6.6 Solidi e fanghi sospesi

I parametri per il funzionamento dell’acquaponica su una determinata scala — compresi volume d’acqua, temperatura, portate e portate, pH, età e densità dei pesci e delle colture — influenzano tutti la distribuzione temporale e spaziale delle comunità microbiche che si sviluppano all’interno dei suoi comparti, per le revisioni: RAS (Blancheton et al. 2013); idroponica (Lee e Lee 2015).

Oltre a controllare l’ossigeno disciolto, i livelli di anidride carbonica e il pH in acquaponica, è anche essenziale controllare l’accumulo di solidi nel sistema RAS in quanto particelle fini sospese possono aderire alle branchie, causare abrasioni e distress respiratorio e aumentare la suscettibilità alle malattie (Yildiz et al. 2017) . Più rilevante, il particolato organico (POM) deve essere rimosso rapidamente ed efficacemente dai sistemi RAS, altrimenti un’eccessiva crescita eterotrofia causerà il fallimento di quasi tutti i processi unitari. Le velocità di alimentazione RAS devono essere gestite con cura per ridurre al minimo il carico di solidi sul sistema (ad esempio evitare l’eccesso di alimentazione e ridurre al minimo i costi di alimentazione). Le proprietà biofisiche dei mangimi — dimensioni delle particelle, contenuto di nutrienti, digeribilità, appeal sensoriale, densità e tasso di assestamento — determinano i tassi di ingestione e assimilazione, che a loro volta hanno un impatto sull’accumulo di solidi e quindi sulla qualità dell’acqua. Sebbene la qualità dell’acqua sia frequentemente studiata nel contesto del ciclo dei nutrienti (cfr. cap. 9), è anche importante ottenere una migliore comprensione della composizione delle comunità microbiche e dei cambiamenti in queste basate sulla composizione dei mangimi, carico di particolato e come questo influenza la crescita delle comunità batteriche eterotrofe e autotrofe.

Varie caratteristiche dei sistemi RAS sono state sviluppate appositamente per trattare i solidi (Timmons ed Ebeling 2013); vedi anche recensione: (Vilbergsson et al. 2016b). Ad esempio, alcuni biofiltri funzionano per mantenere sospese porzioni considerevoli di rifiuti al fine di facilitare la degradazione, mentre altri filtrano meccanicamente attraverso schermi o mezzi granulari. Altri ancora si affidano alla sedimentazione per raccogliere e rimuovere semplicemente i fanghi. Tuttavia, tali metodi non sono particolarmente efficaci per recuperare i nutrienti all’interno dei fanghi e renderli biodisponibili per l’uso vegetale. Storicamente, questo fango è stato trattato in bioreattori per il suo valore metanogeno o disidratato per essere utilizzato come fertilizzante per colture a base di suolo, ma vari progetti più recenti hanno cercato di migliorare il recupero per l’uso nella componente idroponica. Migliorare il recupero di questi fanghi è un’importante area di indagine, dato che una parte significativa dei macro e dei micronutrienti essenziali necessari per la crescita delle piante è legata al particolato organico che, se scartato, viene perso dal sistema. Aggiungendo un ulteriore ciclo di riciclaggio dei fanghi al sistema acquaponico, i rifiuti solidi possono essere convertiti in sostanze nutritive disciolte per il riutilizzo da parte delle piante anziché essere scartati (Goddek et al. 2018). I digestori o i bioreattori rimineralizzanti sono un modo per ottenere questo risultato, tuttavia una delle aree chiave attualmente sottosviluppate include la conoscenza di come le comunità microbiche all’interno di questi digestori di fanghi possono essere migliorate (ad esempio attraverso l’aggiunta di microbi) o meglio utilizzate (ad esempio attraverso una migliore progettazione ingegnerizzata dei reattori collegati) per recuperare i nutrienti in forme biodisponibili per le piante. Anche se le attuali comunità microbiche all’interno dei digestori dei fanghi non sono state ben studiate per l’acquaponica, esiste una notevole letteratura sul microbiota dei digestori dei fanghi per le acque reflue e i rifiuti animali in agricoltura, compresi gli effluenti di pesce, che può fornire ulteriori informazioni sui progetti ideali per recupero dei fanghi nel sistema acquaponico. L’attuale ricerca sull’incorporazione dei fanghi nel sistema acquaponico prevede la remineralizzazione nei digestori situati tra la RAS e l’unità idroponica (Goddek et al. 2016a, 2018). All’interno di bioreattori aerobici o anaerobici, le condizioni ambientali favorevoli alla degradazione dei rifiuti possono efficacemente abbattere questi fanghi in nutrienti biodisponibili, che possono essere successivamente consegnati al sistema idroponico senza la presenza di suolo (Monsees et al. 2017). Molti sistemi acquaponici a ciclo unico includono già digestori aerobici (Rakocy et al. 2004) e anaerobici (Yogev et al. 2016) per trasformare i nutrienti intrappolati nei fanghi dei pesci e renderli biodisponibili per le piante. La capacità di disaccoppiarli presenta una serie di vantaggi che sono ulteriormente discussi in cap. 8 e sembra portare a tassi di crescita più elevati (Goddek e Vermeulen 2018). Tuttavia, nonostante i numerosi progressi, la tecnologia effettiva per raggiungere questo obiettivo rimane difficile. Ad esempio, alcuni batteri denitrificanti eterotrofici coltivati in condizioni anossiche o anche aerobiche con fanghi del RAS utilizzeranno nitrati come recettore di elettroni e fonti di carbonio ossidato per l’energia, mentre immagazzinano P in eccesso come polifosfato insieme a ioni metallici divalenti come CASUP+2/SUP o CUSUP+2/SUP. Quando stressati a pH alcalino, questi batteri degradano il polifosfato e rilasciano ortofosfato, che è la forma necessaria per l’assimilazione del fosfato da parte delle piante (Van Rijn et al. 2006). L’inserimento di unità bioreattori di remineralizzazione, come quelle di Goddek et al. (2018), potrebbe fornire un modo per recuperare meglio P per l’idroponica. Metodi analoghi sono stati utilizzati, ad esempio, per i fanghi di trota provenienti da un RAS trattati per il tenore di nitrati e P superiore ai limiti di smaltimento consentiti (Goddek et al. 2015). Tuttavia, le comunità microbiche coinvolte in questi processi sono sensibili a condizioni di coltura come rapporti C:N, ossigenazione, ioni metallici e pH, in modo che nitriti e altri intermedi nocivi possano accumularsi. Nonostante una vasta letteratura sui digestori di vari rifiuti organici, principalmente anaerobici per la produzione di biogas (Ibrahim et al. 2016), c’è molto meno ricerca sul trattamento dei rifiuti RAS (Van Rijn 2013), e nel caso del sistema acquaponico, ricerca ancora meno disponibile sul rapporto tra nutrienti biodisponibilità e crescita delle colture nel sistema idroponico (Möller e Müller 2012). In questo momento, ulteriori studi sui bioreattori fanghi RAS potrebbero fornire importanti informazioni sulle condizioni di coltura per le popolazioni microbiche che producono risultati favorevoli, ad esempio, sul recupero P e sulla sua introduzione nelle unità idroponiche.

Una delle sfide attuali negli sforzi per valutare il recupero di P dai fanghi sorge quando si confrontano prove di digestori anaerobici e aerobici per la loro efficacia (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). Sebbene entrambi gli studi utilizzassero inizialmente una composizione simile dei fanghi, i risultati erano molto diversi. In uno studio (Monsees et al. 2017), le misure di vari nutrienti solubili nei trattamenti aerobici hanno determinato un aumento del 330% della concentrazione di P e una diminuzione del 16% della concentrazione di nitrati rispetto ai minori aumenti di P e una diminuzione del 97% dei nitrati nei trattamenti anaerobici. Al contrario, i risultati di uno studio simile (Goddek et al. 2016b) hanno mostrato che la crescita delle piante di lattuga in un’unità idroponica era superiore utilizzando un surnatante anaerobico, anche se entrambi i trattamenti anaerobici e aerobici hanno determinato solo un recupero leggermente migliore dei nitrati dalle condizioni anaerobiche e una perdita quasi completa di POSUB4/sub da entrambi i trattamenti (Goddek et al. 2016b). Ovviamente, fattori quali la composizione e le velocità dei mangimi, la sospensione rispetto al sedimentamento dei solidi, il pH (mantenuto a 7 ± 1 con CaOhSub2/sub nel primo e la variabile 8.2-8.65 nel secondo), il campionamento e i ceppi di pesce differivano in questi due studi. Tuttavia, i risultati contrastanti per POSUB4/SUB e NOSUB3/sub indicano la necessità di ulteriori ricerche per ottimizzare il recupero dei nutrienti, con l’aggiunta di un approccio metagenomico per caratterizzare le comunità microbiche in modo da comprendere meglio il loro ruolo in questi processi.