Los cinco parámetros más importantes de calidad del agua

6 jul. 2020 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

Oxígeno

El oxígeno es esencial para los tres organismos involucrados en la acuapónica; las plantas, los peces y las bacterias nitrificantes necesitan oxígeno para vivir. El nivel de DO describe la cantidad de oxígeno molecular dentro del agua y se mide en miligramos por litro. Es el parámetro de calidad del agua el que tiene el efecto más inmediato y drástico sobre la acuapónica. De hecho, los peces pueden morir en cuestión de horas cuando se exponen a un bajo DO dentro de los tanques de peces. Por lo tanto, garantizar niveles adecuados de DO es crucial para la acuapónica. Aunque el monitoreo de los niveles de DO es muy importante, puede ser un reto porque los dispositivos de medición de DO precisos pueden ser muy costosos o difíciles de encontrar. A menudo es suficiente que las unidades de pequeña escala dependan en cambio de un seguimiento frecuente del comportamiento de los peces y del crecimiento de las plantas, y garanticen que las bombas de agua y aire circulen constantemente y aireen el agua.

El oxígeno se disuelve directamente en la superficie del agua de la atmósfera. En condiciones naturales, los peces pueden sobrevivir en tales aguas, pero en sistemas de producción intensiva con mayores densidades de peces, esta cantidad de difusión de DO es insuficiente para satisfacer las demandas de peces, plantas y bacterias. Por lo tanto, la DO debe complementarse mediante estrategias de gestión. Las dos estrategias para la acuapónica en pequeña escala son el uso de bombas de agua para crear un flujo dinámico de agua, y el uso de aireadores que producen burbujas de aire en el agua. El movimiento del agua y la aireación son aspectos críticos de cada unidad acuapónica, y su importancia no puede ser exagerada. Estos temas, incluidos los métodos de diseño y redundancia, se examinan más a fondo en el capítulo 4. Los niveles óptimos de DO para que cada organismo prospere son 5-8 mg/l (Figura 3.3). Algunas especies de peces, incluyendo la carpa y la tilapia, pueden tolerar niveles de DO tan bajos como 2-3 mg/l, pero es mucho más seguro tener los niveles más altos para la acuapónica, ya que los tres organismos exigen el uso de la DO en el agua.

La temperatura del agua y la DO tienen una relación única que puede afectar la producción de alimentos acuapónicos. A medida que aumenta la temperatura del agua, la solubilidad del oxígeno disminuye. Dicho de otra manera, la capacidad del agua para contener DO disminuye a medida que aumenta la temperatura; el agua tibia se mantiene

menos oxígeno que el agua fría (Figura 3.4). Como tal, se recomienda aumentar la aireación con bombas de aire en lugares cálidos o durante las épocas más calurosas del año, especialmente si se crían peces delicados.

pH

Un conocimiento general del pH es útil para la gestión de sistemas acuapónicos. El pH de una solución es una medida de cuán ácida o básica es la solución en una escala que oscila entre 1 y 14. Un pH de 7 es neutro; cualquier cosa por debajo de 7 es ácido, mientras que cualquier cosa por encima de 7 es básico. El término pH se define como la cantidad de iones de hidrógeno (H⁺) en una solución; cuantos más iones de hidrógeno, más ácidos.

En la Figura 3.5 se ilustran dos aspectos importantes de la escala de pH.

La escala de pH es negativa; un pH de 7 tiene menos iones de hidrógeno que un pH de 6.
La escala de pH es logarítmica; un pH de 7 tiene 10 veces menos iones de hidrógeno que un pH de 6, 100 veces menos que un pH de 5 y 1 000 veces menos que un pH de 4.

Por ejemplo, si el pH de una unidad acuapónica se registra como 7, y más tarde el valor se registra como 8, el agua ahora tiene diez veces menos iones H⁺ asociados libremente porque la escala es negativa y logarítmica. Es importante ser consciente de la naturaleza logarítmica de la escala de pH porque no es necesariamente intuitiva. Para el ejemplo anterior, si una lectura posterior mostrara que el pH era 9, el problema sería 100 veces peor, y por lo tanto hipercrítico, en lugar de ser sólo dos veces peor.

Importancia del pH

El pH del agua tiene un impacto importante en todos los aspectos de la acuapónica, especialmente en las plantas y bacterias. En el caso de las plantas, el pH controla el acceso de las plantas a micro- y macronutrientes. A un pH de 6.0-6.5, todos los nutrientes están fácilmente disponibles, pero fuera de este rango los nutrientes se vuelven difíciles de acceder a las plantas. De hecho, un pH de 7,5 puede conducir a deficiencias de nutrientes de hierro, fósforo y manganeso. Este fenómeno se conoce como bloqueo de nutrientes y se discute en el capítulo 6.

Las bacterias nitrificantes experimentan dificultades por debajo de un pH de 6, y la capacidad de la bacteria para convertir amoníaco en nitrato se reduce en condiciones de pH ácido y bajo. Esto puede conducir a una reducción de la biofiltración, y como resultado las bacterias disminuyen la conversión de amoníaco en nitrato, y los niveles de amoníaco pueden comenzar a aumentar, lo que lleva a un sistema desequilibrado estresante para los otros organismos.

Los peces también tienen rangos de tolerancia específicos para el pH, pero la mayoría de los peces utilizados en acuapónica tienen un rango de tolerancia de pH de 6.0-8.5. Sin embargo, el pH afecta la toxicidad del amoníaco para los peces, con un pH más alto que conduce a una mayor toxicidad. Este concepto se examina más a fondo en la sección 3.4. En conclusión, el agua acuapónica ideal es ligeramente ácida, con un rango de pH óptimo de 6-7. Este rango mantendrá a las bacterias funcionando a una alta capacidad, permitiendo a las plantas el acceso total a todos los micro- y macronutrientes esenciales. Los valores de pH entre 5,5 y 7,5 requieren atención y manipulación del manejo a través de medios lentos y medidos, discutidos en la Sección 3.5 y en el Capítulo 6. Sin embargo, un pH inferior a 5 o superior a 8 puede convertirse rápidamente en un problema crítico para todo el ecosistema y, por lo tanto, se requiere atención inmediata.

Hay muchos procesos biológicos y químicos que tienen lugar en un sistema acuapónico que afectan el pH del agua, algunos de manera más significativa que otros, incluyendo: el proceso de nitrificación, la densidad de la población de peces y el fitoplancton.

El proceso de nitrificación

El proceso de nitrificación de bacterias disminuye naturalmente el pH de un sistema acuapónico. Las concentraciones débiles de ácido nítrico se producen a partir del proceso de nitrificación a medida que las bacterias liberan iones de hidrógeno durante la conversión del amoníaco a nitrato. Con el tiempo, el sistema aquapónico gradualmente se volverá más ácido principalmente como resultado de esta actividad bacteriana.

Densidad de calce de peces

La respiración, o respiración, de los peces libera dióxido de carbono (CO₂) en el agua. Este dióxido de carbono reduce el pH porque el dióxido de carbono se convierte naturalmente en ácido carbónico (H₂CO₃) al entrar en contacto con el agua. Cuanto mayor sea la densidad de población de peces de la unidad, más dióxido de carbono se liberará, lo que reducirá el nivel de pH general. Este efecto aumenta cuando los peces están más activos, como a temperaturas más cálidas.

Fitoplancton

La respiración de los peces reduce el pH liberando dióxido de carbono en el agua; por el contrario, la fotosíntesis de plancton, algas y plantas acuáticas elimina el dióxido de carbono del agua y eleva el pH. El efecto de las algas sobre el pH sigue un patrón diario, donde el pH aumenta durante el día a medida que las plantas acuáticas fotosintetizan y eliminan el ácido carbónico, y luego cae durante la noche a medida que las plantas respiren y liberan ácido carbónico. Por lo tanto, el pH es mínimo al amanecer y máximo al atardecer. En los sistemas RAS estándar o aquapónicos, los niveles de fitoplancton son generalmente bajos y, por lo tanto, el ciclo de pH diario no se ve afectado. Sin embargo, algunas técnicas acuícolas, como la acuicultura en estanques y algunas técnicas de cría de peces, utilizan deliberadamente el fitoplancton, por lo que el momento de la monitorización debe elegirse sabiamente.

Temperatura

La temperatura del agua afecta a todos los aspectos de los sistemas acuapónicos. En general, un rango de compromiso general es de 18-30 °C. La temperatura tiene un efecto sobre la DO, así como sobre la toxicidad (ionización) del amoníaco; las altas temperaturas tienen menos DO y más amoníaco (tóxico) unionizado. Además, las altas temperaturas pueden restringir la absorción de calcio en las plantas. La combinación de peces y plantas debe elegirse para que coincida con la temperatura ambiente para la ubicación de los sistemas, y cambiar la temperatura del agua puede ser muy intensivo y costoso. Los peces de agua caliente (por ejemplo, tilapia, carpa común, bagre) y las bacterias nitrificantes prosperan a temperaturas más altas del agua de 22-29 °C, al igual que algunas verduras populares como el okra, las coles asiáticas y la albahaca. Por el contrario, algunas verduras comunes como la lechuga, la acelga suiza y los pepinos crecen mejor en temperaturas más frías de 18-26 °C, y los peces de agua fría como la trucha no toleran temperaturas superiores a 18 °C. Para obtener más información sobre los rangos de temperatura óptimos para plantas y peces individuales, véanse los capítulos 6 y 7 sobre la producción de plantas y pescado, respectivamente, y el apéndice 1 para información clave sobre el cultivo de 12 hortalizas populares.

Aunque es mejor elegir plantas y peces ya adaptados al clima local, existen técnicas de manejo que pueden minimizar las fluctuaciones de temperatura y extender la temporada de cultivo. Los sistemas también son más productivos si las fluctuaciones diarias, de día a noche, de temperatura son mínimas. Por lo tanto, la superficie del agua en sí misma, en todos los tanques de peces, unidades hidropónicas y biofiltros, debe protegerse del sol utilizando estructuras de sombra. Del mismo modo, la unidad puede protegerse térmicamente utilizando aislamiento contra temperaturas nocturnas frías dondequiera que ocurran. Alternativamente, existen métodos para calentar pasivamente las unidades acuapónicas utilizando invernaderos o energía solar con tuberías agrícolas enrolladas, que son más útiles cuando las temperaturas son inferiores a 15 °C; estos métodos se describen con más detalle en los capítulos 4 y 9.

También es posible adoptar una estrategia de producción pesquera para atender las diferencias de temperatura entre invierno y verano, especialmente si la temporada invernal tiene temperaturas medias inferiores a 15 °C durante más de tres meses. Por lo general, esto significa que durante el invierno se cultivan peces y plantas adaptados al frío, y el sistema se cambia a peces y plantas de agua caliente a medida que las temperaturas suben de nuevo en primavera. Si estos métodos no son factibles durante las estaciones frías de invierno, también es posible simplemente cosechar los peces y las plantas al comienzo del invierno y apagar los sistemas hasta la primavera. Durante las temporadas de verano con temperaturas extremadamente cálidas (más de 35 °C), es esencial seleccionar los peces y plantas adecuados para crecer (ver Capítulos 6 y 7) y sombrear todos los recipientes y el espacio de cultivo de la planta.

Nitrógeno total: amoníaco, nitrito, nitrato

El nitrógeno es el cuarto parámetro crucial para la calidad del agua. Es requerido por toda la vida, y parte de todas las proteínas. El nitrógeno ingresa originalmente en un sistema acuapónico a partir de los piensos para peces, generalmente etiquetados como proteína cruda y medido como porcentaje. Parte de esta proteína es utilizada por los peces para el crecimiento, y el resto es liberado por los peces como desperdicio. Este residuo es principalmente en forma de amoníaco (NH₃) y se libera a través de las branquias y como orina. También se liberan desechos sólidos, algunos de los cuales se convierten en amoníaco por actividad microbiana. Este amoníaco es entonces nitrificado por bacterias, discutido en la sección 2.1, y convertido en nitrito (NO₂^-) y nitrato (NO₃^-). Los desechos nitrogenados son venenosos para los peces en determinadas concentraciones, aunque el amoníaco y el nitrito son aproximadamente 100 veces más venenosos que el nitrato. Aunque son tóxicos para los peces, los compuestos de nitrógeno son nutritivos para las plantas, y de hecho son el componente básico de los fertilizantes vegetales. Las tres formas de nitrógeno (NH₃, NO₂^- y NO₃^- ) pueden ser utilizadas por las plantas, pero el nitrato es, con mucho, el más accesible. En una unidad aquapónica en pleno funcionamiento con biofiltración adecuada, los niveles de amoníaco y nitrito deben ser cercanos a cero, o como máximo 0,25-1,0 mg/litro. Las bacterias presentes en el biofiltro deben convertir casi todo el amoníaco y el nitrito en nitrato antes de que se produzca cualquier acumulación.

Impactos del alto amoníaco

El amoníaco es tóxico para los peces. La tilapia y la carpa pueden mostrar síntomas de intoxicación por amoníaco a niveles tan bajos como 1,0 mg/litro. La exposición prolongada a este nivel o por encima de él causará daños en el sistema nervioso central y las branquias de los peces, resultando en pérdida de equilibrio, alteración de la respiración y convulsiones. El daño a las branquias, a menudo evidenciado por la coloración roja y la inflamación de las branquias, restringirá el correcto funcionamiento de otros procesos fisiológicos, conduciendo a un sistema inmunológico suprimido y a la muerte eventual. Otros síntomas incluyen rayas rojas en el cuerpo, letargo y jadeo en la superficie en busca de aire. En niveles más altos de amoníaco, los efectos son inmediatos y numerosas muertes pueden ocurrir rápidamente. Sin embargo, los niveles más bajos a lo largo de un período prolongado pueden dar lugar a estrés de los peces, aumento de la incidencia de enfermedades y mayor pérdida de peces.

Como se mencionó anteriormente, la toxicidad del amoníaco depende en realidad tanto del pH como de la temperatura, donde el pH más alto y la temperatura del agua hacen que el amoníaco sea más tóxico. Químicamente, el amoníaco puede existir en dos formas en agua, ionizado y sindicalizado. Juntas, estas dos formas juntas se denominan nitrógeno amoníaco total (TAN), y los kits de prueba de agua no pueden distinguir entre las dos. En condiciones ácidas, el amoníaco se une con el exceso de iones de hidrógeno (bajo pH significa una alta concentración de^H+) y se vuelve menos tóxico. Esta forma ionizada se llama amonio. Sin embargo, en condiciones básicas (pH alto, por encima de 7), no hay suficientes iones de hidrógeno y el amoníaco permanece en su estado más tóxico, e incluso niveles bajos de amoníaco pueden ser altamente estresantes para los peces. Este problema se agrava en condiciones de agua tibia.

La actividad de las bacterias nitrificantes disminuye drásticamente a niveles altos de amoníaco. El amoníaco se puede utilizar como agente antibacteriano, y a niveles superiores a 4 mg/l inhibirá y reducirá drásticamente la eficacia de las bacterias nitrificantes. Esto puede resultar en una situación de deterioro exponencial cuando un biofiltro de tamaño inferior se ve abrumado por el amoníaco, las bacterias mueren y el amoníaco aumenta aún más.

Impactos de alto nitrito

El nitrito es tóxico para los peces. Al igual que el amoníaco, pueden surgir problemas de salud de los peces con concentraciones tan bajas como 0,25 mg/litro. ^{Los altos niveles de NO₂pueden conducir inmediatamente a muertes rápidas de peces.} Una vez más, incluso los niveles bajos durante un período prolongado pueden provocar un aumento del estrés, la enfermedad y la muerte de los peces.

Niveles tóxicos de NO₂^: impiden el transporte de oxígeno dentro del torrente sanguíneo de los peces, lo que hace que la sangre se vuelva de color marrón chocolate y a veces se conoce como «enfermedad de la sangre marrón». Este efecto también se puede ver en las branquias de peces. Los peces afectados presentan síntomas similares a los de envenenamiento por amoníaco, particularmente cuando los peces parecen estar privados de oxígeno y se ven jadeando en la superficie incluso en agua con una alta concentración de DO. La sanidad de los peces se trata con más detalle en el capítulo 7.

Impactos de altos nitratos

El nitrato es mucho menos tóxico que las otras formas de nitrógeno. Es la forma más accesible de nitrógeno para las plantas, y la producción de nitrato es el objetivo del biofiltro. Los peces pueden tolerar niveles de hasta 300 mg/l, mientras que algunos peces toleran niveles de hasta 400 mg/l. Los niveles elevados (\ > 250 mg/l) tendrán un impacto negativo en las plantas, lo que provocará un crecimiento vegetativo excesivo y una acumulación peligrosa de nitratos en las hojas, lo que es peligroso para la salud humana. Se recomienda mantener los niveles de nitrato en 5-150 mg/l e intercambiar agua cuando los niveles sean más altos.

Dureza del agua

El parámetro final de calidad del agua es la dureza del agua. Hay dos tipos principales de dureza: dureza general (GH) y dureza de carbonato (KH). La dureza general es una medida de iones positivos en el agua. La dureza del carbonato, también conocida como alcalinidad, es una medida de la capacidad de amortiguación del agua. El primer tipo de dureza no tiene un impacto importante en el proceso aquapónico, pero KH tiene una relación única con el pH que merece una explicación más detallada.

Dureza general

La dureza general es esencialmente la cantidad de iones de calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺) y, en menor medida, hierro (Fe⁺) presentes en el agua. Se mide en partes por millón (equivalentes a miligramos por litro). Las altas concentraciones de GH se encuentran en fuentes de agua tales como acuíferos a base de caliza y/o lechos de ríos, ya que la piedra caliza se compone esencialmente de carbonato de calcio (CaCo₃). Tanto los iones Ca²⁺ como Mg²⁺ son nutrientes esenciales de las plantas, y son absorbidos por las plantas a medida que el agua fluye a través de los componentes hidropónicos. El agua de lluvia tiene baja dureza del agua porque estos iones no se encuentran en la atmósfera. El agua dura puede ser una fuente útil de micronutrientes para la acuapónica y no tiene efectos sobre la salud de los organismos. De hecho, la presencia de calcio en el agua puede evitar que los peces pierdan otras sales y conducir a un stock más saludable.

Dureza de carbonato o alcalinidad

La dureza del carbonato es la cantidad total de carbonatos (CO₃^2-) y bicarbonatos (HCO₃^-) disueltos en agua. También se mide en miligramos de CaCo₃ por litro.

En general, se considera que el agua tiene un alto KH a niveles de 121-180 mg/litro. El agua procedente de pozos o acuíferos de piedra caliza tendrá normalmente una alta dureza de carbonato de aproximadamente 150-180 mg/l.

La dureza del carbonato en el agua tiene un impacto en el nivel de pH. En pocas palabras, KH actúa como un tampón (o una resistencia) a la disminución del pH. El carbonato y el bicarbonato presentes en el agua se unirán a los iones H⁺ liberados por cualquier ácido, eliminando así estos iones libres^H+ del agua. Por lo tanto, el pH permanecerá constante incluso cuando se añadan nuevos iones H⁺ del ácido al agua. Esta amortiguación de KH es importante, porque los rápidos cambios en el pH son estresantes para todo el ecosistema aquapónico. El proceso de nitrificación genera ácido nítrico (HNO₃), tal como se describe en la sección 3.2.2, que se disocia en agua en sus dos componentes, los iones de hidrógeno (^H+) y el nitrato (NO₃^-), siendo este último utilizado como fuente de nutrientes para las plantas. Sin embargo, con KH adecuado el agua no se vuelve más ácida. Si no hubiera carbonatos ni bicarbonatos presentes en el agua, el pH caería rápidamente en la unidad acuapónica. Cuanto mayor sea la concentración de KH en el agua, más tiempo actuará como amortiguador del pH para mantener el sistema estable frente a la acidificación causada por el proceso de nitrificación.

La siguiente sección describe este proceso con más detalle. Es un proceso bastante complicado, pero es importante entender para los practicantes de acuapónica (u otros cultivos sin suelo) donde el agua disponible es naturalmente muy dura (lo que suele ser el caso en regiones con piedra caliza o base de tiza), ya que la manipulación del pH se convertirá en una parte vital del manejo de la unidad. La sección 3.5 contiene técnicas específicas de manipulación del pH. El resumen que sigue a la descripción extendida enumerará lo que es esencial para que todos los profesionales sepan con respecto a la dureza.

Como se mencionó anteriormente, la nitrificación constante en una unidad acuapónica produce ácido nítrico y aumenta el número de iones^H+ , lo que reduciría el pH en el agua. Si no hay carbonatos o bicarbonatos presentes para amortiguar los iones^H+ en el agua, el pH caerá rápidamente a medida que se añadan más iones^H+ al agua. Los carbonatos y los bicarbonatos, como se muestra en la Figura 3.6, unen los iones de hidrógeno (H⁺) liberados del ácido nítrico y mantienen un pH constante equilibrando el excedente de H⁺con la producción de ácido carbónico, que es un ácido muy débil. Los iones H⁺ permanecen unidos al compuesto y no están libres en el agua. La figura 3.7 muestra con más detalle el proceso de unión que ocurre con el ácido nítrico.

Es esencial para la acuapónica que una cierta concentración de KH esté presente en todo momento en el agua, ya que puede neutralizar los ácidos creados de forma natural y mantener el pH constante. Sin KH adecuado, la unidad podría ser sometida a rápidos cambios de pH que tendrían impactos negativos en todo el sistema, especialmente en los peces. Sin embargo, KH está presente en muchas fuentes de agua. La reposición de la unidad con agua de estas fuentes también repondrá los niveles de KH. Sin embargo, el agua de lluvia es baja en KH, y en los sistemas de secano es útil agregar fuentes externas de carbonato, como se explica a continuación.

Resumen de los puntos esenciales sobre la dureza

La dureza general (GH) es la medición de iones positivos, especialmente calcio y magnesio.

La dureza del carbonato (KH) mide la concentración de carbonatos y bicarbonatos que amortiguan el pH (crean resistencia al cambio de pH). La dureza se puede clasificar a lo largo de la escala de dureza del agua como se muestra a continuación:

El nivel óptimo de ambos tipos de dureza para acuapónica es de aproximadamente 60-140 mg/litro. No es vital verificar los niveles de la unidad, pero es importante que el agua que se utiliza para reponer la unidad tenga concentraciones adecuadas de KH para continuar neutralizando el ácido nítrico producido durante el proceso de nitrificación y amortiguar el pH en su nivel óptimo (6-7).

*Fuente: Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus y Alessandro Lovatelli, Small scale aquaponic food production, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproducido con permiso. *