Aqu @teach: Introduzione al monitoraggio

Parametri scientifici

Un parametro scientifico è una caratteristica definibile o misurabile o un valore, selezionato da un insieme di dati. Un variabile è qualsiasi fattore, tratto o condizione che può esistere in quantità o tipi diversi. Nella scienza sperimentale, di solito ci sono tre tipi di variabili: 1) indipendenti, 2) dipendenti e 3) controllati. La variabile indipendente è quella che lo sperimentatore cambia per misurare o osservare una risposta o un effetto. La variabiledipendente è la risposta misurata alle modifiche apportate alla variabile indipendente. Le variabili controllate** sono le variabili che vengono mantenute costanti in un esperimento.

Illustriamo queste variabili con un esperimento immaginario utilizzando un sistema aquaponico. Siamo interessati a come la massa totale di pesci influisca sulla produzione di ammoniaca nella vasca dei pesci collegata all’unità idroponica. La concentrazione di ammoniaca sarà misurata in g/L sia nell’acquario che nell’unità idroponica. La quantità e la velocità del mangime rimarranno costanti, mentre la massa totale dei pesci varierà con l’aggiunta di pesci nell’acquario. In questo esperimento immaginario, la massa totale dei pesci è la variabile indipendente (questo è ciò che stiamo cambiando), e la concentrazione di ammoniaca è la variabile dipendente (questo è ciò che ci interessa — è ciò che stiamo misurando come risposta alla variazione della massa dei pesci). Le variabili, quali la quantità di mangime, la velocità di alimentazione, gli intervalli di tempo tra l’alimentazione e la variazione della massa totale dei pesci, la temperatura dell’acqua nell’acquario e nell’unità idroponica, la superficie del biofiltro, il numero di piante nell’unità idroponica, ecc., devono essere mantenute costanti per poter misurano solo l’effetto di variare la massa totale del pesce sulla produzione di ammoniaca, e sono quindi le variabili controllate.

È importante notare che gli esperimenti scientifici (o le misurazioni dello stesso parametro nel monitoraggio) sono fatti in multipli, di solito triplicati, al fine di convalidare i dati empirici o i risultati osservati. Tre repliche sono solitamente sufficienti per escludere eventuali valori anomali (se le altre due misurazioni concordano). Viene quindi presa una media (in statistiche chiamate media aritmetica) di tali misurazioni al fine di migliorare la precisione del risultato. Anche la deviazione standard (SD) delle tre repliche deve essere calcolata al fine di segnalare la variabilità tra i dati. È preferibile una bassa deviazione standard. Non dimenticare di includere le unità nelle tue misure. Di seguito sono riportate le equazioni per il calcolo della media aritmetica e della deviazione standard:

Dove: $\ bar {x} $ = media aritmetica

$_1, _2, _3, _n$ = singoli valori nel set di dati = il numero di punti dati nel set (il numero di valori ‘x’)

Dove:

= deviazione standard

Σ = simbolo di sommatoria

= ogni singolo valore nel set di dati

= la media aritmetica

= il numero di punti dati nel set (il numero di valori ‘x’)

Perché monitorare?

La necessità di un monitoraggio in acquaponica nasce da due punti di vista: legislazione e gestione. La natura olistica dell’acquaponica significa che essa rientra in diverse categorie legislative per quanto riguarda la politica a livello comunitario. La Politica comune della pesca (PCP) e la Agricoltura comune Politica (PAC), nonché le politiche in materia di sicurezza alimentare, salute e benessere degli animali, salute delle piante e legislazione ambientale, possono essere applicate, a seconda delle caratteristiche operative del sistema. La legislazione e i regolamenti che devono essere osservati durante la produzione acquaponica comprendono, a titolo esemplificativo e non esaustivo:

• Direttiva quadro sulle acque (2000/60/CE) (WFD) — Tra le altre cose, la WFD stabilisce le norme per il monitoraggio, il campionamento e l’analisi dello scarico degli effluenti nei corsi d’acqua. Essa impone inoltre agli Stati membri di istituire regimi di monitoraggio all’interno del proprio paese, che spesso include ispezioni nei siti di scarico per analizzare gli effluenti

• Direttiva sui nitrati (91/676/CEE) specifica i limiti dei parametri degli effluenti che possono essere scaricati

• Norme di sicurezza alimentare, che saranno trattate più dettagliatamente nel Capitolo 10 del presente manuale

• Norme sanitarie relative al benessere degli animali e alla salute dei pesci, quali direttiva 91/496/CEE, che fissa i principi relativi all’organizzazione dei controlli veterinari per gli animali che provengono da paesi terzi e che sono introdotti nell’UE

Nella maggior parte dei paesi sarà disponibile un aiuto da parte delle agenzie governative per mantenere gli agricoltori aquaponici in linea con la legge e dovrebbero pertanto chiedere informazioni complete alle autorità competenti in merito alla loro situazione particolare (Joly 2018).

Il monitoraggio regolare dei parametri è una parte indispensabile della gestione, del funzionamento e della manutenzione del sistema aquaponico. Il monitoraggio della qualità dell’acqua e della salute dei pesci e delle piante indicherà le prestazioni del sistema e i benefici significativi in termini di costi. Tenere una buona registrazione delle misurazioni può aiutare notevolmente ad osservare le tendenze e diagnosticare problemi futuri. È importante registrare tutte le letture. Parametri come ammoniaca, nitrito, ossigeno disciolto e pH possono dare un’indicazione se il sistema è poco performante.

Identificare il parametro problematico (cioè al di fuori dell’intervallo desiderato) aiuta l’operatore a risolvere rapidamente il problema e a ripristinare il funzionamento del sistema aquaponico a livelli ottimali, con conseguente maggiore resa di pesci e piante.

Diversi approcci di monitoraggio

Gli approcci di monitoraggio per testare la qualità dell’acqua acquaponica vanno da molto semplici ed economici a complessi e coinvolgono costose apparecchiature analitiche. L’approccio più semplice ed economico è quello di utilizzare strisce reattive, che si immergono nell’acqua. Questi contengono un reagente che cambia colore quando entra in contatto con l’acqua. L’intensità di questa reazione può essere paragonata alla tabella dei colori fornita con il kit, che fornirà quindi una misura relativamente accurata di ciò che viene testato. Questi kit sono spesso economici e semplici da usare, anche se essendo un materiale di consumo, le scorte dovranno essere costantemente reintegrate. Questi, tuttavia, di solito possono essere utilizzati solo per un intervallo limitato. Ad esempio, alcune strisce reattive per il pH funzionano solo entro un intervallo di pH compreso tra 5 e 8. Se il pH nel sistema aquaponico cade al di fuori di questo intervallo (inferiore a 5 o superiore a 8), allora le strisce reattive possono dare risultati falsi.

Il livello successivo in termini di complessità e costi sono i test che utilizzano reagenti chimici e una tabella dei colori. Qui il campione viene messo in una piccola provetta e vengono aggiunte gocce di reagenti secondo le istruzioni. Si verifica una reazione e il colore della soluzione nella provetta viene confrontato con la tabella dei colori fornita con il kit. Il prezzo di questi test varia. Una versione più precisa e avanzata di questi test misura il colore con spettrofotometri.

La spettrometria è un metodo di analisi quantitativa che utilizza l’assorbimento della luce. Di solito un campione d’acqua viene centrifugato per rimuovere i solidi sospesi e viene aggiunto un reagente specifico per il test desiderato. Questo viene quindi inserito all’interno di uno spettrofotometro per l’analisi. La lettura data dallo spettrofotometro può quindi essere correlata alle curve standard note per quel particolare parametro chimico per dare una concentrazione. Alcuni produttori forniscono anche kit di test per un’analisi più rapida, senza la necessità di utilizzare curve di calibrazione, e questi sono disponibili per una vasta gamma di parametri di qualità dell’acqua.

L’approccio più avanzato e costoso al monitoraggio prevede l’utilizzo di sonde e contatori elettronici. Questi sono disponibili in configurazioni a singolo parametro o in configurazioni a singolo metro multisonda. Le sonde sono collegate a un contatore elettronico digitale e immerse nell’acqua. I monitor online continui possono essere installati anche all’interno dell’acquario, con una sonda costantemente a contatto con l’acqua. Essi costano di più rispetto ai test descritti in precedenza, tuttavia, sono gli strumenti più accurati per il monitoraggio e hanno il campo di misura più ampio (Klinger-Bowen et al. 2011).

L’approccio di monitoraggio scelto è solitamente associato alle dimensioni del sistema aquaponico e al livello di produttività. I sistemi commerciali professionali utilizzano solitamente monitor online continui per l’ossigeno disciolto (DO), il livello dell’acqua e l’alimentazione elettrica. D’altra parte, i sistemi di cortile hobby spesso si basano su approcci più semplici ed economici, come strisce reattive, o anche solo ispezioni visive di torbidità dell’acqua, ossigenazione nel biofiltro, salute delle piante e dei pesci.

Classificazione dei parametri di monitoraggio

I parametri che devono essere monitorati in un sistema acquaponico sono la qualità dell’acqua, la salute dei pesci e la salute delle piante, e possono essere classificati nei seguenti tipi: 1) chimica, 2) fisica e 3) biologica. I parametri chimici hanno a che fare con la qualità dell’acqua e comprendono pH, DO, ammoniaca, nitriti, nitrati, contenuto di fosforo e durezza dell’acqua. I parametri fisici includono la temperatura dell’acqua e dell’aria, l’umidità relativa e l’intensità della luce UV. I parametri biologici forniscono una visione diretta delle prestazioni del sistema e comprendono tutto, dalla massa e dalla salute dei pesci e delle piante, dalle carenze di nutrienti nelle piante, dalla contaminazione delle alghe e da altri parametri microbiologici. Ogni organismo in un’unità acquaponica — i pesci, le piante e i batteri presenti nel biofiltro — ha un intervallo di tolleranza specifico per ciascun parametro fisico-chimico (Tabella 1). Gli intervalli di tolleranza sono relativamente simili per tutti e tre gli organismi, ma è necessario un compromesso e pertanto alcuni organismi potrebbero non funzionare al loro livello ottimale (Somerville et al. 2014a).

Tabella 1: Gamma ottimale di parametri fisiochimici per pesci (acqua calda e fredda), piante e batteri nitrificanti

L’obiettivo è quello di mantenere un ecosistema sano con parametri fisico-chimici e altri che soddisfano i requisiti per la coltivazione simultanea di pesce, verdure e batteri. Ci sono occasioni in cui la qualità dell’acqua dovrà essere manipolata attivamente per soddisfare questi criteri e mantenere il sistema funzionante correttamente.

Frequenza di monitoraggio

La frequenza del monitoraggio varia a seconda del parametro monitorato. Come regola generale, i sistemi di avviamento (al deposito iniziale di piante e animali) dovrebbero essere testati quotidianamente in modo da poter effettuare rapidamente le modifiche quando necessario. Ad esempio, i livelli di alimentazione possono essere ridotti, l’aerazione può essere aumentata o l’acqua può essere diluita in risposta ad alti livelli di ammoniaca. Una volta che i cicli nutritivi sono bilanciati (dopo un minimo di 4 settimane senza significative fluttuazioni dei parametri), il monitoraggio settimanale è generalmente sufficiente per mantenere una buona qualità dell’acqua. Tuttavia, se si sospetta un problema (modifica dell’aspetto o del comportamento dei pesci, indicatori di carenza nelle piante), si dovrebbe riprendere il monitoraggio più frequente della qualità dell’acqua. Pertanto, il monitoraggio quotidiano della salute dei pesci e delle piante è essenziale per individuare tempestivamente potenziali problemi. È inoltre molto importante tenere un buon registro dei parametri di monitoraggio, ad esempio aspetto e comportamento dei pesci (normale/fuori dall’ordinario), aspetto delle piante (aspetto normale/malsano) e parametri chimici dell’acqua (pH, DO, ammoniaca, nitriti, nitrati). In questo modo, la causa di un potenziale problema può essere identificata più facilmente e, nel caso in cui il problema si ripresenti, l’emendamento che in precedenza ha funzionato bene può essere rapidamente implementato (Sallenave 2016; Somerville et al. 2014a). Nella Figura 1 è illustrato un esempio di registro dati.

Figura 1: Un esempio di tabella del registro dati di monitoraggio. SS nella tabella sta per ‘sito campione’

*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) . *