2. Comprensión de acuaponia En este capítulo se describen los procesos biológicos que ocurren dentro de una unidad acuapónica. En primer lugar, se explican los principales conceptos y procesos involucrados, incluyendo el proceso de nitrificación. A continuación, se examina el papel vital de las bacterias y sus procesos biológicos. Por último, hay ha y una discusión sobre la importancia de equilibrar el ecosistema acuapónico que consiste en los peces, plantas y bacterias, incluyendo cómo puede lograrse esto manteniendo al mismo tiempo una unidad de acuaponia en el tiempo.
2.1
Componentes biológicos de la acuaponia
La acuaponia es una forma de agricultura integrada que combina dos técnicas principales, la acuicultura y la hidroponía. Es una unidad de recirculación de forma continua, el agua de cultivo sale del tanque de peces que contiene los desechos metabólicos de los peces. El agua pasa primero a través de un filtro mecánico que captura los residuos sólidos, y luego lue go pasa a través de un biofiltro que oxida el amoníaco a nitrato. El agua se desplaza entonces a través de las camas de cultivo donde las plantas absorven los nutrientes, y finalmente el agua regresa, purificada, a la pecera (Figura 2.1). El biofiltro proporciona un hábitat para las bacterias para convertir los desechos de pescado en nutrientes accesibles para las plantas. Estos nutrientes, que se disuelven en el agua, son absorbidos por las plantas. Este proceso de eliminación de nutrientes limpia el agua, previene que el agua sea tóxica con las formas perjudiciales de nitrógeno (amoníaco y nitrito), n itrito), y permite que los peces, p eces, plantas y bacterias prosperen en simbiosis. Por lo tanto, todos los organismos trabajan juntos para crear un ambiente de crecimiento saludable para el uno al otro, siempre que el sistema esté bien equilibrado.
FIGURA 2.1 Los componentes biológicos en el proceso de acuaponia: peces, plantas y bacterias
2.1.1 El ciclo de nitrógeno El proceso biológico más importante en acuaponia es el proceso de nitrificación, que es un componente esencial del ciclo global de nitrógeno visto en la naturaleza. El nitrógeno (N) es un elemento químico y un elemento esencial para todas las formas de vida. Está presente en todos los aminoácidos, que constituyen todas las proteínas que son esenciales para muchos procesos biológicos claves de los animales tales como la regulación enzimática, la señalización celular y la construcción de estructuras. El nitrógeno es el nutriente inorgánico más importante para todas las plantas. El nitrógeno, en forma de gas, es en realidad el elemento más abundante de la atmósfera terrestre y constituye aproximadamente el 78 % de la misma, mientras que el oxígeno sólo el 21 %. Sin embargo, a pesar de que el nitrógeno es tan abundante, sólo está presente en la atmósfera como nitrógeno molecular (N2), que es un triple enlace muy estable de átomos de nitrógeno y es inaccesible a las plantas. Por lo tanto, el nitrógeno en su forma N2 tiene que ser cambiado antes de que las plantas puedan utilizarlo para el crecimiento. Este proceso se llama fijación de nitrógeno. Es parte del ciclo del nitrógeno (Figura 2.2), visto en toda la naturaleza (Figura 2.3). La fijación del Nitrógeno se ve facilitada por las bacterias que alteran químicamente el N2 mediante la adición de otros elementos tales como hidrógeno u oxígeno, creando de este modo nuevos compuestos químicos tales como el amoníaco (NH3) y nitrato (NO3-) que las plantas pueden usar fácilmente. Además, el nitrógeno atmosférico se puede fijar a través de un proceso de fabricación industrial conocido como el proceso de Haber, que se utiliza para producir fertilizantes sintéticos. El animal representado en la figura 2.3 produce desechos (heces y orina) que están en gran parte compuestas de amoníaco (NH3). Otras materias orgánicas en descomposición se encuentran en la naturaleza, tales como plantas o animales muertos, se descomponen por hongos y diferentes grupos de bacterias en amoniaco. Este amoníaco se metaboliza por un grupo específico de bacterias, que es muy importante en la acuaponia, llamadas bacterias nitrificantes. Estas bacterias convierten primero el amoniaco en compuestos de nitrito (NO2-) y por último, en compuestos de nitrato (NO3-). Las plantas son capaces de utilizar tanto el amoníaco y como los nitratos para llevar a cabo sus procesos de crecimiento, pero los nitratos son más fácilmente asimilados por sus raíces.
Las bacterias nitrificantes, que viven en diversos entornos, tales como tierra, arena, agua y aire, son un componente esencial del proceso de nitrificación que convierte los residuos de plantas y animales en nutrientes accesibles para las plantas. La figura 2.4 muestra el mismo procedimiento que el ilustrado en la figura 2.3, pero incluye un diagrama de flujo más compleja que muestra todas las etapas del ciclo del nitrógeno. Este proceso natural de nitrificación por las bacterias que sucede en el suelo también se lleva a cabo en el agua de la misma manera. Para acuaponia, los desechos animales son los excrementos de peces liberados en los tanques de cultivo. Las mismas bacterias nitrificantes que viven en la tierra también establecerá de forma natural en el agua o en cualquier superficie húmeda, la conversión de amoníaco a partir de los desechos de pescado en el nitrato fácilmente asimilable por las plantas para su uso. La nitrificación en sistemas de acuaponia proporciona nutrientes para las plantas y elimina amoníaco y nitrito que son tóxicos (Figura 2.5).
2.2
El biofiltro
Las bacterias nitrificantes son vitales para el funcionamiento general de una unidad de acuaponia. En el Capítulo 4 se describe cómo funciona el componente de biofiltro para cada método acuapónico, y en el Capítulo 5 se describe los diferentes grupos de bacterias que operan en una unidad acuapónica. Dos grandes grupos de bacterias nitrificantes están involucrados en el proceso de nitrificación: 1) la bacterias oxidantes de amoníaco (AOB), y 2) la bacteria oxidantes de nitrito (NOB) (Figura 2.6). Ellas metabolizan el amoníaco en el siguiente orden: 1. Las bacterias AOB convierten el amoníaco (NH₃) en nitrito (NO₂-) 2. Las bacterias NOB luego convierten el nitrito (NO₂-) en nitrato (NO₃-)
Como se muestra en los símbolos químicos, las AOB oxidan (agregan ox ígeno a) el amoníaco y crean nitrito (NO₂-) y las NOB oxidan el nitrito (NO ₂-) en nitrato (NO₃-). El género Nitrosomonas es el AOB más común en acuaponia, y el género Nitrobacter es el NOB más común; estos nombres se usan con frecuencia indistintamente en la literatura y se utilizan a lo largo de esta publicación. En resumen, el ecosistema dentro de la unidad acuapónica es totalmente dependiente de las bacterias. Si las bacterias no están presente o si no está funcionando correctamente, las concentraciones de amoníaco en el agua matarán a los peces. Es vital mantener y administrar una colonia bacteriana saludable en el sistema en todo momento para mantener los niveles de amoníaco cerca de cero.
2.3 MANTENER UNA COLONIA BACTERIANA SALUDABLE Los principales parámetros que afectan el crecimiento de las bacterias y que deben ser considerados cuando se mantiene un biofiltro saludable son: un área de superficie adecuada y las condiciones del agua apropiadas.
2.3.1 área de superficie Las colonias de bacterias prosperan en cualquier material, como raíces de las plantas, a lo largo de las paredes del tanque de peces y dentro de cada tubo de crecer . El área total disponible que es aprovechable para estas bacterias determinará la cantidad de amoniaco que son capaces de metabolizar. Dependiendo del diseño de la biomasa de peces y del sistema, las raíces de las plantas y las paredes del tanque pueden proporcionar un área adecuada. Los sistemas con densidad de carga alta de peces requieren un
componente separado de biofiltración donde está contenido un material con una alta área de superficie, tales como medios de cultivo inertes (grava, toba o arcilla expandida) (Figura 2.7).
2.3.2 pH del agua El pH es qué tan ácida o básica es el agua. El nivel de pH del agua tiene un impacto en la actividad biológica de las bacterias nitrificantes y su capacidad para convertir el amoníaco y el nitrito (Figura 2.8). Los rangos para los dos grupos nitrificantes siguientes se han identificado como ideales, sin embargo, la literatura sobre el crecimiento de bacterias también sugiere un rango de tolerancia mucho más grande (6-8,5) debido a la capacidad de las bacterias para adaptarse a su entorno. Sin embargo, para acuaponia, un intervalo pH óptimo de pH más adecuado es 6-7 porque este Bacteria nitrificante rango es mejor para las plantas y los peces Nitrosomas spp. 7.2-7.8 (capítulo 3 analiza el compromiso sobre 7.2-8.2 parámetros de calidad de agua). Por otra Nitrobacter spp. parte, una pérdida de la eficacia bacteriana puede ser compensada por tener más bacterias, por lo tanto los biofiltros deben estar dimensionados en consecuencia.
2.3.3 temperatura del agua La temperatura del agua es un parámetro importante para las bacterias, y para la acuaponia en general. El intervalo de temperatura ideal para el crecimiento de bacterias y la productividad es 17-34 ° C. Si la temperatura del agua cae por debajo de 17 ° C, las bacterias disminuirán la productividad. Por debajo de 10 ° C, la productividad se puede reducir en un 50 por ciento o más. Las bajas temperaturas tienen un gran impacto en la gestión de la unidad durante el invierno (véase el capítulo 8).
2.3.4 El oxígeno disuelto Las bacterias nitrificantes necesitan un nivel adecuado de oxígeno disuelto (OD) en el agua en todo momento con el fin de mantener altos niveles de productividad. La nitrificación es una reacción oxidativa, donde el oxígeno se utiliza como un reactivo; sin oxígeno, la reacción se detiene. Los niveles óptimos de DO son 4-8 mg/litro. La nitrificación disminuirá si las concentraciones de OD caen por debajo de 2,0 mg/litro. Además, sin suficientes concentraciones de OD, otro tipo de bacteria puede crecer, uno que convertirá los nitratos
valiosos de nuevo en nitrógeno molecular inutilizable en un proceso anaeróbico conocido como desnitrificación.
2.3.5 La luz ultravioleta Las bacterias nitrificantes son organismos fotosensibles, lo que significa que la radiación ultravioleta (UV) del sol es una amenaza. Esto es especialmente el caso du rante la formación inicial de las colonias de bacterias cuando un nuevo sistema acuapónico se establezca. Una vez que las bacterias han colonizado una superficie (3-5 días), la luz ultravioleta no plantea ningún problema importante. Una forma simple de eliminar esta amenaza es cubrir el tanque de peces y los componentes de filtración con material de protección UV mientras se asegura de que no haya agua en el componente acuapónico expuesta al sol, al menos hasta que las colonias de bacterias estén completamente formadas. Las bacterias nitrificantes crecerán en materiales con una gran área de superficie (Figura 2.9 ), protegidas con material de protección UV y en condiciones de agua apropiadas (Tabla 2.1)
. TABLA 2.1 Rangos de tolerancia de calidad del agua para bacterias nitrificantes
Temperatura pH Amoníaco (°C)
Bacteria nitrificante Rango tolerancia
2.4
de
17-34
68.5
<3
Nitrito (mg/l)
Nitrato (mg/l)
DO (mg/l)
<3
<400
4-8
EQUILIBRIO DEL ECOSISTEMA ACUAPÓNICO
El término equilibrio se usa para describir todas las medidas que toma un agricultor acuapónico para garantizar que el ecosistema de peces, plantas y bacterias se encuentre en un equilibrio dinámico. No es exagerar que la acuaponia exitosa se trata principalmente de
mantener un ecosistema equilibrado. En pocas palabras, esto significa que hay un equilibrio entre la cantidad de peces, la cantidad de plantas y el tamaño del biofiltro, lo que realmente significa la cantidad de bacterias. Hay proporciones determinadas experimentalmente entre el tamaño del biofiltro, la densidad de siembra y la densidad de población de peces para la acuaponia. No es prudente, y es muy difícil, operar más allá de estas proporciones ó ptimas sin arriesgar consecuencias desastrosas para el ecosistema global de la acuaponia. Se invita a los practicantes de acuaponía avanzada a experimentar y ajustar estas proporciones, pero se recomienda comenzar la acuaponia siguiendo estas proporciones. Esta sección proporciona una introducción breve, pero esencial, para equilibrar un sistema. Los tamaños de biofiltros y las densidades de población se cubren con mucha mayor profundidad en el Capítulo 8.
2.4.1 Balance de nitratos El equilibrio en un sistema acuapónico se puede comparar con una balanza donde los peces y las plantas son los pesos que están en los brazos opuestos. Los brazos de la balanza están hechos de bacterias nitrificantes. Por lo tanto, es fundamental que la biofiltración sea lo suficientemente robusta para soportar los otros dos compone ntes. Esto corresponde al grosor de la palanca en la Figura 2.10. Tenga en cuenta que los brazos no eran lo suficientemente fuertes como para soportar la cantidad de desecho s de pescado y que el brazo se rompió. Esto significa que la biofiltración fue insuficiente. Si la biomasa de peces y el tamaño del biofiltro están en equilibrio, la unidad de acuaponia procesará adecuadamente el amoníaco en nitrato. Sin embargo, si el componente de la planta está subdimensionado, a continuación, el sistema comenzará a acumular nutrientes (Figura 2.11). En términos prácticos, las concentraciones más altas de nutrientes no son perjudiciales para los peces ni plantas, pero son una indicación de que el sistema es de bajo rendimiento en el lado de la planta. Un error de gestión común es cuando se utilizan demasiadas plantas y muy pocos peces, como se ve en la tercera escenario mostrado en la Figura 2.12. En este caso, el amoníaco es procesado por las bacterias nitrificantes, pero la cantidad de nitrato resultante y otros nutrientes es insuficiente para cubrir las necesidades de las plantas. Esta condición conduce eventualmente a una reducción progresiva de la concentración de nutrientes y, en consecuencia, los rendimientos de plantas.
La principal lección de ambos ejemplos es que lograr la máxima producción en la acuaponia requiere el mantenimiento de un equilibrio adecuado entre los desechos de pescado y la demanda de nutrientes vegetales, al tiempo que se garantiza una superficie adecuada para cultivar una colonia bacteriana con el fin de convertir todos los desechos de peces. Este escenario equilibrado se muestra en la Figura 2.13. Este equilibrio entre peces y plantas también se conoce como relación de biomasa. Las unidades acuapónicas exitosas tienen una biomasa apropiada de peces en relación con el número de plantas, o más exactamente, la relación entre la alimentación de los peces y la demanda de nutrientes de las plantas es equilibrada. Aunque es importante seguir las proporciones sugeridas para una buena producción de alimentos acuapónicos, existe una amplia gama de proporciones factibles, y los agricultores de acuaponia experimentados notarán cómo la acuaponia se convierte en un
sistema de autorregulación. Además, el sistema acuapónico proporciona a un agricultor atento señales de advertencia a medida que el sistema comienza a perder el equilibrio, en forma de métricas de calidad del agua y la salud de los peces y las plantas, que se analizan en detalle a lo largo de esta publicación.
2.4.2 relación de tasa de alimentación Se consideran muchas variables al equilibrar un sistema (ver Cuadro 2), pero extensas investigaciones han simplificado el método de equilibrar una unidad a una sola relación llamada relación de tasa de alimentación. La tasa de alimentación es una suma de las tres variables más importantes, que son: la cantidad diaria de alimento para peces en gramos por día, el tipo de planta (vegetativa vs. fructificación) y el espacio de crecimiento de la planta en metros cuadrados.
RECUADRO 2 Las principales variables a considerar al equilibrar una unidad • ¿A qué capacidad funcionará el sistema? • Método de producción de acuaponia. • Tipo de pez (carnívoro vs. omnívoro, nivel de actividad). • Tipo de alimento para peces (nivel de proteína). • Tipo de plantas (hojas verdes, tubérculos o frutas). • Tipo de producción de plantas (una o múltiples especies). • Condiciones ambientales y de calidad del agua. • Método de filtración. Las tasas diarias recomendadas de alimentación de peces son: • Para vegetales de hojas verdes: 40-50 gramos de alimento por metro cuadrado por día. • Para hortalizas de fruto: 50-80 gramos de alimento por metro cuadrado por día.
Esta relación sugiere la cantidad de alimento diario para peces por cada metro cuadrado de espacio de cultivo. Es más útil equilibrar un sistema en la cantidad de alimento que ingresa al sistema que calcular directamente la cantidad d e pescado. Al usar la cantidad de alimento, es posible calcular cuántos peces basan su consumo diario promedio. Las proporciones de velocidad de alimentación proporcionarán un ecosistema equilibrado para peces, plantas y bacterias, siempre que haya una biofiltración adecuada. Use esta relación al diseñar un sistema acuapónico. Es importante tener en cuenta que la relación de la tasa de alimentación es solo una guía para equilibrar una unidad acuapónica, ya que otras variables pueden tener impactos más grandes en diferentes etapas de la temporada, como cambios estacionales en la temperatura del agua. La mayor relación entre las tasas de alimentación de las verduras de fruto representa la mayor cantidad de nutrientes necesarios para que estas plantas produzcan flores y frutas en comparación con las verduras de hoja verde.
Junto con la relación de tasa de alimentación, hay otros dos métodos más simples y complementarios para garantizar un sistema equilibrado: control de salud y pruebas de nitrógeno.
2.4.3 Verificación de salud de los peces y las plantas Peces o plantas no saludables son a menudo una advertencia de que el sistema está fuera de equilibrio. Los síntomas de deficiencias en las plantas por lo general indican que no se producen suficientes nutrientes de los desechos de los peces. Las deficiencias de nutrientes a menudo se manifiestan como un crecimiento pobre, las hojas amarillas y pobre desarrollo de las raíces, todos los cuales se discuten en el capítulo 6. En este caso, la densidad de población de peces, alimentación (si es comido por los peces) y biofiltro se pueden aumentar o plantas pueden ser removidas. Del mismo modo, si los peces muestran signos de estrés, tales como boqueando en la superficie, frotando sobre los lados del tanque, o mostrar áreas de color rojo alrededor de las aletas, ojos y branquias, o en casos extremos que mueren, a menudo es debido a una acumulación de amoníaco o nitrito a niveles tóxicos. Esto sucede a menudo cuando hay demasiados residuos disueltos para procesar en el componente del biofiltro. Cualquiera de estos síntomas en los peces o plantas indica que el agricultor necesita investigar activamente y rectificar la causa.
2.4.4 Pruebas del Nitrógeno Este método consiste en las pruebas de los niveles de nitrógeno en el agua usando kits de prueba de agua simples y de bajo costo (Figura 2.14). S i el amoníaco o nitrito son altos (> 1 mg/litro), indica que la biofiltración es inadecuada y el área de superficie del biofiltro disponible debe ser aumentada. La mayoría de los peces son intolerantes a estos niveles durante más de unos pocos días. Se desea un aumento del nivel de nitrato, ya que implica niveles suficientes de los otros nutrientes necesarios para el crecimiento de la planta. Los peces pueden tolerar niveles elevados de nitrato, pero si los niveles se mantienen alto (> 150 mg / litro) durante varias semanas algo del agua debe ser retirado y se utiliza para el riego de otros cultivos. Si los niveles de nitrato son bajos (<10 mg / litro) durante un período de varias semanas, la alimentación de los peces se puede incrementar ligeramente para asegurarse de que haya suficientes nutrientes para las verduras. Sin embargo, nunca deje los alimentos no ingeridos en el tanque de la acuicultura, por lo que puede ser necesario incrementar la densidad de carga de los peces. Alternativamente, las plantas pueden ser retiradas de modo que haya suficientes nutrientes para las que quedan. Vale la pena y es recomendado realizar la prueba de los niveles de
nitrógeno cada semana para asegurarse de que el sistema esté correctamente equilibrado. Por otra parte, los niveles de nitrato son un indicador del nivel de otros nutrientes en el agua. Una vez más, todos los cálculos y las proporciones mencionadas anteriormente, incluyendo el cultivo de peces, densidad, capacidad de siembra y tamaños de los biofiltros se explican en mayor profundidad en los siguientes capítulos (especialmente en el capítulo 8). El objetivo de esta sección es proporcionar una comprensión de lo que es importante para equilibrar el ecosistema dentro de la acuaponia y para resaltar los métodos y estrategias simples para hacerlo.
2.5 Resumen del capítulo • La acuaponia es un sistema de producción que combina la piscicultura con la producción de hortalizas sin suelo en un sistema de recirculación. • Las bacterias nitrificantes convierten desechos de pescado (amoníaco) en alimentos de origen vegetal (nitrato). • El mismo proceso de nitrificación que ocurre en el suelo también ocurre en el sistema acuapónico. • La parte más importante de la acuaponia, las bacterias, es invisible al ojo desnudo. • Los factores claves para el mantenimiento de bacterias saludables son la temperatura del agua, pH, oxígeno disuelto y área de superficie adecuada sobre la cual las bacterias pueden crecer. • Los sistemas de acuaponia exitosos están equilibrados. La relación de tasa de alimentación es la directriz principal para equilibrar la cantidad de alimento para peces por área de cultivo, que se mide en gramos de alimento diario por metro cuadrado de espacio de crecimiento de la planta. • La relación de tasa de alimentación de verduras de hoja es de 40-50 g/m2/ día; hortalizas de fruto requieren 50-80 g/m 2/día. • El monitoreo diario de la salud de los peces y las plantas proporcionará información sobre el equilibrio del sistema. Enfermedades, deficiencias nutricionales y la muerte son síntomas de un sistema desequilibrado. • Las pruebas de agua proporcionará información sobre el equilibrio del sistema. Alta de amoníaco o nitrito indica insuficiente biofiltración; nitrato bajo indica demasiadas plantas o los peces no son suficientes; el aumento de nitrato es deseable e indica los nutrientes adecuados para las plantas, aunque el agua necesita ser intercambiado cuando el nitrato es mayor que 150 mg/litro.
