Acquaponica: tutto quello che devi sapere

Cos'è l'acquaponica

L'acquaponica è un metodo di coltivazione che prevede la coltivazione di piante in combinazione con l'acquacoltura o l'allevamento di animali acquatici come pesci ed eventualmente gamberi, lumache, conchiglie o gamberi. Fa parte dei più ampi metodi di coltivazione “fuori suolo”, tra cui l’idroponica e l’aeroponica.

Nella sua forma moderna, l’acquaponica è spesso combinata con la coltivazione idroponica relativamente high-tech – la coltivazione di piante senza suolo – utilizzando l’acqua per apportare loro le sostanze nutritive. Spesso può far parte di un sistema di agricoltura verticale o di agricoltura indoor.

Abbiamo discusso in dettaglio i diversi sistemi possibili per la coltivazione idroponica e i suoi pro e contro nel nostro articolo “Coltura idroponica: tutto quello che devi sapere".

Il mix tra agricoltura e acquacoltura è però molto antico. Gli Aztechi coltivavano sugli altopiani agricoli chiamati chinampas sopra i laghi, per millenni gli agricoltori cinesi coltivarono riso e pesci nelle risaie, così come lo furono le culture native del sud-est asiatico, inclusa la straordinaria città di Angkor Wat.

Fonte: Web di prevenzione

La dimensione del mercato dell’acquaponica rappresenta quasi 1.2 miliardi di dollari nel 2024 e si prevede una crescita CAGR del 9.6% fino al 2029. I mercati più grandi si trovano in Nord America e in Asia.

La scienza dell'acquaponica

La coltura idroponica offre un controllo molto stretto sulle condizioni di coltivazione, aiutando a coltivare raccolti affidabili e di alta qualità. È anche molto efficiente in termini di acqua e spazio. Ma cosa accadrebbe se con la stessa acqua si potesse produrre anche carne molto densa e sana? Ciò è reso possibile collegando l’acqua utilizzata dal sistema idroponico alle vasche di crescita dell’acquacoltura.

L'argomento più forte a favore dell'acquaponica è quello di formare un cerchio in cui ciascun componente risolve un problema presente nell'idroponica e nell'acquacoltura quando viene separato.

La coltura idroponica è un sistema di coltivazione molto efficiente ma richiede l’aggiunta costante di fertilizzante all’acqua per mantenere la pianta sana e in crescita.

Nel frattempo, l'acquacoltura necessita di molta acqua fresca e pulita e di sistemi di filtraggio, poiché gli escrementi dei pesci (o di altri animali acquatici) si accumulano e inquinano l'acqua.

In un sistema acquaponico, entrambi vengono “risolti”. Gli escrementi dei pesci non sono più inquinamento, ma fertilizzanti ricchi di azoto per le piante. Successivamente le radici delle piante puliscono e filtrano l'acqua “gratuitamente” assorbendola.

Fonte: La risorsa acquaponica

Tipi di sistemi acquaponici

Sistema acquaponico basato sui media

Un substrato inerte come ghiaia, rocce laviche o argilla espansa ancora le radici della pianta. Il letto di crescita delle piante viene periodicamente allagato con acqua proveniente dall'acquario tramite un sifone a campana. Questo trasporta i nutrienti alle piante.

L'acqua viene poi rimandata all'acquario per chiudere il ciclo una volta filtrata dalle piante. A volte, i vermi vengono aggiunti al letto inerte per aiutare ad abbattere gli escrementi dei pesci.

Fonte: Vai all'acquaponica verde

Poiché questo sistema non utilizza alcun filtro e utilizza il minor numero di componenti, è il più semplice.

Sistema di zattera

Le piante sono posizionate su zattere galleggianti, con le radici che penzolano nell'acqua. L'acqua ricca di sostanze nutritive proveniente dalla vasca di acquacoltura scorre continuamente in un sistema di filtraggio e quindi nelle zattere delle piante.

Il filtro contiene batteri che aiutano a rendere la sostanza nutritiva più “digeribile” dalle piante.

Questo sistema è più complesso ma può essere ampliato molto più facilmente, senza limiti al numero di zattere o alle dimensioni dell’acquario, purché i tubi dell’acqua e il filtro corrispondano.

Fonte: Vai all'acquaponica verde

Tecnica del film nutriente (NFT)

Questo sistema è simile ai sistemi acquaponici basati sui media ma con un sottile film di acqua che scorre continuamente proveniente dall'acquario. Non esiste un filtro intermedio come nel sistema a zattera.

Fonte: Vai all'acquaponica verde

Il sistema offre alcuni vantaggi ma anche limitazioni.

L'acqua corrente e il sottile strato d'acqua consentono una ricca ossigenazione, benefica sia per le radici delle piante che per i pesci, poiché l'acqua torna poi nella vasca. È anche molto efficiente in termini di spazio e può essere utilizzato in spazi ristretti o in sistemi di coltivazione verticale alti. Infine, il flusso continuo di nutrienti e acqua stimola la crescita delle piante meglio di un sistema basato su substrato, ma senza la necessità del filtro del sistema a zattera.

Tuttavia, i sistemi NFT sono adatti solo per piante con radici piccole, come le verdure a foglia verde; sistemi di radici più grandi non funzioneranno bene. È anche possibile che le radici ostruiscano i canali poco profondi, causando una carenza di nutrienti. La temperatura dell'acqua può variare rapidamente, soprattutto se le piante sono esposte al sole diretto, il che può causare problemi sia alla pianta che ai pesci.

Cosa si può coltivare con l’acquaponica

Lato Pianta

La maggior parte delle piante che possono essere coltivate con la coltura idroponica possono essere coltivate con l’acquaponica. Il mercato della coltura idroponica è per lo più dominato da colture di alto valore con una domanda costante e la necessità di un ambiente di alta qualità e di crescita controllata:

• Pomodori.
• Erbe.
• Lattuga.
• Cetriolo.
• Peperoni.

Fonte: Grand View Research

Altre colture di alto valore possono essere coltivate con la coltura idroponica e acquaponica, come ad esempio la cannabis o il luppolo. In questo caso, la coltura idroponica/acquaponica apporta un elevato livello di coerenza alle condizioni di crescita, risultando in un gusto e una composizione chimica coerenti.

Lato dell'acquacoltura

Allevamento di pesci

L'allevamento di animali acquatici più popolare è il pesce.

L’acqua dolce è obbligatoria per i sistemi acquaponici, poiché l’acqua salata del mare sarebbe tossica per la componente vegetale del sistema.

Sono in corso alcune ricerche per sviluppare l’acquaponica in acqua salata, alla ricerca di piante con una tolleranza al sale sufficientemente elevata. Le opzioni esplorate includono la comune pianta del ghiaccio (una coltura idroponica popolare in Giappone), riso OGM tollerante al sale varietà o alghe.

Tra i pesci più popolari per l'acquaponica ci sono:

• Tilapia (di gran lunga il pesce più comune in acquaponica).
• Bluegill/tesa/pesce luna/crappie.
• Pesce gatto.
• Pertica.
• Carpa.
• koi.
• Pacu.
• Vari pesci ornamentali come pesci angelo, guppy, tetra, pesci spada, molly, pesci rossi.

In generale i pesci migliori avranno le seguenti caratteristiche, utili anche per l'acquacoltura in generale:

• Vivono bene tra loro in vasche piccole e confinate, con dimensioni massime da adulto sufficientemente piccole.
  • Riprodursi bene in cattività è un'altra caratteristica preziosa.
• Crescita rapida, soprattutto per i pesci di carne, e idealmente un buon rapporto di conversione del mangime (quanti chili di cibo sono necessari per far crescere mezzo chilo di pesce).
• Buona resistenza alle malattie.
• Buona tolleranza all'acqua fredda (riduce la necessità di un riscaldamento costoso e ad alto consumo energetico) e alle variazioni di temperatura (difficile da controllare con i cambiamenti stagionali).
  • La temperatura dell'acquario e le specie di pesci devono essere adattate al luogo.
• Forte domanda di mercato per questa specie.

Altri animali acquatici

I pesci non sono gli unici animali che possono essere allevati con l’acquaponica, esistono alternative come:

• Gamberi/yabbies, un piccolo parente dell'aragosta d'acqua dolce.
• Gamberetti e Gamberoni, purché di acqua dolce. Richiedono temperature dell'acqua piuttosto elevate.
• Cozze, ostriche e altre conchiglie
  • Le conchiglie aiuteranno a mantenere l'acqua pulita e forniranno un prodotto di alto valore in vendita.
  • Possono però causare problemi se si diffondono e si depositano all'interno delle tubazioni dell'impianto, creando intasamenti.
  • Poiché le conchiglie si nutrono principalmente di microalghe e plancton, la coltivazione idroponica delle alghe potrebbe creare un sistema acquaponico originale senza piante né pesci.
• Tartarughe e rettili acquatici. I rettili acquatici vengono talvolta allevati come animali domestici o anche come cibo in alcuni paesi. Quindi potrebbero svolgere lo stesso ruolo dei pesci in un sistema acquaponico, soprattutto in un ambiente caldo.
• Vermi (“vermiponici").
  • I lombrichi possono essere nutriti con rifiuti agricoli, scarti di cucina, letame di coniglio e altri prodotti che non funzionerebbero come mangime per pesci.
  • Richiedono meno ossigeno e generalmente sono più resistenti degli animali più complessi.

Filtro batteri

Sebbene non tutti i sistemi acquaponici utilizzino un filtro, spesso è necessario per installazioni su larga scala.

Lo scopo di un tale filtro è quello di ospitare batteri in grado di convertire l'animale acquatico, ricco di ammoniaca, in nitriti e nitrati (“nitrificazione”), più benefici per le piante.

Se non trasformate in nitrati e utilizzate dalle piante, alte concentrazioni di ammoniaca (e in misura minore di nitriti) potrebbero anche uccidere i pesci e altri animali acquatici. Poiché le piante assimilano meno bene l’ammoniaca, ciò rende il requisito della nitrificazione un must in molti progetti.

L'ammoniaca viene convertita in nitrito da Nitrosomonas batteri e nitriti in nitrati nitrobacta batteri. Il processo può richiedere tempo, quindi è necessario tenerne conto per la progettazione e il funzionamento di un sistema di acquacoltura, con potenzialmente diversi serbatoi di filtri antibatterici che rilasciano l'acqua trattata in sequenza.

I pro dell’acquaponica

L’acquaponica condivide molti dei vantaggi (e dei limiti) dell’idroponica. Questo include 1/6^th A 1 / 10^th del consumo di acqua rispetto all’agricoltura tradizionale, condizioni di crescita altamente costanti e produttive, minor consumo di pesticidi e assenza di erbicidi, nonché l’eliminazione delle malattie del suolo.

L’acquaponica presenta anche vantaggi unici oltre alla sola coltura idroponica o all’acquacoltura:

• Tutti fertilizzanti naturali, interamente provenienti dagli scarti dei pesci.
  • Il mangime dei pesci, comunque necessario in acquacoltura, viene ora riutilizzato “due volte”, risparmiando sul costo dei fertilizzanti.
  • Può consentire una coltivazione idroponica più naturale e organica, senza l’immissione di fertilizzanti chimici nel sistema.
• L'acqua dei pesci viene filtrata naturalmente. Questo elimina la necessità di scaricare il 5-30% dell'acqua ogni giorno.
  • Riduce drasticamente il consumo di acqua dell’acquacoltura.
  • Riduce inoltre l’inquinamento legato all’acquacoltura, che può provocare danni alle fonti d’acqua vicine fioriture di alghe tossiche and eutrofizzazione dei corpi idrici dolci.
• Produci contemporaneamente alimenti ricchi di proteine ​​e prodotti vegetali sani.
• Fonte di reddito diversificata.
  • I prezzi del mercato delle verdure e del pesce possono variare ampiamente ma senza essere correlati tra loro.
  • La raccolta del pesce è meno regolare ma può fornire un grande afflusso di denaro in aggiunta al reddito più regolare della coltivazione idroponica.

I contro dell’acquaponica

Sebbene nel complesso sia più efficiente sia dell’idroponica che dell’acquacoltura separatamente, l’acquaponica può presentare una serie di sfide.

Complessità e costi

Mentre il costo era già il principale limite dell’idroponica, l’acquaponica è ancora più complessa e quindi costosa da allestire. Ai sistemi idroponici si sono ora aggiunti i sistemi di acquacoltura.

Ciascuno deve essere dimensionato in modo che corrisponda esattamente tra loro in modo che ci siano abbastanza piante per filtrare l'acqua, così come abbastanza pesci per fornire abbastanza fertilizzante.

Questo sistema più complesso deve anche gestire bene la temperatura, sia quella dell’aria che quella dell’acqua, tenendo conto anche dell’evaporazione e dell’umidità media. E sia le piante che gli animali possono modificare il pH dell’acqua, il che può ridurne la crescita o addirittura ucciderli se fuori equilibrio.

Controllo e competenze

A causa dell’interconnessione di tutti i parametri da monitorare, sono necessari una supervisione costante e sensori per verificare questi parametri.

Allo stesso modo, il monitoraggio delle epidemie ora deve essere effettuato sia per i pesci che per le piante. Trattarli può essere più difficile, ad esempio somministrando antibiotici ai pesci che potrebbero potenzialmente contaminare le piante, o fungicidi per la pianta che contamina la carne del pesce.

Il monitoraggio e la cura di un sistema così complesso richiedono una buona conoscenza e formazione, anche più di quanto richiesto per la sola coltura idroponica o acquacoltura “più semplice”, che sono ambiti piuttosto complessi dell’agricoltura.

Domanda di energia

Le variazioni di temperatura possono essere mortali per gli animali acquatici, anche più rapidamente che per le piante con minore tolleranza ai cambiamenti ampi o rapidi.

Quindi un sistema acquaponico richiederà probabilmente un sistema di riscaldamento e/o raffreddamento per mantenere l’acqua in un intervallo accettabile.

Ciò può rendere l’acquaponica ad alta intensità energetica, soprattutto in alcuni climi. Può anche complicare l’uso della luce naturale e delle serre per la componente vegetale del sistema. Se da un lato ciò riduce la necessità di luci artificiali e di riscaldamento delle piante, dall’altro può anche portare al surriscaldamento dell’acqua nei mesi estivi, che può facilmente diventare un problema per gli animali acquatici.

Elasticità

I sistemi acquaponici sono per natura molto artificiali. Richiedono molte tubazioni, pompe, sensori, filtri, ecc. Ciò significa che dipendono dal fatto che tutto funzioni senza intoppi:

• Catena di fornitura di parti e componenti.
• Alimentazione elettrica.
• Sistema elettronico connesso per operazioni altamente automatizzate e avanzate.
• Manodopera qualificata in grado di eseguire in modo efficiente il monitoraggio e la manutenzione richiesti.

Questi problemi sono ancora più pronunciati rispetto alla coltura idroponica poiché i pesci avranno bisogno di una fornitura costante di mangime, acqua filtrata e ossigeno.

Quindi il mancato funzionamento del sistema acquaponico per sole 24 ore potrebbe significare la morte di tutti i pesci, qualcosa che probabilmente avrebbe potuto essere tollerato solo dalle piante.

Sebbene esistano modi per mitigare questi rischi, ad esempio con la ridondanza dei sistemi o un inventario più ampio (che si aggiunge ai costi di installazione), o la fornitura localizzata di energia attraverso la produzione di energia rinnovabile, l’acquaponica non sarà mai così resistente come l’idroponica, e molto meno di una pioggia. -raccolta irrigata in campo aperto.

Innovazione nell'acquaponica

Innovazione acquaponica

Poiché Aquaponics combina sia la coltura idroponica che l’acquacoltura, le innovazioni in entrambi questi campi possono migliorare la produttività.

Innovazioni idroponiche

Illuminazione a LED

Le luci a LED sono un altro intervento tecnologico cruciale nell’idroponica e nell’acquaponica. Queste luci consumano molta meno energia, emettono meno calore e durano più a lungo rispetto ad altre fonti di luce.

Inoltre, non tutto lo spettro della luce visibile è utile per le piante nella fotosintesi, quindi è possibile utilizzare LED dedicati senza luce verde per ridurre ulteriormente l’elettricità consumata dai fulmini artificiali.

Fonte: agricoltura

eSoil

La coltivazione idroponica consente un controllo diretto sulle piante in un modo impossibile nell’agricoltura tradizionale. Ciò apre la porta alla sperimentazione di nuovi modi per aumentare la produttività delle colture oltre ad aumentare l’accesso alla luce o alle sostanze nutritive.

Ad esempio, esploriamo una di queste opzioni nel nostro articolo “L’elettricità è destinata a potenziare la crescita delle colture idroponiche”. I ricercatori hanno utilizzato un substrato artificiale personalizzato, o “terreno conduttivo/eSoil” fatto di cellulosa (il componente principale della carta) mescolata con un polimero conduttivo chiamato PEDOT (poli(3,4-etilendiossitiofene)). In questo modo, potrebbero esporre le piantine a una bassa tensione continua, con un conseguente aumento del 50% del tasso di crescita.

Questo non è che un esempio di come i sistemi idroponici potrebbero offrire un significativo aumento di produttività grazie al maggiore livello di controllo che offrono.

Innovazione nell'acquacoltura

Uno dei problemi principali dell’acquacoltura è la gestione dei parassiti e delle malattie. Il progresso della biotecnologia rende possibile l’idea di utilizzare trattamenti RNAi per ridurre l’impatto di virus come ad esempio il virus della sindrome dei punti bianchi (WSSV), un virus che ha un impatto negativo significativo sui gamberetti d’acquacoltura.

I vaccini potrebbero anche essere somministrati insieme al cibo dei pesci, attraverso speciale microincapsulamento o addirittura usando alghe geneticamente modificate che formano un vaccino commestibile e autoreplicante.

Infine, con il rapido esaurimento degli stock di pesci selvatici, metodi di approvvigionamento altamente affidabili che utilizzano soluzioni blockchain come Moneta di pesce può essere utilizzato per garantire che la carne di pesce che arriva ai consumatori sia stata prodotta nel modo più etico e con il minor costo energetico.

Potrebbero essere utilizzate anche altre soluzioni high-tech, come sensori per il monitoraggio individuale dei pesci, come iFarm, sviluppato in collaborazione tra l'allevamento di salmoni Cermaq in Norvegia e la società di sensori BioSort.

Innovazione sia per la coltura idroponica che per l'acquacoltura

IoT e automazione basata su sensori

La diminuzione dei costi dei sensori e dell’elettronica ha reso possibile il monitoraggio continuo di temperatura, umidità, luce, livelli di pH e volume dei nutrienti. Questo livello di monitoraggio è ancora più importante che con la coltura idroponica poiché la presenza di animali rende più probabili variazioni indesiderate e ha conseguenze più gravi.

Questo metodo basato su sensori aiuta a monitorare e regolare in tempo reale affinché le condizioni rimangano costantemente ottimali.

Tecnologie basate sull'intelligenza artificiale

Come accennato, l’acquaponica richiede un livello estremamente intenso di monitoraggio del sistema idrico, delle malattie, dei livelli di nutrienti, della temperatura, del pH, della qualità del filtraggio, ecc.

L’intelligenza artificiale può aiutare a ottimizzare le condizioni ambientali esistenti, inclusi i livelli di luce, umidità e livelli di nutrienti. L’intelligenza artificiale aiuta inoltre a ottimizzare gli investimenti e a ridurre i costi creando soluzioni personalizzate per condizioni specifiche. Nel corso del tempo, ciò potrebbe ridurre la necessità che gli operatori umani siano altamente formati e informati sull’acquaponica.

L’intelligenza artificiale può anche utilizzare la visione artificiale o regolari test biochimici automatizzati per avvisare della presenza di malattie prima che possa farlo un essere umano.

Infine, con l’avvento dei robot agricoli autonomi, possiamo immaginare un sistema acquaponico in cui piantare, potare, raccogliere e sostituire le piante, così come nutrire, allevare e raccogliere i pesci, possano essere eseguiti autonomamente dall’IA che controlla il sistema acquaponico. .

Avvio di un'installazione acquaponica

Sarà inoltre necessaria una lenta fase di iniziazione, necessaria per ottenere un ciclo dell'azoto equilibrato e stabile. Prima di aggiungere i pesci, è meglio stabilire il ciclo dell'azoto introducendo ammoniaca nel sistema e lasciando crescere il biofilm batterico all'interno del filtro in modo che l'ammoniaca venga convertita efficacemente in nitriti e nitrati.

Lo stesso vale per l’aggiunta di pesci e piante, con introduzioni progressive che consentono di regolare i parametri di qualità dell’acqua, l’alimentazione dei pesci e la crescita delle piante. Solo una volta che il sistema funziona senza intoppi, con piante e animali a diverse fasi di crescita e raccolta continua, il sistema di acquacoltura può essere considerato completamente avviato.

dimensionamento

A causa della complessità dell’acquaponica, la maggior parte di questi sistemi tendono ad essere costruiti su scala commerciale con un preciso ritorno sull’investimento previsto. Tenderanno inoltre a integrare un elevato grado di automazione e tecnologie dei sensori.

Ciò non significa che non sia possibile costruire sistemi più controllati manualmente o più piccoli, ma potrebbe essere più difficile mantenerli in equilibrio per quanto riguarda acidità, temperatura, livelli di ammoniaca, ecc., e richiedere aggiustamenti più puntuali.

Il settore è ancora nelle sue fasi iniziali, senza modelli standardizzati e con molta sperimentazione. Tuttavia non è più solo un concetto in fase di sviluppo, con alcune notevoli installazioni di grandi dimensioni:

• Fresco superiore nel Wisconsin, dal 2017, ha coltivato ogni anno 1.8 milioni di libbre di lattuga e verdure a foglia verde — e 40,000 libbre di pesce — in un'area di produzione di 123,000 piedi quadrati (oltre 11,000 metri quadrati).
• Les Nouvelles Fermes in Francia, che ha raccolto 2 milioni di dollari nel 2020 per produrre 60 tonnellate di prodotti freschi e 12 tonnellate di trote iridee all'anno.
• I 4,000 metri quadrati di acquaponica di Jabber Al Mazroui installazione negli Emirati Arabi Uniti.

Conclusione

L’acquaponica è un progetto straordinariamente efficiente, che risolve molti dei limiti degli attuali metodi idroponici e di acquacoltura. Può ridurre sia la dipendenza della coltura idroponica dai fertilizzanti chimici sia l’inquinamento dell’acqua e i rifiuti causati dall’acquacoltura.

Si tratta tuttavia di un approccio molto più tecnico e la maggior parte delle persone e delle aziende probabilmente trarranno vantaggio dallo sviluppo di una vasta esperienza nel lavoro almeno nel campo della coltura idroponica o dell’acquacoltura prima di lavorare sulla loro combinazione con l’acquaponica.

In questo modo, avranno maggiori probabilità di riuscire a gestire le molteplici sfide poste dalla complessità del sistema, come malattie e gestione dei parassiti, squilibrio chimico (pH, livelli di ammoniaca, ecc.), selezione di specie, fluttuazioni di temperatura, ecc.

Tuttavia, considerando la crescita della popolazione globale combinata con l’esaurimento delle popolazioni di pesci selvatici e il declino della superficie dei terreni coltivabili, l’acquaponica potrebbe essere una soluzione potente per produrre prodotti vegetali di alta qualità e carne sana ad alto contenuto proteico. E lo fa con un minore utilizzo di terra e acqua, emettendo al contempo molto meno inquinamento.