12.6 Tecnología Biofloc (BFT) aplicada para acuapónica
12.6.1 Introducción
La tecnología Biofloc (BFT) se considera la nueva ‘revolución azul’ en la acuicultura (Stokstad 2010), ya que los nutrientes pueden ser reciclados y reutilizados continuamente en el medio de cultivo, beneficiados por la producción de microorganismos in situ y por el intercambio mínimo o cero de agua (Avnimelech 2015). Estos enfoques podrían hacer frente a algunos problemas graves en el sector, como la competencia por la tierra y el agua y los efluentes vertidos al medio ambiente que contienen exceso de materia orgánica, compuestos nitrogenados y otros metabolitos tóxicos.
BFT fue desarrollado por primera vez a principios de la década de 1970 por el equipo Aquacop del iFremer-COP (Instituto Francés de Investigación para la Explotación del Mar, Centro Oceánico del Pacífico) con diferentes especies de peneides de camarón, incluyendo Litopenaeus vannamei, L. stylirostris y Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011). En el mismo período, Ralston Purina (una empresa privada estadounidense) en relación con Aquacop aplicó la tecnología tanto en Crystal River (EE.UU.) como en Tahití, lo que llevó a una mayor comprensión de los beneficios del biofloc para el cultivo del camarón. Varios otros estudios permitieron un enfoque integral de la BFT e investigaron las interrelaciones entre agua, animales y bacterias, comparando BFT con un «rumen externo», pero ahora se aplica al camarón. En la década de 1980 y a principios de la década de 1990, tanto Israel como Estados Unidos (Waddell Mariculture Center) iniciaron I+D en BFT con Tilapia y camarón blanco del Pacífico L. vannamei, respectivamente, en los que las preocupaciones ambientales, la limitación del agua y los costos de la tierra fueron los principales agentes causantes que promovieron la investigación ( Emerenciano y otros, 2013).
Fig. 12.5 Tecnología Biofloc (BFT) aplicada para el cultivo de camarón marino en Brasil (a) y para el cultivo de Tilapia en México (b) (Fuente: EMA-FURG, Brasil y Maurício G. C. Emerenciano)
Las primeras operaciones comerciales de BFT y probablemente las más famosas comenzaron en la década de 1980 en la granja ‘Sopomer’ en Tahití, Polinesia Francesa, y a principios de la década de 2000 en la granja de acuicultura de Belice o ‘BAL’, ubicada en Belice, Centroamérica. Los rendimientos obtenidos utilizando tanques de concreto de 1000 msup2/sup y estanques de crecimiento forrados de 1,6 ha fueron de aproximadamente 20-25 toneladas/ha/año con dos cultivos en Sopomer y 11-26 ton/ha/ ciclo en BAL, respectivamente. Más recientemente, BFT se ha expandido con éxito en el cultivo de camarones a gran escala en Asia, América del Sur y Central, así como en invernaderos de pequeña escala en Estados Unidos, Europa y otras áreas. Al menos en una fase (por ejemplo, fase de vivero) se ha utilizado BFT con gran éxito en México, Brasil, Ecuador y Perú. Para la cultura de Tilapia_ a escala comercial, las granjas de México, Colombia e Israel utilizan BFT con producciones alrededor de 7 a 30 kg/msup3/sup (Avnimelech 2015) (Fig. 12.5b). Adicionalmente, esta tecnología se ha utilizado (por ejemplo, en Brasil y Colombia) para producir juveniles de tilapia (\ ~30 g) para otras existencias en jaulas o estanques de tierra (Durigon et al. 2017). El BFT se ha aplicado principalmente al cultivo de camarón y, en cierta medida, a la tilapia. Otras especies han sido probadas y son prometedoras, como se observa en el bagre plateado (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), carpa (Zhao et al., 2014), piracanjuba (Brycon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), cachama (Colossoma macropomum) (Poleo et al., 2011) y otras especies de crustáceos como Macrobrachium rosenbergii (Cangrejo y otros, 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Emerenciano y otros, 2012), F. paulensis (Ballester et al., 2010), Penaeus semisulcatus (Megahed, 2010), L. stylirostris (Emerenciano et al., 2011) y otros P. monodon (Arnold y otros, 2006). El interés por BFT es evidente por el creciente número de universidades y centros de investigación que realizan investigaciones, especialmente en los ámbitos clave de la gestión del crecimiento, la nutrición, la reproducción, la ecología microbiana, la biotecnología y la economía.
12.6.2 ¿Cómo funciona BFT?
Los microorganismos desempeñan un papel clave en los sistemas BFT (Martínez-Córdoba et al. 2015). El mantenimiento de la calidad del agua, principalmente mediante el control de la comunidad bacteriana sobre microorganismos autotróficos, se logra utilizando una alta relación carbono-nitrógeno (C:N), ya que los subproductos nitrogenados pueden ser fácilmente absorbidos por bacterias heterotróficas. En el inicio de los ciclos de cultivo se requiere una alta relación carbono-nitrógeno para garantizar un óptimo crecimiento de bacterias heterotróficas, utilizando esta energía para su mantenimiento y crecimiento (Avnimelech 2015). Además, otros grupos de microorganismos son cruciales en los sistemas BFT. La comunidad bacteriana quimioautotrófica (es decir, bacterias nitrificantes) se estabiliza después de aproximadamente 20 a 40 días y podría ser responsable de dos tercios de la asimilación de amoníaco en el sistema (Emerenciano et al. 2017). Por lo tanto, la adición de carbono externo debe reducirse y la alcalinidad consumida por los microorganismos debe ser reemplazada por diferentes fuentes de carbonato/bicarbonato (Furtado et al. 2011). La estabilidad del intercambio de agua cero o mínimo depende de la interacción dinámica entre comunidades de bacterias, microalgas, hongos, protozoos, nematodos, rotíferos, etc. que se producirá de forma natural (MartineZCórdoba et al. 2017). Los agregados (bioflocs) son una rica fuente natural de alimentos proteína-lípidos que están disponibles las 24 horas del día debido a una interacción compleja entre materia orgánica, sustrato físico y gran variedad de microorganismos (Kuhn y Boardman 2008; Ray et al. 2010). La productividad natural en forma de producción de microorganismos desempeña tres funciones principales en los tanques, caminos de rodadura o estanques forrados: (1) en el mantenimiento de la calidad del agua, mediante la absorción de compuestos nitrogenados que generan proteínas microbianas in situ; (2) en nutrición, aumentando la viabilidad del cultivo mediante la reducción de los piensos las relaciones de conversión y la disminución de los costos de los piensos; y 3) la competencia con los patógenos (Emerenciano et al. 2013).
En cuanto a la calidad del agua para los organismos de cultivo, además del oxígeno, el exceso de materia orgánica particulada y compuestos tóxicos de nitrógeno son la principal preocupación en los sistemas biofloc. En este contexto, existen tres vías para la eliminación del nitrógeno amoniaco: a menor velocidad (1) eliminación fotoautotrófica por algas y a mayor velocidad (2) conversión bacteriana heterotrófica de nitrógeno amoniaco directamente a biomasa microbiana y (3) conversión bacteriana autotrófica de amoníaco a nitrato ( MartinezCórdoba y otros 2015). El nitrato disponible en los sistemas más otros nutrientes menores y mayores acumulados a lo largo del ciclo podría ser utilizado como sustrato para el crecimiento de plantas en sistemas acuapónicos (Pinho et al. 2017).
12.6.3 BFT en Acuapónica
La aplicación de BFT en sistemas acuapónicos es relativamente nueva, aunque Rakocy (2012) menciona un proyecto comercial a escala piloto con tilapia. En el cuadro 12.2 se resumen estudios recientes clave que han utilizado BFT en sistemas acuapónicos.
En general, los resultados demuestran que la tecnología biofloc se puede utilizar e integrar en una producción de peces o camarones. El BFT en comparación con otros sistemas acuícolas convencionales (como RAS) mejoró el rendimiento de plantas y peces y promovió una mejor calidad visual de las plantas (Pinho et al. 2017), pero no en todos los casos (Rahman 2010; Pinho 2018). Pinho et al. (2017) observaron que los rendimientos de lechuga con el sistema BFT fueron mayores en comparación con el sistema de recirculación de agua clara (Fig. 12.6). Esto se debe posiblemente a la mayor disponibilidad de nutrientes proporcionada por el
Tabla 12.2 Estudios recientes en todo el mundo aplicando el BFT en sistemas acuapónicos para diferentes especies acuáticas y vegetales
tabla tead tr class=“encabezado» Especies acuáticos/ésima th Especies vegetales /th th Principales resultados /th th Referencias /th /tr /thead tbody tr class=“impar» TDtilapia/TD td Lechuga /td td La tecnología Biofloc no mejoró la producción de lechuga en comparación con la solución hidropónica convencional /td td Rahman (2010) /td /tr tr class=“incluso» TDtilapia/TD td Lechuga /td td Se mejoró el rendimiento y la calidad visual de la lechuga con BFT en comparación con el sistema de recirculación de agua clara /td td Pinho y otros (2017) /td /tr tr class=“impar» TDtilapia (vivero) /td td Lechuga /td td El rendimiento de la planta (lechuga) usando Tilapia en una fase de vivero (1—30 g) fue influenciado negativamente por las aguas residuales de biofloc en comparación con las aguas residuales de RAS después de dos ciclos de planta (13 días cada uno). Los aspectos visuales de la planta fueron mejores en RAS en comparación con BFT /td td Pinho (2018) /td /tr tr class=“incluso» TDtilapia/TD td Lechuga /td td La presencia de elementos filtrantes (filtro mecánico y filtro biológico) afectó positivamente la producción de lechuga en sistemas acuapónicos en comparación con el tratamiento sin filtros utilizando BFT /td td Barbosa (2017) /td /tr tr class=“impar» TDtilapia/TD td Lechuga /td td Baja salinidad (3 ppt) se puede realizar en acuapónica utilizando BFT. Los parámetros visuales y de rendimiento indicaron que la variedad púrpura tuvo mejor rendimiento que las variedades lisas y crisped /td td Lenz y otros (2017) /td /tr tr class=“incluso» Peces de Acuario Bagre TDSilver td Lechuga /td td El uso de bioflocs en el sistema aquapónico puede mejorar la productividad de la lechuga en un cultivo integrado con bagre de plata /td td Rocha y otros (2017) /td /tr tr class=“impar» TDilitOpenaeus vannamei/i/td td IsarcoCornia ambigua/i /td td El rendimiento de isrimp marino L. vannamei/i no se vio afectado por la producción acuapónica ambigua y mejoró el uso de nutrientes (p. ej. nitrógeno) en el sistema de cultivo /td td Pinheiro y otros (2017) /td /tr /tbody /tabla
** Fig. 12.6** Invernadero acuapónico experimental comparando tecnología biofloc y aguas residuales RAS en la Universidad Estatal de Santa Catarina (UDESC), Brasil. (Fuente: Pinho et al. 2017)
mayor actividad microbiana. Sin embargo, esta tendencia no se observó en el estudio de Rahman (2010), quien comparó efluentes del cultivo de peces en un sistema BFT con una solución hidropónica convencional en una producción de lechuga. Además, Pinho
Fig. 12.7 Halofito de alta salinidad Sarcocornia ambigua producción acuapónica integrada con camarón blanco del Pacífico Litopenaeus vannamei aplicando con éxito la tecnología biofloc en la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil. (Fuente: LCM-UFSC, Brasil)
Fig. 12.8 Producción de lechuga Aquaponics integrada con Tilapia utilizando tecnología biofloc (izquierda) y acumulación de sólidos suspendidos en raíces de lechuga (derecha). Barbosa (2017)
(2018) en un estudio reciente observó que el rendimiento productivo de la lechuga en el sistema acuapónico utilizando Tilapia en una fase de vivero (1—30 g) fue influenciado negativamente por las aguas residuales de biofloc en comparación con las aguas residuales de RAS durante 46 días. La variación en los resultados identifica la necesidad de estudios adicionales en esta área.
El BFT se puede utilizar con agua de baja salinidad, por ejemplo con algunas variedades de lechuga (Lenz et al. 2017), y se pueden utilizar aguas de mayor salinidad, por ejemplo, con especies de plantas halófitas como Sarcocornia ambigua co-cultivo con camarón blanco del Pacífico Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (Fig. 12.7). El bagre plateado Rhamdia quelen también ha mostrado un buen potencial para la integración de la acuapónica con BFT (Rocha et al. 2017).
Con BFT, la concentración de sólidos puede afectar gravemente las raíces e impactar la absorción de nutrientes y la disponibilidad de oxígeno. Como resultado, los rendimientos pueden verse afectados, pero también la calidad visual de las plantas (por ejemplo, lechugas), que es un criterio importante para los consumidores. Con esto en mente, el manejo de sólidos es un tema importante para estudios posteriores en los que se considera el impacto de sólidos (fracción de partículas y también fracción disuelta) en sistemas acuapónicos cuando se aplica BFT (Fig. 12.8). Además, es necesario realizar estudios económicos para comparar los costos implicados en los diversos sistemas de acuicultura y cultivo de plantas e identificar la idoneidad en relación con los diferentes lugares y condiciones.