5.3 Principios generales
Aunque la definición de acuapónica no se ha resuelto del todo, existen algunos principios generales que están asociados con la amplia gama de métodos y tecnologías acuapónicas.
El uso de los nutrientes añadidos al sistema acuapónico de la manera más óptima y eficiente posible para producir los dos principales productos de la empresa (es decir, biomasa de peces y plantas) es un primer principio importante y compartido asociado a la tecnología (Rakocy y Hargreaves 1993; Delaide et al. 2016; Knaus and Palm 2017). No es útil agregar nutrientes (que poseen un costo inherente en términos de dinero, tiempo y valor) a un sistema para observar que un alto porcentaje de esos nutrientes se dividen en procesos, requisitos o resultados que no están directamente asociados con los peces y plantas producidos, o cualquier vida intermedia formas que pueden facilitar el acceso de nutrientes por parte de los peces y las plantas (es decir, microorganismos, bacterias, hongos, etc.) (Lennard 2017). Por lo tanto, probablemente el principio general más importante asociado a la acuapónica es utilizar los nutrientes aplicados de la manera más eficiente posible para lograr una producción optimizada tanto de peces como de plantas.
Este mismo argumento puede aplicarse también al requerimiento hídrico del sistema aquapónico en cuestión; de nuevo, el agua añadida al sistema debe ser utilizada principalmente por los peces y las plantas y utilizada de la manera más eficiente posible y no permitir que se filtre a procesos, formas de vida o resultados que no sean directamente asociados a la producción de pescado y plantas o pueden afectar al medio ambiente circundante (Lennard 2017).
En términos reales, el uso eficiente de nutrientes y agua conduce a varios principios de diseño que se aplican ampliamente al método aquapónico:
El principio más importante de la acuapónica es utilizar los desechos producidos por los peces como fuente principal de nutrientes para las plantas. De hecho, esta es toda la idea de acuapónica y por lo tanto debería ser un controlador de primer orden para el método. Históricamente, la acuapónica fue concebida como un sistema para cultivar plantas utilizando desechos de acuicultura de peces, de modo que esos desechos de acuicultura tuvieran menos impacto ambiental y se consideraran como un producto positivo y rentable, en lugar de un producto de desecho problemático con un costo asociado para cumplir con la legislación ambiental (Rakocy y Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).
El diseño del sistema debería fomentar el uso de tecnologías de cría de peces y cultivo de plantas que no absorban o utilicen de manera destructiva los recursos hídricos o nutritivos añadidos. Por ejemplo, se desaconsejan los componentes de mantenimiento de peces basados en el uso de estanques de tierra, porque el estanque de tierra tiene la capacidad de utilizar y hacer que los recursos de agua y nutrientes no estén disponibles para los peces y plantas asociados, lo que reduce la eficiencia del uso de agua y nutrientes del sistema. Del mismo modo, los métodos de cultivo de plantas hidropónicas no deben utilizar medios que absorban cantidades excesivas de nutrientes o agua y los hace inaccesibles para las plantas (Lennard 2017).
El diseño del sistema no debe desperdiciar nutrientes ni agua a través de la producción de corrientes externas de residuos. Principalmente, si el agua y los nutrientes salen del sistema a través de una corriente de residuos, entonces ese agua y esos nutrientes no se utilizan para la producción de peces o plantas, y por lo tanto, ese agua y esos nutrientes se están desperdiciando, y el sistema no es lo más eficiente posible. Además, la producción de un flujo de residuos puede tener un impacto ambiental potencial. Si las aguas residuales y los nutrientes dejan el sistema acuapónico, deben utilizarse en tecnologías alternativas de producción de plantas externas a sistemas para que el agua y los nutrientes no se desperdicien, contribuyan a la producción global de biomasa comestible o vendible y no presenten un potencial de impacto ambiental más amplio ( Tyson y otros 2011).
El sistema debe diseñarse para reducir o, idealmente, negar por completo, el impacto ambiental causado por el agua o los nutrientes. Un objetivo de primer orden de la acuapónica es utilizar los desechos producidos por los peces como fuente de nutrientes para las plantas, con el fin de negar la liberación de esos nutrientes directamente al medio ambiente circundante donde pueden causar impactos (Tyson et al. 2011).
Idealmente, los diseños de sistemas acuapónicos deberían prestarse para ubicarse dentro de estructuras y situaciones controladas por el medio ambiente (por ejemplo, invernaderos, salas de peces). Esto permite el potencial de lograr las mejores tasas productivas de peces y plantas del sistema. La mayoría de los diseños acuapónicos son relativamente altos en términos de costos de capital y costos continuos de producción, y por lo tanto, la capacidad de albergar el sistema en un entorno perfecto mejora los potenciales de beneficios que justifican financieramente el alto capital y los costos de producción (Lennard 2017).
Los principios de diseño descritos anteriormente se asocian directamente con un conjunto de principios generales que a menudo, pero no siempre, se aplican al entorno de producción acuapónica. Estos principios generales se refieren a cómo funciona el sistema y cómo se distribuyen los nutrientes entre el sistema y sus habitantes.
La premisa básica de la acuapónica, en un contexto dinámico de nutrientes, es que los peces son alimentados con piensos para peces, los peces se metabolizan y utilizan los nutrientes de los piensos para peces, los peces liberan desechos basados en las sustancias que no utilizan (incluidos los elementos), la microflora accede a esos desechos metabólicos de los peces y utiliza pequeñas cantidades de ellos, pero transforman el resto, y las plantas luego acceden y eliminan la microflora transformada, los desechos metabólicos de los peces como fuentes nutritivas y, en cierta medida, limpian el medio de agua de esos desechos y contrarrestan cualquier acumulación asociada (Rakocy y Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).
Debido a que los sistemas de producción de peces basados en tierra eliminan los nutrientes por sí mismos, la acuapónica generalmente utiliza lo que se conoce como principios del sistema acuícola recirculante (RAS) para el componente de producción de peces (Rakocy y Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). Los peces se mantienen en tanques hechos de materiales que no eliminan nutrientes del agua (plástico, fibra de vidrio, hormigón, etc.), el agua se filtra para tratar o eliminar los productos metabólicos de desecho de los peces (sólidos y gases de amoníaco disueltos) y el agua (y los nutrientes asociados) se dirige a una planta componente de cultivo mediante el cual las plantas utilizan los desechos de peces como parte de su recurso nutritivo (Timmons et al. 2002). En cuanto a los peces, los componentes de cultivo de plantas a base de tierra no se utilizan porque los suelos implicados eliminan nutrientes y pueden no ponerlos a disposición de las plantas. Además, las técnicas de cultivo de plantas hidropónicas no utilizan suelo y son más limpias que los sistemas basados en el suelo y permiten un cierto control pasivo de las mezclas de microorganismos presentes.
Las plantas cultivadas en hidroponía convencional requieren la adición de lo que se conoce como fertilizantes minerales: nutrientes presentes en sus formas basales e iónicas (por ejemplo, nitrato, fosfato, potasio, calcio, etc.) (Resh 2013). Por el contrario, los sistemas acuícolas de recirculación deben aplicar intercambios regulares (diarios) de agua para controlar la acumulación de metabolitos de residuos de peces (Timmons et al. 2002). Aquaponics busca combinar las dos empresas separadas para producir un resultado que logre lo mejor de las dos tecnologías al tiempo que niegue lo peor (Goddek et al. 2015).
Las plantas requieren un conjunto de macro y micro elementos para un crecimiento óptimo y eficiente. En acuapónica, la mayoría de estos nutrientes provienen de los residuos de peces (Rakocy y Hargreaves 1993; Lennard 2017; COST FA1305 2017). Sin embargo, los alimentos para peces (la principal fuente de nutrientes del sistema aquapónico) no contienen todos los nutrientes necesarios para optimizar el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, se requiere nutrición externa, en mayor o menor medida.
La hidroponía estándar y el cultivo de sustrato añaden nutrientes al agua en formas que están directamente disponibles en las plantas (es decir, formas iónicas e inorgánicas producidas a través de adiciones de variedades de sal diseñadas) (Resh 2013). Una proporción de los desechos liberados por los peces están disponibles directamente en las plantas (por ejemplo, amoníaco) pero potencialmente tóxicos para los peces (Timmons et al. 2002). Estos metabolitos disueltos e iónicos de residuos de peces, como el amoníaco, son transformados por especies bacterianas ubicuas que reemplazan los iones de hidrógeno con iones de oxígeno, siendo el producto del amoníaco el nitrato, que es mucho menos tóxico para los peces y la fuente de nitrógeno preferida para las plantas (Lennard 2017). Otros nutrientes apropiados para la absorción de la planta se unen a la fracción sólida de los residuos de pescado como compuestos orgánicos y requieren un tratamiento adicional mediante interacción microbiana para hacer que los nutrientes disponibles para la absorción de la planta (Goddek et al. 2015). Por lo tanto, los sistemas acuapónicos requieren un conjunto de microflora para realizar estas transformaciones.
La clave para optimizar la integración acuapónica es determinar la relación entre la producción de residuos de peces (influenciada directamente por la adición de piensos para peces) y la utilización de nutrientes vegetales (Rakocy y Hargreaves 1993; Lennard y Leonard 2006; Goddek et al. 2015). Se han desarrollado varias reglas generales y modelos en un intento de definir este equilibrio. Rakocy et al. (2006) desarrollaron un enfoque que coincide con el requisito de área de cultivo de plantas con la entrada diaria de alimento para peces y la llamó «La Ratio de Alimentación Aquapónica». La tasa de alimentación se establece entre 60 y 100 gramos de piensos para peces añadidos por día, por metro cuadrado de superficie de cultivo de plantas (60—100 g/msup2/sup/día). Esta relación de tasa de alimentación se desarrolló utilizando peces Tilapia spp. que comen una dieta comercial estándar de 32% de proteínas (Rakocy y Hargreaves 1993). Además, el sistema aquapónico al que esta relación es particular (conocido como el Sistema Acuapónico de la Universidad de las Islas Vírgenes — Sistema UVI) no utiliza la fracción de residuos sólidos de pescado, está sobreabastecido con nitrógeno y requiere desnitrificación pasiva en el sistema para controlar la tasa de acumulación de nitrógeno ( Lennard 2017). Otros han determinado coeficientes alternativos basados en diferentes combinaciones de peces y plantas, probados en diferentes condiciones específicas (por ejemplo, Endut et al. 2010 — 15—42 g/msup2/sup/día para el bagre africano, Clarias gariepinus y las plantas de espinacas acuáticas, Ipomoea aquatica).
La tasa de alimentación de UVI fue desarrollada por Rakocy y su equipo como un enfoque aproximado; por lo tanto, se afirma como un rango (Rakocy y Hargreaves 1993). La relación UVI intenta explicar el hecho de que diferentes plantas requieren diferentes cantidades de nutrientes y mezclas y, por lo tanto, un enfoque de diseño acuapónico «genérico» es una perspectiva difícil. Lennard (2017) ha desarrollado un enfoque alternativo que busca igualar directamente las tasas de producción de nutrientes de residuos de peces individuales (basadas en los piensos utilizados para peces y la conversión y utilización de los peces de ese alimento) con tasas específicas de absorción de nutrientes vegetales para que la proporción exacta entre peces y plantas coincida con cualquier las especies de peces o plantas elegidas podrán realizarse y contabilizarse en el diseño del sistema acuapónico. Combina este enfoque de diseño con un enfoque de manejo específico que también utiliza todos los nutrientes disponibles dentro de la fracción de residuos sólidos de pescado (a través de la remineralización aeróbica de los residuos sólidos de los peces) y solo añade los nutrientes requeridos por las especies vegetales elegidas para el cultivo que faltan en el fracciones de producción de residuos de pescado. Por lo tanto, esto reduce sustancialmente la tasa de alimentación asociada (por ejemplo, menos de 11 g/msup2/sup/día para algunas variedades de hoja verde como equivalente de UVI) y permite que cualquier especie de pez se ajuste específica y exactamente a cualquier especie de planta elegida (Lennard 2017). De manera similar, Goddek et al. (2016) han propuesto modelos que permiten una determinación más precisa de la proporción de componentes de peces a plantas para sistemas acuapónicos desacoplados.
Los principios generales del uso eficiente de los nutrientes, el uso bajo y eficiente del agua, el impacto ambiental bajo o negado, la capacidad de ubicarse lejos de los recursos tradicionales del suelo y la sostenibilidad del uso de los recursos son los principios generales que se aplican al diseño y configuración de sistemas acuapónicos y a su debe fomentarse la aplicación en el campo y en la industria.