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Acquaponica – Tutto quello che devi sapere

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Che cos’è l’Acquaponica

L’acquaponica è un metodo di coltivazione che fa crescere le piante in combinazione con l’acquacoltura, ovvero l’allevamento di animali acquatici come pesci e, eventualmente, gamberi di fiume, lumache, conchiglie o gamberi. Fa parte dei più ampi metodi di coltivazione “senza suolo”, inclusi idroponica e aeroponica.

Nella sua forma moderna, l’acquaponica è spesso combinata con una coltivazione idroponica relativamente ad alta tecnologia – la coltivazione di piante senza suolo – usando l’acqua per fornire loro i nutrienti. Spesso può far parte di un sistema di agricoltura verticale o indoor.

Abbiamo discusso in dettaglio i diversi sistemi possibili per la coltivazione idroponica e i loro pro e contro nel nostro articolo “Idroponica – Tutto quello che devi sapere”.

La combinazione di agricoltura e acquacoltura è però molto antica. Gli Aztechi coltivavano sulle alture agricole chiamate chinampas sopra i laghi, i contadini cinesi coltivavano riso con i pesci nelle risaie per millenni, così come le culture native del Sud‑Est asiatico, inclusa la straordinaria città di Angkor Wat.

Il mercato dell’acquaponica rappresenta quasi 1,2 miliardi di dollari nel 2024 e si prevede che crescerà del 9,6% CAGR fino al 2029. I mercati più grandi si trovano in Nord America e Asia.

La scienza dell’Acquaponica

L’idroponica offre un controllo molto preciso sulle condizioni di coltivazione, aiutando a far crescere colture di alta qualità in modo affidabile. È anche molto efficiente in termini di acqua e spazio. Ma se potesse anche produrre carne molto densa e sana con la stessa acqua? Questo è reso possibile collegando l’acqua usata dal sistema idroponico ai serbatoi di crescita dell’acquacoltura.

L’argomento più forte a favore dell’acquaponica è creare un ciclo in cui ogni componente risolve un problema presente nell’idroponica e nell’acquacoltura quando sono separate.

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

Nel frattempo, l’acquacoltura richiede molta acqua fresca e pulita e filtrazione, poiché i rifiuti dei pesci (o di altri animali acquatici) si accumulano e inquinano l’acqua.

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

Tipi di sistemi acquaponici

Sistema acquaponico basato su supporto inerte

Un supporto inerte come ghiaia, pietre laviche o perline di argilla ancorano le radici delle piante. Il letto di crescita delle piante viene periodicamente inondato con acqua dal serbatoio dei pesci attraverso un sifone a campana. Questo porta i nutrienti alle piante.

L’acqua viene poi rimandata al serbatoio dei pesci per chiudere il ciclo una volta che è stata filtrata dalle piante. A volte, vengono aggiunti vermi al letto di supporto inerte per aiutare a decomporre gli escrementi dei pesci.

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

Sistema a zattera

Le piante sono posizionate su zattere galleggianti, con le radici sospese nell’acqua. L’acqua ricca di nutrienti dal serbatoio di acquacoltura scorre continuamente in un sistema di filtrazione, e poi verso le zattere delle piante.

Il filtro contiene batteri che aiutano a rendere i nutrienti più “digeribili” per le piante.

Questo sistema è più complesso ma può essere scalato molto più facilmente, senza limiti al numero di zattere o alle dimensioni del serbatoio dei pesci, purché le tubazioni e il filtro siano adeguati.

Tecnica del film nutritivo (NFT)

Questo sistema è simile ai sistemi acquaponici basati su supporto, ma con un sottile film di acqua che scorre continuamente dal serbatoio dei pesci. Non c’è un filtro intermedio come nel sistema a zattera.

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 sia per i pesci, poiché l’acqua ritorna poi nel serbatoio. È anche molto efficiente in termini di spazio e può essere usato in spazi ristretti o in alti sistemi di agricoltura verticale. Infine, il flusso continuo di nutrienti e acqua stimola la crescita delle piante meglio di un sistema basato su supporto, ma senza la necessità del filtro del sistema a zattera.

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

Cosa si può coltivare con l’Acquaponica

Lato vegetale

La maggior parte delle piante che possono essere coltivate con l’idroponica possono essere coltivate con l’acquaponica. Il mercato dell’idroponica è principalmente dominato da colture ad alto valore con domanda costante e necessità di un ambiente di crescita di alta qualità e controllato:

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

Altre colture ad alto valore possono essere coltivate con idroponica e acquaponica, come ad esempio cannabis o luppolo. In questo caso, idroponica/acquaponica garantiscono un alto livello di coerenza nelle condizioni di crescita, risultando in un gusto e una composizione chimica costanti.

Lato 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 di mare salata sarebbe tossica per la componente vegetale del sistema.

Sono in corso ricerche per sviluppare acquaponica in acqua salata, cercando piante con sufficiente tolleranza al sale. Le opzioni esplorate includono la comune pianta di ghiaccio (una coltura idroponica popolare in Giappone), varietà di riso OGM tollerante al sale, o alghe marine.

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

  • Tilapia (di gran lunga il pesce più comune nell’acquaponica).
  • Bluegill / brim / sunfish / crappie.
  • Catfish.
  • Persico.
  • Carpa.
  • Koi.
  • Pacu.
  • Vari vari tipi di pesci ornamentali come angelfish, guppy, tetras, pesce spada, molly, carpe.

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

  • Vivono bene insieme in piccoli serbatoi confinati, con una dimensione massima adulta sufficientemente piccola.
    • Una buona capacità di riproduzione in cattività è un altro tratto prezioso.
  • Crescita rapida, soprattutto per i pesci da carne, e idealmente un buon rapporto di conversione del mangime (quante libbre di cibo sono necessarie per far crescere una libbra di pesce).
  • Buona resistenza alle malattie.
  • Buona tolleranza all’acqua fredda (riduce la necessità di riscaldamento costoso e ad alta intensità energetica) e alle variazioni di temperatura (difficili da controllare con i cambiamenti stagionali).
    • La temperatura del serbatoio e le specie di pesci dovrebbero 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 di fiume / yabbies, un piccolo parente d’acqua dolce dell’aragosta.
  • Gamberi e gamberetti, purché siano di tipo d’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 da vendere.
    • Possono però causare problemi se si diffondono e si depositano all’interno delle tubazioni del sistema, creando intasamenti.
    • Poiché le conchiglie si nutrono principalmente di microalghe e plancton, la coltivazione idroponica di alghe potrebbe creare un sistema acquaponico originale senza né piante né pesci.
  • Tartarughe e rettili acquatici. I rettili acquatici a volte vengono allevati come animali domestici, o anche per il cibo in alcuni paesi. Quindi potrebbero svolgere lo stesso ruolo dei pesci in un sistema acquaponico, soprattutto in ambienti caldi.
  • Vermi (“vermiponics”).
    • I vermi possono essere nutriti con rifiuti agricoli, scarti di cucina, letame di coniglio e altri prodotti che non sarebbero adatti come mangime per pesci.
    • Richiedono meno ossigeno e generalmente sono più resistenti rispetto ad animali più complessi.

Filtro a batteri

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

Lo scopo di tale filtro è ospitare batteri in grado di convertire gli animali acquatici, ricchi di ammoniaca, in nitriti e nitrati (“nitrificazione”), più benefici per le piante.

Se non trasformati in nitrati e utilizzati 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 l’ammoniaca meno efficacemente, ciò rende la nitrificazione indispensabile in molti progetti.

L’ammoniaca è convertita in nitrito da batteri Nitrosomonas, e il nitrito in nitrati da batteri Nitrobacter. Il processo può richiedere tempo, quindi questo deve essere considerato nella progettazione e gestione di un sistema di acquacoltura, con potenzialmente diversi serbatoi di filtri a batteri che rilasciano l’acqua trattata in sequenza.

I vantaggi dell’Acquaponica

L’acquaponica condivide molti dei vantaggi (e limitazioni) dell’idroponica. Questo include da 1/6th a 1/10th del consumo d’acqua rispetto all’agricoltura tradizionale, condizioni di crescita altamente coerenti e produttive, minore consumo di pesticidi e nessun erbicida, e l’eliminazione delle malattie di origine del suolo.

L’acquaponica ha anche vantaggi unici rispetto all’idroponica o all’acquacoltura da sole:

  • Tutti i fertilizzanti sono naturali, provenienti interamente dai rifiuti dei pesci.
    • Il mangime per pesci, comunque necessario in acquacoltura, viene ora riutilizzato “due volte”, risparmiando sui costi dei fertilizzanti.
    • Può consentire una coltivazione idroponica più naturale e organica, senza fertilizzanti chimici che entrano nel sistema.
  • L’acqua dei pesci è naturalmente filtrata. Questo sostituisce la necessità di scaricare dal 5 al 30% dell’acqua quotidianamente.
  • Produce contemporaneamente cibo ricco di proteine e prodotti vegetali sani.
  • Fonte di reddito diversificata.
    • I prezzi di mercato di verdure e pesci possono variare notevolmente ma senza essere correlati tra loro.
    • Il raccolto di pesci è meno regolare ma può fornire un grande afflusso di denaro oltre al reddito più regolare della coltivazione idroponica.

Gli svantaggi dell’Acquaponica

Sebbene complessivamente più efficiente rispetto all’idroponica e all’acquacoltura separatamente, l’acquaponica può presentare una serie di sfide proprie.

Complessità e costi

Mentre il costo era già la principale limitazione dell’idroponica, l’acquaponica è ancora più complessa e quindi più costosa da installare. I sistemi di acquacoltura sono stati aggiunti ai sistemi idroponici.

Ciascuno deve essere dimensionato in modo che corrisponda esattamente all’altro, così da avere abbastanza piante per filtrare l’acqua e abbastanza pesci per fornire sufficiente fertilizzante.

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

Controllo e competenze

A causa dell’interconnessione di tutti i parametri da monitorare, è necessaria una supervisione costante e sensori per controllare queste metriche.

Allo stesso modo, il monitoraggio delle epidemie di malattie deve ora essere effettuato sia per i pesci sia per le piante. Trattarle può essere più difficile, ad esempio somministrare antibiotici ai pesci potrebbe contaminare le piante, o fungicidi per le piante contaminare la carne dei pesci.

Il monitoraggio e la cura di un sistema così complesso richiedono buona conoscenza e formazione, ancora più di quanto richiesto per l’idroponica o l’acquacoltura “più semplici” da sole, che sono comunque campi piuttosto complessi dell’agricoltura.

Domanda energetica

Le variazioni di temperatura possono essere letali per gli animali acquatici, ancora più rapidamente rispetto alle piante con minore tolleranza a cambiamenti grandi 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 molto energivora, specialmente in alcuni climi. Può anche complicare l’uso della luce naturale e delle serre per la componente vegetale del sistema. Sebbene riduca la necessità di luci artificiali e riscaldamento delle piante, può anche portare al surriscaldamento dell’acqua nei mesi estivi, diventando facilmente un problema per gli animali acquatici.

Resilienza

I sistemi acquaponici sono per natura molto artificiali. Richiedono molte tubazioni, pompe, sensori, filtri, ecc. Ciò significa che dipendono dal corretto funzionamento di tutti gli elementi:

  • Catena di approvvigionamento di parti e componenti.
  • Fornitura di energia elettrica.
  • Sistema elettronico connesso per operazioni altamente automatizzate e avanzate.
  • Manodopera qualificata in grado di eseguire efficacemente il monitoraggio e la manutenzione richiesti.

Questi problemi sono ancora più evidenti rispetto all’idroponica poiché i pesci necessitano di una fornitura costante di mangime, acqua filtrata e ossigeno.

Quindi, se il sistema acquaponico si interrompe per sole 24 ore, potrebbe significare la morte di tutti i pesci, qualcosa che probabilmente le sole piante avrebbero potuto tollerare.

Sebbene esistano modi per mitigare questi rischi, ad esempio con ridondanza dei sistemi o un inventario più ampio (che aumenta i costi di installazione), o con l’approvvigionamento locale di energia tramite fonti rinnovabili, l’acquaponica non sarà mai così resiliente come l’idroponica, e molto meno di una coltura irrigata a pioggia in campo aperto.

Innovazione nell’Acquaponica

Innovazione acquaponica

Poiché l’acquaponica combina sia l’idroponica sia l’acquacoltura, le innovazioni in entrambi i settori possono migliorare la produttività.

Innovazioni idroponiche

Illuminazione a LED

Le luci a LED sono un’altra importante innovazione tecnologica nell’idroponica e nell’acquaponica. Queste luci consumano molto meno energia, emettono meno calore e durano più a lungo rispetto ad altre fonti luminose.

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 dall’illuminazione artificiale.

eSoil

La coltivazione idroponica consente un controllo diretto sulle piante in modo impossibile nell’agricoltura tradizionale. Questo apre la porta a sperimentazioni per nuovi modi di aumentare la produttività delle colture oltre a migliorare l’accesso a luce o nutrienti.

Ad esempio, esploriamo una di queste opzioni nel nostro articolo “Electricity Set to Supercharge Growth in Hydroponic Crops”. I ricercatori hanno utilizzato un substrato artificiale personalizzato, o “suolo conduttivo / eSoil” realizzato in cellulosa (il componente principale della carta) mescolata con un polimero conduttivo chiamato PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene). In questo modo, hanno potuto esporre le piantine a una tensione continua bassa, ottenendo un aumento del 50% del tasso di crescita.

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

Innovazione nell’acquacoltura

Uno dei principali problemi dell’acquacoltura è la gestione di parassiti e malattie. I progressi biotecnologici rendono possibile l’uso di trattamenti RNAi per ridurre l’impatto di virus come, ad esempio, il virus della sindrome delle macchie bianche (WSSV), un virus che ha un impatto negativo significativo sui gamberi allevati.

I vaccini potrebbero anche essere somministrati con il cibo dei pesci, sia tramite micro-incapsulamento speciale sia utilizzando alghe geneticamente modificate che formano un vaccino commestibile e auto-replicante.

Infine, con le popolazioni di pesci selvatici rapidamente in diminuzione, metodi di approvvigionamento altamente affidabili che utilizzano soluzioni blockchain come Fishcoin possono essere usati per garantire che la carne di pesce che arriva ai consumatori sia prodotta nel modo più etico e con il più basso costo energetico.

Altre soluzioni ad alta tecnologia potrebbero essere utilizzate, come sensori di monitoraggio individuale dei pesci, come l’iFarm, sviluppato in collaborazione tra la fattoria di salmoni Cermaq in Norvegia e la società di sensori BioSort.

Innovazione per idroponica e acquacoltura

Automazione basata su IoT e sensori

Il calo dei costi dei sensori e dell’elettronica ha reso possibile il monitoraggio continuo di temperatura, umidità, luce, livelli di pH e volume di nutrienti. Questo livello di monitoraggio è ancora più importante rispetto all’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 le condizioni affinché rimangano costantemente ottimali.

Tecnologie basate su IA

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 della filtrazione, ecc.

L’IA può aiutare a ottimizzare le condizioni ambientali esistenti, inclusi i livelli di luce, umidità e nutrienti. L’IA aiuta anche a ottimizzare gli investimenti e a ridurre i costi creando soluzioni personalizzate per condizioni specifiche. Col tempo, ciò potrebbe ridurre la necessità di operatori umani altamente addestrati e competenti sull’acquaponica.

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

Infine, con l’ascesa dei robot agricoli autonomi, possiamo immaginare un sistema acquaponico in cui la semina, la potatura, il raccolto e la sostituzione delle piante, così come l’alimentazione, l’allevamento e la raccolta dei pesci, possano essere eseguiti autonomamente dall’IA che controlla il sistema acquaponico.

Avviare un’installazione acquaponica

Richiederà anche una fase di avvio lenta, 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 che il biofilm batterico cresca all’interno del filtro in modo che l’ammoniaca venga convertita efficientemente 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 quando il sistema funziona senza problemi con piante e animali in diverse fasi di crescita e raccolta continua, il sistema di acquacoltura può essere considerato completamente installato.

Dimensionamento

A causa della complessità dell’acquaponica, la maggior parte di questi sistemi tende a essere costruita su scala commerciale con un preciso ritorno sull’investimento previsto. Tendono anche a integrare un alto grado di automazione e tecnologie di sensori.

Ciò non significa che non possano essere costruiti sistemi più manuali o più piccoli, ma potrebbero essere più difficili da mantenere in equilibrio per quanto riguarda l’acidità, la temperatura, i livelli di ammoniaca, ecc., e richiedere aggiustamenti più puntuali.

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

Conclusione

L’acquaponica è un design notevolmente efficiente, che risolve molte delle limitazioni sia dei metodi idroponici che di quelli di acquacoltura attuali. Può ridurre sia la dipendenza dell’idroponica da fertilizzanti chimici sia l’inquinamento dell’acqua e i rifiuti causati dall’acquacoltura.

Tuttavia è molto più tecnico, e la maggior parte di persone e aziende trarrà beneficio dallo sviluppare prima un’esperienza approfondita nel lavorare almeno in idroponica o in acquacoltura prima di combinarle insieme con l’acquaponica.

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

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

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Jonathan è un ex ricercatore di biochimica che ha lavorato nell'analisi genetica e nei trial clinici. Ora è un analista di mercato e scrittore di finanza con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione The Eurasian Century.