Los sistemas de recirculación de acuicultura (RAS) han revolucionado la industria de la acuicultura, ofreciendo una producción sostenible y eficiente. Sin embargo, un componente crítico de los RAS es el biofiltro, responsable de eliminar los compuestos nitrogenados nocivos del agua. La elección del biomedio dentro del biofiltro afecta significativamente su eficiencia.
El rendimiento de un biofiltro está influenciado por varios factores, incluido el tipo de biomedio utilizado y su superficie. Para optimizar el rendimiento del biofiltro, los investigadores de la Sokoine University of Agriculture, de la Nyerere University of Agriculture and Technology y de la Technical University of Denmark compararon cuatro tipos diferentes de biomedios: cáscaras de coco, espuma de poliuretano granulada, perlas de cerámica y un bioelemento de plástico comercial. Estos medios se probaron en un Sistema de Recirculación para Acuicultura (RAS) semicomercial durante un período de 8 semanas.
El desafío de los biomedios tradicionales
Los bioelementos son necesarios para que las bacterias nitrificantes colonicen y conviertan el amoníaco tóxico en nitrato, que es inofensivo para los peces. La interacción entre las bacterias nitrificantes y la superficie del biomedio es fundamental para la eficacia de la filtración biológica en RAS. Los biomedios con una gran superficie, una porosidad adecuada y cualidades materiales favorables promueven la adhesión bacteriana y la formación de biopelículas.
Tradicionalmente, los biomedios de plástico han sido el estándar de la industria. Si bien son efectivos, los biomedios de plástico plantean preocupaciones sobre la contaminación ambiental debido a la liberación de microplásticos. Además, la dependencia de biomedios de plástico importados aumenta los costos y limita la accesibilidad, particularmente en los países en desarrollo.
Explorando alternativas sostenibles
Para abordar estos desafíos, los investigadores en todo el mundo deben explorar más materiales de bajo costo y ampliamente disponibles que se puedan utilizar como biomedios en los sistemas RAS. Los materiales como las cáscaras de coco, las perlas de cerámica y los granulados de espuma ofrecen un potencial prometedor. Estos materiales suelen estar disponibles localmente, son rentables y respetuosos con el medio ambiente.
Diseño y métodos experimentales
El experimento se llevó a cabo en un RAS semicomercial de 20 m3, donde se operaron cuatro biofiltros simultáneamente. Los biofiltros se llenaron con cáscaras de coco de tamaño similar, restos de espuma de poliuretano granulada, perlas de cerámica y un bioelemento disponible comercialmente.
Las tasas de conversión de nitrógeno amoniaco total (TAN) y de nitrito (VTR y VNR, respectivamente) se midieron quincenalmente durante las primeras 6 semanas, seguidas de la evaluación de la actividad bacteriana en la semana 8.
Resultados
Según los resultados del estudio publicado en la revista Journal of Water Process Engineering el biofiltro con espuma de poliuretano granulada logró la mayor tasa de eliminación de TAN, con un promedio de 310 ± 21 g TAN/m3/d. Los biofiltros con cáscaras de coco, perlas de cerámica y medios plásticos eliminaron TAN a tasas de 160-175 g TAN/m3/d.
El biofiltro con espuma de poliuretano también logró mayores tasas de eliminación de nitrito, con un promedio de 257 ± 22,2 g NO2-N/m3/d, en comparación con los otros tipos de biomedios.
Cinética de nitrificación
Se estimó la cinética de nitrificación de orden 0′ para VTR (k0v) para cada tipo de biomedio. Los resultados mostraron que los granulados de espuma de poliuretano tuvieron el valor k0v más alto, con un promedio de 539 g/m3/d, seguidos de las perlas de cerámica (417 g/m3/d), las cáscaras de coco (371 g/m3/d) y las perlas de plástico (202 g/m3/d). Se encontró un orden similar al estimar la eliminación de nitrito.
Actividad bacteriana
Después de la semana 7, se evaluó la actividad bacteriana asociada con cada biofiltro utilizando un ensayo basado en la degradación del peróxido de hidrógeno agregado. Los resultados mostraron que el biofiltro con espuma de poliuretano tuvo la constante de velocidad de degradación de peróxido de hidrógeno (k) más alta, con un valor de 2,3 ± 0,3 h−1.
Los biofiltros con perlas de cerámica y cáscaras de coco tuvieron actividades intermedias, con valores k de 1,0 ± 0,01 h−1 y 1,4 ± 0,1 h−1, respectivamente. El biofiltro con plástico comercial tuvo el valor k más bajo, con un valor de 0,76 ± 0,1 h−1.
Los hallazgos clave del estudio se pueden resumir en:
- Cáscaras de coco: Si bien son efectivas, las cáscaras de coco pueden requerir una limpieza y un reemplazo más frecuentes debido a la acumulación de materia orgánica.
- Perlas de cerámica: Ofrecen excelentes capacidades de biofiltración y durabilidad, lo que las convierte en una fuerte candidata para el uso a largo plazo.
- Granulados de espuma: Proporcionan una gran superficie para la colonización bacteriana, pero su estabilidad física puede ser una preocupación en entornos de alto flujo.
- Perlas de plástico: Si bien son efectivas, su impacto ambiental y su costo siguen siendo inconvenientes importantes.
Sin embargo, varios factores contribuyen al desempeño superior de la espuma de poliuretano:
- Gran área de superficie: Su estructura porosa proporciona una extensa área de superficie para que las bacterias beneficiosas colonicen, mejorando la nitrificación.
- Excelente flujo de agua: La estructura abierta de la espuma permite un flujo de agua eficiente, maximizando el contacto entre el agua y las bacterias.
- Durabilidad: La espuma de poliuretano es resistente a la degradación, lo que garantiza un rendimiento del biofiltro a largo plazo.
- Rentable: Si bien el costo inicial puede ser más alto que el de algunos medios tradicionales, su desempeño y durabilidad superiores pueden compensar esto con el tiempo.
Implicaciones para la industria de la acuicultura
Los hallazgos de este estudio tienen implicaciones significativas para la industria de la acuicultura:
- Mejor calidad del agua: Al optimizar el rendimiento de los biofiltros, podemos mejorar la calidad del agua, lo que conduce a peces más saludables y a una reducción de los brotes de enfermedades.
- Mayor productividad: La eliminación eficiente de nutrientes permite mayores densidades de población y una mayor producción de peces.
- Reducción del impacto ambiental: Al minimizar el uso del agua y la contaminación por nutrientes, los sistemas RAS pueden contribuir a las prácticas de acuicultura sostenibles.
Conclusión
La espuma de poliuretano ha demostrado ser un biomedio excepcional para los biofiltros RAS. Su excelente rendimiento en términos de nitrificación y actividad bacteriana la convierte en una herramienta valiosa para optimizar los sistemas de acuicultura. Al adoptar esta tecnología innovadora, podemos seguir avanzando en la producción de peces sostenible y eficiente.
Contacto
Lars-Flemming Pedersen
Technical University of Denmark, DTU Aqua, Section for Aquaculture, The North Sea Research Centre
DK-9850 Hirtshals, Denmark
Email: lfp@aqua.dtu.dk
Referencia
Mnyoro, M. S., Munubi, R. N., Chenyambuga, S. W., & Pedersen, L. (2024). Comparison of four different types of biomedia during start-up in a recirculating aquaculture system with rainbow trout. Journal of Water Process Engineering, 68, 106549. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.106549
