Nutrition and quality of aquaponic systems

Abstract

The future of the agriculture is in the development of sustainable production systems that make better use of inputs and by-products as well as improve quality standards under competitive costs. Integration is seen one of the key aspects to optimize improve sustainability. In the case of agriculture sustainability can be achieved by closing the loop between crop and animal productions. The combination of plants with fish thus appears an optimal strategy to enhance productivity and to reduce footprint to minimal terms. Aquaponics is a vegetable production technique that integrates soilless cultivation with closed recirculating aquaculture systems. In aquaponics plants grow on aquaculture wastes and reclaim water back to fish through phytodepuration. The zero-discharge and fertilizer-free management makes aquaponics an environmental-friendly and profitable production system. Aquaponics infact overtakes all the pollution and input management issues that agriculture and aquaculture would have if taken alone. Nutrient concentrations in aquaponics are sensitively lower than those used in hydroponic systems due to the storage of nutrients into the recirculating water and the continuous supply of minerals by fish. Although aquaponic systems have been studied for decades, vegetable quality and productivity of aquaponics against hydroponics still needs to be fully developed. The expansion of aquaponics to large scale commercial systems is possible providing that production maintain same standards and quality of marketed products. The research, carried out at the Experimental Farm of the University of Tuscia assessed the production and quality of aquaponic productions. Several vegetables and fish species were tested across three years of experiments to determine system efficiency and identify best farming practices. In the case of lettuce (Lactuca sativa L cv Integral) cropped with tilapia (Oreochromis niloticus L.) similar productions were obtained between aquaponics and hydroponics despite the very low levels of nitrogen (from 15 mg L-1) and electrical conductivity (0.6 dS m-1). Quality assessment showed that chlorophyll in plants is similar if not higher to hydroponics and production does not have harmful levels of nitrates in leaves. The quality of basil and the influence of fish diet on water nutrients was studied in two consecutive summer trials. For sweet basil (Ocimum basilicum L. cv superbo) African catfish (Clarias gariepinus B.) was stocked under same densities but different protein diets (31 and 40% protein). Productivity in aquaponics was not different from hydroponics and comparable to literature data. The qualitative traits of plants in terms of chlorophyll and leaf/stem ratio were not different among treatments. Nevertheless plants obtained higher leaf biomass par rapport to literature data. Fish performance was similar to traditional recirculating systems, which suggested 2 that aquaponics is not a limiting environment for fish. Neventheless nitrogen levels grew with double pace with higher proteins in diet. System assessment suggested that optimal nutrient uptake efficiency occurrs when water nutrient concentrations are low. Production and quality of fruity plants was tested in aquaponics with the aim to assess system performance under lower potassium concentrations than hydroponics. Cucumber (Cucumis sativus L. cv Ekron) grew on largemouth bass (Micropterus salmoides L.) wastewater in a summer crop under greenhouse environment. Yields, marketable product (fruit weight above 180 g), pH, brix degree and tritatable acidity were similar to hydroponics. Likewise nitrogen uptake efficiency appeared similar despite higher nitrogen losses in aquaponics due to ecosystem's metabolism. Aquaponics could also integrate marine farming through salt-tolerant species. Impact of marine aquaculture can be attenuated by using plants that are widely used in horticulture as specialty salads. Three Salsola soda trials were carried out with mullet (Mugil cephalus L) under raising salt concentrations: 5 g L-1, 10 g L-1, 20 g L-1, 30 g L-1. Production and nutrient uptake were assessed to determine the stripping capacity and the salt accumulation of the plants. Salinity at 10 g L-1 resulted the most productive, but interesting growth was observed till 20 g L-1 of salt. Aquaponics proved to be more performing than hydroponics even though nitrogen levels were 3-5 times lower thus confirming the good potential of cropping high value vegetables as a phytoremediation strategy. The choice of growing method is a critical factor in aquaponics. Not only is growth affected by nutrient concentrations, but also by delivery systems. Growth performance in lettuce (Lactuca sativa L. cv Verde degli Ortolani) was assessed on floating system, NFT and substrate system for three consecutive crops under growing nutrient concentrations. Results showed high productions from floating systems, which was the most constant system in terms of output. However NFT resulted outperforming (+18%) whenever proper nutrient concentrations, flow rate and root/water volume was guaranteed. Substrate aquaponics resulted always underperforming by 30-40% due to inadequate nutrient exchange at root level. Results suggested NFT as the most performing method to strip nutrients from water, providing that optimal nutrient flow is guaranteed at root level. Research assessed food safety aspects and the compliance to national or international regulations on microbial loads for irrigation water. Although products appear safe due to the water delivery methods used (subirrigation instead of aspersion) presence of bacteria in water above set levels may be a limiting factor that may exclude aquaponics from HAACP driven productions. An assessment of UV-treated aquaponics against untreated systems showed more than 99% total coliform abatement and the compliance to EU regulations for irrigation water. Moreover productivity of both lettuce (Lactuca sativa L. cv Verde degli Ortolani) and tilapia (Oreochromis niloticus L.) was not affected by sterilization.

Il futuro dell'agricoltura sta nello sviluppo di produzioni sostenibili che possano meglio impiegare input produttivi ovvero ottimizzare il riciclo di prodotti di altre filiere. A livello agricolo una maggiore sostenibilità può essere ottenuta attraverso l'uso di sinergie produttive tra produzione vegetale e animale. Nel caso dei sistemi di agricoltura-acquacoltura integrata esistono indubbi vantaggi legati alla riduzione del footprint ecologico, vista l'elevata produttività raggiungibile dai pesci. L'aquaponica è un sistema fuori suolo che integra la produzione vegetale al recupero di acque di impianti ittici a ricircolo. Con l’acquaponica esistono vantaggi non solo a livello di produzione, ma anche nella riduzione/eliminazione dell’uso di fertilizzanti e nella completa fitodepurazione dell'acqua. In tal senso l’integrazione di due filiere permette il completo abbattimento di tutte quelle problematiche ambientali prima esistenti a livello di ciascuna filiera Sebbene l'aquaponica sia stata studiata per anni, le sue potenzialità produttive non sono quasi mai paragonate all'idroponica. Risulta inoltre pressochè inesistente l'analisi qualitativa dei prodotti, un fattore chiave per dare all'acquaponica il suo ruolo a livello di produzione commerciale. La ricerca, effettuata presso L'azienda Agraria Didattico Sperimentale dell'Università della Tuscia, ha avuto come obiettivo quello di studiare la produzione e la qualità dei sistemi acquaponici per diverse tipologie di vegetali e di pesci. La ricerca ha valutato altresì l'efficienza produttiva di questi sistemi identificando le migliori metodologie produttive. Nel caso della lattuga (Lactuca sativa L cv Integral) cresciuta su reflui di tilapia (Oreochromis niloticus L.) sono state osservate medesime rese tra acquaponica e idroponica per valori di azoto superiori a 15 mg L-1 ovvero di conducibilità elettrica di 0,6 dS m-1. L'analisi qualitativa ha mostrato che i livelli di clorofilla sono simili se non superiori all'idroponica per i medesimi valori di azoto. I livelli di nitrati nelle foglie sono risultati inferiori ai limiti di legge, e comunque non difformi dall'idroponica. La qualità del basilico e l'influenza della dieta a livello di bilancio di nutrienti sono state oggetto di un'altra serie di prove. Queste hanno visto l'uso di basilico genovese (Ocimum basilicum L. cv superbo) e pesce gatto africano (Clarias gariepinus B.) alimentato con 2 differenti diete contenenti rispettivamente 31% e 40% di proteine. Cosi come per la lattuga anche per il basilico non sono state rilevate differenze a livello di produzione ed le risposte produttive sono state in linea con i dati forniti in letteratura. I valori di clorofilla così come quelli del rapporto foglie/steli tra aquaponica e idroponica sono stati simili. Tuttavia per le prove effettuate sono stati ottenuti valori di biomassa fogliare superiori a quelli raggiunti con densità di impianto superiori. I parametri di crescita dei pesci sono apparsi simili a quelli ottenibili da sistemi di acquacoltura intensiva. Ciò ha confermato che i sistemi acquaponici non limitano lo sviluppo ottimale degli animali. Differenze sono invece 5 state notate nei valori di azoto nell'acqua, con livelli di crescita doppi nella dieta al 40% di proteine rispetto a quella al 31%.L'analisi delle performance di sistema ha mostrato che i migliori valori di efficienza nutritiva delle piante si hanno per basse concentrazioni di nutrienti nell'acqua. La produzione e la qualità delle ortive da frutto è stata studiata in acquaponica con l'obiettivo di valutare le risposte produttive a più basse concentrazioni di potassio rispetto a quelle usate in idroponica. La produzione di cetriolo (Cucumis sativus L. cv Ekron) fatto crescere su di un sistema stoccato con persico trota (Micropterus salmoides L.) non ha evidenziato differenze significative per quanto riguarda la produzione totale e quella commerciale (pezzatura superiore a 180g). Non sono state rilevate differenze significative nemmeno per l’acidità totale, livello di zuccheri (°brix) ed acidità titolabile. I valori di efficienza di uso dell'azoto sono apparsi simili nonostante l'acquaponica abbia avuto delle perdite di sistema superiori. L'acquaponica può altresì integrare l'acquacoltura marina attraverso l'uso di alofite. L'impatto delle produzioni animali sul mare può essere infatti attenuato grazie alla coltivazioni di specie ortive resistenti alla salinità. Per le tre prove effettuate è stata usata la Salsola soda, coltivata su reflui di cefalo (Mugil cephalus L.) e fatta crescere a livelli di salinità di: 5 g L-1, 10 g L-1, 20 g L-1, 30 g L-1. La produzione ottimale è risultata essere a 10 g L-1, ma valori di biomassa interessanti sono stati ottenuti anche a 20 g L-1. L'acquaponica è risultata più performante rispetto all'idroponica nonostante livelli di azoto 3-5 volte inferiori. I valori di azoto nell'acquaponica salata, del tutto simili a quelli che normalmente sono misurabili in impianti di acquacoltura tradizionale, mostrano le grandi potenzialità di questo sistema produttivo anche coi pesci marini. In acquaponica la produttività non dipende soltanto dalle concentrazioni dei nutrienti ma anche dalle modalità di distribuzione degli stessi. Nel caso specicifco sono stati testati il floating system, l'NFT e il fuori suolo a substrato in subirrigazione per valutare le risposte produttive di lattuga (Lactuca sativa L. cv verde degli ortolani) a valori crescenti di azoto. I risultati hanno evidenziato che le rese più costanti sono quelle ottenute dal floating system, mentre per L'NFT valori superiori di produzione (+18%) si sono avuti solo dietro determinati flussi di nutrienti e di bagnatura radicale. I sistemi a sub-irrigazione a substrato sono invece risultati di produttività inferiore rispetto al floating system (-30-40%). Per quanto riguarda la qualità microbiologica degli alimenti prove di sterilizzazione a raggi UV hanno dimostrato che è possible raggiungere un grado di sterilizzazione superiore al 99% ed una riduzione della carica microbica (coliformi) nei limiti dei parametri di legge. Simili performance a livello produttivo delle piante e dei pesci hanno evidenziato l'assenza di fenomeni di inibizione dell'attività batterica nitrificante ovvero di inibizione della crescita delle piante ed animali.