5.5 Requisiti per la qualità

L’acquaponica rappresenta uno sforzo per controllare la qualità dell’acqua in modo che tutte le attuali forme di vita (pesci, piante e microbi) siano coltivate nel modo più vicino possibile alle condizioni chimiche ideali dell’acqua (Goddek et al. 2015). Se la chimica dell’acqua può essere adattata ai requisiti di questi tre gruppi di importanti forme di vita, l’efficienza e l’ottimizzazione della crescita e della salute di tutti possono essere aspirati a (Lennard 2017).

L’ottimizzazione è importante per la produzione acquaponica commerciale perché è solo attraverso l’ottimizzazione che si può realizzare il successo commerciale (vale a dire la redditività finanziaria). Pertanto, la chimica dell’acqua e i requisiti di qualità dell’acqua all’interno del sistema acquaponico sono fondamentali per il successo commerciale ed economico finale dell’impresa (Goddek et al. 2015).

Attualmente vi è disaccordo all’interno della più ampia industria e comunità acquaponica in termini di ciò che rappresenta una qualità dell’acqua buona o accettabile all’interno dei sistemi acquaponici. Sembra che sia universalmente accettato che i requisiti chimici naturali dell’acqua dei singoli sottoinsiemi di forme di vita (pesci, piante e microbi) siano ampiamente concordati (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). Tuttavia, la presenza di una vasta gamma di approcci, metodi e scelte tecnologiche che sono chiamati acquaponica e il background o la storia delle tecnologie a sé stanti associate dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) e della coltura idroponica (compresa la coltura del substrato) sembra portare a disaccordi tra operatori, scienziati e progettisti. Ad esempio, prendendo in considerazione un solo parametro chimico dell’acqua, il pH, alcuni sostengono che il fabbisogno di pH delle piante coltivate idroponicamente è molto diverso dai requisiti di pH delle specie ittiche di acqua dolce coltivate a RAS (Suhl et al. 2016). L’industria idroponica applica generalmente impostazioni di pH tra 4.5 e 6.0 per la coltura vegetale a base acquosa (Resh 2013), mentre l’industria RAS applica tipicamente impostazioni di pH tra 7.0 e 8.0 (Timmons et al. 2002) per soddisfare i requisiti dei pesci e dei microbi presenti (che svolgono importanti trasformazioni dei metaboliti potenzialmente tossici dei rifiuti di pesce in forme meno tossiche). L’argomento, quindi, è che qualsiasi punto di pH è un compromesso tra le esigenze delle piante, dei pesci e dei microbi e che quindi non è possibile ottenere un pH ottimale per tutte le forme di vita, il che porta alla produzione di impianti non ottimali (Suhl et al. 2016). Altri sostengono, tuttavia, che un esame più attento delle complessità delle dinamiche nutritive dell’assorbimento dei nutrienti vegetali può chiarire un’opinione diversa (Lennard 2017).

I sistemi idroponici (e di coltura del substrato) alimentano le piante nelle loro forme basali e ioniche aggiungendo sali nutrienti all’acqua che si dissociano per rilasciare gli ioni nutrienti disponibili (Resh 2013). La ricerca ha dimostrato che queste forme di nutrienti ionici esistono in una finestra di disponibilità per la pianta, basata sul pH dell’acqua disponibile del sistema. Pertanto, in un contesto idroponico standard, senza presente flora microbica (cioè sterilizzata — come la maggior parte dei sistemi idroponici sono), è importante impostare il pH dell’acqua del sistema ad un livello che renda la miscela di nutrienti ionici richiesta dalla pianta il più possibile disponibile (Resh 2013). All’interno di qualsiasi sistema idroponico, questo è un compromesso in sé, perché come dimostra qualsiasi tabella di disponibilità di nutrienti ionici (vedi Fig. 5.4), diverse forme di nutrienti ionici sono le più disponibili a diversi pH (Resh 2013). È questa associazione standard di disponibilità di nutrienti ionici che l’industria idroponica utilizza come primer per i set point del pH e spiega perché il pH operativo idroponico desiderato è compreso tra 4,5 e 6,0 (un ambiente acido) nei sistemi di coltura idroponica e substrato sterilizzati.

In alternativa, il RAS applica un set point di pH dell’acqua basato su ciò che è naturale per il pesce in coltura e i microbi che trattano e convertono i prodotti di scarto ittico

Fig. 5.4 Esempio di una tabella standard di disponibilità dei nutrienti mediata da pH per piante coltivate in acqua. La linea rossa rappresenta un pH di funzionamento normale per un sistema idroponico; la linea blu che per un sistema acquaponico

(Timmons et al. 2002; Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Negli ambienti naturali d’acqua dolce, la maggior parte delle specie ittiche richiede un pH ambientale (cioè pH dell’acqua) che corrisponda strettamente al pH interno del pesce, che è spesso vicino a un pH di 7,4 (Lennard 2017). Inoltre, i principali microbi associati alla trasformazione del metabolita disciolto nella coltura RAS (i batteri di nitrificazione di diverse specie) richiedono anche un pH intorno al 7,5 per una trasformazione ottimale dell’ammoniaca in nitrato (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Pertanto, gli operatori RAS applicano un punto di pH pari a circa 7,5 alla coltura ittica di acqua dolce RAS.

Esiste un’evidente differenza tra un pH di 5,5 (una media per colture vegetali standard, sterilizzate e idroponiche) e un pH di 7,5 (uno standard medio per la coltura ittica RAS). Pertanto, si sostiene in linea generale che il pH rappresenta uno dei maggiori compromessi di qualità dell’acqua presenti nella scienza acquaponica (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). I sostenitori di progetti acquaponici disaccoppiati spesso citano questa differenza nel fabbisogno di pH ottimale come argomento per l’approccio progettuale disaccoppiato, affermando che i progetti a ricircolo completo devono trovare un compromesso di pH quando i progetti disaccoppiati hanno il lusso di applicare diversi punti di pH dell’acqua ai pesci e alle piante componenti (Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2016). Tuttavia, ciò che questo argomento ignora è che i sistemi acquaponici, a differenza dei sistemi idroponici, non sono sterili e utilizzano tecniche acquatiche ecologiche che incoraggiano una popolazione diversificata di microflora ad essere presente all’interno del sistema acquaponico (Eck 2017; Lennard 2017). Ciò si traduce in un’ampia varietà di microbi presenti, molti dei quali formano associazioni intricate e complesse con le piante, in particolare le radici delle piante, all’interno del sistema acquaponico (Lennard 2017). È noto e consolidato nella fisiologia vegetale che molti microbi, associati al terreno e alla matrice del suolo, si associano strettamente alle radici delle piante e che molti di questi microbi aiutano le piante ad accedere e ad assorbire nutrienti vitali (Vimal et al. 2017). È anche noto che alcuni di questi microbi producono molecole organiche che favoriscono direttamente la crescita delle piante, aiutano lo sviluppo dell’immunità delle piante e aiutano a superare la concorrenza degli agenti patogeni vegetali (in particolare delle radici) (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). In sostanza, questi microbi aiutano le piante in molti modi che semplicemente non sono presenti nell’ambiente sterilizzato applicato nella coltura idroponica standard.

Con questi diversi microbi presenti, le piante hanno accesso ai nutrienti in molti modi che non sono possibili in sistemi che si basano solo su impostazioni di pH acquatico per consentire l’accesso ai nutrienti vegetali (ad es. idroponica standard e coltura del substrato). Molti di questi microbi operano ad ampi livelli di pH, proprio come altri microbi a base di suolo, come i batteri di nitrificazione (pH di 6,5-8,0, Timmons et al. 2002). Pertanto, con questi microbi presenti nei sistemi aquaponici, il setpoint del pH può essere innalzato al di sopra di quello che viene normalmente applicato nelle tecniche di coltura idroponica o substrato (cioè pH di 4,5-6,0) mentre la crescita avanzata ed efficiente delle piante è ancora presente (Lennard 2017). Ciò è dimostrato dal lavoro di diversi ricercatori aquaponici che hanno dimostrato tassi di crescita delle piante migliori in acquaponica rispetto all’idroponica standard (Nichols e Lennard 2010).

Altri requisiti di qualità dell’acqua nei sistemi acquaponici riguardano i parametri fisici/chimici e, in particolare, i parametri del fabbisogno di nutrienti vegetali. In termini di requisiti fisici/chimici, piante, pesci e microbi condividono molte cose comuni. L’ossigeno disciolto (DO) è vitale per i pesci, le radici delle piante e la microflora e deve essere mantenuto nei sistemi acquaponici (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Le radici delle piante e la microflora generalmente richiedono concentrazioni di DO relativamente inferiori rispetto alla maggior parte dei pesci; le radici delle piante e i microbi possono sopravvivere con DO inferiore a 3 mg/L (Goto et al. 1996), mentre la maggior parte dei pesci richiede più di 5 mg/L (Timmons et al. 2002). Pertanto, se la concentrazione di DO all’interno del sistema acquaponico è impostata e mantenuta per il fabbisogno di pesce, viene rispettato anche il requisito di piante e microbi (Lennard 2017). Specie ittiche diverse richiedono diverse concentrazioni di DO: i pesci d’acqua calda (ad esempio Tilapia spp., barramundi) possono generalmente tollerare concentrazioni di DO inferiori rispetto alle specie di pesci d’acqua fredda (ad esempio salmonidi come la trota iridea e il salmerino artico); poiché il requisito DO del pesce è quasi sempre maggiore della pianta radici e requisiti microfloreali, si dovrebbe fissare DO per le specie ittiche specifiche in coltura (Lennard 2017).

Le concentrazioni acqua-anidride carbonica (COSub2/sub), come quella per DO, sono generalmente fissate dai pesci perché le radici e i microbi delle piante possono tollerare concentrazioni più elevate rispetto ai pesci. Le concentrazioni di anidride carbonica sono importanti per la salute e la crescita ottimali dei pesci e vengono spesso ignorate nei progetti acquaponici. I parametri e i punti di riferimento per le concentrazioni di COsub2/sub devono essere gli stessi che per le stesse specie ittiche coltivate in soli pesci, i sistemi RAS e, in generale, devono essere mantenuti al di sotto di 20 mg/l (Masser et al. 1992).

La temperatura dell’acqua è importante per tutte le forme di vita presenti all’interno di un sistema acquaponico. Le specie ittiche e vegetali devono essere abbinate il più vicino possibile ai requisiti di temperatura dell’acqua (ad esempio, Tilapia spp. di pesci come 25 ˚C più, e piante come il basilico prosperano in questa temperatura relativamente elevata dell’acqua; varietà di lattuga come acqua più fredda, e quindi, un candidato al pesce meglio abbinato è l’arcobaleno trota) (Lennard 2017). Tuttavia, come per altri parametri fisici e chimici dell’acqua, soddisfare il requisito del pesce per la temperatura dell’acqua è fondamentale perché i microbi hanno la capacità di sottoporsi a una selezione specifica di specie in base alle condizioni ambientali (ad esempio, la differenziazione batterica della nitrificazione avviene a diversi le temperature dell’acqua e le specie che meglio si abbinano alla particolare temperatura dell’acqua domineranno la biomassa batterica di nitrificazione del sistema) e molte piante possono crescere molto bene ad una gamma più ampia di temperature dell’acqua (Lennard 2017). Adeguare la temperatura dell’acqua e mantenerla entro più o meno 2 °C (cioè un controllo della temperatura ad alto livello) al pesce, è un requisito importante in acquaponica perché quando la temperatura dell’acqua è corretta e non si discosta dalla media ideale, i pesci raggiungono un metabolismo efficiente e ottimizzato e mangiare e convertire i mangimi in modo efficiente, portando a migliori tassi di crescita dei pesci e a rilasci stabili e prevedibili dei carichi di scarto, che aiutano la coltura delle piante (Timmons et al. 2002).

Mantenere la chiarezza dell’acqua (bassa torbidità) è un altro parametro importante nella coltura acquaponica (Rakocy et al. 2006). La maggior parte della torbidità dell’acqua è dovuta a carichi solidi sospesi che non sono stati adeguatamente filtrati, e questi solidi possono influenzare i pesci aderendo alle branchie, il che può ridurre i tassi potenziali di trasferimento dell’ossigeno e i tassi di rilascio dell’ammoniaca (Timmons et al. 2002). I carichi solidi sospesi inferiori a 30 mg/L sono raccomandati per pesci coltivati in acquaponia (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Alti carichi solidi sospesi colpiscono anche le radici delle piante perché hanno la capacità di aderire alle radici che possono causare inefficienza nell’assorbimento dei nutrienti, ma più comunemente offre un maggiore potenziale di colonizzazione di organismi patogeni, che porta a cattive condizioni di salute delle radici e alla morte finale delle piante (Rakocy et al. 2006). Questi solidi sospesi favoriscono inoltre la prevalenza di batteri eterotrofici (specie che degradano e metabolizzano il carbonio organico) che, se autorizzati a dominare i sistemi, possono superare le altre specie richieste, come i batteri di nitrificazione.

La conducibilità elettrica (EC) è una misura spesso applicata in idroponica per comprendere la quantità di nutrienti totali presenti nell’acqua. Tuttavia, non può fornire informazioni sulla miscela di nutrienti, sulla presenza o sull’assenza di singole specie nutritive o sulla quantità di singole specie nutritive presenti (Resh 2013). Non viene spesso applicato in acquaponica perché misura solo la presenza di forme nutritive ioniche (caricate), ed è stato sostenuto che l’acquaponica è un metodo di approvvigionamento di nutrienti organici e, pertanto, la CE non è una misura pertinente (Hallam 2017). Tuttavia, generalmente le piante generano solo forme ioniche di nutrienti e, pertanto, EC può essere utilizzato come strumento generale o guida alla quantità totale di nutrienti disponibili in un sistema acquaponico (Lennard 2017).

Per i sistemi acquaponici a ricircolo completo, in termini di parametri fisici e chimici, sono i pesci ad essere più esigenti nelle loro esigenze, e quindi, se i sistemi sono riusciti a mantenere i requisiti dei pesci, le piante e i microbi stanno avendo i loro requisiti più che soddisfatti (Lennard 2017). La differenza per quanto riguarda le piante, tuttavia, è la necessità di una corretta miscela e forza dei nutrienti per consentire l’accesso e l’assorbimento dei nutrienti ottimizzati (autonomo o microbico assistito), il che porta a una crescita efficiente e rapida. I sistemi acquaponici disaccoppiati possono quindi essere più attraenti a causa della percezione che consentono un apporto di nutrienti più esigente alle piante (Goddek et al. 2016). I mangimi per pesci e, quindi, i rifiuti di pesce non contengono la miscela corretta di sostanze nutritive per soddisfare i requisiti vegetali (Rakocy et al. 2006). Pertanto, la progettazione del sistema aquaponico deve tenere conto di quei nutrienti mancanti e integrarli. I sistemi acquaponici a ricircolo completo integrano generalmente i nutrienti aggiungendoli nelle specie saline utilizzate per gestire il regime giornaliero di tamponamento del pH; la parte base del sale regola il pH e la parte positiva del sale permette l’integrazione dei nutrienti mancanti delle piante (ad esempio potassio, calcio, magnesio) (Rakocy et al. 2006). I disegni acquaponici disaccoppiati prendono le acque reflue e i rifiuti solidi associati dalla componente del pesce e regolano l’acqua per contenere i nutrienti necessari per la produzione delle piante aggiungendo nutrienti in diverse forme (Goddek et al. 2016). Queste aggiunte di nutrienti sono generalmente basate sull’utilizzo di specie di sale idroponiche standard che non forniscono necessariamente alcun risultato di aggiustamento del pH (ad esempio fosfato di calcio, solfato di calcio, fosfato di potassio, ecc.).

Il percorso verso una crescita efficiente delle piante nei sistemi acquaponici consiste nel fornire un profilo nutriente acquatico che fornisca tutti i nutrienti necessari alla pianta (miscela) ai punti di forza richiesti (concentrazione) (Lennard 2017). Nei disegni acquaponici a ricircolo completo, o nei disegni acquaponici disaccoppiati che non applicano metodi di sterilizzazione, sembra che esistano meno requisiti per soddisfare le concentrazioni o i punti di forza dei nutrienti applicati nell’idroponica standard, poiché la natura ecologica del sistema associa molti tipi di microflora con le radici delle piante e queste microflora aiutano l’accesso ai nutrienti vegetali (Lennard 2017). Per i disegni acquaponici disaccoppiati o di altro tipo che applicano la sterilizzazione alla componente vegetale e seguono un approccio analogo idroponico standard, sembra essere necessario cercare di avvicinarsi alle concentrazioni di nutrienti idroponici standard (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Il compromesso, tuttavia, con l’approccio disaccoppiato è che porta a rapporti di integrazione esterna ben oltre quelli dei disegni acquaponici a ricircolo completo; i disegni europei disaccoppiati attualmente mediano al 50% o più aggiunte di nutrienti esterni (COST FA1305 2017; Goddek e Keesman 2018), mentre l’UVI fornisce meno del 20% e altri sistemi possono fornire un’integrazione nutriente esterna inferiore al 10% (Lennard 2017).

Indipendentemente dal metodo, tutti i sistemi acquaponici dovrebbero sforzarsi di fornire alle piante la nutrizione necessaria per una crescita ottimizzata, in modo da fornire all’impresa le maggiori possibilità di redditività finanziaria. In questo contesto, il contenuto di nutrienti e la forza dell’acqua consegnata alle piante sono molto importanti e dovrebbero essere impiegati controlli regolari sui nutrienti dell’acqua in modo che la miscela e la forza nutritiva possano essere mantenute e gestite come un requisito molto importante per la qualità dell’acqua.