5.3 Principi generali
Anche se la definizione di acquaponica non è stata completamente risolta, esistono alcuni principi generali associati all’ampia gamma di metodi e tecnologie acquaponiche.
L’utilizzo dei nutrienti aggiunti al sistema acquaponico nel modo più ottimale ed efficiente possibile per produrre i due prodotti principali dell’impresa (ossia biomassa ittica e vegetale) è un primo principio importante e condiviso associato alla tecnologia (Rakocy e Hargreaves 1993; Delaide et al. 2016; Knaus e Palm 2017). Non serve aggiungere sostanze nutritive (che possiedono un costo intrinseco in termini di denaro, tempo e valore) a un sistema per osservare un’alta percentuale di tali sostanze nutritive sono suddivise in processi, requisiti o risultati che non sono direttamente associati ai pesci e alle piante prodotte, o a qualsiasi vita intermedia forme che possono favorire l’accesso dei nutrienti da parte dei pesci e delle piante (ad esempio microrganismi — batteri, funghi, ecc.) (Lennard 2017). Pertanto, probabilmente il principio generale più importante associato all’acquaponica è quello di utilizzare i nutrienti applicati nel modo più efficiente possibile per ottenere una produzione ottimizzata sia dei pesci che delle piante.
Lo stesso argomento può essere applicato anche al fabbisogno idrico del sistema acquaponico in questione; ancora una volta, l’acqua aggiunta al sistema dovrebbe essere utilizzata principalmente dai pesci e dalle piante e utilizzata nel modo più efficiente possibile e non permettere perdite a processi, forme di vita o risultati che non sono direttamente associati alla produzione di pesce e piante o possono avere un impatto sull’ambiente circostante (Lennard 2017).
In termini reali, l’uso efficiente delle sostanze nutritive e dell’acqua porta a diversi principi progettuali ampiamente applicati al metodo aquaponico:
Il principio più importante dell’acquaponica è quello di utilizzare i rifiuti prodotti dai pesci come fonte principale di nutrienti per le piante. In realtà, questa è l’intera idea dell’aquaponica e quindi dovrebbe essere un driver di primo ordine per il metodo. L’acquaponica era storicamente concepita come un sistema per la coltivazione di piante che utilizzano rifiuti di acquacoltura ittica, in modo che tali rifiuti di acquacoltura avessero meno impatto ambientale e fossero considerati come una merce positiva e redditizia, piuttosto che un prodotto di scarto fastidioso con un costo associato per soddisfare le normative ambientali requisiti (Rakocy e Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).
La progettazione del sistema dovrebbe incoraggiare l’uso di tecnologie di allevamento e di coltura delle piante che non assorbono intrinsecamente o distruttivamente l’acqua o le risorse nutritive aggiunte. Ad esempio, i componenti per la conservazione dei pesci basati sull’utilizzo di stagni di terra sono scoraggiati, perché lo stagno di terra ha la capacità di utilizzare e rendere non disponibili acqua e risorse nutritive ai pesci e alle piante associati, riducendo così l’efficienza di utilizzo dell’acqua e dei nutrienti del sistema. Allo stesso modo, i metodi di coltura delle piante idroponiche non dovrebbero utilizzare mezzi che assorbono quantità eccessive di sostanze nutritive o acqua e li rendono inaccessibili alle piante (Lennard 2017).
La progettazione del sistema non deve sprecare sostanze nutritive o acqua attraverso la produzione di flussi di rifiuti esterni. Principalmente, se l’acqua e i nutrienti lasciano il sistema attraverso un flusso di rifiuti, allora quell’acqua e quei nutrienti non vengono utilizzati per la produzione di pesce o di piante, e quindi l’acqua e questi nutrienti vengono sprecati e il sistema non è il più efficiente possibile. Inoltre, la produzione di un flusso di rifiuti può avere un potenziale impatto ambientale. Se le acque reflue e le sostanze nutritive lasciano il sistema acquaponico, dovrebbero essere utilizzate in tecnologie alternative per la produzione di impianti da esterno a sistema, in modo che acqua e sostanze nutritive non vengano sprecati, contribuiscano alla produzione complessiva di biomassa commestibile o vendibile e non presentino un potenziale di impatto ambientale più ampio ( Tyson et al. 2011).
Il sistema deve essere progettato per abbassare o idealmente, negare completamente, l’impatto ambientale diretto da acqua o sostanze nutritive. Un obiettivo di primo ordine dell’acquaponica è quello di utilizzare i rifiuti prodotti dal pesce come fonte nutriente per le piante in modo da negare il rilascio di tali nutrienti direttamente nell’ambiente circostante dove possono causare impatti (Tyson et al. 2011).
I progetti di sistemi Aquaponic dovrebbero idealmente prestarsi ad essere collocati all’interno di strutture e situazioni controllate dall’ambiente (ad esempio serre, locali per pesci). Ciò consente il potenziale di ottenere i migliori tassi produttivi di pesce e piante dal sistema. La maggior parte dei progetti acquaponici sono relativamente elevati in termini di costi di capitale e costi di produzione correnti, e quindi la capacità di ospitare il sistema in un ambiente perfetto aumenta i potenziali di profitto che giustificano finanziariamente l’alto capitale e i costi di produzione (Lennard 2017).
I principi di progettazione sopra delineati si associano direttamente a una serie di principi generali che vengono spesso, ma non sempre, applicati all’ambiente di produzione acquaponica. Questi principi generali riguardano il funzionamento del sistema e il modo in cui i nutrienti vengono porzionati tra il sistema e i suoi abitanti.
La premessa fondamentale dell’acquaponica, in un contesto dinamico dei nutrienti, è che i pesci vengono nutriti, i pesci metabolizzano e utilizzano i nutrienti nel mangime, i pesci rilasciano rifiuti basati sulle sostanze contenute nel mangime per pesci che non utilizzano (inclusi gli elementi), la microflora acceda a tali rifiuti metabolici dei pesci e utilizza piccole quantità di loro, ma trasformare il resto, e le piante quindi accedere e rimuovere quelli microflora trasformato, rifiuti metabolici di pesce come fonti di nutrienti e, in una certa misura, pulire il mezzo acqua di quei rifiuti e contrastare qualsiasi accumulo associato (Rakocy e Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).
Poiché i sistemi di produzione ittica terrestre eliminano autonomamente i nutrienti, l’acquaponica utilizza generalmente quelli che sono noti come principi del sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) per la componente di produzione ittica (Rakocy e Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). I pesci sono tenuti in vasche fatte di materiali che non rimuovono sostanze nutritive dall’acqua (plastica, vetroresina, cemento, ecc.), l’acqua viene filtrata per trattare o rimuovere i prodotti di scarto metabolico del pesce (solidi e gas ammoniaca disciolti) e l’acqua (e le sostanze nutritive associate) viene quindi indirizzata ad una pianta componente colturale in cui le piante utilizzano i rifiuti ittici come parte della loro risorsa nutritiva (Timmons et al. 2002). Per quanto riguarda i pesci, i componenti vegetali a base di terra non vengono utilizzati perché i terreni coinvolti rimuovono i nutrienti e possono non necessariamente renderli completamente disponibili per le piante. Inoltre, le tecniche di coltura delle piante idroponiche non utilizzano il suolo e sono più pulite rispetto ai sistemi a base di suolo e consentono un certo controllo passivo delle miscele di microrganismi presenti.
Le piante coltivate in idroponica convenzionale richiedono l’aggiunta di quelli che sono noti come fertilizzanti minerali: sostanze nutritive presenti nelle loro forme basali e ioniche (ad esempio nitrati, fosfati, potassio, calcio, ecc. come ioni) (Resh 2013). Al contrario, i sistemi di acquacoltura a ricircolo devono applicare regolari scambi idrici (giornalieri) per controllare l’accumulo di metaboliti dei rifiuti ittici (Timmons et al. 2002). Aquaponics cerca di combinare le due imprese separate per produrre un risultato che raggiunga il meglio delle due tecnologie, pur negando il peggio (Goddek et al. 2015).
Le piante richiedono una suite di macro e micro elementi per una crescita ottimale ed efficiente. In acquaponica, la maggior parte di questi nutrienti deriva dai rifiuti ittici (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard 2017; COST FA1305 2017). Tuttavia, i mangimi per pesci (la principale fonte di nutrienti del sistema acquaponico) non contengono tutti i nutrienti necessari per ottimizzare la crescita delle piante e, pertanto, è necessaria una nutrizione esterna, in misura variabile.
L’idroponica standard e la coltura del substrato aggiungono nutrienti all’acqua in forme direttamente disponibili alle piante (cioè forme ioniche e inorganiche prodotte tramite aggiunte di varietà di sale progettate) (Resh 2013). Una parte dei rifiuti rilasciati dai pesci è in forme direttamente disponibili (ad esempio ammoniaca) ma potenzialmente tossiche per i pesci (Timmons et al. 2002). Questi metaboliti di rifiuti ionici disciolti, come l’ammoniaca, vengono trasformati da onnipresenti specie batteriche che sostituiscono gli ioni idrogeno con ioni di ossigeno, il prodotto dell’ammoniaca è nitrato, che è molto meno tossico per i pesci e la fonte di azoto preferita per le piante (Lennard 2017). Altri nutrienti appropriati per l’assorbimento delle piante sono legati nella frazione solida dei rifiuti di pesce come composti organici e richiedono un ulteriore trattamento tramite interazione microbica per rendere i nutrienti disponibili per l’assorbimento delle piante (Goddek et al. 2015). Pertanto, i sistemi aquaponici richiedono una suite di microflora per eseguire queste trasformazioni.
La chiave per ottimizzare l’integrazione acquaponica consiste nel determinare il rapporto tra la produzione di rifiuti ittici (direttamente influenzata dall’aggiunta di mangimi per pesci) e l’utilizzo di nutrienti vegetali (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard e Leonard 2006; Goddek et al. 2015). Diverse regole empiriche e modelli sono stati sviluppati nel tentativo di definire questo equilibrio. Rakocy et al. (2006) ha sviluppato un approccio che corrisponde al fabbisogno di superficie vegetale con l’apporto giornaliero di mangimi per pesci e lo ha chiamato «Il rapporto Aquaponic Feeding Rate». Il rapporto di alimentazione è fissato tra 60 e 100 grammi di mangime per pesci aggiunti al giorno, per metro quadrato di superficie vegetale (60-100 g/msup2/sup/giorno). Questo rapporto di alimentazione è stato sviluppato utilizzando Tilapia spp. pesce che mangia una dieta commerciale standard, 32% proteine (Rakocy e Hargreaves 1993). Inoltre, il sistema aquaponico a cui questo rapporto è particolarmente indicato (noto come Sistema Aquaponico dell’Università delle Isole Vergini — Sistema UVI) non utilizza la frazione di rifiuti solidi di pesce, è eccessivamente fornito di azoto e richiede una de-nitrificazione passiva nel sistema per controllare il tasso di accumulo di azoto ( Lennard 2017). Altri hanno determinato rapporti alternativi basati su diverse combinazioni di pesci e piante, testati in diverse condizioni specifiche (ad esempio Endut et al. 2010 — 15—42 g/msup2/sup/die per pesci gatto africani, Clarias gariepinus e spinaci d’acqua, Ipomoea aquatica).
Il rapporto di alimentazione UVI è stato sviluppato da Rakocy e dal suo team come approccio approssimativo; quindi perché è indicato come un intervallo (Rakocy e Hargreaves 1993). Il rapporto UVI cerca di tenere conto del fatto che diverse piante richiedono diverse quantità di nutrienti e miscele e quindi un approccio «generico» alla progettazione acquaponica è una prospettiva difficile. Lennard (2017) ha sviluppato un approccio alternativo che cerca di abbinare direttamente i tassi di produzione dei nutrienti dei rifiuti di pesce (in base al mangime utilizzato e alla conversione e all’utilizzo del pesce di tale mangime) con tassi specifici di assorbimento dei nutrienti vegetali, in modo che il rapporto pesce/pianta esigente corrisponda a qualsiasi le specie ittiche o vegetali scelte possono essere realizzate e contabilizzate nella progettazione del sistema acquaponico. Corrisponde a questo approccio progettuale con un approccio di gestione specifico che utilizza anche tutti i nutrienti disponibili all’interno della frazione di rifiuti solidi ittici (tramite rimineralizzazione aerobica dei rifiuti solidi ittici) e aggiunge solo i nutrienti richiesti dalle specie vegetali prescelte per la coltura che mancano dal frazioni di produzione di rifiuti di pesce. Pertanto, ciò riduce sostanzialmente il rapporto di alimentazione associato (ad esempio meno di 11 g/msup2/sup/giorno per alcune varietà verdi a foglia come equivalente UVI) e consente a qualsiasi specie ittica di essere specificamente ed esattamente abbinata a qualsiasi specie vegetale scelta (Lennard 2017). Allo stesso modo, Goddek et al. (2016) hanno proposto modelli che consentono una determinazione più rigorosa del rapporto pesce/pianta per sistemi acquaponici disaccoppiati.
I principi generali dell’uso efficiente dei nutrienti, dell’uso basso ed efficiente dell’acqua, dell’impatto ambientale basso o negato, della capacità di allontanarsi dalle risorse tradizionali del suolo e della sostenibilità dell’uso delle risorse sono i principi generali applicati alla progettazione e alla configurazione dei sistemi acquaponici e alla loro l’applicazione dovrebbe essere incoraggiata nel settore e nell’industria.