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Comprensione dell'acquaponica

1. Bilanciare l'ecosistema acquaponico

   Original publication 2014 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Il termine «bilanciamento» è usato per descrivere tutte le misure adottate da un agricoltore acquaponico per garantire che l'ecosistema di pesci, piante e batteri sia in un equilibrio dinamico. Non si può sopravvalutare che l'acquaponica di successo sia principalmente il mantenimento di un ecosistema equilibrato. In poche parole, questo significa che c'è un equilibrio tra la quantità di pesce, la quantità di piante e la dimensione del biofiltro, il che significa davvero la quantità di batteri. Esistono rapporti sperimentalmente determinati tra la dimensione del biofiltro, la densità di impianto e la densità di allevamento dei pesci per l'acquaponica. Non è saggio, e molto difficile, operare al di là di questi rapporti ottimali senza rischiare conseguenze disastrose per l'ecosistema acquaponico generale. Gli esperti esperti di acquaponica sono invitati a sperimentare e regolare questi rapporti, ma si raccomanda di iniziare l'acquaponica seguendo questi rapporti. Questa sezione fornisce una breve, ma essenziale, introduzione al bilanciamento di un sistema. Le dimensioni dei biofiltri e le densità di stoccaggio sono trattate in profondità molto maggiore nel capitolo 8.

   Bilanciamento dei nitrati

   L'equilibrio in un sistema acquaponico può essere confrontato con una bilancia di bilanciamento in cui pesci e piante sono i pesi in piedi a braccia opposte. Le braccia dell'equilibrio sono fatte di batteri nitrificanti. È quindi fondamentale che la biofiltrazione sia sufficientemente robusta da supportare gli altri due componenti. Ciò corrisponde allo spessore della leva nella figura 2.10. Si noti che le braccia non erano abbastanza forti per sostenere la quantità di rifiuti di pesce e che il braccio si è rotto. Ciò significa che la biofiltrazione era insufficiente.

   Se la biomassa ittica e la dimensione del biofiltro sono in equilibrio, l'unità acquaponica elaborerà adeguatamente l'ammoniaca in nitrato. Tuttavia, se il componente vegetale è sottodimensionato, il sistema inizierà ad accumulare sostanze nutritive (Figura 2.11). In termini pratici, concentrazioni più elevate di sostanze nutritive non sono dannose per i pesci né per le piante, ma indicano che il sistema è poco performante sul lato delle piante.

   Un errore di gestione comune è quando si utilizzano troppe piante e troppi pesci, come si vede nel terzo scenario illustrato nella figura 2.12. In questo caso, l'ammoniaca viene elaborata da batteri nitrificanti, ma la quantità di nitrato risultante e altri nutrienti è insufficiente per coprire le esigenze delle piante. Questa condizione alla fine porta ad una progressiva riduzione delle concentrazioni di nutrienti e, di conseguenza, delle rese vegetali.

   

   

   La lezione principale di entrambi gli esempi è che ottenere la massima produzione di acquaponica richiede il mantenimento di un adeguato equilibrio tra rifiuti ittici e fabbisogno di nutrienti vegetali, garantendo al contempo un'adeguata superficie per far crescere una colonia batterica al fine di convertire tutti i rifiuti ittici. Questo scenario bilanciato è illustrato nella figura 2.13. Questo equilibrio tra pesci e piante è anche indicato come il rapporto biomassa. Le unità acquaponiche di successo hanno una biomassa adeguata di pesce in relazione al numero di piante, o, più precisamente, il rapporto tra mangimi per pesci e fabbisogno di nutrienti vegetali è equilibrato. Anche se è importante seguire i rapporti suggeriti per una buona produzione alimentare acquaponica, c'è una vasta gamma di rapporti praticabili, e gli agricoltori acquaponici esperti noteranno come l'acquaponica diventa un sistema autoregolante. Inoltre, il sistema acquaponico fornisce ad un agricoltore attento segnali di allarme man mano che il sistema comincia a scivolare fuori equilibrio, sotto forma di metriche sulla qualità dell'acqua e sulla salute dei pesci e delle piante, tutti discussi in dettaglio nel corso di questa pubblicazione.

   Rapporto velocità di avanzamento

   Durante il bilanciamento di un sistema vengono prese in considerazione molte variabili (cfr. riquadro 2), ma una ricerca approfondita ha semplificato il metodo di bilanciamento di un'unità con un rapporto unico denominato «rapporto velocità di avanzamento». Il rapporto di velocità di alimentazione è una somma delle tre variabili più importanti, che sono: la quantità giornaliera di mangime per pesci in grammi al giorno, il tipo di pianta (vegetativo vs. fruttificazione) e lo spazio di coltivazione delle piante in metri quadrati. Questo rapporto suggerisce la quantità

   di mangime giornaliero per pesci per ogni metro quadrato di spazio in crescita. È più utile bilanciare un sistema sulla quantità di mangime che entra nel sistema piuttosto che calcolare direttamente la quantità di pesce. Utilizzando la quantità di mangime, è quindi possibile calcolare quanti pesci in base al loro consumo medio giornaliero.

   I rapporti di velocità dei mangimi forniranno un ecosistema equilibrato per i pesci, le piante e i batteri, purché vi sia un'adeguata biofiltrazione. Utilizzare questo rapporto quando si progetta un sistema aquaponico. È importante notare che il rapporto di velocità di avanzamento è solo una guida al bilanciamento di un'unità acquaponica, poiché altre variabili possono avere un impatto maggiore nelle diverse fasi della stagione, come i cambiamenti stagionali della temperatura dell'acqua. Il più elevato rapporto di velocità di alimentazione per le verdure da frutto rappresenta la maggiore quantità di sostanze nutritive necessarie per queste piante per produrre fiori e frutti rispetto alle verdure a foglia verde.

   Insieme al rapporto di velocità di avanzamento, esistono altri due metodi semplici e complementari per garantire un sistema equilibrato: il controllo dello stato di salute e il test dell'azoto.

   Controllo dello stato di pesce e piante

   Pesci o piante malsane sono spesso un avvertimento che il sistema è fuori equilibrio. I sintomi delle carenze sulle piante di solito indicano che non si stanno producendo abbastanza nutrienti dai rifiuti di pesce. Le carenze di nutrienti si manifestano spesso come scarsa crescita, foglie gialle e scarso sviluppo delle radici, tutti discussi nel Capitolo 6. In questo caso, la densità di stoccaggio del pesce, il mangime (se mangiato dal pesce) e il biofiltro possono essere aumentati, o le piante possono essere rimosse. Allo stesso modo, se i pesci presentano segni di stress, come ansiosi in superficie, sfregamento sui lati della vasca, o mostrare aree rosse intorno alle pinne, agli occhi e alle branchie, o in casi estremi che muoiono, spesso è dovuto a un accumulo di ammoniaca tossica o nitriti. Questo accade spesso quando ci sono troppi rifiuti disciolti per il processo del componente biofiltro. Ognuno di questi sintomi nei pesci o nelle piante indica che l'agricoltore ha bisogno di indagare attivamente e rettificare la causa.

   Test di azoto

   Questo metodo prevede la prova dei livelli di azoto nell'acqua utilizzando kit di prova dell'acqua semplici ed economici (Figura 2.14). Se l'ammoniaca o il nitrito sono elevati (\ > 1 mg/l), indica che la biofiltrazione è inadeguata e che la superficie del biofiltro disponibile deve essere aumentata. La maggior parte dei pesci sono intolleranti a questi livelli per più di pochi giorni. Si desidera aumentare il livello di nitrato, e implica livelli sufficienti di altri nutrienti necessari per la crescita delle piante. I pesci possono tollerare livelli elevati di nitrati, ma se i livelli rimangono elevati (\ > 150 mg/l) per diverse settimane, parte dell'acqua deve essere rimossa e utilizzata per irrigare altre colture.

   

   Se i livelli di nitrati sono bassi (\ < 10 mg/l) per un periodo di diverse settimane, il mangime per pesci può essere leggermente aumentato per assicurarsi che vi siano abbastanza nutrienti per le verdure. Tuttavia, non lasciare mai mangime per pesci non consumati nella vasca d'acquacoltura, pertanto potrebbe essere necessario aumentare la densità di stoccaggio dei pesci. In alternativa, le piante possono essere rimosse in modo che ci siano abbastanza nutrienti per quelli che rimangono. Vale la pena e raccomanda di testare i livelli di azoto ogni settimana per assicurarsi che il sistema sia adeguatamente bilanciato. Inoltre, i livelli di nitrati sono un indicatore del livello di altri nutrienti nell'acqua.

   Ancora una volta, tutti i calcoli e i rapporti di cui sopra, compresa la densità di allevamento dei pesci, la capacità di semina e le dimensioni dei biofiltri, sono spiegati in modo molto più approfondito nei capitoli seguenti (in particolare nel capitolo 8). Lo scopo di questa sezione era quello di fornire una comprensione di quanto sia vitale bilanciare l'ecosistema all'interno dell'acquaponica e di evidenziare i metodi e le strategie semplici per farlo.

   *Fonte: Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, piccola produzione alimentare acquaponica, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Riprodotto con permesso. *

2. Componenti biologici importanti dell'acquaponica

   Original publication 2014 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Come descritto nel capitolo 1, l'acquaponica è una forma di agricoltura integrata che combina due tecniche principali: l'acquacoltura e l'idroponica. In un'unità a ricircolo continuo, l'acqua di coltura esce dall'acquario contenente i rifiuti metabolici dei pesci. L'acqua passa prima attraverso un filtro meccanico che cattura i rifiuti solidi, e poi passa attraverso un biofiltro che ossida l'ammoniaca in nitrato. L'acqua poi viaggia attraverso le piante coltivano aiuole dove le piante assorbono i nutrienti, e infine l'acqua ritorna, purificata, all'acquario (Figura 2.1). Il biofiltro fornisce un habitat per i batteri per convertire i rifiuti di pesce in nutrienti accessibili per le piante. Questi nutrienti, che vengono sciolti nell'acqua, vengono poi assorbiti dalle piante. Questo processo di rimozione dei nutrienti pulisce l'acqua, impedendo che l'acqua diventi tossica con forme nocive di azoto (ammoniaca e nitrito), e permette ai pesci, alle piante e ai batteri di prosperare simbioticamente. Pertanto, tutti gli organismi lavorano insieme per creare un ambiente di crescita sano l'uno per l'altro, a condizione che il sistema sia adeguatamente bilanciato.

   

   Il ciclo dell'azoto

   Il processo biologico più importante in acquaponica è il processo di nitrificazione, che è una componente essenziale del ciclo complessivo dell'azoto visto in natura. L'azoto (N) è un elemento chimico e un elemento fondamentale per tutte le forme di vita. È presente in tutti gli amminoacidi, che compongono tutte le proteine che sono essenziali per molti

   

   processi biologici per gli animali, quali la regolazione enzimatica, la segnalazione cellulare e la costruzione di strutture. L'azoto è il nutriente inorganico più importante per tutte le piante. L'azoto, sotto forma di gas, è in realtà l'elemento più abbondante presente nell'atmosfera terrestre che ne costituisce circa il 78 per cento, con l'ossigeno solo il 21 per cento. Eppure, nonostante l'azoto sia così abbondante, è presente nell'atmosfera solo come azoto molecolare (N2), che è un triplo legame molto stabile di atomi di azoto ed è inaccessibile alle piante. Pertanto, l'azoto nella sua forma N2 deve essere modificato prima che le piante lo utilizzino per la crescita. Questo processo è chiamato azoto fissazione. Fa parte del ciclo dell'azoto (Figura 2.2), visto in tutta la natura (Figura 2.3). La fissazione dell'azoto è facilitata dai batteri che alterano chimicamente il N2 aggiungendo altri elementi come l'idrogeno o l'ossigeno, creando così nuovi composti chimici come l'ammoniaca (NH3 ) e il nitrato (NO3 -) che le piante possono facilmente utilizzare. Inoltre, l'azoto atmosferico può essere fissato attraverso un processo di produzione ad alta intensità energetica noto come Haber Process, utilizzato per produrre fertilizzanti sintetici.

   L'animale rappresentato nella figura 2.3 produce rifiuti (feci e urina) che sono in gran parte costituiti da ammoniaca (NH3). Altre sostanze organiche in decomposizione presenti in natura, come piante morte o animali, sono suddivise per funghi e gruppi di batteri diversi in ammoniaca. Questa ammoniaca viene metabolizzata da un gruppo specifico di batteri, che è molto importante per l'acquaponica, chiamati batteri nitrificanti. Questi batteri prima convertono l'ammoniaca in composti nitritici (NO2-) e poi infine in composti nitrati (NO3-). Le piante sono in grado di utilizzare sia l'ammoniaca che i nitrati per eseguire i loro processi di crescita, ma i nitrati sono più facilmente assimilabili dalle loro radici.

   

   

   I batteri nitrificanti, che vivono in ambienti diversi come suolo, sabbia, acqua e aria, sono una componente essenziale del processo di nitrificazione che converte i rifiuti vegetali e animali in nutrienti accessibili per le piante. La Figura 2.4 mostra lo stesso processo illustrato nella Figura 2.3, ma include un diagramma di flusso più complesso che mostra tutte le fasi del ciclo dell'azoto.

   

   Questo processo naturale di nitrificazione da parte dei batteri che avviene nel suolo avviene anche in acqua allo stesso modo. Per l'acquaponica, i rifiuti animali sono gli escreti di pesci rilasciati nelle vasche di coltura. Gli stessi batteri nitrificanti che vivono sulla terra si stabiliranno naturalmente anche nell'acqua o su ogni superficie bagnata, convertendo l'ammoniaca dai rifiuti di pesce nel nitrato facilmente assimilabile per le piante. La nitrificazione nei sistemi acquaponici fornisce nutrienti per le piante ed elimina ammoniaca e nitriti tossici (Figura 2.5).

   *Fonte: Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, piccola produzione alimentare acquaponica, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Riprodotto con permesso. *

3. Mantenere una colonia batterica sana

   Original publication 2014 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   I principali parametri che influenzano la crescita dei batteri da considerare quando si mantiene un biofiltro sano sono un'adeguata superficie e condizioni dell'acqua adeguate.

   Superficie

   Le colonie batteriche prospereranno su qualsiasi materiale, come le radici delle piante, lungo le pareti delle vasche di pesce e all'interno di ogni tubo di coltivazione. L'area totale disponibile per questi batteri determinerà la quantità di ammoniaca che sono in grado di metabolizzare. A seconda della biomassa ittica e della progettazione del sistema, le radici delle piante e le pareti delle vasche possono fornire un'area adeguata. I sistemi con elevata densità di stoccaggio dei pesci richiedono un componente separato di biofiltrazione in cui è contenuto un materiale con una superficie elevata, come terreno di crescita inerte - ghiaia, tufo o argilla espansa (Figura 2.7).

   

   pH dell'acqua

   Il pH è come acido o basico è l'acqua. Il livello di pH dell'acqua ha un impatto sull'attività biologica dei batteri nitrificanti e sulla loro capacità di convertire ammoniaca e nitriti (Figura 2.8). Le gamme per i due gruppi nitrificanti di seguito sono state identificate come ideali, ma la letteratura sulla crescita dei batteri suggerisce anche un intervallo di tolleranza molto più ampio (6-8,5) a causa della capacità dei batteri di adattarsi all'ambiente circostante.

   | Batteri nitrificanti | pH ottimale | | — | — | | Nitrosomonas spp. | 7.2-7.8 | | Nitrobatterio spp. | 7.2-8.2 |

   Tuttavia, per l'acquaponica, un intervallo di pH più appropriato è 6-7 perché questo intervallo è migliore per le piante e i pesci (il capitolo 3 discute il compromesso sui parametri di qualità dell'acqua). Inoltre, una perdita di efficienza batterica può essere compensata avendo più batteri, quindi i biofiltri dovrebbero essere dimensionati di conseguenza.

   

   Temperatura dell'acqua

   La temperatura dell'acqua è un parametro importante per i batteri e per l'acquaponica in generale. L'intervallo di temperatura ideale per la crescita e la produttività dei batteri è di 17 -34 °C. Se la temperatura dell'acqua scende sotto i 17 °C, la produttività dei batteri diminuirà. Al di sotto dei 10 °C, la produttività può essere ridotta del 50% o più. Le basse temperature hanno un forte impatto sulla gestione delle unità durante l'inverno (cfr. capitolo 8).

   Ossigeno disciolto

   I batteri nitrificanti necessitano sempre di un adeguato livello di ossigeno disciolto (DO) nell'acqua per mantenere alti livelli di produttività.

   La nitrificazione è una reazione ossidativa, in cui l'ossigeno viene utilizzato come reagente; senza ossigeno, la reazione si arresta. I livelli ottimali di DO sono 4 -8 mg/l. La nitrificazione diminuirà se le concentrazioni di DO scendono al di sotto di 2,0 mg/ litro. Inoltre, senza sufficienti concentrazioni di DO, può crescere un altro tipo di batteri, uno che converte i preziosi nitrati in azoto molecolare inutilizzabile in un processo anaerobico noto come denitrificazione.

   Luce ultravioletta

   I batteri nitrificanti sono organismi fotosensibili, il che significa che la luce ultravioletta (UV) proveniente dal sole è una minaccia. Questo è particolarmente il caso durante la formazione iniziale delle colonie batteriche quando viene istituito un nuovo sistema aquaponico. Una volta che i batteri hanno colonizzato una superficie (3-5 giorni), la luce UV non pone problemi importanti. Un modo semplice per rimuovere questa minaccia è quello di coprire l'acquario e i componenti di filtrazione con materiale protettivo UV, assicurandosi che l'acqua nella componente idroponica sia esposta al sole, almeno fino a quando le colonie batteriche non sono completamente formate.

   I batteri nitrificanti cresceranno su materiali con una superficie elevata (Figura 2.9), protetti con materiale protettivo UV e in condizioni di acqua adeguate (Tabella 2.1).

   

   TABELLA 2.1

   ####### Gamma di tolleranza alla qualità dell'acqua per i batteri nitrificanti

   | | **Temperatura (°C) ** | pH | **Ammoniaca (mg/litro) ** | **Nitrito (mg/litro) ** | **Nitrato (mg/litro) ** | **DO (mg/litro) ** | | — | — | — | — | — | — | — | — | | Intervallo di tolleranza | 17 -34 | 6 -8.5 |\ < 3 |\ < 3 |\ < 400 | 4 -8 |

   *Fonte: Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, piccola produzione alimentare acquaponica, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Riprodotto con permesso. *

4. Il biofiltro

   Original publication 2014 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   I batteri nitrificanti sono vitali per il funzionamento complessivo di un'unità acquaponica. Il capitolo 4 descrive come funziona il componente biofiltro per ciascun metodo aquaponico, e il capitolo 5 descrive i diversi gruppi di batteri che operano in un'unità acquaponica. Nel processo di nitrificazione sono coinvolti due gruppi principali di batteri nitrificanti: 1) i batteri ossidanti ammoniaca (AOB) e 2) i batteri ossidanti nitriti (NOB) (Figura 2.6). Metabolizzano l'ammoniaca nel seguente ordine:

   1. I batteri AOB convertono l'ammoniaca (NH) in nitrito (NO₂-)

   2. I batteri NOB convertono il nitrito (NO₂-) in nitrato (NO-)

   

   Come mostrato nei simboli chimici, l'AOB ossida (aggiunge ossigeno) l'ammoniaca e crea nitrito (NO₂-) e il NOB ossida ulteriormente il nitrito (NO₂-) in nitrato (NO-). Il genere Nitrosomonas è il più comune AOB in acquaponica, e il genere Nitrobacter è il NOB più comune; questi nomi sono frequentemente usati in modo intercambiabile in letteratura e sono utilizzati in questa pubblicazione.

   In sintesi, l'ecosistema all'interno dell'unità acquaponica dipende totalmente dai batteri. Se i batteri non sono presenti o se non funzionano correttamente, le concentrazioni di ammoniaca nell'acqua uccideranno il pesce. È fondamentale mantenere e gestire una colonia batterica sana nel sistema in ogni momento al fine di mantenere i livelli di ammoniaca vicini allo zero.

   *Fonte: Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, piccola produzione alimentare acquaponica, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Riprodotto con permesso. *