La acuaponía desde una perspectiva biológica

Desde el punto de vista biológico, se establecen tres enfoques: 1. microorganismos, 2. calidad de agua y relación nutrientes-planta y 3. animales.

Microorganismos

Para el desarrollo efectivo de la acuaponía, es crucial el ecosistema bacteriano por su influencia en el ciclo del nitrógeno (^{Kasozi et al. 2021}). Los microorganismos permiten que la materia orgánica excretada por los peces sea utilizada por las plantas (^{Somerville et al. 2014}). En general, estos se involucran en los procesos de nitrificación, la descomposición de la materia orgánica, la desnitrificación, la mineralización del fósforo y el ciclo del hierro (^{Kasozi et al. 2021}). Por tanto, tienen un papel clave en la productividad general del sistema, el bienestar de los peces y la salud de las plantas (^{Joyce et al. 2019}).

A través de la secuenciación del ADN, se han caracterizado las poblaciones bacterianas en sistemas acuapónicos, lo cual revela su complejidad y diversidad (^{Kasozi et al. 2021}). Se ha encontrado que la composición y estructura de las comunidades microbianas varía en cada estación del sistema acuapónico (estanques para peces, biofiltro, sedimentador, componente hidropónico, entre otros, según ^{Munguía et al. 2015}). Varios autores concuerdan en que es clave el conocimiento de la diversidad microbiana y la distribución funcional de estos microorganismos en los sistemas acuapónicos para optimizar el rendimiento del sistema (Bartelme et al., Munguía-Fragozo et al. y Schmautz et al. en Kasozi et al. 2021).

^{Kasozi et al. (2021)} reportaron que cada especie acuícola introduce una flora microbiana única en el sistema. La microbiota nitrificante se encarga de transformar amonio (NH₄+) y amoniaco (NH₃) excretado por los peces o derivado de material orgánico en nitritos (NO₂ ^-) y luego nitratos (NO₃ ^-).

Las bacterias nitrificantes forman una relación estrecha y permanente con otras bacterias heterótrofas, protozoos y micrometazoos, los cuales degradan los compuestos biológicos en la sección de biofiltración del sistema (^{Rurangwa y Verdegem 2015}). Las bacterias heterótrofas se concentran en áreas donde se acumulan los residuos sólidos, mineralizándolos y proporcionando micronutrientes solubles para las plantas en los sistemas acuapónicos.

La sanidad radicular es esencial para la supervivencia de las plantas, para ello la composición y proporción adecuada de poblaciones microbianas próximas a la superficie de la raíz es determinante (Chagas et al. en ^{Kasozi et al. 2021}). En estudios previos, se encontró que la diversidad y la composición de las poblaciones microbianas está determinada por la especie de pez, se identificaron cepas microbianas involucradas en la promoción del crecimiento de las plantas, la inhibición de fitopatógenos y la disponibilidad de nutrientes a través de la biodegradación. Cepas aisladas de Pseudomona fluorencens y P. veronii mostraron dicha capacidad en sistemas acuapónicos (^{Khalil et al. 2021}).

Calidad de agua y relación nutrientes-planta

El establecimiento de un ecosistema microbiano funcional se mide indirectamente a través del monitoreo del pH y de los niveles de NH₄+, NO₂ ^- y NO₃ ^-: mantener estos parámetros en el rango óptimo favorece la presencia de microorganismos benéficos en sistemas acuapónicos y reduce la de patógenos. Por otra parte, la calidad del agua en sistemas acuapónicos se ve influenciada por las raciones ofrecidas a los animales y por la adición de nutrientes para las plantas (^{Maucieri et al. 2019}).

Cuando se habla de un sistema en equilibrio, se refiere a que las plantas y los organismos acuáticos muestran crecimiento y desarrollo óptimos al establecer una relación mutualista; no obstante, en la mayoría de los casos, este equilibrio no se logra si el único aporte de nutrientes proviene de las excreciones generadas por los peces, por lo que existen otros componentes que contribuyen a armonizar el sistema.

^{Lennard (2020)} encontró que para el control del pH en sistemas acuapónicos conviene utilizar iones positivos como potasio y calcio, debido a que estos mejoran el crecimiento y el rendimiento de las plantas y favorecen la reducción de nitratos, la conductividad y la optimización en el uso del agua. En ese sentido, ^{Da Silva y Fitzsimmons (2016b)} proponen el uso de ácido fúlvico para prevenir la precipitación del hierro y mejorar su biodisponibilidad en las aguas residuales de la acuicultura. El ácido fúlvico aumenta la solubilidad del hierro en soluciones acuapónicas y puede proporcionar un gradiente de difusión para transportar el elemento a las raíces de las plantas.

El uso de aguas fitorremediadas para el desarrollo de sistemas acuapónicos implica tener en consideración aspectos como alta concentración de nutrientes, materia orgánica y compuestos inorgánicos disueltos en el agua como NH₃ y fósforo. ^{Nuwansi et al. (2019)} encontraron que aguas residuales pueden mezclarse con agua dulce en una proporción de 1:1 y emplearse de manera eficaz para la acuaponía, esto debido a que posiblemente suministraron nutrientes y bacterias nitrificantes al sistema acuapónico, mejorando la productividad a densidades y proporciones óptimas de peces y plantas (^{Nuwansi et al. 2021}).

Animales

Para la formulación de soluciones nutritivas, se deben utilizar preferentemente fertilizantes simples y sustancias moduladoras del pH, teniendo en cuenta los valores óptimos de desarrollo de especies animales y vegetales (^{Maucieri et al. 2019}). ^{Luo et al. (2020)} encontraron que la suplementación de selenio en sistemas acuapónicos al cultivar Carpa Koi (Cyprinus carpio var. koi) y lechuga (Lactuca sativa) podría mejorar el crecimiento y el estado de salud de los peces, al aumentar su potencial ornamental sin disminuir el rendimiento de la lechuga.

En relación con otros parámetros como la salinidad en sistemas acuapónicos, ^{Mariscal et al. (2012)} usaron aguas subterráneas con bajo contenido de magnesio y cloruro, pero con alto nivel de calcio en un sistema de producción de camarón blanco (Litopenaeus vannameî) y tomate (Lycopersicon esculentum), donde, tras la adición de Mg(NO₃)₂, los niveles de magnesio se recuperaron y las proporciones se acercaron a las del agua de mar requerida por el crustáceo.

Por otro lado, el efecto de las condiciones climáticas sobre la productividad de los sistemas acuapónicos también ha sido estudiado. ^{Zou et al. (2016)} observaron mejor productividad animal y vegetal en verano, posiblemente porque mayores temperaturas generan aumento de la actividad microbiana y del metabolismo de los peces.

Viabilidad y rentabilidad del sistema acuapónico

El modelo de producción acuapónica está orientado a la alta productividad en el marco del tratamiento de desechos, el uso eficiente del recurso hídrico, la eficiencia productiva y la oferta de alimentos producidos sin agroquímicos (^{Calderón et al. 2019}). Se trata de un sistema que permite manejar diferentes combinaciones de plantas y animales, sigue los principios de la economía circular, permite el aprovechamiento de tierras no agrícolas, reduce el volumen de insumos requeridos y, por tanto, la tasa de desperdicio (^{Asciuto et al. 2019}).

A pesar de que los sistemas acuapónicos requieren altos costos de establecimiento por la construcción de invernaderos y sistemas hidráulicos para integrar los dos sistemas, se ha reportado que pueden llegar a tener menores costos de operación que los sistemas tradicionales, lo cual genera retornos combinados derivados de la venta de pescado y verduras (^{Asciutto et al. 2019}). El componente vegetal del sistema produce los mayores volúmenes de biomasa, razón por la cual es importante contar con un mercado objetivo cercano, que posea alta demanda y niveles de valoración favorables para contribuir a la sostenibilidad económica (^{Asciutto et al. 2019}; ^{Bosma et al. 2017}).

Love et al. (en ^{Bosma et al. 2017}) encontraron que el volumen y la regularidad productiva, así como el nivel de cualificación del personal, son factores determinantes para lograr la sostenibilidad económica. Las especies vegetales muestran ciclos productivos más cortos que el componente animal, lo que permite obtener más cosechas/año y se han encontrado índices de conversión alimenticia más eficientes que en peces (se cosechan hasta 9 kg de lechuga empleando efluentes acuícolas a partir del suministro de 1 kg de alimento). A nivel de comercialización, se emplean canales directos que incluyen mercados de agricultores, puestos agrícolas, agricultura apoyada por la comunidad (AAC) y canales indirectos compuestos por tiendas de comestibles, restaurantes, instituciones y mayoristas.

Por lo anterior, es conveniente realizar estudios de mercado para conocer la demanda potencial y así determinar la capacidad requerida del sistema acuapónico (^{Calderón et al. 2019}). Se debe realizar un análisis financiero cuidadoso y definir un plan de negocios para determinar su rentabilidad potencial (^{Asciuto et al. 2017}). La exitosa formulación y evaluación de proyectos de inversión en acuapónicos exige detallar la tecnología necesaria para la construcción del sistema, determinar los costos totales y de infraestructura para estimar la inversión inicial, así como definir detalladamente los costos de producción, administración, venta y capital de trabajo requeridos (^{Calderón et al. 2019}).

Según ^{Bosma et al. (2017}), los costos fijos incluyen el precio de la tierra, infraestructura, construcción e instalación, mientras que el costo variable más importante es la mano de obra (50% de los costos de producción) (^{Asciuto et al. 2019}). Entre los costos totales de funcionamiento anual se debe incluir depreciación, mantenimiento, intereses, mano de obra, energía, agua, alimento para peces, trasplantes de plántulas y alevinos (^{Asciuto et al. 2019}).

La viabilidad económica del sistema acuapónico depende de la elección de las especies y su nivel de valoración en el mercado (^{Bosma et al. 2017}), de su ubicación geográfica (^{Love et al. 2015}), del tamaño de la especie acuática y su rotación (^{Bosma et al. 2017}). Los hallazgos sugieren comercializar en canales que permitan llegar directamente a los consumidores o clientes específicos por un precio más cercano al minorista, generando mayores ingresos. ^{Asciuto et al. (2019)} indican que la rentabilidad es mayor cuando se diversifican los ingresos vendiendo productos no alimenticios y servicios de capacitación o asesoría, además señalan que los sistemas acuapónicos comerciales a gran escala son más rentables que los sistemas más pequeños.

Desarrollos ingenieriles, nuevas tendencias y tecnologías en acuaponía

A nivel de ingeniería de los sistemas acua-pónicos, se han realizado avances a través del desarrollo de prototipos modernos (^{Castillo et al. 2016}; Khandaker y Kotzen 2018; ^{Rodríguez 2016}), evaluación de insumos y materiales alternativos (^{Bich et al. 2020}; Khandaker y Kotzen 2018), relación de biomasa vegetal/animal (^{Castillo et al. 2016}; ^{Paudel 2020}), optimización de filtración (^{Adams et al. 2019}; ^{Diem et al. 2017}; ^{Rodríguez 2016}; ^{Shete et al. 2016}), tasas de recirculación y retención hídrica (^{Dediu et al. 2012}; ^{Rodríguez 2016}; ^{Shete et al. 2016}) y sistemas de información y modelación (^{Goddek y Keesman 2020}; ^{Goddek y Körner 2019}; ^{Lee y Wang 2020}; ^{Rodríguez 2016}). Con ello se busca optimizar la calidad multidimensional del sistema acuapónico, obtener mayor control sobre los diversos procesos, además de predecir con mayor precisión los resultados productivos.

Teniendo en cuenta el mayor requerimiento de espacio del componente vegetal en los sistemas acuapónicos, los prototipos de diseño acuapónico desarrollados por ^{Castillo et al. (2016)}, ^{Rodríguez (2016)} y Khandaker y Kotzen (2018) tienen como ventaja común un menor requerimiento de área y un mejor aprovechamiento del espacio al hacer uso del plano vertical. ^{Rodríguez (2016)} y ^{Shete et al. (2016)} indican que el caudal y tiempo de retención hidráulica afectan la eficiencia en la filtración, mientras que ^{Diem et al. (2017)} y ^{Adams et al. (2019)} demuestran la importancia de los sustratos para promover el adecuado crecimiento bacteriano en el sistema acuapónico.

El desarrollo de la ingeniería en la acuaponía ha contribuido notablemente a la optimización del sistema. Los estudios señalan que el área provee las herramientas necesarias para modificar condiciones en el sistema de acuerdo con las necesidades establecidas por el contexto y también aporta información valiosa sobre el funcionamiento y estado del sistema, lo que resulta de gran utilidad a la hora de planificar proyectos acuapónicos y prever la aparición de inconsistencias que pongan en riesgo el equilibrio del sistema.

Los sistemas acuapónicos se caracterizan por su alto grado de estabilidad ambiental (^{Da Silva y Fitzsimmons 2016}; ^{Tanikawa et al. 2018}), por ser sistemas fácilmente adaptables en función de las condiciones económicas y geoclimáticas de la zona donde se deseen implementar (^{Mohapatra et al. 2020}). De esta manera, se han propuesto nuevas especies de peces (^{Oladimeji et al. 2020}), vegetales (^{Brum y Bonifácio 2021}; ^{Oladimeji et al. 2020}) y diseños del sistema (^{Mohapatra et al. 2020}; ^{Silva et al. 2018}; ^{Wu et al. 2018}).

En algunos estudios, se han empleado fitasas en las raciones para peces y la inoculación de Bacillus spp. en el agua de cultivo, lo que demuestra los beneficios de estas medidas sobre la calidad del agua y sobre el bienestar animal (Silva y Fitzsimmons 2016). Por su parte, ^{Doncato y Bonifácio (2021)} mencionan que la aplicación de microelementos vía foliar o en el agua de cultivo pueden ser alternativas rentables de nutrición vegetal en sistemas acuapónicos salobres.

^{Addy et al. (2017)} plantearon un sistema acuapónico productor de microalgas Spirulina spp. y Chlorella spp., lo cual muestra que la producción de microalgas puede realizarse sin afectar a los peces ni representar competencia para las plantas.

Adicionalmente, otros estudios se centran en el uso de nuevos materiales ligeros para fomentar la acuaponía en el campo del concepto de agricultura urbana (^{Mohapatra et al. 2020}), el uso de sustratos económicos y más comunes para sustentar el componente vegetal (^{Oladimeji et al. 2020}) y la promoción del cultivo de especies vegetales con raíces aéreas para reducir costos de aireación (^{Silva et al. 2018}).

Los sistemas acuapónicos son adaptables a las condiciones y necesidades de cada región, muestran potencial para ser establecidos en prácticamente cualquier zona, siempre y cuando se cuente con los conocimientos y garanticen las condiciones previas para su implementación. Aspectos como las plantas, los peces, la infraestructura e incluso el tipo de agua pueden llegar a ser modificados y adaptados según el objetivo de cada productor. Hoy en día, la tendencia se enfoca en el manejo de sistemas desacoplados, los cuales permiten manejar la calidad del agua más fácilmente, reaprovechar los minerales disueltos en los efluentes y realizar cualquier correctivo antes de suministrar el agua de los peces al componente hidropónico (^{Rodgers et al. 2022}), los cuales constituyen una de las mejores alternativas de producción sostenible de alimentos (^{Körner et al. 2021}).

Aspectos ambientales y sociales de la acuaponía

Recientemente, la acuaponía ha sido catalogada como una actividad productiva que contribuye a la sostenibilidad (^{Atlason et al. 2017}). Muestra de ello es la compatibilidad de este esquema productivo con los estudios a través de enfoque holístico, como el basado en el análisis del ciclo de vida (ACV) (^{Forchino et al. 2017}), la cuantificación de los impactos ambientales directos e indirectos, la visión integral macroeconómica, el uso de herramientas de evaluación de la sostenibilidad ambiental, los flujos de materiales y de energía vinculados a las prácticas de gestión del sistema y su consumo de energía (Maucieri et al. 2018).

Debido a que la adopción de tecnologías para sistemas acuapónicos se hace posible por la viabilidad económica del proyecto (^{Abusin et al. 2020}), por lo general las nociones de sostenibilidad en acuapónicos suelen verse orientadas principalmente al componente económico (^{Forchino et al. 2017}). Sin embargo, ^{König et al. (2018)} señalan que un enfoque estratégico para cambiar las tecnologías de producción de alimentos está en inducir cambios en el comportamiento del consumidor para que los actores sociales, a través de actividades de consumo, producción y apropiación, se inclinen cada vez más hacia modelos de producción más limpios. En Europa, por ejemplo, existen instalaciones acuapónicas sin ánimo de lucro, de formación de proyectos bajo la economía social y solidaria, con el objetivo de influir en los consumidores e infundir en la conciencia sobre prácticas sostenibles y los lazos sociales dentro del contexto de acuicultura urbana (^{Beckers 2019}).

^{Joesting et al. (2016)} señala que los sistemas acuapónicos poseen potencial de desarrollo para promover la conservación de la biodiversidad contribuyendo a aliviar la presión sobre ecosistemas circundantes (^{Atlason et al. 2017}). Estos sistemas de producción se han empleado como estrategia para restauración costera en hábitats de marismas, la prestación de servicios ecosistémicos y el cultivo de especies de plantas nativas. Para mitigar el impacto ambiental generado por la acuaponía, se han propuesto sistemas de tratamiento de sólidos a través de biodigestores (^{Aparecido et al. 2020}; ^{Opurum et al. 2017}).

Para promover la seguridad alimentaria, la producción acuapónica a baja escala cumple una tarea primordial, debido a que facilita el abordaje de algunos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible 2030 establecidos por la ONU, como el hambre cero y el acceso de todas las personas a los alimentos (^{Forchino et al. 2017}). Los sistemas acuapónicos de baja tecnología basados en diseños simples, fácil manejo y bajos costos de capital son adecuados para su implementación en diferentes regiones geográficas y áreas de producción (^{Birolo et al. 2020}; Joesting et al. 2017). Varias de las prioridades y necesidades actuales convergen hacia el uso de recursos tecnológicos, debido a que este factor hace posible aumentar la productividad de las granjas acuícolas acuapónicas (^{Tumová et al. 2020}), las cuales, en procesos de transferencia, permiten una creciente velocidad de avance e innovación en la operatividad. Sin embargo, aún persisten preocupaciones adicionales sobre aceptación de la producción acuapónica por parte de los consumidores, debido a que pueden presentarse riesgos como la contaminación cruzada (Nuwansi et al. 2020).

^{Berger (2020)} muestra el impacto de prácticas productivas sostenibles como la acuaponía, en la cual se propone un modelo de granja urbana, libre de fertilizantes artificiales, antibióticos y pesticidas y generación de excedentes destinados para promover otras actividades no agrícolas. Dicho modelo detalla sinergias sociales y la diversificación de los modelos agrícolas centrados en la promoción y el marketing desde el enfoque empresarial. También desarrolla conceptos de huerta como servicio al consumidor, creación de empleo directo e indirecto y el uso de circuitos cortos de distribución.