5.5 Requisitos de calidad del agua

La acuapónica representa un esfuerzo por controlar la calidad del agua para que todas las formas de vida actuales (peces, plantas y microbios) sean cultivadas en condiciones tan cercanas como sea posible a la química ideal del agua (Goddek et al. 2015). Si la química del agua puede adaptarse a los requisitos de estos tres conjuntos de formas importantes de vida, se puede aspirar a la eficiencia y la optimización del crecimiento y la salud de todos (Lennard 2017).

La optimización es importante para la producción acuapónica comercial, ya que sólo a través de la optimización puede lograrse el éxito comercial (es decir, la rentabilidad financiera). Por lo tanto, la química del agua y los requisitos de calidad del agua dentro del sistema acuapónico son fundamentales para el éxito comercial y económico final de la empresa (Goddek et al. 2015).

Actualmente existe un desacuerdo dentro de la industria y comunidad acuapónica en términos de lo que representa una buena o aceptable calidad del agua dentro de los sistemas aquapónicos. Parece que es universalmente aceptado que los requisitos de química natural del agua de los subconjuntos de formas de vida individuales (peces, plantas y microbios) están ampliamente acordados (Rakocy y Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). Sin embargo, la presencia de una amplia gama de enfoques, métodos y opciones tecnológicas que se llaman acuapónica y el trasfondo o la historia de las tecnologías asociadas e independientes de los sistemas acuícolas de recirculación (RAS) y el cultivo hidropónico de plantas (incluido el cultivo de sustratos) parece conducir a desacuerdos entre operadores, científicos y diseñadores. Por ejemplo, teniendo en cuenta solo un parámetro químico del agua, el pH, algunos argumentan que los requisitos de pH de las plantas cultivadas hidropónicamente son muy diferentes a los requisitos de pH de las especies de peces de agua dulce cultivadas por RAS (Suhl et al. 2016). La industria hidropónica generalmente aplica ajustes de pH entre 4,5 y 6,0 para el cultivo de plantas a base de agua (Resh 2013), mientras que la industria RAS generalmente aplica valores de pH entre 7,0 y 8,0 (Timmons et al. 2002) para cumplir con los requisitos de los peces y los microbios presentes (que realizan importantes transformaciones de metabolitos potencialmente tóxicos de desechos de peces a formas menos tóxicas). El argumento, por lo tanto, es que cualquier punto de ajuste del pH es un compromiso entre las necesidades de las plantas, los peces y los microbios y que, por lo tanto, no es posible alcanzar un pH óptimo para todas las formas de vida, lo que conduce a una producción vegetal subóptima (Suhl et al. 2016). Otros argumentan, sin embargo, que un escrutinio más detenido de las complejidades de la dinámica de nutrientes de la absorción de nutrientes de las plantas puede dilucidar una opinión diferente (Lennard 2017).

Los sistemas hidropónicos (y cultivo de sustrato) alimentan nutrientes a las plantas en sus formas basales e iónicas añadiendo sales nutritivas al agua que se disocian para liberar los iones nutritivos disponibles (Resh 2013). La investigación ha demostrado que estas formas de nutrientes iónicos existen en una ventana de disponibilidad para la planta, basada en el pH del agua disponible. Por lo tanto, en un contexto hidropónico estándar, sin flora microbiana presente (es decir, esterilizada, como la mayoría de los sistemas hidropónicos), es importante establecer el pH del agua del sistema a un nivel que haga que la mezcla de nutrientes iónicos que la planta requiera lo más disponible posible (Resh 2013). Dentro de cualquier sistema hidropónico, esto es un compromiso en sí mismo, porque como lo demuestra cualquier tabla de disponibilidad de nutrientes iónicos (ver Fig. 5.4), las diferentes formas de nutrientes iónicos son las más disponibles a diferentes pH (Resh 2013). Es esta asociación estándar de disponibilidad de nutrientes iónicos que la industria hidropónica utiliza como su imprimación para puntos de ajuste de pH y explica por qué el pH operacional hidropónico deseado está entre 4,5 y 6,0 (un ambiente ácido) en sistemas de cultivo hidropónico y sustrato esterilizados.

Alternativamente, RAS aplica un punto de ajuste del pH del agua basado en lo que es natural para los peces que se cultivan y los microbios que tratan y convierten los productos de desecho de pescado

Fig. 5.4 Ejemplo de una tabla de disponibilidad de nutrientes mediada por el pH estándar para plantas cultivadas acuáticamente. La línea roja representa un pH de funcionamiento normal para un sistema hidropónico; la línea azul que para un sistema acuapónico

(Timmons et al. 2002; Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). En ambientes naturales de agua dulce, la mayoría de las especies de peces requieren un pH ambiental (es decir, pH del agua) que coincida estrechamente con el pH interno de los peces, que a menudo está cerca de un pH de 7,4 (Lennard 2017). Además, los principales microbios asociados con la transformación del metabolito disuelto en el cultivo de RAS (las bacterias de nitrificación de varias especies) también requieren un pH alrededor de 7,5 para una transformación óptima del amoníaco en nitrato (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Por lo tanto, los operadores de RAS aplican un punto de ajuste de pH de aproximadamente 7,5 al cultivo de peces de agua dulce RAS

Existe una diferencia obvia entre un pH de 5,5 (un promedio para el cultivo de plantas hidropónicas estándar esterilizadas) y un pH de 7,5 (un estándar promedio para el cultivo de peces RAS). Por lo tanto, se argumenta ampliamente que el pH representa uno de los mayores compromisos de calidad del agua presentes en la ciencia acuapónica (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Los defensores de diseños aquapónicos desacoplados suelen citar esta diferencia en el requisito de pH óptimo como argumento para el enfoque de diseño desacoplado, afirmando que los diseños completamente recirculados deben encontrar un compromiso de pH cuando los diseños disociados tienen el lujo de aplicar diferentes puntos de ajuste de pH de agua a los peces y las plantas (Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2016). Sin embargo, lo que este argumento ignora es que los sistemas acuapónicos, a diferencia de los sistemas hidropónicos, no son estériles y emplean técnicas acuáticas ecológicas que fomentan la presencia de una población diversa de microflora dentro del sistema acuapónico (Eck 2017; Lennard 2017). Esto da como resultado una amplia variedad de microbios presentes, muchos de los cuales forman asociaciones complejas y complejas con las plantas, especialmente las raíces de las plantas, dentro del sistema aquapónico (Lennard 2017). Es bien conocido y establecido en fisiología vegetal que muchos microbios, asociados con el medio del suelo y la matriz, se asocian estrechamente con las raíces de las plantas y que muchos de estos microbios ayudan a las plantas a acceder y absorber nutrientes vitales (Vimal et al. 2017). También se sabe que algunos de estos microbios producen moléculas orgánicas que ayudan directamente al crecimiento de las plantas, ayudan al desarrollo de la inmunidad de las plantas y ayudan a superar a los patógenos vegetales (especialmente radiculares) (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). En esencia, estos microbios ayudan a las plantas de muchas maneras que simplemente no están presentes en el ambiente esterilizado aplicado en el cultivo hidropónico estándar.

Con estos diversos microbios presentes, las plantas obtienen acceso a nutrientes de muchas maneras que no son posibles en sistemas que dependen únicamente de ajustes de pH acuáticos para permitir el acceso a nutrientes de las plantas (por ejemplo, hidroponía estándar y cultivo de sustratos). Muchos de estos microbios operan a niveles de pH amplios, al igual que otros microbios basados en el suelo, como las bacterias de nitrificación (pH de 6,5—8,0, Timmons et al. 2002). Por lo tanto, con estos microbios presentes en sistemas acuapónicos, el punto de ajuste del pH puede elevarse por encima de lo que normalmente se aplica en técnicas de cultivo hidropónico o sustrato (es decir, pH de 4,5—6,0), mientras que el crecimiento de la planta avanzado y eficiente aún está presente (Lennard 2017). Esto se evidencia en el trabajo de varios investigadores acuapónicos que han demostrado mejores tasas de crecimiento de plantas en acuapónica que en hidroponía estándar (Nichols y Lennard 2010).

Otros requisitos de calidad del agua en los sistemas acuapónicos se refieren a los parámetros físicos/químicos y, más específicamente, a los parámetros de requerimiento de nutrientes de las plantas. En términos de requisitos físicos/químicos, las plantas, los peces y los microbios comparten muchas características comunes. El oxígeno disuelto (DO) es vital para los peces, las raíces de las plantas y la microflora y debe mantenerse en sistemas acuapónicos (Rakocy y Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Las raíces de las plantas y la microflora generalmente requieren concentraciones de DO relativamente más bajas que la mayoría de los peces; las raíces de las plantas y los microbios pueden sobrevivir con DO inferior a 3 mg/L (Goto et al. 1996), mientras que la mayoría de los peces requieren más de 5 mg/L (Timmons et al. 2002). Por lo tanto, si la concentración de DO dentro del sistema aquapónico se establece y mantiene para el requisito de peces, también se cumple el requisito de planta y microbio (Lennard 2017). Diferentes especies de peces requieren diferentes concentraciones de DO: los peces de agua caliente (por ejemplo, Tilapia spp., barramundi) generalmente pueden tolerar concentraciones menores de DO que las especies de peces de agua fría (por ejemplo, salmónidos como la trucha arco iris y el carbón ártico); porque el requisito de DO de los peces es casi siempre mayor que la planta raíces y requisitos microflorales, se debe establecer la DO para las especies específicas de peces que se cultivan (Lennard 2017).

Las concentraciones de dióxido de agua y carbono (COSub2/sub), como la de DO, generalmente son fijadas por los peces porque las raíces de las plantas y los microbios pueden tolerar concentraciones más altas que los peces. Las concentraciones de dióxido de carbono son importantes para la salud y el crecimiento óptimos de los peces y a menudo se ignoran en los diseños acuapónicos. Los parámetros y puntos de referencia para las concentraciones de COSub2/sub deben ser los mismos que para las mismas especies de peces cultivadas únicamente en los sistemas RAS y, en general, deben mantenerse por debajo de 20 mg/L (Masser et al. 1992).

La temperatura del agua es importante para todas las formas de vida presentes dentro de un sistema aquapónico. Las especies de peces y plantas deben igualarse lo más posible para los requisitos de temperatura del agua (por ejemplo, Tilapia spp. de peces como 25 °C más, y plantas como la albahaca prosperan en esta temperatura relativamente alta del agua; variedades de lechuga como el agua más fría, y por lo tanto, un candidato de pescado mejor igualado es el arco iris trucha) (Lennard 2017). Sin embargo, al igual que para otros parámetros físicos y químicos del agua, el cumplimiento de los requisitos de temperatura del agua de los peces es primordial porque los microbios tienen la capacidad de someterse a una selección específica de especies en función de las condiciones ambientales (por ejemplo, la diferenciación de especies bacterianas de nitrificación ocurre en diferentes las temperaturas del agua y las especies que mejor se adapten a la temperatura del agua en particular dominarán la biomasa bacteriana de nitrificación del sistema) y muchas plantas pueden crecer muy bien a un rango más amplio de temperaturas del agua (Lennard 2017). Hacer coincidir la temperatura del agua, y mantenerla dentro de más o menos 2˚C (es decir, un control de temperatura de alto nivel) con los peces, es un requisito importante en acuapónica porque cuando la temperatura del agua es correcta y no se desvía de la media ideal, los peces logran un metabolismo eficiente y optimizado y comer y convertir los piensos de manera eficiente, lo que conduce a mejores tasas de crecimiento de los peces y a liberaciones estables y predecibles de carga de residuos, lo que contribuye al cultivo vegetal (Timmons et al. 2002).

El mantenimiento de la claridad del agua (baja turbidez) es otro parámetro importante en el cultivo acuapónico (Rakocy et al. 2006). La mayor parte de la turbidez del agua se debe a cargas de sólidos suspendidos que no se han filtrado adecuadamente, y estos sólidos pueden afectar a los peces al adherirse a sus branquias, lo que puede reducir las tasas potenciales de transferencia de oxígeno y las tasas de liberación de amoníaco (Timmons et al. 2002). Se recomiendan cargas de sólidos suspendidos inferiores a 30 mg/L para peces cultivados acuapónicamente (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Las altas cargas de sólidos suspendidos también afectan a las raíces de las plantas porque tienen la capacidad de adherirse a las raíces, lo que puede causar ineficiencia en la absorción de nutrientes, pero más comúnmente proporciona un mayor potencial de colonización de organismos patógenos, lo que conduce a una mala salud de las raíces y a la muerte final de las plantas (Rakocy et al. 2006). Estos sólidos en suspensión también fomentan la prevalencia de bacterias heterotróficas (especies que se descomponen y metabolizan el carbono orgánico) que, si se permite dominar los sistemas, pueden superar a otras especies requeridas, como las bacterias de nitrificación.

La conductividad eléctrica (EC) es una medida que se aplica a menudo en hidroponía para comprender la cantidad de nutrientes totales presentes en el agua. Sin embargo, no puede proporcionar información sobre la mezcla de nutrientes, la presencia o ausencia de especies nutritivas individuales o la cantidad de especies nutritivas individuales presentes (Resh 2013). No se aplica a menudo en acuapónica porque solo mide la presencia de formas iónicas (cargadas) de nutrientes, y se ha argumentado que la acuapónica es un método de suministro de nutrientes orgánicos y, por lo tanto, la EC no es una medida relevante (Hallam 2017). Sin embargo, las plantas generalmente solo producen formas iónicas de nutrientes y, por lo tanto, la EC puede utilizarse como herramienta general o guía de la cantidad total de nutrientes disponibles en las plantas en un sistema acuapónico (Lennard 2017).

Para la recirculación completa de sistemas acuapónicos, en términos de parámetros físicos y químicos, son los peces los que son más exigentes en sus necesidades, y por lo tanto, si los sistemas son manejados para mantener los requerimientos de los peces, las plantas y los microbios están teniendo sus requerimientos más que satisfechos (Lennard 2017). La diferencia cuando se trata de las plantas, sin embargo, es su necesidad de que la mezcla correcta y la fuerza de los nutrientes estén presentes para permitir un acceso optimizado a los nutrientes y la absorción (ya sea independiente o asistida por microbianos), lo que conduce a un crecimiento eficiente y rápido. Por lo tanto, los sistemas acuapónicos desacoplados pueden ser más atractivos debido a la percepción de que permiten una entrega de nutrientes más exigente a las plantas (Goddek et al. 2016). Los piensos para peces y, por lo tanto, los residuos de pescado no contienen la mezcla correcta de nutrientes para satisfacer las necesidades de las plantas (Rakocy et al. 2006). Por lo tanto, el diseño del sistema acuapónico debe tener en cuenta los nutrientes que faltan y complementarlos. Los sistemas acuapónicos totalmente recirculantes generalmente complementan los nutrientes añadiéndolos en las especies de sal utilizadas para controlar el régimen diario de amortiguación del pH; la porción básica de la sal ajusta el pH y la parte positiva de la sal permite la suplementación de nutrientes vegetales faltantes (p. ej. potasio, calcio, magnesio) (Rakocy y otros 2006). Los diseños aquapónicos desacoplados toman las aguas residuales y los residuos sólidos asociados del componente de pescado y ajustan el agua para contener los nutrientes necesarios para la producción de plantas mediante la adición de nutrientes en diferentes formas (Goddek et al. 2016). Estas adiciones nutritivas se basan generalmente en el uso de especies estándar de sal hidropónica que no necesariamente proporcionan ningún resultado de ajuste del pH (por ejemplo, fosfato de calcio, sulfato de calcio, fosfato de potasio, etc.).

El camino hacia el crecimiento eficiente de las plantas en los sistemas acuapónicos es proporcionar un perfil de nutrientes acuáticos que proporcione todos los nutrientes que la planta requiere (mezcla) en las fortalezas requeridas (concentración) (Lennard 2017). En diseños acuapónicos totalmente recirculantes, o diseños aquapónicos desacoplados que no aplican métodos de esterilización, parece haber menos requisito para satisfacer las concentraciones de nutrientes o fortalezas aplicadas en hidroponía estándar, ya que la naturaleza ecológica del sistema asocia a muchas microflora con las raíces de las plantas y estas microflora ayudan a acceder a los nutrientes de las plantas (Lennard 2017). En el caso de los diseños acuapónicos desacoplados u otros, que aplican esterilización al componente de la planta y siguen un enfoque análogo hidropónico estándar, parece haber un requisito para tratar de abordar las concentraciones estándar de nutrientes hidropónicos (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). El compromiso, sin embargo, con el enfoque desacoplado es que conduce a relaciones de suplementación externa mucho más allá de las de la recirculación completa de diseños aquapónicos; los diseños europeos desacoplados actualmente promedian un 50% o más de adiciones nutritivas externas (COST FA1305 2017; Goddek y Keesman 2018), mientras que el UVI suministra menos del 20%, y otros sistemas pueden suministrar menos del 10% de suplementación de nutrientes externos (Lennard 2017).

Independientemente del método, todos los sistemas acuapónicos deben esforzarse por suministrar a las plantas la nutrición necesaria para un crecimiento optimizado, a fin de proporcionar a la empresa las mayores posibilidades de viabilidad financiera. En este contexto, el contenido de nutrientes y la fuerza del agua que se suministra a las plantas es muy importante y se deben utilizar pruebas periódicas de nutrientes del agua para que la mezcla de nutrientes y la fuerza puedan mantenerse y gestionarse como un requisito muy importante de calidad del agua.