6.1 Introduzione
L’acqua di ricircolo nella porzione di acquacoltura di un sistema acquaponico contiene sia particolato che sostanza organica disciolta (POM, DOM) che entrano nel sistema principalmente tramite mangimi per pesci; la porzione di mangime che non viene consumata o metabolizzata dai pesci rimane come rifiuti nell’acqua del sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) , in forma disciolta (ad esempio ammoniaca) o come solidi sospesi o depositati (ad esempio fanghi). Una volta rimossa la maggior parte dei fanghi mediante separazione meccanica, la restante sostanza organica disciolta deve ancora essere rimossa da un sistema RAS. Tali processi si basano sul microbiota in vari biofiltri al fine di mantenere la qualità dell’acqua per i pesci e di convertire i rifiuti inorganici/organici in forme di nutrienti biodisponibili per le piante. Le comunità microbiche nel sistema acquaponico includono batteri, archea, funghi, virus e protisti in assemblaggi che fluttuano nella composizione in base a un riflusso e flusso di sostanze nutritive e cambiamenti nelle condizioni ambientali come pH, luce e ossigeno. Le comunità microbiche svolgono un ruolo significativo nei processi di denitrificazione e mineralizzazione (cfr. [cap. 10](/comunità/articoli/capitolo-10-trattamenti aerobici-e-anaerobici-for-aquaponico-fango-riduzione e mineralizzazione)) e svolgono quindi un ruolo chiave nella produttività complessiva del sistema, compreso il pesce benessere e salute delle piante.
Le sfide all’interno di qualsiasi sistema acquaponico consistono nel controllare gli input (acqua, fingerlings, mangimi, piantagioni) e il loro microbiota associato per massimizzare i benefici della materia organica e la sua ripartizione in forme biodisponibili per gli organismi bersaglio. Dato che i parametri ottimali di crescita ambientale e le sostanze nutritive differiscono per pesci e piante (cfr. cap. 8), vari sistemi di separazione e aerazione e biofiltri contenenti i relativi assemblaggi microbici, devono essere situati in punti strategici della per contribuire a mantenere i livelli di nutrienti, di pH e di ossigeno disciolto (DO) entro gli intervalli desiderati sia per i pesci bersaglio che per le specie vegetali. Infatti, i parametri di qualità dell’acqua, tra cui temperatura, DO, conducibilità elettrica, potenziale redox, livelli di nutrienti, anidride carbonica, illuminazione, alimentazione e portata, influenzano il comportamento e la composizione delle comunità microbiche all’interno di un sistema acquaponico (Junge et al. 2017). A questo proposito, è importante perfezionare la configurazione e il funzionamento in modo che ogni unità apporti al suo successore quantità adeguate di forme biodisponibili di nutrienti, piuttosto che consentire la proliferazione di agenti patogeni o microbi opportunistici che possono consumare la maggior parte dei macronutrienti necessari a valle.
Varie tecniche per l’analisi delle comunità microbiche possono fornire importanti informazioni sui cambiamenti nella struttura e nella funzione della comunità nel tempo in diverse configurazioni acquaponiche. Correlando questi cambiamenti con la biodisponibilità dei nutrienti e i parametri operativi, è possibile ridurre la produzione eccessiva o sottoproduzione di nutrienti essenziali o la produzione di sottoprodotti nocivi. Ad esempio, la massimizzazione del recupero dei nutrienti benefici delle piante dalle sostanze organiche di scarto nella componente del pesce dipende principalmente dalla capacità del microbiota di facilitare la ripartizione dei nutrienti all’interno di una serie di biofiltri e digestione dei fanghi, le cui prestazioni si basano su una serie di parametri operativi quali portate, tempo di permanenza e pH (Van Rijn 2013). Poiché non tutti i sistemi acquaponici includono digestori di fanghi, affronteremo questo aspetto più dettagliatamente nella seconda metà di questa recensione, mentre rimandiamo il lettore a cap. 3 per maggiori dettagli sulle tecniche di separazione dei solidi e sui chaps [7](/ community/articles/chapter-7-coupled-aquaponics-systems) e 8 per le discussioni sul sistema acquaponica accoppiato vs disaccoppiato. Se consideriamo qui solo particelle disciolte e sospese nell’acqua (e non fanghi), tutti i sistemi acquaponici impiegano una gamma di biofiltri diversi che espongono i microrganismi collegati alla materia organica che passa attraverso il filtro e forniscono un substrato adeguato e una superficie sufficiente per attaccamento microbico e formazione di biofilm. La degradazione di questa materia organica fornisce energia alle comunità microbiche, che a loro volta rilasciano macronutrienti (ad esempio nitrato, ortofosfato) e micronutrienti (ad esempio ferro, zinco, rame) nel sistema in forme utilizzabili (Blancheton et al. 2013; Schreier et al. 2010; Vilbergsson et al. 2016a).
Esiste una notevole ricerca agricola sul ruolo del microbiota nel radicamento delle piante, nella crescita e nella salute. La preponderanza di questa ricerca si concentra sui sistemi basati sul suolo; tuttavia, la ricerca sull’idroponica è aumentata anche negli ultimi anni (Bartelme et al. 2018). Anche il microbiota in acquacoltura è stato caratterizzato in modo simile, dove il ruolo dei microbi nella salute e nella digestione dei pesci ha ricevuto una notevole attenzione in quanto i ricercatori cercano di caratterizzare meglio il ruolo della salute intestinale sull’assimilazione dei nutrienti. Data l’importanza della biofiltrazione nei sistemi RAS, anche i batteri coinvolti nel processo di nitrificazione per la RAS sono stati studiati relativamente bene e quindi non vengono affrontati qui (cfr. Chaps. [10](./10-trattamenti aerobici e anaerobici per la riduzione e la mineralizzazione dei fanghi acquaponici.md) e [12](/community /articoli/capitolo-12-aquaponics-alternativi-tipi-e-approcci)). Tuttavia, ci sono state ricerche relativamente limitate sui microbi nel sistema acquaponico, in particolare le interazioni cruciali del microbiota tra i vari comparti del sistema. Questa mancanza di ricerca limita attualmente la portata e la produttività di tali sistemi, dove vi è un notevole potenziale di miglioramento con pre e probiotici, così come altre opportunità di migliorare la salute del sistema acquaponico attraverso una migliore comprensione, e quindi una migliore capacità di controllo, il vasto insieme di microbiota non caratterizzato che influenzano la salute e le prestazioni del sistema.
In quanto tale, questo capitolo si concentra principalmente su studi recenti che rivelano come e dove le comunità microbiche determinano la produttività all’interno dei compartimenti, evidenziando al contempo il numero relativamente limitato di studi che collegano tali comunità microbiche alle interazioni tra componenti e sistema complessivo produttività. Cerchiamo di identificare le lacune in cui ulteriori conoscenze sulle comunità microbiche potrebbero affrontare le sfide operative e fornire informazioni importanti per migliorare l’efficienza e l’affidabilità.