3.6 RAS e Acquaponica
I sistemi acquaponici sono un ramo della tecnologia di acquacoltura a ricircolo in cui le colture vegetali sono incluse per diversificare la produzione di un’azienda, per fornire capacità extra di filtrazione dell’acqua, o per una combinazione dei due.
Come ramo del RAS, i sistemi aquaponici sono legati agli stessi fenomeni fisici, chimici e biologici che si verificano nel RAS. Pertanto, gli stessi fondamenti dell’ecologia dell’acqua, della meccanica dei fluidi, del trasferimento del gas, della depurazione dell’acqua ecc. si applicano in termini più o meno uguali all’acquaponica, ad eccezione del controllo della qualità dell’acqua, in quanto piante e pesci possono avere requisiti specifici e diversi.
Anche le realtà economiche fondamentali della RAS e dell’acquaponica sono correlate. Entrambe le tecnologie, sono ad alta intensità di capitale e altamente tecniche e sono influenzate da economie di scala, progettazione adeguata dei componenti, dipendenza dalle condizioni di mercato e dalla competenza degli operatori.
3.6.1 Benessere
Nei sistemi aquaponici, l’assorbimento dei nutrienti dovrebbe essere massimizzato per una sana produzione di biomassa vegetale, ma senza trascurare le migliori condizioni di benessere per i pesci in termini di qualità dell’acqua (Yildiz et al. 2017). Sono altresì importanti misure volte a ridurre i rischi di introduzione o diffusione di malattie o infezioni e ad aumentare la biosicurezza nell’acquaponica. Dovrebbero essere presi in considerazione anche i possibili impatti degli allelochimici, cioè delle sostanze chimiche rilasciate dalle piante. Inoltre, l’effetto della digeribilità alimentare, della dimensione delle particelle delle feci e del rapporto di assestamento sulla qualità dell’acqua dovrebbe essere attentamente considerato. Manca ancora la conoscenza del rapporto tra i livelli appropriati di minerali necessari alle piante e il metabolismo, la salute e il benessere dei pesci (Yildiz et al. 2017), che richiede ulteriori ricerche.
3.6.2 Diversità microbica e controllo
Come accennato in precedenza nel capitolo, l’acquaponica combina un sistema di acquacoltura a ricircolo con un’unità idroponica. Una delle sue caratteristiche più importanti è la dipendenza dai batteri e dai loro prodotti metabolici. Inoltre, [Sez. 3.2.6](/community/articles/3-2-review-of-water quality-control-in-ras #326 -Nitrate) .ha discusso l’importanza delle comunità microbiche e del suo controllo nella RAS. I batteri servono come ponte che collega gli escrementi di pesce, che sono ad alta concentrazione di ammonio, al fertilizzante vegetale, che dovrebbe essere una combinazione di basso ammonio e alto nitrato (Somerville et al. 2014). Poiché i sistemi acquaponici possono avere diverse subunità, ad esempio acquari, biofiltri, filtri a tamburo, vasche di coloni e unità idroponiche, ognuna con diversi progetti possibili e condizioni ottimali diverse, le comunità microbiche in questi componenti possono differire considerevolmente. Questo fornisce un interessante argomento di ricerca con l’obiettivo finale di migliorare i processi di gestione del sistema. Schmautz et al. (2017) ha tentato di caratterizzare la comunità microbica in diverse aree dei sistemi aquaponici. Essi hanno concluso che le feci di pesce contenevano una comunità separata dominata da batteri del genere Cetobacterium, mentre i campioni provenienti da radici vegetali, biofiltro e perifitone erano più simili tra loro, con comunità batteriche più diverse. I campioni di biofiltro contenevano un gran numero di nitrospira (3,9% della comunità totale) che sono stati trovati solo in basso numero nel perifitone o nelle radici delle piante. D’altra parte, solo piccole percentuali di nitrosomonadales (0,64%) e nitrobacter (0,11%) sono state trovate negli stessi campioni. Questo secondo gruppo di organismi sono comunemente testati per la loro presenza nei sistemi acquaponici in quanto sono considerati principalmente responsabili della nitrificazione (Rurangwa e Verdegem 2015; Zou et al. 2016); Nitrospira è stato descritto solo di recente come un nitrificatore totale (Daims et al. 2015), potendo convertire direttamente ammonio al nitrato nel sistema. Il dominio di Nitrospira è quindi una novità in tali sistemi e potrebbe essere correlato con una differenza nella configurazione di base (Graber et al. 2014).
Schmautz et al. (2017) ha anche sottolineato che l’aumento della presenza di Nitrospira non è necessariamente correlato alla maggiore attività di questi organismi nel sistema, poiché le sue attività metaboliche non sono state misurate. Inoltre, molte specie di batteri e coliformi sono intrinsecamente presenti nei biofiltri acquaponici a ricircolo che effettuano trasformazioni di materia organica e rifiuti ittici. Ciò implica la presenza di molti microrganismi che possono essere patogeni per piante e pesci, così come per le persone. A tale scopo, alcuni microrganismi sono stati considerati indicatori di sicurezza per i prodotti e la qualità dell’acqua nel sistema (Fox et al. 2012). Alcuni di questi indicatori di sicurezza sono Escherichia coli e Salmonella spp. Di recente è stata condotta una ricerca molto necessaria per accertare la sicurezza microbica dei prodotti acquaponici (Fox et al. 2012; Sirsat e Neal 2013). Una direzione futura per l’analisi dell’attività microbica in acquaponica è stata identificata da Munguia-Fragozo et al. (2015), che ha esaminato le tecnologie Omic per l’analisi della comunità microbica. Essi hanno concluso che la metagenomica e l’analisi metatranscriptomica saranno cruciali nei futuri studi sulla diversità microbica nei biosistemi acquaponici.
Da un periodo di consolidamento tecnologico a una nuova era di implementazione industriale, la tecnologia RAS si è notevolmente sviluppata negli ultimi due decenni. Negli ultimi anni è stato registrato un aumento del numero e della portata delle aziende di acquacoltura a ricircolo. Con l’aumento dell’accettazione della tecnologia, continuano ad emergere miglioramenti rispetto agli approcci ingegneristici tradizionali, alle innovazioni e alle nuove sfide tecniche.
Aquaponics combina un sistema di acquacoltura a ricircolo con un’unità idroponica. I RAS sono complessi sistemi di produzione acquatica che coinvolgono una serie di interazioni fisiche, chimiche e biologiche.
L’ossigeno disciolto (DO) è generalmente il parametro di qualità dell’acqua più importante nei sistemi acquatici intensivi. Tuttavia, l’aggiunta di ossigeno sufficiente all’acqua di allevamento può essere ottenuta in modo relativamente semplice e quindi il controllo di altri parametri dell’acqua diventa più impegnativo.
Le alte concentrazioni di anidride carbonica disciolta (COSub2/sub) hanno un effetto negativo sulla crescita dei pesci. La rimozione di COSub2/sub dall’acqua a concentrazioni inferiori a 15 mg/L è difficile a causa della sua elevata solubilità e della limitata efficienza delle apparecchiature di degassaggio.
L’ammoniaca è stata tradizionalmente trattata nei sistemi di ricircolo con biofiltri nitrificanti. Alcune tecnologie emergenti vengono esplorate come alternative alla rimozione dell’ammoniaca.
I biosolidi della RAS provengono da mangimi per pesci, feci e biofilm e sono uno dei parametri di qualità dell’acqua più critici e difficili da controllare. Un sistema di trattamento a più fasi in cui solidi di diverse dimensioni e rimossi tramite meccanismi diversi, è l’approccio più comune.
L’ozono, come potente ossidante, può essere utilizzato in RAS per eliminare microrganismi, nitriti e sostanze umiche. L’ozonizzazione migliora le prestazioni del filtro microschermo e riduce al minimo l’accumulo di materia disciolta che influisce sul colore dell’acqua.
I reattori di denitrificazione sono reattori biologici che sono tipicamente azionati in condizioni anaerobiche e generalmente dosati con qualche tipo di fonte di carbonio come etanolo, metanolo, glucosio e melassa. Una delle applicazioni più importanti dei sistemi di denitrificazione in acquacoltura è la RAS a «scambio zero».
Nei sistemi di produzione dell’acquacoltura le comunità microbiche svolgono un ruolo significativo nel riciclaggio dei nutrienti, nella degradazione della materia organica e nel trattamento e nel controllo delle malattie. Il ruolo della disinfezione dell’acqua nel RAS è messo in discussione dall’idea di utilizzare acqua microbicamente matura per controllare gli agenti patogeni opportunistici.
Nel RAS intensivo, il benessere degli animali è strettamente connesso alle prestazioni dei sistemi. L’obiettivo principale della ricerca sul benessere degli animali in RAS è stato quello di costruire e gestire sistemi che massimizzino la produttività e minimizzino stress e mortalità.