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Introducción
La acuaponía es un sistema de producción de alimentos donde se producen simultáneamente peces y vegetales (Rakocy, Masser y Losordo, 2006), sus inicios se remontan a principios de 1970 (Goddek, Joyce, Kotzen y Burnell, 2020) El sistema de producción mencionado, funciona utilizando el efluente proveniente de un sistema acuícola rico en nutrientes para la fertilización de cultivos vegetales, y es un sistema de producción sustentable (Yep y Zheng, 2019).
La elección de un sistema hidropónico es crucial en el éxito de la acuaponía, ya que modifica las interacciones planta-peces-microrganismo (Love et al., 2014). En la actualidad los sistemas hidropónicos más utilizados son camas flotantes, película nutritiva y cultivo en sustrato. Este último es el más utilizado (Maucieri et al., 2018) debido a su bajo costo de instalación, simplicidad, una mejor distribución de la solución nutritiva y una mayor aireación (Lennard y Leonard, 2004), además de proveer superficie para las bacterias nitrificantes indispensables para la acuaponía.
El tezontle es una roca basáltica, volcánica y porosa que se encuentra en centro de México (Rodríguez-Delfín, 2012). Es ampliamente utilizada en cultivos hortícolas como un medio de cultivo, comúnmente utilizada con un tamaño (granulometría) de 0.25 mm (Rodríguez-Díaz, Salcedo, Rodríguez, Gonzáles y Munguía, 2013). En una investigación realizada por Ortega-Martínez, Martínez, Ocampo, Sandoval y Pérez (2016) se encontró que la utilización de tezontle aumenta el rendimiento en el cultivo de tomate (Solanum lycopersicum L.), en comparación con el suelo y sustratos como fibra de coco y mezcla aserrín-composta.
El objetivo de este estudio fue analizar los efectos del uso de diferentes granulometrías del sustrato denominado tezontle en plantas de 3 especies (tomate, lechuga y pepino) en un sistema acuapónico de recirculación.
Materiales y Métodos
El experimento se ubicó en las instalaciones del Colegio de Postgraduados campus Montecillo, municipio de Texcoco, Estado de México. Se utilizó un invernadero de plástico UVII-720 de 50 m2 para albergar el experimento. La siembra del tomate y pepino se llevó a cabo el 20 de marzo, el 80% de la germinación de ambas semillas ocurrió a los 13 días después de la siembra (abril 3) y a los 39 días se llevó a cabo el trasplante (12 de mayo) y finalizó el 1 de agosto de 2021, es decir, 80 días de seguimiento. La lechuga se sembró en semillero el 13 de mayo, se trasplantó el 20 del mismo mes y se muestrearon y cosecharon el 30 de junio (32 ddt).
El sistema acuapónico (Figura 1) se estableció utilizando 12 recipientes de 120 L como estanques para los peces, 12 tinas de 240 L para establecer las plantas y una bomba de aire de 120 L min-1 para suministrar oxigenación auxiliar a los estanques. Se establecieron 3 cultivos: tomate (Solanum lycopersicum var. El Cid), pepino (Cucumis sativus var. Pointseed) y lechuga (Lactuca sativa var. Parris). Estos cultivos fueron trasplantados en 3 granulometrías de tezontle: diámetro de partícula menor a 1 cm ((<1), mayor a 5 cm ((>5) y mezcla 50:50 % (v:v) de ambas granulometrías (<1:>5), colocando el tezontle con mayor granulometría en la parte superior, con el fin de simular un filtro. Las granulometrías fueron escogidas con el propósito de encontrar un sustrato para acuaponía, debido a que un tezontle más pequeño proporciona una mayor retención de humedad y sólidos disueltos además de tener una mayor superficie, por otro lado granulometrías mayores proporcionan mayor capacidad de aeración ayudando al proceso de nitrificación bacteriana (Vargas-Tapia et al., 2008) Alrededor de 1.2 kg (3 organismos en total) de tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus) fueron colocados en los estanques.
Las variables medidas en los cultivos fueron los iones K+, Ca2+ y NO3- en el efluente proveniente de la tubería del drenaje de la cama del tezontle, utilizando los equipos de la marca Horiba modelos LAQUAtwin-K-11, LAQUAtwin-Ca-11 y LAQUAtwin-NO3-11. En los estanques se monitoreó el peso de los peces para tener control de biomasa.
Se tomaron lecturas con el equipo atLEAF CHL STD en todos los cultivos, tomando directamente de las hojas recientemente maduras, una vez capturado los datos los valores obtenidos fueron convertidos a lecturas SPAD utilizando la metodología descrita por Zhu, Tremblay y Liang (2012).
Se cuantificó el crecimiento vegetativo de los cultivos midiendo la altura de la planta y diámetro del tallo utilizando un vernier Truper CALDI-6MP y una cinta métrica, además de cuantificar la cantidad de hojas en el caso de la lechuga.
Se cosecharon 5 racimos de tomate, de los cuales se tomaron 3 para hacer análisis de calidad de fruto en el laboratorio y 2 para hacer pruebas de días en el anaquel. En el laboratorio se extrajo el jugo a los tomates utilizando un extractor de jugos Hamilton Beach modelo 67606, con el fin de tomar la cantidad de iones de K+, Ca2+, NO3- y Na+, conductividad eléctrica y pH con ionómetros, conductímetros y potenciómetros Horiba modelos LAQUAtwin-Na-11, LAQUAtwin EC-33, LAQUAtwin pH-33, además de los ya mencionados anteriormente: grados Brix con un refractómetro modelo HI96801 marca Hanna y acidez titulable utilizando la metodología descrita por San Martín-Hernández, Ordaz, Sánchez, Beryl Colinas y Borges (2012). A todos los racimos se les determinó peso, largo, ancho y grados Brix del fruto.
Se hicieron 2 cortes de pepino, se obtuvo el peso y sus medidas de largo y ancho, el primer corte se utilizó para medir su firmeza para calidad de fruto, mientras que el segundo fue para medir días en el anaquel utilizando la metodología descrita por Ramírez et al. (2004).
Al momento de la cosecha de la lechuga se cortó la parte área de la planta, se tomó el peso fresco y se extrajo el extracto celular tomado desde la nervadura central de la hoja (EC) con una jeringa de 20 mL tomando las lecturas para K+, Ca2+, NO3- , Na+, pH y CE en el extracto con los ionómetros Horiba previamente mencionados.
El monitoreo de la temperatura ambiental y de la humedad relativa dentro del invernadero se tomó con un sensor DHT 22 (AM2302) y se utilizó un sensor digital sumergible Ds18b20 para tomar la temperatura de las tinas con peces. Los sensores se programaron con una placa Arduino nano v3 para tomar una lectura cada 30 minutos y grabados en una memoria SD, posteriormente los datos fueron extraídos y analizados.
Resultados y Discusión
Temperatura y humedad relativa
La temperatura ambiental dentro del invernadero osciló de 7.2 a 43.7 °C, con un promedio de 20.13 °C. La temperatura más baja en los estanques de los peces fue de 13.75 °C y la más alta de 27.25 °C con un promedio de 20.9 °C. En cuanto la humedad relativa, por las noches se mantuvo a 99% debido a la constante recirculación del agua en las tinas, llegando a descender a 22.5% alrededor de las 12 pm, con un promedio de 79.03%. Las condiciones climáticas fueron las para el cultivo de plantas y peces, aunque se tuvieron registros de temperaturas bajas no causaron daños a las plantas o a los peces (FAO, 2014).
Crecimiento vegetativo
La altura de las plantas de tomate a los 28 ddt fue similar en todos los tratamientos (Cuadro 1), las plantas de tomate llegaron a altura máxima que permitía el invernadero (130 cm) a partir de la semana 6, teniendo una tasa de crecimiento promedio de 1.3 cm día-1. El pepino tardó 56 días en llegar a su altura máxima en todos los tratamientos, con una tasa de crecimiento promedio de 2.2 cm día-1. La lechuga alcanzó su máxima altura a los 32 días) con una altura de 20 cm en todos los tratamientos con una tasa de crecimiento promedio de 0.6 cm día-1.
Cuadro 1: Altura promedio en centímetros de las plantas de tomate, lechuga y pepino, en tres tamaños de partícula de tezontle, n estadios iniciales de cada cultivo.
Table 1: Average height in centimeters of tomato, lettuce, and cucumber plants in three particle sizes of tezontle in the early stages of each crop.
| Tezontle | Tomate | Pepino | Lechuga | |||||
| cm | 12-may | 25-may | 07-jun | 25-may | 07-jun | 26-jun | 07-jun | 26-jun |
| ddt† | 0 | 14 | 28 | 0 | 14 | 28 | 14 | 28 |
| < 1 | 74.4a‡ | 118.5a | 124.1a | 8.0a | 32.7a | 77.1a | 10.0a | 20.6a |
| 50-50 | 72.7a | 117.0a | 123.3a | 7.4a | 23.3a | 80.5a | 11.2a | 20.7a |
| > 5 | 70.2a | 118.2a | 124.3a | 7.4a | 26.1a | 79.4a | 8.2a | 20.0a |
| DMSH | 10.8 | 9.8 | 5.7 | 1.5 | 19.3 | 40.8 | 3.1 | 6.6 |
† días después del trasplante, ‡ Promedios con distintas letras son estadísticamente diferentes (Tukey; P ≤ 0.05; DMSH = diferencia mínima significativa honesta).
† days after transplant, ‡ Means with different letters are statistically different (Tukey; P ≤ 0.05; DMSH = honest least significant difference).
El diámetro del tallo del tomate a los 28 ddt en el tratamiento de partículas < 1 cm presentaron un crecimiento mayor respecto a partículas de tezontle > a 5 (Cuadro 2). Esto se explica porque en partículas menores hay mayor superficie y mayor retención de agua; que permite mayor crecimiento de bacterias nitrificantes y de bacterias promotoras del crecimiento (Sánchez-López, Gómez, Garrido y Bonilla, 2012). En el caso de pepino, datos no mostrados, no hubo diferencias significativas en diámetro del tallo. En el caso de lechuga no es posible hacer mediciones precisas del diámetro del tallo porque la mayoría de hojas en luchuga derivan del mismo en forma compacta y no es posible o confiable tomar lecturas en este cultivo.
Table 2: Tomato stem diameter in millimeters in three sizes of tezontle particles.
| Tezontle | Tomate | |||||
| cm | 12-may | 25-may | 07-jun | 26-jun | 10-jun | 27-jul |
| ddt | 0 | 14 | 28 | 42 | 57 | 76 |
| < 1 | 10.5a†† | 13.1a | 14.8a | 16.9a | 17.5a | 18.4a |
| Mezcla 50-50 | 10.6a | 12.3a | 13.8ab | 15.6a | 17.2a | 17.6a |
| > 5 | 9.7a | 12.0a | 13.4b | 15.19a | 15.6a | 17.0a |
| DMSH† | 1.2 | 1.96 | 1.06 | 2.24 | 2.31 | 3.13 |
† DMSH = diferencia mínima honesta significativa, †† Promedios con distintas letras son estadísticamente diferentes (Tukey, P ≤ 0.05).
† DMSH = Honest Significant Least Difference, †† Means with different letters are statistically different (Tukey, P ≤ 0.05).
Lecturas spad
No se encontraron diferencias estadísticamente significativas en las lecturas SPAD en pepino y la lechuga (Figura 2), pesar de que en el momento del trasplante del pepino se presentaron hojas cloróticas llegando a tener valores SPAD por debajo de los 47.3 unidades en todos los tratamientos, esto factiblemente causado por una deficiencia de micronutrientes, las cuales se corrigieron dos semanas después del trasplante llegando a tener valores superiores a los 55.1 unidades en todos los tratamientos. Estas deficiencias se presentaron en todos los tratamientos acuapónicos, atribuido al pH por arriba de 7.8 en el efluente, situación que en la matriz del suelo y en la solución del mismo disminuye la disponibilidad de micronutrimentos (Neina, 2019).
Las lecturas SPAD del tomate y pepino se incrementaron con el paso del tiempo y no se detectaron diferencias significativas entre tratamientos de tamaño de partícula (Figura 2). En el caso de lechuga las lecturas SPAD no presentan cambios de uno a otro muestreo. Las lecturas SPAD del tomate y pepino fueron similares a las reportadas por Schmautz et al. (2016) en cuanto a que al inicio son menores, aumentan y vuelven a disminuir, lo cual se relaciona con la acumulación de nutrimentos en hoja en la etapa vegetativa y posterior movilización de nutrimentos hacia los frutos.
Calidad del agua
La concentración de NO3 -, K+ y Ca2+ en el efluente de las tinas fueron similares (Figura 3), es decir, todos los tratamientos mantuvieron la misma concentración a lo largo del tiempo que duró el experimento. En el caso del K+, al mes de trasplante su concentración descendió a niveles indetectables por el equipo (< 4 mg L-1).
El pH en el agua proveniente del pozo tenía un pH de 6.9 ± 0.1; al momento de llenar los estanques la excreta de los peces en el trascurso de un día subió el pH hasta 7.8 en todos los tratamientos, estos valores de pH se mantuvieron a lo largo del experimento. Por otro lado, la conductividad eléctrica inició con valores 0.44 mS cm-1, teniendo un valor máximo de 0.55 mS cm-1 en todos los tratamientos. A pesar de tener las condiciones ideales para el proceso de nitrificación (Másmela-Mendoza, Lizarazo y Aranguren, 2019) y tener un suministro constante de alimento para peces, la concentración de NO3 -, K+ y Ca2+ estuvieron por debajo de lo recomendable para el cultivo del tomate y pepino (Gómez y Sánchez, 2003; Parker et al., 2019), posiblemente debido a una baja biomasa de peces (3.92 g L-1), a pesar de esto no se detectaron deficiencias visibles de nitrógeno y potasio, únicamente se presentó pudrición apical en el fruto del tomate causado por una deficiencia de calcio.
Rendimiento y calidad de fruto tomate
La primera cosecha de tomate inició 47 ddt, en total se cosecharon 5 racimos, los pesos promedios del racimo se muestran en el Cuadro 3. No se encontraron diferencias estadísticas significativas en el peso del racimo. A pesar de tener una baja concentración de nutrientes en el efluente (Villalobos-Reyes y González-Pérez, 2016), se tuvieron altos rendimientos de 4.98 kg planta-1 con granulometría < 1 cm, 4.65 kg planta-1 con mezcla 50-50 y 4.43 kg planta-1 > 5 cm, probablemente la utilización de sustrato como medio para la hidroponía ayudó a retirar y conservar los nutrientes para el efluente de las tinas.
Cuadro 3: Efecto de la granulometría del tezontle en el peso de los racimos del tomate en un sistema acuapónico.
Table 3: Effect of tezontle particle size on tomato cluster weight in an aquaponic system.
| Tezontle | Peso de racimos de tomate | |||||
| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - g racimo-1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - | ||||||
| cm | 12-may | 25-may | 07-jun | 26-jun | 10-jun | Total |
| < 1 | 892 | 898 | 1103 | 1031 | 1282 | 5206 |
| Mezcla 50-50 | 862 | 919 | 859 | 775 | 1457 | 4872 |
| > 5 | 1060 | 1030 | 570 | 857 | 1061 | 4578 |
| CV (%) | 16.3 | 39.9 | 39.2 | 24.6 | 24.9 | 31.2 |
CV = coeficiente de variación.
CV = coefficient of variation.
En el peso promedio del fruto el tratamiento con tezontle <1 cm fue superior en los racimos 3 y 4 en comparación con los tratamientos con tezontle > 5 cm y mezcla 50-50, mientras que en los racimos 1, 2 y 5 no se encontraron diferencias (Cuadro 4) destacando que no se hizo poda de frutos en los racimos del tomate con el fin de tener la mayor cantidad de tomates por racimo.
Table 4: Average weight of tomato fruits in three tezontle particle sizes.
| Tezontle | Peso promedio del fruto del tomate | ||||
| - - - - - - - - - - - - - - - - - g fruto-1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - | |||||
| cm | Racimo 1 | Racimo 2 | Racimo 3 | Racimo 4 | Racimo 5 |
| < 1 | 153.3a† | 149.9a | 171.1a | 164a | 159.7a |
| Mezcla 50-50 | 151.6a | 152.3a | 156.9ab | 142.9ab | 137.8a |
| > 5 | 151.3a | 161a | 132.8b | 137b | 139.8a |
| DMSH | 25.7 | 36.6 | 37.1 | 25.0 | 40.0 |
† Promedios con letras disímiles presentan diferencia estadísticamente significativa (Tukey, P ≤ 0.05).
† Averages with dissimilar letters show statistically significant difference (Tukey, P ≤ 0.05).
La calidad del tomate no se vio afectada por tamaño de partícula del sustrato. La firmeza de los tomates fue similar en todas las granulometrías teniendo promedios de 1.93, 2.06 y 1.96 kg/cm2 respectivamente a los tratamientos > 1 cm, mezcla 50-50 y < 5 cm. Al igual que los °Brix, no se encontraron diferencias, se registró un decremento de °Brix en el quinto racimo, esto posiblemente causado por los días 10 nublados final de la experimentación, afectado la temperatura el interior del invernadero teniendo valores máximos inferiores a los 25 °C durante el día, comparados con días anteriores superaban los 30 °C durante el día.
La concentración de iones de Ca2+ en el fruto del tomate fue < 4 mg L-1, siendo indetectable por el equipo y lo suficientemente bajo para causar pudrición apical (Parra-Terraza, Villarreal, Sánchez, Corrales y Hernández, 2008), aun así únicamente deficiencias de Ca se presentaron en el quinto racimo y solamente en 2 frutos con pudrición apical en los tratamiento con granulometría < 1, 2 frutos con pudrición apical en el tratamiento de mezcla 50-50 y 3 frutos con pudrición apical en el tratamiento con partícula de tezontle >5 cm.
La concentración de los iones NO3 -, K+ y Ca2+ en el fruto del tomate no se vieron afectados por los tratamientos, siendo bajos en todos los casos (Cuadro 5), ya que en un sistema hidropónico con solución nutritiva Steiner sobrepasan las 3 000 mg L-1 de N, 5 000 mg L-1 de K+ y 340 mg L-1 de Ca2+ (Armenta-Bojórquez et al., 2001).
Cuadro 5: Efecto del tamaño de partícula de tezontle en la firmeza del fruto de tomate (kgf), iones N03 -, K+ y Ca2+ (mg L-1), CE (conductividad eléctrica) (dS m-1), AT (acidez titulable), °Brix (%).
Table 5: Effect of tezontle particle size on tomato fruit firmness (kgf), NO3 -, K+ and Ca2+ ions (mg L-1), CE (electrical conductivity) (dS m-1), AT (titratable acidity), °Brix (%).
| Tezontle | Calidad en el extracto del tomate | ||||||||
| cm | Firmeza | NO3- | K+ | Ca2+ | Na+ | CE | pH | AT | °Brix |
| < 1 cm | 1.9 | 107.3 | 1577.3 | <4 | 32.1 | 3.5 | 4.4 | 0.3 | 3.9 |
| Mezcla 50-50 | 2.0 | 101.4 | 1468.2 | <4 | 33.5 | 3.3 | 4.4 | 0.3 | 3.9 |
| > 5 cm | 2.0 | 106.7 | 1527.3 | <4 | 35.2 | 3.9 | 4.4 | 0.3 | 3.9 |
| CV† | 7.4 | 14.4 | 6.5 | - | 13.6 | 11.6 | 0.6 | 4.4 | 3.5 |
† CV = coeficiente de variación.
† CV = coefficient of variation.
Los tomates en tezontle con granulometría < 1 cm tardaron 24 días en presentar signos de pudrición, al igual que los tomates en tezontle 50-50. Por otro lado, en los tomates en tezontle > 5 cm los signos de pudrición aparecieron a partir de los 22 días. Los resultados obtenidos en calidad del fruto del tomate concuerdan con los reportados por San Martín-Hernández et al., (2012), quienes reportan la inexistencia de variación con diferentes sustratos en calidad del tomate.
Rendimiento y calidad del fruto pepino
El primer corte de los frutos del pepino de los tratamientos 1, 2 y 3 tuvieron un peso promedio de 441.25, 476.12 y 415.87 g, en el segundo corte alcanzaron 544.37, 519.12 y 488.75 g respectivamente. Los tratamientos no presentaron un cambio en el peso del fruto, por lo cual no existió diferencia significativa entre tratamientos. Los frutos presentaron entre 21 y 24 cm de largo en todos los tratamientos en ambos cortes de pepino. El diámetro del fruto del pepino se registró entre los 57 y 62.4 mm en todos los tratamientos, este peso y tamaño del fruto del pepino tipo similar a lo reportado por (Chacón-Padilla y Monge-Pérez, 2020).
En cuanto a firmeza del pepino se tuvieron 4.2, 4.5 y 4.09 kgf similares a los descritos por (Sánchez-del-Castillo, González, Moreno y Reyes, 2014), no se observó una diferencia entre los tratamientos en firmeza del fruto. La vida anaquel obtuvo un promedio de 26.8 días en el tratamiento <1 cm, 24.5 días en el tiramiento 50-50 y 25.2 días en el tratamiento > 5 cm al igual que los reportados por (Muy-Rangel, Siller, Díaz y Valdéz, 2004).
Rendimiento y calidad de lechuga
La granulometría del tezontle tuvo un efecto en el peso final de la lechuga, el tratamiento con tezontle con granulometría <1 cm fue estadísticamente superior al de granulometría >5 cm con promedios de 89.87 g y 50.12 g respectivamente, el tratamiento con mezcla 50-50 resultó similar a ambos con promedio de 75.66 g, este aumento en el peso fresco posiblemente causado por una mayor retención de materia orgánica por parte del tezontle con granulometría < 1 cm la cual favorece al crecimiento de la lechuga (Schneider, Thiesen, Engroff, Holz y Altíssimo, 2018), el aumento del peso fresco también se puede explicar con una mayor cantidad de bacterias promotoras del crecimiento en el tezontle < 1 cm (Díaz-Vargas, Ferrera, Almaraz y Alcántar, 2001).
En la concentración de iones en el extracto celular de hojas de la lechuga únicamente se encontraron diferencias significativas en concentración de Ca2+ (Cuadro 6), con mayor concentración en el tratamiento mezcla 50-50 comparado con los tratamientos < 1 cm y > 5 cm, esta acumulación y el crecimiento de la lechuga posiblemente se atribuye a mayor capacidad de retención de agua y nutrientes del tezontle con granulometrías inferiores a los <5 cm de diámetro (Vargas-Tapia et al., 2008).
Cuadro 6: Efecto del tamaño de partícula de tezontle en el peso fresco de la lechuga (g), iones de Ca2+, K+, NO3 -, Na+ (mg kg-1), CE (conductividad eléctrica) (dS m-1).
Table 6: Effect of tezontle particle size on fresh lettuce weight (g), ions Ca2+, K+, NO3 -, Na+ concentration (mg kg-1), and CE (electrical conductivity) (dS m-1).
| Tezontle | Cosecha Lechuga | ||||||
| cm | Peso fresco | Ca2+ | K+ | NO3- | Na+ | pH | CE |
| < 1 cm | 89.8a | 51.62b | 1425a | 3100a | 881.25a | 5.95a | 6.08a |
| Mezcla 50-50 | 75.66ab | 88.5a | 922.5a | 2825a | 1245a | 6.025a | 5.415a |
| > 5 cm | 50.12b | 50.12b | 1001.25a | 2220a | 1113.75a | 5.9625a | 5.85a |
| DMSH† | 36.1 | 16.2 | 579.6 | 1193.5 | 448.1 | 0.1 | 1.6 |
† Promedios con letras disímiles presentan diferencia estadísticamente significativa (Tukey, P ≤ 0.05).
† Averages with dissimilar letters show statistically significant difference (Tukey, P ≤ 0.05).
Conclusiones
La utilización de tezontle es viable como sustrato para un sistema acuapónico, es recomendable la implementación de un tezontle fino < 1 cm, además de tener una mayor capacidad de retención de humedad y una mayor superficie para que las bacterias colonicen el medio, y promuevan mayor crecimiento de plantas y calidad de fruto. El sustrato fino actúa como filtro para retener sólidos suspendidos y evita taponamientos del sistema, mejora la calidad del agua y genera mejores condiciones de vida para los peces.
