Aqu @teach: Sistemas hidropónicos

Existen tres tipos principales de sistemas hidropónicos (véase también Módulo 1). En la hidroponía de lecho mediático las plantas crecen en un sustrato. En los sistemas de técnica de película nutritiva (NFT) las plantas crecen con sus raíces en tubos anchos suministrados con un chorrito de agua. En el cultivo de aguas profundas (DWC) o sistemas de balsas flotantes, las plantas se suspenden sobre un tanque de agua utilizando una balsa flotante. Cada tipo tiene sus ventajas y desventajas que se discuten con más detalle a continuación. La evidencia es algo contradictoria en términos de su eficiencia relativa para la producción de cultivos en sistemas acuapónicos. Lennard y Leonard (2006) compararon los tres subsistemas hidropónicos para la producción de lechuga y encontraron la producción más alta en los medios de grava, seguidos por DWC y NFT. Sin embargo, estudios posteriores de Pantanella et al. 2012 encontraron que la NFT se desempeñó así como la DWC, mientras que la cama de medios de comunicación consistentemente infravaloró en términos de rendimiento.

En cuanto al papel del diseño del componente hidropónico en el rendimiento general y el consumo de agua de los sistemas acuapónicos, una revisión bibliográfica realizada por Maucieri et al. 2018 encontró que la NFT es menos eficiente que la cama media o la hidroponía DWC, aunque los resultados no fueron inequívocos. El componente hidropónico influye directamente en la calidad del agua, que es esencial para la cría de peces, y es también la principal fuente de pérdida de agua por evapotranspiración vegetal. Por lo tanto, el diseño del componente hidropónico influye en la sostenibilidad de todo el proceso, ya sea directamente en términos de consumo de agua y/o indirectamente en términos de costes de gestión del sistema. La elección del componente hidropónico para un sistema aquapónico también influirá en el diseño de todo el sistema. Por ejemplo, en los sistemas de lecho de medios el sustrato generalmente proporciona suficiente área superficial para el crecimiento y filtración de bacterias, mientras que en los canales NFT el área superficial es insuficiente y será necesario instalar biofiltros adicionales (Maucieri et al. 2018).

Medios de cama hidroponía

En la hidropónica de lecho mediático, se utiliza un medio de cultivo sin suelo o sustrato para ayudar a las raíces a soportar el peso de la planta. La cama multimedia también sirve como filtro biológico y físico. De los subsistemas hidropónicos, los lechos de medios tienen la filtración biológica más eficiente debido a la gran superficie donde la biopelícula, que contiene nitrificante y otras bacterias, puede colonizar. El sustrato también captura los residuos sólidos y suspendidos de peces y otras partículas orgánicas flotantes, aunque la efectividad de este filtro físico dependerá del tamaño de partícula y grano del sustrato, y del caudal de agua. Con el tiempo, las partículas orgánicas se descomponen lentamente por procesos biológicos y físicos en moléculas e iones simples que están disponibles para que las plantas puedan absorber (Somerville et al. 2014b).

El sustrato puede ser orgánico, inorgánico, natural o sintético (Figura 1), y está alojado en recipientes de cultivo de diferentes formas. Necesita tener una superficie adecuada mientras permanece permeable para el agua y el aire, permitiendo así que las bacterias crezcan, el agua fluya y las raíces de las plantas respiren. Debe ser no tóxico, tener un pH neutro para no afectar la calidad del agua y ser resistente al crecimiento del moho. Tampoco debe ser tan ligero que flote. La retención de agua, la aireación y el equilibrio de pH son aspectos que varían según el sustrato. El agua se retiene en la superficie de las partículas y dentro del espacio de los poros, por lo que la retención de agua se determina por el tamaño, la forma y la porosidad de las partículas. Cuanto más pequeñas sean las partículas, más cerca están empacadas, mayor será la superficie y el espacio de los poros, y por lo tanto mayor será la retención de agua. Las partículas de forma irregular tienen una mayor superficie y, por lo tanto, una mayor retención de agua que las partículas lisas y redondas. Los materiales porosos pueden almacenar agua dentro de las partículas mismas; por lo tanto, la retención de agua es alta. Si bien el sustrato debe ser capaz de una buena retención de agua, también debe ser capaz de un buen drenaje. Por lo tanto, deben evitarse los materiales excesivamente finos para evitar la retención excesiva de agua y la falta de movimiento de oxígeno dentro del sustrato. Todos los sustratos deben limpiarse periódicamente (Resh 2013).

Los sustratos también se pueden clasificar como granulares o fibrosos. Los sustratos granulares incluyen agregados de arcilla expandida ligera, grava, vermiculita, perlita y piedra pómez. Los sustratos fibrosos incluyen lana de roca y fibra de coco. El agua se mantiene principalmente en el espacio de microporos de un sustrato, mientras que los macróporos facilitan el drenaje rápido y la entrada de aire (Drzal et al. 1999). Por lo tanto, es esencial una combinación adecuada de poros grandes y pequeños (Raviv et al. 2002). Los sustratos granulares tienen una alta macroporosidad (disponibilidad de aire) pero comparativamente baja microporosidad (disponibilidad de agua), mientras que los sustratos fibrosos tienen una alta microporosidad pero relativamente baja macroporosidad.

El agregado de arcilla expandida ligera (LECA) es muy ligero en comparación con otros sustratos, lo que lo hace ideal para acuapónica en tejados. Viene en una variedad de tamaños; los tamaños más grandes con diámetros de 8-20 mm se recomiendan para acuapónica (Somerville et al. 2014). Los espacios de poros más grandes (macroporosidad) significan una mejor percolación de la solución a través del sustrato y un mejor suministro de aire, incluso cuando las biopelículas cubren las superficies. Sin embargo, LECA tiene microporos pequeños y, por lo tanto, no tiene buena capacidad de retención de agua.

La grava volcánica (toba) tiene una relación superficie muy alta y volumen que proporciona un amplio espacio para la colonización de las bacterias, y es casi químicamente inerte, a excepción de pequeñas liberaciones de microelementos como hierro y magnesio y la absorción de iones de fosfato y potasio en los primeros meses. El tamaño recomendado de la grava volcánica es de 8-20 mm de diámetro. Es probable que la grava más pequeña se obstruya con residuos sólidos, mientras que la grava más grande no ofrece la superficie necesaria ni el soporte de la planta (Somerville et al. 2014b).

La grava caliza no se recomienda como sustrato, aunque a veces se usa. La piedra caliza tiene una relación superficie-volumen más baja que la grava volcánica, es comparativamente pesada y no es inerte. La piedra caliza se compone principalmente de carbonato de calcio (CaCo₃), que se disuelve en agua. Esto aumentará el pH y, por lo tanto, solo debe utilizarse cuando las fuentes de agua sean muy bajas en alcalinidad o ácidas. Sin embargo, una pequeña adición de piedra caliza puede ayudar a contrarrestar el efecto acidificante de las bacterias nitrificantes, lo que puede compensar la necesidad de un amortiguador regular de agua en sistemas aquapónicos bien equilibrados (Somerville et al. 2014b).

La vermiculita es un mineral micáceo que se expande cuando se calienta por encima de 1000 °C. El agua se convierte en vapor, formando pequeños granos porosos, similares a una esponja. La vermiculita es muy ligera en peso y puede absorber grandes cantidades de agua. Químicamente, es un silicato hidratado de magnesio, aluminio y hierro. Es neutral en reacción con buenas propiedades tampón, y tiene una capacidad de intercambio catiónico relativamente alta y por lo tanto puede mantener los nutrientes en reserva y luego liberarlos. También contiene un poco de magnesio y potasio, que está disponible para las plantas (Resh 2013).

La perlita es un material silíceo de origen volcánico, extraído de flujos de lava. Se calienta a 760 ºC, lo que convierte la pequeña cantidad de agua en vapor, expandiendo así las partículas a pequeños granos similares a una esponja. La perlita es muy ligera y aguanta de tres a cuatro veces su peso de agua. Es esencialmente neutro, con un pH de 6.0—8.0, pero sin capacidad de amortiguación; a diferencia de la vermiculita, no tiene capacidad de intercambio catiónico y no contiene nutrientes menores. No debe usarse solo, sino mezclarse con otro sustrato para mejorar el drenaje y la aireación y evitar así la acumulación de nutrientes y los problemas de toxicidad posteriores, al tiempo que proporciona un ambiente rico en oxígeno para que las raíces prosperen (Resh 2013).

La piedra pómez, como la perlita, es un material silíceo de origen volcánico y tiene esencialmente las mismas propiedades. Sin embargo, es el mineral crudo después del triturado y cribado, sin ningún proceso de calentamiento, y por lo tanto es más pesado y no absorbe agua tan fácilmente, ya que no ha sido hidratado (Resh 2013).

La lana de roca está hecha de roca de basalto que se funde en hornos a una temperatura de 1500 ºC. El basalto líquido es entonces hilado en hilos y comprimido en paquetes de lana que se cortan en losas, bloques o tapones. La mayor parte de la rápida expansión de la industria de los invernaderos en las últimas dos décadas ha sido con la cultura de lana de roca. Sin embargo, en los últimos años se ha planteado preocupación por su eliminación, ya que no se descompone en los vertederos. Ahora muchos cultivadores están recurriendo a un sustrato más sostenible: la fibra de coco (Resh 2013).

La fibra de coco (o coco) es un sustrato orgánico derivado de cáscaras de coco deshilachadas y molidas. Está cerca del pH neutro y retiene agua al tiempo que permite una buena cantidad de oxígeno para las raíces (Resh 2013).

Tabla 1: Características de los diferentes medios de cultivo (después de Somerville et al. 2014b)

Dependiendo del tipo de sustrato, ocupará aproximadamente 30-60 por ciento del volumen total de la cama media. La profundidad del lecho de medios es importante porque controla la cantidad de volumen de espacio radicular en la unidad, que a su vez determina los tipos de vegetales que se pueden cultivar. Las verduras fructíferas grandes como los tomates, el okra y el repollo necesitarán una profundidad de sustrato de 30 cm para permitir suficiente espacio en las raíces y evitar las deficiencias de nutrientes. Las verduras de hoja pequeña y verde solo requieren 15-20 cm de profundidad del sustrato (Somerville et al. 2014b).

Figura 2: Trasplantes de tomate que crecen en un sistema de contenedores de lecho mediático con riego por goteo y sustrato LECA < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

Existen diferentes técnicas para la entrega de agua enriquecida con nutrientes a las camas de medios. Simplemente se puede gotear de goteros unidos a tuberías distribuidas uniformemente en el medio (ver Figura 2). Alternativamente, un método llamado inundación y drenaje (o reflujo y flujo) hace que los lechos de medios sean inundados periódicamente con agua que luego drena de nuevo a un depósito. La alternancia entre inundación y drenaje asegura que las plantas tengan nutrientes frescos y un flujo de aire adecuado en la zona radicular, lo que repone los niveles de oxígeno. También asegura que haya suficiente humedad en la cama en todo momento para que las bacterias puedan prosperar en sus condiciones óptimas. La naturaleza de un lecho de medios de inundación y drenaje crea tres zonas separadas que se diferencian por su contenido de agua y oxígeno (Somerville et al. 2014b:

• La parte superior de 2-5 cm es la zona seca, que funciona como barrera de luz, minimizando la evaporación y evitando que la luz golpee directamente el agua, lo que puede conducir al crecimiento de algas. También previene el crecimiento de hongos y bacterias dañinas en la base del tallo de la planta, lo que puede causar pudrición del collar y otras enfermedades.

• La zona seca y húmeda tiene tanto humedad como alto intercambio de gases. Esta es la zona de 10-20 cm donde la cama media se inunda y drena intermitentemente. Si no se utilizan técnicas de inundación y drenaje, esta zona será el camino a lo largo del cual el agua fluye a través del medio. La mayor parte de la actividad biológica ocurre en esta zona.

• La zona húmeda es la parte inferior de 3-5 cm de la cama que permanece permanentemente húmeda. Las pequeñas partículas de residuos sólidos se acumulan en esta zona, y por lo tanto los organismos que son más activos en la mineralización también se encuentran aquí, incluyendo bacterias heterotróficas y otros microorganismos que descomponen los residuos en fracciones y moléculas más pequeñas que pueden ser absorbidas por las plantas mediante el proceso de mineralización (Somerville et al. 2014b).

Técnica de Película Nutriente (NFT)

NFT es un sistema de cultivo de soluciones en el que una película delgada (de dos a tres milímetros de profundidad) fluye continuamente a lo largo de la base de pequeños canales en los que se asientan los sistemas radiculares. Con NFT, el objetivo es que parte de la estera radicular en desarrollo esté en el flujo de nutrientes, pero las otras raíces se suspenden por encima de esto en el aire húmedo, accediendo al oxígeno sin ser sumergido (Somerville et al. 2014b).

Figura 3: Sistema de tuberías redondas NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Figura 4: Sistema de tuberías rectangulares NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Los canales a menudo son en forma de tuberías (Figura 3). Las tuberías con una sección rectangular (Figura 4) son las mejores, con un ancho mayor que la altura, ya que esto significa que un mayor volumen de agua golpea las raíces, lo que aumenta la absorción de nutrientes y el crecimiento de las plantas. Las verduras fructíferas más grandes y los policultivos (cultivando diferentes tipos de vegetales) requieren tuberías más grandes que las necesarias para verduras de hoja de crecimiento rápido y verduras pequeñas con pequeñas masas de raíces. La longitud de la tubería puede variar, pero vale la pena tener en cuenta que las deficiencias de nutrientes pueden ocurrir en las plantas hacia el final de tubos muy largos porque las primeras plantas ya han despojado los nutrientes (Figura 5). Se deben utilizar tubos blancos, ya que el color refleja los rayos del sol, manteniendo así el interior de las tuberías fresco. Los canales deben colocarse en una pendiente (Figura 5) para que la solución nutritiva fluya a un buen caudal, que para la mayoría de los sistemas es de alrededor de un litro/minuto (Somerville et al. 2014a).

Figura 5: Canales NFT inclinados. El canal NFT tiene 12,5 m de largo y fue alimentado con agua de la pecera adyacente. No se complementaron nutrientes. Se puede observar la creciente limitación de nutrientes a lo largo del canal

Los sistemas NFT se utilizan principalmente para producir cultivos de rotación rápida como lechuga, hierbas, fresas, verduras verdes, forrajes y microverdes.

Cultivo de aguas profundas (DWC)

DWC o sistema de balsa flotante es un tipo de sistema hidropónico en el que las plantas se suspenden por encima de un tanque utilizando una balsa flotante, y las raíces se sumergen en solución nutritiva y se airean a través de una bomba de aire. Sin embargo, a diferencia de los sistemas NFT, donde los nutrientes de la pequeña película de agua que fluye a nivel de la raíz se agotan rápidamente, el gran volumen de agua contenida en los canales DWC permite que las plantas utilicen cantidades considerables de nutrientes. Por lo tanto, la longitud de los canales no es un problema, y pueden oscilar entre uno y diez metros. La profundidad recomendada es de 30 cm para permitir un espacio adecuado en las raíces de la planta, aunque las hojas pequeñas como la lechuga solo requieren una profundidad de 10 cm o incluso menos. El caudal del agua que entra en cada canal es relativamente bajo, y generalmente cada canal tiene un tiempo de retención (la cantidad de tiempo que tarda en reemplazar toda el agua en un recipiente) de 1-4 horas. Esto permite una reposición adecuada de nutrientes en cada canal, aunque el volumen de agua y la cantidad de nutrientes en los canales profundos son suficientes para nutrir las plantas durante períodos más largos (Somerville et al. 2014b). Por otro lado, podría ser necesaria una aireación adicional, ya que los caudales no son lo suficientemente altos como para proporcionar suficiente oxígeno.

Algunas plantas, como la lechuga, prosperan en el agua y se cultivan comúnmente utilizando el cultivo de aguas profundas. DWC es el método más común para grandes operaciones comerciales que cultivan un cultivo específico (típicamente lechuga, hojas de ensalada o albahaca), y es más adecuado para la mecanización.

Figura 6: Albahaca y otras plantas que crecen en el sistema DWC en el invernadero CDC South Aquaponics en Brooks, Alberta (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

Aeroponía

En los sistemas aeropónicos, las plantas se cultivan y se nutren suspendiendo sus estructuras radiculares en el aire y pulverizándolas regularmente con una solución nutritiva. Existen dos tipos principales de sistemas aeropónicos: aeroponía de alta presión y aeroponía de baja presión, la principal diferencia es el tamaño de las gotas de la niebla utilizada en cada caso. La aeroponía a baja presión utiliza bombas de baja presión y flujo alto, mientras que la aeroponía de alta presión utiliza bombas de alta presión (alrededor de 120 PSI), de bajo flujo para atomizar el agua y crear gotas de agua de 50 micras o menos. En el caso de una niebla extremadamente fina que se asemeja a la niebla, el término «fogponics» se utiliza para designar un tercer tipo de sistema aeropónico. Las plantas cultivadas utilizando un sistema aeropónico tienden a crecer más rápido que las cultivadas en otros tipos de sistema hidropónico debido a su amplia exposición al aumento del oxígeno (Li et al. 2018).

*Copyright © Socios del Proyecto Aqu @teach. Aqu @teach es una asociación estratégica Erasmus+ en educación superior (2017-2020) dirigida por la Universidad de Greenwich, en colaboración con la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich (Suiza), la Universidad Técnica de Madrid (España), la Universidad de Liubliana y el Centro Biotécnico Naklo (Eslovenia) . *