6.5 Ruoli batterici nel ciclo nutriente e biodisponibilità

Sono state condotte notevoli ricerche per caratterizzare i batteri eterotrofici e autotrofici nei sistemi RAS e per comprendere meglio il loro ruolo nel mantenimento della qualità dell’acqua e nel ciclo dei nutrienti (per le recensioni, vedere Blancheton et al. (2013); Schreier et al. (2010). Gli eterotrofi non patogeni, tipicamente dominati da Alphaproteobacteria e Gammaproteobacteria, tendono a prosperare nei biofiltri, e il loro contributo alle trasformazioni dell’azoto è abbastanza ben compreso perché il ciclo di azoto (NC) è stato di fondamentale importanza nello sviluppo della coltura di ricircolo sistemi (Timmons ed Ebeling 2013). Da tempo è stato riconosciuto che la trasformazione batterica dell’ammoniaca escreta dai pesci in un sistema RAS deve essere abbinata a tassi di escrezione, perché l’eccesso di ammoniaca diventa rapidamente tossica per i pesci (cfr. cap. 9). Pertanto, nei RAS d’acqua dolce e marina, i ruoli funzionali delle comunità microbiche nella dinamica NC — nitrificazione, denitrificazione, ammonificazione, ossidazione anaerobica dell’ammonio e riduzione dei nitrati dissimilatori — hanno ricevuto una notevole attenzione di ricerca e sono ben descritti nelle recenti recensioni (Rurangwa e Verdegem 2015; Schreier et al. 2010). Ci sono molti meno studi sulle trasformazioni dell’azoto in acquaponica, ma una recente revisione (Wongkiew et al. 2017) fornisce una sintesi insieme alla discussione sull’efficienza dell’utilizzo dell’azoto, che è una considerazione primaria per la crescita delle piante nell’idroponica.

Dopo l’azoto, il secondo macronutriente più essenziale nell’acquaponica è il fosforo, che non è un fattore limitante per i pesci che lo acquistano dai mangimi, ma è fondamentale per le piante idroponiche. Tuttavia, le forme di fosfato nei rifiuti ittici non sono immediatamente biodisponibili per le piante. Le piante devono avere quantità adeguate di ortofosfato ionico inorganico (HSub2/subposub4/subsup-/SUP e HPOsub4/subSUP2-/SUP = Pi) (Becquer et al. 2014), poiché questa è l’unica forma biodisponibile per l’assorbimento e l’assimilazione. Il fosfato inorganico si lega al calcio al di sopra del pH 7.0, quindi il sistema aquaponico deve fare attenzione a mantenere le condizioni di pH vicino a pH 7.0. Poiché i valori di pH superano 7,0, varie forme insolubili di fosfato di calcio possono finire come precipitati nei fanghi (Becquer et al. 2014; Siebielec et al. 2014). Pertanto, le perdite RAS di P derivano principalmente dalla rimozione dei fanghi dal sistema (Van Rijn 2013). Tuttavia, da qualche parte nel sistema acquaponico, il particolato deve essere catturato e permesso di mineralizzare al fine di fornire un sufficiente apporto di nutrienti utilizzabili per le colture dell’unità idroponica. La fase di mineralizzazione rilascerà anche altri macro- e micronutrienti in modo che ci siano meno carenze, riducendo così la necessità di integrazione nel comparto idroponico. Dato che le forniture mondiali di fertilizzanti ricchi di fosfati stanno diminuendo e l’integrazione con P è sempre più costosa, si stanno facendo sforzi per massimizzare il recupero di P dai fanghi RAS (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017).

La biodisponibilità di macro e micronutrienti è attualmente poco conosciuta. Ricerche precedenti (Cerozi e Fitzsimmons 2016a) suggeriscono che la disponibilità di sostanze nutritive diventa compromessa poiché il pH è ridotto al di sotto di 7,0 e ha portato a un sistema idroponico accoppiato per verdi a foglia verde viene utilizzato intorno al pH 6,0. Tuttavia, una recente ricerca che ha confrontato le condizioni acquaponiche e il pH 7,0 con le condizioni idroponiche di pH 5,8 non ha mostrato alcuna differenza nella produttività (Anderson et al. 2017a, b). In questi studi, le condizioni idroponiche a pH 7,0 hanno ridotto la produttività del\ ~ 22% rispetto al pH idroponico 5,8. Inizialmente, l’ipotesi era che le differenze di produttività potessero essere attribuite al microbiota dell’acqua acquaponica, ma la ricerca successiva ha respinto tale teoria (Wielgosz et al. 2017).

In RAS dove i rapporti C:N aumentano a causa della disponibilità di materia organica, denitrificanti batteri, in particolare Pseudomonas sp., utilizzare il carbonio come donatore di elettroni in condizioni anossiche, per produrre NSub2/sub a scapito del nitrato (Schreier et al. 2010; Wongkiew et al. 2017). I sistemi Biofloc sono talvolta utilizzati per aumentare il mangime per i pesci (Crab et al. 2012; Martínez-Córdova et al. 2015), e il biofloc è sempre più utilizzato nel sistema acquaponico, specialmente in Asia (Feng et al. 2016; Kim et al. 2017; Li et al. 2018). Quando il biofloc viene utilizzato in acquaponica (da Rocha et al. 2017; Pinho et al. 2017), il ciclo dei nutrienti diventa ancora più complesso dato che DO, temperatura e pH influenzano se le comunità microbiche eterotrofe (che utilizzano carbonio) predominano sui denitrificatori autotrofici che sono in grado di ridurre il solfuro a solfato (Schreier et al. 2010). Gli eterotrofi tendono ad avere un tasso di crescita più elevato rispetto agli autotrofi in presenza di adeguate fonti di carbonio (Michaud et al. 2009); pertanto, manipolare il tipo o i regimi di mangime, o aggiungere direttamente una fonte di carbonio organico, monitorando i livelli di ossigeno disciolto, può aiutare a mantenere equilibrate le popolazioni mentre ancora fornendo idroponica con N in una forma utilizzabile (Vilbergsson et al. 2016a).

Nel sistema idroponico, il ciclo dei nutrienti è stato meno studiato poiché i composti inorganici contenenti il necessario equilibrio di nutrienti sono tipicamente aggiunti al fine di garantire una corretta crescita delle piante. Tuttavia, le alte concentrazioni di nutrienti, specialmente in ambienti caldi e umidi come le serre, facilitano facilmente la crescita delle comunità microbiche, in particolare fitopatogeni come funghi (Fusarium) e oomycota (Phytophthora, Pythium sp.), che possono rapidamente immergersi in acqua circolante e possono provocare la die- off (Lee e Lee 2015). Recenti sforzi per comprendere meglio i rizobatteri idroponici e i loro effetti benefici nel promuovere la crescita delle piante (ma anche per inibire la proliferazione degli agenti patogeni) hanno utilizzato varie tecniche «omiche» per analizzare le comunità microbiche e le loro interazioni con i sistemi radicali (Lee e Lee 2015).

Ad esempio, quando sono presenti batteri probiotici come Bacillus, è stato dimostrato che essi migliorano la disponibilità di P e sembrano anche avere un effetto di promozione della crescita delle piante in un sistema di tilapia-lattuga (Cerozi e Fitzsimmons 2016b). Nel sistema acquaponico, l’aggiunta di probiotici all’alimentazione dei pesci e all’acqua RAS, nonché all’approvvigionamento idrico idroponico, merita ulteriori esperimenti, poiché le comunità microbiche possono avere molteplici effetti modulatori sulla fisiologia delle piante. Ad esempio, le comunità microbiche (batteri, funghi, oomiceti) di quattro colture alimentari sono state analizzate mediante sequenziamento metagenomico quando mantenute in un sistema idroponico a film nutriente costante, in cui le concentrazioni di pH e nutrienti sono state autorizzate a fluttuare naturalmente durante i cicli di vita delle piante (Sheridan et al. 2017). Gli autori hanno concluso che il trattamento con una miscela commerciale di microbi che promuovono la crescita delle piante (PGPM), in questo caso batteri, micorrize e funghi, sembrava conferire maggiore stabilità e somiglianze nella composizione comunitaria dopo 12-14 settimane rispetto ai controlli. Essi suggeriscono che ciò potrebbe essere attribuito agli essudati radicali, che presumibilmente favoriscono e addirittura controllano lo sviluppo di comunità microbiche adeguate alle successive fasi di sviluppo delle piante. Considerati gli effetti noti dei PGPM nella produzione di colture basate sul suolo e i pochi studi disponibili per i sistemi privi di suolo, sono necessarie ulteriori indagini per determinare come migliorare i PGPM e migliorarne gli effetti nel sistema acquaponico (Bartelme et al. 2018). Se le colture idroponiche sono più stabili e la crescita delle piante è più robusta con i PGPM, l’obiettivo dovrebbe essere quello di caratterizzare le comunità microbiche in acquaponica tramite metagenomica e correlarle con la disponibilità ottimale di macro e micronutrienti tramite metabolomica e proteomica.