Acquaponica e tecnologie dell’acquacoltura e dell’idroponica

L’acquaponica è un sistema produttivo che combina l’allevamento di pesci (acquacoltura) con la coltivazione di piante in fuori-suolo (idroponica). La combinazione dei due sistemi comporta mutuo beneficio per entrambi e può essere effettuata in più scale di produzione, dall’estensivo all’intensivo, ma anche all’hobbystico e ornamentale.

L’usanza dell’acquaponica era già praticata dagli aztechi nel periodo compreso tra il 1150 e il 1350 d.C. e prevedeva che si costituissero delle isole di terra, in cui erano riposte le piante, intervallate a bacini idrici poco profondi in cui proliferavano pesci e anguille. Con tempistica periodica, venivano prelevati manualmente i fanghi dal fondo dei laghi artificiali e ciò comportava la depurazione dell’acqua da sostanze potenzialmente tossiche e la creazione di un concime naturale che poteva essere somministrato alle piante, incrementandone la crescita (Espinal & Matulić, 2019).

La tradizione del giardino galleggiante “Floating Gardens” non è scomparsa ed è ancora presente in contesti territoriali anche molto differenti da quelli dell’America Centrale. Nell’immagine qui di seguito si può vedere un tipico giardino galleggiante in Birmania in una foto scattata nel 2010.

Nonostante la storia antica, i primi sistemi moderni di acquaponica sono stati ideati negli anni ‘70 negli Stati Uniti per cercare un modello di produzione più sostenibile per le aziende agricole, e da allora sono stati sviluppati sempre maggiori modelli che combinavano tecnologie dell’acquacoltura e dell’idroponica sempre più sviluppate e diversificate, tanto che ad oggi la varietà dei sistemi produttivi di questo tipo è molto ampia.

Tecnologie dell’acquacoltura e dell’idroponica

Quando parliamo di acquaponica, nella grande maggioranza dei casi ci riferiamo a un sistema produttivo in cui l’intervento dell’uomo è assolutamente essenziale, sia nello studio di tutti i processi dall’inizio alla conclusione, sia per la corretta esecuzione degli stessi: detta più semplicemente, così come un acquario necessita una corretta areazione e pulizie, o una pianta irrigazioni adeguate, giusta luminosità e temperatura, ciò è ancora più veritiero in un sistema acquaponico che deve rispondere a standard di produzione specifici per far sì che ci sia un ritorno economico che giustifichi l’investimento iniziale.

Vediamo più nel dettaglio le tecnologie dei due sistemi senza pretesa di esaustività:

Allevamento dei pesci o Acquacultura

L’allevamento dei pesci o acquacoltura (vedi foto di apertura di questo articolo) avviene in un ambiente protetto, artificiale, laddove è necessario scegliere le tecnologie e i giusti parametri in relazione soprattutto alla densità di pesci allevati per metro cubo d’acqua, che può variare dai 50 ai 150 pesci/m3 (Palm et. al, 2019).

Proprio in relazione alla densità di pesci allevati, possiamo distinguere diverse tipologie di acquacoltura:

• Acquacoltura estensiva: questa tipologia di allevamento può essere effettuata in bacini idrici naturali delimitati da argini, in cui l’intervento dell’uomo è tuttavia molto limitato e per lo più relegato al compito della preparazione ottimale del bacino stesso, per il corretto sviluppo dei pesci, oltre ché naturalmente per la raccolta a fine ciclo.

È piuttosto comune che in acquacoltura estensiva vengano introdotte più specie con abitudini alimentari diverse, così da sfruttare al meglio le risorse dell’habitat.

• Acquacoltura semi-intensiva/intensiva/iper-intensiva: in queste tipologie di allevamento l’intervento dell’uomo è sempre maggiore e all’aumentare della densità diventa sempre più indispensabile introdurre mangime artificiale, effettuare ricambi d’acqua, aumentare l’ossigeno disciolto.
• Acquacoltura con sistema a ricircolo (RAS): questo sistema lo si può ricondurre a densità dal semi-intensivo al iper-intensivo e prevede che il ricircolo dell’acqua sia effettuato non a cadenze periodiche ma al contrario continuativo. Questo sistema è tra i più interessanti e tecnologicamente avanzati, nonché di crescente interesse per l’imprenditore agricolo.

Le tecnologie più importanti dell’acquacoltura, riconducibili in gran parte al sistema a ricircolo (RAS), sono quelle deputate alla rimozione delle sostanze solide (feci, mangime non assunto, flocculi batterici), potenzialmente inquinanti se si accumulano in grandi quantità, i biofiltri nitrificanti per convertire l’ammoniaca rilasciata dai pesci attraverso le urine (estremamente tossiche), in nitrati per poi allontanarli dal sistema, e dispositivi di scambio dei gas, che consentono di trattenere l’anidride carbonica presente nell’acqua in eccesso (dalla respirazione dei pesci) e rilasciare nuovo ossigeno.

Ad oggi, la varietà di pesci allevabili in acquacoltura è molto ampia, oltre le 10 specie diverse, di cui pesce gatto, anguilla e trota africana sono i maggiori rappresentanti in allevamenti ad acqua dolce, e rombo, spigola e sogliola come principali specie marine.

Idroponica

• L’idroponica è una tecnica che prevede la coltivazione delle piante senza l’ausilio del suolo, talvolta addirittura senza nemmeno l’ausilio di un substrato solido.

Questo sistema è particolarmente interessante per diversi motivi, tra cui il mantenere le colture al riparo dagli agenti atmosferici, essendo che tipicamente le piante vengono riposte in una serra o perlomeno in ambienti parzialmente riparati (reti anti-grandine, tende oscuranti), ridurre considerevolmente i problemi riconducibili a malattie e insetti il cui habitat prediletto è il suolo agricolo, e soprattutto un controllo totale dell’irrigazione e della fertilizzazione.

Quest’ultimo aspetto è particolarmente importante perché consente di ottimizzare la ricezione dell’acqua e dei fertilizzanti da parte della pianta, con conseguente maggiore crescita della stessa e produzioni talvolta anche molto superiori rispetto alla coltivazione in suolo.

Le piante possono venire coltivate in vaso, sacchi, bancali su substrati di diversa natura chimica e porosità, come miscugli di sabbia e perlite, fibra di cocco, torbe e altro, in cui è previsto che l’acqua e i nutrienti vengano introdotti nell’ambiente radicale mediante irrigazioni tradizionali, riconducibili ai sistemi utilizzati anche in pieno campo, ossia con irrigatori localizzati o sopraelevati.

I sistemi più interessanti e recenti prevedono che la coltivazione sia effettuata senza l’ausilio di alcun substrato solido e in questo caso le radici delle piante sono a diretto contatto con la soluzione acquosa e ricca di nutrienti. Ciò può avvenire o tramite una sottile lamina d’acqua corrente all’interno di speciali canalette cave e cilindriche (immagine qui di seguito, lato A), dove alloggiano le radici, oppure con una soluzione che copre un volume molto maggiore, all’interno di una vera e propria vasca la cui sommità è chiusa da pannelli di polistirolo su cui sono inserite le piante (immagine qui di seguito, lato B).

Come già preannunciato, i sistemi acquaponici combinano l’acquacoltura e l’idroponica con un mutuo beneficio per entrambi i sistemi (e per l’imprenditore agricolo), ma in che modo?

L’acqua è il veicolo da cui parte la sinergia tra i sistemi

La caratteristica più evidente che accomuna entrambi i sistemi di acquacoltura e idroponici è certamente l’acqua, che è anche il mezzo in cui avvengono tutti i passaggi che comportano benefici per i pesci e per le piante.

In un sistema acquaponico standard, l’acqua viene immessa all’interno della vasca dedita all’allevamento dei pesci, insieme al mangime, e viene monitorata continuamente per fare in modo che i parametri di qualità siano adeguati.

La rapida crescita in concentrazione di sostanze solide in sospensione nel mezzo acquoso (feci, cibo non ingerito, flocculi batterici), congiuntamente all’ammoniaca e ammonio delle urine, nonché di anidride carbonica rendono l’ambiente potenzialmente tossico, da cui è infatti richiesto un riciclo d’acqua periodico e piuttosto frequente, anche in linea con l’aumentare della densità di pesci per metro cubo d’acqua.

Nel mentre viene reimmessa acqua nuova nella vasca, quella “inquinata” viene allontanata, trattata e fatta convogliare nei sistemi idroponici, dediti alla crescita delle piante.

Il trattamento viene effettuato da specifici batteri, soprattutto nitrificanti, che effettuano la conversione dell’ammoniaca in nitrati e la degradazione dei composti solidi in elementi chimici singoli, più facilmente assorbibili dalle radici delle piante, come fonte di azoto, fosforo, potassio e altri elementi.

L’acqua così ottenuta, ricca di azoto sotto forma di nitrato, e altri elementi chimici importanti, viene introdotta nell’ambiente produttivo delle piante, da canalette o da irrigatori, e in molti sistemi acquaponici non viene richiesta ulteriore aggiunta di concime, ma al contrario risulta già di per sé abbondante.

L’acqua che risulta dalla “fine corsa” delle canalette o del substrato viene chiamato drenato, naturalmente privato di ammonio, ammoniaca, nitrati e altri elementi tossici per i pesci e perciò reimmesso nella vasca di acquacultura, concludendo il ciclo, come mostrato nello schema qui di seguito.

Un crescente interesse nell’acquaponica

L’interesse nell’acquaponica lo si può notare in un grafico elaborato da Goddek, et. al nel 2019, che evidenzia il crescente numero di pubblicazioni, oggetto di sperimentazioni scientifiche da università centri di ricerca, di sistemi ad acquaponica, idroponica e tecnologie dell’acquaponica o RAS (recirculating acquacolture technologies), nel mondo (vedi grafico qui sotto).

Per quanto ancora il numero di pubblicazioni non sia al livello dei due sistemi che lo compongono, l’andamento è certamente crescente e destinato ad aumentare in futuro e a evolversi con lo sviluppo di tecnologie ad hoc.

Entrando in un’ottica più aziendale, vediamo che l’acquaponica è un sistema produttivo che valorizza i sottoprodotti dell’allevamento e della coltivazione, comportando risparmi idrici, di fertilizzante e di superficie agricola utilizzabile.

Ne esistono tuttavia diverse tipologie, frutto della combinazione delle opzioni di scelta delle specie allevate e la loro densità (es. allevamento intensivo di trota africana, allevamento estensivo di anguille), combinate alla scelta nella coltivazione (es. produzione di lattuga in tubi drenanti, produzione di basilico in polistirolo galleggiante), ma anche alla diversa gestione tecnologica degli impianti, che può prevedere step intermedi che complicano la filiera ma che possono valorizzarla (figura qui sotto). Questi step possono comprendere la filtrazione delle sostanze solide dell’acquacoltura e il loro pre-trattamento volto ad abbassarne il PH prima di immetterle nella soluzione delle colture agricole, il convogliamento del vapore acqueo rilasciato dalle piante durante la coltivazione per l’accumulo di acqua demineralizzata per la vasca dei pesci, ma anche l’utilizzo della biomassa di scarto (es. la parte verde del pomodoro) in appositi bioreattori così da generare energia e alimentare le pompe per l’ossigenazione dell’allevamento.

Questi diverse tipologie, in un’ottica di risparmio per l’azienda, congiuntamente anche alle maggiori produzioni ottenibili di entrambi i sistemi, idroponico e acquacoltura, consentono all’imprenditore un ritorno di investimento più veloce rispetto ad alcuni dei sistemi più tradizionali, così come anche una migliore gestione delle risorse ambientali.

L’autore di questo articolo: l’agronomo Marco Giuliani

Marco Giuliani è un dottore agronomo specializzato in progettazione di sistemi idroponici e acquaponici per serre e vertical farm.

Articolo a cura di Marco Giuliani dello Studio Zanotti di Imola (BO)

Pubblicato da Matteo Di Felice, Imprenditore e Managing Director di IdeeGreen.it, Istruttore di corsa RunTrainer e Mental Coach CSEN certificato, Istruttore Divulgativo Federazione Scacchi Italiana e appassionato di Sostenibilità, il 25 Novembre 2019