Dopo l’introduzione iniziale sull’acquaponica fornita nel capitolo 1, questo capitolo tratta dei processi biologici che si verificano all’interno di un impianto acquaponico. In primo luogo, il capitolo spiega i principali concetti e processi coinvolti, compreso il processo di nitrificazione, poi esamina il ruolo vitale dei batteri e dei loro processi biologici fondamentali, infine, affronterà il tema dell’importanza di bilanciare l’ecosistema acquaponico costituito da pesce, piante e batteri e di come questo possa essere realizzato e mantenuto nel tempo.
2.1 componenti biologiche importanti dell’acquaponica
Come descritto nel primo capitolo l’acquaponica è una forma di agricoltura integrata, che combina due tecniche principali, di acquacoltura e idroponica in un continuo ricircolo:
l’acqua di allevamento esce dal serbatoio contenente i rifiuti metabolici di pesce, passa prima attraverso un filtro meccanico che blocca i rifiuti solidi e quindi attraversa un biofiltro che ossida l’ammoniaca trasformandola in nitrati. L’acqua poi viaggia attraverso i letti di crescita dove le piante l’assorbono delle sostanze nutritive e, infine, l’acqua ritorna, purificata al serbatoio di pesce.
Il biofiltro è un perfetto habitat per i batteri che intervengono nel processo per convertire gli scarti del pesce in sostanze nutritive accessibili per le piante. Questi nutrienti, che si trovano disciolti in acqua, vengono quindi assorbiti dalle piante. Il processo di rimozione dei nutrienti pulisce l’acqua, impedendo all’acqua di diventare tossica cioè contenete azoto in forma nociva (ammoniaca e nitriti) e consente ai pesci, piante e batteri di prosperare in simbiosi. Così, tutte gli organismi lavorano insieme per creare un ambiente di crescita sano uno per l’altro, a condizione che il sistema sia correttamente bilanciato.
2.1.1 Il ciclo dell’azoto
Il processo biologico più importante in acquaponica è il processo di nitrificazione, che è un componente essenziale del ciclo globale dell’azoto visto in natura. L’azoto (N) è un elemento chimico essenziale per tutte le forme di vita. È presente in tutti gli amminoacidi, che costituiscono tutte le proteine che sono indispensabili per molti processi biologici chiave per animali, come la regolazione degli enzimi, la comunicazione tra le cellule e la costruzione di strutture. L’azoto è il più importante dei nutrienti inorganici per tutte le piante. L’azoto, in forma di gas, è in realtà l’elemento più abbondante presente in atmosfera terrestre che è composta per circa il 78 per cento da azoto, mentre l’ossigeno è solo circa il 21 per cento. Eppure, nonostante l’azoto essendo così abbondante, è presente solo nell’atmosfera come azoto molecolare (N2), che è molto stabile, il triplo legame di atomi di azoto e non è accessibile alle piante. Pertanto, l’azoto nella sua forma N2 va modificato affinché le piante possano utilizzarlo per la crescita. Questo processo è chiamato “fissazione”.
La rappresentazione grafica del ciclo dell’azoto,
trova la seguente rappresentazione in natura.
La fissazione dell’azoto è facilitata da batteri che ne alterano chimicamente la forma N2 aggiungendo altri elementi come idrogeno o ossigeno, creando così nuovi composti chimici quali l’ammoniaca (NH3) e il nitrato (NO3) che le piante possono usare facilmente. Inoltre l’azoto atmosferico può essere fissato attraverso un processo di produzione ad alta intensità di energia noto come processo Haber, utilizzato per produrre fertilizzanti sintetici.
L’animale rappresentato in figura 2.3 produce rifiuti (feci e nelle urine), che sono in gran parte fatti di ammoniaca (NH3). Altre sostanze organiche in decomposizione si trovano in natura, come ad esempio piante o animali morti che vengono scissi da funghi e da diversi gruppi di batteri in ammoniaca. Questa ammoniaca viene metabolizzata da un gruppo specifico di batteri, che è molto importante per l’acquaponica, chiamati batteri nitrificanti. I batteri prima convertono l’ammoniaca in nitriti (NO2) e poi finalmente in composti nitrati (NO3). Le piante sono in grado di utilizzare l’ammoniaca in modo particolare in forma di nitrati che viene assimilata attraverso le radici per svolgere i loro processi di crescita.
I batteri nitrificanti, che vivono in diversi ambienti come terra, sabbia, acqua e aria, sono un componente essenziale della nitrificazione, processo che converte rifiuti vegetali e animali
in sostanze nutritive accessibili per le piante. La Figura 2.4
mostra lo stesso processo come quella illustrato nella Figura 2.3, ma include un flusso più complesso, il grafico mostra tutte le fasi del ciclo dell’azoto.
Questo processo naturale di nitrificazione ad opera dei batteri che avviene nel suolo si svolge anche in acqua in allo stesso modo. Nell’acquaponica i rifiuti di origine animale sono le deiezioni dei pesci rilasciati nelle vasche di coltura. Gli stessi batteri nitrificanti che vivono sulla terra si insediano naturalmente in acqua o sul ogni superficie bagnata, attivando la conversione dell’ammoniaca presente negli scarti del pesce in nitrati, facilmente assimilabili da parte delle piante. La nitrificazione nei sistemi acquaponici fornisce nutrienti per le piante e elimina ammoniaca e nitriti che sono tossici.
2.2 Il biofiltro
I batteri nitrificanti sono di vitale importanza per il funzionamento complessivo di sistema acquaponica, il capitolo 4 descrive come funziona il componente biofiltro per ogni metodo acquaponico, il capitolo 5 descrive i diversi gruppi di batteri che operano in un sistema acquaponico.
Due grandi gruppi di batteri nitrificanti sono coinvolti nel processo di nitrificazione:
1) i batteri che ossidano l’ammoniaca (AOB ammonia-oxidizing bacteria)
2) i batteri che ossidano i nitriti (NOB nitrite-oxidizing bacteria)
Questi batteri metabolizzano l’ammoniaca nel seguente ordine:
1. batteri AOB convertono l’ammoniaca (NH₃) in nitriti (NO₂)
2. batteri NOB quindi convertono il nitrito (NO₂) in nitrato (NO₃)
Come mostrato nei simboli chimici, il batterio ossidante AOB aggiunge ossigeno all’ammoniaca per creare nitriti (NO₂) e il NOB ossida ulteriormente la nitriti (NO₂) in nitrato (NO₃). Il genere Nitrosomonas è il batterio ossidante ammoniaca (AOB) più comune nei sistemi acquaponici, mentre il Nitrobacter, è in genere il batterio ossidante nitriti (NOB) più comune. In sintesi, l’ecosistema all’interno di un sistema acquaponico è totalmente basato sul funzionamento dei batteri. Se i batteri non sono presenti o se non funzionano correttamente, le concentrazioni di ammoniaca in acqua uccideranno i pesci. E’ fondamentale mantenere e gestire in qualsiasi momento una colonia batterica sana nel sistema per contenere i livelli di ammoniaca vicino a zero.
2.3 Il mantenimento di una colonia batterica in salute
E’ importante mantenere la colonia batterica in buone condizioni, in ogni parte dell’impianto acquaponico, dunque sia sulla superficie del biofiltro quanto nell’acqua.
2.3.1 Superficie biofiltro
Colonie batteriche prosperano su qualsiasi materiale sulle radici delle piante, lungo le pareti della vasca del pesce e all’interno di ogni tubo. I sistemi con alta densità di pesce richiedono una componente di biofiltrazione separata in cui sia contenuto un materiale con una elevata area superficiale come ad esempio un medium inerte – ghiaia, lapillo o argilla espansa).
2.3.2 Il pH dell’acqua
Un alto o basso livello di pH ha un impatto importante sull’attività biologica dei batteri nitrificanti e sulla loro capacità per convertire l’ammoniaca e nitriti.
Il range ideale per i due gruppi nitrificanti sottosono è il seguente:
tuttavia la letteratura sulla crescita dei batteri suggerisce un livello di tolleranza (6-8.5) dunque assai superiore, in relazione alla capacità dei batteri di adattarsi al loro ambiente.
In un impianto acquaponico in ogni caso il pH più appropriato deve collocarsi tra 6 e 7 perché questo intervallo il migliore sia per le piante che per i pesci (il capitolo 3 discute del compromesso sulla qualità delle acque e sui parametri). Inoltre, la perdita di efficienza dei batteri può essere compensata se la superficie per il loro sviluppo è sovradimensionata.
Temperatura dell’acqua 2.3.3
La temperatura dell’acqua è un parametro importante per i batteri e per l’acquaponica in generale, l’intervallo di temperatura ideale per la crescita di batteri e la loro produttività è tra 17-34 ° C. Se la temperatura dell’acqua scende sotto 17 ° C, la produttività dei batteri sarà ridotta. Inferiore a 10 ° C, la produttività subisce una riduzione di almeno il 50 per cento. Le basse temperature possono avere importanti ripercussioni sulla gestione delle unità durante inverno (vedi capitolo 8).
2.3.4 Ossigeno disciolto
Batteri nitrificanti necessitano di un adeguato livello di ossigeno disciolto (DO) nell’acqua in ogni momento al fine di mantenere elevati livelli di produttività.
La nitrificazione è una reazione ossidativa, dove l’ossigeno viene utilizzato come reagente, senza ossigeno, la reazione si ferma. Livelli ottimali di DO sono 4-8 mg / litro. La nitrificazione diminuisce se le concentrazioni di DO scendono sotto 2,0 mg /litro. Inoltre, senza concentrazioni DO sufficienti, un altro tipo di batteri può svilupparsi, quello che permette di convertire i nitrati importanti in azoto molecolare, inutilizzabile, questo processo anaerobico è noto come denitrificazione.
2.3.5 Luce ultravioletta
I batteri nitrificanti sono organismi fotosensibili, il che significa che la luce ultravioletta (UV)
del sole è una minaccia. Ciò in particolare durante la formazione iniziale delle colonie batteriche, quando un nuovo sistema acquaponico è appena avviato. Una volta che i batteri hanno colonizzato una superficie (3-5 giorni), la luce UV non costituisce un grave problema. Un semplice modo per rimuovere questa minaccia è quello di coprire il serbatoio dei pesci e i filtri con materiale protettivo rispetto ai raggi UV, badando che l’acqua della componente idroponica non sia esposta al sole, almeno fino a quando le colonie batteriche non si saranno completamente formate. Batteri nitrificanti prosperano in maniera ottimale in un materiale con elevata area superficiale, riparata utilizzando materiale protettivo UV, e in condizioni di acqua adeguate (Tabella 2.1).
