Source material

Qualità dell'acqua in acquaponica

1. Manipolazione pH

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

   Esistono metodi semplici per manipolare il pH nelle unità aquaponiche. Nelle regioni con pietra calcarea o calcarea, l'acqua naturale è spesso dura con pH elevato. Pertanto, possono essere necessarie aggiunte periodiche di acido per abbassare il pH. Nelle regioni con fondale vulcanico, l'acqua naturale sarà spesso morbida, con alcalinità molto bassa, indicando la necessità di aggiungere periodicamente una base o un tampone carbonato all'acqua per contrastare l'acidificazione naturale dell'unità acquaponica. Per i sistemi a pioggia sono necessarie anche aggiunte di base e tampone.

   Abbassamento del pH con acido

   L'acqua acquaponica si acidizza naturalmente a causa della nitrificazione e della respirazione. Con pazienza, i livelli di pH spesso diminuiscono fino all'intervallo target.

   Tuttavia, l'aggiunta di acido può essere necessaria se l'acqua sorgente ha un alto KH e un pH elevato, e vi è un alto tasso di evaporazione. In questi casi non comuni ed eccezionali, il volume d'acqua per rifornire il sistema è tale da aumentare significativamente il pH al di sopra degli intervalli ottimali e sopraffare l'acidificazione naturale. L'aggiunta di acido è necessaria anche se la quantità di pesce immagazzinato non è sufficiente a produrre abbastanza rifiuti disciolti per guidare la nitrificazione e l'acidificazione che ne deriva. In questi casi, il rifornimento di acqua si tradurrà in un rifornimento degli agenti tamponanti, carbonati. La produzione di acido naturale non sarà sufficiente per reagire con gli agenti tamponanti e successivamente abbassare il pH. Aggiungere acido solo se l'acqua sorgente è molto dura e di base e se non c'è acqua piovana che può fornire al sistema acqua senza KH per aiutare i batteri nitrificanti ad abbassare naturalmente il pH.

   

   Aggiungere acido a un sistema acquaponico è pericoloso. Il pericolo è che all'inizio l'acido reagisca con i tamponi e non si nota alcuna variazione del pH. Sempre più acido viene aggiunto senza alcun cambiamento di pH, fino a quando finalmente tutti i tamponi hanno reagito e il pH scende drasticamente, causando spesso uno shock terribile e stressante per il sistema. È meglio, se necessario aggiungere acido, trattare un serbatoio di questa acqua di rifornimento con acido e quindi aggiungere l'acqua trattata al sistema (Figura 3.10). Questo elimina il rischio per il sistema se si utilizza troppo acido. L'acido deve sempre essere aggiunto a un volume di acqua di rifornimento e deve essere usata estrema cura per non aggiungere troppo acido al sistema. Se il sistema è progettato con una linea di alimentazione automatica dell'acqua potrebbe essere necessario aggiungere acido direttamente al sistema, ma il pericolo aumenta.

   

   L'acido fosforico (H3PO4) può essere utilizzato per abbassare il pH. L'acido fosforico è un acido relativamente lieve. Può essere trovato in qualità alimentare da negozi di approvvigionamento idroponico o agricolo sotto vari nomi commerciali. Il fosforo è un macronutriente importante per le piante, ma l'uso eccessivo di acido fosforico può portare a concentrazione tossica di fosforo nel sistema. In situazioni con acqua di origine estremamente dura e di base (alto KH, pH elevato), è stato utilizzato acido solforico (H2SO4). Tuttavia, a causa della sua elevata corrosività e del livello di pericolo ancora più elevato, il suo uso non è raccomandato ai principianti. L'acido nitrico (HNO3) è stato utilizzato anche come acido relativamente neutro. L'acido citrico, mentre è tentato di usare, è antimicrobico e può uccidere i batteri nel biofiltro; l'acido citrico non deve essere usato.

   Gli acidi concentrati sono pericolosi, sia per il sistema che per l'operatore. Devono essere utilizzate adeguate precauzioni di sicurezza, compresi occhiali di sicurezza e guanti (figura 3.11). Non aggiungere mai acqua all'acido, aggiungere sempre acido all'acqua.

   Aumento del pH con buffer o basi

   

   Se il livello di pH scende sotto 6,0, è necessario aggiungere una base e/o aumentare la durezza carbonatica. Le basi comunemente utilizzate sono l'idrossido di potassio (KOH) e l'idrossido di calcio (Ca (OH)2). Queste basi sono forti e vanno aggiunte allo stesso modo degli acidi; cambiano sempre il pH lentamente. Tuttavia, una soluzione più sicura e più semplice consiste nell'aggiungere carbonato di calcio (CaCo3) o carbonato di potassio (K2CO3), che aumenterà sia il KH che il pH. Ci sono molte fonti naturali e poco costose di carbonato di calcio che possono essere aggiunte al sistema. Alcuni di questi includono gusci d'uovo schiacciati, conchiglie finemente tritate, grana calcarea grossolana e gesso frantumato. Il metodo consigliato consiste nel mettere il materiale in un sacchetto poroso sospeso nel serbatoio della coppa (Figura 3.12). Continuare a testare il pH nelle prossime settimane per monitorare l'aumento del pH. Rimuovere il sacchetto se il pH aumenta sopra 7. In alternativa, aggiungere 2-3 manciate di questi materiali per 1 000 litri direttamente nei letti multimediali o nei componenti del biofiltro. Se si utilizzano conchiglie, assicurarsi di sciacquare via il sale residuo prima di aggiungere al sistema. La scelta delle basi e dei tamponi può essere guidata anche dal tipo di piante che crescono nel sistema, poiché ciascuno di questi composti aggiunge un importante macronutriente. Gli ortaggi a foglia foglia possono essere favoriti dalle basi di calcio per evitare ustioni di punta sulle foglie; mentre il potassio è ottimale nelle piante da frutto per favorire la fioritura, l'impostazione della frutta e la maturazione ottimale.

   Il bicarbonato di sodio (bicarbonato di sodio) è spesso usato per aumentare la durezza carbonatica nei RASS, ma non dovrebbe mai essere usato in acquaponica a causa del conseguente aumento di sodio, che è dannoso per le piante.

   *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. Altri componenti principali della qualità dell'acqua: alghe e parassiti

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

   Attività fotosintetica delle alghe

   La crescita fotosintetica e l'attività delle alghe nelle unità acquaponiche influenzano i parametri di qualità dell'acqua dei livelli di pH, DO e azoto. Le alghe sono una classe di organismi fotosintetici simili alle piante e cresceranno facilmente in qualsiasi corpo d'acqua ricco di sostanze nutritive ed esposto alla luce solare. Alcune alghe sono organismi microscopici monocellulari chiamati fitoplancton, che possono colorare il verde dell'acqua (Figura 3.8). Le macroalghe sono molto più grandi, formando comunemente stuoie filamentose attaccate al fondo e ai lati dei serbatoi (Figura 3.9).

   

   Per l'acquaponica, è importante prevenire la crescita delle alghe perché sono problematiche per diversi motivi. In primo luogo, consumeranno i nutrienti nell'acqua e competeranno con le verdure bersaglio. Inoltre, le alghe agiscono sia come fonte che come dissipatore di DO, producendo ossigeno durante il giorno attraverso la fotosintesi e consumando ossigeno di notte durante la respirazione. Possono ridurre drasticamente i livelli di DO nell'acqua durante la notte, causando la morte dei pesci. Questa produzione e il consumo di ossigeno è legato alla produzione e al consumo di anidride carbonica, che provoca cambiamenti giornalieri di pH poiché l'acido carbonico viene rimosso (diurno - pH dell'acqua più alto) o restituito (notte - pH dell'acqua inferiore) al sistema. Infine, le alghe filamentose possono ostruire gli scarichi e bloccare i filtri all'interno dell'unità, causando problemi di circolazione dell'acqua. Le alghe filamentose brune possono anche crescere sulle radici delle piante idroponiche, specialmente nella coltura delle acque profonde, e influiscono negativamente sulla crescita delle piante. Tuttavia, alcune operazioni di acquacoltura beneficiano notevolmente della coltura di alghe per mangimi, denominate colture di acqua verde, tra cui l'allevamento di tilapia, la coltura di gamberetti e la produzione di biodiesel, ma questi argomenti non sono direttamente correlati all'acquaponica e non sono discussi qui.

   Prevenire le alghe è relativamente facile. Tutte le superfici dell'acqua devono essere ombreggiate. Per coprire vasche di pesci e biofiltri, è necessario utilizzare un panno per ombreggiatura, teloni, fronde di palma intrecciate o coperchi di plastica in modo tale che l'acqua non sia a diretto contatto con la luce solare. Ciò inibirà la fioritura delle alghe nell'unità.

   Parassiti, batteri e altri piccoli organismi che vivono nell'acqua

   L'acquaponica è un ecosistema composto principalmente da pesci, batteri nitrificanti e piante. Tuttavia, nel tempo, ci possono essere molti altri organismi che contribuiscono a questo ecosistema. Alcuni di questi organismi con essere utile, come lombrichi, e facilitare la decomposizione dei rifiuti di pesce. Altri sono benigni, non aiutano né danneggiano il sistema, come vari crostacei, che vivono nei biofiltri. Altre sono minacce; parassiti, parassiti e batteri sono impossibili da evitare completamente perché l'acquaponica non è uno sforzo sterile. La migliore prassi di gestione per evitare che queste piccole minacce diventino infestazioni pericolose è quella di coltivare pesci e piante sani e privi di stress garantendo condizioni aerobiche altamente accessibili a tutti i nutrienti essenziali. In questo modo, gli organismi possono evitare infezioni o malattie utilizzando il proprio sistema immunitario sano. I capitoli 6 e 7 discutono della gestione aggiuntiva delle malattie dei pesci e delle piante, mentre il capitolo 8 riguarda la sicurezza alimentare e altre biominacce in modo più dettagliato.

   *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. Fonti di acqua acquaponica

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

   In media, un sistema acquaponico utilizza 1-3 per cento del volume totale di acqua al giorno, a seconda del tipo di piante coltivate e della posizione. L'acqua viene utilizzata dalle piante attraverso l'evapotraspirazione naturale e viene trattenuta all'interno dei tessuti vegetali. L'acqua aggiuntiva viene persa dall'evaporazione diretta e dagli spruzzi. Come tale, l'unità dovrà essere reintegrata periodicamente. La fonte d'acqua utilizzata avrà un impatto sulla chimica dell'acqua dell'unità. Di seguito è riportata una descrizione di alcune fonti d'acqua comuni e della composizione chimica comune di tale acqua. Le nuove fonti d'acqua devono essere sempre testate per rilevare pH, durezza, salinità, cloro e per eventuali sostanze inquinanti, al fine di garantire che l'acqua sia sicura da usare.

   Qui è importante considerare un ulteriore parametro di qualità dell'acqua: salinità. La salinità indica la concentrazione di sali nell'acqua, che includono sale da cucina (cloruro di sodio - NaCl), così come nutrienti vegetali, che sono in realtà sali. I livelli di salinità avranno un grande impatto nel decidere quale acqua usare perché l'alta salinità può influire negativamente sulla produzione vegetale, soprattutto se è di origine cloruro di sodio, poiché il sodio è tossico per le piante. La salinità dell'acqua può essere misurata con un misuratore di conducibilità elettrica (EC), un misuratore di solidi disciolti totali (TDS), un rifrattometro o un idrometro o gli operatori possono fare riferimento ai rapporti governativi locali sulla qualità dell'acqua. La salinità è misurata come conducibilità, o quanta elettricità passerà attraverso l'acqua, come unità di microSiemens per centimetro (µS/cm), o in TDS come parti per mille (ppt) o parti per milione (ppm o mg/litro). Per riferimento, l'acqua di mare ha una conduttività di 50 000 µS/ cm e TDS di 35 ppt (35 000 ppm). Anche se l'impatto della salinità sulla crescita delle piante varia notevolmente da una pianta all'altra (punto 9.4.2, appendice 1), si raccomanda di utilizzare fonti di acqua a bassa salinità. La salinità, generalmente, è troppo alta se l'acqua di approvvigionamento ha una conducibilità superiore a 1 500 µS/cm o una concentrazione di TDS superiore a 800 ppm. Sebbene i contatori EC e TDS siano comunemente usati per l'idroponica per misurare la quantità totale di sali nutritivi nell'acqua, questi contatori non forniscono una lettura precisa dei livelli di nitrati, che possono essere meglio monitorati con kit di test di azoto.

   Acqua piovana

   L'acqua piovana raccolta è un'eccellente fonte di acqua per l'acquaponica. L'acqua di solito avrà un pH neutro e concentrazioni molto basse di entrambi i tipi di durezza (KH e GH) e quasi zero salinità, che è ottimale per ricostituire il sistema ed evitare accumuli di salinità a lungo termine. Tuttavia, in alcune zone colpite da piogge acide, come registrato in diverse località dell'Europa orientale, degli Stati Uniti orientali e delle aree del sud-est asiatico, l'acqua piovana avrà un pH acido. In generale, è buona norma tamponare l'acqua piovana e aumentare il KH come indicato al punto 3.5.2. Inoltre, la raccolta dell'acqua piovana ridurrà i costi generali di gestione dell'unità ed è più sostenibile.

   Acqua della cisterna o della falda acquifera

   La qualità dell'acqua prelevata da pozzi o cisterne dipenderà in gran parte dal materiale della cisterna e dalla roccia della falda acquifera. Se la roccia è calcarea, allora l'acqua avrà probabilmente concentrazioni piuttosto elevate di durezza, che possono avere un impatto sul pH dell'acqua. La durezza dell'acqua non è un problema importante in acquaponica, perché l'alcalinità è naturalmente consumata dall'acido nitrico prodotto dai batteri nitrificanti. Tuttavia, se i livelli di durezza sono molto elevati e la nitrificazione è minima a causa della piccola biomassa ittica, allora l'acqua può rimanere leggermente basica (pH 7-8) e resistere alla naturale tendenza dei sistemi aquaponici a diventare acida attraverso il ciclo di nitrificazione e la respirazione dei pesci. In questo caso, potrebbe essere necessario utilizzare piccolissime quantità di acido per ridurre l'alcalinità prima di aggiungere l'acqua al sistema per evitare oscillazioni di pH all'interno del sistema. Le falde acquifere sulle isole coralline spesso hanno intrusioni di acqua salata nella lente d'acqua dolce e possono avere livelli di salinità troppo elevati per l'acquaponica, quindi è necessario monitorare e la raccolta dell'acqua piovana o la filtrazione ad osmosi inversa possono essere opzioni migliori.

   Rubinetto o acqua comunale

   L'acqua proveniente dalle forniture comunali viene spesso trattata con sostanze chimiche diverse per rimuovere gli agenti patogeni. Le sostanze chimiche più comuni utilizzate per il trattamento delle acque sono il cloro e le clorammine. Queste sostanze chimiche sono tossiche per pesci, piante e batteri; queste sostanze chimiche sono utilizzate per uccidere i batteri nell'acqua e come tali sono dannose per la salute dell'ecosistema acquaponico generale. Sono disponibili kit per il test del cloro e, se vengono rilevati livelli elevati di cloro, l'acqua deve essere trattata prima di essere utilizzata. Il metodo più semplice è conservare l'acqua prima dell'uso, consentendo così a tutto il cloro di disperdersi nell'atmosfera. Questo può richiedere fino a 48 ore, ma può verificarsi più velocemente se l'acqua è pesantemente aerata con pietre d'aria. Le clorammine sono più stabili e non scaricano il gas così facilmente. Se il comune utilizza clorammine, può essere necessario utilizzare tecniche di trattamento chimico come la filtrazione del carbone o altre sostanze chimiche di declorazione. Anche così, lo scarico di gas è di solito sufficiente nelle unità su piccola scala che utilizzano acqua comunale. Una buona linea guida è quella di non sostituire mai più del 10% dell'acqua senza prima testare e rimuovere il cloro. Inoltre, la qualità dell'acqua dipenderà dalla roccia in cui l'acqua iniziale viene ottenuta. Controllare sempre nuove fonti di acqua per rilevare livelli di durezza e pH, e utilizzare acido se necessario e necessario per mantenere il pH entro i livelli ottimali sopra indicati.

   Acqua filtrata

   A seconda del tipo di filtrazione (ad es. osmosi inversa o filtraggio a carbone), l'acqua filtrata avrà la maggior parte dei metalli e degli ioni rimossi, rendendo l'acqua molto sicura da usare e relativamente facile da manipolare. Tuttavia, come l'acqua piovana, l'acqua deionizzata da osmosi inversa avrà bassi livelli di durezza e dovrebbe essere tamponata.

   *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. I cinque parametri più importanti della qualità dell'acqua

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

   Ossigeno

   L'ossigeno è essenziale per tutti e tre gli organismi coinvolti nell'acquaponica; le piante, i pesci e i batteri nitrificanti hanno bisogno di ossigeno per vivere. Il livello DO descrive la quantità di ossigeno molecolare all'interno dell'acqua ed è misurata in milligrammi per litro. È il parametro di qualità dell'acqua che ha l'effetto più immediato e drastico sull'acquaponica. Infatti, i pesci possono morire entro poche ore se esposti a bassa DO all'interno delle vasche. Pertanto, garantire livelli di DO adeguati è fondamentale per l'acquaponica. Anche se il monitoraggio dei livelli DO è molto importante, può essere difficile perché i dispositivi di misura DO accurati possono essere molto costosi o difficili da trovare. Spesso è sufficiente che le unità su piccola scala facciano affidamento sul frequente monitoraggio del comportamento dei pesci e della crescita delle piante, assicurando che le pompe di acqua e aria circolino costantemente e aerino l'acqua.

   L'ossigeno si dissolve direttamente nella superficie dell'acqua dall'atmosfera. In condizioni naturali, i pesci possono sopravvivere in tali acque, ma nei sistemi di produzione intensiva con densità di pesce più elevate, questa quantità di diffusione DO è insufficiente per soddisfare le esigenze di pesci, piante e batteri. Pertanto, il DO deve essere integrato attraverso strategie di gestione. Le due strategie per l'acquaponica su piccola scala consistono nell'utilizzare pompe dell'acqua per creare un flusso dinamico dell'acqua e nell'utilizzare aeratori che producono bolle d'aria nell'acqua. Il movimento e l'aerazione dell'acqua sono aspetti critici di ogni unità acquaponica, e la loro importanza non può essere troppo stressata. Questi argomenti, compresi i metodi di progettazione e di ridondanza, sono discussi ulteriormente nel capitolo 4. I livelli ottimali di DO per ogni organismo a prosperare sono 5-8 mg/l (Figura 3.3). Alcune specie di pesci, tra cui la carpa e la tilapia, possono tollerare livelli di DO fino a 2-3 mg/l, ma è molto più sicuro avere livelli più elevati per l'acquaponica, poiché tutti e tre gli organismi richiedono l'uso del DO nell'acqua.

   

   Temperatura dell'acqua e DO hanno una relazione unica che può influenzare la produzione alimentare acquaponica. Man mano che la temperatura dell'acqua aumenta, la solubilità dell'ossigeno diminuisce. In un altro modo, la capacità dell'acqua di tenere DO diminuisce man mano che la temperatura aumenta; l'acqua calda tiene

   meno ossigeno rispetto all'acqua fredda (Figura 3.4). Pertanto, si raccomanda di aumentare l'aerazione con pompe d'aria in luoghi caldi o nei periodi più caldi dell'anno, soprattutto se si allevano pesci delicati.

   

   pH

   

   Una conoscenza generale del pH è utile per la gestione dei sistemi aquaponici. Il pH di una soluzione è una misura di come acida o di base la soluzione è su una scala che va da 1 a 14. Un pH di 7 è neutro; qualsiasi cosa al di sotto di 7 è acido, mentre qualsiasi cosa superiore a 7 è di base. Il termine pH è definito come la quantità di ioni idrogeno (H+) in una soluzione; più ioni idrogeno, più acidi.

   Nella Figura 3.5 sono illustrati due aspetti importanti della scala del pH.

   • La scala del pH è negativa; un pH di 7 ha meno ioni idrogeno rispetto a un pH di 6.

   • La scala del pH è logaritmica; un pH di 7 ha 10 volte meno ioni idrogeno di un pH di 6, 100 volte meno di un pH di 5 e 1 000 volte meno di un pH di 4.

   Ad esempio, se il pH di un'unità acquaponica viene registrato come 7 e successivamente il valore viene registrato come 8, l'acqua ora ha dieci volte meno ioni H+ liberamente associati perché la scala è negativa e logaritmica. È importante essere consapevoli della natura logaritmica della scala del pH perché non è necessariamente intuitiva. Per l'esempio precedente, se una lettura successiva mostrasse che il pH è 9, il problema sarebbe 100 volte peggiore, e quindi ipercritico, invece di essere solo due volte peggio.

   Importanza del pH

   Il pH dell'acqua ha un grande impatto su tutti gli aspetti dell'acquaponica, in particolare su piante e batteri. Per le piante, il pH controlla l'accesso delle piante a micro e macronutrienti. Con un pH di 6,0-6.5, tutti i nutrienti sono prontamente disponibili, ma al di fuori di questo intervallo i nutrienti diventano difficili per le piante da accedere. Infatti, un pH di 7,5 può portare a carenze nutritive di ferro, fosforo e manganese. Questo fenomeno è noto come blocco dei nutrienti ed è discusso nel capitolo 6.

   I batteri nitrificanti hanno difficoltà al di sotto di un pH di 6, e la capacità del batterio di convertire l'ammoniaca in nitrato si riduce in condizioni acide e di pH basso. Ciò può portare a una ridotta biofiltrazione, e di conseguenza i batteri diminuiscono la conversione dell'ammoniaca in nitrato, e i livelli di ammoniaca possono iniziare ad aumentare, portando ad un sistema squilibrato stressante per gli altri organismi.

   Anche i pesci hanno intervalli di tolleranza specifici per il pH, ma la maggior parte dei pesci utilizzati in acquaponica ha un intervallo di tolleranza del pH di 6,0-8,5. Tuttavia, il pH influisce sulla tossicità dell'ammoniaca per i pesci, con un pH più elevato che porta a una maggiore tossicità. Questo concetto è discusso più approfonditamente nella sezione 3.4. In conclusione, l'acqua acquaponica ideale è leggermente acida, con un intervallo di pH ottimale di 6-7. Questa gamma manterrà i batteri funzionanti ad alta capacità, consentendo alle piante il pieno accesso a tutti i micro e macronutrienti essenziali. I valori di pH compresi tra 5,5 e 7,5 richiedono attenzione alla gestione e manipolazione attraverso mezzi lenti e misurati, discussi nella sezione 3.5 e nel capitolo 6. Tuttavia, un pH inferiore a 5 o superiore a 8 può diventare rapidamente un problema critico per l'intero ecosistema e quindi è necessaria un'attenzione immediata.

   Ci sono molti processi biologici e chimici che hanno luogo in un sistema acquaponico che influenzano il pH dell'acqua, alcuni più significativamente di altri, tra cui: il processo di nitrificazione, la densità di stoccaggio dei pesci e il fitoplancton.

   Il processo di nitrificazione

   Il processo di nitrificazione dei batteri abbassa naturalmente il pH di un sistema acquaponico. Le basse concentrazioni di acido nitrico sono prodotte dal processo di nitrificazione in quanto i batteri liberano gli ioni idrogeno durante la conversione dell'ammoniaca in nitrato. Nel corso del tempo, il sistema aquaponico diventerà gradualmente più acido principalmente a causa di questa attività batterica.

   Densità di calza di pesce

   La respirazione, o respirazione, del pesce rilascia anidride carbonica (CO2) nell'acqua. Questo anidride carbonica riduce il pH perché l'anidride carbonica si trasforma naturalmente in acido carbonico (H2CO3) a contatto con l'acqua. Maggiore è la densità di allevamento del pesce dell'unità, maggiore sarà il rilascio di anidride carbonica, abbassando quindi il livello complessivo di pH. Questo effetto aumenta quando i pesci sono più attivi, ad esempio a temperature più calde.

   Fitoplancton

   La respirazione da parte dei pesci abbassa il pH rilasciando anidride carbonica nell'acqua; al contrario, la fotosintesi di plancton, alghe e piante acquatiche rimuove l'anidride carbonica dall'acqua e aumenta il pH. L'effetto delle alghe sul pH segue uno schema giornaliero, in cui il pH aumenta durante il giorno mentre le piante acquatiche fotosintetizzano e rimuovono l'acido carbonico, e poi cade durante la notte mentre le piante respira e rilasciano acido carbonico. Pertanto, il pH è al minimo all'alba e al massimo al tramonto. Nei sistemi RAS standard o acquaponici, i livelli di fitoplancton sono generalmente bassi e, pertanto, il ciclo di pH giornaliero non è influenzato. Tuttavia, alcune tecniche di acquacoltura, come l'acquacoltura da laghetto e alcune tecniche di allevamento dei pesci, utilizzano deliberatamente il fitoplancton, quindi il tempo di monitoraggio dovrebbe essere scelto con saggezza.

   Temperatura

   La temperatura dell'acqua influisce su tutti gli aspetti dei sistemi aquaponici. Nel complesso, un intervallo generale di compromesso è 18-30 °C. La temperatura ha un effetto sul DO e sulla tossicità (ionizzazione) dell'ammoniaca; le alte temperature hanno meno DO e più ammoniaca unionizzata (tossica). Inoltre, le alte temperature possono limitare l'assorbimento del calcio nelle piante. La combinazione di pesce e piante dovrebbe essere scelta in modo che corrisponda alla temperatura ambiente per la posizione del sistema, e cambiare la temperatura dell'acqua può essere molto energetico-costoso. Pesci d'acqua calda (ad esempio tilapia, carpa comune, pesce gatto) e batteri nitrificanti prosperano a temperature dell'acqua più alte di 22-29 °C, così come alcune verdure popolari come okra, cavoli asiatici e basilico. Al contrario, alcune verdure comuni come lattuga, bietole e cetrioli svizzeri crescono meglio a temperature più fredde di 18-26 °C, e i pesci d'acqua fredda come la trota non tollerano temperature superiori a 18 °C. Per maggiori informazioni sugli intervalli di temperatura ottimali per singole piante e pesci, vedere i capitoli 6 e 7 sulla produzione di piante e pesce, rispettivamente, e l'appendice 1 per le principali informazioni sulla coltivazione su 12 ortaggi popolari.

   Anche se è meglio scegliere piante e pesci già adattati al clima locale, esistono tecniche di gestione che possono ridurre al minimo le fluttuazioni di temperatura e prolungare la stagione di crescita. I sistemi sono anche più produttivi se le fluttuazioni di temperatura giornaliere, da giorno a notte sono minime. Pertanto, la superficie dell'acqua stessa, in tutti gli acquari, le unità idroponiche e i biofiltri, dovrebbe essere protetta dal sole utilizzando strutture ombreggianti. Allo stesso modo, l'unità può essere protetta termicamente utilizzando l'isolamento contro temperature notturne fredde ovunque si verifichino. In alternativa, esistono metodi per riscaldare passivamente le unità acquaponiche utilizzando serre o energia solare con tubi agricoli a spirale, che sono più utili quando le temperature sono inferiori a 15 °C; questi metodi sono descritti più dettagliatamente nei capitoli 4 e 9.

   È inoltre possibile adottare una strategia di produzione ittica per far fronte alle differenze di temperatura tra l'inverno e l'estate, in particolare se la stagione invernale ha temperature medie inferiori a 15 °C per più di tre mesi. In generale, questo significa che i pesci e le piante adattati al freddo vengono coltivati durante l'inverno, e il sistema viene modificato in pesci e piante di acqua calda man mano che le temperature salgono di nuovo in primavera. Se questi metodi non sono fattibili durante le fredde stagioni invernali, è anche possibile semplicemente raccogliere i pesci e le piante all'inizio dell'inverno e spegnere i sistemi fino alla primavera. Durante le stagioni estive con temperature estremamente calde (superiori a 35 °C), è essenziale selezionare i pesci e le piante da coltivare (cfr. capitoli 6 e 7) e ombreggiare tutti i contenitori e lo spazio di coltivazione delle piante.

   Azoto totale: ammoniaca, nitrito, nitrato

   L'azoto è il quarto parametro fondamentale della qualità dell'acqua. È richiesto da tutta la vita e parte di tutte le proteine. L'azoto entra originariamente in un sistema acquaponico dal mangime per pesci, solitamente etichettato come proteina grezza e misurato in percentuale. Alcune di queste proteine sono utilizzate dai pesci per la crescita, e il resto viene rilasciato dal pesce come scarto. Questi rifiuti sono principalmente sotto forma di ammoniaca (NH3) e vengono rilasciati attraverso le branchie e sotto forma di urina. Vengono inoltre rilasciati rifiuti solidi, alcuni dei quali vengono convertiti in ammoniaca mediante attività microbica. Questa ammoniaca viene poi nitrificata dai batteri, discussa nel paragrafo 2.1, e convertita in nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-). I rifiuti azotati sono velenosi per i pesci a determinate concentrazioni, sebbene l'ammoniaca e il nitrito siano circa 100 volte più velenosi dei nitrati. Sebbene tossici per i pesci, i composti azotati sono nutrienti per le piante, e in effetti sono la componente fondamentale dei fertilizzanti vegetali. Tutte e tre le forme di azoto (NH3, NO2- e NO3- ) possono essere utilizzate dalle piante, ma il nitrato è di gran lunga la più accessibile. In un'unità acquaponica pienamente funzionante con adeguata biofiltrazione, i livelli di ammoniaca e nitriti devono essere vicini allo zero, o al massimo 0,25-1,0 mg/l. I batteri presenti nel biofiltro dovrebbero convertire quasi tutta l'ammoniaca e il nitrito in nitrato prima che possa verificarsi qualsiasi accumulo.

   Impatti di alta ammoniaca

   L'ammoniaca è tossica per i pesci. Tilapia e carpa possono mostrare sintomi di avvelenamento da ammoniaca a livelli fino a 1,0 mg/l. L'esposizione prolungata a questo livello o superiore causerà danni al sistema nervoso centrale e alle branchie dei pesci, con conseguente perdita di equilibrio, alterazione della respirazione e convulsioni. Il danno alle branchie, spesso evidenziato da colorazione rossa e infiammazione delle branchie, limiterà il corretto funzionamento di altri processi fisiologici, portando ad un sistema immunitario soppresso ed eventuale morte. Altri sintomi includono striature rosse sul corpo, letargia e ansiosi in superficie per l'aria. A livelli più elevati di ammoniaca, gli effetti sono immediati e numerosi decessi possono verificarsi rapidamente. Tuttavia, livelli più bassi per un lungo periodo possono ancora causare stress sui pesci, aumento dell'incidenza delle malattie e maggiore perdita di pesce.

   Come discusso sopra, la tossicità dell'ammoniaca dipende in realtà sia dal pH che dalla temperatura, dove il pH più alto e la temperatura dell'acqua rendono l'ammoniaca più tossica. Chimicamente, l'ammoniaca può esistere in due forme in acqua, ionizzata e unionizzata. Insieme, queste due forme insieme sono chiamate azoto ammoniacale totale (TAN), e i kit di prova dell'acqua non sono in grado di distinguere tra i due. In condizioni acide, l'ammoniaca si lega agli ioni idrogeno in eccesso (basso pH significa un'alta concentrazione di H+) e diventa meno tossica. Questa forma ionizzata è chiamata ammonio. Tuttavia, in condizioni di base (pH elevato, superiore a 7), non ci sono abbastanza ioni idrogeno e l'ammoniaca rimane nel suo stato più tossico, e anche bassi livelli di ammoniaca possono essere molto stressanti per i pesci. Questo problema è esacerbato in condizioni di acqua calda.

   L'attività dei batteri nitrificanti diminuisce drasticamente ad alti livelli di ammoniaca. L'ammoniaca può essere utilizzata come agente antibatterico, e a livelli superiori a 4 mg/l inibisce e riduce drasticamente l'efficacia dei batteri nitrificanti. Ciò può comportare una situazione esponenzialmente deteriorata quando un biofiltro sottodimensionato è sopraffatto dall'ammoniaca, i batteri muoiono e l'ammoniaca aumenta ancora di più.

   Impatti di nitrito elevato

   Il nitrito è tossico per i pesci. Analogamente all'ammoniaca, possono sorgere problemi di salute dei pesci con concentrazioni fino a 0,25 mg/l. Alti livelli di NO2- possono immediatamente portare a rapide morti di pesci. Anche in questo caso, anche livelli bassi per un periodo prolungato possono comportare un aumento dello stress dei pesci, delle malattie e della morte.

   Livelli tossici di NO2- impediscono il trasporto di ossigeno all'interno del flusso sanguigno dei pesci, che fa sì che il sangue diventi un colore marrone cioccolato ed è talvolta noto come «malattia del sangue marrone». Questo effetto può essere visto anche nelle branchie di pesci. I pesci colpiti presentano sintomi simili all'avvelenamento da ammoniaca, in particolare nei casi in cui i pesci sembrano essere privi di ossigeno, visti ansiosi in superficie anche in acqua con un'alta concentrazione di DO. La salute dei pesci è trattata in modo più dettagliato nel capitolo 7.

   Impatti di nitrato elevato

   Il nitrato è molto meno tossico rispetto alle altre forme di azoto. È la forma più accessibile di azoto per le piante, e la produzione di nitrato è l'obiettivo del biofiltro. I pesci possono tollerare livelli fino a 300 mg/l, mentre alcuni pesci tollerano livelli fino a 400 mg/l. Livelli elevati (\ > 250 mg/l) avranno un impatto negativo sulle piante, determinando un'eccessiva crescita vegetativa e un pericoloso accumulo di nitrati nelle foglie, pericoloso per la salute umana. Si raccomanda di mantenere i livelli di nitrati a 5-150 mg/l e di scambiare acqua quando i livelli diventano più elevati.

   Durezza dell'acqua

   Il parametro finale della qualità dell'acqua è la durezza dell'acqua. Esistono due tipi principali di durezza: durezza generale (GH) e durezza carbonatica (KH). La durezza generale è una misura degli ioni positivi nell'acqua. La durezza carbonatica, nota anche come alcalinità, è una misura della capacità tampone dell'acqua. Il primo tipo di durezza non ha un impatto significativo sul processo aquaponico, ma KH ha un rapporto unico con il pH che merita ulteriori spiegazioni.

   Durezza generale

   La durezza generale è essenzialmente la quantità di ioni di calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+) e, in misura minore, ferro (Fe+) presenti nell'acqua. Esso è misurato in parti per milione (equivalente a milligrammi per litro). Alte concentrazioni di GH si trovano in fonti d'acqua come falde acquifere calcaree e/o letti fluviali, poiché il calcare è essenzialmente composto da carbonato di calcio (CaCo3). Sia gli ioni Ca2+ che Mg 2+ sono nutrienti essenziali delle piante e vengono assorbiti dalle piante man mano che l'acqua scorre attraverso i componenti idroponici. L'acqua piovana ha una bassa durezza dell'acqua perché questi ioni non si trovano nell'atmosfera. L'acqua dura può essere una fonte utile di micronutrienti per l'acquaponica e non ha effetti sulla salute sugli organismi. Infatti, la presenza di calcio nell'acqua può impedire ai pesci di perdere altri sali e portare a uno stock più sano.

   Durezza carbonatica o alcalinità

   La durezza carbonatica è la quantità totale di carbonati (CO32-) e bicarbonati (HCO3-) disciolti in acqua. Si misura anche in milligrammi di CaCo3 per litro.

   In generale, si ritiene che l'acqua abbia un elevato KH a livelli di 121-180 mg/l. L'acqua proveniente da pozzi di roccia calcarea ha normalmente un'elevata durezza carbonatica di circa 150-180 mg/l.

   La durezza carbonatica in acqua ha un impatto sul livello di pH. In poche parole, KH agisce come un buffer (o una resistenza) all'abbassamento del pH. Il carbonato e il bicarbonato presenti nell'acqua si legano agli ioni H+ rilasciati da qualsiasi acido, rimuovendo così questi ioni H+ liberi dall'acqua. Pertanto, il pH rimarrà costante anche quando nuovi ioni H+ dall'acido vengono aggiunti all'acqua. Questo buffer KH è importante, perché i rapidi cambiamenti del pH sono stressanti per l'intero ecosistema aquaponico. Il processo di nitrificazione genera acido nitrico (HNO3), come discusso nella sezione 3.2.2, che viene dissociato in acqua nei suoi due componenti, ioni idrogeno (H+) e nitrato (NO3-), con questi ultimi utilizzati come fonte di nutrienti per le piante. Tuttavia, con un adeguato KH l'acqua non diventa più acida. Se nell'acqua non fossero presenti carbonati e bicarbonati, il pH diminuirebbe rapidamente nell'unità acquaponica. Maggiore è la concentrazione di KH nell'acqua, più a lungo fungerà da tampone per il pH per mantenere stabile il sistema contro l'acidificazione causata dal processo di nitrificazione.

   La sezione successiva descrive questo processo in modo più dettagliato. Si tratta di un processo piuttosto complicato, ma è importante capire per i praticanti acquaponici (o altre culture senza suolo) dove l'acqua disponibile è naturalmente molto dura (cosa che normalmente accade nelle regioni con pietra calcarea o gesso), poiché la manipolazione del pH diventerà una parte vitale della gestione delle unità. La sezione 3.5 contiene tecniche specifiche di manipolazione del pH. Il riassunto che segue la descrizione estesa elencherà ciò che è essenziale per tutti i praticanti conoscere in merito alla durezza.

   Come accennato in precedenza, la nitrificazione costante in un'unità acquaponica produce acido nitrico e aumenta il numero di ioniH+ , che ridurrebbe il pH nell'acqua. Se non sono presenti carbonati o bicarbonati per tamponare gli ioni H+ nell'acqua, il pH diminuirà rapidamente man mano che più ioniH+ vengono aggiunti nell'acqua. I carbonati e i bicarbonati, come mostrato nella figura 3.6, legano gli ioni idrogeno (H+) rilasciati dall'acido nitrico e mantengono un pH costante bilanciando l'eccedenza di H+con la produzione di acido carbonico, che è un acido molto debole. Gli ioniH+ rimangono legati al composto e non sono liberi nell'acqua. La figura 3.7 mostra più dettagliatamente il processo di incollaggio che si verifica con l'acido nitrico.

   

   

   Per l'acquaponica è essenziale che una certa concentrazione di KH sia sempre presente nell'acqua, in quanto può neutralizzare gli acidi creati naturalmente e mantenere costante il pH. Senza un adeguato KH, l'unità potrebbe essere sottoposta a rapidi cambiamenti di pH che avrebbero ripercussioni negative sull'intero sistema, in particolare sui pesci. Tuttavia, KH è presente in molte fonti d'acqua. Rifornimento dell'unità con acqua da queste fonti riempirà anche i livelli di KH. Tuttavia, l'acqua piovana è bassa in KH, e nei sistemi piovosi è utile aggiungere fonti esterne di carbonato, come spiegato di seguito.

   Riepilogo dei punti essenziali sulla durezza

   La durezza generale (GH) è la misurazione degli ioni positivi, in particolare del calcio e del magnesio.

   La durezza carbonata (KH) misura la concentrazione di carbonati e bicarbonati che tamponano il pH (creano resistenza al cambiamento del pH). La durezza può essere classificata lungo la scala di durezza dell'acqua come illustrato di seguito:

   Il livello ottimale di entrambi i tipi di durezza per l'acquaponica è di circa 60-140 mg/l. Non è fondamentale controllare i livelli nell'unità, ma è importante che l'acqua utilizzata per ricostituire l'unità abbia adeguate concentrazioni di KH per continuare a neutralizzare l'acido nitrico prodotto durante il processo di nitrificazione e tamponare il pH al suo livello ottimale (6-7).

   | Classificazione della durezza dell'acqua | mg/litri | | — | — | | morbido | 0-60 mg/litro | | moderatamente duro | 60-120 mg/litro | | duro | 120-180 mg/litro | | molto duro |\ > 180 mg/litro |

   *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. *

5. Test dell'acqua

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

   Al fine di mantenere una buona qualità dell'acqua nelle unità acquaponiche, si consiglia di eseguire test dell'acqua una volta alla settimana per assicurarsi che tutti i parametri siano entro i livelli ottimali. Tuttavia, le unità acquaponiche mature e stagionate avranno una chimica costante dell'acqua e non dovranno essere testate altrettanto spesso. In questi casi è necessaria la prova dell'acqua solo se si sospetta un problema. Inoltre, il monitoraggio quotidiano della salute dei pesci e delle piante che crescono nell'unità indicherà se qualcosa non va, anche se questo metodo non sostituisce i test delle acque.

   

   L'accesso a semplici test dell'acqua è fortemente raccomandato per ogni unità acquaponica. I kit di prova per acqua dolce codificati a colori sono facilmente disponibili e facili da usare (Figura 3.13). Questi kit includono test per pH, ammoniaca, nitrito, nitrato, GH e KH. Ogni test prevede l'aggiunta di 5-10 gocce di reagente in 5 millilitri di acqua acquaponica; ogni test richiede non più di cinque minuti per completare. Altri metodi includono misuratori di pH o nitrati digitali (relativamente costosi e molto precisi) o strisce reattive ad acqua (più economiche e moderatamente accurate, Figura 3.14).

   

   I test più importanti da eseguire settimanalmente sono pH, nitrati, durezza carbonatica e temperatura dell'acqua, perché questi risultati indicano se il sistema è in equilibrio. I risultati dovrebbero essere registrati ogni settimana in un giornale di bordo dedicato in modo che le tendenze e i cambiamenti possano essere monitorati durante le stagioni di crescita. I test per la ricerca di ammoniaca e nitriti sono inoltre estremamente utili per diagnosticare problemi nell'unità, specialmente nelle nuove unità o se un aumento della mortalità dei pesci solleva problemi di tossicità in un sistema in corso. Sebbene non siano essenziali per il monitoraggio settimanale in unità stabilite, possono fornire indicatori molto forti di quanto i batteri stiano convertendo i rifiuti ittici e la salute del biofiltro. I test per l'ammoniaca e i nitrati sono la prima azione se si notano problemi con i pesci o le piante.

   *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. *

6. Lavorare entro l'intervallo di tolleranza per ciascun organismo

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

   Il diagramma non è disponibile in questa copia migrata; consulta l’edizione originale.

   Come discusso nel capitolo 2, l'acquaponica riguarda principalmente il bilanciamento di un ecosistema di tre gruppi di organismi: pesci, piante e batteri (Figura 3.2). Ogni organismo in un'unità acquaponica ha un intervallo di tolleranza specifico per ciascun parametro della qualità dell'acqua (tabella 3.1). Gli intervalli di tolleranza sono relativamente simili per tutti e tre gli organismi, ma è necessario un compromesso e quindi alcuni organismi non funzioneranno al loro livello ottimale.

   TABELLA 3.1

   ####### Tolleranze generali di qualità dell'acqua per pesci (acqua calda o fredda), piante idroponiche e batteri nitrificanti

   La tabella 3.2 illustra il compromesso ideale per l'acquaponica necessario per i principali parametri di qualità dell'acqua. I due parametri più importanti da bilanciare sono pH e temperatura. Si raccomanda di mantenere il pH ad un livello compromesso di 6-7, o leggermente acido.

   TABELLA 3.2

   Parametri ideali per l'acquaponica come compromesso tra tutti e tre gli organismi

   L'intervallo di temperatura generale è 18-30 °C e dovrebbe essere gestito in relazione alle specie ittiche o vegetali coltivate; i batteri prosperano in questo intervallo. È importante scegliere abbinamenti appropriati di specie ittiche e vegetali che si abbinino bene alle condizioni ambientali. Il capitolo 7 e l'appendice 1 descrivono le temperature ottimali di crescita dei pesci e delle piante comuni.

   L'obiettivo generale è quello di mantenere un ecosistema sano con parametri di qualità dell'acqua che soddisfino i requisiti per la coltivazione simultanea di pesci, verdure e batteri. Ci sono occasioni in cui la qualità dell'acqua dovrà essere manipolata attivamente per soddisfare questi criteri e mantenere il sistema funzionante correttamente.

   *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. *