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Contexto ## 9.4.1

El funcionamiento de los sistemas acuapónicos se basa en un equilibrio dinámico de los ciclos nutritivos (Somerville et al. 2014). Por lo tanto, es necesario comprender estos ciclos para optimizar la gestión de los sistemas. Las plantas que crecen hidropónicamente tienen requisitos específicos, que deben cumplirse durante sus diferentes etapas de cultivo (Resh 2013). Por lo tanto, las concentraciones de nutrientes en los diferentes compartimentos del sistema deben ser monitoreadas de cerca, y los nutrientes deben complementarse para evitar deficiencias (Resh 2013; Seawright et al. 1998), ya sea en el agua del sistema o mediante aplicación foliar (Roosta y Hamidpour 2011).

Según Delaide et al. (2016), en algunos casos, complementar una solución acuapónica con nutrientes minerales para alcanzar las mismas concentraciones de nutrientes que en hidroponía podría dar lugar a mayores rendimientos que los obtenidos en hidroponía. El primer paso a dar hacia un sistema equilibrado es el diseño correcto y el tamaño relativo de los compartimentos (Buzby y Lin 2014). Si el compartimento hidropónico es demasiado pequeño en comparación con los tanques de peces, entonces los nutrientes se acumularán en el agua y podrían alcanzar niveles tóxicos. La tasa de alimentación (es decir, la cantidad de alimento para peces en el sistema basada en la superficie de cultivo de la planta y el tipo de planta) se utiliza a menudo para el primer dimensionamiento del sistema (Rakocy et al. 2006; Somerville et al. 2014). Sin embargo, según Seawright et al. (1998), no es posible alcanzar una relación planta/pescado que permita una coincidencia óptima de las necesidades de las plantas si sólo se utilizan piensos para peces como insumo. Para asegurarse de que el sistema está bien equilibrado y funciona correctamente, los métodos de monitoreo generalmente se basan en el ciclo del nitrógeno (Cerozi y Fitzsimmons 2017; Somerville et al. 2014), pero para garantizar un funcionamiento óptimo del sistema, es necesario monitorear más de cerca el equilibrio de los demás macronutrientes ( N, P, K, Ca, Mg, S) y micronutrientes (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013; Somerville et al. 2014; Sonneveld y Voogt 2009). Estudios recientes (Delaide et al. (2017), Schmautz et al. (2015, 2016)) han comenzado a abordar este tema. Schmautz et al. (2015, 2016) compararon el impacto de tres diseños hidropónicos diferentes (es decir, técnica de película nutritiva (NFT), balsa flotante y riego por goteo) en la absorción de nutrientes de tomates aquapónicos. El riego por goteo fue el sistema que produjo un poco mejores rendimientos con los tomates. El contenido mineral de los frutos (P, K, Ca, Mg) fue equivalente a los valores convencionales, aunque el contenido de hierro y zinc fue mayor. Sin embargo, las hojas tuvieron niveles más bajos de P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu y Zn que en la agricultura convencional. Delaide et al. (2016) siguieron los ciclos de macro y micronutrientes en un sistema aquapónico acoplado. Observaron que K, P, Fe, Cu, Zn, Mn y Mo faltaban en su solución acuapónica, mientras que N, Ca, B y Na se acumularon rápidamente. Graber y Junge (2009) señalaron que su solución acuapónica contenía tres veces menos nitrógeno y diez veces menos fósforo que una solución hidropónica. En cuanto al potasio (K), fue 45 veces menor en comparación con la hidroponía. Sin embargo, obtuvieron rendimientos similares a pesar de que la calidad fue más pobre debido a la falta de potasio (K).

Factores que influyen en los ciclos de nutrientes

La intensidad de la luz, la temperatura de la zona radicular, la temperatura del aire, la disponibilidad de nutrientes, la etapa de crecimiento y la tasa de crecimiento influyen en la absorción de nutrientes de una planta (Buzby y Lin 2014). Los experimentos realizados por Schmautz et al. (2016) y Lennard y Leonard (2006) mostraron que el método hidropónico también podría desempeñar un papel en la capacidad de absorción de nutrientes de una planta, por lo que es necesario adaptar el sistema de cultivo al tipo de hortalizas que se cultivan. NFT y DWC (cultivo de aguas profundas — balsa) son, por lo tanto, adecuados para verduras frondosas, mientras que el riego por goteo en losas de lana de roca es más adecuado para verduras afrutadas (Resh 2013).

9.4.2 Ciclos de macronutrientes

*Carbono (C) *

El carbono se suministra a los peces a través de la alimentación (Timmons y Ebeling 2013) y a las plantas a través de la fijación COSub2/sub. Los peces pueden utilizar el 22% del carbono contenido en los piensos para aumentar la biomasa y el metabolismo. El resto del carbono ingerido se expira bajo la forma de COSub2/sub (52%) o se excreta en forma disuelta (0,7— 3%) y sólida (25%) (Timmons y Ebeling 2013). El COSub2/sub caducado también puede ser utilizado por las plantas para su propia fuente de carbono (Körner et al. 2017). La parte no consumida del carbono alimentario se deja descomponer en el sistema. El tipo de carbohidratos que se encuentran en los piensos para peces (por ejemplo, polisacáridos de almidón o no almidón) también puede influir en la digestibilidad del alimento y en la biodegradabilidad de los residuos en una acuicultura o sistema acuapónico (Meriac et al. 2014).

*Nitrógeno (N) *

El nitrógeno es absorbido por las plantas en forma de nitrato o amonio (Sonneveld y Voogt 2009; Xu et al. 2012) dependiendo de la concentración y fisiología de la planta (Fink y Feller 1998 citados por Wongkiew et al. 2017). Las asociaciones entre plantas y microorganismos no deben pasarse por alto, ya que las plantas afectan la presencia de los microorganismos en la acuapónica, y los microorganismos pueden desempeñar un papel importante en la capacidad de absorción de nitrógeno de las plantas (Wongkiew et al. 2017). La absorción de nitrógeno por las plantas se ve afectada por la concentración de dióxido de carbono ambiental (Zhang et al. 2008 citado por Wongkiew et al. 2017).

*Fósforo (P) *

El fósforo es uno de los elementos esenciales para el crecimiento de la planta y puede ser absorbido bajo su forma iónica de ortofosfato (HSub2/SubpoSub4/Subsup-/SUP, HPOSub4/Subsup2-/SUP, PoSub4/Subsup3-/SUP) (Prabhu et al. 2007; Resh 2013). Poco se sabe sobre la dinámica del fósforo en la acuapónica. El principal aporte de fósforo en el sistema es el alimento para peces (Cerozi y Fitzsimmons 2017; Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2015), y en sistemas no suplementados (Cap. 7, el fósforo tiende a ser limitante y por lo tanto puede impedir el crecimiento de las plantas (Graber y Junge, 2009; Seawright y otros, 1998). Según Rafiee y Saad (2005), los peces pueden utilizar hasta el 15% del fósforo contenido en el alimento. En un sistema de cultivo de lechuga, Cerozi y Fitzsimmons (2017) notaron que la cantidad de fósforo proporcionado por el alimento para peces puede ser suficiente o insuficiente dependiendo de la etapa de crecimiento. Hasta el 100% del fósforo presente en el agua de los peces puede ser reciclado en la biomasa vegetal, dependiendo del diseño del sistema. Graber y Junge (2009) observaron un 50% de reciclaje, mientras que Schmautz et al. (2015) reportaron que 32% del fósforo se podía encontrar en el fruto y 28% en las hojas. La solubilidad del fósforo depende del pH, y un pH mayor favorecerá la precipitación del fósforo, por lo que no está disponible para las plantas (Yildiz et al. 2017). El fósforo puede precipitarse como estruvita (fosfato de magnesio amonio) (Le Corre et al. 2005) y/o hidroxiapatita (Cerozi y Fitzsimmons 2017; Goddek et al. 2015). Estos complejos insolubles se eliminan del sistema a través de lodos sólidos de peces. Schneider et al. (2004) informaron que entre el 30 y el 65% del fósforo contenido en los piensos para peces sigue sin estar disponible para las plantas, ya que se fija en las excreciones sólidas que luego se eliminan mediante filtración mecánica. Yogev et al. (2016) estimaron que esta pérdida puede ser de hasta el 85%. Una opción para evitar esta pérdida masiva de P a través de lodos sólidos es añadir un compartimento de digestión al sistema aquapónico. Durante la digestión aeróbica o anaeróbica, la P se libera en el digestato y podría reintroducirse en el agua circulante (Goddek et al. 2016).

*Potasio (K) *

Delaide et al. (2017) encontraron que la principal fuente de K en su sistema era el alimento para peces. Los peces pueden utilizar hasta el 7% de la K contenida en los piensos para peces (Rafiee y Saad 2005). Sin embargo, el potasio no es necesario para los peces, lo que conduce a una composición baja de potasio del alimento para peces y a niveles aún más bajos de potasio disponibles para las plantas (Graber y Junge 2009; Seawright et al. 1998; Suhl et al. 2016). Para suministrar potasio, a menudo se utiliza un tampón de pH KOH, ya que el pH a menudo disminuye en acuapónica debido a la nitrificación (Graber y Junge 2009). En un sistema acuapónico plantado con tomates, el potasio se acumuló principalmente en los frutos (Schmautz et al. 2016).

*Magnesio (Mg), Calcio (Ca) y Azufre (S) *

La principal fuente de Mg, Ca y S es el agua del grifo que facilita la absorción por las plantas ya que los nutrientes ya están disponibles (Delaide et al. 2017). Sin embargo, el calcio está presente en niveles insuficientes en acuapónica (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998) y se agrega bajo la forma de hidróxido de calcio Ca (OH) sub2/sub (Timmons y Ebeling 2013). Según Rafiee y Saad (2005), los peces pueden utilizar en promedio el 26,8% del calcio y el 20,3% del magnesio presente en el alimento. El azufre suele estar en niveles bajos en los sistemas acuapónicos (Graber y Junge 2009; Seawright et al. 1998).

9.4.3 Ciclos de Micronutrientes

El hierro (Fe), el manganeso (Mn) y el zinc (Zn) derivan principalmente del alimento para peces, mientras que el boro (B) y el cobre (Cu) derivan del agua del grifo (Delaide et al. 2017). En acuapónica, los micronutrientes clave suelen estar presentes, pero a niveles demasiado bajos (Delaide et al. 2017), y entonces es necesario suplementar con fuentes externas de nutrientes (Cap. 8). Las deficiencias de hierro ocurren muy a menudo en acuapónica (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998; Fitzsimmons y Posadas; 1997 citado por Licamele 2009), principalmente debido a la falta de disponibilidad de la forma de iones férricos. Esta deficiencia puede resolverse mediante el uso de sideróforo bacteriano (es decir, compuestos orgánicos quelantes de hierro) producidos por géneros como Bacillus o Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) o mediante suplementos de hierro con hierro quelado químico para evitar la precipitación del hierro.

9.4.4 Pérdidas de nutrientes

Reducir la pérdida de nutrientes es un desafío constante que enfrentan los practicantes de acuapónica. La pérdida de nutrientes se produce de varias maneras, por ejemplo, la liquidación del lodo (37% de las heces y 18% de los piensos no consumidos) (Neto y Ostrensky 2015), las pérdidas de agua, la desnitrificación, la volatilización del amoníaco, etc. (Wongkiew et al. 2017). Como ejemplo, Rafiee y Saad (2005) señalan que el 24% del hierro, el 86% del manganeso, el 47% del zinc, el 22% del cobre, el 16% del calcio, el 89% del magnesio, el 6% del nitrógeno, el 6% del potasio y el 18% del fósforo contenido en el alimento para peces estaban contenidos en el lodo. El lodo puede contener hasta el 40% de los nutrientes presentes en la entrada de alimento (Yogev et al. 2016).

La desnitrificación puede conducir a una pérdida del 25-60% del nitrógeno (Hu et al. 2015; Zou et al. 2016). La desnitrificación también está vinculada a las condiciones anóxicas (Madigan y Martinko 2007; van Lier et al. 2008) y a los bajos niveles de carbono, y es responsable de la transformación del nitrato en nitrito, óxido nítrico (NO), óxido nitroso (NSub2/subo) y eventualmente gas nitrógeno (NSub2/sub) con flujos a la atmósfera (ibíd. ). La desnitrificación se realiza por varias bacterias heterotróficas facultativas como Achromobacter, Aerobacter, Acinetobacter, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus y Micrococcus sp. (Gentile et al. 2007; Michaud y otros 2006; Wongkiew y otros 2017). Algunas bacterias pueden realizar tanto nitrificación como desnitrificación si los niveles de oxígeno disuelto están por debajo de 0,3 mg/L (Fitzgerald et al. 2015; Wongkiew et al. 2017). La pérdida de nitrógeno también puede ocurrir a través de la oxidación anaeróbica de amonio (ANAMMOX), es decir, la oxidación del amonio en gas dinitrógeno en presencia de nitrito (Hu et al. 2011).

Otra pérdida importante de nitrógeno que debería estar disponible para las plantas es el consumo del nitrógeno por las bacterias aeróbicas heterotróficas presentes en los sistemas aquapónicos. De hecho, el nitrógeno utilizado por estas bacterias se pierde a causa de las bacterias nitrificantes, por lo que se impide la nitrificación (Blancheton et al. 2013). Estas bacterias están particularmente presentes cuando la relación C/N aumenta, ya que son más competitivas y más capaces de colonizar los medios que las bacterias nitrificantes autotróficas (Blancheton et al. 2013; Wongkiew et al. 2017).

9.4.5 Dinámica de Sistemas de Equilibrio de Nutrientes

La concentración de nutrientes de los dos subsistemas principales en un sistema acuapónico, es decir, los tanques de peces (acuicultura) y la solución hidropónica, debe equilibrarse para cada una de sus necesidades. En sistemas acuapónicos cerrados, los nutrientes se transportan de peces a plantas más o menos directamente a través de filtros (generalmente un filtro de tambor o un colono y luego un biofiltro) para la nitrificación. Sin embargo, las necesidades de nutrientes de los cultivos y los nutrientes suministrados del subsistema aquapónico no están en equilibrio. En los sistemas multibucle y desacoplados (Cap. 8), es más fácil proporcionar condiciones óptimas para las secciones de peces y plantas. Mediante la modelización de los sistemas (cap. 11), se puede calcular el tamaño óptimo de la zona hidropónica a los acuarios, biofiltros y otros equipos (Goddek y Körner 2019). Esto es particularmente importante con los sistemas de bucle múltiple desacoplados que comprenden varios tipos de equipos. Por ejemplo, UASB (manta de lodos anaeróbicos de flujo ascendente) (Goddek et al. 2018) o unidades de desalinización (Goddek y Keesman 2018) deben dimensionarse cuidadosamente como se explica en Cap. 8. Es necesario rectificar y equilibrar el desajuste básico de los nutrientes suministrados por el medio ambiente de los peces y las necesidades de los cultivos. Con el fin de concentrar los nutrientes, Goddek y Keesman (2018) han descrito una unidad de desalinización apropiada (Cap. 8). Este enfoque, sin embargo, sólo resuelve parte del problema, ya que el sistema perfectamente equilibrado está impulsado por una tasa de evaporación no dinámica alcanzable sólo en cámaras cerradas y plantas de trabajo perfecto. La realidad, sin embargo, es que la evapotranspiración del cultivo (ETsubc/Sub) en sistemas acuapónicos basados en invernadero depende en gran medida de múltiples factores como el clima físico y las variables biológicas. Etsubc/sub se calcula por área de la superficie del suelo cubierta por el cultivo y se calcula para diferentes niveles en el dosel (z) integrando flujos netos irradiativos, resistencia de la capa límite, resistencia de los estomas y el déficit de presión de vapor sub, /sub en el dosel (Körner et al. 2007) utilizando el Penman— Ecuación de Monteith. Esta ecuación, sin embargo, sólo calcula el flujo de agua a través del cultivo. La absorción de nutrientes puede calcularse simplemente asumiendo que todos los nutrientes diluidos en el agua son absorbidos por el cultivo. En realidad, sin embargo, la absorción de nutrientes es un asunto muy complicado. Diferentes nutrientes tienen diferentes estados, cambiando con parámetros como el pH. Mientras tanto, la disponibilidad de nutrientes para las plantas depende en gran medida del pH y de las relaciones entre los nutrientes (por ejemplo, la disponibilidad de K/Ca). Además, el microbioma en la zona radicular juega un papel importante (Orozco-Mosque et al. 2018) que aún no se ha implementado en modelos, aunque algunos modelos diferencian entre las vías floema y xilema. Por lo tanto, la gran cantidad de nutrientes no se modela en detalle para el equilibrio de nutrientes acuapónicos y el dimensionamiento de los sistemas. La forma más fácil de estimar la absorción de nutrientes es la suposición de que los nutrientes se absorben o absorben como se disuelven en el agua de riego y se aplican al método de cálculo ETsubc/sub explicado anteriormente y suponiendo que no existen resistencias químicas, biológicas o físicas específicas de cada elemento. En consecuencia, para mantener el equilibrio, todos los nutrientes absorbidos por el cultivo como contenidos en la solución nutritiva deben ser añadidos de nuevo al sistema hidropónico.


Aquaponics Food Production Systems

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