9.3 Processi microbiologici
9.3.1 Solubilizzazione
La solubilizzazione consiste nella scomposizione delle complesse molecole organiche che compongono i rifiuti di pesce e gli avanzi di mangimi in sostanze nutritive sotto forma di minerali ionici che le piante possono assorbire (Goddek et al. 2015; Somerville et al. 2014). Sia in acquacoltura (Sugita et al. 2005; Turcios e Papenbrock 2014) che in acquaponica, la solubilizzazione è condotta principalmente da batteri eterotrofici (van Rijn 2013; cap. 6) che non sono ancora stati completamente identificati (Goddek et al. 2015). Alcuni studi hanno iniziato a decifrare la complessità di queste comunità batteriche (Schmautz et al. 2017). Nell’acquacoltura attuale, i batteri più comunemente osservati sono Rhizobium sp., Flavobacterium sp., Sphingobacterium sp., Comamonas sp., Acinetobacter sp., Aeromonas sp. e Pseudomonas sp. (Munguia-Fragozo et al. 2015; Sugita et al. 2005). Un esempio del ruolo principale dei batteri nell’acquaponica potrebbe essere la trasformazione dei fitati insolubili in fosforo (P) resi disponibili per l’assorbimento delle piante attraverso la produzione di fitasi particolarmente presenti in γ-proteobacteria (Jorquera et al. 2008). (Più ricerche devono essere fatte in questo settore). Altri nutrienti diversi da P possono anche essere intrappolati come solidi ed evacuati dal sistema con il fango. Si sta quindi compiendo sforzi per rimineralizzare questi fanghi con reattori UASB-EGSB al fine di reiniettare i nutrienti nel sistema acquaponico (Delaide 2017; Goddek et al. 2016; [cap. 10](/community/articles/capitolo-10-trattamenti aerobici e anaerobici per acquaponico-riduzione e mineralizzazione dei fanghi)). Inoltre, diversi minerali non vengono rilasciati alla stessa velocità, a seconda della composizione del mangime (LetelierGordo et al. 2015), portando così a un monitoraggio più complicato della loro concentrazione nella soluzione acquaponica (Seawright et al. 1998).
9.3.2 Nitrificazione
La principale fonte di azoto in un sistema acquaponico è il mangime per pesci e le proteine che contiene (Goddek et al. 2015; Ru et al. 2017; Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017). Idealmente, il 100% di questo mangime dovrebbe essere mangiato dal pesce. Tuttavia, è stato osservato che i pesci utilizzano solo circa il 30% dell’azoto contenuto nel mangime dato (Rafiee e Saad 2005). Il mangime ingerito è in parte utilizzato per l’assimilazione e il metabolismo (Wongkiew et al. 2017), mentre il resto viene escreto attraverso le branchie o come urina e feci (Ru et al. 2017). L’azoto che viene escreto attraverso le branchie è principalmente sotto forma di ammoniaca, NHSub3/sub (Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017), mentre l’urina e le feci sono costituite da azoto organico (Wongkiew et al. 2017) che viene trasformato in ammoniaca da proteasi e deaminasi (Sugita et al. 2005). In generale, i pesci espellono azoto sotto forma di TAN, cioè NHSub3/sub e NHSub4/subSUP+/SUP. L’equilibrio tra NHSub3/sub e NHSub4/SubSUP+/SUP dipende principalmente dal pH e dalla temperatura. L’ammoniaca è il principale rifiuto prodotto dal catabolismo dei pesci delle proteine dei mangimi (Yildiz et al. 2017).
La nitrificazione è un processo in due fasi durante il quale l’ammoniaca NHSub3/sub o l’ammonio NHSub4/subSUP+/SUP escreto dal pesce viene trasformata prima in nitrito Nosub2/subsup-/sup e poi in nitrato nosub3/subsup-/SUP da specifici batteri autotrofici aerobici chemiosintetici. È necessaria un’elevata disponibilità di ossigeno disciolto poiché la nitrificazione consuma ossigeno (Carsiotis e Khanna 1989; Madigan e Martinko 2007; Shoda 2014). Il primo passo di questa trasformazione è effettuato da batteri ossidanti ammoniaca (AOB) come Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus e Nitrosovibrio. Il secondo passo è condotto da batteri ossidanti nitriti (NOB) come Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira e Nitrospina (Rurangwa e Verdegem 2013; Timmons ed Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Nitrospira è attualmente dedotto essere un nitrificatore completo, cioè coinvolto nella produzione di nitriti e nitrati (Daims et al. 2015). Gli stessi batteri si trovano sia in acquacoltura che in sistemi acquaponici (Wongkiew et al. 2017). Questi batteri si trovano principalmente nei biofilm fissati ai supporti che compongono il biofiltro ma possono essere osservati anche negli altri comparti del sistema (Timmons ed Ebeling 2013).
La nitrificazione è di primaria importanza in acquaponica poiché ammoniaca e nitriti sono abbastanza tossici per i pesci: 0,02 — 0,07 mg/L di ammoniaca — azoto sono sufficienti per osservare danni nei pesci di acqua calda, e nitrito-azoto deve essere mantenuto sotto 1 mg/L (Losordo et al. 1998; Timmons ed Ebeling 2013). L’ammoniaca colpisce il sistema nervoso centrale del pesce (Randall e Tsui 2002; Timmons e Ebeling 2013), mentre il nitrito induce problemi di fissazione dell’ossigeno (Losordo et al. 1998). Nitrato — l’azoto è, tuttavia, tollerato dai pesci fino a 150—300 mg/L (Goddek et al. 2015; Graber and Junge 2009; Yildiz et al. 2017).
La nitrificazione avviene principalmente nei biofiltri (Losordo et al. 1998; Timmons ed Ebeling 2013). Pertanto, quando si avvia un sistema, si raccomanda di eseguire il sistema senza pesci al fine di consentire la crescita lenta della popolazione di batteri nitrificanti per stabilire (Timmons ed Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). È inoltre necessario evitare, per quanto possibile, la presenza di materia organica nei biofiltri per prevenire la crescita di batteri eterotrofici altamente competitivi (Timmons ed Ebeling 2013). In alternativa, è possibile aggiungere al sistema miscele commerciali di batteri nitrificanti, prima dello stoccaggio, per accelerare il processo di colonizzazione (Kuhn et al. 2010). Tuttavia, esistono anche piccoli sistemi aquaponici senza biofiltro. In questi sistemi, i batteri nitrificanti formano biofilm delle superfici disponibili (ad esempio pareti del compartimento idroponico, mezzi inerti quando si utilizza la tecnica del letto multimediale) (Somerville et al. 2014).