Fundamentos
de la tecnología biofloc (BFT). Una alternativa para la piscicultura en
Colombia. Una revisión
1 Ingeniero
en Producción Acuícola, MSc, Estudiante de Doctorado en Ciencias Agrarias;
Instituto de Acuicultura de los Llanos - IALL, Facultad de Ciencias
Agropecuarias y Recursos Naturales, Universidad de los Llanos, Villavicencio,
Meta - Colombia. Email: lfclasso@yahoo.com.
2 Biólogo, MSc, PhD. Fundación Orinoquia, Puerto Carreño, Vichada - Colombia.
2 Biólogo, MSc, PhD. Fundación Orinoquia, Puerto Carreño, Vichada - Colombia.
Resumen
Los sistemas convencionales de producción piscícola
en Colombia empiezan a descender principalmente por la necesidad de grandes
cantidades de agua cada vez más escasa, aumento de la contaminación de los
afluentes de descargue, aumento del costo de los alimentos con gran desperdicio
de los mismos y otros factores ambientales adversos como sequías en grandes
áreas del territorio e irregulares volúmenes de producción por unidad de área o
volumen. Por lo anterior la búsqueda de nuevas posibilidades de producción
piscícola que sean amigables con el ambiente, incluyentes socialmente y
rentables son cada vez más apremiantes. Una de las alternativas que empiezan a
cautivar el interés de los piscicultores es el sistema de producción
súper-intensiva con tecnología biofloc (BFT), la cual se sustenta en aprovechar
la acumulación de residuos de los alimentos, materia orgánica y compuestos
inorgánicos tóxicos a través de microorganismos presentes en los medios
acuáticos, dando condiciones de dominancia a comunidades autótrofas y
heterótrofas, resolviendo sustancialmente los problemas de saturación de
nutrientes a partir de su reciclaje, en este sentido el objetivo de la presente
revisión es presentar los fundamentos básicos de la BFT, como una alternativa
de producción piscícola.
Palabras clave:
Microorganismos, tecnología biofloc, piscicultura, nutrientes.
Abstract
Conventional systems for
fish production in Colombia begin to decline mainly due to the need for large
quantities of increasingly scarce water, increasing pollution of the
tributaries of discharge, increased cost of food with great waste of these and
other factors adverse environmental and droughts in large areas of territory
and different volumes of production per unit of area or volume. Therefore the
searches for new potential for fish production is environmentally friendly,
socially inclusive and profitable are becoming more pressing. One of the
alternatives that are beginning to captivate the interest of farmers is the
system of super intensive production bioflocs technology (BFT), which is based
on the accumulation of waste seize food, organic and inorganic toxic compounds
through of microorganisms in aquatic environments, giving dominance conditions
and heterotrophic to autotrophi production.
Key words: Microorganisms, bioflocs
technology, fish production, nutrients.
Resumo
Os sistemas convencionais de produção de peixes na
Colômbia começam a diminuir, devido, principalmente, à necessidade de grandes
quantidades de água cada vez mais escassa, aumentando a poluição dos afluentes
da descarga, aumento do custo de alimentos com grande desperdício de estes e
outros fatores adverso ambiental e secas em grandes áreas de território e os
volumes irregulares de produção por unidade de área ou volume. Por isso, a
busca por um novo potencial para a produção de peixes que são respeitadores do
ambiente, socialmente inclusiva e rentável é cada vez mais premente.
Uma das alternativas que estão começando a cativar
o interesse dos agricultores é o sistema de superintesivo tecnologia de
produção bioflocos (BFT), que se baseia na acumulação de resíduos aproveitar
alimentos, orgânicos e inorgânicos por meio de compostos tóxicos de
microrganismos em ambientes aquáticos, dando condições de dominância e
heterotróficos às comunidades autotrophic resolver substancialmente os
problemas de saturação de nutrientes provenientes da reciclagem, nesse sentido,
o objetivo desta revisão é apresentar os conceitos básicos da BFT, como uma
alternativa para a produção de peixe.
Palavras-chave: Microorganismos,
bioflocos tecnología, produção de peixes, nutrientes.
Introducción
En la actualidad la comunidad mundial se enfrenta a
retos relacionados con atender las necesidades apremiantes de alimentación y
nutrición de una población creciente con recursos naturales finitos (FAO,
2012), por ello la Organización Mundial de la Salud (WHO 2003) dentro de sus
estrategias recomendó el aumento del consumo de pescado para mejorar las
expectativas de vida y salud de las personas, en consecuencia en los últimos
años el interés en los productos de la acuicultura ha aumentado, lo cual se ve
reflejado en las cifras de producción acuícola mundial reportadas para peces
comestibles, donde se muestra un incremento en la tasa media anual del 8.6 %
desde la década del ochenta llegando a 66,6 millones de TM en el 2012 (FAO,
2014), en América Latina tal incremento llega al 10% en 2010 (1,9 millones de
TM).
En un contexto nacional la producción piscícola en
Colombia ha tenido un crecimiento promedio anual desde 1990 del 12%, llegando
en el 2011 a 74.270 TM, de las cuales 99,9% provienen de la piscicultura
continental, siendo las tilapias las más producidas con un 65 %, seguido por la
cachama blanca (Piaractus brachypomus) con un 21 %, de estos datos el
66% del volumen total de producción corresponden a cultivos semintensivos en
estanques en tierra y 34% cultivos intensivos en jaulas (AUNAP, 2013).
El aumento de la producción de peces en Colombia,
como en el resto del mundo, también ha generado crecientes problemas, el principal
de ellos la eutrofización por descargas de nutrientes, componentes orgánicos e
inorgánicos (amonio, fósforo, materia orgánica, carbono orgánico disuelto y
sólidos suspendidos), los que son responsables de la polución, nitrificación y
enterramiento de comunidades bentónicas en los ecosistemas receptores (Martínez
et al., 2010). El segundo conflicto que genera la piscicultura en
Colombia es el uso de grandes volúmenes de agua con producciones irregulares y
relativamente bajas por unidad de volumen, aspecto ambientalmente adverso que
unido a la pérdida creciente de oferta de agua nacional vuelven los sistemas
piscícolas extremadamente frágiles.
Por lo anterior, se han implementado en el mundo y
en el país nuevas formas de producción más amigables con el ambiente (menos
contaminantes y más ahorradoras de agua entre otras propiedades), las recientes
tecnologías irrumpen prometedoras porque además son más eficientes
productivamente aunque de ellas se conozca muy poco y no se sepa de muchos
aspectos técnicos y de otros insumos importantes para esos sistemas (Atencio et
al., 2013).
Una de las más atractivas tecnologías es la de los
biofloc, la cual se basa en aprovechar los residuos de los alimentos, materia
orgánica y compuestos inorgánicos tóxicos (los cuales conlleva al deterioro de
la calidad del agua y al poco aprovechamiento del alimento natural), a través
de microorganismos presentes en los medios acuáticos, dando condiciones de
dominancia a comunidades bacterianas quimio / foto autótrofos y heterótrofas, resolviendo
así sustancialmente los problemas de saturación de nutrientes a partir de su
reciclaje (Avnimelech, 2009).
Esta revisión pretende colocar en un solo escrito
los avances hasta el momento relacionados con los diferentes aspectos de orden
técnico que gobiernan el mundo de los biofloc y de sus uso para la producción
acuícola, como una contribución al estudio, comprensión y desarrollo de los
mismos.
Generalidades de la tecnología biofloc
El trabajo clave que dio inicio al estudio de la
tecnología fue el de Azam et al., 1983, en el que se hace un
acercamiento al papel y la dinámica que cumplen los microorganismos en un
sistema acuático natural, en este sentido estos autores plantean el
aprovechamiento por el "microcosmos acuático", del carbono dispuesto
en el agua en condiciones ricas en nitrógeno, comprobando que las bacterias
fijan carbono como fuente de energía y aprovechan el nitrógeno para la síntesis
de proteínas; bajo este supuesto el denominado 'microbial loop', término
acuñado en el artículo en cuestión, incluye el papel desempeñado por las
bacterias en relación con el carbono y los ciclos de nutrientes (red trófica
microbiana), la que se caracteriza por reciclar nutrientes. La dinámica general
es el resultado de varias relaciones ecológica (comensalismo, competencia,
depredación entre otras), siendo entonces una micro-red trófica paralela a la
cadena trófica convencional; el principio productivo nace del consumo directo
del carbono contenido en la materia orgánica disuelta (MOD), por las bacterias
heterotróficas y el pico-plancton (10-20 µ), biocarbono que se produce en los
ecosistemas tras las primeras etapas de degradación de la materia orgánica
(excrementos, restos de plantas, organismos muertos etc.), son por tanto
organismos consumidores, que son alimento a su vez, de otros microorganismos
(flagelados y ciliados por ejemplo), construyéndose así en entramado trófico.
Las explicaciones dadas a las interacciones de ese
pequeño cosmos en ambientes acuáticos naturales dio inicio a investigaciones que
buscaban contrarrestar la acumulación de compuestos nitrogenados especialmente
amonio y nitritos en los sistemas de producción de especies acuáticas, así
nació el concepto de biofloc, como el de una comunidad constituida de
microorganismos asociados entre sí en un sustrato suspendido o flotante que
responde a una dinámica de malla trófica que se inicia en heterótrofos capaces
de fijar carbono desde las sustancias y partículas orgánicas en el agua y cuya
densidad se sitúa entre 10 y 1.000 millones de células microbianas/cm3
(Burford et al., 2004). La comunidad de biofloc es de forma irregular,
deformable, porosa, de tamaño indefinido (desde pocas micras hasta varios
centímetros de diámetro), y más denso que el agua por lo que tienden a
sedimentarse lentamente (Martínez et al., 2010). Funcionalmente es un
complejo donde ocurren al mismo tiempo actividades autotróficas y
heterotróficas utilizando aportes exógenos (Ebeling et al., 2006). Cada
biofloc es también un micronicho con necesidades fisiológicas particulares
según este agregado y en el que cohabitan procesos complementarios aeróbicos y
anaeróbicos siendo las interacciones que se producen piezas claves para el
mantenimiento de la calidad de las aguas (Ray et al., 2010; Okabe y
Watanabe, 2000).
Teniendo en cuenta lo anterior el uso y cultivo de
los biofloc microbianos a partir de una alta relación de C:N en el agua, ha
sido empleado para acuicultura como un sistema alternativo super-intensivo de
producción, siendo que el nitrógeno proviene del alimento no consumido y de la
excreción propia de la especie de cultivo y el carbono de la adición de una
fuente externa de carbohidratos, con poco o nulo recambio de agua y una alta
oxigenación (Emerenciano et al., 2013; Monroy-Dosta et al., 2013;
Avnimelech, 2012a; Craig et al., 2012; Emerenciano et al., 2012;
Kubitza, 2011).
El desarrollo de los conceptos y aplicaciones
referidas han dado origen al abreviado BFT(del inglés Bio-Floc Tecnology), que
además se fundamenta en mantener las condiciones de calidad del agua en
relación con la fijación y control del nitrógeno inorgánico toxico (NH4,
NH3, NO2 y NO3), y en generar "in
situ", proteína microbiana aprovechable como alimento por la especie
cultivada (Ekasari et al., 2014; Emerenciano, 2013; Monroy-Dosta et
al., 2013; Craig et al., 2012; Kubitza, 2011; Avnimelech, 2009; De
Schryver et al., 2008; Azim et al., 2008; Hari et al.,
2004).
La BFT es una forma de producción en acuicultura
super-intensiva, que se desarrolla dinámicamente en la actualidad pues resulta
que es capaz de enfrentar retos propios de la actividad, como el aumento de la
biomasa por volumen de agua y la utilización cada vez más reducida de agua, el
desafío en concreto es producir más en menos volumen de agua y al menor costo
ambiental posible, es decir en el marco de los paradigmas de sostenibilidad
(Avnimelech, 2009). Aunque falta mucho por conocer, el hecho que la BFT trate
conceptualmente los residuos como una oportunidad de producción in situ,
lo hace una alternativa posible y amigable con los ecosistemas porque al tiempo
que economiza agua y recicla nutrientes, descarga pocos contaminante
(Wasielsky, 2006).
Sobre los compuestos nitrogenados en acuicultura
Como se sabe todos los sistemas de producción
piscícola generan desperdicios (constituidos por material sólido, alimento no
consumido, heces y materiales solubles como fósforo y nitrógeno), y productos
de excreción (de los peces en cultivo), en especial esto es cierto cuando se
usa grandes raciones para la alimentación, agudizándose con el aumento de la
biomasa que demanda más alimento (Sagratzki et al., 2004; Gelineau et
al., 1998).
El N puede estar presente en los ambientes
acuáticos en formas de nitrato (NO3-), nitrito (NO2-),
amonio ionizado (NH4+), amonio no ionizado (NH3),
óxido nitroso (N2O), óxido nítrico (NO), nitrógeno molecular (N2),
nitrógeno orgánico disuelto (péptidos, purinas, aminas, aminoácidos) y como
nitrógeno orgánico particulado (Hernández y Vargas, 2003), de todas estas
formas de nitrógeno, los nitratos y el amonio son los más importantes para los
ecosistemas acuáticos, por cuanto constituyen la fuente principal de N
biodisponible para la generación de cadenas tróficas, siendo que el amonio (NH3)
y el nitrito (NO2) son tóxicos para los peces y se convierten en un
factor limitante para el crecimiento y sobrevivencia de estos en cultivo, así
removerlo o transformarlo en nitrógeno no toxico es esencial cuando se pretende
aumentar la biomasa del sistema y disminuir los riesgos (Avnimelech, 2009;
Ebeling y Timmons, 2006; Hargreaves, 1998).
Los niveles de proteína del concentrado
suministrado normalmente en acuicultura oscilan entre el 20 y 45%, del cual
aproximadamente el 16% es nitrógeno (Craig y Helfrich, 2002), y de este cerca
del 75% es aportado al medio de cultivo por excreción y alimento no consumido
(Craig et al, 2012; Avnimelech, 2009; De Schryver, 2008; Piedrahita,
2003; Hargreaves, 1998). El metabolismo del alimento ingerido termina con la
formación de amonio ionizado y no ionizado que es excretado principalmente por
las branquias al agua, la suma de estas formas de amonio NH4+
+ NH3 se le denomina Nitrógeno Amoniacal Total (NAT), en cultivos de
peces la forma no ionizada NH3 es altamente toxica y la
concentración letal varía entre especies en un rango de 1 - 2 mg/L,
agudizándose cuando la concentración de oxígeno es baja (Avnimelech, 2009), el
aumento del amonio no ionizado depende también del aumento del pH, de la
temperatura y de la salinidad (Ebeling et al., 2006; Timmons et al.,
2002), en presencia de microorganismos fotoautótrofos las concentraciones de NH3
aumentan en horas de la tarde cuando el pH y la temperatura están en niveles
altos y el CO2 es mínimo.
Ruta de los compuestos nitrogenados en cultivos
biofloc
La BFT busca maximizar el potencial de los procesos
microbianos dado a que la variedad de bacterias en un contenedor, son capaces
de degradar las diferentes formas de nitrógeno incluidas las más nocivas para
los peces (Avnimelech, 2009). Tres grupos de microbíota de remoción de los
compuestos nitrogenados del agua son ampliamente conocidas, todas ellas en
diferente grado pueden interactuaren sistemas biofloc, así: asimilación por
algas, oxidación por bacterias quimioautótrofas y asimilación por bacterias
heterotróficas (Ray y Lotz, 2014);a las cuales si se les suma otros organismos
como zooplancton, hongos y nematodos, todos abundantes por la casi infinita
capacidad reproductiva que poseen, los cuales en conjunto consiguen el control
casi absoluto de los desechos del nitrógeno (Monroy-Dosta et al., 2013;
Wilén et al., 2008; Jorand et al., 1995).
Tanto en ambientes acuáticos naturales como en
cultivo, los organismos relacionados con el ciclo del nitrógeno recuperan los
nutrientes volcados a las aguas, disminuyendo los compuestos nitrogenados
tóxicos al degradar los restos de alimento no consumido, las excretas y heces
(Moss, 2002), siendo los mayores productores acuáticos (hasta el 70% de la
productividad total de cualquier cuerpo de agua) (Crab et al., 2010),
manteniendo las calidades de las mismas (Tzachi et al., 2012; Ebeling et
al., 2006), sirviendo de alimento a la gigantesca red trófica que nace de
ellos y que termina nutriendo los peces en cultivo (Abreu et al., 2007)
y controlando los patógenos (De Schryver et al., 2008, Crab et al.,
2007). El conjunto de toda las formas vivas asociadas y relacionadas con un sin
número de partículas orgánicas e inorgánicas con las que forman películas en
las paredes de los contenedores o aglomerados amorfos suspendidas en la columna
de agua (biofloc), los cuales se mantienen unidos por una matriz de mucosidad
que es secretada por las propias bacterias y los microorganismos filamentosos
que los componen y por atracción electrostática (Avnimelech et al.,
2008, De Schryver et al., 2008).
La BFT entonces en la práctica consiste en el
manejo de las comunidades microbianas, ello es lo que determina el éxito del
sistema basado en la transformación de los compuestos nitrogenados en el agua,
asunto que según Ebeling et al., (2006), se consigue de diferentes
maneras, como se presenta a continuación:
Las bacterias heterotróficas presentan la siguiente
reacción metabólica que incluyen la descomposición del amonio para
transformarlo en biomasa bacteriana:
NH4
+ C6H12O6 + HCO3 + O2 → C5H7O2N
+ H2O + CO2
El balance estequimétrico de las reacciones
anteriores indicará que para remover 1 g de amonio, el consumo de carbohidratos
será igual a 15,2 g, alcalinidad = 3,6 g y oxígeno = 4,7 g, produciendo sólidos
en suspensión volátiles (SSV) = 8 g y CO2 = 9,7 g. Dicho en otros
términos por cada gramo de NAT producido en un tanque de cultivo, es necesario
añadir aproximadamente ≈ 20 gramos de hidratos de carbono (C:N de 20:1)
(Avnimelech, 1999), una consecuencia directa de la adición de carbohidratos
para lograr estas proporciones es el aumento de la demanda de oxígeno disuelto,
atribuido a las reacciones químicas propias de las bacterias heterótrofas
(Schveitzer et al., 2013).
Para las bacterias quimioautotróficas, las
reacciones de metabolismo incluyen la descomposición del amonio (NH3)
en nitrito (NO2) y después en nitrato (NO3), para
finalmente a través de reacciones anaeróbicas por proceso de des-nitrificación,
en nitrógeno atmosférico (N2):
NH4
+ O2 + HCO3 → C5H7O2N
+ NO3 + H2O + CO2
El balance de las anteriores reacciones indicará
que para transformar 1 gramo de amonio, el consumo de alcalinidad = 7,0 g;
oxígeno = 4,2 g y se produce SSV = 0,2 g; CO2 = 5,9 g y NO3
= 0,98 g.
El análisis de las dos reacciones anteriores
muestra que las bacterias quimioautotróficas nitrificantes presentes en el
biofloc requieren menos carbohidratos para la transformación y remoción de
nitrógeno, con la consecuente disminución en la demanda de oxígeno (Avnimelech,
2006; Ebeling et al., 2006), en este sentido la relación C:N sería de
15-10: 1 (Avnimelech, 2012b), siendo que las dos vías (bacterias autótrofas y
heterótrofas)para la eliminación de nitrógeno son diferentes en términos de la
utilización del sustrato, la biomasa bacteriana que generan y los subproductos
que producen, sin embargo debido a la menor velocidad de reproducción de las
bacterias nitrificantes, se necesita la presencia de bacterias heterótrofas
especialmente en los primeros días de cultivo para asegurar el secuestro y la
reducción de amoníaco producido. Las bacterias quimioautotróficas necesitan
alrededor de 30 días para su establecimiento en el tanque de cultivo (Timmons y
Ebeling, 2010).
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