6.6 Sólidos y lodos suspendidos

Los parámetros para operar la acuapónica en una escala determinada, incluidos el volumen del agua, la temperatura, los caudales y los caudales, el pH, las edades y densidades de los peces y los cultivos, afectan a la distribución temporal y espacial de las comunidades microbianas que se desarrollan dentro de sus compartimentos, para revisiones: RAS (Blancheton et al. 2013); hidroponía (Lee y Lee 2015).

Además de controlar el oxígeno disuelto, los niveles de dióxido de carbono y el pH en acuapónica, también es esencial controlar la acumulación de sólidos en el sistema RAS, ya que las partículas finas en suspensión pueden adherirse a las branquias, causar abrasión y dificultad respiratoria y aumentar la susceptibilidad a la enfermedad (Yildiz et al. 2017) . Más relevante, la materia orgánica particulada (POM) debe eliminarse rápida y eficazmente de los sistemas RAS, de lo contrario un crecimiento heterotrófico excesivo causará que casi todos los procesos unitarios fallen. Las tasas de alimentación de RAS deben gestionarse cuidadosamente para minimizar la carga de sólidos en el sistema (por ejemplo, evitar la sobrealimentación y minimizar los costos de alimentación). Las propiedades biofísicas de los piensos (tamaño de partícula, contenido de nutrientes, digestibilidad, atractivo sensorial, densidad y tasa de sedimentación) determinan las tasas de ingestión y asimilación, lo que a su vez repercute en la acumulación de sólidos y, por tanto, en la calidad del agua. Aunque la calidad del agua se estudia con frecuencia en el contexto del ciclo de nutrientes (véase [Cap. 9](/comunidad/artículos/capítulo 9-nutrientes-cicling-in-aquaponics-systems)), también es importante comprender mejor la composición de las comunidades microbianas y los cambios en ellas basándose en la composición de los piensos, carga de partículas y cómo esto influye en el crecimiento de comunidades bacterianas heterotróficas y autotróficas.

Varias características de los diseños de sistemas RAS se han desarrollado específicamente para tratar con sólidos (Timmons y Ebeling 2013); véase también revisión: (Vilbergsson et al. 2016b). Por ejemplo, algunos biofiltros funcionan para mantener suspendidas porciones sustanciales de desechos a fin de facilitar la degradación, mientras que otros filtran mecánicamente a través de pantallas o medios granulares. Otros dependen de la sedimentación para simplemente recoger y eliminar lodos. Sin embargo, estos métodos no son particularmente eficaces para recuperar nutrientes dentro del lodo y hacer que sea biodisponible para uso vegetal. Históricamente, este lodo ha sido manejado en biorreactores por su valor metanogénico o deshidratado para ser utilizado como fertilizante para cultivos a base de suelo, pero varios diseños más recientes han intentado mejorar la recuperación para su uso en el componente hidropónico. La mejora de la recuperación de este lodo es un área importante de investigación, dado que una parte significativa de los macro y micronutrientes esenciales necesarios para el crecimiento de las plantas están ligados a la materia orgánica particulada que, si se desecha, se pierde del sistema. Al agregar un bucle adicional de reciclaje de lodos al sistema acuapónico, los desechos sólidos pueden convertirse en nutrientes disueltos para su reutilización por las plantas en lugar de ser descartados (Goddek et al. 2018). Los digestores o los biorreactores remineralizantes son una forma de lograrlo, sin embargo, una de las áreas clave que actualmente está subdesarrolladas incluye el conocimiento de cómo las comunidades microbianas dentro de estos digestores de lodos pueden mejorarse (por ejemplo, mediante la adición de microbios) o utilizarse mejor (por ejemplo, mediante una mejor diseño diseñado de reactores vinculados) para recuperar nutrientes en formas biodisponibles para las plantas. Aunque las comunidades microbianas actuales dentro de los digestores de lodos no han sido bien investigadas para la acuapónica, existe una considerable literatura sobre la microbiota de digestores de lodos para aguas residuales y desechos animales en la agricultura, incluidos los efluentes de peces, que puede proporcionar una mayor comprensión de los diseños ideales para recuperación de lodos en el sistema acuapónico. La investigación actual sobre la incorporación de lodos en el sistema acuapónico implica la remineralización en digestores situados entre el RAS y la unidad hidropónica (Goddek et al. 2016a, 2018). Dentro de los biorreactores aeróbicos o anaeróbicos, las condiciones ambientales favorables para la degradación de los residuos pueden descomponer eficazmente este lodo en nutrientes biodisponibles, que posteriormente pueden ser entregados al sistema hidropónico sin la presencia de suelo (Monsees et al. 2017). Muchos sistemas acuapónicos de un bucle ya incluyen digestores aeróbicos (Rakocy et al. 2004) y anaeróbicos (Yogev et al. 2016) para transformar los nutrientes que están atrapados en el lodo de los peces y hacerlos biodisponibles para las plantas. La capacidad de desacoplarlos tiene una serie de ventajas que se analizan más a fondo en [Cap. 8](/comunidad/artículos/capter-8-sistemas aquapónicos desacoplados) y parece conducir a tasas de crecimiento más altas (Goddek y Vermeulen 2018). Sin embargo, a pesar de los muchos avances, la tecnología real para lograr esto sigue siendo un reto. Por ejemplo, algunas bacterias desnitrificantes heterotróficas cultivadas en condiciones anóxicas o incluso aeróbicas con lodos de RAS utilizarán nitrato como receptor de electrones y fuentes de carbono oxidado para obtener energía, mientras almacenan el exceso de P como polifosfato junto con iones metálicos divalentes como Casup+2/SUP o CuSup+2/SUP. Cuando se estresan al pH alcalino, estas bacterias degradan el polifosfato y liberan ortofosfato, que es la forma necesaria para la asimilación del fosfato por las plantas (Van Rijn et al. 2006). La inserción de unidades de biorreactores de remineralización, como las de Goddek et al. (2018), podría proporcionar una mejor recuperación de P para hidroponía. Se han utilizado métodos similares, por ejemplo, con lodos de trucha procedentes de un RAS que fueron tratados para tener contenido de nitratos y P en exceso de los límites permitidos de eliminación (Goddek et al. 2015). Sin embargo, las comunidades microbianas involucradas en estos procesos son sensibles a condiciones de cultivo tales como relaciones C:N, oxigenación, iones metálicos y pH, por lo que los nitritos y otros intermedios nocivos pueden acumularse. A pesar de la amplia literatura sobre digestores de diversos desechos orgánicos, principalmente anaeróbicos para la producción de biogás (Ibrahim et al. 2016), hay mucha menos investigación sobre el tratamiento de residuos de RAS (Van Rijn 2013), y en el caso del sistema acuapónico, aún menos investigación disponible sobre la relación entre nutrientes biodisponibilidad y crecimiento de cultivos en el sistema hidropónico (Möller y Müller 2012). En este momento, más estudios de biorreactores de lodos RAS podrían proporcionar información importante sobre las condiciones de cultivo para las poblaciones microbianas que producen resultados favorables, por ejemplo, sobre la recuperación de P y su introducción en unidades hidropónicas.

Uno de los desafíos actuales en los esfuerzos para evaluar la recuperación de P del lodo surge al comparar ensayos de digestores anaeróbicos y aeróbicos por su eficacia (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). Aunque ambos estudios utilizaron una composición similar de lodos inicialmente, los resultados fueron bastante diferentes. En un estudio (Monsees et al. 2017), las medidas de diversos nutrientes solubles en tratamientos aeróbicos dieron como resultado un aumento del 330% en la concentración de P y una disminución del 16% en la concentración de nitratos en comparación con incrementos menores en P y una disminución del 97% en nitrato en tratamientos anaeróbicos. Por el contrario, los resultados de un estudio similar (Goddek et al. 2016b) mostraron que el crecimiento de plantas de lechuga en una unidad hidropónica fue superior utilizando sobrenadante anaeróbico, aunque tanto los tratamientos anaeróbicos como aeróbicos solo resultaron en una recuperación ligeramente mejor de nitrato de condiciones anaeróbicas y una pérdida casi completa de PoSub4/sub de ambos tratamientos (Goddek et al. 2016b). Obviamente, factores como la composición y las tasas del alimento, la suspensión versus la sedimentación de sólidos, el pH (mantenido a 7 ± 1 con CaohSub2/sub en el primero y la variable 8.2—8.65 en el segundo), el muestreo y las cepas de peces difieren en estos dos estudios. Sin embargo, los resultados contrastantes para PoSub4/sub y NoSub3/sub indican la necesidad de seguir investigando para optimizar la recuperación de nutrientes, con la adición de un enfoque metagenómico para caracterizar las comunidades microbianas con el fin de comprender mejor su papel en estos procesos.