4.5 Disinfezione della soluzione nutritiva a ricircolo

Per ridurre al minimo il rischio di diffusione di agenti patogeni del suolo, è necessaria la disinfezione della soluzione nutritiva circolante (Postma et al. 2008). Il trattamento termico (Runia et al. 1988) è stato il primo metodo utilizzato. Van Os (2009) ha fatto una panoramica dei metodi più importanti e una sintesi è riportata di seguito. Il ricircolo della soluzione nutritiva apre possibilità di risparmiare sull’acqua e sui fertilizzanti (Van Os 1999). Il grande svantaggio del ricircolo della soluzione nutritiva è il crescente rischio di diffusione di patogeni trasportati dalle radici in tutto il sistema di produzione. Per ridurre al minimo tali rischi, la soluzione deve essere trattata prima del riutilizzo. L’uso di pesticidi per tale trattamento è limitato in quanto non sono disponibili pesticidi efficaci per tutti questi agenti patogeni e, se disponibili, può apparire una resistenza e la legislazione ambientale limita lo scarico di acqua con pesticidi (e sostanze nutritive) nell’ambiente (Parlamento europeo e Consiglio europeo 2000). Inoltre, nei sistemi AP, l’uso di pesticidi esercita effetti negativi sulla salute dei pesci e non può essere effettuato, anche se parti idroponiche e AP del sistema si trovano in ambienti diversi, poiché la spruzzatura di sostanze chimiche può entrare nella soluzione nutritiva tramite acqua di condensazione o spruzzatura diretta sul substrato lastre. In considerazione di ciò, è possibile adottare un approccio di controllo biologico per gestire le malattie parassitarie, accessibile tramite il Fact Sheet (EU Aquaponics Hub) dell’EU Aquaponics Hub (EU Aquaponics Hub). Allo stesso tempo, problemi simili possono essere osservati per il trattamento dei pesci con farmaci veterinari che non sono compatibili con il ciclo della pianta.

4.5.1 Descrizione dei metodi di disinfezione

La disinfezione della soluzione nutritiva circolante dovrebbe avvenire continuamente. Tutti gli scarichi restituiti (10—12 ore durante il giorno) devono essere trattati entro 24 ore. Per una serra di 1000 msup2/sup in un substrato di coltivazione (lana di roccia, cocco, perlite), è necessaria una capacità di disinfezione di circa 1—3 msup3/sup al giorno per disinfettare un surplus stimato necessario pari al 30% dell’acqua fornita con gocciolamento irrigazione alle piante di pomodoro durante un periodo di 24 ore in condizioni estive. A causa del tasso di ritorno variabile dell’acqua di scarico, è necessario un serbatoio di raccolta sufficientemente grande per l’acqua di scarico in cui l’acqua viene immagazzinata prima di essere pompata nell’unità di disinfezione. Dopo la disinfezione è necessario un altro serbatoio per conservare l’acqua pulita prima di regolare CE e pH e miscelare con acqua nuova per fornire agli impianti. Entrambi i serbatoi hanno una dimensione media di 5 msup3/sup per 1000 msup2/sup. In un sistema di film nutriente (NFT), circa 10 msup3/sup al giorno devono essere disinfettati ogni giorno. Si ritiene generalmente che tale capacità sia antieconomica da disinfettare (Ruijs 1994). DFT richiede un trattamento simile. Questo è il motivo principale per cui le unità di produzione NFT e DFT normalmente non disinfettano la soluzione nutritiva. La disinfezione viene effettuata con metodi non chimici o chimici come segue:

4.5.1.1 Metodi non chimici

In generale, questi metodi non alterano la composizione chimica della soluzione e non vi è accumulo di residui:

1. Trattamento termico. Il riscaldamento dell’acqua di scarico a temperature abbastanza elevate da sradicare batteri e agenti patogeni è il metodo più affidabile per la disinfezione. Ogni tipo di organismo ha la sua temperatura letale. I batteri non spore hanno temperature letali tra 40 e 60 ˚C, funghi tra 40 e 85 ˚C, nematodi tra 45 e 55° C e virus tra 80 e 95° C (Runia et al. 1988) ad un tempo di esposizione di 10 s. Generalmente, il punto impostato della temperatura di 95 C è abbastanza alto da uccidere la maggior parte degli organismi che sono Può causare malattie con un tempo minimo di 10 s. Anche se questo può sembrare molto intenso, va notato che l’energia viene recuperata e riutilizzata con scambiatori di calore. La disponibilità di una fonte di energia a basso costo è di maggiore importanza per l’applicazione pratica.

2. Radiazione UV. La radiazione UV è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d’onda compresa tra 200 e 400 nm. Lunghezze d’onda comprese tra 200 e 280 nm (UV-C), con una temperatura ottimale di 254 nm, hanno un forte effetto di abbattimento sui microrganismi, perché riduce al minimo la moltiplicazione delle catene del DNA. Sono necessari diversi livelli di radiazioni per diversi organismi in modo da ottenere lo stesso livello di efficacia. Runia (1995) raccomanda una dose che varia da 100 mJ cmsup-2/sup per eliminare batteri e funghi a 250 mJ cmsup-2/sup per eliminare i virus. Queste dosi relativamente elevate sono necessarie per compensare le variazioni di torbidità dell’acqua e le variazioni di penetrazione dell’energia nella soluzione a causa della bassa turbolenza intorno alla lampada UV o delle variazioni di uscita dalla lampada UV. Zoschke et al. (2014) hanno rivisto che l’irradiazione UV a 185 e 254 nm offre il controllo e la disinfezione dei contaminanti organici dell’acqua. Inoltre, Moriarty et al. (2018) hanno riferito che la radiazione UV ha inattivato in modo efficiente i coliformi nei sistemi AP.

3. Filtrazione. La filtrazione può essere utilizzata per rimuovere qualsiasi materiale non disciolto dalla soluzione nutritiva. Sono disponibili vari tipi di filtri in relazione alla gamma di granulometrie. I filtri a sabbia rapidi sono spesso utilizzati per rimuovere particelle di grandi dimensioni dall’acqua di scarico prima di aggiungere, misurare e controllare EC, pH e l’applicazione di nuovi fertilizzanti. Dopo aver superato l’unità fertilizzante, spesso un filtro sintetico fine (50-80 um) è costruito nel flusso d’acqua per rimuovere i sali di fertilizzanti non disciolti o precipitati per evitare l’intasamento dei gocciolatori di irrigazione. Questi filtri sintetici sono utilizzati anche come pretrattamento per metodi di disinfezione con trattamento termico, trattamento con ozono o radiazioni UV. Con una riduzione delle dimensioni dei pori di filtrazione, il flusso viene inibito, in modo che la rimozione di particelle molto piccole richieda una combinazione di filtri adeguati e alta pressione seguita da una pulizia frequente del filtro o dei filtri. La rimozione di agenti patogeni richiede dimensioni relativamente piccole dei pori (\ 10 μm; la cosiddetta micro-, ultra- o nanofiltrazione).

4.5.1.2 Metodi chimici

1. _ozono (o<sub3/sub) _. L’ozono è prodotto da aria secca ed elettricità utilizzando un ozonegeneratore (conversione 3OSub2/sub → 2OSub3/sub). L’aria arricchita di ozono viene iniettata nell’acqua che viene disinfettata e conservata per un periodo di 1 ora. Runia (1995) ha concluso che una fornitura di ozono di 10 g all’ora per msup3/sup acqua di scarico con un tempo di esposizione di 1 ora è sufficiente per eliminare tutti gli agenti patogeni, compresi i virus. Nicoletto et al. (2017) ha osservato anche la riduzione delle popolazioni microbiche nella produzione vegetale nei sistemi privi di suolo gestiti con l’ozono. Evitare l’esposizione umana all’ozono che fuoriesce dal sistema o dai serbatoi di stoccaggio poiché anche un breve tempo di esposizione di una concentrazione di 0,1 mg di LSUP-1/SUP di ozono può causare irritazione delle mucose. Uno svantaggio dell’uso dell’ozono è che reagisce con chelato di ferro, come fa i raggi UV. Di conseguenza, sono necessari dosaggi più elevati di ferro e devono essere prese misure per trattare i depositi di ferro nel sistema. Una ricerca recente (Van Os 2017) con installazioni contemporanee di ozono sembra promettente, dove si ottiene la completa eliminazione degli agenti patogeni e la degradazione dei restanti pesticidi, senza problemi di sicurezza.

2. _Perossido di idrogeno (HSub2/subosub2/sub) _. Il perossido di idrogeno è un agente ossidante forte e instabile che reagisce per formare Hsub2/subo e un radicale O. Commercialmente i cosiddetti attivatori vengono aggiunti alla soluzione per stabilizzare la soluzione originale e aumentare l’efficacia. Gli attivatori sono per lo più acido formico o acido acetico, che riducono il pH nella soluzione nutritiva. Sono raccomandati dosaggi diversi (Runia 1995) contro Pythium spp. (0,005%), altri funghi (0,01%), come Fusarium, e virus (0,05%). La concentrazione dello 0,05% è dannosa anche per le radici delle piante. Il perossido di idrogeno è particolarmente utile per la pulizia del sistema di irrigazione, mentre l’uso per la disinfezione è stato assunto con altri metodi. Il metodo è considerato economico, ma non efficiente.

3. Ipoclorito di sodio (NaoCl) _. L’ipoclorito di sodio è un composto con nomi commerciali diversi (ad esempio candeggina domestica) con concentrazioni diverse ma con la stessa struttura chimica (NaoCl). È ampiamente usato per il trattamento delle acque, specialmente nelle piscine. Il prodotto è relativamente economico. Quando aggiunto all’acqua, l’ipoclorito di sodio si decompone in HoCl e NaOH e a seconda del pH in Oclsup-/SUP; quest’ultimo si decompone in Cl e Osup. /sup per una forte ossidazione. Reagisce direttamente con qualsiasi sostanza organica e, se c’è abbastanza ipoclorito, reagisce anche con gli agenti patogeni. Le Quillec et al. (2003) hanno dimostrato che la tenabilità dell’ipoclorito dipende dalle condizioni climatiche e dalle relative reazioni di decomposizione. Le alte temperature e il contatto con l’aria causano una rapida decomposizione, alla quale Naclosub3/sub si forma con proprietà fitotossiche. Runia (1995) ha dimostrato che l’ipoclorito non è efficace per eliminare i virus. La clorazione con una concentrazione di 1—5 mg Cl LSUP-1/SUP e un tempo di esposizione di 2 h ha ottenuto una riduzione del 90-99,9% di Fusarium oxysporum, ma alcune spore sono sopravvissute a tutte le concentrazioni. Devono essere adottate misure di sicurezza per lo stoccaggio e la movimentazione sicuri. L’ipoclorito potrebbe funzionare contro un certo numero di agenti patogeni, ma non tutti, ma allo stesso tempo, la concentrazione di Nasup+/SUP e clsup-/SUP è aumentata in un sistema di coltivazione chiuso che porterà anche a livelli che diminuiscono la produttività del raccolto e nel momento in cui la soluzione nutritiva deve essere lisciviata. Nonostante gli inconvenienti di cui sopra, il prodotto viene utilizzato e raccomandato dagli operatori commerciali come metodo economico e utile.

4.5.2 Metodi chimici e non chimici

I coltivatori preferiscono metodi di disinfezione con prestazioni eccellenti in combinazione con bassi costi. Una buona prestazione può essere descritta eliminando gli agenti patogeni con una riduzione del 99,9% (o una riduzione di log 3) combinata con un processo chiaro, comprensibile e controllabile. I bassi costi sono preferibilmente combinati con bassi investimenti, bassi costi di manutenzione e nessuna necessità per il coltivatore di eseguire come specialista di laboratorio. Trattamento termico, radiazioni UV e trattamento con ozono mostrano buone prestazioni. Tuttavia, gli investimenti nel trattamento dell’ozono sono molto elevati e comportano costi annui elevati. Anche il trattamento termico e le radiazioni UV hanno costi annuali elevati, ma gli investimenti sono inferiori, mentre il processo di eliminazione è facile da controllare. Questi ultimi due metodi sono più popolari tra i coltivatori, specialmente nei vivai più grandi di 1 o 2 ettari. La filtrazione lenta a sabbia è meno perfetta in termini di prestazioni, ma ha costi annuali notevolmente inferiori. Questo metodo potrebbe essere raccomandato per i produttori di dimensioni inferiori a 1 ha e per i coltivatori con capitale d’investimento inferiore, poiché i filtri a sabbia possono essere costruiti dal coltivatore stesso. L’ipoclorito di sodio e il perossido di idrogeno sono anche metodi economici, ma le prestazioni sono insufficienti per eliminare tutti gli agenti patogeni. Inoltre si tratta di un biocida e non di un pesticida, il che significa che per legge, almeno nell’Unione europea, è legalmente vietato utilizzarlo per eliminare gli agenti patogeni.

4.5.3 Biofouling e pretrattamento

I metodi di disinfezione non sono molto selettivi tra agenti patogeni e altro materiale organico nella soluzione. Pertanto, il pretrattamento (filtri a sabbia rapidi o filtri meccanici da 50 a 80 um) della soluzione prima della disinfezione è raccomandato durante il trattamento termico, la radiazione UV e il trattamento con ozono. Se dopo la disinfezione i residui dei metodi chimici rimangono nell’acqua, essi possono reagire con i biofilm che si sono formati nelle tubazioni dei sistemi di irrigazione. Se il biofilm viene rilasciato dalle pareti dei tubi, verranno trasportati ai gocciolatori e causeranno l’intasamento. Diversi metodi ossidanti (ipoclorito di sodio, perossido di idrogeno con attivatori, biossido di cloro) sono principalmente utilizzati per pulire le tubazioni e le attrezzature, e questi creano un rischio speciale per intasare i gocciolatori nel tempo.