Batteri nitrificanti e biofiltro
Il capitolo 2 ha discusso il ruolo vitale dei batteri nitrificanti per quanto riguarda il processo acquaponico complessivo. I batteri nitrificanti convertono i rifiuti di pesce, che entrano nel sistema principalmente come ammoniaca, in nitrato, che è fertilizzante per le piante (Figura 5.1). Si tratta di un processo in due fasi, e sono coinvolti due gruppi separati di batteri nitrificanti. Il primo passo è convertire l’ammoniaca in nitrito, che è fatto dai batteri ossidanti ammoniaca (AOB). Questi batteri sono spesso indicati dal nome generico del gruppo più comune, il Nitrosomonas. Il secondo passo è la conversione di nitrito in nitrato è fatto dai batteri ossidanti nitriti (NOB). Questi sono comunemente indicati dal nome generico del gruppo più comune, il Nitrobacter. Ci sono molte specie all’interno di questi gruppi, ma ai fini di questa pubblicazione, le differenze individuali non sono importanti ed è più utile considerare il gruppo nel suo complesso. Il processo di nitrificazione avviene come segue:
I batteri AOB convertono l’ammoniaca (NH) in nitrito (NO₂-)
I batteri NOB convertono il nitrito (NO₂-) in nitrato (NO-)
La nitrificazione e, quindi, una sana colonia batterica è essenziale per un sistema aquaponico funzionante. I batteri nitrificanti sono relativamente lenti a riprodursi e stabilire colonie, che richiedono giorni e talvolta settimane, e quindi la pazienza dell’agricoltore è uno dei parametri di gestione più importanti quando si stabilisce un nuovo sistema acquaponico. Molti acquari e sistemi acquaponici sono falliti perché troppi pesci sono stati aggiunti prima che la colonia di batteri fosse completamente sviluppata. Ci sono molti altri parametri chiave per supportare i batteri nitrificanti. Generalmente, i batteri richiedono un luogo grande e buio per colonizzare con una buona qualità dell’acqua, cibo adeguato e ossigeno. Spesso i batteri nitrificanti formano una matrice viscida, marrone chiaro o beige sul biofiltro, e hanno un odore caratteristico difficile da descrivere, ma non ha un odore particolarmente cattivo che potrebbe indicare altri microrganismi.
Superficie elevata
Il materiale di biofiltrazione con un’elevata superficie specifica (SSA) è ottimale per sviluppare estese colonie di batteri nitrificanti. SSA è un rapporto che definisce la superficie esposta da un dato volume di supporti ed è espresso in metri quadrati per metri cubi (m2/m3). In generale, più piccole e porose sono le particelle dei media, maggiore è la superficie disponibile per i batteri per colonizzare. Ciò si traduce in una biofiltrazione più efficiente. Esistono molti materiali utilizzati in acquaponica, sia come terreni di coltivazione che per la biofiltrazione, ad esempio ghiaia vulcanica, argilla espansa, palline biofiltranti in plastica commerciale e radici delle piante. Il tufo vulcanico e Bioballs® considerati in questo manuale hanno, rispettivamente, 300 m2/m3e 600 m2/m3, che è un SSA adeguato per consentire ai batteri di prosperare. Ulteriori caratteristiche e SSA dei diversi supporti utilizzati nell’acquaponica sono riassunti nella tabella 4.1 e nell’appendice 4. Se il materiale biofiltro non è ideale e ha un rapporto superficie/volume inferiore, il biofiltro dovrebbe essere più grande. Un biofiltro sovradimensionato non può danneggiare un sistema acquaponico, e sebbene biofiltri troppo grandi aggiungano spese inutili, l’eccesso di capacità di biofiltrazione ha salvato molti sistemi dal collasso.
pH dell’acqua
I batteri nitrificanti funzionano adeguatamente attraverso un intervallo di pH di 6-8,5. Generalmente, questi batteri funzionano meglio a pH più alto, con il gruppo Nitrosomonas che preferisce un pH di 7,2-7,8, e il gruppo Nitrobacter preferisce un pH di 7,2-8,2. Tuttavia, il pH obiettivo per l’acquaponica è 6-7, il che è un compromesso tra tutti gli organismi all’interno di questo ecosistema. I batteri nitrificanti funzionano adeguatamente all’interno di questo intervallo e qualsiasi diminuzione dell’attività batterica può essere compensata con un biofiltro più grande.
Temperatura dell’acqua
L’intervallo di temperatura ottimale per i batteri nitrificanti è 17-34 °C. Questa gamma favorisce la crescita e la produttività. Se la temperatura dell’acqua scende al di sotto di questo intervallo, la produttività dei batteri tenderà a diminuire. In particolare, il gruppo Nitrobacter è meno tollerante a temperature inferiori rispetto al gruppo Nitrosomonas e, in quanto tale, durante i periodi più freddi i nitriti devono essere monitorati con maggiore attenzione per evitare accumuli dannosi.
Ossigeno disciolto
I batteri nitrificanti hanno bisogno di livelli adeguati di DO nell’acqua in ogni momento per crescere in modo sano e mantenere alti livelli di produttività. La nitrificazione è una reazione di riduzione/ossidazione (redox), in cui i batteri derivano l’energia da vivere quando l’ossigeno è combinato con l’azoto. I livelli ottimali di DO sono 4-8 mg/l, che è anche il livello richiesto per i pesci e le piante. La nitrificazione non si verifica se la concentrazione di DO scende sotto i 2 mg/l. Garantire un’adeguata biofiltrazione dedicando l’aerazione al biofiltro, sia attraverso cicli di allagamento e scarico nei letti mediali, pietre d’aria nei biofiltri esterni, o linee di ritorno dell’acqua a cascata ai canali e ai serbatoi di pozzetto.
Luce UV
I batteri nitrificanti sono fotosensibili fino a quando non stabiliscono completamente una colonia, e la luce solare può causare notevoli danni al biofiltro. I letti multimediali proteggono già i batteri dalla luce solare; ma se si utilizza un biofiltro esterno, assicurarsi di tenerlo ombreggiato dalla luce solare diretta.
Monitoraggio dell’attività batterica
Se tutti questi cinque parametri sono rispettati, è sicuro presumere che i batteri siano presenti e funzionino correttamente. Detto questo, i batteri sono così importanti per l’acquaponica che vale la pena conoscere la salute generale dei batteri in qualsiasi momento. Tuttavia, i batteri sono organismi microscopici ed è impossibile vederli senza un microscopio. Esiste un metodo semplice per monitorare la funzione batterica; test per ammoniaca, nitrito e nitrato fornisce informazioni sulla salute della colonia batterica. L’ammoniaca e il nitrito devono essere sempre 0-1 mg/l in un’unità acquaponica funzionante ed equilibrata. Se uno dei due è rilevabile, indica un problema con i batteri nitrificanti. Ci sono due possibili ragioni comuni per cui ciò si verifica. Innanzitutto, il biofiltro è troppo piccolo per la quantità di pesci e mangimi per pesci. Pertanto, c’è uno squilibrio e ci sono troppi pesci. Per rettificare, aumentare la dimensione del biofiltro o ridurre il numero di pesci, o il regime di alimentazione dei pesci. A volte, questo problema può verificarsi quando il sistema è iniziato equilibrato quando i pesci erano più piccoli, ma gradualmente è diventato squilibrato man mano che il pesce cresceva e sono stati alimentati di più con la stessa dimensione biofiltro. In secondo luogo, se il sistema è bilanciato in termini di dimensioni, i batteri stessi potrebbero non funzionare correttamente. Questo potrebbe indicare un problema con la qualità dell’acqua, e ogni parametro sopra elencato deve essere controllato. Spesso, questo può verificarsi durante le stagioni invernali poiché la temperatura dell’acqua inizia a scendere e l’attività batterica rallenta.
*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. *