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13.3.1 Fonti proteiche e lipidiche per acquafeeds

Dalla fine del XX secolo, ci sono stati cambiamenti significativi nella composizione degli aquafeeds, ma anche progressi nella produzione. Queste trasformazioni hanno avuto origine dalla necessità di migliorare la redditività economica dell'acquacoltura e di mitigarne gli impatti ambientali. Tuttavia, la forza trainante di questi cambiamenti è la necessità di ridurre la quantità di farina di pesce (FM) e olio di pesce (FO) nei mangimi, che tradizionalmente hanno costituito la maggior parte dei mangimi, soprattutto per i pesci carnivori e i gamberetti. In parte a causa del sovrasfruttamento, ma soprattutto a causa del continuo aumento del volume globale dell'acquacoltura, vi è una crescente necessità di proteine e oli alternativi per sostituire FM e FO negli aquafeed.

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Fig. 13,2 Rapporto fish-in-fish-out (linea blu, asse y sinistro) e quantità di olio di pesce utilizzato (linea gialla, asse y destro) per l'alimentazione della trota iridea in Finlandia tra il 1990 e il 2013. (Dati provenienti da www.raisioagro. com)

La composizione dei mangimi per pesci è cambiata considerevolmente poiché la percentuale di FM nelle diete è diminuita dal\ > 60% negli anni '90 al\ 20% nelle diete moderne per pesci carnivori come il salmone atlantico (Salmo salar) e il contenuto di FO è diminuito dal 24% al 10% (Ytrestøyl et al. 2015). Di conseguenza, il cosiddetto rapporto FIFO (fish-in-fish-out) è diminuito al di sotto di 1 per il salmone e la trota iridea, il che significa che la quantità di pesce necessaria nel mangime per produrre 1 kg di carne di pesce è inferiore a 1 kg (figura 13,2). Così, la cultura del pesce carnivoro nel XXI secolo è un produttore netto di pesce. D'altra parte, i mangimi per specie ittiche onnivore trofe inferiori (ad esempio carpa e tilapia) possono contenere meno del 5% FM (Tacon et al. 2011). L'allevamento di specie ittiche a basso contenuto trofico è ecologicamente più sostenibile rispetto alle specie trofe più elevate, e la FIFO per Tilapia è stata 0,15 e per i ciprinidi (specie di carpe) solo 0,02 nel 2015 (IFO). Va notato che la sostituzione totale FM nelle diete di Tilapia (Koch et al. 2016) e salmone (Davidson et al. 2018) non è possibile senza influire in modo significativo sui parametri di produzione.

Oggi, il maggior apporto di proteine e lipidi nell'alimentazione dei pesci proviene dalle piante, ma anche comunemente da altri settori, tra cui i pasti e i grassi provenienti da carne e sottoprodotti di pollame e farine di sangue (Tacon e Metian 2008). Inoltre, i rifiuti e i sottoprodotti della lavorazione del pesce (frattaglie e rifilature dei rifiuti) sono comunemente utilizzati per produrre FM e FO. Tuttavia, a causa della normativa UE (CE 2009), l'uso di FM di una specie non è consentito come mangime per la stessa specie, ad esempio il salmone non può essere alimentato FM contenente rifilature di salmone.

Le sostituzioni FM e FO con altri ingredienti possono influire sulla qualità del prodotto venduto ai clienti. Il pesce ha la reputazione di essere un alimento sano, soprattutto per il suo alto contenuto di acidi grassi poli e altamente insaturi. Soprattutto, il pesce è l'unica fonte di EPA (acido eicosapentaenoico) e DHA (acido docosaesaenoico), entrambi i quali sono acidi grassi omega-3, e nutrienti essenziali per molte funzioni nel corpo umano. Se FM e FO vengono sostituiti con prodotti di origine terrestre, ciò influenzerà direttamente la qualità della carne di pesce, soprattutto la sua composizione di acidi grassi, poiché la proporzione di acidi grassi omega-3 (in particolare EPA e DHA) diminuirà mentre la quantità di acidi grassi omega-6 aumenterà insieme al aumento del materiale vegetale che sostituisce FM e FO (Lazzarotto et al. 2018). Pertanto, i benefici per la salute del consumo di pesce sono in parte persi e il prodotto che finisce sul piatto non è necessariamente quello che i consumatori si aspettano di acquistare. Tuttavia, al fine di superare il problema della diminuzione degli acidi grassi omega-3 nel prodotto finale derivante da minori ingredienti ittici negli acquafeeds, gli allevatori di pesci potrebbero impiegare le cosiddette diete di finitura ad alto contenuto di FO durante le fasi finali della coltivazione (Suomela et al. 2017).

Una nuova interessante opzione per sostituire FO nei mangimi per pesci è la possibilità di ingegneria genetica, cioè piante geneticamente modificate che possono produrre EPA e DHA, ad esempio olio da Camelina sativa geneticamente modificato (nome comune di camelina, oro del piacere o falso lino che è noto per avere alti livelli di acidi grassi omega-3) è stato utilizzato con successo per coltivare il salmone, finendo con una concentrazione molto elevata di EPA e DHA nel pesce (Betancor et al. 2017). L'uso di organismi geneticamente modificati nella produzione alimentare umana, tuttavia, è soggetto ad approvazione regolamentare e potrebbe non essere un'opzione a breve termine.

Un'altra nuova possibilità di sostituire FM in aquafeeds sono le proteine fatte di insetti (Makkar et al. 2014). Questa nuova opzione è diventata possibile all'interno dell'UE solo di recente, quando l'UE ha modificato la legislazione, consentendo le farine di insetti negli aquafeeds (UE 2017). Le specie consentite sono la mosca del soldato nero (Hermetia illucens), la mosca domestica comune (Musca domestica), la verme della farina gialla (Tenebrio molitor), il verme della farina minore (Alfitobius diaperinus), il cricket domestico (Acheta domesticus), il cricket fasciato (Gryllodes sigillatatatatatattodes _) e cricket da campo (Gryllus assimilis_). Gli insetti devono essere allevati su determinati substrati consentiti. Gli esperimenti di crescita condotti con diverse specie ittiche mostrano che sostituire FM con un pasto fatto di larve di mosca di soldato nero non compromette necessariamente la crescita e altri parametri di produzione (Van Huis e Oonincx 2017). D'altra parte, i pasti a base di verme giallo potrebbero sostituire FM solo parzialmente per evitare la diminuzione della crescita (Van Huis e Oonincx 2017). Tuttavia, la sostituzione FM con farina di insetti può causare un calo di acidi grassi omega-3, in quanto sono vuoti di EPA e DHA (Makkar e Ankers 2014).

A differenza degli insetti, le microalghe hanno tipicamente profili di aminoacidi e acidi grassi nutrizionalmente favorevoli (inclusi EPA e DHA), ma c'è anche un'ampia variazione tra le specie in questo senso. La sostituzione parziale di FM e FO negli aquafeeds con alcune microalghe ha dato risultati promettenti (Camachorodríguez et al. 2017; Shah et al. 2018) e in futuro l'uso di microalghe negli aquafeeds può aumentare (White 2017) anche se il loro uso può essere limitato dal prezzo.

Questo breve riassunto dei potenziali ingredienti per mangimi indica che esiste un'ampia gamma di possibilità di sostituire almeno parzialmente FM e FO nei mangimi per pesci. In generale, il profilo aminoacidico di FM è ottimale per la maggior parte delle specie ittiche e FO contiene DHA e EPA che sono praticamente impossibili da fornire da oli terrestri, anche se l'ingegneria genetica potrebbe cambiare la situazione in futuro. Tuttavia, i prodotti OGM devono prima essere accettati nella legislazione e poi dai clienti.

13.3.2 L'uso di additivi specializzati per mangimi su misura per l'acquaponica

La personalizzazione degli aquafeeds specifici per i sistemi aquaponici è più difficile dello sviluppo dei mangimi per acquacoltura convenzionale, poiché la natura dei sistemi acquaponici richiede che gli aquafeed non solo forniscano nutrimento agli animali coltivati, ma anche alle piante coltivate e alle comunità microbiche che abitano il sistema. L'attuale pratica acquaponica utilizza gli aquafeeds formulati per fornire un'alimentazione ottimale agli animali acquatici coltivati; tuttavia, come principale apporto di nutrienti nei sistemi acquaponici (Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011; Junge et al. 2017), i mangimi devono anche tener conto delle esigenze nutritive della componente di produzione dell'impianto. Ciò è particolarmente importante per i sistemi acquaponici su scala commerciale, in cui la produttività del sistema di produzione degli impianti ha un impatto significativo sulla redditività complessiva del sistema (Adler et al. 2000; Palm et al. 2014; Love et al. 2015a) e dove il miglioramento delle prestazioni di produzione della componente dell'impianto può significativamente migliorare la redditività complessiva del sistema.

Pertanto, l'obiettivo generale dello sviluppo di mangimi aquaponici personalizzati sarebbe quello di progettare un mangime che permetta un equilibrio tra la fornitura di nutrienti supplementari per le piante, mantenendo nel contempo un funzionamento accettabile del sistema acquaponico (ossia una qualità dell'acqua sufficiente per la produzione animale, il biofiltro e le prestazioni del digestore anaerobico, e l'assorbimento dei nutrienti da parte delle piante). A tal fine, il mangime acquaponico su misura finale potrebbe non essere ottimale per la produzione individuale di animali acquatici o vegetali, ma sarebbe piuttosto ottimale per il sistema acquaponico nel suo complesso. Il punto ottimale sarebbe determinato sulla base di parametri generali di prestazione del sistema, ad esempio misure di sostenibilità economica e/o ambientale.

Una delle principali sfide nell'aumentare la produzione di sistemi acquaponici accoppiati è rappresentata dalle concentrazioni relativamente basse di nutrienti sia macro che micro vegetali (principalmente in forma inorganica) nell'acqua di ricircolo, rispetto ai sistemi idroponici convenzionali. Questi bassi livelli di nutrienti possono causare carenze di nutrienti nelle piante e tassi di produzione di piante subottimali (Graber e Junge 2009; Kloas et al. 2015; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2017). Un'ulteriore sfida è rappresentata dalle notevoli quantità di cloruro di sodio negli acquafeeds convenzionali a base di pesce e dal potenziale accumulo di sodio nei sistemi acquaponici (Treadwell et al. 2010). Possono essere sviluppati approcci diversi per affrontare queste sfide, come soluzioni tecnologiche, ad esempio sistemi acquaponici disaccoppiati (Goddek et al. 2016) (vedi anche cap. 8), integrazione diretta dei nutrienti nel sistema di produzione vegetale tramite spray fogliare o aggiunta all'acqua di ricircolo (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011), o la coltura di una migliore pianta tollerante al sale (cfr. cap. 12). Un nuovo approccio è lo sviluppo di aquafeeds su misura specificamente per l'uso in acquaponica.

Per far fronte alla carenza di nutrienti vegetali nell'acquaponica, i mangimi aquaponici personalizzati devono aumentare la quantità di nutrienti disponibili nelle piante, aumentando le concentrazioni di nutrienti specifici dopo l'escrezione da parte degli animali coltivati, o rendendo i nutrienti più biodisponibili dopo l'escrezione e biotrasformazione, per un rapido assorbimento da parte delle piante. Il raggiungimento di questo aumento dell'escrezione di nutrienti non è tuttavia semplice come integrare maggiori quantità di nutrienti desiderati nelle diete dell'acquacoltura, in quanto vi sono molti fattori (spesso contrastanti) che devono essere considerati in un sistema acquaponico integrato. Ad esempio, sebbene una produzione vegetale ottimale richieda maggiori concentrazioni di nutrienti specifici, alcuni minerali, ad esempio alcune forme di ferro e selenio, possono essere tossici per i pesci anche a basse concentrazioni e avrebbero quindi livelli massimi ammissibili nell'acqua circolante (Endut et al. 2011; Tacon 1987). Oltre ai livelli di nutrienti totali, il rapporto tra nutrienti (ad esempio il rapporto P:N) è importante anche per la produzione vegetale (Buzby e Lin 2014), e gli squilibri nei rapporti tra nutrienti possono portare all'accumulo di alcuni nutrienti nei sistemi aquaponici (Kloas et al. 2015). Inoltre, anche se un mangime acquaponico aumenta i livelli di nutrienti vegetali, la qualità generale dell'acqua e il pH del sistema devono ancora essere mantenuti entro limiti accettabili per garantire una produzione animale accettabile, un efficace assorbimento dei nutrienti da parte delle radici delle piante, un funzionamento ottimale dei biofiltri e dei digestori anaerobici ( Goddek et al. 2015b; Rakocy et al. 2006) e per evitare la precipitazione di alcuni nutrienti importanti come i fosfati, in quanto ciò li renderà indisponibili alle piante (Tyson et al. 2011). Raggiungere questo equilibrio complessivo non è un'impresa media, in quanto vi sono complesse interazioni tra le diverse forme di azoto nel sistema (NH<Sub3/Sub, NHSub4/SubSUP+/SUP, NoSub2/Subsup-/SUP, NoSub3/Subsup-/SUP), il pH del sistema e l'assortimento di metalli e altri ioni presenti nel sistema (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016).

Carenza comune di nutrienti nei sistemi acquaponici

Le piante richiedono una gamma di macro e micronutrienti per la crescita e lo sviluppo. I sistemi acquaponici sono comunemente carenti nei macronutrienti vegetali potassio (K), fosforo (P), ferro (Fe), manganese (Mn) e zolfo (S) (Graber e Junge 2009; Roosta e Hamidpour 2011). L'azoto (N) è presente in diverse forme nei sistemi aquaponici ed è escreto come parte del metabolismo proteico degli animali acquatici coltivati (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011) dopo di che entra nel ciclo dell'azoto nell'ambiente acquaponico integrato. (L'azoto è discusso dettagliatamente in cap. 9 ed è pertanto escluso dalla presente discussione.)

L'uso di additivi specializzati per mangimi per acquacoltura selezionati può contribuire allo sviluppo di aquafeeds su misura specificamente per l'acquaponica, fornendo nutrienti aggiuntivi agli animali acquatici e/o alle piante coltivate o modificando il rapporto dei nutrienti. Gli additivi per mangimi per acquacoltura sono diversi, con una vasta gamma di funzioni e meccanismi di funzionamento. Le funzioni possono essere nutritive e non nutritive, e gli additivi possono essere mirati all'azione nei mangimi o verso i processi fisiologici degli animali acquatici coltivati (Encarnação 2016). Ai fini del presente capitolo, l'accento è posto su tre tipi specifici di additivi che potrebbero favorire la personalizzazione delle diete acquaponiche: (1) integratori minerali aggiunti direttamente ai mangimi, (2) minerali aggiunti coincidentalmente come parte di additivi che servono a scopi non minerali e (3) additivi che rendere i minerali, già presenti nei mangimi, più a disposizione degli animali acquatici e/o delle piante coltivate nei sistemi acquaponici.

  1. Integrazione minerale diretta nei mangimi aquaponico

L'integrazione diretta dei minerali nelle diete di acquacoltura utilizzate nei sistemi acquaponici è un metodo potenziale per aumentare la quantità di minerali escreti dagli animali coltivati o per aggiungere minerali specifici richiesti dalle piante nei sistemi acquaponici. I minerali vengono regolarmente aggiunti sotto forma di premiscele minerali alle diete dell'acquacoltura, per fornire agli animali acquatici coltivati gli elementi essenziali necessari per la crescita e lo sviluppo (NG et al. 2001; NRC 2011). Tutti i minerali non assorbiti dai pesci durante la digestione vengono escreti e, se questi sono in forma solubile (principalmente ionica) nel sistema aquaponico, questi sono disponibili per l'assorbimento delle piante (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015). Non è chiaro quanto sia fattibile tale approccio, in quanto vi sono scarse informazioni sull'efficacia dell'aggiunta di integratori minerali agli aquafeeds allo scopo di migliorare la produzione di piante acquaponiche. In generale, il fabbisogno di minerali e il metabolismo nell'acquacoltura sono poco compresi rispetto alla produzione animale terrestre e la fattibilità di tale approccio non è quindi ben descritta. I potenziali vantaggi di questo approccio sarebbero che potrebbe rivelarsi un intervento abbastanza semplice per migliorare le prestazioni complessive del sistema, potrebbe consentire l'integrazione di una vasta gamma di sostanze nutritive ed è probabile che sia relativamente basso costo. Tuttavia, è ancora necessaria una ricerca sostanziale per evitare eventuali gravi potenziali insidie che possono sorgere. Uno di questi è incentrato sul fatto che i minerali integrati destinati alle piante devono prima passare attraverso il tratto digestivo degli animali acquatici coltivati e questi potrebbero essere assorbiti completamente o parzialmente durante questo passaggio. Ciò potrebbe comportare un accumulo indesiderato di minerali negli animali acquatici, o interferenze nel normale assorbimento di nutrienti e/o minerali e processi fisiologici intestinali (Oliva-Teles 2012). Possono verificarsi interazioni significative tra minerali dietetici nelle diete acquacoltura (Davis e Gatlin 1996), che devono essere determinate prima che si possa impiegare un'integrazione diretta di minerali nelle diete acquaponiche. Altri effetti potenziali possono includere alterate la struttura fisica e le caratteristiche chemiosensoriali dei mangimi, che a loro volta potrebbero influire sull'appetibilità dei mangimi. Chiaramente, è ancora necessaria una ricerca sostanziale prima di poter adottare questo metodo di personalizzazione dei mangimi aquaponici.

  1. _aggiunta coincidentale di minerali mediante additivi per mangimi

Alcune classi di additivi per mangimi vengono aggiunte agli aquafeed sotto forma di composti ionici e in cui solo uno degli ioni contribuisce all'attività prevista. L'altro ione è considerato come un'aggiunta coincidentale e inevitabile all'aquafeed e spesso non viene considerato in alcuna ricerca in acquacoltura. Un esempio specifico di tale classe di additivi per mangimi spesso utilizzati sono i sali acidi organici, dove il principio attivo previsto nell'acquafeed è l'anione di un acido organico (ad esempio formiato, acetato, butirrato o lattato) e il catione di accompagnamento viene spesso ignorato nell'alimentazione degli animali coltivati. Pertanto, se il catione di accompagnamento viene scelto intenzionalmente come un importante nutriente macro o micro vegetale, vi è la possibilità che gli animali coltivati possano essere escreti nell'acqua del sistema ed essere disponibile per l'assorbimento da parte delle piante.

Gli acidi organici a catena corta e i loro sali sono diventati ben noti e spesso utilizzati negli additivi per mangimi sia nell'alimentazione animale terrestre che nell'acquacoltura, dove i composti sono impiegati come potenziatori delle prestazioni e agenti per migliorare la resistenza alle malattie. Questi composti possono avere diversi meccanismi di funzionamento, tra cui agire come antimicrobici, antibiotici o promotori della crescita, migliorare la digeribilità e l'utilizzo dei nutrienti e agire come fonte di energia direttamente metabolizzabile (Partanen e Mroz 1999; Lückstädt 2008; Ng e Koh 2017). Gli acidi organici nativi o i loro sali possono essere utilizzati nelle diete dell'acquacoltura, ma le forme saline dei composti sono spesso preferite dai produttori in quanto sono meno corrosive per alimentare le attrezzature di produzione, sono meno pungenti e sono disponibili in forma solida (in polvere), il che semplifica l'aggiunta a mangimi formulati durante la produzione (Encarnação 2016; Ng e Koh 2017). Per una revisione completa sull'uso degli acidi organici e dei loro sali in acquacoltura, i lettori sono riferiti al lavoro di Ng e Koh (2017).

L'impiego di sali acidi organici in acquaponica ha il potenziale di avere duplice vantaggio nel sistema, dove l'anione potrebbe migliorare le prestazioni e la resistenza alle malattie degli animali acquatici coltivati, mentre il catione (ad esempio potassio) potrebbe aumentare la quantità di nutrienti essenziali delle piante escrete. Il potenziale vantaggio di questo approccio è che i livelli di inclusione alimentare di sali di acidi organici possono essere relativamente elevati per un additivo per mangimi, e la ricerca segnala regolarmente l'inclusione totale di sali organici di acido fino al 2% in peso (Encarnação 2016), anche se i produttori commerciali tendono a raccomandare livelli più bassi di circa 0,15-0,5% (Ng e Koh 2017). Il catione dei sali acidi organici potrebbe costituire una proporzione significativa del peso complessivo del sale, e dato che questi vengono alimentati quotidianamente agli animali coltivati, potrebbero apportare una notevole quantità di nutrienti alle piante in un sistema acquaponico nel corso di una stagione vegetativa. Non è attualmente disponibile alcuna ricerca pubblicata che riporti i risultati di questa linea di indagine e, come con l'integrazione diretta di minerali ai mangimi aquaponici, questo approccio deve essere convalidato attraverso ricerche future per determinare il destino dei cationi aggiunti come parte dei sali acidi organici (se sono escreti o assorbiti dagli animali acquatici) e se vi sono interazioni con minerali o sostanze nutritive. Rimane, tuttavia, un eccitante futuro viale di indagine.

  1. Additivi per mangimi che rendono le sostanze nutritive più biodisponibili per le piante

Negli acquafeeds formulati vengono utilizzate quantità crescenti di ingredienti vegetali, tuttavia i minerali provenienti da materie prime vegetali sono meno biodisponibili per gli animali acquatici coltivati, principalmente a causa della presenza di fattori anti-nutrizionali negli ingredienti dietetici vegetali (Naylor et al. 2009; Kumar et al. 2012; Prabhu et al. 2016). Ciò significa che una percentuale più elevata di minerali viene escreta nelle feci in forma legata, che richiede «liberazione» prima di essere disponibile per l'assorbimento delle piante. Un esempio tipico è il fosforo organico che si verifica come fitato, che può legarsi ad altri minerali per formare composti insolubili, dove è necessaria un'azione microbica nell'ambiente prima che il fosforo venga rilasciato come fosfato solubile vegetale (Kumar et al. 2012).

L'uso di enzimi esogeni in diete aquaponiche personalizzate potrebbe potenzialmente contribuire al rilascio di maggiori quantità di sostanze nutritive dagli aquafeed ad alto contenuto vegetale per l'alimentazione animale e vegetale nei sistemi aquaponici. Gli enzimi più spesso impiegati negli aquafeeds sono proteasi, carboidrati e fitasi, sia per migliorare la digestione dei nutrienti che per degradare i composti anti-nutrizionali come il fitato (Encarnação 2016), che può comportare il rilascio di nutrienti aggiuntivi dagli aquafeeds. Sebbene sia noto che l'integrazione enzimatica esogena porta ad un migliore utilizzo dei nutrienti negli animali coltivati, non è chiaro se ulteriori nutrienti sarebbero escreti in forma vegetale, evitando quindi una fase separata di rimineralizzazione nei sistemi aquaponici (cfr. cap. 10. Inoltre, sono possibili interazioni tra enzimi esogeni e sostanze nutritive in diverse parti del tratto digestivo dei pesci (Kumar et al. 2012), il che avrà ulteriori implicazioni per la quantità di nutrienti escreti per la crescita delle piante. Sono pertanto necessarie ulteriori ricerche per determinare l'utilità degli enzimi esogeni specificamente destinati all'uso nei mangimi aquaponici.


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