I cinque parametri più importanti della qualità dell'acqua

6 lug 2020 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

Ossigeno

L’ossigeno è essenziale per tutti e tre gli organismi coinvolti nell’acquaponica; le piante, i pesci e i batteri nitrificanti hanno bisogno di ossigeno per vivere. Il livello DO descrive la quantità di ossigeno molecolare all’interno dell’acqua ed è misurata in milligrammi per litro. È il parametro di qualità dell’acqua che ha l’effetto più immediato e drastico sull’acquaponica. Infatti, i pesci possono morire entro poche ore se esposti a bassa DO all’interno delle vasche. Pertanto, garantire livelli di DO adeguati è fondamentale per l’acquaponica. Anche se il monitoraggio dei livelli DO è molto importante, può essere difficile perché i dispositivi di misura DO accurati possono essere molto costosi o difficili da trovare. Spesso è sufficiente che le unità su piccola scala facciano affidamento sul frequente monitoraggio del comportamento dei pesci e della crescita delle piante, assicurando che le pompe di acqua e aria circolino costantemente e aerino l’acqua.

L’ossigeno si dissolve direttamente nella superficie dell’acqua dall’atmosfera. In condizioni naturali, i pesci possono sopravvivere in tali acque, ma nei sistemi di produzione intensiva con densità di pesce più elevate, questa quantità di diffusione DO è insufficiente per soddisfare le esigenze di pesci, piante e batteri. Pertanto, il DO deve essere integrato attraverso strategie di gestione. Le due strategie per l’acquaponica su piccola scala consistono nell’utilizzare pompe dell’acqua per creare un flusso dinamico dell’acqua e nell’utilizzare aeratori che producono bolle d’aria nell’acqua. Il movimento e l’aerazione dell’acqua sono aspetti critici di ogni unità acquaponica, e la loro importanza non può essere troppo stressata. Questi argomenti, compresi i metodi di progettazione e di ridondanza, sono discussi ulteriormente nel capitolo 4. I livelli ottimali di DO per ogni organismo a prosperare sono 5-8 mg/l (Figura 3.3). Alcune specie di pesci, tra cui la carpa e la tilapia, possono tollerare livelli di DO fino a 2-3 mg/l, ma è molto più sicuro avere livelli più elevati per l’acquaponica, poiché tutti e tre gli organismi richiedono l’uso del DO nell’acqua.

Temperatura dell’acqua e DO hanno una relazione unica che può influenzare la produzione alimentare acquaponica. Man mano che la temperatura dell’acqua aumenta, la solubilità dell’ossigeno diminuisce. In un altro modo, la capacità dell’acqua di tenere DO diminuisce man mano che la temperatura aumenta; l’acqua calda tiene

meno ossigeno rispetto all’acqua fredda (Figura 3.4). Pertanto, si raccomanda di aumentare l’aerazione con pompe d’aria in luoghi caldi o nei periodi più caldi dell’anno, soprattutto se si allevano pesci delicati.

pH

Una conoscenza generale del pH è utile per la gestione dei sistemi aquaponici. Il pH di una soluzione è una misura di come acida o di base la soluzione è su una scala che va da 1 a 14. Un pH di 7 è neutro; qualsiasi cosa al di sotto di 7 è acido, mentre qualsiasi cosa superiore a 7 è di base. Il termine pH è definito come la quantità di ioni idrogeno (H⁺) in una soluzione; più ioni idrogeno, più acidi.

Nella Figura 3.5 sono illustrati due aspetti importanti della scala del pH.

La scala del pH è negativa; un pH di 7 ha meno ioni idrogeno rispetto a un pH di 6.
La scala del pH è logaritmica; un pH di 7 ha 10 volte meno ioni idrogeno di un pH di 6, 100 volte meno di un pH di 5 e 1 000 volte meno di un pH di 4.

Ad esempio, se il pH di un’unità acquaponica viene registrato come 7 e successivamente il valore viene registrato come 8, l’acqua ora ha dieci volte meno ioni H⁺ liberamente associati perché la scala è negativa e logaritmica. È importante essere consapevoli della natura logaritmica della scala del pH perché non è necessariamente intuitiva. Per l’esempio precedente, se una lettura successiva mostrasse che il pH è 9, il problema sarebbe 100 volte peggiore, e quindi ipercritico, invece di essere solo due volte peggio.

Importanza del pH

Il pH dell’acqua ha un grande impatto su tutti gli aspetti dell’acquaponica, in particolare su piante e batteri. Per le piante, il pH controlla l’accesso delle piante a micro e macronutrienti. Con un pH di 6,0-6.5, tutti i nutrienti sono prontamente disponibili, ma al di fuori di questo intervallo i nutrienti diventano difficili per le piante da accedere. Infatti, un pH di 7,5 può portare a carenze nutritive di ferro, fosforo e manganese. Questo fenomeno è noto come blocco dei nutrienti ed è discusso nel capitolo 6.

I batteri nitrificanti hanno difficoltà al di sotto di un pH di 6, e la capacità del batterio di convertire l’ammoniaca in nitrato si riduce in condizioni acide e di pH basso. Ciò può portare a una ridotta biofiltrazione, e di conseguenza i batteri diminuiscono la conversione dell’ammoniaca in nitrato, e i livelli di ammoniaca possono iniziare ad aumentare, portando ad un sistema squilibrato stressante per gli altri organismi.

Anche i pesci hanno intervalli di tolleranza specifici per il pH, ma la maggior parte dei pesci utilizzati in acquaponica ha un intervallo di tolleranza del pH di 6,0-8,5. Tuttavia, il pH influisce sulla tossicità dell’ammoniaca per i pesci, con un pH più elevato che porta a una maggiore tossicità. Questo concetto è discusso più approfonditamente nella sezione 3.4. In conclusione, l’acqua acquaponica ideale è leggermente acida, con un intervallo di pH ottimale di 6-7. Questa gamma manterrà i batteri funzionanti ad alta capacità, consentendo alle piante il pieno accesso a tutti i micro e macronutrienti essenziali. I valori di pH compresi tra 5,5 e 7,5 richiedono attenzione alla gestione e manipolazione attraverso mezzi lenti e misurati, discussi nella sezione 3.5 e nel capitolo 6. Tuttavia, un pH inferiore a 5 o superiore a 8 può diventare rapidamente un problema critico per l’intero ecosistema e quindi è necessaria un’attenzione immediata.

Ci sono molti processi biologici e chimici che hanno luogo in un sistema acquaponico che influenzano il pH dell’acqua, alcuni più significativamente di altri, tra cui: il processo di nitrificazione, la densità di stoccaggio dei pesci e il fitoplancton.

Il processo di nitrificazione

Il processo di nitrificazione dei batteri abbassa naturalmente il pH di un sistema acquaponico. Le basse concentrazioni di acido nitrico sono prodotte dal processo di nitrificazione in quanto i batteri liberano gli ioni idrogeno durante la conversione dell’ammoniaca in nitrato. Nel corso del tempo, il sistema aquaponico diventerà gradualmente più acido principalmente a causa di questa attività batterica.

Densità di calza di pesce

La respirazione, o respirazione, del pesce rilascia anidride carbonica (CO₂) nell’acqua. Questo anidride carbonica riduce il pH perché l’anidride carbonica si trasforma naturalmente in acido carbonico (H₂CO₃) a contatto con l’acqua. Maggiore è la densità di allevamento del pesce dell’unità, maggiore sarà il rilascio di anidride carbonica, abbassando quindi il livello complessivo di pH. Questo effetto aumenta quando i pesci sono più attivi, ad esempio a temperature più calde.

Fitoplancton

La respirazione da parte dei pesci abbassa il pH rilasciando anidride carbonica nell’acqua; al contrario, la fotosintesi di plancton, alghe e piante acquatiche rimuove l’anidride carbonica dall’acqua e aumenta il pH. L’effetto delle alghe sul pH segue uno schema giornaliero, in cui il pH aumenta durante il giorno mentre le piante acquatiche fotosintetizzano e rimuovono l’acido carbonico, e poi cade durante la notte mentre le piante respira e rilasciano acido carbonico. Pertanto, il pH è al minimo all’alba e al massimo al tramonto. Nei sistemi RAS standard o acquaponici, i livelli di fitoplancton sono generalmente bassi e, pertanto, il ciclo di pH giornaliero non è influenzato. Tuttavia, alcune tecniche di acquacoltura, come l’acquacoltura da laghetto e alcune tecniche di allevamento dei pesci, utilizzano deliberatamente il fitoplancton, quindi il tempo di monitoraggio dovrebbe essere scelto con saggezza.

Temperatura

La temperatura dell’acqua influisce su tutti gli aspetti dei sistemi aquaponici. Nel complesso, un intervallo generale di compromesso è 18-30 °C. La temperatura ha un effetto sul DO e sulla tossicità (ionizzazione) dell’ammoniaca; le alte temperature hanno meno DO e più ammoniaca unionizzata (tossica). Inoltre, le alte temperature possono limitare l’assorbimento del calcio nelle piante. La combinazione di pesce e piante dovrebbe essere scelta in modo che corrisponda alla temperatura ambiente per la posizione del sistema, e cambiare la temperatura dell’acqua può essere molto energetico-costoso. Pesci d’acqua calda (ad esempio tilapia, carpa comune, pesce gatto) e batteri nitrificanti prosperano a temperature dell’acqua più alte di 22-29 °C, così come alcune verdure popolari come okra, cavoli asiatici e basilico. Al contrario, alcune verdure comuni come lattuga, bietole e cetrioli svizzeri crescono meglio a temperature più fredde di 18-26 °C, e i pesci d’acqua fredda come la trota non tollerano temperature superiori a 18 °C. Per maggiori informazioni sugli intervalli di temperatura ottimali per singole piante e pesci, vedere i capitoli 6 e 7 sulla produzione di piante e pesce, rispettivamente, e l’appendice 1 per le principali informazioni sulla coltivazione su 12 ortaggi popolari.

Anche se è meglio scegliere piante e pesci già adattati al clima locale, esistono tecniche di gestione che possono ridurre al minimo le fluttuazioni di temperatura e prolungare la stagione di crescita. I sistemi sono anche più produttivi se le fluttuazioni di temperatura giornaliere, da giorno a notte sono minime. Pertanto, la superficie dell’acqua stessa, in tutti gli acquari, le unità idroponiche e i biofiltri, dovrebbe essere protetta dal sole utilizzando strutture ombreggianti. Allo stesso modo, l’unità può essere protetta termicamente utilizzando l’isolamento contro temperature notturne fredde ovunque si verifichino. In alternativa, esistono metodi per riscaldare passivamente le unità acquaponiche utilizzando serre o energia solare con tubi agricoli a spirale, che sono più utili quando le temperature sono inferiori a 15 °C; questi metodi sono descritti più dettagliatamente nei capitoli 4 e 9.

È inoltre possibile adottare una strategia di produzione ittica per far fronte alle differenze di temperatura tra l’inverno e l’estate, in particolare se la stagione invernale ha temperature medie inferiori a 15 °C per più di tre mesi. In generale, questo significa che i pesci e le piante adattati al freddo vengono coltivati durante l’inverno, e il sistema viene modificato in pesci e piante di acqua calda man mano che le temperature salgono di nuovo in primavera. Se questi metodi non sono fattibili durante le fredde stagioni invernali, è anche possibile semplicemente raccogliere i pesci e le piante all’inizio dell’inverno e spegnere i sistemi fino alla primavera. Durante le stagioni estive con temperature estremamente calde (superiori a 35 °C), è essenziale selezionare i pesci e le piante da coltivare (cfr. capitoli 6 e 7) e ombreggiare tutti i contenitori e lo spazio di coltivazione delle piante.

Azoto totale: ammoniaca, nitrito, nitrato

L’azoto è il quarto parametro fondamentale della qualità dell’acqua. È richiesto da tutta la vita e parte di tutte le proteine. L’azoto entra originariamente in un sistema acquaponico dal mangime per pesci, solitamente etichettato come proteina grezza e misurato in percentuale. Alcune di queste proteine sono utilizzate dai pesci per la crescita, e il resto viene rilasciato dal pesce come scarto. Questi rifiuti sono principalmente sotto forma di ammoniaca (NH₃) e vengono rilasciati attraverso le branchie e sotto forma di urina. Vengono inoltre rilasciati rifiuti solidi, alcuni dei quali vengono convertiti in ammoniaca mediante attività microbica. Questa ammoniaca viene poi nitrificata dai batteri, discussa nel paragrafo 2.1, e convertita in nitrito (NO₂^-) e nitrato (NO₃^-). I rifiuti azotati sono velenosi per i pesci a determinate concentrazioni, sebbene l’ammoniaca e il nitrito siano circa 100 volte più velenosi dei nitrati. Sebbene tossici per i pesci, i composti azotati sono nutrienti per le piante, e in effetti sono la componente fondamentale dei fertilizzanti vegetali. Tutte e tre le forme di azoto (NH₃, NO₂^- e NO₃^- ) possono essere utilizzate dalle piante, ma il nitrato è di gran lunga la più accessibile. In un’unità acquaponica pienamente funzionante con adeguata biofiltrazione, i livelli di ammoniaca e nitriti devono essere vicini allo zero, o al massimo 0,25-1,0 mg/l. I batteri presenti nel biofiltro dovrebbero convertire quasi tutta l’ammoniaca e il nitrito in nitrato prima che possa verificarsi qualsiasi accumulo.

Impatti di alta ammoniaca

L’ammoniaca è tossica per i pesci. Tilapia e carpa possono mostrare sintomi di avvelenamento da ammoniaca a livelli fino a 1,0 mg/l. L’esposizione prolungata a questo livello o superiore causerà danni al sistema nervoso centrale e alle branchie dei pesci, con conseguente perdita di equilibrio, alterazione della respirazione e convulsioni. Il danno alle branchie, spesso evidenziato da colorazione rossa e infiammazione delle branchie, limiterà il corretto funzionamento di altri processi fisiologici, portando ad un sistema immunitario soppresso ed eventuale morte. Altri sintomi includono striature rosse sul corpo, letargia e ansiosi in superficie per l’aria. A livelli più elevati di ammoniaca, gli effetti sono immediati e numerosi decessi possono verificarsi rapidamente. Tuttavia, livelli più bassi per un lungo periodo possono ancora causare stress sui pesci, aumento dell’incidenza delle malattie e maggiore perdita di pesce.

Come discusso sopra, la tossicità dell’ammoniaca dipende in realtà sia dal pH che dalla temperatura, dove il pH più alto e la temperatura dell’acqua rendono l’ammoniaca più tossica. Chimicamente, l’ammoniaca può esistere in due forme in acqua, ionizzata e unionizzata. Insieme, queste due forme insieme sono chiamate azoto ammoniacale totale (TAN), e i kit di prova dell’acqua non sono in grado di distinguere tra i due. In condizioni acide, l’ammoniaca si lega agli ioni idrogeno in eccesso (basso pH significa un’alta concentrazione di H⁺) e diventa meno tossica. Questa forma ionizzata è chiamata ammonio. Tuttavia, in condizioni di base (pH elevato, superiore a 7), non ci sono abbastanza ioni idrogeno e l’ammoniaca rimane nel suo stato più tossico, e anche bassi livelli di ammoniaca possono essere molto stressanti per i pesci. Questo problema è esacerbato in condizioni di acqua calda.

L’attività dei batteri nitrificanti diminuisce drasticamente ad alti livelli di ammoniaca. L’ammoniaca può essere utilizzata come agente antibatterico, e a livelli superiori a 4 mg/l inibisce e riduce drasticamente l’efficacia dei batteri nitrificanti. Ciò può comportare una situazione esponenzialmente deteriorata quando un biofiltro sottodimensionato è sopraffatto dall’ammoniaca, i batteri muoiono e l’ammoniaca aumenta ancora di più.

Impatti di nitrito elevato

Il nitrito è tossico per i pesci. Analogamente all’ammoniaca, possono sorgere problemi di salute dei pesci con concentrazioni fino a 0,25 mg/l. Alti livelli di NO₂^- possono immediatamente portare a rapide morti di pesci. Anche in questo caso, anche livelli bassi per un periodo prolungato possono comportare un aumento dello stress dei pesci, delle malattie e della morte.

Livelli tossici di NO₂^- impediscono il trasporto di ossigeno all’interno del flusso sanguigno dei pesci, che fa sì che il sangue diventi un colore marrone cioccolato ed è talvolta noto come «malattia del sangue marrone». Questo effetto può essere visto anche nelle branchie di pesci. I pesci colpiti presentano sintomi simili all’avvelenamento da ammoniaca, in particolare nei casi in cui i pesci sembrano essere privi di ossigeno, visti ansiosi in superficie anche in acqua con un’alta concentrazione di DO. La salute dei pesci è trattata in modo più dettagliato nel capitolo 7.

Impatti di nitrato elevato

Il nitrato è molto meno tossico rispetto alle altre forme di azoto. È la forma più accessibile di azoto per le piante, e la produzione di nitrato è l’obiettivo del biofiltro. I pesci possono tollerare livelli fino a 300 mg/l, mentre alcuni pesci tollerano livelli fino a 400 mg/l. Livelli elevati (\ > 250 mg/l) avranno un impatto negativo sulle piante, determinando un’eccessiva crescita vegetativa e un pericoloso accumulo di nitrati nelle foglie, pericoloso per la salute umana. Si raccomanda di mantenere i livelli di nitrati a 5-150 mg/l e di scambiare acqua quando i livelli diventano più elevati.

Durezza dell’acqua

Il parametro finale della qualità dell’acqua è la durezza dell’acqua. Esistono due tipi principali di durezza: durezza generale (GH) e durezza carbonatica (KH). La durezza generale è una misura degli ioni positivi nell’acqua. La durezza carbonatica, nota anche come alcalinità, è una misura della capacità tampone dell’acqua. Il primo tipo di durezza non ha un impatto significativo sul processo aquaponico, ma KH ha un rapporto unico con il pH che merita ulteriori spiegazioni.

Durezza generale

La durezza generale è essenzialmente la quantità di ioni di calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺) e, in misura minore, ferro (Fe⁺) presenti nell’acqua. Esso è misurato in parti per milione (equivalente a milligrammi per litro). Alte concentrazioni di GH si trovano in fonti d’acqua come falde acquifere calcaree e/o letti fluviali, poiché il calcare è essenzialmente composto da carbonato di calcio (CaCo₃). ^{Sia gli ioni Ca^{2+ che Mg 2+} sono nutrienti essenziali delle piante e vengono assorbiti dalle piante man mano che l’acqua scorre attraverso i componenti idroponici.} L’acqua piovana ha una bassa durezza dell’acqua perché questi ioni non si trovano nell’atmosfera. L’acqua dura può essere una fonte utile di micronutrienti per l’acquaponica e non ha effetti sulla salute sugli organismi. Infatti, la presenza di calcio nell’acqua può impedire ai pesci di perdere altri sali e portare a uno stock più sano.

Durezza carbonatica o alcalinità

La durezza carbonatica è la quantità totale di carbonati (CO₃^2-) e bicarbonati (HCO₃^-) disciolti in acqua. Si misura anche in milligrammi di CaCo₃ per litro.

In generale, si ritiene che l’acqua abbia un elevato KH a livelli di 121-180 mg/l. L’acqua proveniente da pozzi di roccia calcarea ha normalmente un’elevata durezza carbonatica di circa 150-180 mg/l.

La durezza carbonatica in acqua ha un impatto sul livello di pH. In poche parole, KH agisce come un buffer (o una resistenza) all’abbassamento del pH. Il carbonato e il bicarbonato presenti nell’acqua si legano agli ioni H⁺ rilasciati da qualsiasi acido, rimuovendo così questi ioni H⁺ liberi dall’acqua. Pertanto, il pH rimarrà costante anche quando nuovi ioni H⁺ dall’acido vengono aggiunti all’acqua. Questo buffer KH è importante, perché i rapidi cambiamenti del pH sono stressanti per l’intero ecosistema aquaponico. Il processo di nitrificazione genera acido nitrico (HNO₃), come discusso nella sezione 3.2.2, che viene dissociato in acqua nei suoi due componenti, ioni idrogeno (H⁺) e nitrato (NO₃^-), con questi ultimi utilizzati come fonte di nutrienti per le piante. Tuttavia, con un adeguato KH l’acqua non diventa più acida. Se nell’acqua non fossero presenti carbonati e bicarbonati, il pH diminuirebbe rapidamente nell’unità acquaponica. Maggiore è la concentrazione di KH nell’acqua, più a lungo fungerà da tampone per il pH per mantenere stabile il sistema contro l’acidificazione causata dal processo di nitrificazione.

La sezione successiva descrive questo processo in modo più dettagliato. Si tratta di un processo piuttosto complicato, ma è importante capire per i praticanti acquaponici (o altre culture senza suolo) dove l’acqua disponibile è naturalmente molto dura (cosa che normalmente accade nelle regioni con pietra calcarea o gesso), poiché la manipolazione del pH diventerà una parte vitale della gestione delle unità. La sezione 3.5 contiene tecniche specifiche di manipolazione del pH. Il riassunto che segue la descrizione estesa elencherà ciò che è essenziale per tutti i praticanti conoscere in merito alla durezza.

Come accennato in precedenza, la nitrificazione costante in un’unità acquaponica produce acido nitrico e aumenta il numero di ioni^H+ , che ridurrebbe il pH nell’acqua. Se non sono presenti carbonati o bicarbonati per tamponare gli ioni H⁺ nell’acqua, il pH diminuirà rapidamente man mano che più ioni^H+ vengono aggiunti nell’acqua. I carbonati e i bicarbonati, come mostrato nella figura 3.6, legano gli ioni idrogeno (H⁺) rilasciati dall’acido nitrico e mantengono un pH costante bilanciando l’eccedenza di H⁺con la produzione di acido carbonico, che è un acido molto debole. Gli ioni^H+ rimangono legati al composto e non sono liberi nell’acqua. La figura 3.7 mostra più dettagliatamente il processo di incollaggio che si verifica con l’acido nitrico.

Per l’acquaponica è essenziale che una certa concentrazione di KH sia sempre presente nell’acqua, in quanto può neutralizzare gli acidi creati naturalmente e mantenere costante il pH. Senza un adeguato KH, l’unità potrebbe essere sottoposta a rapidi cambiamenti di pH che avrebbero ripercussioni negative sull’intero sistema, in particolare sui pesci. Tuttavia, KH è presente in molte fonti d’acqua. Rifornimento dell’unità con acqua da queste fonti riempirà anche i livelli di KH. Tuttavia, l’acqua piovana è bassa in KH, e nei sistemi piovosi è utile aggiungere fonti esterne di carbonato, come spiegato di seguito.

Riepilogo dei punti essenziali sulla durezza

La durezza generale (GH) è la misurazione degli ioni positivi, in particolare del calcio e del magnesio.

La durezza carbonata (KH) misura la concentrazione di carbonati e bicarbonati che tamponano il pH (creano resistenza al cambiamento del pH). La durezza può essere classificata lungo la scala di durezza dell’acqua come illustrato di seguito:

Il livello ottimale di entrambi i tipi di durezza per l’acquaponica è di circa 60-140 mg/l. Non è fondamentale controllare i livelli nell’unità, ma è importante che l’acqua utilizzata per ricostituire l’unità abbia adeguate concentrazioni di KH per continuare a neutralizzare l’acido nitrico prodotto durante il processo di nitrificazione e tamponare il pH al suo livello ottimale (6-7).

*Fonte: Organizzazione delle Nazioni Unite per l’alimentazione e l’agricoltura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, piccola produzione alimentare acquaponica, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Riprodotto con permesso. *