9.3 Procesos microbiológicos
9.3.1 Solubilización
La solubilización consiste en la descomposición de las moléculas orgánicas complejas que componen los residuos de pescado y alimentan las sobras en nutrientes en forma de minerales iónicos que las plantas pueden absorber (Goddek et al. 2015; Somerville et al. 2014). Tanto en acuicultura (Sugita et al. 2005; Turcios y Papenbrock 2014) como en acuapónica, la solubilización se realiza principalmente por bacterias heterotróficas (van Rijn 2013; cap. 6) que aún no han sido identificadas completamente (Goddek et al. 2015). Algunos estudios han comenzado a descifrar la complejidad de estas comunidades bacterianas (Schmautz et al. 2017). En la acuicultura actual, las bacterias más observadas son Rhizobium sp., Flavobacterium sp., Sphingobacterium sp., Comamonas sp., Acinetobacter sp., Aeromonas sp. y Pseudomonas sp. (Munguia-Fragozo y otros 2015; Sugita y otros 2005). Un ejemplo del papel principal de las bacterias en la acuapónica podría ser la transformación de fitatos insolubles en fósforo (P) puesto a disposición para la absorción de las plantas a través de la producción de fitasas que están particularmente presentes en γ-proteobacteria (Jorquera et al. 2008). (Es necesario realizar más investigaciones en este ámbito). Otros nutrientes que P también pueden ser atrapados como sólidos y evacuados del sistema con el lodo. Así, se están haciendo esfuerzos para remineralizar este lodo con reactores UASB-EGSB a fin de reinyectar nutrientes en el sistema acuapónico (Delaide 2017; Goddek et al. 2016; [Cap. 10](/comunidad/articles/capítulo-10-tratamientos aeróbicos y anaeróbicos para-acuapónicos reducción-mineralización). Además, no se liberan diferentes minerales a la misma velocidad, dependiendo de la composición del pienso (Leteliergordo et al. 2015), lo que lleva a un seguimiento más complicado de su concentración en la solución acuapónica (Seawright et al. 1998).
9.3.2 Nitrificación
La principal fuente de nitrógeno en un sistema acuapónico es el alimento para peces y las proteínas que contiene (Goddek et al. 2015; Ru et al. 2017; Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017). Idealmente, el 100% de este alimento debe ser consumido por los peces. Sin embargo, se ha observado que los peces sólo utilizan alrededor del 30% del nitrógeno contenido en el alimento dado (Rafiee y Saad 2005). El alimento ingerido se utiliza parcialmente para la asimilación y el metabolismo (Wongkiew et al. 2017), mientras que el resto se excreta ya sea a través de las branquias o como orina y heces (Ru et al. 2017). El nitrógeno que se excreta a través de las branquias es principalmente en forma de amoníaco, NHSub3/sub (Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017), mientras que la orina y las heces están compuestas por nitrógeno orgánico (Wongkiew et al. 2017) que se transforma en amoníaco por proteasas y deaminasas (Sugita et al. 2005). En general, los peces excretan nitrógeno bajo la forma de TAN, es decir, NHSub3/sub y NHSub4/SubSUP+/SUP. El equilibrio entre NHSub3/sub y NHSub4/SubSUP+/SUP depende principalmente del pH y la temperatura. El amoníaco es el principal desperdicio producido por el catabolismo de los peces de las proteínas alimentarias (Yildiz et al. 2017).
La nitrificación es un proceso de dos pasos durante el cual el amoníaco NHsub3/sub o NHsub4/subsup+/Sup de amonio excretado por los peces se transforma primero en nitrito NoSub2/SubSUP-/SUP y luego en nitrato NOSub3/Subsup-/Sup por bacterias autotróficas aeróbicas quimiosintéticas específicas. Se requiere una alta disponibilidad de oxígeno disuelto ya que la nitrificación consume oxígeno (Carsiotis y Khanna 1989; Madigan y Martinko 2007; Shoda 2014). El primer paso de esta transformación se lleva a cabo por bacterias oxidantes de amoníaco (AOB) como Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus y Nitrosovibrio. El segundo paso es realizado por bacterias oxidantes de nitritos (NOB) como Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira y Nitrospina (Rurangwa y Verdegem 2013; Timmons y Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Nitrospira se deduce actualmente como un nitrificador completo, es decir, que participa en la producción de nitrito y nitrato (Daims et al. 2015). Las mismas bacterias se pueden encontrar tanto en la acuicultura como en los sistemas acuapónicos (Wongkiew et al. 2017). Estas bacterias se encuentran principalmente en biofilms fijados a los medios que componen el biofiltro, pero también se pueden observar en los otros compartimentos del sistema (Timmons y Ebeling 2013).
La nitrificación es de suma importancia en la acuapónica, ya que el amoníaco y el nitrito son bastante tóxicos para los peces: 0,02—0,07 mg/L de amoníaco-nitrógeno son suficientes para observar daños en peces de agua tibia, y el nitrito-nitrógeno debe mantenerse por debajo de 1 mg/L (Losordo et al. 1998; Timmons y Ebeling 2013). El amoníaco afecta el sistema nervioso central de los peces (Randall y Tsui 2002; Timmons y Ebeling 2013), mientras que el nitrito induce problemas con la fijación del oxígeno (Losordo et al. 1998). Sin embargo, el nitrato — nitrógeno es tolerado por los peces hasta 150—300 mg/L (Goddek et al. 2015; Graber y Junge 2009; Yildiz et al. 2017).
La nitrificación se realiza principalmente en biofiltros (Losordo et al. 1998; Timmons y Ebeling 2013). Por lo tanto, al iniciar un sistema, se recomienda ejecutar el sistema sin peces para permitir que se establezca la población de bacterias nitrificantes de crecimiento lento (Timmons y Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). También es necesario evitar, en la medida de lo posible, la presencia de materia orgánica en los biofiltros para evitar el crecimiento de bacterias heterotróficas altamente competitivas (Timmons y Ebeling 2013). Alternativamente, se pueden agregar mezclas comerciales de bacterias nitrificantes al sistema, antes de su almacenamiento, para acelerar el proceso de colonización (Kuhn et al. 2010). Sin embargo, también existen pequeños sistemas acuapónicos sin biofiltro. En estos sistemas, las bacterias nitrificantes forman biofilms de las superficies disponibles (por ejemplo, paredes de compartimentos hidropónicos, medios inertes cuando se utiliza la técnica del lecho de medios) (Somerville et al. 2014).