Aqu @teach: I cicli biogeochimici dei principali nutrienti in acquaponica

Il ciclo dell’azoto

L’azoto è un elemento essenziale per tutti gli organismi viventi ed è il principale nutriente di preoccupazione nell’acquaponica. Si verifica in aminoacidi (parti di proteine), acidi nucleici (DNA e RNA), e nella molecola di trasferimento di energia adenosina trifosfato (Pratt & Cornely 2014). Poiché l’azoto si verifica in molte forme chimiche, il ciclo dell’azoto è molto complesso (Figura 3).

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La maggior parte dell’atmosfera terrestre (78%) è il gas azoto atmosferico, che è dinitrogeno molecolare (N₂). Il gas azoto è molto non reattivo e non serve per la maggior parte degli organismi. La fissazione dell’azoto sono tutti processi che convertono il gas azoto atmosferico in composti che possono essere definiti azoto reattivo (Nr). Nr comprende tutti i composti N biologicamente attivi, fotochimicamente reattivi e radiativamente attivi nell’atmosfera e nella biosfera. Esso comprende forme inorganiche ridotte di N (ad esempio, NH₃ e NH ⁺), forme ossidate inorganiche (ad esempio, NO, HNO, N O e NO ^—) e composti organici (ad esempio, urea, ammine e proteine) (Galloway et al. 2008).

La fissazione dell’azoto può avvenire naturalmente da un fulmine, poiché l’aria molto calda rompe i legami di N2 iniziando la formazione di acido azoto. Può essere eseguito chimicamente in una reazione chiamata processo Haber-Bosch. La fissazione biologica dell’azoto si verifica quando N₂ viene convertito in ammoniaca da un enzima chiamato azoto. I microrganismi che fissano N₂ sono per lo più anaerobici. La maggior parte dei legumi (fagioli, piselli ecc.) hanno noduli nel loro apparato radicale che contengono batteri simbiotici chiamati rizobia che aiutano la pianta a crescere e competere con altre piante. Quando la pianta muore, l’azoto fisso viene rilasciato, rendendolo disponibile ad altre piante.

La Figura 4 mostra il ciclo dell’azoto così come avviene in acquaponica. Nell’acquaponica due parti della catena alimentare (produttori primari e consumatori) che di solito si verificano insieme sono suddivise spazialmente nei compartimenti acquacoltura e idroponici. Gli effetti sinergici che consentono un efficiente utilizzo dei nutrienti sono mediati dai microrganismi.

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Figura 4: Il ciclo dell’azoto nell’acquaponica.

L’azoto entra nel sistema acquaponico tramite mangime per pesci, ingerito dai pesci e successivamente escreto come azoto ammoniacale totale (TAN, ammoniaca - NH₃ e ammonio - NH₄ ⁺) (Wongkiew et al. 2017). L’azoto viene convertito in ammonio (NH4 +) in condizioni di pH acido o neutro, o ammoniaca (NH3) a livelli di pH più elevati. La concentrazione di ammoniaca dipende dal contenuto di ammonio, dal pH e dalla temperatura (Figura 5, Tabella 3). L’ammoniaca è meno solubile in acqua rispetto a NH4 +; pertanto, NH₃ viene rapidamente convertito in una forma gassosa ed emesso dall’acqua (Gay & Knowlton 2009).

Mentre l’ammonio (NH ⁺) non è tossico, l’ammoniaca (NH) lo è. Pertanto, TAN dovrebbe essere rimosso dall’acqua del sistema e idealmente convertito in nitrato per due motivi: (i) ammoniaca e nitrito, un prodotto secondario di nitrificazione, sono entrambi dannosi per i pesci, mentre il nitrato è tollerato dal pesce fino a 150-300 mg/L (Graber & Junge 2009); (ii) TAN non è ottimale per le piante che richiedono prevalentemente nitrati o un mix di ammonio e nitrato per la crescita (Hu et al. 2015). Questo processo di ossidazione biologica di ammoniaca o ammonio a nitrito seguito dall’ossidazione del nitrito in nitrato è chiamato nitrificazione e si svolge principalmente nel biofiltro dei sistemi aquaponici (Tabella 4). La nitrificazione è un processo aerobico eseguito da piccoli gruppi di batteri autotrofici e archea ed è stato scoperto dal microbiologo russo Sergei Winogradsky (1892).

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Figura 5: Equilibrio ammoniaca-ammonio in funzione delle diverse temperature e pH (da [Cofie *et al., * 2016)](https://books.google.ch/books?hl=de&lr&id=QrukDQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA4&dq=Olufunke%2BCofie%2C%2BJosiane%2BNikiema%2C%2BRobert%2BImpraim%2C%2BNoah%2BAdamtey%2C&ots=HAbGMAi2ez&sig=_dLKbnyjWbY1UuhW2e3N - 5520oq%23v%3donepage&q=olufunke%20Cofie%2c%20Josiane%20nikiema%2c%20Robert%20Impraim%2c%20noah%20Adamtey%2c&f=false)

Tabella 3: Percentuale (%) di ammoniaca non ionizzata in soluzione acquosa a diversi valori di pH e temperature. Per calcolare la quantità di ammoniaca non ionizzata presente, la concentrazione totale di azoto ammoniacale (TAN) deve essere moltiplicata per il fattore appropriato selezionato da questa tabella utilizzando il pH e la temperatura del campione d’acqua e diviso per 100. Se la concentrazione risultante è superiore a 0,05 mg/L, l’ammoniaca danneggia il pesce (adattato dopo Francis-Floyd et al. 2009)

Tabella 4: Equazioni chimiche di nitrificazione. La nitrificazione è solitamente un processo in due fasi, eseguito da un gruppo specializzato di batteri, chiamati nitrificatori

| Equazione | Batteri coinvolti | | — | — | | $NH_4^+ +1.5 O_2 → NO_2^- +2H^+ +H_2O + energia $ | nitritazione; batteri ossidanti ammoniaca (AOB) | | $HO_2^- +0.5O_2→NO_3^-+ energia $ | nitratazione; batteri ossidanti nitriti (NOB) | | $NH_4^+ + 2.0O_2 →NO_3^-+2H^++H_2O+Energia$ | nitrificatori |

La trasformazione dell’ammoniaca in nitrito è solitamente la fase limitante della nitrificazione. Questo perché AOB (batteri del genere Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio sp.*, * ecc.) e NOB (batteri del genere *Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus, * ecc.) hanno tassi di crescita diversi, causando nitrificazione parziale, specialmente durante il periodo di avviamento, portando a NO ^- fino a quando i nitrificatori sono completamente stabiliti, che può richiedere fino a 4 settimane (Figura 6).

Denitrificazione (Tabella 5) è la conversione di nitrato (NO₃-) in nitrito (NO₂^-), ossido nitrico (NO), ossido di azoto (N₂O) e infine in azoto gas (N₂) in condizioni anossiche e anaerobiche (livelli molto bassi o zero di ossigeno disciolto). La denitrificazione viene effettuata da dentriatori, che appartengono a gruppi tassonomicamente diversi di archea e batteri eterotrofici facoltativi. Poiché N₂O è un gas serra più potente di CO₂, la sua produzione deve essere ridotta al minimo (Zou et al. 2016) per massimizzare i tassi di incorporazione di N nella biomassa vegetale.

Figura 6: Inizio del biofiltro: sviluppo di concentrazioni di ammoniaca, nitriti e nitrati nel tempo. (LECA indica l’aggregato di argilla espansa leggera, un mezzo spesso usato in idroponica)

Tabella 5: Equazioni chimiche delle reazioni di denitrificazione. La denitrificazione avviene generalmente attraverso una combinazione delle successive mezze reazioni, con l’enzima che catalizza la reazione tra parentesi

| Equazioni | Enzima che catalizza la reazione | | — | — | | $^−_3 + 2^+ + 2 ^−→ ^−_2 + _2$ | Nitrati riduttasi | | $_2^− + 2^+ + ^− → + _2$ | Nitriti reduttasi | | $2 + 2 ^+ + 2 ^− → _2+ _2$ | Ossido nitrico reduttasi | | $_2+ 2 ^+ + 2 ^− → _2 + _2$ | Ossido di azoto reduttasi | | $2^−_3 + 12 ^+ + 10 ^− → _2 + 6_2$ | Il processo completo può essere espresso come una reazione redox bilanciata netta |

Ossidazione anaerobica dell’ammonio (anammox) . I batteri che mediano questo processo sono stati identificati nel 1999 (Strous et al. 1999). Anammox potrebbe esistere nei sistemi acquaponici perché le caratteristiche dell’acqua sono simili a quelle dei sistemi di acquacoltura, dove è stato dimostrato che il processo anammox si è verificato (Wongkiew et al. 2017). Tuttavia, la velocità di anammox è 10 volte più lenta della velocità di nitrificazione. È stato segnalato che il processo anammox contribuisce alla perdita di azoto in diversi ecosistemi (Burgin & Hamilton 2007, Hu et al. 2010). Poiché l’ammoniaca e il nitrito sono disponibili nei sistemi aquaponici, il gas azoto potrebbe essere formato mediante il processo anammox in condizioni anossiche nel biofiltro (tabella 6).

Tabella 6: Equazione chimica della reazione di annamox

| Equazione | Batteri coinvolti | | — | — | | $^+_4 + ^−_2 → _2 + 2 _2 + $ | batteri anammox |

Ciclo di fosforo

Il fosforo (P) è il secondo macronutriente più importante per la crescita delle piante ed è richiesto in quantità relativamente grandi. Svolge un ruolo nella respirazione e divisione cellulare ed è utilizzato nella sintesi di composti energetici. P entra nel sistema acquaponico mediante l’alimentazione dei pesci, l’acqua del rubinetto e l’aggiunta di fertilizzanti (se applicabile). La forma chimica in cui P è presente nella soluzione nutritiva dipende dal pH. I PK (misura quantitativa dell’acidità) per la dissociazione di H₃PO₄in H₂PO₄^- e poi in HPO₄^2- sono rispettivamente 2.1 e 7.2 (Schachtman et al. 1998, citati in da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016). Pertanto, nell’intervallo di pH mantenuto nei sistemi aquaponici, P è per lo più presente nella forma H₂PO₄^-e inferiore a H₃PO₄o HPO₄^2-. Le piante possono assorbire solo P come gli ioni ortofosfati liberi H₂PO₄^- e HPO₄^2- . Studi sperimentali e di simulazione hanno dimostrato che la disponibilità di P diminuisce con l’aumento del pH dell’acqua acquaponica a causa della precipitazione (Figura 7).

Se il pH nella soluzione nutritiva acquaponica aumenta, P si lega a diversi cationi, in modo che nella soluzione siano disponibili meno ioni P liberi (PO₄), ma vi sono più specie di fosfato di calcio insolubile, che precipitano dalla soluzione. Questi complessi insolubili possono accumularsi sia nei fanghi di pesce (Schneider et al. 2005, sia nei sedimenti e nel perifitone sulle pareti e sulle tubazioni del sistema aquaponico. Yogev et al. (2016) ha stimato che questa perdita può arrivare fino all'85%. Un’opzione per prevenire questa massiccia perdita di P attraverso i fanghi è quella di aggiungere un compartimento di digestione al sistema acquaponico. Durante la digestione aerobica o anaerobica, il P viene rilasciato nel digestato e può essere reintrodotto nell’acqua circolante (Goddek et al. 2016). da Silva Cerozi & Fitzsimmons (2016) ha inoltre dimostrato l’importanza della materia organica e dell’alcalinità nel mantenere gli ioni fosfati liberi in soluzione ad alti intervalli di pH. Si raccomanda tuttavia di mantenere il pH nei sistemi acquaponici ad un intervallo di 5,5 — 7,2 per una disponibilità e un assorbimento ottimali da parte degli impianti.

Figura 7: Speciazione delle principali forme di P in soluzione acquaponica in funzione del pH simulato in Visual MINTEQ. Si noti che non tutte le specie PO₄ sono descritte nella tabella (da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016)](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085241631207X)

La dinamica precisa del fosforo in acquaponica non è ancora compresa. L’ingresso principale di fosforo nel sistema è il mangime per pesci, e nei sistemi non integrati il fosforo tende ad essere limitante (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998). Questo è anche il motivo per cui fino al 100% del fosforo presente nell’acqua di pesce può essere riciclato nella biomassa vegetale, a seconda della progettazione del sistema (Graber & Junge 2009).

*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) . *