1.3 Desafíos científicos y tecnológicos en acuapónica
Aunque se considera que la acuapónica es una de las tecnologías clave de producción de alimentos que «podría cambiar nuestras vidas» (van Woensel et al. 2015), en términos de producción alimentaria sostenible y eficiente, la acuapónica puede racionalizarse y volverse aún más eficiente. Uno de los problemas clave en los sistemas acuapónicos convencionales es que los nutrientes del efluente producido por los peces son diferentes de la solución nutritiva óptima para las plantas. Los sistemas acuapónicos desacoplados (DAPS), que utilizan agua de los peces pero no devuelven el agua a los peces después de las plantas, pueden mejorar los diseños tradicionales introduciendo componentes de mineralización y biorreactores de lodos que contienen microbios que convierten la materia orgánica en formas biodisponibles de minerales clave, especialmente fósforo, magnesio, hierro, manganeso y azufre que son deficientes en los efluentes típicos de pescado. Contrariamente a los componentes de mineralización en sistemas de un bucle, el efluente biorreactor en DAPS solo se alimenta al componente de la planta en lugar de diluirse en todo el sistema. Así, los sistemas desacoplados que utilizan digestores de lodo permiten optimizar el reciclaje de residuos orgánicos de peces como nutrientes para el crecimiento de las plantas (Goddek 2017; Goddek et al. 2018). Los desechos de estos sistemas comprenden principalmente lodos de peces (es decir, heces y piensos no consumidos que no están en solución) y, por lo tanto, no pueden suministrarse directamente en un sistema hidropónico. Los biorreactores (véase [cap. 10](/comunidad/artículos/capítulo-10-tratamientos aeróbicos y anaeróbicos para la reducción y mineralización de lodos acuapónicos) son, por tanto, un componente importante que puede convertir lodos inutilizables en fertilizantes hidropónicos o reutilizar desechos orgánicos como los tallos y las raíces de la planta componente de producción en biogás para la generación de calor y electricidad o diseños DAPS que también proporcionan ciclos de agua controlados independientemente para cada unidad, permitiendo así la separación de los sistemas (RAS, hidropónicos y digestores) según sea necesario para el control de los flujos de nutrientes. El agua se mueve entre los componentes en un bucle de conservación de energía y nutrientes, de modo que las cargas y flujos de nutrientes en cada subsistema puedan ser monitoreados y regulados para adaptarse mejor a los requisitos posteriores. Por ejemplo, el fósforo (P) es un recurso fósil esencial pero agotable que se extrae para fertilizantes, pero los suministros mundiales se están agotando a un ritmo alarmante. El uso de digestores en sistemas acuapónicos desacoplados permite a los microbios convertir el fósforo en residuos de peces en ortofosfatos que pueden ser utilizados por las plantas, con altas tasas de recuperación (Goddek et al. 2016, 2018).
Aunque los sistemas desacoplados son muy eficaces en la recuperación de nutrientes, con una pérdida de nutrientes casi nula, la escala de producción en cada una de las unidades es importante, dado que los flujos de nutrientes procedentes de una parte del sistema deben coincidir con el potencial de producción posterior de otros componentes. Por lo tanto, el software de modelización y los sistemas de adquisición de datos de control y adquisición de datos de supervisión (SCADAS) son importantes para analizar y notificar el flujo, las dimensiones, los balances de masa y las tolerancias de cada unidad, lo que permite predecir parámetros físicos y económicos (por ejemplo, cargas nutritivas, emparejamientos de plantas, caudales y costos para mantener parámetros ambientales específicos). En Cap. 11, analizaremos con más detalle la teoría de sistemas aplicada a los sistemas acuapónicos y demostraremos cómo la modelización puede resolver algunos de los problemas de escala, mientras que las soluciones tecnológicas innovadoras pueden aumentar la eficiencia y, por lo tanto, rentabilidad de dichos sistemas. El escalado es importante no sólo para predecir la viabilidad económica, sino también para predecir los resultados de producción basados en las proporciones de nutrientes disponibles.
Otra cuestión importante, que requiere un mayor desarrollo, es el uso y la reutilización de la energía. Los sistemas acuapónicos requieren mucha energía e infraestructura. Dependiendo de la radiación solar recibida, el uso de energía solar fotovoltaica, fuentes de calor solares térmicas y desalinización (solar) puede todavía no ser económicamente viable, pero todos podrían integrarse potencialmente en los sistemas acuapónicos. En [Cap. 1, presentamos información sobre las posibilidades técnicas y operativas innovadoras que tienen la capacidad de superar las limitaciones inherentes a dichos sistemas, incluidas nuevas y emocionantes oportunidades para implementar sistemas acuapónicos en zonas áridas.
En [Cap. 2](/comunidad/artículos/capítulo-2-aquapónica -clausurar-el-ciclo en tierras de agua y recursos nutricionales limitados), también discutimos con más detalle la gama de desafíos ambientales que la acuapónica puede ayudar a abordar. El control de patógenos, por ejemplo, es muy importante, y los sistemas RAS contenidos tienen una serie de ventajas ambientales para la producción de peces, y una de las ventajas de los sistemas acuapónicos desacoplados es la capacidad de circular el agua entre los componentes y de utilizar controles independientes en los que es más fácil detectar, aislar y descontaminar unidades individuales cuando existen amenazas de patógenos. Los probióticos que son beneficiosos en el cultivo de peces también parecen beneficiosos para la producción de plantas y pueden aumentar la eficiencia de la producción cuando se circulan dentro de un sistema cerrado (Sirakov et al. 2016). Esos desafíos se examinan más a fondo en cap. 5, donde analizamos con más detalle cómo la innovación en acuapónica puede dar lugar a: a) una mayor eficiencia en la utilización del espacio (menos costos y materiales, maximizando el uso de la tierra); b) la reducción de los recursos de insumos, por ejemplo, la harina de pescado y la reducción de los resultados negativos, por ejemplo, la descarga de desechos, yc) la reducción del uso de antibióticos y plaguicidas en sistemas autónomos.
Todavía hay varias áreas temáticas acuapónicas que requieren más investigación para explotar todo el potencial de estos sistemas. Desde una perspectiva científica, temas como el ciclo del nitrógeno ([cap. 9](/comunidad/artículos/capítulo-9-ciclo de nutrientes en sistemas acuapónicos)), la remineralización aeróbica y anaeróbica ([cap. 10](./10-tratamientos aeróbicos y anaeróbicos para la reducción y mineralización de lodos acuapónicos. md), agua) y nutriente eficiencia ([cap. 8](/comunidad/artículos/capítulos-sistemas aquapónicos desacoplados)), dietas acuapónicas optimizadas para peces ([cap. 13](/comunidad/artículos/part-iii-perspectiva para el desarrollo sostenible) y patógenos vegetales y estrategias de control ([cap. 14](/comunidad/articles/capítulos-14-planta-14-planta patógenos y control- estrategias en acuapónica)) son todas de alta prioridad.
En resumen, es necesario abordar los siguientes desafíos científicos y tecnológicos:
Nutrients: Como hemos discutido, los sistemas que utilizan digestores de lodo permiten optimizar el reciclaje de residuos orgánicos de pescado en nutrientes para el crecimiento de las plantas, tales diseños permiten optimizar la recuperación y el reciclaje de nutrientes para crear una pérdida de nutrientes casi nula del sistema.
Water: La reutilización del agua agotada de nutrientes procedente de invernaderos también puede optimizarse para su reutilización en el componente de pescado utilizando condensadores.
Energy: Los diseños alimentados con energía solar también mejoran el ahorro de energía, especialmente si el agua precalentada de los calentadores solares en los invernaderos puede ser recirculada de nuevo a acuarios para su reutilización.
La capacidad de reciclar agua, nutrientes y energía hace que la acuapónica sea una solución potencialmente única para una serie de problemas ambientales a los que se enfrenta la agricultura convencional. Esto se discute en [Cap. 2](./2-aquapónica ፦cerrar el ciclo en agua limitada, -tierra y recursos nutritivos.md).