12.5 Acquaponica Verticale

12.5.1 Introduzione

Mentre l’acquaponica può essere vista come parte di una soluzione globale per aumentare la produzione alimentare in modi più sostenibili e produttivi e dove la coltivazione di più cibo nelle aree urbane è ora riconosciuta come parte della soluzione alla sicurezza alimentare e di una crisi alimentare globale (Konig et al. 2016), i sistemi acquaponici possono diventare essi stessi più produttivo e sostenibile adottando tecnologie di crescita alternative e imparando da tecnologie emergenti come l’agricoltura verticale e le pareti viventi (Khandaker e Kotzen 2018). Inoltre, essendo efficienti in termini di spazio, possono essere meglio integrati nelle aree urbane.

Nel mondo sviluppato la maggior parte dei sistemi acquaponici sono collocati in serre per controllare la temperatura; in Europa settentrionale e Nord America, ad esempio, le temperature invernali sono troppo fredde in inverno e in aree mediterranee come Spagna, Italia, Portogallo, Grecia e Israele le temperature estive sono troppo calde. Ci sono naturalmente molti altri vantaggi nella coltivazione di alimenti in serre controllate, come la capacità di regolare l’umidità relativa e controllare il movimento dell’aria, di mettere in quarantena i pesci e le piante provenienti da malattie e parassiti e potenzialmente di aggiungere COSub2/sub, per aiutare la crescita delle piante. Tuttavia, la coltivazione di prodotti in serra può facilmente aumentare i costi attraverso (a) i costi di capitale della serra (un’ampia stima di 350 US/msup2/sup Arnold 2017) e (b) le infrastrutture collegate come i controlli microclimatici che includono sistemi di riscaldamento e raffreddamento e illuminazione. Oltre ai costi iniziali dell’infrastruttura, vi sono anche i costi specifici di produzione delle serre, che comprendono l’energia e l’alimentazione per il riscaldamento e il raffreddamento e l’illuminazione.

La maggior parte dei sistemi acquaponici come il sistema dell’Università dell’Isola Vergine (UVI) (Fig. 12.1), progettato dal Dr. James Rakocy e dai suoi colleghi, utilizza serbatoi o letti orizzontali, emulando i tradizionali modelli di coltivazione dei seminativi a terra per produrre ortaggi (Khandaker e Kotzen 2018). In altre parole, il sistema si basa su file/matrici orizzontali di piante generalmente elevate intorno al livello della vita, in modo che le attività di gestione correlate all’impianto possano essere prontamente intraprese. Sviluppi paralleli nelle tecnologie delle pareti viventi e dell’agricoltura verticale sono sorti quasi nello stesso momento in cui l’acquaponica si è evoluta e sono analogamente nella fase di sviluppo adolescenziale. Allo stesso modo, come nel caso dell’acquaponica, con il coinvolgimento di più persone, vi è un aumento concomitante dei sistemi e dello sviluppo tecnologico per aumentare la produttività e ridurre i costi. L’accoppiamento dei sistemi di coltivazione verticale (sistemi di coltivazione verticale e pareti viventi) piuttosto che dei letti orizzontali alle vasche per pesci e filtrazione è potenzialmente un modo chiave per aumentare la produttività in quanto dovrebbe essere possibile aumentare il numero di ortaggi coltivati rispetto al numero prodotto in acquaponica a letto orizzontale. I sistemi acquaponici UVI (Fig. 12.2) producono circa 32 piante per metro quadrato (Al-Hafedh et al. 2008), a seconda delle specie e cultivar che viene coltivata, ma come nota Khandaker e Kotzen (2018), circa 96 piante possono essere coltivate per metro quadrato utilizzando elementi back-to-back della Terapia Urbana [1] Sistema LW che è più di tre volte la densità

Fig. 12.2 Schema schematico di un tipico sistema UVI che illustra il rapporto tra serbatoi per pesci/filtri/vasche per la coltivazione di piante che è 2:1:5. Ciò dimostra che l’area più grande è contenuta nelle piante ed è in questa zona che si può considerare il risparmio di spazio. (Khandaker e Kotzen 2018)

rispetto al sistema di coltivazione orizzontale UVI». Una stima prudente dovrebbe almeno raddoppiare la quantità massima coltivata in letti orizzontali fino a 64 piante/msup2/sup. In un esperimento con lattuga (Lactuca sativa L. cv. «Little Gem») utilizzando letti orizzontali e colonne piantate, piantate a densità simili, Touliatos et al. (2016) suggeriscono che il «Vertical Farming System (VFS) rappresenta un’alternativa interessante ai sistemi orizzontali di crescita idroponica (e) che si potrebbero ottenere ulteriori aumenti della resa incorporando illuminazione artificiale nel VFS'.

**Sistemi di Agricoltura Verticale (VFS) **

Prima di discutere i requisiti specifici per i sistemi verticali abbiamo bisogno di discutere i tipi di sistemi che sono disponibili. In VFS ci sono tre tipi generici principali (Fig. 12.3):

1. Letti orizzontali impilati: Invece di avere un solo letto orizzontale, i letti sono impilati come ripiani in livelli. Questa disposizione significa che in una serra, solo il letto superiore sarà rivolto alla luce naturale diretta e la luce supplementare deve essere fornita a tutti i livelli. Questo di solito è fornito direttamente sotto il letto di coltivazione sopra. In linea di principio ciò potrebbe significare che i letti in crescita potrebbero essere impilati più in alto che la serra consente, ma naturalmente far crescere le cose in quota significa maggiori difficoltà nella gestione del sistema, tra cui la semina, la manutenzione e la raccolta, la necessità di ascensori a forbice e di energia supplementare per pompare acqua ricca di sostanze nutritive a tutti i livelli. Secondo Bright Agrotech (Storey 2015), fino a quattro livelli è redditizio e qualsiasi cosa al di sopra che non è redditizio. Storey (2015) osserva inoltre che la manodopera aumenta del 25% al secondo, terzo e quarto livello quando è richiesto un sollevamento a forbice (figura 12.3, illustrazione A).

Fig. 12.3 Sistemi di coltivazione verticale e loro disposizione di illuminazione

2. Vertical Tower Systems (VTS): Vertical Tower Systems comprendono sistemi che coltivano piante in array verticali all’interno di un contenitore o di una serie di moduli impilati. A seconda del sistema, le piante vengono coltivate di fronte a una direzione o se, ad esempio, sono piantate in una forma a tubo, quindi possono essere disposte di fronte a qualsiasi direzione. Un esempio di sistema ad array verticale, in cui le piante sono coltivate rivolte in un’unica direzione è lo ZipGrowsUptm/SUP che sono appese o supportate in file (Fig. 12.3, Illustrazione B1). Le file sono di circa 0,5 metri (20 pollici). Crescere in modo più tridimensionale avviene con sistemi impilati o in sistemi tubolari che consentono di coltivare più piante, ma l’illuminazione è più complessa (Fig. 12.3, Illustrazione B2).

3. Livelli a gradini: questi sistemi contengono abbeveratoi rigidi o mobili. Lo SkyGreens VFS di Singapore utilizza un sistema di trogoli rotanti che sposta i canali verso l’alto e verso la luce. La luce naturale aggiuntiva è più significativa verso l’alto e meno in basso (Fig. 12.3, Illustrazione C1). Gli altri sistemi di livello sono scalati in modo che ogni livello abbia un’interfaccia libera con la luce dall’alto, sia che si tratti di luce naturale proveniente dal tetto della serra che di luce artificiale. Ma questi sistemi devono essere piuttosto bassi per permettere alle persone di raggiungere le piante (Fig. 12.3, Illustrazione C2).

Pareti Viventi

I muri viventi devono ancora essere utilizzati in acquaponica tranne che in una serie di sistemi sperimentali come l’Università di Greenwich, Londra (Khandaker e Kotzen 2018). Mentre la maggior parte dei VFS utilizza la tecnica a film nutriente (NFT) per coltivare canali o blocchi di lana minerale incapsulati, le LW a volte usano anche substrati di tipo terreno in vasi o abbeveratoi, che forniscono il terreno radicale. Anche se questo va bene per la coltivazione di piante ornamentali così come verdure ed erbe aromatiche, se abbinato a vasche per pesci, qualsiasi aggiunta di terreno al sistema può complicare il carattere microbico del sistema ed essere dannosa per i pesci. Questo è tuttavia sconosciuto e richiede una ricerca. Gli esperimenti condotti presso l’Università di Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018) indicano che da una serie di singoli substrati inerti testati (tra cui idroleica, perlite, paglia, sfagnum muschio, lana minerale e fibra di cocco), la fibra di cocco e la lana minerale erano superiori in termini di penetrazione delle radici e la crescita delle radici nella lattuga (Lactuca sativa).

Verticale v. Orizzontale: fattori da considerare

Ci sono quattro aspetti chiave che devono essere presi in considerazione quando si confrontano i benefici (produttività e sostenibilità) della crescita verticale rispetto alla crescita orizzontale. Si tratta di (1) spazio, (2) illuminazione, (3) energia e (4) costi del ciclo di vita.

1. spazio

I vantaggi di essere in grado di coltivare i prodotti verticalmente, back to back, devono essere bilanciati con la quantità di spazio necessaria per fornire una diffusione uniforme dell’illuminazione e lo spazio necessario per la gestione e la manutenzione. La larghezza di una fila nei sistemi idroponici varia. Come notato, il sistema standard ZipGrowSuptm/SUP è di circa 0,5 metri, mentre la larghezza di fila abituale per la coltivazione di pomodori e cetrioli idroponicamente varia da 0,9 a 1,2 metri (Badgery-Parker e James 2010). La coltivazione di piante più piccole come lattuga ed erbe aromatiche come il basilico, può consentire file più stretti, ma naturalmente la larghezza delle file deve garantire che il prodotto non venga compromesso dallo spostamento di oggetti come carrelli e sollevatori a forbice. Un problema chiave con la crescita verticale è il conflitto che si verifica tra avere file fisse e illuminazione fissa, che deve essere posizionata nelle file tra le facciate di semina. Queste luci impediscono i movimenti delle persone e quindi o le luci devono essere (i) parte della struttura in crescita o (ii) retrattili o mobili, in modo che i lavoratori possano svolgere prontamente compiti, o (iii) le strutture di semina sono mobili e le luci rimangono statiche.

2. Illuminazione

La produzione in serra di ortaggi e altre piante si basa su specifiche disposizioni territoriali che consentono la semina, la gestione attraverso la crescita e la raccolta. La disposizione spaziale dipenderà dai tipi di piante e dai tipi di meccanizzazione installati. Inoltre, la crescita in modo efficiente si basa sul supplemento di luce aggiuntiva di diversi tipi, che hanno i loro pro e contro. In generale ciò che queste luci fanno è fornire lunghezze d’onda specifiche per la crescita delle piante e per la produzione di frutta o fiori. Mentre è relativamente semplice e più comune a piante uniformemente leggere cresciute orizzontalmente, è più una sfida illuminare uniformemente una superficie verticale.

Per quanto riguarda i tipi di illuminazione, molti produttori si sono trasferiti o sono tentati di installare LED (diodi emettitori di luce), a causa della loro lunga durata, fino a 50.000 ore o più (Gupta 2017), del loro basso fabbisogno energetico e della loro recente riduzione dei costi. Virsile et al. in Gupta (2017) notare che la maggior parte delle applicazioni di illuminazione a LED nelle serre sceglie le combinazioni di lunghezze d’onda rosse e blu con alta efficienza fotonica, ma che la luce verde e bianca contenente notevoli quantità di lunghezze d’onda verdi ha un impatto fisiologico positivo sulle piante. Tuttavia, la combinazione di luci blu e rosse crea un’immagine grigio-porpora, il che ostacola la valutazione visiva della salute delle piante. Il tipo di lunghezze d’onda scelte è complesso e può avere benefici in diverse fasi della vita della pianta e anche in base alle cultivar, ad esempio, della lattuga. Le lattughe a foglia rossa, ad esempio, rispondono all’illuminazione a LED blu, aumentando la loro pigmentazione (Virsile et al. in Gupta 2017). Inoltre, l’illuminazione a LED blu può migliorare la qualità nutrizionale delle verdure verdi, riducendo il contenuto di nitrati, aumentando gli antiossidanti e fenolici e altri composti benefici. Gli spettri di luce influenzano anche il gusto, la forma e la consistenza (Virsile et al. in Gupta 2017). I costi dei LED sono diminuiti in modo significativo e l’efficacia dei LED è aumentata così il tempo di ritorno di pareggio sugli investimenti è diminuito (Bugbee in Gupta 2017).

Naturalmente esiste un’altra illuminazione che comprende l’illuminazione fluorescente, l’illuminazione ad alogenuri metallici (MH) e l’illuminazione ad alta pressione al sodio (HPS). Il tipo di illuminazione che viene utilizzato in agricoltura verticale e con pareti viventi varia considerevolmente a seconda della scala e della posizione. Le lampade fluorescenti compatte (CFL) sono relativamente sottili e possono facilmente inserirsi in spazi ridotti, ma richiedono un alimentatore induttivo per regolare la corrente attraverso i tubi. Le lampade fluorescenti utilizzano solo il 20 -30% di una lampadina a incandescenza e durano da sei a otto volte più a lungo, ma sono quasi il 50% meno efficienti rispetto ai LED. Essi sono di gran lunga il più economico dei tre principali tipi di luci di crescita. La tecnologia HPS Grow Light ha più di 75 anni ed è ben consolidata per la coltivazione sotto il vetro, ma produce molto calore e quindi non sono adatti per l’agricoltura verticale e pareti viventi, dove la luce deve essere consegnata abbastanza vicino alle piante. Il calore prodotto dalle luci a LED, invece, è minimo. Tuttavia, il costo è superiore agli altri due tipi e la protezione degli occhi è necessaria per un’esposizione a lungo termine ai LED, poiché l’esposizione a lungo termine agli spettri di luce può essere dannosa per gli occhi. La disposizione delle unità VFS determinerà la disposizione dell’illuminazione, ma nel complesso queste sono illuminate da LED. Il metodo di illuminazione delle pareti viventi dipenderà dall’altezza del muro. Più alto è il muro più difficile è applicare una diffusione uniforme su tutta la superficie, anche se va notato che il numero di luci utilizzate non dovrebbe essere diverso da quelli utilizzati nei letti orizzontali e se la parete è alta allora le luci possono essere sfalsate. Poiché la maggior parte delle pareti vive si trovano per scopi estetici, l’illuminazione deve essere mantenuta il più possibile, fuori strada e l’illuminazione deve fornire non solo una luce adeguata per la crescita e la salute delle piante, ma anche in modo che le piante abbiano un bell’aspetto (Fig. 12,4).

Fig. 12.4 Un muro vivente alto 4 metri e lungo 5 metri può essere adeguatamente illuminato con sei lampade a scarica ad alta efficienza. Si noti che questi sono stati scelti non solo per fornire una luce adeguata per la crescita, ma anche in modo che le piante nel muro vivente avrebbero un bell’aspetto. (Università di Greenwich Living Wall. Fonte: Benz Kotzen)

I progressi della tecnologia LED, in cui le frequenze e l’intensità di illuminazione possono essere progettati per adattarsi a singole specie e cultivar, nonché ai loro vari cicli di vita, fanno sì che i LED diventeranno la tecnologia preferita nel prossimo futuro. Ciò sarà ulteriormente rafforzato dalle riduzioni dei costi.

3. Energia

È probabile che sia necessaria una maggiore energia per l’illuminazione sia per i VFS che per i LW, poiché anche l’illuminazione naturale non può essere ottenuta su superfici verticali. Inoltre sarà necessaria una maggiore potenza di pompaggio per l’irrigazione e questo sarà relativo all’altezza dei VFS o LW.

4. _Analisi comparativa del ciclo di vita (LCA) _

Sebbene ci siano numerosi studi condotti sull’analisi del ciclo di vita dell’acquaponica e vari aspetti dei sistemi aquaponici, non esistono studi comparativi che confrontino l’acquaponica verticale rispetto all’acquaponica orizzontale. Questo deve ancora essere fatto. Stiamo arrivando ad un punto in cui è probabile che l’acquaponica verticale giustifichi ulteriori test e ricerche e nel tempo l’acquaponica verticale, che abbina sistemi di allevamento verticali o sistemi di pareti viventi con le vasche e le unità di filtrazione, rischia di diventare più mainstream, purché questi possano essere redditizi e sostenibile.