Aqu @teach: Sistemi idroponici

Esistono tre tipi principali di sistemi idroponici (vedi anche Modulo 1). Nell’idroponica dei letti mediali le piante crescono in un substrato. Nei sistemi NFT (Nutrient Film Technique) le piante crescono con le loro radici in tubi larghi forniti con un filo d’acqua. Nei sistemi di coltura d’acqua profonda (DWC) o di zattera galleggiante le piante sono sospese sopra un serbatoio d’acqua utilizzando una zattera galleggiante. Ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi che sono discussi in modo più dettagliato di seguito. Le prove sono in qualche modo contraddittorie in termini di efficienza relativa per la produzione di colture nei sistemi acquaponici. Lennard e Leonard (2006) hanno confrontato i tre sottosistemi idroponici per la produzione di lattuga e hanno trovato la più alta produzione nei letti di ghiaia, seguita da DWC e NFT. Tuttavia, studi successivi di Pantanella et al. 2012 hanno rilevato che NFT ha eseguito così come DWC, mentre il letto multimediale ha costantemente sottoperformato in termini di rendimento.

Per quanto riguarda il ruolo della progettazione della componente idroponica sulle prestazioni complessive e sul consumo idrico dei sistemi acquaponici, una rassegna della letteratura di Maucieri et al. 2018 ha rilevato che NFT è meno efficiente del letto mediale o dell’idroponica DWC, anche se i risultati non erano inequivocabili. La componente idroponica influenza direttamente la qualità dell’acqua, essenziale per l’allevamento dei pesci, ed è anche la principale fonte di perdita di acqua dovuta all’evapotraspirazione delle piante. La progettazione della componente idroponica influenza quindi la sostenibilità dell’intero processo, sia direttamente in termini di consumo idrico che indirettamente in termini di costi di gestione dell’impianto. La scelta della componente idroponica per un sistema acquaponico influenzerà anche la progettazione dell’intero sistema. Ad esempio, nei sistemi a letto media il substrato di solito fornisce una superficie sufficiente per la crescita e la filtrazione dei batteri, mentre nei canali NFT la superficie è insufficiente e sarà necessario installare ulteriori biofiltri (Maucieri et al. 2018).

Media letto idroponica

Nell’idroponica dei letti mediali, viene utilizzato un terreno di crescita o substrato senza terreno per aiutare le radici a sostenere il peso della pianta. Il letto multimediale funge anche da filtro biologico e fisico. Dei sottosistemi idroponici, i letti mediali hanno la filtrazione biologica più efficiente a causa della grande superficie in cui il biofilm, contenente nitrificanti e altri batteri, può colonizzare. Il substrato cattura anche i rifiuti solidi e sospesi di pesce e altre particelle organiche galleggianti, anche se l’efficacia di questo filtro fisico dipenderà dalla granulometria del substrato e dalla portata dell’acqua. Nel corso del tempo, le particelle organiche vengono lentamente suddivise per processi biologici e fisici in semplici molecole e ioni che sono disponibili per le piante per assorbire (Somerville et al. 2014b).

Il substrato può essere organico, inorganico, naturale o sintetico (Figura 1) ed è ospitato in contenitori di coltivazione di forme diverse. Deve avere una superficie adeguata pur rimanendo permeabile all’acqua e all’aria, consentendo così ai batteri di crescere, fluire l’acqua e alle radici delle piante di respirare. Deve essere atossico, avere un pH neutro in modo da non compromettere la qualità dell’acqua ed essere resistente alla formazione di muffe. Inoltre, non deve essere così leggero da galleggiare. Ritenzione idrica, aerazione e bilanciamento del pH sono tutti aspetti che variano a seconda del substrato. L’acqua viene trattenuta sulla superficie delle particelle e all’interno dello spazio dei pori, quindi la ritenzione idrica è determinata dalla dimensione delle particelle, dalla forma e dalla porosità. Più piccole sono le particelle, più si avvicinano, maggiore è la superficie e lo spazio dei pori, e quindi maggiore è la ritenzione idrica. Le particelle di forma irregolare hanno una superficie maggiore e quindi una maggiore ritenzione idrica rispetto alle particelle rotonde e lisce. I materiali porosi possono immagazzinare acqua all’interno delle particelle stesse; pertanto, la ritenzione idrica è elevata. Mentre il substrato deve essere in grado di una buona ritenzione idrica, deve anche essere in grado di un buon drenaggio. Pertanto, è necessario evitare materiali eccessivamente fini in modo da evitare un’eccessiva ritenzione idrica e la mancanza di movimento di ossigeno all’interno del substrato. Tutti i substrati devono essere puliti periodicamente (Resh 2013).

I substrati possono anche essere classificati come granulari o fibrosi. I substrati granulari includono argilla espansa leggera, ghiaia, vermiculite, perlite e pomice. I substrati fibrosi includono lana di roccia e fibra di cocco. L’acqua viene trattenuta principalmente nello spazio dei micropori di un substrato, mentre il drenaggio rapido e l’ingresso dell’aria sono facilitati dai macropori (Drzal et al. 1999). Un’adeguata combinazione di pori grandi e piccoli è quindi essenziale (Raviv et al. 2002). I substrati granulari hanno elevata macroporosità (disponibilità di aria) ma microporosità relativamente bassa (disponibilità di acqua), mentre i substrati fibrosi hanno elevata microporosità ma macroporosità relativamente bassa.

L’aggregato di argilla espansa leggera (LECA) è molto leggero rispetto ad altri substrati, il che lo rende ideale per l’acquaponica sul tetto. È disponibile in una varietà di misure; le dimensioni più grandi con diametri di 8-20 mm sono raccomandate per l’acquaponica (Somerville et al. 2014). Spazi pori più grandi (macroporosità) significano una migliore percolazione della soluzione attraverso il substrato e una migliore alimentazione d’aria, anche quando i biofilm coprono le superfici. Tuttavia, LECA ha piccoli micropori e quindi non ha una buona capacità di ritenzione idrica.

La ghiaia vulcanica (tufo) ha un rapporto superficie/volume molto elevato che fornisce ampio spazio per la colonizzazione dei batteri, ed è quasi chimicamente inerte, ad eccezione di piccoli rilasci di microelementi come ferro e magnesio e l’assorbimento di fosfato e ioni potassio nei primi mesi. La dimensione raccomandata della ghiaia vulcanica è di 8-20 mm di diametro. La ghiaia più piccola rischia di intasarsi con rifiuti solidi, mentre la ghiaia più grande non offre la superficie richiesta o il supporto vegetale (Somerville et al. 2014b).

La ghiaia calcarea non è raccomandata come substrato, sebbene a volte venga utilizzata. Il calcare ha un rapporto superficie-volume inferiore rispetto alla ghiaia vulcanica, è relativamente pesante e non è inerte. Il calcare è composto principalmente da carbonato di calcio (CaCo₃), che si dissolve in acqua. Ciò aumenterà il pH e dovrebbe quindi essere utilizzato solo quando le fonti d’acqua sono molto basse in alcalinità o acide. Tuttavia, una piccola aggiunta di calcare può aiutare a controbilanciare l’effetto acidificante dei batteri nitrificanti, che può compensare la necessità di regolare tamponamento dell’acqua in sistemi acquaponici ben bilanciati (Somerville et al. 2014b).

La vermiculite è un minerale micaceo che si espande quando riscaldato sopra i 1000 °C. L’acqua si trasforma in vapore, formando piccoli granelli porosi e simili a spugne. La vermiculite è molto leggera e può assorbire grandi quantità di acqua. Chimicamente, è un silicato di magnesio-alluminio-ferro idratato. È neutro in reazione con buone proprietà tamponanti, ha una capacità di scambio cationico relativamente elevata e quindi può trattenere i nutrienti in riserva e successivamente rilasciarli. Contiene anche alcuni magnesio e potassio, che sono disponibili per le piante (Resh 2013).

La perlite è un materiale siliceo di origine vulcanica, estratto dai flussi lavici. Viene riscaldato a 760° C, che trasforma la piccola quantità di acqua in vapore, espandendo così le particelle in piccoli nuclei simili a spugne. Perlite è molto leggero e regge da tre a quattro volte il suo peso d’acqua. È essenzialmente neutro, con un pH di 6,0-8,0, ma senza capacità tampone; a differenza della vermiculite, non ha capacità di scambio cationico e non contiene sostanze nutritive minori. Non deve essere usato da solo, ma piuttosto mescolato con un altro substrato al fine di migliorare il drenaggio e l’aerazione e quindi prevenire l’accumulo di nutrienti e i successivi problemi di tossicità, fornendo al contempo un ambiente ricco di ossigeno in cui le radici possano prosperare (Resh 2013).

La pomice, come la perlite, è un materiale siliceo di origine vulcanica e ha essenzialmente le stesse proprietà. Tuttavia, è il minerale grezzo dopo la frantumazione e lo screening, senza alcun processo di riscaldamento, e quindi è più pesante e non assorbe acqua così facilmente, poiché non è stato idratato (Resh 2013).

Rockwool è costituito da roccia basaltica che viene fuso in forni ad una temperatura di 1500° C. Il basalto liquido viene poi filato in fili e compresso in pacchetti di lana che vengono tagliati in lastre, blocchi o tappi. La maggior parte della rapida espansione dell’industria delle serre negli ultimi due decenni è stata con la cultura della lana di roccia. Tuttavia, negli ultimi anni sono state sollevate preoccupazioni circa il suo smaltimento, in quanto non si disgrega nelle discariche. Ora molti coltivatori si stanno rivolgendo a un substrato più sostenibile: la fibra di cocco (Resh 2013).

La fibra di cocco (o cocco) è un substrato organico derivato da bucce di cocco sfilacciate e macinate. È vicino al pH neutro e trattiene l’acqua consentendo una buona quantità di ossigeno per le radici (Resh 2013).

Tabella 1: Caratteristiche dei diversi substrati di coltivazione (dopo Somerville et al. 2014b

A seconda del tipo di substrato, occuperà circa il 30-60% del volume totale del letto multimediale. La profondità del letto multimediale è importante perché controlla la quantità di volume dello spazio radice nell’unità, che a sua volta determina i tipi di verdure che possono essere coltivate. Le grandi verdure da fruttificare come pomodori, okra e cavoli avranno bisogno di una profondità di 30 cm per consentire spazio sufficiente alle radici e per prevenire stuoie e carenze di nutrienti. Le piccole verdure verdi a foglia verde richiedono solo 15-20 cm di profondità del substrato (Somerville et al. 2014b).

Figura 2: Trapianti di pomodoro che crescono in un sistema di contenitori a letto media con irrigazione a goccia e substrato LECA < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

Esistono diverse tecniche per fornire acqua arricchita di nutrienti ai letti multimediali. Può essere semplicemente gocciolato dai gocciolatori attaccati a tubi distribuiti uniformemente sul mezzo (vedi Figura 2). In alternativa, un metodo chiamato «flood-and-drain» (o «ebb-and-flow») fa sì che i letti multimediali vengano periodicamente inondati con acqua che poi scarichi nuovamente in un serbatoio. L’alternanza tra inondazioni e drenanti assicura che le piante abbiano nutrienti freschi e un adeguato flusso d’aria nella zona radicale, che reintegra i livelli di ossigeno. Garantisce inoltre che nel letto sia sempre sufficiente umidità in modo che i batteri possano prosperare nelle loro condizioni ottimali. La natura di un letto mediale di allagamento e scarico crea tre zone distinte che si differenziano per il loro contenuto di acqua e ossigeno (Somerville et al. 2014b):

• La parte superiore 2-5 cm è la zona secca, che funge da barriera luminosa, minimizzando l’evaporazione e impedendo alla luce di colpire direttamente l’acqua che può portare alla crescita delle alghe. Previene anche la crescita di funghi e batteri nocivi alla base dello stelo della pianta, che può causare marciume del collare e altre malattie.

• La zona asciutta/umida ha sia umidità che elevato scambio di gas. Questa è la zona di 10-20 cm in cui il letto multimediale inonda e drena a intermittenza. Se non si utilizzano tecniche di inondazione e scarico, questa zona sarà il percorso lungo il quale l’acqua scorre attraverso il mezzo. La maggior parte dell’attività biologica si verifica in questa zona.

• La zona umida è la parte inferiore di 3-5 cm del letto che rimane permanentemente bagnata. I piccoli rifiuti solidi di particolato si accumulano in questa zona, e quindi si trovano anche gli organismi più attivi nella mineralizzazione, compresi i batteri eterotrofici e altri microrganismi che suddividono i rifiuti in frazioni e molecole più piccole che possono essere assorbiti dalle piante attraverso il processo di mineralizzazione (Somerville et al. 2014b).

Tecnica del film nutriente (NFT)

NFT è un sistema di coltura di soluzioni in cui un film sottile (da due a tre millimetri di profondità) scorre continuamente lungo la base di piccoli canali in cui si trovano i sistemi radicali. Con NFT, l’obiettivo è che parte del tappetino radice in via di sviluppo sia nel flusso di nutrienti, ma le altre radici sono sospese sopra questo nell’aria umida, accedendo all’ossigeno senza essere sommerse (Somerville et al. 2014b).

Figura 3: sistema di tubi tondi NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Figura 4: sistema di tubi rettangolari NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

I canali sono spesso sotto forma di tubi (Figura 3). I tubi con una sezione rettangolare (Figura 4) sono i migliori, con una larghezza maggiore dell’altezza, poiché ciò significa che un volume maggiore di acqua colpisce le radici, aumentando così l’assorbimento dei nutrienti e la crescita delle piante. Ortaggi e policulture più grandi (che coltivano diversi tipi di verdure) richiedono tubi più grandi di quelli necessari per verdure a foglia a crescita rapida e piccole verdure con piccole masse di radici. La lunghezza del tubo può variare, ma vale la pena ricordare che le carenze di nutrienti possono verificarsi nelle piante verso la fine di tubi molto lunghi perché le prime piante hanno già eliminato i nutrienti (Figura 5). I tubi bianchi dovrebbero essere usati in quanto il colore riflette i raggi del sole, mantenendo così fresco l’interno dei tubi. I canali devono essere posizionati su un pendio (Figura 5) in modo che la soluzione nutritiva fluisca ad una buona portata, che per la maggior parte dei sistemi è di circa un litro/minuto (Somerville et al. 2014a).

Figura 5: Canali NFT inclinati. Il canale NFT è lungo 12,5 m ed è stato alimentato con acqua dall’acquario adiacente. Non sono stati integrati nutrienti. Si può osservare la crescente limitazione dei nutrienti lungo il canale

I sistemi NFT sono utilizzati principalmente per la produzione di colture rapide come lattuga, erbe aromatiche, fragole, verdure verdi, foraggi e microverdi.

Cultura delle acque profonde (DWC)

DWC o sistema di zattera galleggiante è un tipo di sistema idroponico in cui le piante sono sospese sopra un serbatoio utilizzando una zattera galleggiante, e le radici sono immerse in una soluzione nutritiva e aerate tramite una pompa ad aria. Tuttavia, a differenza dei sistemi NFT, dove le sostanze nutritive contenute nel piccolo film di acqua che scorre a livello radicale si esauriscono rapidamente, il grande volume di acqua contenuta nei canali DWC consente alle piante di utilizzare notevoli quantità di nutrienti. La lunghezza dei canali non è quindi un problema, e possono variare da uno a dieci metri. La profondità consigliata è di 30 cm per consentire un adeguato spazio delle radici delle piante, anche se le verdure a foglia piccola come la lattuga richiedono solo una profondità di 10 cm o anche meno. La portata dell’acqua che entra in ogni canale è relativamente bassa e generalmente ogni canale ha un tempo di ritenzione (il tempo necessario per sostituire tutta l’acqua in un contenitore) di 1-4 ore. Ciò consente un adeguato rifornimento di nutrienti in ciascun canale, sebbene il volume di acqua e la quantità di nutrienti nei canali profondi siano sufficienti a nutrire le piante per periodi più lunghi (Somerville et al. 2014b). D’altra parte, potrebbe essere necessaria un’aerazione supplementare, perché le portate non sono sufficientemente elevate da fornire ossigeno sufficiente.

Alcune piante, come la lattuga, prosperano in acqua e sono comunemente coltivate utilizzando la coltura delle acque profonde. DWC è il metodo più comune per le grandi operazioni commerciali che coltivano una coltura specifica (tipicamente lattuga, foglie di insalata o basilico) ed è più adatto per la meccanizzazione.

Figura 6: Basilico e altre piante che crescono nel sistema DWC nella serra CDC South Aquaponics a Brooks, Alberta (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

Aeroponica

Nei sistemi aeroponici le piante vengono coltivate e nutrite sospendendo le loro strutture radicali in aria e spruzzandole regolarmente con una soluzione nutritiva. Esistono due tipi principali di sistemi aeroponici: aeroponica ad alta pressione e aeroponica a bassa pressione, la differenza principale è la dimensione delle goccioline della nebbia utilizzata in ciascun caso. L’aeroponica a bassa pressione utilizza pompe a bassa pressione e ad alto flusso, mentre l’aeroponica ad alta pressione utilizza pompe ad alta pressione (circa 120 PSI), pompe a basso flusso per atomizzare l’acqua e creare goccioline d’acqua di 50 micron o meno. Nel caso di nebbia estremamente fine che assomiglia alla nebbia, il termine «fogponica» è usato per indicare un terzo tipo di sistema aeroponico. Le piante coltivate utilizzando un sistema aeroponico tendono a crescere più velocemente di quelle coltivate in altri tipi di sistema idroponico a causa della loro ampia esposizione ad un aumento di ossigeno (Li et al. 2018).

*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) . *