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Introducción
Los sistemas acuícolas continuamente generan grandes cantidades de desechos, por lo que a partir del aprovechamiento de estos desechos se puede obtener otro producto que genere a su vez una ganancia económica adicional. Al integrar el sistema acuícola con la hidroponía se crea un modelo de producción denominado acuaponia, que se define como el cultivo de peces y plantas en un sistema de recirculación (Nelson, 2008), que podría servir para una producción sostenible de alimentos en policultivo lo que incrementa la diversidad y producción final, y la posibilidad de obtener productos con calidad fitosanitaria y con importantes impactos socio económicos al obtener beneficio económico (Diver, 2006).
La acuaponia tiene ventajas sobre otros sistemas de producción, como el sistema de recirculación de acuacultura y el sistema hidropónico que usan nutrientes inorgánicos. En acuaponia el componente hidropónico sirve como bio filtro, por lo que no es necesario utilizar otro filtro como en los sistemas de recirculación. Los cultivos en acuaponia controlan la acumulación de nutrientes residuales procedentes de la acuicultura, lo que reduce el consumo de fertilizantes y agua, sin demeritar la calidad y productividad de los cultivos (Roosta y Mohsentan, 2012). La alimentación de los peces proporciona la mayor parte de los nutrientes requeridos para el crecimiento de la planta.
La mayoría de las especies de peces utilizan el 20-30% de nitrógeno (N) suministrado por la dieta (Piedrahita, 2003; Schneider et al., 2005), esto significa que aproximadamente el 70-80% de la N suministrado por la alimentación se libera en forma de residuos en el agua (Krom et al., 1995), siendo el amonio el producto final de la descomposición de las proteínas que los peces digieren de su alimentación y son disueltas en el agua por medio de sus heces fecales. La eficiencia de la nitrificación (un proceso crucial en la acuacultura, que reduce el nivel de amonio, que es una causa importante de la toxicidad para el cultivo de peces) es mayor en solución alcalina, pH 7.5-8, que es la razón del pH relativamente alto en la mayoría de las instalaciones de acuicultura (Savidov, 2004).
Sin embargo, el crecimiento de la planta puede ser afectado por el pH alto (superior a 7), mientras que a pH de 5.8 se considera que hay mejor disponibilidad de nutrimentos en el cultivo hidropónico, pero se afecta el desarrollo y crecimiento de los peces (Boyd, 1992). En estudios previos se reporta que en el sistema de acuaponia los residuos de los peces suministran nutrimentos a las plantas en bajos niveles de fósforo (P), potasio (K), azufre (S), hierro (Fe) y manganeso (Mn) (Seawright et al., 1998; Graber y Junge, 2009). De los diversos sistemas de recirculación acuapónicos (Diver, 2006; Rakocy et al., 2006), para el cultivo de especies como el tomate se recomienda el uso del sistema de camas por el manejo que requiere el cultivo, ya que el tomate en acuaponia es más difícil de producir en comparación con cultivos foliáceos, debido a la mayor demanda de nutrimentos en sus diferentes etapas de crecimiento (Sikawa y Yakupitiyage, 2010).
Desde la germinación hasta el desarrollo de las primeras flores (6 semanas), las necesidades nutrimentales de la planta son constantes y cuando las plantas comienzan a producir frutos requieren más Ca, Mg, y K (Nelson, 2008). Existe limitada información sobre la producción y demanda de nutrimentos de tomate en sistema de acuaponia, estudios previos realizados por diversos autores se enfocan en el comportamiento del nitrógeno en el sistema, pero en ninguno se establece cuantos peces se necesitan para generar la cantidad de nutrimentos que demanda una planta. Con base en lo anterior, el objetivo de esta investigación fue determinar la relación pez-planta y su influencia en el crecimiento, desarrollo y rendimiento de plantas de tomate producidas en sistema de acuaponia.
Materiales y métodos
Sitio experimental
La investigación se realizó en un invernadero tipo túnel de tecnología intermedia dentro de las instalaciones del Programa de Horticultura del Campo Experimental Bajío, INIFAP, ubicado en Celaya, Guanajuato a 20° 30´ latitud norte y 100° 49´ longitud oeste a 1 750 msnm.
Sistema de acuaponia
El sistema estuvo compuesto por tres unidades acuaponicas idénticas (Figura 1). Cada unidad consistió de un estanque de crecimiento de peces, una bomba de agua, dos filtros y una cama de crecimiento de plantas, con un volumen total de agua de 300 L. La unidad de crecimiento de peces fue un tanque de polietileno de 450 L, con aireación distribuida mediante una bomba de aire de 3 W conectada a dos difusores de aire (2 L min-1), ubicados en el centro del tanque. Los dos filtros (bote de plástico 20 L) contenían tezontle cribado con malla de 12 mm a un espesor de 30 cm colocado dentro de malla de polietileno de 30 mes h de color blanco de 50 cm2, los cuales fueron drenados cada dos meses. En el tanque de peces se instaló una bomba de paleta sumergible de 40 W, que impulsaba continuamente la solución por el sistema de recirculación mediante tubería de polietileno con conexiones de 16 mm.
Figura 1 Esquema de la unidad experimental de acuaponia y sus componentes. A) Sistema de recirculación; B) Unidad de crecimiento de peces; y C) Unidad de crecimiento vegetal.
El ciclo de recirculación iniciaba con el suministro de agua al primer filtro donde se retenían partículas de residuos, después de atravesar el filtro el agua se distribuía en la cama de crecimiento de plantas mediante micro-tubin de polietileno flexible de 4 mm conectado a la tubería de polietileno y colocado a 5 ± 1 cm de distancia de las plantas, después de atravesar la cama de crecimiento, el agua era captada y dirigida al segundo filtro, para posteriormente regresar al tanque de peces ubicado en el punto más bajo del sistema. El flujo constante del micro-tubin fue de 8 L h-1. La unidad de crecimiento de plantas fue una charola metálica donde se utilizaron como macetas bolsas de polietileno de 32 L conteniendo tezontle previamente desinfectado con cuaternario de amonio (800 ppm). El volumen de agua en el sistema se mantuvo constante con reposiciones cada que se perdía más de 10% del volumen total.
Caracterización fisicoquímica del agua
Para monitorear la concentración de nutrimentos en el agua del sistema, se realizaron muestreos cada 15 días. Se tomaron tres muestras con 3 repeticiones en dos puntos del sistema: a) estanque y b) sitio de descarga y se determinó pH, conductividad eléctrica, amonio, nitratos, fósforo, potasio, calcio y magnesio. Para amoniaco y nitratos se utilizó un espectrofotómetro portátil modelo DR/2400 Hach®, el fósforo (P) se determinó con el procedimiento de Bray y Kurts (1945), potasio (K) por el método de saturación (Hesse, 1971), y los contenidos de bases de calcio y magnesio por absorción atómica (Thomas, 1986).
Cultivo de peces
Para el experimento se emplearon 240 peces de tilapia (Oreochromis niloticus x O. aureus) con un peso individual inicial de 0.45 g, revertidos sexualmente con fluoximesterona (7.5 mg kg-1 de pez) por 25 días. Para determinar la relación pez-planta se cultivaron tres densidades de peces 120, 80 y 40 peces m-3 en cada unidad de acuaponia, con una biomasa total inicial de 56.4, 37.6 y 18.8 g pez m-3, respectivamente. En la etapa inicial y de engorda los peces se alimentaron con una dieta comercial de puritilapia (Cuadro 1) que contiene 45% y 28% de proteína cruda, respectivamente. Los peces fueron alimentados diariamente, dos veces al día, a las 8:00 y 13:00 h a una tasa calculada sobre 7% del peso corporal por pez. Alimento comercial de 46% de proteína se usó durante un mes y de 28% de proteína por 60 días. Los peces sembrados fueron muestreados cada dos semanas para ajustar la ración alimenticia y cada 30 días se determinó el peso promedio por pez con una balanza de precisión (0.1 mg; ESCALI-P115C, USA). La ganancia en peso promedio por pez (g), densidad (kg m-3) y sobrevivencia (%) se determinó 90 días después.
Cuadro 1 Composición aproximada del alimento empleado para alimentación de tilapia en la etapa de inicio y engorde.
| Composición | Peso fresco (%) | |
| Inicial | Engorde | |
| Proteína | 45 | 28 |
| Grasa | 8.0 | 5.5 |
| Cenizas | 10 | 10 |
| Fibra | 5 | 5 |
| Humedad | 14 | 14 |
Paralelamente se determinó el índice de crecimiento (Cifuentes et al., 2012).
Donde: W= peso corporal (g), y L= longitud (cm).
Desarrollo y crecimiento vegetal
Se utilizó tomate tipo bola var. Springel producido en charolas de unicel de 330 cavidades conteniendo turba enriquecida (Sunshine Growth, Canada). Las plántulas se mantuvieron en invernadero a una temperatura promedio de 26 ± 2 °C y HR de 42% por 16 días. Las charolas fueron regadas dos veces por día y se fertilizaron una vez por día con 1.5 L de la solución nutritiva propuesta por Villalobos et al. (2012). Posteriormente, un total de 48 plántulas (cuatro por cama) fueron transferidas y cultivadas en las camas de crecimiento del sistema a 28 ± 2 °C y HR de 42-55% por 90 días. La longitud del tallo (LT; cm), número de hojas (NH), diámetro de tallo (DT; cm), número de racimos (NR), número de frutos (NF) y rendimiento (kg pta-1) fueron registrados 90 días después.
Diseño experimental y análisis estadístico
El experimento consistió de tres tratamientos (densidades de 120, 80 y 40 de peces m3) establecidos bajo un diseño completamente al azar con cuatro repeticiones. Los datos de las variables registradas se sometieron a un análisis de varianza y una prueba de medias por Tukey (p≤ 0.05), con el programa estadístico SAS (SAS, 2013).
Resultados y discusión
Caracterización fisicoquímica del agua
La caracterización del agua en los estanques mostro ligera variación en algunos parámetros durante el experimento (Cuadro 2). Los parámetros en términos de mayor importancia para la producción de peces [nitrato (NO3-), pH, y EC] estuvieron por debajo del límite de tolerancia, excepto por el pH que estuvo ligeramente por debajo de 7 en algunos lapsos de tiempo durante el experimento, especialmente cuando se compensaba el nivel de agua evaporado y/o consumido (Boyd, 1992; Boyd y Tucker, 1998; Graber y Junge, 2009).
Cuadro 2 Algunos índices de calidad del agua registrados y límites de tolerancia para la producción de peces en sistema de acuaponia.
| Parámetro | Relación pez-planta | Límite de tolerancia* | ||
| 30:1 | 20:1 | 10:1 | ||
| pH | 7.8 | 7.0 | 6.9 | 7-8 |
| EC (Ms cm-1) | 0.22 | 0.19 | 0.16 | < 12 |
| Temperatura del agua (°C) | 22 ± 2 | 22 ± 2 | 22 ± 2 | 26-28 |
| NO3-N (mg L-1) | 7 | 6 | 4 | < 150 |
| NH4-N (mg L-1) | 0.3 | 0.2 | 0.1 | < 1.0 |
| K (mg L-1) | 12 | 8 | 6 | - |
| P (mg L-1)-1 | 6.5 | 5 | 3 | - |
| Ca (mg L-1) | 18.5 | 10 | 10 | < 350 |
| Mg (mg L-1) | 2.6 | 2.6 | 2.3 | - |
| Fe (mg L-1) | 0.001 | 0.001 | 0 | - |
*Boyd, (1992); Boyd y Tucker, (1998); Graber y Junge, (2009).
Campos et al. (2013), indica que la acumulación de nitrato en los sistemas de acuaponia tiene un efecto negativo en frutales, debido a que producen menos frutos mientras que hay un crecimiento vegetativo en exceso, por lo que se concluye que en cultivos de mayor demanda como el tomate no habría acumulación de NO-3 . Los valores de amonio (NH+4 -N) estuvieron por debajo del límite de tolerancia lo que permitió un buen desarrollo de los peces sin presentarse mortandad por toxicidad. Zweig et al. (1999), menciona que en regiones tropicales los peces toleran como máximo 0.1 mg de NH4+- N L-1 y cuando se excede se presenta mortandad por toxicidad. La concentración de Ca y Mg estuvo por debajo del límite de tolerancia (Cuadro 2), por lo que la dureza total del agua fue baja de acuerdo con lo mencionado por Su y Quintanilla (2008), quienes establecen de 20 a 350 mg de Ca L-1 como el intervalo óptimo para un buen desarrollo de tilapia en sistemas de acuaponia.
Sin embargo, los valores de Ca y Mg registrados son insuficientes cuando se establecen cultivos que demandan mayor concentración de estos nutrimentos, como es el caso del tomate, que presenta deficiencia en el fruto, especialmente de Ca (Schneider et al., 2005). En contraste, los valores de potasio estuvieron dentro de lo permitido para acuacultura, pero por debajo de los requeridos por las plantas de tomate (Boyd y Tucker, 1998; Roosta y Mohsentan, 2012). Mientras que la concentración de P y Fe no fue limitante para el desarrollo de los peces y plantas (Seawright et al., 1998).
Cultivo de peces
Las biometrías mostraron un peso inicial promedio en los peces de 0.45 g y a la cosecha la biomasa final obtenida fue mejor en la densidad de 80 peces m-3 con una biomasa promedio por pez de 62 g para una producción de biomasa total de 4.9 kg de peces m-3, y en las densidades de 120 y 40 fue de 59 g (Cuadro 3). La biomasa final por pez fue menor al crecimiento que se presenta en los sistemas intensivos de acuacultura. Poot-Delgado et al. (2009), mencionan que la tilapia posee un crecimiento rápido en comparación con otros peces, alcanzando un peso individual de 166 g en 150 días a densidad de 3-5 peces m2, cuando se siembran peces con un peso inicial de 10 g y se mantiene a una temperatura de 26-28 °C. Para nuestro estudio se considera que el peso final obtenido fue influenciado por la temperatura, que durante el experimento estuvo 4 °C por debajo de los 2628 °C, temperatura que se considera como óptima para el crecimiento de la tilapia en combinación con la alta densidad de población (Su y Quintanilla, 2008).
Cuadro 3 Comportamiento del crecimiento de tilapia cultivada en combinación con tomate en sistema de acuaponia después de 90 días. Primavera, 2014.
| Densidad peces m3 | Relación pez:planta | PIP (g) | PFP (g) | DI (g) | DF (kg) |
| 40 | 10:1 | 0.47* | 59.7 | 18.8 | 2.3 |
| 80 | 20:1 | 0.47 | 62.2 | 37.6 | 4.9 |
| 120 | 30:1 | 0.47 | 59.1 | 56.4 | 7.1 |
PIP= peso inicial de pez; PFP= peso final de pez; DI= densidad inicial; DF= densidad final. *Valores medios de cuatro repeticiones.
La sobrevivencia fue 100%, lo que indico que el agua del sistema fue de buena calidad. El factor de conversión alimenticia total fue de 1.18. La tasa de crecimiento fue de 1.5, crecimiento menor al reportado (1.7 g) por Rakocy et al. (2004). En contraste, Shnel et al. (2002) reportan una tasa de conversión alimenticia de 2.03, una tasa de crecimiento de 1.42 g, una densidad inicial de 10.4 kg m-3 y un total de 81.1 kg m-3, después de 331 días de cultivo.
Desarrollo y crecimiento vegetal
El crecimiento de las plantas de tomate en acuaponia mostró diferencias significativas (p≤ 0.05), para la longitud del tallo (LT) y numero de frutos (NF), mientras que para el número de hojas, diámetro de tallo y número de racimos no hubo diferencias (Cuadro 4). La relación pez planta de 20:1 fue mejor en LT Y NF, lo que indica, que existe un punto de suficiencia en la asimilación de nutrimentos presentes en el agua del sistema. La menor LT y NF en la relación 30:1 posiblemente fue causada por el pH (7.8) del agua que fue mayor que en los otros tratamientos (Cuadro 3). La concentración de sales en esta densidad de peces afecto la absorción de nutrimentos como el K, Fe y B, debido a que en pH alcalinos se limita su disponibilidad al ser fijados o desplazados por otros elementos como el Al, Mg, entre otros, que se acumulan en las raíces de modo que limitan su absorción. Además que, en sistemas acuapónicos la concentración de K y Fe están presentes en concentraciones bajas.
Cuadro 4 Efecto de la relación pez planta sobre el crecimiento de plantas de tomate cultivadas en sistema acuaponia después de 90 días. Primavera, 2014.
| Parámetro | Relación pez-planta | LT (cm) | DT (cm) | NH (#) | NR (#) | NF (#) | Rendimiento kg planta-1 |
| 120 pez m-3 | 1:30 | 138.6b* | 1.27a | 33a | 3a | 6b | 1.46b |
| 80 pez m-3 | 1:20 | 160.6a | 1.35a | 36a | 4a | 9a | 2.56a |
| 40 pez m-3 | 1:10 | 129.9b | 1.05a | 34a | 2a | 6b | 0.77b |
| DMS | 22 | 0.3 | 2 | 1 | 3 | 0.71 |
LT= longitud de tallo; DT= diámetro de tallo; NH= número de hojas; NR= número de racimos; NF= número de frutos; DMS= diferencia mínima significativa. *Medias dentro de columna seguida por la misma letra no son diferentes estadísticamente Tukey (p≤ 0.05).
El requerimiento de K es bajo para el desarrollo de los peces, por lo que en la dieta no se incluye, por lo tanto, en el agua del sistema la concentración es mínima (Graber y Junge, 2009), mientras que para el cultivo de tomate la demanda es mayor. De acuerdo con Kaya et al. (2001), el suministro de K debe ser en forma foliar debido a que la parte radical está sometida a condiciones de estrés por salinidad. La concentración de Fe estuvo en cantidades inapreciables, lo que influyó negativamente en el crecimiento de las plantas, debido a que este elemento junto con el K incrementan el crecimiento vegetativo en plantas de tomate cultivadas en acuaponia (Roosta, 2011).
El mayor número de frutos en la relación 20:1 fue porque en promedio las plantas produjeron un racimo más, lo cual se atribuye a la concentración de N que estuvo en suficiencia y a que la mayoría de los nutrimentos estuvieron en bajas pero estables concentraciones a excepción del K y Ca. Sin embargo, en el mejor tratamiento algunos frutos del cuarto racimo presentaron síntomas visibles de deficiencia de Ca. Por otro lado, la concentración de Fe en sistemas hidropónicos solo tiene efecto positivo en el crecimiento vegetal cuando está en suficiencia y en este estudio tuvo baja concentración (0.001 mg L-1). Es de hacer notar que la mayoría de los nutrimentos (Cuadro 2) presentes en el sistema al ser producidos constantemente por la actividad microbiana que actúa en la descomposición de las excretas de los peces puede fijar los nutrimentos en los residuos, y con la modificación del pH y CE la disponibilidad de nutrimentos se afecta (Rafiee and Saad, 2005; Nelson, 2008).
En todos los tratamientos después de los 90 días se presentaron deficiencias de K, Ca y Fe, lo que causo perdida de turgencia en la planta, aborto de flores y disminución del tamaño del fruto. Lo que corrobora los resultados obtenidos por Roosta y Hamidpour (2011), quienes mencionan que es necesario complementar de manera foliar el suministro de estos nutrimentos, ya que se encuentran presentes en concentraciones que no satisfacen la demanda en cultivos intensivos como el tomate. Graber y Junge (2009), mencionan que la concentración de K en el agua de acuaponia es 45 veces menor que en sistemas convencionales, lo que en hidroponía es un factor de importancia ya que perjudica el crecimiento de las plantas, y da como resultado un pobre desarrollo vegetal lo que afecta la calidad del fruto. Por otro lado, la presencia Ca en formas no asimilables genera frutos con rajaduras y/o puntos obscuros típicos de deficiencia (Graber y Junge, 2009). Lo anterior asociado al pH alcalino de la solución (Cuadro 2) limita la disponibilidad y absorción de K y Fe afectando el desarrollo del cultivo (Roosta, 2011).
Conclusiones
Este estudio mostro que la ganancia en biomasa de plantas de tomate se ve restringida a los 90 días después de establecidas en el sistema. Con la relación pez planta de 20:1 se obtuvo un buen desarrollo vegetativo de las plantas de tomate, aunque es necesario hacer estudios más detallados sobre las estrategias de aplicación para realizar el suministro complementario de K, Ca, Fe, y otros nutrimentos, debido a que la concentración de estos debe estar en equilibrio para satisfacer la demanda de nutrimentos requeridos durante el crecimiento de los peces y las plantas.
