Aqu @teach: Approvvigionamento di nutrienti in acquaponica

La composizione chimica dell’acqua del sistema in acquaponica è molto complessa. Oltre ad una vasta gamma di ioni disciolti, contiene sostanze organiche derivanti dal rilascio di prodotti del metabolismo dei pesci e della digestione dei mangimi, nonché sostanze escrete dalle piante. Queste sostanze sono in gran parte sconosciute e le loro interazioni possono influenzare ulteriormente la composizione chimica e il pH delle soluzioni nutritive acquaponiche. Tutto ciò può esercitare molteplici effetti, ma soprattutto ancora sconosciuti, sull’assorbimento di nutrienti da parte delle piante, sulla salute dei pesci e sull’attività microbica.

I nutrienti entrano in un sistema acquaponico tramite l’aggiunta di acqua e mangimi per pesci (Schmautz et al. 2016). In termini di composizione elementare, il mangime per pesci contiene circa il 7,5% di azoto, l'1,3% di fosforo e il 46% di carbonio (Schmautz, dati inediti). In termini di composti organici, i mangimi per pesci contengono proteine (farina di pesce o a base vegetale), grassi (olio di pesce, oli vegetali) e carboidrati (Boyd 2015). I pesci erbivori (come Tilapia) hanno bisogno solo di circa il 25% di proteine nel loro mangime, rispetto ai pesci carnivori che richiedono circa il 55% di proteine (Boyd 2015). Sia la farina di pesce che la soia sono insostenibili (per diversi motivi), quindi c’è un’intensa ricerca per trovare sostituti di farina di pesce adatti e diete a base vegetale (Boyd 2015; Davidson et al. 2013; Tacon & Metian 2008).

Se i rapporti di alimentazione sono calcolati correttamente, tutti i mangimi aggiunti al sistema vengono consumati e solo ciò che non viene utilizzato per la crescita e il metabolismo viene escreto (Figura 11). La percentuale di nutrienti escreti dipende anche dalla qualità e dalla digeribilità della dieta (Buzby & Lin 2014). La digeribilità del mangime per pesci, la dimensione delle feci e il rapporto di assestamento sono tutti molto importanti per il funzionamento del sistema (Yavuzcan Yildiz et al. 2017). Pertanto, la composizione nutritiva dell’acqua del sistema acquaponico, derivante dalla qualità dell’acqua aggiunta, dai mangimi aggiunti ai pesci e dalle reazioni metaboliche nel sistema, è estremamente complessa e non sempre soddisfa i requisiti vegetali. Tuttavia, il benessere dei pesci dovrebbe essere fonte di preoccupazione centrale e i mangimi dovrebbero essere scelti per adattarsi alle specie ittiche in ogni fase di sviluppo. La disponibilità di nutrienti che possono essere assimilati dalle piante deve essere regolata in una seconda fase.

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Figura 11: Flusso ambientale di azoto e fosforo (in%) per (a) produzione di gabbie del Nilo Tilapia (dopo Montanhini Neto & Ostrensky 2015); (b) produzione RAS (dati da Strauch et al. 2018). «Inspiegata» indica la frazione di N e P che non poteva essere attribuita a nessuna categoria

I dati della tabella 10 mostrano che la maggior parte dei nutrienti vegetali, ma soprattutto P e Fe, erano a concentrazioni significativamente inferiori nel sistema acquaponico studiato rispetto alle soluzioni idroponiche standard. Questa sembra essere una situazione tipica dell’operazione acquaponica; tuttavia, i tassi di crescita delle colture acquaponiche sono comunque nella maggior parte dei casi soddisfacenti (Schmautz, dati inediti). Diamo uno sguardo più da vicino a questo fenomeno.

Sfortunatamente, l’interpretazione di questi dati è molto difficile. Il motivo è che molto recentemente nell’alimentazione vegetale la «legge di Liebig» (la crescita delle piante è controllata dalla risorsa più scarsa) è stata sostituita da complicati modelli matematici che tengono conto delle interazioni tra i singoli elementi nutritivi, composti e ioni (Baxter 2015. Questi metodi non consentono una semplice valutazione degli effetti delle variazioni dei livelli di nutrienti in un sistema idroponico o acquaponico. Inoltre, dobbiamo tenere presente che una formulazione perfetta dei requisiti nutrizionali per un particolare raccolto non esiste. I requisiti nutrizionali variano a seconda della varietà, della fase del ciclo di vita, della durata del giorno e delle condizioni meteorologiche (Bittszansky et al. 2016; Resh 2013; Sonneveld & Voogt 2009).

Molto generalmente, per una buona crescita delle piante in idroponica, la concentrazione di azoto dovrebbe rimanere superiore a 165 mg/l di N, fosforo superiore a 50 mg/l e potassio superiore a 210 mg/l (Resh 2013). Nell’acquaponica, concentrazioni così elevate sono difficili da raggiungere per diversi elementi rilevanti a causa di tre motivi:

1. Più alte sono le concentrazioni nell’acqua, maggiore è la perdita di nutrienti attraverso lo scambio idrico o il fango. Tuttavia, anche in sistemi chiusi, è necessario un certo livello di scambio idrico, al fine di compensare le perdite di evapotraspirazione e ridurre l’accumulo di componenti indesiderati.

2. Con l’elevata concentrazione di sostanze nutritive nell’acqua, componenti come sale o tossine si accumulano anche nel sistema.

3. Il fosforo reagisce con il calcio se questo è presente in concentrazioni più elevate e precipita come fosfato di calcio.

Le piante che crescono nel comparto idroponico hanno requisiti specifici che dipendono dalla varietà vegetale e dallo stadio di crescita (Resh 2013). I nutrienti possono essere integrati tramite l’acqua del sistema (Schmautz et al. 2016) o tramite applicazione fogliare (Roosta & Hamidpour 2011).

Tabella 10: Confronto delle concentrazioni di nutrienti nella soluzione idroponica standard e nell’acqua da un sistema acquaponico chiuso (Schmautz, dati non pubblicati)

Di solito, con tassi adeguati di stoccaggio dei pesci, i livelli di **azoto (N, come nitrato) ** sono sufficienti per una buona crescita delle piante, mentre i livelli di molti altri nutrienti, in particolare **ferro (Fe), fosforo (P), potassio (K) e magnesio (Mg) ** sono generalmente insufficienti per la crescita massima delle piante. Come si vede nella tabella, anche altri micronutrienti potrebbero essere limitanti. In aquaponic, è particolarmente importante monitorare il pH, perché con un pH superiore a 7 diversi nutrienti (vedi Figura 10) possono precipitare dall’acqua e diventare quindi indisponibili per le piante.

**Potassio (K) ** non è necessario per i pesci che portano ad una bassa composizione di potassio del mangime per pesci e a livelli di potassio ancora più bassi disponibili per le piante (Seawright et al. 1998). Per fornire potassio, viene spesso utilizzato il tampone di pH KOH, poiché il pH spesso diminuisce in acquaponica a causa della nitrificazione (Graber & Junge 2009). Questo ha l’ulteriore vantaggio di aumentare i livelli di potassio, anche se può essere tossico per i pesci. Il valore di LC50 della tossicità acuta dei pesci è stato riportato nell’ordine di 80 mg/l. Nei sistemi acquaponici piantati con pomodoro, il potassio si è accumulato principalmente nei frutti (Schmautz et al. 2016).

**Il ferro (Fe) ** è spesso anche un fattore limitante nell’acquaponica, quindi può essere aggiunto come misura preventiva prima che le carenze diventino evidenti. Le alte concentrazioni di ferro non danneggiano un sistema acquaponico, anche se può dare un leggero colore rosso all’acqua. Al fine di garantire un facile assorbimento da parte delle piante, il ferro deve essere aggiunto come ferro chelato, altrimenti noto come ferro sequestrato. Esistono diversi tipi di chelati di ferro: FE-edta, FE-dtpa e FE-eddha. Il ferro può essere aggiunto nell’acqua del sistema (per esempio 2 mg L^-1 una volta ogni due settimane) o spruzzato direttamente sulle foglie (applicazione fogliare) di 0,5 g L⁻¹ ) (Roosta & Hamidpour 2011).

La principale fonte di **calcio (Ca), magnesio (Mg), ** e **zolfo (S) ** è l’acqua del rubinetto, che facilita l’assorbimento da parte delle piante in quanto i nutrienti sono già disponibili (Delaide et al. 2017). Tuttavia, questi elementi sono spesso a livelli bassi nei sistemi aquaponici (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998, Schmautz, dati inediti). Soprattutto Ca è spesso un fattore limitante nell’acquaponica, in quanto può essere trasportato solo attraverso la traspirazione attiva dello xilem. Quando le condizioni sono troppo umide, il calcio può essere disponibile ma bloccato perché le piante non sono traspiranti. Aumentare il flusso d’aria con prese d’aria o ventole può prevenire questo problema. Altrimenti, il carbonato di calcio (CaCo₃) o l’idrossido di calcio (Ca (OH)₂) dovrebbero essere integrati.

**Lo zinco (Zn) ** viene utilizzato come parte del processo di zincatura di alcune parti metalliche, che possono essere utilizzate nella costruzione di AP (acquari, bulloni, ecc.), e si trova nei rifiuti di pesce. Mentre le carenze di zinco sono rare, la tossicità dello zinco può rappresentare un problema in acquaponica, perché mentre le piante possono tollerare un eccesso, i pesci non possono. I livelli di zinco devono essere mantenuti tra 0,03 - 0,05 mg/l. La maggior parte dei pesci sarà stressata da 0,1 a 1 mg/l e inizierà a morire a 4-8 mg/l. Il modo migliore per mantenere i livelli di zinco entro un intervallo innocuo è quello di evitare attrezzature zincate (Storey 2018). Tuttavia, in alcuni sistemi potrebbero verificarsi carenze di zinco. La carenza di zinco può essere alleviata mediante applicazione fogliare di zinco chelato (Treadwell et al. 2010).

Si pone quindi la questione se sia necessario ed efficace aggiungere nutrienti ai sistemi aquaponici (Nozzi et al. 2018). A condizione che il sistema sia rifornito con abbastanza pesce e che il pH sia entro il livello corretto, non è necessario aggiungere nutrienti per le piante con un ciclo di coltura breve che non producono frutti (ad esempio verdure a foglia verde come lattuga, Nozzi et al. 2018). Al contrario, le verdure da frutto (ad esempio pomodori, melanzane) richiedono l’integrazione di nutrienti. La quantità di fertilizzanti minerali richiesti può essere calcolata utilizzando il software HydroBuddy (Fernandez 2016) (Vedere anche l’esercizio nel modulo 6). Oltre alla nostra esperienza nell’integrazione dei nutrienti minerali, in futuro i fertilizzanti organici idroponici disponibili in commercio dovrebbero essere testati per definire quali non danneggiano la vita dei pesci. Recentemente, il trattamento dei fanghi di pesce in un digestore, e la reintroduzione di questo digestato nel sistema idrico, è stato suggerito per aumentare l’apporto di nutrienti alle piante (Goddek et al. 2016). Un altro possibile vantaggio di fornire al sistema aquaponico sostanze nutritive organiche, invece di minerali, potrebbe essere un effetto positivo sulla popolazione microbica.

*Copyright © Partner del progetto Aqu @teach. Aqu @teach è un partenariato strategico Erasmus+ per l’istruzione superiore (2017-2020) guidato dall’Università di Greenwich, in collaborazione con l’Università di Scienze Applicate di Zurigo (Svizzera), l’Università Tecnica di Madrid (Spagna), l’Università di Lubiana e il Centro Biotecnico Naklo (Slovenia) . *