Caracterización fisicoquímica de un efluente salobre de tilapia en acuaponia*

Physicochemical characterization of a tilapia brackish effluent in aquaponics

Rosa Campos-Pulido¹, Alejandro Alonso-López^1§, Dora Angélica Avalos-de la Cruz², Alberto Asiain-Hoyos¹ y Juan Lorenzo Reta-Mendiola¹

¹ Colegio de Postgraduados, Campus Veracruz, Postgrado en Agroecosistemas Tropicales, Predio Tepetates, Municipio de Manlio Fabio Altamirano, Km 88.5 Carretera Federal Xalapa-Veracruz, vía Paso de Ovejas entre los poblados de Puente Jula y Paso San Juan, Veracruz, México, C.P. 91690; alternativamente: Apartado Postal 421, Veracruz, Veracruz, México, C.P. 91700. Tel. 012292010770. Ext. 64337, 64326 y 64301. (biolcampos@gmail.com), (aasiain@colpos.mx), (jretam@colpos.mx).

* Recibido: septiembre de 2012.
Aceptado: enero de 2013.

Resumen

Los objetivos del estudio fue caracterizar fisicoquímicamente un efluente salobre de tilapia en producción comercial y evaluar el crecimiento de tres tipos de vegetales herbáceas en acuaponia. El diseño experimental fue completamente al azar. Los intervalos encontrados en los parámetros fueron: temperatura del agua (20-31.5 °C), pH (5.7-7.59), oxígeno (4-5.3 mg L^-1), conductividad eléctrica (3.1-8.57 dS m^-1), bicarbonatos (0.60-2.60 Meq L^-1), cloruros (27-85.7 Meq L^-1), sulfatos (2.29-4.16 Meq L^-1), amoniaco (2-50 mg L^-1), nitritos (0.035-1.84 mg L^-1), nitratos (0.10-24.60 mg L^-1), calcio (1.02-14.29 Meq L^-1), magnesio (3.52-16.17 Meq L^-1), potasio (0.15-11.93 Meq L^-1), dureza total (280.08-1398.7 mg L^-1), sólidos disueltos totales (2109.30-5519.00 mg L^-1), relación de absorción de sodio (9.62-32.09 Meq L^-1). Los coliformes totales y fecales estuvieron en los límites indicados en la Norma Mexicana NOM-001-ECOL-1996. En acuaponia, las especies Petroselinum purpuratus Harv no resistió a las condiciones del efluente; mientras que, Plectranthus amboinicus (Lour.) Spreng, presentó menor altura en comparación con la siembra tradicional. En contraste tanto en acuaponia como en siembra tradicional la Mentha X verticillata L. observó un buen crecimiento.

Palabras clave: efluente salobre, sistemas acuapónicos, producción integral de tilapia.

Abstract

Key words: aquaponic systems, brackish effluent, integral production of tilapia.

Introducción

En México la acuacultura ha adquirido mayor importancia en los últimos años, por los beneficios sociales y económicos que genera, lo que permite contar con alimentos con un valor nutricional elevado (Alvarez et al, 1999). Además, la FAO (1997), espera que contribuya significativamente en la seguridad alimentaria y la disminución de la pobreza en el mundo. Sin embargo, una de las principales limitantes en la producción acuícola es la concentración de materia orgánica en los estanques de cultivo, como resultado de las excreciones de los peces, el alimento proporcionado y otros insumos adicionados tales como hormonas (Tacon y Foster, 2003), provocando que los efluentes contribuyan al deterioro de los cuerpos hídricos receptores.

En el estado de Veracruz, la mayoría de las granjas acuícolas de tilapia se ubican cerca de un cuerpo de agua del cual se abastecen (Palomarez, 2010). Sin embargo, la calidad del agua en su mayoría es pobre debido a los residuos de fertilizantes, pesticidas y diversos compuestos que contaminan las aguas superficiales al ser transportados por la escorrentía fuera de las zonas agrícolas donde se aplicaron. Aunado a esto, el nitrógeno en forma de amonio puede ser tóxico para los peces, y los nitratos y fosfatos intensifican el crecimiento de plantas y algas, acelerando la eutrofización de lagos y embalses (SEMARNAT, 2002; Tamames, 2002).

En contraste, en la agricultura se ha reportado los beneficios de la utilización de aguas residuales tanto domésticas como urbano-industriales debido a los contenidos de nitrógeno y fosforo, lo que podría ayudar a reducir los requerimientos de fertilizantes comerciales (Mendoza, 2009).

La acuacultura requiere eliminar eficazmente los diversos componentes orgánicos e inorgánicos presentes en los efluentes de las unidades de cultivo. Una alternativa es integrar la acuacultura y la agricultura hidropónica reutilizando el efluente y con ello se disminuye el impacto ambiental, lo que se conoce como acuaponia, que es un sistema de recirculación de agua utilizando un tratamiento de biofiltración para eliminar la materia orgánica y la transformación de amonio en nitritos y nitratos, lo que nutre a las plantas (Ortiz, 2009). Por lo tanto, el objetivo fue caracterizar fisicoquímicamente un efluente salobre de cultivo de tilapia en producción comercial y evaluar su potencial uso en el cultivo se siete especies vegetales herbáceas en acuaponia.

Materiales y métodos

La investigación se realizó en la granja "Productos acuícolas SIN-VER S.A. de C. V. en San José Novillero, Boca del Río, Veracruz. A 19° 95' 38.83" latitud norte y 96° 08' 21.31" longitud oeste a nueve msnm.

El sistema de acuaponia estuvo compuesto por un estanque de cultivo de cemento de fondo plano y color blanco, con una altura de 1 m x 4 de ancho y 10 de longitud (40 m³). La aireación se distribuyó mediante un tubo de PVC ubicado en el centro del estanque. Una bomba monofásica de 1492 W (watt) hizo circular el agua. Se utilizó un biofiltro (750 L) con 1 000 cuentas confeccionadas con poliducto coflex color naranja de 1.27 cm. Asimismo, en el sistema nutrient film tecnique (NFT) se utilizó cuatro tubos de PVC rígido de 10.16 cm con 120 orificios de 6 cm de diámetro a una distancia de 10 cm entre orificios. El efluente provino del estanque de cultivo por medio de una salida al biofiltro, utilizando una tubería de PVC con conexiones de 5.08 cm a 10.16 cm. El primer tubo se conectó con el nivel 2 por medio de codos de 90° de esta forma se hizo circular el agua por gravedad hacia el tercer y cuarto tubo, todos ellos de 10.16 cm de diámetro con un flujo constante de 10 s L^-1, recorriendo 23.20 m lineales de tubería, retornando al estanque de peces (Figura 1).

Especies vegetales herbáceas

Se evaluaron cinco especies de orégano orejón (Plectranthus amboinicus (Lour.) Spreng), vaporub® (Petroselinum purpuratus Harv), hierbabuena (Mentha X verticillata L.), con cinco repeticiones. Posteriormente se colocaron en un vaso de plástico (250 mL), con orificios alrededor, se sostuvo con hule espuma (6 cm²). Como testigo se utilizó la siembra tradicional, utilizando las mismas especies antes mencionadas con tres repeticiones (el número de las plantas fue de acuerdo a disponibilidad). Las plantas se trasplantaron en bolsas de plástico color negro, conteniendo 1.515 kg de sustrato tierra/tezontle con una relación 2:1. Capacidad de campo de 2.165 L. Cada tercer día se aplicó 2 g L^-1 de Hakaphos® 13-40-13 (fertilizante químico) conteniendo los microelementos: nitrógeno total (13%), anhídrido fosfórico P₂O₅ (40%), oxido potásico K₂O (13%), boro (0.1%) y molibdeno (0.01%). Además, microelementos quelatados por EDTA: cobre (0.02%), hierro (0.05%), manganeso (0.05%) y zinc (0.02%). El sistema de hidroponía fue cubierto con malla sombra al 70%.

Obtención de crías de tilapia

700 crías de tilapia (Oreochromis niloticus x O. aureus) con un peso inicial total de 0.57 g, se revirtieron sexualmente 99% aplicando 7.5 mg por kg de fluoximesterona durante 25 días.

Alimentación

En la etapa inicial y de engorda se alimentaron con una dieta comercial (Silver Cup El pedregal) conteniendo 45% y 35% de proteína cruda, respectivamente. Se suministró diariamente a saciedad a las 9:00, 12:00 y 16:00 h.

Se determinó pH, conductividad eléctrica, bicarbonatos, cloruros, sulfatos, calcio, magnesio, potasio, dureza total, sólidos disueltos totales y relación de absorción de sodio, en el laboratorio de suelo del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), Campo Cotaxtla, Veracruz. In situ se registró temperatura y oxígeno, con una sonda multiparámetros marca YSI. Por lo contrario, para amoniaco, nitritos y nitratos se utilizó un espectrofotómetro portátil modelo DR/2400 Hach®. Los muestreos se realizaron cada quince días durante cuatro meses. Además, al inicio y al final del experimento se analizaron los coliformes fecales y totales con la técnica del número más probable (NMP) de acuerdo a la norma mexicana PROY-NMX-AA-042-SCFI-2005, en el laboratorio de microbiología del Colegio de Postgraduados, Campus Córdoba, Veracruz. Asimismo, se observaron amebas en fresco por el método de microscopía, en el laboratorio particular de análisis clínicos de Puente Jula, Paso de Ovejas, Veracruz. Al finalizar la investigación, se analizó el lodo del efluente acumulado en el estanque así como el sustrato utilizado en la siembra tradicional.

Evaluación de siete tipos especies vegetales herbáceas en acuaponia

Posterior al trasplante, cada semana durante cuatro meses se midió la altura con una cinta métrica de 1 m ± 0.1 y el grosor de tallo con un vernier digital.

Producción de tilapia en acuaponia

Cada 10 días se realizó un muestreo de 60 peces y se pesaron en una báscula (capacidad de 20 kg, Torrey modelo SK-2000 WP, Korea). Posteriormente, con ese dato se estimó el número total de organismos, peso promedio (g), densidad (kg m^-3), sobrevivencia (%) y factor de conversión alimenticia total.

Diseño experimental y análisis estadístico

El experimento fue desarrollado bajo casa sombra para el caso de las plántulas del sistema NFT (acuaponia) y siembra tradicional, utilizando un diseño experimental completamente al azar. Los datos se analizaron mediante estadística descriptiva, posteriormente se efectuó un análisis de varianza y una prueba de medias Tukey, (p≤ 0.05), con el software STATISTICA versión 7 (StatSoft, 2006).

Resultados y discusión

La temperatura media del agua fue de 27.5 °C (20 a 31.5 °C). El pH en la entrada fue de 6.81 (5.9 a 7.5) y en la salida 6.74 (5.7 a 7.5), el cual está en el intervalo óptimo (6.7 a 8.4) para el cultivo de tilapia (Asiain et al., 2011). Por el contrario, en plantas el pH óptimo es de 5.5 a 7.0 (Gilsanz, 2007). Con respecto al oxígeno se registró una media de 4.49 mg L^-1 (4 a 5.3), esta variación se debió a la respiración de los peces, plantas y bacterias que degradan la materia orgánica (Zweig, 1999). Aunque, estuvieron en el intervalo óptimo (4 mg L^-1) (Asiain et al., 2011). En las plantas el oxígeno es necesario para su desarrollo y crecimiento de las raíces, para ello se requieren valores mínimos de 8 a 9 mg L^-1 (Gilsanz, 2007).

La conductividad en este estudio fue de 6.28 dS m^-1 (3.3 a 8.5) en la entrada y 6.23 dS m^-1 (6.2 a 8.5) en la salida, encontrándose en el intervalo óptimo de 5 a 10% (Payne, 1983). A partir del día 80 la salinidad bajó a cero debido a las lluvias, aunque la tilapia tolera una salinidad de 0 a 36%.

La conductividad eléctrica se clasificó en C4 debido a la salinidad muy alta presente en el efluente. Sin embargo, únicamente se usa en cultivos tolerantes a la salinidad. Por el contrario, limitaría el desarrollo de las plantas al disminuirse la disponibilidad de agua en las raíces (Murtaza et al., 2006).

En el Cuadro 1 se muestran las características químicas del efluente, indicando que los valores de bicarbonatos estuvieron óptimo (0 a 10 Meq L^-1) para el cultivo de plantas (Ayers y Wescot, 1985).

Se recomienda que el agua esté libre o contenga concentraciones bajas de bicarbonatos. De lo contrario, el calcio, magnesio, manganeso y el hierro no estarán disponibles para las plantas (Rodríguez, 2001).

Los valores de cloruro para el cultivo de tilapia se elevaron (Cuadro 1) ya que el intervalo adecuado debe ser <5 mg L^-1 (SAGARPA et al., 2009). Para el cultivo de plantas la concentración del ion Cl debe ser acorde a su tolerancia porque es tóxico para muchas de ellas, además al absorberse se inhibe el nitrógeno y el fosforo. Si el agua tiene un contenido menor a 3 Meq L^-1 de Cl, se considera de calidad buena, con contenidos mayores se deben buscar cultivos tolerantes (Favela et al., 2006). Por otra parte, los sulfatos estuvieron dentro del intervalo 0 a 18 Meq L^-1 para el cultivo de tilapia (Timmons et al., 2002) y entre 0 a 20 Meq L¹ para plantas (Ayers y Wescot, 1985).

El calcio estuvo en el intervalo óptimo 0 a 20 Meq L^-1 así como el magnesio (0 a 50 Meq L^-1) En contraste, los valores óptimos de potasio (0 a 2 mg L^-1) estuvieron más altos (Cuadro 1) (Ayers y Wescot, 1985). Asimismo, Rakocy et al., (2004), reportaron concentraciones de 1.62 Meq L¹ (0.76-2.22 Meq L^-1) en la entrada de hidroponía y 1.65 Meq L^-1 (0.75-2.22 Meq L^-1) en la salida. Con respecto a la relación de absorción de sodio los valores no estuvieron en el intervalo óptimo el cual es de 0 a 15 Meq L^-1 (Ayers y Wescot, 1985) (Cuadro 1).

Los valores de dureza total fueron muy altos debido a que el rango para la tilapia según Su y Quintanilla (2008), es de 20 a 350 mg L^-1 y de acuerdo a SAGARPA (s/f)) entre 50 a 350 mg L^-1 (Cuadro 1).

La concentración de sólidos disueltos totales al inicio fueron muy altos en comparación con lo reportado por SEMARNAT (2010), de 161.46 mg L^-1 en el río de Jamapa. De acuerdo a Ayers y Wescot (1985), el óptimo para el cultivo de plantas es de 0 a 2000 mg L^-1.Asimismo, Ramírez (2000), reporta que para valores superiores a 2 000 mg L^-1 el agua puede ser utilizada solamente para plantas tolerables. Por otra parte, Sikawa y Yakupitiyaque (2010), filtraron parcialmente el agua del estanque mediante el uso de un tanque de sedimentación y filtración del tanque mientras en el presente estudio solo se utilizó filtración a lo que se le puede atribuir a la alta concentración de solidos disueltos totales (Cuadro 1).

El grupo coliforme es indicador de contaminación fecal en agua debido a que diversas enfermedades se transmiten por vía fecal-oral al utilizar como vehículo los alimentos y el agua (Camacho et al., 2009). En coliformes totales resultaron 6 x 10⁴/100 mL y se redujo al final a 2.10 x 10⁴/100 mL. Los coliformes fecales al inicio mostraron 1 100 NMP/100 mL y al final siete NMP/100 mL. Asimismo, la SEMARNAT (2010), reportó 1 043 NMP 100 mL^-1 de coliformes fecales en agua del río Jamapa. De acuerdo a la NOM-001 -ECOL-1996 el efluente está en el intervalo permisible de 1 000 a 2 000 NMP/100 mL para descargas de aguas residuales vertidas a aguas y bienes nacionales, así como las descargas vertidas a suelo (uso en riego agrícola), en este caso para el uso en hidroponía.

Mientras que en amebas al inicio se observaron trofozoitos de Balamuthia mandrilaris +, Vorticella spp. y Paramecios. Al final, se observaron flagelados de Naegleria fowleri + y Euglena sp. Las amebas mostraron condiciones similares para su desarrollo como lo reportaron Bonilla et al., (2004) las cuales son frecuentes en cuerpos de agua con temperatura superior a 25 °C, oxígeno >5 mg L^-1, pH cercano a la neutralidad y alimento suficiente (bacterias y materia orgánica). Por otra parte, la NOM-001-ECOL-1996, las directrices no consideran a todos los protozoarios importantes para la salud pública como es el caso de las amebas (León, s/f). Sin embargo, en los ecosistemas acuáticos desempeñan un papel muy importante en el mantenimiento del flujo de energía y el reciclado de los nutrimentos (Bonilla et al., 2004).

Con respecto al análisis de lodos se registró materia orgánica (57.2%), N (0.14%), potasio (0.98%), P (0.042%), Ca (1.48%), Mg (0.029%), Fe (2 321 mg L^-1), Cu (14 mg L^-1), Zn (321 mg L^-1) y Mn (302 mg L^-1). Rafiee y Saad (2005) en cultivo de tilapia roja encontraron N, K, P, Ca, Mg, Fe, Cu, Mn y Zn con valores de 32.53, 7.16, 15.98, 26.81, 20.29, 11.46, 3.55, 3.55 y 13.43%, respectivamente, durante un periodo de cultivo de 20 a 200 g. Asimismo, se ha reportado que al alrededor de 75% de la alimentación de nitrógeno y 80% de la alimentación de fósforo no se recuperan en el pescado capturado y se asientan en el fondo del estanque en un sistema de cultivo de tilapia (Avnimelech y Lacher, 1979).

Estos datos indicaron que los residuos que se derivan de materiales fecales, de alimentos no consumidos son fuentes de energía, nutrientes para el crecimiento de organismos biológicos (bacterias, hongos y algas) y la biomasa de los microorganismos, se acumulan al total de sólidos en suspensión y el total de sólidos disueltos en un sistema de cultivo (Rafiee y Saad, 2005).

De acuerdo a la norma NOM 021 RECNAT 2000 AS (07, 08, 1, 12 y 14), el sustrato contenían textura (arena 73.20%, arcilla 9.80% y limo 17%, pH 6.17, materia orgánica 4.17%, nitrógeno inorgánico 2.70%, P 81 mg L^-1, Ca 2 105 mg L^-1 siendo estos valores altos. Mientras que para K 129 mg L^-1 y Mg 192 mg L^-1 12 los valores fueron medianos. En constaste, para Fe 34 mg L^-1, Cu 4.1 mg L^-1, Zn 12.1 mg L^-1 y Mn 3.2 mg L^-1 estuvieron dentro del intervalo óptimo.

Evaluación de tres tipos de vegetales herbáceas en acuaponia

Durante la evaluación se registraron temperaturas mínimas de 16 °C y máxima de 30 °C. Asimismo, la humedad relativa fue muy variable con una mínima de 50% y una máxima de 100% en los días con presencia de lluvia.

Las plantas de orégano orejón en acuaponia mostraron alturas menores respecto a la siembra tradicional (Figura 2), y el diámetro del tallo mostró diferencias estadísticas significativas (p< 0.05) entre ambos sistemas.

En el caso del vaporub, en acuaponia presento una altura máxima de 20 cm al día 28. Sin embargo, las plantas entraron en estrés debido a la salinidad lo que provoco su muerte. Mientras, en el sistema tradicional tuvieron una altura constante (Figura 3).

En hierbabuena la altura en acuaponia y siembra tradicional mostraron diferencias estadísticas significativas (p < 0.05); sin embargo, la altura fue comparable en el periodo de evaluación (Figura 4), en contraste, las plantas en acuaponia mostraron mayor diámetro de tallo.

De acuerdo a Rakocy (2003) indicó que un sistema acuapónico comercial (0.05 ha) en el trópico, proyectaron una producción anual de tilapia de 4.37 t, y de albahaca 2.0, 1.8 y 0.6 kg m usando sistemas de producción en lotes, escalonadas y en campo, respectivamente. La producción anual proyectada para el sistema escalonado fue de 5 t de albahaca. Los síntomas de deficiencia de nutrientes sólo aparecieron en el cultivo de albahaca en lotes completos.

De acuerdo a Ramírez et al., (2008), sugirió considerar al orégano a nivel mundial en estos sistemas, dada su alta producción, además de ser un cultivo promisorio para ser explotado en sistemas conservadores del agua y que ocupan poco terreno, como el acuapónico. Cuthberg (2008), reportó que el cultivo de la menta posé un buen potencial debido a las condiciones climáticas de Colombia, y que la explotación de sus características puede resultar en una actividad económica importante.

Al inicio, las biometrías mostraron un peso inicial total de los alevines en promedio de 0.71 g y al final reflejaron una ganancia de peso promedio de 206.01 kg al día 120. Cabe mencionar que el cultivo de tilapia en acuaponia no se hizo recambios de agua mostrando una sobrevivencia de 91.10% en estas condiciones. El factor de conversión alimenticia total fue de 1.41. La densidad inicial fue de 0.012 y al final de 3.307 kg m^-3. Tasa de crecimiento 1.7 g similar a la que reportan 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.

Conclusiones

Las características fisicoquímicas del efluente salobre de tilapia mostraron que el pH, oxígeno, carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, calcio, magnesio y nitratos estuvieron dentro de los intervalos óptimos para el cultivo de plantas. En contraste, la conductividad eléctrica, potasio, relación de absorción de sodio, dureza total, solidos disueltos totales, amoniaco y nitritos no estuvieron en los intervalos óptimos.

Con respecto a los coliformes fecales y totales así como las amebas estuvieron en los intervalos permitidos. Por otro lado, el efluente se clasificó en C4 indicando una salinidad alta y ser utilizado en cultivos tolerantes a la salinidad. Éste trabajo de investigación aporta conocimiento sobre el cultivo de plantas herbáceas en condiciones salobres, frecuentes en explotaciones costeras. Esto permite mostrar alternativas de producción integral a las empresas acuícolas y disminuir el impacto ambiental. Asimismo, de las tres especies vegetales herbáceas evaluadas, la hierbabuena (Mentha X verticillata L.) mostró un desarrollo comparable entre los dos sistemas de siembra.

Agradecimientos

Los autores agradecen al C. Francisco Yee Rubio por prestar las instalaciones de su empresa Productos Acuícolas SIN-VER S. A. de C. V., al Colegio de Postgraduados y a la Línea Prioritaria de Investigación 4Agronegocios,Agroecoturismo y Arquitectura del Paisaje del Colegio de Postgraduados, por el financiamiento económico para esta investigación y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por la beca otorgada para estudios de postgrado del primer autor.

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