totale. Applicato per la prima volta da Naegel (1977), questo principio di produzione multispecie è stato coniato dal termine policoltura combinato con acquaponica nei sistemi accoppiati come «policoltura+ aquaponica) da Knaus e Palm (2017b). Come IMTA (acquacoltura multitrofa integrata), la poliponica espande la diversità dei sistemi di produzione. L'utilizzo di più specie in un sistema presenta sia vantaggi che svantaggi, poiché a) la diversificazione consente al produttore di rispondere alle richieste del mercato locale, ma b) dall'altro, l'attenzione è distribuita su una serie di prodotti, il che richiede una maggiore competenza e una migliore gestione. Le informazioni pubblicate sulla poliponica sono scarse. Tuttavia, Sace e Fitzsimmons (2013) hanno riportato una migliore crescita delle piante di lattuga, cavolo cinese e pakchoi in policcoltura con gamberetti d'acqua dolce (Macrobrachium rosenbergii) e tilapia del Nilo (O. niloticus) in acquaponica accoppiata. Alberts-Hubatsch et al. (2017) hanno descritto la coltivazione di gamberi nobili (Astacus astacus), basso ibrido striato (Morone saxatilis x M. chrysops), microalghe (Nannochloropsis limnetica) e crescione (Nasturtium officinale), dove la crescita dei gamberi era superiore al. nutrirsi di radici crescione, feci di pesce e una dieta progettata da luccioperca.

   Le indagini iniziali presso l'Università di Rostock hanno mostrato differenze nella crescita delle piante in due unità acquaponiche identiche da 25 msup2/sup accoppiate all'indietro con la produzione di pesce gatto africano (Clarias gariepinus) e Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus, Palm et al. 2014b). Le rese vegetali di lattuga (Lactuca sativa) e frutti di cetriolo (Cucumis sativus) erano significativamente migliori in combinazione con O. niloticus. Questo effetto è stato visto anche da Knaus e Palm (2017a) con un rendimento 2,5 volte superiore in basilico (Ocimum basilicum) e due volte maggiore di biomassa di prezzemolo (Petroselinum crispum) combinato con O. niloticus. Un altro confronto tra O. niloticus e carpa comune (Cyprinus carpio) ha mostrato una biomassa lorda doppia più alta per pianta (g plantsup-1/sup) di pomodori (Solanum lycopersicum) con tilapia e una biomassa lorda leggermente aumentata di cetrioli (Cucumis sativus) con carpe, tuttavia, con frutti di cetriolo più alti peso nell'unità O. niloticus aquaponic (Knaus e Palm 2017b). La resa di menta (Mentha x piperita) era circa 1,8 volte superiore nell'unità di tilapia, ma il prezzemolo era 2,4 volte superiore in combinazione con la carpa (Knaus et al. 2018a). I risultati di questi esperimenti hanno seguito l'ordine di crescita delle piante: O. niloticus\ > C. carpio\ > C. gariepinus, mentre la crescita dei pesci ha mostrato un ordine inverso con: C. gariepinus\ > O. niloticus\ > C. carpio.

   In base a questi risultati, la scelta dei pesci influenza la resa delle piante e una combinazione di diverse specie ittiche e le loro rispettive prestazioni di crescita consentono di adattare l'acquaponica accoppiata alla resa ottimale dei pesci e delle piante. Durante esperimenti consecutivi (solo O. niloticus, solo C. gariepinus), per O. niloticus è stato osservato un rendimento di biomassa superiore del 20,44% (Plant Growth Difference — PGD) in contrasto con la resa di basilico con C. gariepinus (Knaus et al. 2018b). Pertanto, O. niloticus può essere utilizzato per aumentare la resa vegetale in un sistema generale C. gariepinus. Questo cosiddetto effetto di spinta di Tilapia migliora la produzione complessiva del sistema e compensa i) la crescita delle piante più povera con una crescita elevata del pesce di C. gariepinus e ii) una crescita più bassa del pesce in O. niloticus con una spinta alla resa vegetale. Una prima azienda poliponica commerciale ha aperto a Bali, Indonesia, producendo tilapia combinata con pesce gatto asiatico (Clarias batrachus) e prodotti agricoli convenzionali.

8. 7.8 Problemi di pianificazione e gestione del sistema

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

   L'acquaponica accoppiata dipende dai nutrienti forniti dalle unità ittiche, sia da un RAS intensivo commerciale o da vasche immagazzinate in condizioni estese in operazioni più piccole. La densità di pesce in quest'ultimo è spesso di circa 15-20 kg/msup3/sup (tilapia, carpa), ma la vasta produzione di pesce gatto africano può essere superiore fino a 50 kg/msup3/sup. Tali diverse densità di stoccaggio hanno un'influenza significativa sui flussi di nutrienti e sulla disponibilità di nutrienti per le piante, sul requisito del controllo e dell'adeguamento della qualità dell'acqua, nonché sulle pratiche di gestione appropriate.

   La qualità dell'acqua di processo rispetto alle concentrazioni di nutrienti dipende principalmente dalla composizione del mangime e dai rispettivi tassi di fatturato dei pesci. La differenza tra input di mangimi e nutrienti per mangimi, assimilabili all'interno dei pesci o persi per la manutenzione del sistema, equivale al massimo potenziale di nutrienti disponibili per le piante provenienti dall'acquacoltura. Come notato sopra, le concentrazioni di nutrienti devono essere regolate a livelli, che consentono alle piante di crescere efficacemente. Tuttavia, non tutte le specie ittiche sono in grado di resistere a tali condizioni. Di conseguenza, specie ittiche resilienti come il pesce gatto africano, Tilapia o carpe sono preferiti candidati aquaponici. All'Università di Rostock, il pesce gatto intero e la sua dieta standard sono stati analizzati come valori di output e input per identificare i tassi di fatturato dei macronutrienti N, P, K, Ca, Mg e S e dei micronutrienti Fe, Mn, Mo, Cu, Zn e Se. Ad eccezione di P, oltre il 50% dei nutrienti somministrati ai pesci non vengono trattenuti nel suo corpo e possono essere considerati potenzialmente disponibili come nutrienti vegetali (Strauch et al. 2018; Fig. 7.12). Tuttavia, questi nutrienti non sono equamente distribuiti all'interno dell'acqua di processo e dei sedimenti. Soprattutto i macronutrienti (N, P, K) si accumulano nell'acqua di processo e all'interno della frazione solida mentre i micronutrienti, come il ferro, scompaiono nella frazione solida separata dal chiarificatore. La figura 7.13 mostra la produzione di nutrienti per pulizia del chiarificatore dopo 6 giorni di raccolta dei fanghi in un RAS intensivo di pesce gatto africano. Le proporzioni dei nutrienti essenziali delle piante che si legano nei solidi rispetto alle rispettive quantità che appaiono disciolti sono significative: N = 48%, P = 61%, K = 10%, Ca = 48%, Mg = 16%, S = 11%, Fe = 99%, Mn = 86%, Mo = 100%, Zn = 48% e Cu = 55%.

   

   Fig. 7.12 Nutrienti non utilizzati nell'acquacoltura africana di pesci gatto potenzialmente disponibili per la produzione di piante acquaponiche (dati originali)

   

   Fig. 7.13 Distribuzione di macro e micronutrienti all'interno dell'acqua di processo e dei solidi. (Dati di Strauch et al. (2018))

   Uno dei principali fattori di gestione è la disponibilità di ossigeno all'interno del sistema, che è fondamentale per mantenere alta la concentrazione di nitrato di impianto disponibile nell'acqua di processo. I chiarificatori convenzionali applicati in molti RAS rimuovono i rifiuti solidi ricchi di carbonio dal ricircolo, ma li lasceranno a contatto con l'acqua di processo fino al successivo intervallo di pulizia del serbatoio di sedimentazione. Durante questo periodo, la materia organica ricca di carbonio viene utilizzata come fonte di energia denitrificando i batteri, rappresentando perdite significative di nitrato. Si spegne come azoto nell'atmosfera e si perde. In condizioni di produzione intensive, grandi quantità di fanghi organici si accumulano all'interno dei serbatoi di sedimentazione, con conseguenze per la manutenzione, la sostituzione con acqua dolce e successivamente per la composizione nutriente all'interno dell'acqua di processo. La figura 7.14 illustra le concentrazioni di nutrienti nelle vasche di detenzione del pesce gatto africano RAS sotto tre diverse densità di stoccaggio (esteso: 35 pesci/serbatoio, semi-intensivo: 70 pesci/serbatoio, intensivo: 140 pesci/serbatoio). Maggiore è la densità di stoccaggio e minore è il contenuto di ossigeno risultante all'interno del sistema, minore è il nitrato disponibile per kg di alimentazione all'interno del sistema.

   

   Fig. 7.14 N-budget per kg di mangime e livello di ossigeno nell'acquacoltura del pesce gatto africano sotto tre diverse densità di stoccaggio (dati originali)

   In generale, con l'aumento dell'intensità dei pesci, la disponibilità di ossigeno all'interno del sistema diminuisce a causa del consumo di ossigeno da parte del pesce e della digestione dei fanghi aerobici all'interno del chiarificatore e dei sottosistemi idroponici. I livelli di ossigeno possono essere mantenuti a livelli più elevati, ma ciò richiede ulteriori investimenti per il monitoraggio e il controllo dell'ossigeno. Questo problema è di enorme importanza per l'acquaponica accoppiata, fin dall'inizio della fase di progettazione dei sistemi, perché i diversi scenari sono determinanti per la produzione ittica pianificata, per la conseguente qualità dell'acqua di processo per le unità produttive dell'impianto e, di conseguenza, per l'economia sostenibilità. Quattro principi di sistemi di produzione acquaponica accoppiati con conseguenze gestionali in termini di progettazione del sistema, procedure di manutenzione e disponibilità di nutrienti per la crescita delle piante, con transizioni tra loro, possono essere definiti come segue:

   • Produzione estesa, pesce resiliente all'ossigeno (ad esempio tilapia, carpa), nessun controllo dell'ossigeno, Osub2/sub superiore a 6 mg/L, scarso uso di acqua con alte concentrazioni di nutrienti, piccolo investimento, basso BOD, alto nitrato per kg di mangime.

   • Produzione intensiva, pesce resiliente all'ossigeno (ad esempio pesce gatto africano), nessun controllo dell'ossigeno, Osub2/sub inferiore a 6 mg/L, alto consumo di acqua, investimento medio, alto BOD, basso nitrato per kg di mangime, alte concentrazioni di nutrienti.

   • Produzione estesa, pesce esigente di ossigeno (ad esempio trota), controllo dell'ossigeno, Osub2/sub superiore a 6-8 mg/L, elevato consumo di acqua, investimento medio, basso BOD, alto nitrato per kg di mangime, basse concentrazioni di nutrienti.

   • Produzione intensiva, pesce esigente di ossigeno (ad esempio trota, lucioperca), controllo dell'ossigeno, Osub2/sub superiore a 6-8 mg/L, elevato consumo di acqua, investimento elevato, basso BOD, nitrato medio per kg di mangime.

   Oltre alla densità di stoccaggio e alla quantità media di ossigeno all'interno del sistema, il regime di produzione vegetale, cioè la coltivazione in batch o sfalsata, ha conseguenze per le sostanze nutritive disponibili all'interno dell'acqua di processo (Palm et al. 2019). Questo è il caso soprattutto per i pesci a rapida crescita, dove l'aumento del mangime durante il ciclo di produzione può essere così rapido che occorre un tasso di cambio dell'acqua più elevato e quindi la diluizione dei nutrienti può aumentare, con conseguenze per la composizione e la gestione dei nutrienti.

   Gli stessi processi ossici o anossici che si verificano nel RAS come parte del sistema acquaponico accoppiato si verificano anche all'interno dei sottosistemi idroponici. Pertanto, la disponibilità di ossigeno ed eventualmente l'aerazione dell'acqua della pianta possono essere fondamentali per ottimizzare la qualità dell'acqua per una buona crescita delle piante. L'ossigeno permette ai batteri eterotrofici di convertire i nutrienti organici legati alla fase disciolta (cioè azoto proteico in ammoniaca) e i batteri nitrificanti per convertire l'ammoniaca in nitrato. La disponibilità di ossigeno nell'acqua riduce anche il metabolismo microbico anossico (cioè batteri nitrati e/o solfati, Comeau 2008), processi che possono avere effetti enormi sulla riduzione delle concentrazioni di nutrienti. L'aerazione delle radici ha anche il vantaggio che l'acqua e i nutrienti vengono trasportati alla superficie della radice e che le particelle che si depositano sulla superficie della radice vengono rimosse (Somerville et al. 2014).

9. 7.9 Alcuni vantaggi e svantaggi dell'acquaponica accoppiata

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

   La seguente discussione rivela una serie di pro e sfide chiave dell'acquaponica accoppiata come segue:

   Pro: I sistemi acquaponici accoppiati hanno molti vantaggi nella produzione alimentare, in particolare risparmiando risorse sotto diverse scale di produzione e in un'ampia gamma di regioni geografiche. Lo scopo principale di questo principio di produzione è l'uso più efficiente e sostenibile di risorse scarse come mangimi, acqua, fosforo come nutriente vegetale limitato ed energia. Mentre l'acquacoltura e l'idroponica (come stand-alone), rispetto all'acquaponica sono più competitivi, l'acquaponica accoppiata può avere un vantaggio in termini di sostenibilità e quindi una giustificazione di questi sistemi, soprattutto se osservata nel contesto, ad esempio, dei cambiamenti climatici, delle risorse in diminuzione, degli scenari che potrebbero cambiare la nostra visione dell'agricoltura sostenibile in futuro.

   Pro: L'acquaponica su piccola scala e accoppiata al retro è destinata a sostenere la produzione alimentare locale e comunitaria da parte delle famiglie e degli agricoltori. Non sono in grado di arginare i costi di investimento elevati e richiedono tecnologie semplici ed efficienti. Questo vale per le combinazioni di pesci e piante testate in acquaponica accoppiata.

   

   Fig. 7.15 Sviluppo di sistemi acquaponici accoppiati da (a) zone umide costruite da rifiuti domestici (CW) e (b) CW in combinazione con sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) a (c) unità idroponiche in sistemi aquaponici accoppiati

   Pro: Gli impianti dell'acquaponica accoppiata contemporanea hanno il ruolo analogo nel trattamento dei rifiuti come fanno le zone umide costruite nella rimozione dei rifiuti dall'acqua (Fig. 7.15). Gli impianti dell'unità idroponica in acquaponica accoppiata svolgono quindi il compito di depurare l'acqua e possono essere considerati una «unità biologica avanzata di depurazione dell'acqua» al fine di ridurre l'impatto ambientale dell'acquacoltura.

   Sfida: È stato ampiamente accettato che l'utilizzo di solo mangimi per pesci come input per la nutrizione delle piante è spesso insufficiente qualitativamente e quantitativamente rispetto ai sistemi di produzione agricola convenzionali (ad esempio effluente idroponico N-P-K) (Goddek et al. 2016), limitando la crescita di alcune colture in acquaponica accoppiata.

   Pro: I sistemi acquaponici accoppiati hanno un'influenza positiva sul benessere dei pesci. Studi più recenti dimostrano che, in combinazione con cetriolo e basilico, il comportamento agonistico del pesce gatto africano (C. gariepinus) è stato ridotto (Baßmann et al. 2017, 2018). Ancora più importante, confrontando le lesioni e i modelli comportamentali con il controllo, l'acquaponica ad alta densità di basilico ha influenzato ancora più positivamente il pesce gatto africano. Le piante rilasciano sostanze nell'acqua di processo come le fosfatasi (Tarafdar e Claassen 1988; Tarafdar et al. 2001) che sono in grado di idrolizzare composti fosfati biochimici intorno alla zona radicale e di trasudare acidi organici (Bais et al. 2004). Inoltre, i microrganismi sulle superfici radicali svolgono un ruolo importante attraverso l'escrezione di sostanze organiche aumentando la solubilizzazione dei minerali rendendoli disponibili per la nutrizione vegetale. È evidente che l'ambiente della rizosfera, l' «essudato radicale», è costituito da molti composti organici come anioni acidi organici, fitosiderofori, zuccheri, vitamine, aminoacidi, purine, nucleosidi, ioni inorganici, molecole gassose, enzimi e cellule di confine radicale (Dakora e Phillips 2002), che possono influenzare la salute degli organismi acquatici nei sistemi acquaponici accoppiati. Questa relazione simbiotica non è disponibile né in acquacoltura pura né in acquaponica disaccoppiata. Tuttavia, è ancora necessario intraprendere notevoli ricerche per comprendere i fattori responsabili di un migliore benessere dei pesci.

   Pro: L'acquaponica può essere considerata una forma ottimizzata della produzione agricola convenzionale, soprattutto in quelle zone in cui i fattori di produzione causati dalle condizioni ambientali sono particolarmente difficili, ad esempio nei deserti o nelle aree urbane altamente popolate (città). I sistemi acquaponici accoppiati possono essere facilmente adattati alle condizioni locali, in termini di progettazione del sistema e scala di funzionamento.

   Sfida: Anche l'aquaponic accoppiato mostra degli svantaggi, a causa delle condizioni di rapporto componenti spesso inadatte per la produzione di pesce e piante. Al fine di evitare conseguenze per il benessere dei pesci, i sistemi acquaponici accoppiati devono bilanciare l'input di mangime, la densità di stoccaggio e le dimensioni delle unità di trattamento delle acque e dell'idroponica. Finora la conoscenza dei rapporti dei componenti nell'acquaponica accoppiata è ancora limitata, e la modellazione per superare questo problema è all'inizio. Rakocy (2012) ha suggerito 57 g di mangimi/giorno per metro quadrato di superficie di coltivazione della lattuga e un rapporto composito di 1 msup3/sup di vasca di allevamento dei pesci a 2 msup3/sup di ghiaia di piselli che consente una produzione di 60 kg/msup3/sup tilapia. Sulla base del sistema UVI, i rapporti dimensionali stessi sono stati percepiti come uno svantaggio in quanto un rapporto relativamente elevato tra superficie vegetale e superficie del pesce di almeno 7:3 deve essere raggiunto per una produzione vegetale adeguata. D'altra parte, i progetti di sistemi accoppiati sono altamente variabili, spesso non comparabili, e le esperienze fatte non possono essere facilmente trasferite in un altro sistema o luogo. Di conseguenza, sono necessari molti più dati di ricerca per identificare i migliori rapporti di produzione possibili, consentendo infine anche l'upscaling dei sistemi aquaponici accoppiati moltiplicando i moduli di base progettati in modo ottimale (cfr. anche cap. 11).

   Sfida: sono stati dichiarati parametri avversi di qualità dell'acqua per influire negativamente sulla salute dei pesci. Come sottolineato da Yavuzcan Yildiz et al. (2017), la ritenzione di nutrienti delle piante dovrebbe essere massimizzata per evitare effetti negativi della qualità dell'acqua sul benessere dei pesci. È importante selezionare specie ittiche adeguate in grado di accettare carichi nutritivi più elevati, come il pesce gatto africano (C. gariepinus) o il Nilo Tilapia (O. niloticus,). Specie più sensibili come il lucioperca o il luccioperca (Sander lucioperca) potrebbero essere applicate anche in acquaponica perché preferiscono corpi idrici arricchiti di nutrienti o eutrofici con maggiore torbidità (Jeppesen et al. 2000; Keskinen e Marjomäki 2003; cfr. [Sez. 7.7.1. Produzione di pesce]). Finora, vi sono scarsi dati che consentono dichiarazioni precise sulle menomazioni del benessere dei pesci. Con piante che generalmente necessitano di elevate concentrazioni di potassio tra 230 e 400 mg/L all'interno dell'acqua di processo, 200—400 mg/l di potassio non hanno mostrato alcuna influenza negativa sul benessere dei pesci gatto africani (Presas Basalo 2017). Allo stesso modo, 40 e 80 mg/L OrthoP nell'acqua di allevamento non hanno avuto alcun impatto negativo sulle prestazioni di crescita, sull'efficienza dei mangimi e sui tratti benessere del pesce gatto africano giovanile (Strauch et al. 2019).

   Sfida: Un'altra questione è la potenziale trasmissione di malattie in termini di sicurezza alimentare alle persone attraverso il consumo di piante che sono state a contatto con rifiuti ittici. In generale, il verificarsi di zoonosi è minore perché l'acquaponica chiusa è un sistema completamente controllato. Tuttavia, i germi possono accumularsi nell'acqua di processo dei componenti del sistema o nell'intestino di pesce. Escherichia coli e Salmonella spp. (batteri enterici zoonotici) sono stati identificati come indicatori di contaminazione fecale e qualità dell'acqua microbica, tuttavia, sono stati rilevati in acquaponica solo in quantità molto piccole (Munguia-Fragozo et al. 2015). Un altro confronto tra verdi a foglia liscia tra acquaponica, idroponica e produzione a base di suolo non ha mostrato differenze significative nella conta delle piastre aerobiche (APC, batteri aerobici), enterobatteriacee, E. coli e listeria non patogeni, suggerendo un livello di contaminazione comparabile con agenti patogeni ( Barnhart et al. 2015). La Listeria spp. è stata più frequente (40%) nell'idroponica con piante deradicate (piante acquaponiche con radici 0%, piante acquaponiche senza radici\ < 10%), ma non necessariamente la specie dannosa L. monocytogenes. È stato suggerito che la fonte dei batteri potrebbe essere dovuta alla mancanza di gestione dell'igiene, con poca rilevanza per l'acquaponica in quanto tale. Un altro batterio infettivo, _Fusobacteria (Cetobacterium) _, è stato rilevato da Schmautz et al. (2017) nelle feci dei pesci con un'alta prevalenza fino al 75%. I rappresentanti di Fusobacteria sono responsabili delle malattie umane (germe ospedaliero, ascessi, infezioni), che si riproducono in biofilm o come parte dell'intestino del pesce. Le infezioni umane con Fusobacteria da acquaponica non sono ancora state registrate, ma possono essere possibili trascurando i protocolli igienici richiesti.

   In generale, le informazioni sulle malattie causate dal consumo di pesci e piante provenienti da sistemi acquaponici accoppiati sono piuttosto scarse. A Wilson (2005), il dottor J.E. Rakocy ha dichiarato che non vi è stato alcun focolaio di malattia umana registrato in 25 anni di produzione acquaponica accoppiata. Tuttavia, una procedura di lavaggio dei prodotti vegetali dovrebbe essere utilizzata per ridurre il numero di batteri come precauzione. Un bagno di cloro (100 ppm) seguito da un risciacquo con acqua potabile è stato raccomandato da Chalmers (2004). Se si utilizza questa metodologia e si evita il contatto delle piante o dei prodotti vegetali con l'acqua di processo di ricircolo, la probabilità di contaminazione da batteri patogeni umani può essere fortemente ridotta. Si tratta di una precauzione necessaria non solo per l'accoppiamento, ma anche per tutte le altre forme di acquaponica.