¿Qué es un sistema de producción Biofloc?

Los residuos orgánicos generados en la producción son desintegrados y mantenidos en suspensión dentro de los propios tanques, sirviendo como sustrato para el desarrollo de las bacterias heterotróficas que se encargan de la depuración de la calidad del agua, utilizando compuestos nitrogenados potencialmente tóxicos para la síntesis de proteínas, y de la biomasa microbiana sirve de fuente de alimento a los ejemplares sometidos a cultivo.

Conjuntamente con los sistemas de recirculación de agua (RAS) se consideran como una de las tecnologías más prometedoras en los intentos de reducir la Huella Hídrica tratada en artículos anteriores.

Un sistema biofloc es un sistema de tratamiento de residuos desarrollado para mejorar el control ambiental sobre la producción acuícola en lugares donde el agua y la tierra son escasas y/o caras, ayudando además a evitar la introducción de enfermedades en la granja a partir de la reducción del nivel de recambio permanente de agua, en la búsqueda de nuevas posibilidades de producción piscícola que sean amigables con el ambiente, incluyentes socialmente y rentables son cada vez más apremiantes.

Este sistema fomenta que los sólidos y la comunidad microbiana asociadas se acumulen y se mantengan adecuadamente mezclados y en suspensión con la ayuda de una fuente de aireación externa.

Estas estrategias basadas en microbios, representan una de las más prometedoras para alcanzar la sustentabilidad en la acuicultura, la gestión de desechos y retención de nutrientes que ofrece una solución para resolver algunos de los problemas ambientales que genera la actividad, mejorando la calidad del agua a través del balance del carbono y el nitrógeno.

Los trabajos que dieron inicio al estudio de la tecno­logía biofloc se iniciaron en los años 80 en la Polinesia Francesa evaluando el papel y la dinámica que cumplen los microorganismos en un sistema acuático natural, y el posible aprovecha­miento por el “microcosmos acuático” del carbono dispuesto en el agua en condiciones ricas en nitró­geno.

Estos trabajos comprobaron que las bacterias fijan carbono como fuente de energía y aprovechan el nitrógeno para la síntesis de proteínas, bajo lo que denominaron “microbial loop”, que incluye el papel desempeñado por las bacterias en relación con el carbono y los ci­clos de nutrientes (red trófica microbiana), que se caracteriza por reciclar nutrientes.

Posteriormente, en Israel se realizaron experimentos de la formación de cadenas microbianas heterotróficas a través de la aplicación de fuentes de Carbono:Nitrogeno en el agua de cultivo, y en USA se desarrollaron tecnologías ambientales con el objeto de disminuir el vertido de contaminantes a los efluentes, y en la primera década de los 2000 se iniciaron estudios en el cultivo de camarones y peces en sistemas super intensivos aplicando esta tecnología.

La dinámica gene­ral del sistema evaluado, es el resultado de varias relaciones ecológica (comensalismo, competencia y depredación entre otras), de una micro red trófica paralela a la cadena trófica convencional, cuyo 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), bio carbono que se produce en los ecosistemas tras las pri­meras etapas de degradación de la materia orgánica (excrementos, restos de plantas, organismos muertos etc.).

Las explicaciones dadas a las interacciones de ese pe­queño cosmos, dio inicio a investigaciones que buscaban contrarrestar la acumulación de compuestos nitrogenados en los sistemas de producción de especies acuáticas, generaron 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 red 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.

El desarrollo de estos conceptos y aplicaciones dieron origen al término BFT (del inglés Bio-Floc Tecnology), que se fundamenta en mantener las condiciones de calidad del agua en relación con la fijación y control del nitrógeno inorgánico tóxico (NH4, NH3, NO2 y NO3), y en generar “in situ”, pro­teína microbiana aprovechable como alimento por la especie cultivada.

Aunque estos sistemas fueron desarrollados para mejorar el control ambiental sobre la producción en sistemas acuícolas intensivos, estos sistemas también ayudan a prevenir la introducción de enfermedades a las granjas, remover los desechos metabólicos de los sistemas de producción, reducir el recambio de agua y los costos asociados con estas prácticas, permitiendo que la acuicultura crezca de una forma ambientalmente amigable, a la vez que se reduce el uso de las harinas de peces y los costos de las dietas.

Los bioflocs como tal, son agregados de microalgas, bacterias, protozoos y otro tipo de materia orgánica en partículas, como las heces y los alimentos no consumidos que se mantiene unidos en una matriz que es secretada por las bacterias, microorganismos filamentosos o por atracción electrostática.

Seis grupos de organismos suelen ser identificados en un sistema de biofloc tradicional: clorofitas, diatomeas, dinoflagelados, nematodos, rotíferos y cianobacterias, además de animales que suelen pastorear los flóculos, como algunas especies de zooplancton y nematodos, e incluye a comunidades microbianas heterotróficas del género Bacillus, Nitrobacter, Nitrospira, Pseudomonas, Sphingomonas y la levadura Rhodotorula sp.

Las microalgas y bacterias heterotróficas son una fuente rica de promotores de la inmunidad, el crecimiento, compuestos bioactivos y estimulantes, que pueden mejorar el rendimiento de los organismos en cultivo, cuya calidad nutricional para satisfacer los requerimientos de los organismos sometidos a cultivo, aunque variable, es buena, con un contenido de proteínas en peso seco que suele variar entre un 25 y 50 %, además de ser buena fuente de vitaminas, minerales y tener efectos probióticos.

Los sistemas funcionan con bajas tasas de intercambio de agua (0.5 a 1 por ciento por día) que permite el desarrollo de una comunidad de biofloc densa y activa para mejorar el tratamiento de residuos de materia orgánica y nutrientes.

Otro beneficio potencial de estos sistemas, es la capacidad de reciclar los nutrientes de desecho a través de proteínas microbianas en peces o camarones, ya que entre el 70 y el 80 por ciento del nitrógeno agregado como alimento se libera al ambiente de cultivo como desecho, y parte de este nitrógeno se incorpora a las células bacterianas, que una vez consumidas, contribuye al crecimiento de la población sometida a cultivo.

Algunas investigaciones sugieren, que por cada unidad de crecimiento del alimento, se derivan de 0.25 a 0.50 unidades adicionales de crecimiento de la proteína microbiana utilizando sistemas biofloc. Este beneficio se refleja en la mejora de la rentabilidad del sistema de alimentación y la sostenibilidad de la actividad, sin embargo, se cita que el valor de los flóculos en nutrición es limitado en los niveles de alta intensidad de producción, ya que la contribución de los piensos al crecimiento de los animales cultivados puede llegar a ser altamente significativa.

Dos tipos básicos de biofloc suelen utilizarse: los que están expuestos a la luz natural y los que no.

Los sistemas biofloc expuestos a la luz natural incluyen recipientes de cultivo al aire libre en los cuales una mezcla compleja de algas y procesos bacterianos controlan la calidad del agua, tradicionalmente denominados como de “agua verde”.

Los sistemas biofloc sin exposición a la luz natural funcionan como sistemas de biofloc de «agua marrón», donde solo los procesos bacterianos controlan la calidad del agua.

Sea cual sea el sistema a desarrollar, un suministro constante y fuerte de aire es un requisito esencial, ya que los sólidos deben estar suspendidos en la columna de agua en todo momento, ya que, de asentarse, formarían aglomeraciones que consumirían el oxígeno disuelto y conducirán a la liberación de sulfuro de hidrógeno, metano y amoníaco que son altamente tóxicos.

Para que todo esto ocurra en forma eficiente, es necesario mantener adecuados niveles de oxígeno, pH y alcalinidad, y una adeuda relación C:N.

Sin embargo, como quiera que las raciones empleadas en los cultivos de peces generalmente contienen una relación C:N menor de 11:1, el carbono termina siendo un elemento limitante para el desarrollo de la biomasa bacteriana y la formación de los biofloc. Por ello, el sistema  se fundamenta además en la aplicaciones periódicas de una fuente rica en carbono (azúcar, melaza, harina de trigo, cáscara de arroz, residuos de pastos, entre otras posibilidades) proporcional a la concentración de nitrógeno existente en el agua de los recipientes de cultivo, y estrechamente relacionada con los niveles de proteína de la ración utilizada como alimento principal, que estimulará la producción de bacterias heterotróficas que crearán una demanda de nitrógeno que permitirá controlar el amoníaco.

Las transformaciones y la dinámica del amoníaco en estos sistemas, son complejas e implican la interacción entre las algas y las bacterias que compiten por el amoníaco.

La importancia relativa de cada proceso depende de muchos factores, entre ellos la tasa de alimentación diaria, los sólidos en suspensión, su concentración, la concentración de amoníaco, intensidad de la luz y relación carbono-nitrógeno.
 

En los sistemas de biofloc, existen tres procesos básicos que controlan el amoníaco:

1.- La absorción por parte de las algas.

2.- La “inmovilización” del amoníaco por parte de bacterias heterotróficas.

3.- La nitrificación.

Los nutrientes liberados por la descomposición de la materia orgánica (incluidas las algas muertas, los sólidos fecales y los alimentos no consumidos) se absorben y almacenan rápidamente en las células de algas.

La proteína microbiana en los flóculos que contienen bacterias heterotróficas, sirve como fuente suplementaria de nutrición para peces y camarones, en un sistema de “empaquetado” de nitrógeno es temporal, y que puede revertirse rápidamente.

El proceso bacteriano transforma una forma tóxica de nitrógeno (amoníaco) en una forma menos tóxica  (nitrato), y la nitrificación es responsable del destino final de una gran fracción (25 a 50 por ciento) del nitrógeno de la alimentación agregada al sistema.

Así, en la dinámica del nitrógeno en los sistemas de biofloc con bajo intercambio de agua, el nitrógeno residual se recicla repetidamente entre amoniaco disuelto y sólidos de algas o bacterias, y si se eliminan los sólidos, se puede extraer una fracción significativa de nitrógeno  del sistema.

Durante la puesta en marcha, los cambios en la calidad del agua en los sistemas de biofloc son notablemente similares a los de los sistemas de recirculación convencionales, y depende de una amplia gama de factores, incluida la temperatura, la programación de la velocidad de alimentación y la siembra previa del sistema con el tipo y la cantidad correcta de microbios.

Los protocolos de aclimatación para los sistemas de biofloc no se han estandarizado, y muchos operadores de sistemas han desarrollado sus propias técnicas a través de una experiencia duramente adquirida.

En los sistemas de biofloc, se acumulan sólidos de desecho y se alientan los sólidos adicionales mediante aireación intensiva y adiciones de carbohidratos. Estos sistemas generalmente funcionan a concentraciones de sólidos suspendidos menores de a 500 a 1,000 mg/L. Una concentración de sólidos en suspensión de 200 a 500 mg/L es suficiente para una buena funcionalidad del sistema y controlará el amoníaco sin una respiración excesiva de agua, sin embargo, con el tiempo, y con suficiente mezcla, los sólidos pueden acumularse a niveles indeseablemente altos (2,000 a 3,000 mg / L).

Los tanques de sedimentación por gravedad o clarificadores, se suelen utilizar para controlar la concentración de sólidos en sistemas de biofloc superintensivos. Estos suelen operar de manera intermitente cuando se ha excedido la concentración objetivo, o funcionar continuamente si se dimensionan de manera que una proporción relativamente pequeña del volumen del tanque se clarifique cada día, sin embargo, el uso agresivo de clarificadores para controlar los sólidos en suspensión puede dejar sólidos finos o sólidos más grandes que no se depositan fácilmente en el sistema.

La ecología microbiana de los sistemas biofloc se entiende solo en el nivel más básico. En particular, su papel en el control o el fomento de las bacterias patógenas, especialmente las vibriosis, requieren mayor investigación.

Aunque la investigación con los precursores de los sistemas de biofloc ha estado en marcha desde principios de la década de 1990 y las aplicaciones comerciales se han implementado desde principios de la década de 2000, por lo que cuestiones claves del funcionamiento del sistema de biofloc aún no son bien conocidas. Esto puede estar relacionado con el hecho de que solo la tilapia y el camarón se han cultivado ampliamente en los sistemas de bio-floculación y que se han implementado y evaluado una serie de configuraciones del sistema de producción. Esta diversidad dificulta el establecimiento de principios generales y criterios de diseño para las configuraciones estándar del sistema de biofloc.

Finalmente, según las investigaciones realizadas, los flóculos microbianos pueden ayudar a reducir hasta en 40% el contenido de harina de pescado en dietas de organismos sometidos a cultivo sin afectar su crecimiento y la calidad del agua de cultivo, y hasta un 30% en el costo de la ración por kilo para los juveniles de tilapias, sin embargo, no se dispone se evaluaciones económico-financieras que sustenten fehacientemente la rentabilidad de estos sistemas en comparación con los sistemas convencionales, y cuanto de lo ahorrado en alimento se debe invertir en amortizar los gastos requeridos para el diseño y construcción de las instalaciones, la energía eléctrica para generar la aireación requerida, y el personal técnico requerido para su adecuado y eficiente manejo.

Algunos autores realizando estimaciones de costos en la producción de juveniles de tilapias, consideraron como punto de partida la adquisición de juveniles (46% del costo), la ración el 37%, la energía eléctrica casi el 9% y la mano de obra un 7%. Mientras que en ensayos comerciales el costo de energía representó el 15 % del costo total de producción.

Sin embargo, según estos autores, el costo de energía puede ser diluido por la mayor productividad obtenida y puede ser minimizado a través de un adecuado diseño de las instalaciones de cultivo que permita reducir la potencia de aireación necesaria para una eficiente circulación de agua y mantenimiento en suspensión de los residuos orgánicos, señalando que estos costos pueden variar dependiendo de las condiciones de cada piscicultura y en cuanto a los precios regionales en cada país.

Entre las principales ventajas y desventajas de estos sistemas destacan:

La tecnología de biofloc permite minimizar la tasa de recambio de agua y el uso de agua en los sistemas acuícolas a través del mantenimiento adecuado de la calidad del agua dentro de la unidad de cultivo, mientras que se producen bioflocs ricos en proteínas, que a su vez sirve como alimento para los organismos acuáticos.

Los sistemas bioflocs tienen la ventaja primordial de minimizar la evacuación de las aguas en los ríos, lagos y estuarios, conteniendo el escape de animales, los nutrientes, materia orgánica y patógenos.

Administrar los sistemas de biofloc no es tan sencillo como parece, y se requiere cierto grado de manejo técnico para que el sistema sea completamente funcional y más productivo que los sistemas tradicionales.

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