Etapa I: establecimiento de los sistemas acuapónico e hidropónico

El trabajo se realizó en una casa sombra cubierta con una malla tejida de 20 x 10 hilos en 1 cm² (300 micras) de color cristal. En el suelo del interior de la casa se hicieron dos agujeros, de 70 cm de diámetro y 80 cm de profundidad. En cada uno de ellos, se introdujo un tinaco Rotoplas^® de 250 L de capacidad, uno para el SA y otro para el SH. El suelo alrededor de los tinacos se cubrió de grava blanca, a fin de reflejar los rayos y evitar la absorción de calor. Para el reciclamiento del agua se empleó en cada uno de los sistemas productivos, una bomba Airon^® de 800 L h^-1 y un blower de 1 HP monofásico 110 V y 11.6 A.

En el SA se colocó un biofiltro elaborado con 1 m de material de polietileno de alta densidad (HDPE), corrugado, cortado en trozos y almacenado en una cubeta de 20 L. Luego, se integraron los microorganismos nitrificantes y el 20 de mayo inició el reciclamiento del agua. Las concentraciones (ppm) de amoniaco (NH₃), nitritos (NO₂ ^-) y nitratos (NO₃ ^-) se midieron diariamente (por triplicado) con un kit API máster kit test según el instructivo del kit, a partir de muestras de 5 ml.

Una vez determinada la madurez del biofiltro con la presencia de las bacterias nitrificantes, se introdujeron en el tinaco tres tilapias del Nilo (Oreochromis niloticus L.) con un peso inicial de 500 g cada una, mismas que se alimentaron con croquetas comerciales para peces en desarrollo 3.5 mm (marca Nutripec) enriquecidas con proteínas (32%) y grasas (6%).

Etapa II: desarrollo y rendimiento del cultivo de lechuga

Esta etapa inició el 20 de mayo de 2020. La germinación de la semilla se desarrolló en un cuarto de cultivo agrícola bajo condiciones ambientales controladas: temperatura de 25 °C, humedad relativa de 51% (medido con un termohigrómetro marca Taylor), iluminación artificial provista por una lámpara hortícola de colores azul (470 nm) y rojo (625 nm) de 1.2 m de longitud, marca Arize^TM life.

La semilla se sembró en un sustrato de lana de roca en una charola extra rígida plana con un área de 55 x 28 cm (marca GLL, modelo CH00). Las semillas se hidrataron con un riego dosificado de 2.47 L en total, durante los siguientes 37 días (tiempo necesario para la germinación) a partir de la siembra. El 26 de junio se trasplantaron 19 plántulas de lechuga a los tubos de PVC de cada uno de los sistemas. La infraestructura de los SA y SH tuvieron las dimensiones 3 x 0.5 m, el área de cultivo fue de 1.5 m² (Figuras 1 y 2).

Figura 1 Sistema hidropónico de producción de lechuga. 

Figura 2 Sistema acuapónico en la producción de lechuga. 

Durante el desarrollo del cultivo en el SH se empleó un fertilizante hidropónico de la marca Hort Americas (9-7-37 relación N-P₂O₅-K₂O) y ácido nítrico (HNO₃ al 3%) para mantener el pH en un rango de 6.5-7.6 que es un intervalo adecuado (entre 6.5 y 8.5) según ^{Somerville et al. (2022}). La cosecha de lechuga se efectuó el 29 de julio de 2020. En la producción de los SA y SH se consideró el peso de las plantas (kg) y el rendimiento (kg m^-2). Cuyos valores promedio se compararon con la prueba estadística t de student con un nivel de significancia de 5%, en el programa Excel de Windows, Versión 10.

Etapa III: huella hídrica del cultivo de lechuga en los sistemas acuapónico e hidropónico

La HH total se calculó con el enfoque ‘Step-wise accumulative’, esto significa que la HH de un producto se determinó según las HH de los insumos de cada actividad de la producción, más la HH del proceso completo (^{Hoekstra et al., 2011}). Por ello, las HH del cultivo de lechuga en los SA y SH se determinaron:

1). Para obtener el impacto ambiental expresado en la HH_instalación, previamente se realizó un listado de todos los insumos y materiales utilizados en cada sistema. Los cuales, se pesaron con una balanza digital de la marca Ohaus defender 3000 (sensibilidad 58 - 0.09 kg). La HH_instalación se calculó con la ecuación 2.

2). Donde: la HH_{insumos y materiales} (m³ kg^-1) se refiere a la HH de los insumos y materiales usados en cada sistema (valores consultados en la literatura científica); p= es el peso (kg) de los materiales; producción= es el peso total de las lechugas; y F_vu= (unidimensional) es el factor de vida útil de los materiales (como tubería de PVC y tinaco de HDPE), que relaciona su vida útil (o tiempo de servicio) con el periodo del cultivo desde el trasplante hasta la cosecha (34 días). Así, se obtuvo la HH_instalación relativa al ciclo del cultivo de lechuga.

La HH_producción incluye los volúmenes de agua de: lluvia a campo abierto, agua contaminada en el proceso productivo y aquellos utilizados por el cultivo (ecuación 3):

3). Donde: HHV= huella hídrica verde; HHG= huella hídrica gris; y HHA= huella hídrica azul. Sin embargo, en el cálculo de la HH_producción del presente estudio se excluyeron la HHV (se careció de lluvia que trascendiera la casa sombra) y la HHG (sin evaluaciones de las HH de agroquímicos al inicio y final del experimento).

Por ello, la HH_producción en este estudio fue similar a la HHA. La cual, se valoró para sistemas no convencionales según la ecuación 4:

4). Donde: HHA= es la HH azul: acuapónico e hidropónico; AG= agua para la germinación; AC= es el agua circulante en el sistema; AA= es el agua agregada (lámina de riego, m); (= es la masa producida por superficie (kg m^-2). Una vez obtenidas las HH_{insumos y materiales} y la HH_producción (= HHA), se calculó la HH_total con la ecuación 1.

Desarrollo y rendimiento del cultivo de lechuga (etapa II)

En cada sistema productivo se recolectaron 12 cabezas de lechuga por m² de siembra, el rendimiento obtenido fue el doble en comparación con el SAT, donde se producen de seis a ocho lechugas en 1 m² debido a los espacios entre los canales de riego. El peso total del cultivo (en 1.5 m²= 19 cabezas de lechuga) fue de 1.08 kg en el SA y 1.85 kg en el SH, mientras que los pesos promedios de las plantas fueron 0.056 kg (±0.005) y 0.097 kg (±0.007), respectivamente.

La prueba t de student mostró diferencia significativa (p≤ 0.05) entre los pesos promedios registrados en cada sistema. Los rendimientos fueron de 0.72 y1.23 kg m^-2 en los SA y SH, respectivamente, lo que representó un mayor rendimiento (58.37%) en el SH que en el SA. El SH produjo plantas con mayor peso que el SA (97 y 56 g planta^-1), contrario a lo reportado por ^{Delaide et al. (2016}), quienes señalaron mayor peso en las plantas del SA que aquellas del SH.

Eso se atribuyó a que este estudio se efectuó en condiciones de temperatura ambiente (30 a 40 °C) y del agua elevadas (30 y 37 °C), superiores a los rangos manejados por ^{Delaide et al. (2016}) y los sugeridos por ^{Portillo et al. (2020}) para el desarrollo óptimo del cultivo (15 a 20 °C). Se estimó, que la elevada temperatura del agua en el SA afectó el metabolismo de los peces y redujo su tasa de alimentación, lo que aportó menor cantidad de nutrientes para el crecimiento y producción de plantas en el SA con respecto al SH.

^{Monsees et al. (2019}) registraron un rendimiento 32% menor al valor promedio debido a la temperatura del agua (29 °C): reportaron diferencias en el peso de la lechuga, en el número de hojas y en el área foliar de las cabezas entre el SH y el SA. ^{Lennard y Ward (2019}) destacaron que las altas temperaturas (>2 °C) y los sistemas NFT presentan bajos niveles de oxígeno disuelto en el agua (<5 ppm), lo que afecta la alimentación de las tilapias ya que éstos dejan de comer y de producir compuestos nitrogenados (necesarios para el desarrollo de las lechugas). Por ello, se estimó que la temperatura hídrica registrada en el presente estudio (30 y 37 °C) fue un factor limitante en el rendimiento de absorción nutrimental de las plantas.

En este estudio se detectó una concentración de nitratos de 80 ppm. El NO₃ es el producto final de la oxidación del amonio por las bacterias nitrificantes y es menos tóxico que el NO₂ y el amonio que arriesgan la salud, la sobrevivencia y el desempeño zootécnico de los peces (^{González et al., 2021}). Aunque el NO₃ está presente en bajos niveles en los SA porque es la principal fuente de N de las plantas, ^{Kubitza (2017}) sugiere cantidades entre 100 y 200 mg L^-1 para el crecimiento óptimo de la tilapia.

^{Flores-Aguilar et al. (2020}) sugieren recambiar el agua para eliminar los nutrientes en exceso, evitar la toxicidad y arriesgar la salud de las bacterias nitrificantes y de las tilapias (^{Valenzuela et al., 2017}). ^{Somerville et al. (2022}) señaló que los parámetros de calidad del agua recomendados en los SA para el óptimo desarrollo de los peces son: nitrógeno amoniacal total < 2 mg L^-1 (=1 ppm), nitrito < 1 mg L^-1, oxígeno disuelto > 4 mg L^-1, pH entre 6.5 y 8.5, temperaturas del agua óptima 27-30 °C y vital 14-36 °C.

En el desarrollo del cultivo se agregaron 0.0675 m³ de agua en ambos sistemas: en el SA fue para disminuir el contenido de nitratos y en el SH fue para contrarrestar el aumento generado en la conductividad eléctrica (2.9 dS m^-1) y así, evitar condiciones adversas en el cultivo de la lechuga ya que las raíces dejan de absorber macro y micronutrientes cuando el agua tiene alto contenido de sales minerales (^{Monsees et al., 2019}).

Huella hídrica del cultivo de lechuga en los sistemas acuapónico e hidropónico (etapa III)

La HH_producción (=HHA) del SA (0.2941 m³ kg^-1) fue superior que aquella del SH (0.1721 m³ kg^-1) (Cuadro 1), las HH_{insumos y materiales} (sin considerar el F_vu) guardaron la misma relación (8.1429 y 1.98 m³ kg^-1, respectivamente) (Cuadro 2). Las HH_{insumos y materiales} se consideraron como las ‘huellas hídricas de inversión’ del establecimiento de la infraestructura para los S y SH, cuyos valores incluyeron toda la vida útil de los insumos y materiales. En dichos casos, la HH_total del cultivo de lechuga en el SA fue de 8.437 m³ kg^-1 y en el SH, de 2.15 m³ kg^-1. No obstante, los materiales e insumos se utilizarán en más ciclos productivos, por lo que, al considerar el F_vu, la HH_total del SA fue de 2.6841 m³ kg^-1 y en el SH de 0.1821 m³ kg^-1 (Cuadro 2).

El tema de HH de cultivos de lechuga en SA y SH está en desarrollo, por lo que existe poca literatura científica que permita comparar los resultados obtenidos en este trabajo. Algunas tesis de grado como la de ^{Blandón y Benavides (2020}), registran la HH del SA (NFT) de 6.77 L (0.0067 m³) y la HH con SAT (un riego diario) de 63 L (0.063 m³), en ambos casos para producir una planta de lechuga en un ciclo de 30 días. Los mismos autores señalaron que en el SA, el peso de la lechuga fue diferente: la variedad Auvona se tasó entre 45.4 y 54.06 g, la variedad Batavia, entre 22.26 y 43.86 g, sin reporte del peso de la lechuga en SAT.

Con base en los datos anteriores, si se considera un peso promedio de la variedad Auvona de 49.73 g y de 33.06 g para la variedad Batavia, un kg se conforma por 20 y 30 cabezas de lechuga, respectivamente. Si dichas cantidades se multiplican por la HH que se obtuvo en ese estudio (6.77 L), se generan HH de 135.4 L kg^-1 (0.1354 m³ kg^-1) y 203.1 L kg^-1 (0.2031 m³ kg^-1), correspondientemente. Lo que significa, que la HH_total obtenida en este estudio (2.6841 m³ kg^-1) es 19.82 y 13.22 veces mayor (Cuadro 3).

Esto se atribuyó a que en este estudio se consideró la HH_{insumos y materiales}, mientras que ^{Blandón y Benavides (2020}) no especificaron el procedimiento para calcular la HH. La HH de la variedad Auvona del SAT fue menor que las HH obtenidas en este estudio (HHA del SA= 0.2941 m³ kg^-1, HHA del SH= 0.1721 m³ kg^-1), mientras que la HH de la variedad Batavia fue mayor que la HHA del SH, pero menor que la HHA del SA.

Por otro lado, ^{Caro (2014}) determinó la HH_total de 18 m³ t^-1 (0.018 m³ kg^-1) de la variedad Levistro (Rijk Zwaan) tamaño ‘baby’ producida en SH en invernadero (HHA= 95.4%, HHG= 4.6%) al comparar la HH_total de esa investigación con la propia (0.01821 m³ kg^-1), se observó que aquella fue 10 veces menor. La autora resaltó que, los valores obtenidos están subestimados debido a omisiones de consumos de agua que generarían un incremento en la HH (en las plantaciones en vivero y HH_{insumos y materiales}, entre otros). Sin embargo, la HHA (0.017 m³ kg^-1) que reporta Caro (2014) es similar a la de este estudio (0.1721 m³ kg^-1).

En tanto que, ^{Biswas et al. (2023}) determinaron la HH del cultivo de lechuga bajo SA y en SAT. En el SA la HH fue de 38 cm³ g^-1 (0.038 m³ kg^-1), que fue 70 veces menor que la HH_total de este estudio (2.6841 m³ kg^-1), en el SAT, las HH con manejo de agua corriente y de agua residual fueron 0.077 y 0.026 m³ kg^-1, respectivamente. Los autores indicaron que las HH reportadas representan la medida del volumen total de agua requerida para producir un cultivo, sin especificar si los valores corresponden solamente a la HHA.

Otras investigaciones en SAT como la de ^{Orjuela y Vargas (2016}), señalaron una HH_total de 274.9 m³ t^-1 (0.2749 m³ kg^-1) para la lechuga (38.2% HHV, 32.2% HHA y 29.6% HHG) (Cuadro 3). La HH_total de este estudio fue 9.8 veces mayor que la anterior, así como 3.3 y 1.9 veces superior con respecto a la HHA del SA y SH, respectivamente. Eso se atribuyó a que la HH_{insumos y materiales} de este estudio representó 89% de la HH_total en el SA y 52.5% del SH. Por su parte, Orjuela y Vargas (2016) solo contemplaron la HH de insumos (= HHG; relacionada con la contaminación de los agroquímicos) y no consideraron la HH de materiales.

Autores como ^{Harun y Hanafiah (2018}) determinaron en SAT de lechuga una HH_total 0.2376 m³ kg^-1 y una HHA de 0.0511 m³ kg^-1: la HH_total de ese estudio es 11 veces inferior en contraste con la HH_total de esta investigación, así como las HHA del SA y del SH (5.7 y 3.37 veces, respectivamente). Por su parte, ^{le Roux et al. (2018)} reportaron las HHA en SAT con valores extremos de 0.0313 (verano) y 0.0926 m³ kg^-1 (invierno) (Cuadro 3), las HHA son inferiores que las correspondientes a este estudio.

Al comparar la HH_total del SA y del SH obtenidas en este trabajo con los estudios anteriores, se halló que éstas indicaron valores inferiores con respecto al presente estudio, en el que se utilizó el enfoque ‘Step-wise accumulative’ y que integró la HH_{insumos y materiales} en el cálculo de la HH_total. Aunque algunas de esas investigaciones incluyeron la HH_insumos (agroquímicos), excluyeron el cálculo de las HH_materiales requeridos en las instalaciones de los SA y SH. Las que, al contemplarse en este trabajo, elevaron sustancialmente la HH_total de los SA y SH ya que constituyeron 89 y 52.5% (respectivamente) de su valor. ^{Bautista et al. (2020}); ^{Hoekstra y Mekonnen (2011}) registraron una HH para esta hortaliza en el SAT, de 237 m³ t^-1 (0.237 m³ kg^-1), que es considerado como el valor promedio global (^{Water Foodprint Network, 2016}).

Al contrastar esa HH con la HHA del SA (0.2941 m³ kg^-1) y del SH (0.1721 m³ kg^-1) de este trabajo, se encontró que éstas son 1.24 veces mayor y 0.726 veces menor que la primera, correspondientemente. La HHA del SA es menor con respecto a la HHA de otras hortalizas del SAT, como la espinaca (0.014 m³ kg^-1), el brócoli (0.021 m³ kg^-1) y la cebolla (0.044 m³ kg^-1) (Mekonnen y ^{Hoekstra, 2011}).