12.6 Tecnologia Biofloc (BFT) applicata per l'acquaponica
12.6.1 Introduzione
La tecnologia Biofloc (BFT) è considerata la nuova «rivoluzione blu» in acquacoltura (Stokstad 2010) poiché i nutrienti possono essere continuamente riciclati e riutilizzati nel terreno di coltura, beneficiando della produzione di microrganismi in situ e dello scambio idrico minimo o zero (Avnimelech 2015). Tali approcci potrebbero far fronte ad alcune serie sfide nel settore, come la concorrenza per la terra e l’acqua e gli effluenti scaricati nell’ambiente che contengono eccesso di materia organica, composti azotati e altri metaboliti tossici.
BFT è stato sviluppato per la prima volta nei primi anni ‘70 dal team Aquacop di Ifremer-COP (Istituto francese di ricerca per lo sfruttamento del mare, Oceanic Center of the Pacific) con diverse specie di gamberetti penaiid tra cui Litopenaeus vannamei, L. stylirostris e Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011). Nello stesso periodo, Ralston Purina (una società statunitense privata) in connessione con Aquacop ha applicato la tecnologia sia a Crystal River (USA) che a Tahiti, che hanno portato a una maggiore comprensione dei benefici del biofloc per la coltura dei gamberetti. Molti altri studi hanno consentito un approccio globale alla BFT e hanno studiato le interrelazioni tra acqua, animali e batteri, confrontando BFT con un «rumeno esterno», ma ora applicato per i gamberetti. Negli anni ‘80 e all’inizio degli anni ‘90, sia Israele che gli Stati Uniti (Waddell Maricoltura Center) hanno iniziato la R\ &D in BFT con Tilapia e Pacific White Gamberetti L. vannamei, rispettivamente, in cui le preoccupazioni ambientali, la limitazione dell’acqua e il costo del terreno erano i principali agenti causali che hanno promosso la ricerca ( Emerenciano et al. 2013).
Fig. 12.5 Tecnologia biofloc (BFT) applicata per la coltura dei gamberetti marini in Brasile (a) e per la cultura Tilapia in Messico (b) (Fonte: EMA-FURG, Brasile e Maurício G. C. Emerenciano)
Le prime operazioni commerciali di BFT e probabilmente le più famose iniziarono negli anni ‘80 presso la fattoria ‘Sopomer’ di Tahiti, in Polinesia francese, e nei primi anni 2000 presso la fattoria Belize Aquacoltura o ‘BAL’, situata in Belize, America centrale. Le rese ottenute utilizzando serbatoi di cemento da 1000 msup2/sup e laghetti da 1,6 ha rivestiti sono state di circa 20-25 ton/ha/anno con due colture a Sopomer e 11-26 ton/ha/ ciclo a BAL, rispettivamente. Più recentemente, BFT è stato ampliato con successo nella coltivazione di gamberetti su larga scala in Asia, in America meridionale e centrale, nonché in piccole serre negli Stati Uniti, in Europa e in altre aree. Almeno in una fase (ad esempio la fase vivaio) BFT è stato utilizzato con grande successo in Messico, Brasile, Ecuador e Perù. Per la cultura commerciale Tilapia, le aziende agricole in Messico, Colombia e Israele utilizzano BFT con produzioni da 7 a 30 kg/msup3/sup (Avnimelech 2015) (Fig. 12,5 b). Inoltre, questa tecnologia è stata utilizzata (ad esempio in Brasile e Colombia) per produrre giovani tilapia (\ ~30 g) per ulteriori scorte in gabbie o stagni di terra (Durigon et al. 2017). BFT è stato applicato principalmente alla coltura dei gamberetti e, in una certa misura, alla tilapia. Altre specie sono state testate e mostrano promesse, come notato per il pesce gatto argento (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), carpa (Zhao et al., 2014), piracanjuba (Brycon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), cachama (Colossoma macropomum) (Poleo et al., 2011) e altre specie di crostacei come Macrobrachium rosenbergii (Granchio et al., 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Emerenciano et al., 2012), F. paulensis (Ballester et al., 2010), Penaeus semisulcatus (Megahed, 2010), L. stylirostris (Emerenciano et al., 2011) e P. monodulcatus_ (Arnold et al., 2006). L’interesse per BFT è evidente dal crescente numero di università e centri di ricerca che svolgono ricerche in particolare nei settori chiave della gestione della crescita, della nutrizione, della riproduzione, dell’ecologia microbica, della biotecnologia e dell’economia.
12.6.2 Come funziona BFT?
I microrganismi svolgono un ruolo chiave nei sistemi BFT (Martinez-Cordoba et al. 2015). Il mantenimento della qualità dell’acqua, principalmente attraverso il controllo della comunità batterica sui microrganismi autotrofici, si ottiene utilizzando un elevato rapporto carbonio/azoto (C:N) poiché i sottoprodotti azotati possono essere facilmente assorbiti dai batteri eterotrofici. All’inizio dei cicli di coltura è necessario un elevato rapporto carbonio/azoto per garantire una crescita ottimale dei batteri eterotrofici, utilizzando questa energia per il suo mantenimento e crescita (Avnimelech 2015). Inoltre, altri gruppi di microrganismi sono cruciali nei sistemi BFT. La comunità batterica chemioautotrofa (cioè batteri nitrificanti) si stabilizza dopo circa 20-40 giorni e potrebbe essere responsabile di due terzi dell’assimilazione dell’ammoniaca nel sistema (Emerenciano et al. 2017). Pertanto, l’aggiunta di carbonio esterno dovrebbe essere ridotta e l’alcalinità consumata dai microrganismi deve essere sostituita da diverse fonti di carbonato/bicarbonato (Furtado et al. 2011). La stabilità dello scambio idrico zero o minimo dipende dall’interazione dinamica tra comunità di batteri, microalghe, funghi, protozoi, nematodi, rotiferi, ecc. che avverrà naturalmente (MartinezCordoba et al. 2017). Gli aggregati (bioflocs) sono una ricca fonte naturale di proteine e lipidi di di cibo che diventano disponibili 24 ore al giorno a causa di una complessa interazione tra materia organica, substrato fisico e ampia gamma di microrganismi (Kuhn e Boardman 2008; Ray et al. 2010). La produttività naturale sotto forma di produzione di microrganismi svolge tre ruoli principali nei serbatoi, nelle piste o negli stagni rivestiti: (1) nel mantenimento della qualità dell’acqua, mediante l’assorbimento di composti azotati che generano proteine microbiche in situ; (2) nell’alimentazione, aumentando la fattibilità della coltura riducendo i mangimi rapporti di conversione e diminuzione dei costi dei mangimi; e (3) in concorrenza con gli agenti patogeni (Emerenciano et al. 2013).
Per quanto riguarda la qualità dell’acqua per gli organismi di coltura, oltre all’ossigeno, l’eccesso di particolato organico e i composti azotati tossici sono la principale preoccupazione nei sistemi biofloc. In questo contesto, si verificano tre vie per la rimozione dell’azoto ammoniacale: ad un tasso minore (1) asportazione fotoautotrofa da alghe e ad un tasso più elevato (2) conversione batterica eterotrofa dell’azoto ammoniacale direttamente in biomassa microbica e (3) conversione batterica autotrofa da ammoniaca a nitrato ( MartinezCordoba et al. 2015). Il nitrato disponibile nei sistemi più altri nutrienti minori e maggiori accumulati nel ciclo potrebbe essere utilizzato come substrato per la crescita delle piante nei sistemi acquaponici (Pinho et al. 2017).
12.6.3 BFT in Aquaponica
L’applicazione di BFT nei sistemi aquaponici è relativamente nuova, anche se Rakocy (2012) menziona un progetto pilota commerciale con tilapia. La tabella 12.2 riassume i principali studi recenti che hanno utilizzato BFT nei sistemi aquaponici.
Nel complesso, i risultati dimostrano che la tecnologia biofloc può essere utilizzata e integrata nella produzione di pesci o gamberetti. BFT rispetto ad altri sistemi convenzionali di acquacoltura (come il RAS) ha effettivamente migliorato la resa delle piante e dei pesci e ha promosso una migliore qualità visiva delle piante (Pinho et al. 2017), ma non in tutti i casi (Rahman 2010; Pinho 2018). Pinho et al. (2017) hanno osservato che le rese di lattuga con il sistema BFT erano maggiori rispetto al sistema di ricircolo dell’acqua pulita (Fig. 12.6). Ciò è probabilmente dovuto alla maggiore disponibilità di nutrienti fornita dal
Tabella 12.2 Studi recenti in tutto il mondo che applicano il BFT nei sistemi acquaponici per diverse specie acquatiche e vegetali
tavolo testata tr class = header» Specie acquatico/th th Specie vegetali /th th Principali risultati /th th I riferimenti /th /tr /testata tbody tr class=“dispari» TDtilapia/TD td Lattuga /td td La tecnologia Biofloc non ha migliorato la produzione di lattuga rispetto alla soluzione idroponica convenzionale /td td Rahman (2010) /td /tr tr class=“even» TDtilapia/TD td Lattuga /td td La resa e la qualità visiva della lattuga sono state migliorate utilizzando BFT rispetto al sistema di ricircolo dell’acqua pulita /td td Pinho e altri (2017) /td /tr tr class=“dispari» TDtilapia (vivaio) /td td Lattuga /td td Le prestazioni dell’impianto (lattuga) con l’uso di Tilapia* in una fase di vivaio (1—30 g) sono state influenzate negativamente dalle acque reflue biofloc rispetto alle acque reflue RAS dopo due cicli di impianto (13 giorni ciascuno). Gli aspetti visivi vegetali sono stati migliori in RAS rispetto a BFT /td td Pinho (2018) /td /tr tr class=“even» TDtilapia/TD td Lattuga /td td La presenza di elementi filtranti (filtro meccanico e filtro biologico) ha influenzato positivamente la produzione di lattuga nei sistemi aquaponici rispetto al trattamento senza filtri con BFT /td td Barbosa (2017) /td /tr tr class=“dispari» TDtilapia/TD td Lattuga /td td Bassa salinità (3 ppt) può essere eseguita in acquaponica utilizzando BFT. Parametri visivi e prestazionali indicavano che la varietà viola aveva prestazioni migliori rispetto alle varietà lisce e croccanti /td td Lenz e altri. (2017) /td /tr tr class=“even» TDsilver pesce gatto/td td Lattuga /td td L’uso di bioflocs nel sistema acquaponico può migliorare la produttività della lattuga in una coltura integrata con il pesce gatto d’argento /td td Rocha e altri (2017) /td /tr tr class=“dispari» TdilitopenAeus vannamei/i/td td IsarcoCornia ambigua/i /td td Le prestazioni dell’ishrimp marino L. vannamei/i non sono state influenzate dalla produzione integrata di acquaponica ishrimp marino L. vannamei/i e migliorano anche l’uso di sostanze nutritive (ad esempio azoto) nel sistema di coltura /td td Pinheiro e altri (2017) /td /tr /tbody /tavolo
Fig. 12.6 Serra acquaponica sperimentale che confronta la tecnologia biofloc e le acque reflue RAS presso la Santa Catarina State University (UDESC), Brasile. (Fonte: Pinho et al. 2017)
maggiore attività microbica. Tuttavia, questa tendenza non è stata osservata nello studio di Rahman (2010), che ha confrontato gli effluenti provenienti dalla coltura ittica in un sistema BFT con una soluzione idroponica convenzionale in una produzione di lattuga. Inoltre, Pinho
Fig. 12.7 Alofita ad alta salinità Sarcocornia ambigua produzione acquaponica integrata con gamberetti bianchi del Pacifico Litopenaeus vannamei applicando con successo la tecnologia biofloc presso l’Università Federale di Santa Catarina (UFSC), Brasile. (Fonte: LCM-UFSC, Brasile)
Fig. 12.8 Produzione di lattuga acquaponica integrata con Tilapia utilizzando la tecnologia biofloc (sinistra) e accumulo di solidi sospesi nelle radici di lattuga (destra). Barbosa (2017)
(2018) in un recente studio ha osservato che le prestazioni produttive della lattuga nel sistema acquaponico utilizzando Tilapia in una fase vivaio (1—30 g) sono state influenzate negativamente dalle acque reflue biofloc rispetto alle acque reflue RAS per 46 giorni. La variazione dei risultati individua la necessità di ulteriori studi in questo settore.
BFT può essere utilizzato con acqua a bassa salinità, ad esempio con alcune varietà di lattuga (Lenz et al. 2017), e con acque di salinità più elevate, ad esempio con specie di piante alofite come Sarcocornia ambigua co-coltura con gamberetti bianchi del Pacifico Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (Fig. 12.7). Il pesce gatto d’argento Rhamdia quelen ha anche mostrato un buon potenziale per l’integrazione dell’acquaponica con BFT (Rocha et al. 2017).
Con BFT, la concentrazione di solidi può influire gravemente sulle radici e influenzare l’assorbimento dei nutrienti e la disponibilità di ossigeno. Di conseguenza, le rese possono essere influenzate, ma anche la qualità visiva delle piante (ad esempio lattughe), che è un criterio importante per i consumatori. Tenendo conto di questo, la gestione dei solidi è un argomento importante per ulteriori studi in cui si considera l’impatto dei solidi (frazione di particolato e anche frazione disciolta) nei sistemi acquaponici quando si applica BFT (Fig. 12.8). Inoltre, è necessario effettuare studi economici per confrontare i costi dei vari sistemi di acquacoltura e di coltivazione delle piante e per individuare l’adeguatezza rispetto alle diverse località e condizioni.