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9.4.1 Contesto

Il funzionamento dei sistemi aquaponici si basa su un equilibrio dinamico dei cicli nutritivi (Somerville et al. 2014). È quindi necessario comprendere questi cicli per ottimizzare la gestione dei sistemi. Le piante che crescono idroponicamente hanno requisiti specifici, che dovrebbero essere soddisfatti durante le loro varie fasi di crescita (Resh 2013). Pertanto, le concentrazioni di nutrienti nei diversi comparti del sistema devono essere attentamente monitorate e le sostanze nutritive dovrebbero essere integrate per evitare carenze (Resh 2013; Seawright et al. 1998) sia nell'acqua del sistema che tramite applicazione fogliare (Roosta e Hamidpour 2011).

Secondo Delaide et al. (2016), in alcuni casi, integrare una soluzione acquaponica con sostanze nutritive minerali al fine di raggiungere le stesse concentrazioni nutritive dell'idroponica potrebbe portare a rese più elevate di quelle ottenute nell'idroponica. Il primo passo da compiere verso un sistema equilibrato è la corretta progettazione e il relativo dimensionamento degli scomparti (Buzby e Lin 2014). Se il compartimento idroponico è troppo piccolo rispetto alle vasche per pesci, allora i nutrienti si accumulano nell'acqua e potrebbero raggiungere livelli tossici. Per il primo dimensionamento del sistema viene spesso utilizzato il rapporto di velocità di alimentazione (cioè la quantità di mangime per pesci nel sistema in base alla superficie vegetale e al tipo di pianta) (Rakocy et al. 2006; Somerville et al. 2014). Tuttavia, secondo Seawright et al. (1998), non è possibile raggiungere un rapporto impianto/pesce che consenta una corrispondenza ottimale delle esigenze delle piante se si utilizzano solo mangimi per pesci come input. Per assicurarsi che il sistema sia ben bilanciato e funzioni correttamente, i metodi di monitoraggio sono generalmente basati sul ciclo dell'azoto (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Somerville et al. 2014), ma per garantire un funzionamento ottimale del sistema, è necessario monitorare più da vicino l'equilibrio degli altri macronutrienti ( N, P, K, Ca, Mg, S) e micronutrienti (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013; Somerville et al. 2014; Sonneveld e Voogt 2009). Studi recenti (Delaide et al. (2017), Schmautz et al. (2015, 2016)) hanno iniziato ad affrontare questo argomento. Schmautz et al. (2015, 2016) hanno confrontato l'impatto di tre diversi layout idroponici (ovvero tecnica del film nutriente (NFT), zattera galleggiante e irrigazione a goccia) sull'assorbimento di nutrienti dei pomodori aquaponici. L'irrigazione a goccia era il sistema che produceva rese leggermente migliori con i pomodori. Il contenuto minerale dei frutti (P, K, Ca, Mg) era equivalente ai valori convenzionali anche se il contenuto di ferro e zinco era più elevato. Le foglie tuttavia avevano livelli inferiori di P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu e Zn rispetto all'agricoltura convenzionale. Delaide et al. (2016) ha seguito i cicli di macro e micronutrienti in un sistema acquaponico accoppiato. Hanno osservato che K, P, Fe, Cu, Zn, Mn e Mo mancavano nella loro soluzione acquaponica, mentre N, Ca, B e Na sono stati rapidamente accumulati. Graber e Junge (2009) hanno osservato che la loro soluzione acquaponica conteneva tre volte meno azoto e dieci volte meno fosforo di una soluzione idroponica. Per quanto riguarda il potassio (K), era 45 volte inferiore rispetto all'idroponica. Tuttavia, essi hanno ottenuto rendimenti come rendimenti simili anche se la qualità era più scarsa a causa della mancanza di potassio (K).

Fattori che influenzano i cicli dei nutrienti

L'intensità della luce, la temperatura della zona radicale, la temperatura dell'aria, la disponibilità di nutrienti, lo stadio di crescita e il tasso di crescita influenzano l'assorbimento dei nutrienti di una pianta (Buzby e Lin 2014). Gli esperimenti condotti da Schmautz et al. (2016) e Lennard e Leonard (2006) hanno dimostrato che il metodo idroponico potrebbe anche svolgere un ruolo nella capacità di assorbimento dei nutrienti di una pianta ed è quindi necessario abbinare il sistema di coltivazione al tipo di verdura coltivata. NFT e DWC (deep water culture — zattera) sono quindi adatti per verdure a foglia verde, mentre l'irrigazione a goccia su lastre di lana di roccia è più adatta per verdure fruttate (Resh 2013).

9.4.2 Cicli di Macronutrienti

*Carbonio (C) *

Il carbonio viene fornito ai pesci tramite il mangime (Timmons ed Ebeling 2013) e alle piante tramite la fissazione COsub2/sub. I pesci possono utilizzare il 22% del carbonio contenuto nel mangime per aumentare la biomassa e il metabolismo. Il resto del carbonio ingerito è scaduto sotto forma di COSub2/sub (52%) o escreto in forma disciolta (0,7— 3%) e solida (25%) (Timmons ed Ebeling 2013). Il COSub2/sub scaduto può essere utilizzato anche dagli impianti per la propria fonte di carbonio (Körner et al. 2017). La parte non consumata del carbonio di alimentazione viene lasciata a decomporsi nel sistema. Il tipo di carboidrati presenti nei mangimi per pesci (ad esempio polisaccaridi amidi o non amilacei) può anche influenzare la digeribilità del mangime e la biodegradabilità dei rifiuti in un sistema acquacoltura o acquaponico (Meriac et al. 2014).

*Azoto (N) *

L'azoto viene assorbito dalle piante sotto forma di nitrato o ammonio (Sonneveld e Voogt 2009; Xu et al. 2012) a seconda della concentrazione e della fisiologia della pianta (Fink e Feller 1998 citati da Wongkiew et al. 2017). Le associazioni tra piante e microrganismi non dovrebbero essere trascurate in quanto le piante influenzano la presenza dei microrganismi nell'acquaponica e i microrganismi possono svolgere un ruolo significativo nella capacità di assorbimento dell'azoto delle piante (Wongkiew et al. 2017). L'assorbimento di azoto da parte degli impianti è influenzato dalla concentrazione di anidride carbonica ambientale (Zhang et al. 2008 citata da Wongkiew et al. 2017).

*Fosforo (P) *

Il fosforo è uno degli elementi essenziali per la crescita delle piante e può essere assorbito sotto la sua forma ionica ortofosfato (Hsub2/subposub4/subsup-/SUP, HPOsub4/subsup2-/SUP, POSUB4/subSUP3-/SUP) (Prabhu et al. 2007; Resh 2013). Poco si sa sulla dinamica del fosforo in acquaponica. L'ingresso principale di fosforo nel sistema è il mangime per pesci (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2015), e nei sistemi non integrati (Chap. 7), il fosforo tende ad essere limitante e quindi può ostacolare crescita delle piante (Graber e Junge 2009; Seawright et al. 1998). Secondo Rafiee e Saad (2005), i pesci possono utilizzare fino al 15% del fosforo contenuto nel mangime. In un sistema di coltivazione di lattuga, Cerozi e Fitzsimmons (2017) hanno notato che la quantità di fosforo fornita dal mangime per pesci può essere sufficiente o insufficiente a seconda della fase di crescita. Fino al 100% del fosforo presente nell'acqua di pesce può essere riciclato nella biomassa vegetale, a seconda della progettazione del sistema. Graber e Junge (2009) hanno osservato un riciclaggio del 50%, mentre Schmautz et al. (2015) hanno riferito che il 32% del fosforo potrebbe essere trovato nel frutto e il 28% nelle foglie. La solubilità del fosforo dipende dal pH, e un pH più elevato favorirà la precipitazione del fosforo, rendendolo così indisponibile per le piante (Yildiz et al. 2017). Il fosforo può precipitare come struvite (fosfato di magnesio ammonio) (Le Corre et al. 2005) e/o idrossiapatite (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Goddek et al. 2015). Questi complessi insolubili vengono rimossi dal sistema tramite fanghi solidi di pesce. Schneider et al. (2004) hanno riferito che il 30 -65% del fosforo contenuto nel mangime per pesci rimane indisponibile per le piante in quanto è fissato nelle escrezioni solide che vengono poi rimosse mediante filtrazione meccanica. Yogev et al. (2016) ha stimato che questa perdita può arrivare fino all'85%. Un'opzione per prevenire questa massiccia perdita di P attraverso fanghi solidi è quella di aggiungere un compartimento di digestione al sistema acquaponico. Durante la digestione aerobica o anaerobica, la P viene rilasciata nel digestato e potrebbe essere reintrodotta nell'acqua circolante (Goddek et al. 2016).

*Potassio (K) *

Delaide et al. (2017) hanno scoperto che la principale fonte di K nel loro sistema era il mangime per pesci. I pesci possono utilizzare fino al 7% del K contenuto nel mangime per pesci (Rafiee e Saad 2005). Tuttavia, il potassio non è necessario per i pesci che portano ad una bassa composizione di potassio del mangime per pesci e a livelli ancora più bassi di potassio disponibili per le piante (Graber e Junge 2009; Seawright et al. 1998; Suhl et al. 2016). Per fornire potassio, viene spesso utilizzato un tampone di pH KOH in quanto il pH spesso diminuisce in acquaponica a causa della nitrificazione (Graber e Junge 2009). In un sistema acquaponico piantato con pomodori, il potassio si è accumulato principalmente nei frutti (Schmautz et al. 2016).

*Magnesio (Mg), Calcio (Ca) e Zolfo (S) *

La fonte principale di Mg, Ca e S è l'acqua di rubinetto che facilita l'assorbimento delle piante in quanto i nutrienti sono già disponibili (Delaide et al. 2017). Il calcio è tuttavia presente in livelli insufficienti in acquaponica (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998) e viene aggiunto sotto forma di idrossido di calcio Ca (OH) sub2/sub (Timmons ed Ebeling 2013). Secondo Rafiee e Saad (2005), i pesci possono utilizzare in media il 26,8% del calcio e il 20,3% del magnesio presente nel mangime. Lo zolfo è spesso a bassi livelli nei sistemi acquaponici (Graber e Junge 2009; Seawright et al. 1998).

9.4.3 Cicli di micronutrienti

Il ferro (Fe), il manganese (Mn) e lo zinco (Zn) derivano principalmente dall'alimentazione dei pesci, mentre il boro (B) e il rame (Cu) derivano dall'acqua del rubinetto (Delaide et al. 2017). Nell'acquaponica, i micronutrienti chiave sono spesso presenti ma a livelli troppo bassi (Delaide et al. 2017), ed è quindi necessaria l'integrazione da fonti esterne di nutrienti (cap. 8). Le carenze di ferro si verificano molto spesso in acquaponica (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998; Fitzsimmons e Posadas; 1997 citato da Licamele 2009), soprattutto a causa della non disponibilità della forma di ioni ferrici. Questa carenza può essere risolta con l'uso di sideroforo batterico (cioè composti organici ferro-chelanti) prodotti da generi come Bacillus o Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) o con l'integrazione di ferro con ferro chelato chimico per evitare precipitazioni di ferro.

9.4.4 Perdite di nutrienti

Ridurre la perdita di nutrienti è una sfida costante che i professionisti dell'acquaponica devono affrontare. La perdita di nutrienti si verifica in vari modi, ad esempio l'insediamento dei fanghi (37% delle feci e 18% dei mangimi non consumati) (Neto e Ostrensky 2015), le perdite di acqua, la denitrificazione, la volatilizzazione dell'ammoniaca, ecc. (Wongkiew et al. 2017). Ad esempio, Rafiee e Saad (2005) notano che il 24% del ferro, l'86% del manganese, il 47% dello zinco, il 22% del rame, il 16% del calcio, l'89% del magnesio, il 6% dell'azoto, il 6% del potassio e il 18% del fosforo contenuto nell'alimentazione dei pesci erano contenuti nei fanghi. I fanghi possono contenere fino al 40% dei nutrienti presenti nell'alimentazione (Yogev et al. 2016).

La denitrificazione può portare a una perdita del 25 -60% dell'azoto (Hu et al. 2015; Zou et al. 2016). La denitrificazione è anche legata alle condizioni anossiche (Madigan e Martinko 2007; van Lier et al. 2008) e ai bassi livelli di carbonio ed è responsabile della trasformazione del nitrato in nitrito, ossido nitrico (NO), ossido di azoto (NSub2/subo) e infine azoto gas (NSub2/sub) con flussi nell'atmosfera (ibid. ). La denitrificazione è condotta da diversi batteri eterotrofici facoltativi come Acromobacter, Aerobacter, Acinetobacter, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus e Micrococcus sp. (Gentile et al. 2007; Michaud et al. 2006; Wongkiew et al. 2017). Alcuni batteri possono eseguire sia la nitrificazione che la denitrificazione se i livelli di ossigeno disciolto sono inferiori a 0,3 mg/l (Fitzgerald et al. 2015; Wongkiew et al. 2017). La perdita di azoto può avvenire anche attraverso l'ossidazione anaerobica dell'ammonio (ANAMMOX), cioè l'ossidazione dell'ammonio in gas di dinitrogeno in presenza di nitrito (Hu et al. 2011).

Un'altra importante perdita di azoto che dovrebbe essere disponibile per le piante è il consumo di azoto da parte dei batteri aerobici eterotrofici presenti nei sistemi aquaponici. Infatti, l'azoto utilizzato da questi batteri viene perso per i batteri nitrificanti, e la nitrificazione viene quindi ostacolata (Blancheton et al. 2013). Questi batteri sono particolarmente presenti quando il rapporto C/N aumenta in quanto sono più competitivi e più capaci di colonizzare i media rispetto ai batteri autotrofici nitrificanti (Blancheton et al. 2013; Wongkiew et al. 2017).

9.4.5 Dinamica dei sistemi di bilanciamento dei nutrienti

La concentrazione di nutrienti dei due principali sottosistemi in un sistema acquaponico, vale a dire le vasche per pesci (acquacoltura) e la soluzione idroponica, deve essere bilanciata per ciascuna delle loro esigenze. Nei sistemi aquaponici chiusi, i nutrienti vengono trasportati dai pesci alle piante più o meno direttamente attraverso filtri (solitamente un filtro a tamburo o un colone e poi un biofiltro) per la nitrificazione. Tuttavia, il fabbisogno nutritivo delle colture e i nutrienti forniti dal sottosistema aquaponico non sono in equilibrio. Nei sistemi multi-loop e disaccoppiati (Chap. 8), è più facile fornire condizioni ottimali sia per le sezioni di pesce che per le piante. Attraverso la modellazione dei sistemi (Chap. 11), è possibile calcolare la dimensione ottimale dell'area idroponica alle vasche, ai biofiltri e ad altre attrezzature (Goddek e Körner 2019). Ciò è particolarmente importante per i sistemi multi-loop disaccoppiati che comprendono vari tipi di apparecchiature. Ad esempio, UASB (coperta di fanghi anaerobici a flusso rialzato) (Goddek et al. 2018) o unità di dissalazione (Goddek e Keesman 2018) devono essere dimensionate con attenzione come discusso nel capitolo 8 (./8-decoupled-aquaponics-systems.md). La mancata corrispondenza di base dei nutrienti forniti dall'ambiente ittico e delle esigenze delle colture deve essere rettificata ed equilibrata. Ai fini della concentrazione dei nutrienti, Goddek e Keesman (2018) hanno descritto un'unità di desalinizzazione appropriata (cap. 8). Questo approccio, tuttavia, risolve solo una parte del problema, in quanto il sistema perfettamente bilanciato è guidato da una velocità di evaporazione non dinamica ottenibile solo in camere chiuse e impianti perfettamente funzionanti. La realtà, tuttavia, è che l'evapotraspirazione della coltura (ETSUBC/sub) nei sistemi acquaponici basati su serre dipende fortemente da molteplici fattori quali il clima fisico e le variabili biologiche. ETSUBC/sub è calcolato per area della superficie del suolo coperta dalla coltura ed è calcolato per diversi livelli del baldacchino (z) integrando i flussi netti irradiativi, la resistenza dello strato limite, la resistenza allo stomata e il deficit della pressione di vapore sub, /sub nella tettoia (Körner et al. 2007) utilizzando il Penman — Equazione di Monteith. Questa equazione, tuttavia, calcola solo il flusso d'acqua attraverso il raccolto. L'assorbimento dei nutrienti può essere calcolato semplicemente assumendo che tutti i nutrienti diluiti nell'acqua siano assorbiti dal raccolto. In realtà, però, l'assorbimento di sostanze nutritive è una questione molto complicata. Diversi nutrienti hanno stati diversi, cambiando con parametri come il pH. Nel frattempo, la disponibilità di nutrienti alle piante dipende fortemente dal pH e dalle relazioni tra i nutrienti (ad es. disponibilità di K/Ca). Inoltre, il microbioma nella zona radicale gioca un ruolo importante (Orozco-Mosque et al. 2018) che non è ancora implementato nei modelli anche se alcuni modelli differenziano tra percorsi Phloem e Xilem. Pertanto, la grande quantità di nutrienti non è modellata in dettaglio per il bilanciamento dei nutrienti aquaponici e il dimensionamento dei sistemi. Il modo più semplice per stimare l'assorbimento dei nutrienti è l'ipotesi che i nutrienti siano assorbiti o assorbiti come disciolti nell'acqua di irrigazione e si applichino al metodo di calcolo ETSUBC/sub sopra spiegato e supponendo che non esistano resistenze chimiche, biologiche o fisiche specifiche per gli elementi. Di conseguenza, per mantenere l'equilibrio, tutti i nutrienti assorbiti dalla coltura come contenuti nella soluzione nutritiva devono essere aggiunti al sistema idroponico.


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