Criar peces y plantas en un agua más limpia: acuaponía y procesos avanzados de oxidación al servicio de pequeños productores

Luis Andrés Leal, estudiante de Doctorado en Ingeniería con Énfasis en Ingeniería Química. Crédito: Édgar Bejarano, Oficina de Comunicaciones, Facultad de Ingeniería.

En la actualidad existen sistemas que contribuyen a fortalecer la soberanía alimentaria en áreas de pesca para pequeñas comunidades. Este es el caso de la acuaponía, un método que permite el cultivo de especies de peces y plantas de manera autónoma en un lugar. Sin embargo, la calidad del agua que se utiliza para el funcionamiento de estos sistemas se ha visto deteriorada debido a la existencia de partículas tóxicas provenientes de contaminación externa. Una investigación toma como base la acuaponía para la creación de un método de tratamiento del agua por medio de procesos avanzados de oxidación, de manera que se pueda garantizar la sostenibilidad de estos sistemas, mejorar la calidad del agua y la calidad de sus cultivos. 

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La acuaponía y sus beneficios para la investigación 

Para muchos, la pesca ha sido una actividad que les ha permitido obtener alimentos a lo largo de toda su vida. Con el tiempo, el uso extendido en comunidades en el mundo hizo necesario adentrarse cada vez más en aguas abiertas para obtener los peces que antes se encontraban en las orillas de los ríos, mares y océanos. Esta circunstancia dio cabida a lo que actualmente se conoce como acuicultura, dentro de los que se encuentra la acuaponía, que surgió posteriormente como una forma de tratamiento ligado a los Sistemas de Acuicultura de Recirculación (RAS, por sus siglas en inglés), y es un método que combina técnicas para la siembra de especies acuáticas (peces, moluscos, crustáceos, camarones y plantas) en una zona determinada, contribuyendo así a prácticas de producción de alimentos sostenibles y autónomas, especialmente para pequeños productores.   

Sin embargo, los altos niveles de concentración de partículas tóxicas en el agua, provenientes de actividades humanas, han dado origen a lo que se conocen como “contaminantes emergentes”, como aquellos provenientes de fármacos de uso extendido en la población, que por sus características químicas hacen muy difícil su eliminación por medio de tratamientos convencionales de limpieza del agua, lo que los convierte en un vector de toxicidad que afecta la calidad de lo que se produce en sistemas como el de la acuaponía.  

Buscando ofrecer una solución innovadora y de bajo costo, el ingeniero químico Luis Andrés Leal, en el marco de su investigación del Doctorado en Ingeniería Química, busca aprovechar las bondades de la acuaponía y ponerla al servicio de un tratamiento de agua. La investigación, que cuenta con la dirección del profesor e investigador Fiderman Machuca Martínez, de la Escuela de Ingeniería Química, y la codirección del profesor e investigador José Antonio Lara, también de la Escuela de Ingeniería Química, y el investigador Juan García Garay, se presenta como una alternativa para que pequeñas comunidades tengan acceso a una fuente de alimentos estable y segura para su consumo.  

Emulando la integración que se pone en práctica con la acuaponía, esta propuesta doctoral busca evaluar la utilidad de un proceso avanzado de oxidación para el tratamiento de agua, con base en la degradación de algunos contaminantes emergentes que se mencionarán a continuación. 

La integración de los sistemas: acuaponía y procesos avanzados de oxidación 

Luego de realizar la búsqueda a nivel bibliográfico para conocer el estado del arte para su investigación, el investigador Luis Andrés Leal entendió que, pese a que la acuaponía (o la piscicultura y la hidroponía, componentes de este tipo de actividades, que se engloban a su vez en una práctica llamada acuicultura) es una actividad de manera tanto aficionada como en mayor escala, no existía un modelo completo como el que se proponía.  

Según el investigador, existen tres métodos para realizar procesos de acuaponía: 1) mediante el método conocido como Técnica de Película Nutritiva (NTF, por sus siglas en inglés), que consiste en la utilización de una tubería con orificios a lo largo de su superficie, a través de los cuales las raíces de las plantas empiezan a obtener los nutrientes del tanque de agua con los peces; 2) mediante la el método conocido como Cultivo de Aguas Profundas (DWC, por sus siglas en inglés), donde se utiliza una superficie con el mismo tipo de orificios, dispuesta encima del tanque que contiene los peces, de tal forma que las raíces de las plantas absorban los nutrientes derivados del interior del tanque; y 3) mediante el método de cama de cultivo con sustrato, que consiste en la adición de una superficie (compuesta por piedras de lava volcánica, dado que su pequeño tamaño facilita el flujo del agua) en la parte superior del tanque, y un proceso posterior de aumento y disminución periódica del nivel del agua en su interior. Este último fue utilizado para la investigación. 

“¿Cuál es el beneficio? Que tú alimentas a los peces, los peces en su proceso metabólico liberan ciertas sustancias (llamadas amoniaco). Las bacterias que están contenidas en las raíces dispuestas en esos soportes las absorben, lo que les permite crecer y transformar el amoniaco en nitrito. Otras bacterias nitrificantes transforman el nitrito en nitrato. Y el nitrato es la especie nitrogenada que las plantas absorben para su crecimiento. Es un proceso integrador”, explica el investigador Leal. 

Investigador Luis Andrés Leal explicando el mecanismo del sistema acuapónico. En su prototipo cultiva actualmente lechuga y tilapias rojas. Crédito: Édgar Bejarano, Oficina de Comunicaciones, Facultad de Ingeniería.

Para hacer este proceso posible, fue necesario adquirir un tanque principal para la disposición de los peces, con capacidad para 700 litros. Este tanque está conectado, a su vez, por medio de vasos comunicantes, a un bidón de menor tamaño (200 litros), y que cuenta a su vez con un biofiltro, de manera que la materia fecal de los peces llegue al ahí, pase por el filtro y regrese al tanque donde están cultivándose los peces con menor concentración de desechos. Finalmente, antes de su ingreso al tanque existe un último filtro, encargado de realizar un proceso de filtrado adicional del agua.  

El sistema de recirculación del agua funciona a lo largo de 10 horas, seis minutos por cada una, desde las 8 de la mañana hasta las 5 de la tarde. En caso de que exista un corte de energía, se cuenta adicionalmente con un sistema de emergencia de aireación que le permite funcionar de manera independiente por 8 horas más.  

“Estamos hablando de la recirculación del agua. En dicha recirculación lo que hacemos es que el agua pase a través del lecho hidropónico donde están las bacterias y haga la transformación del amoniaco en nitrato para el alimento de las plantas. Y, después, como el sistema funciona con un sifón, él se llena hasta un volumen y cuando llega a ese volumen empieza a drenar. Ya después la columna de agua empieza a caer, y cuando hay un vacío se tapa y deja de caer, entonces el sistema se controla automáticamente”, explica el investigador Luis Andrés Leal, y añade que también se ha estandarizado la medida de la alimentación proveída a los peces, por medio de un alimentador automático, lo que le ha permitido calcular el porcentaje de transformación del nitrógeno adicionado con el alimento en amoniaco y nitrato, luego de ser expulsado por los peces. 

Una vez consolidado el proceso de la acuaponía, la investigación se centró en determinar en qué medida este mecanismo podría ser de utilidad para poner a prueba un tratamiento de aguas de tercer nivel, a través de procesos avanzados de oxidación. Algunos de los compuestos existentes en las aguas, dentro de los llamados contaminantes emergentes, fueron encontrados en pruebas dentro de la misma investigación: “En el sistema que nosotros tenemos, como en muchos otros sistemas en Colombia, se toma agua de los ríos, entonces los ríos se están contaminando con estas especies. Y en nuestro caso no hubo una excepción. Encontramos fármacos, que son la Gabapentina y el Ibuprofeno”, dice el investigador.  

La existencia de los rastros de estos fármacos en el agua produce un círculo vicioso, al acumularse en los peces y las plantas por medio de un proceso de bioacumulación. “Ellos (los peces) se pueden ir enriqueciendo de ese fármaco y, en algún punto, dicho fármaco va a llegar a convertirse en un problema. Queremos hacerles el tratamiento a esos contaminantes emergentes, sin alterar el ciclo del nitrógeno y principalmente sin hacer la afectación a las plantas y los peces”. 

Peces y plantas en un ambiente más limpio: resultados promisorios 

Actualmente, la investigación doctoral del candidato a doctor Luis Andrés Leal está en la fase de pruebas preliminares de integración para el tratamiento de los rastros de fármacos en el agua utilizada por los peces. Durante este periodo se han realizado algunas pruebas, a partir del uso de celdas electrolíticas a las que se les ha suministrado corriente eléctrica. Los electrodos en estas celdas reaccionan al estímulo, formando un compuesto llamado radical ·OH (radical hidroxilo), un compuesto cuya potencia ataca todos los elementos que estén a su alrededor, incluyendo los contaminantes emergentes, a partir de un proceso de descomposición de sus estructuras.  

“La investigación está encaminada a determinar cómo podemos romper esas moléculas, y que las partículas restantes no sean nocivas para los peces ni para las plantas. El objetivo es mineralizar y transformar todas aquellas estructuras en dióxido de carbono y agua”, explica el investigador, y añade que, como parte del proceso, una hubo prueba preliminar, en donde se encontró que hubo una degradación de más del 50% en los rastros de Ibuprofeno, aunque aclara que los tiempos para la cuantificación de estos fármacos han tomado un tiempo mayor debido a que en el país todavía no se cuenta con sistemas para hacer estos procesos, lo que lo ha obligado a enviar las muestras a laboratorios en Alemania. 

Esta investigación propone un enfoque novedoso, al incorporar el sistema de procesos avanzados de oxidación a un proceso acuapónico en un método económico, de manera que sea accesible para comunidades de pequeños productores. Para ello, se han adelantado conversaciones con comunidades indígenas ubicadas en la Sierra Nevada de Santa Marta. “El objetivo es ese: llevarles un modelo con el que ellos puedan montar sus sistemas acuapónicos y mejorar su soberanía alimentaria. Si tú le puedes brindar la forma a alguien para que cultive sus especies acuáticas y sus plantas para su propio beneficio, mucho mejor”, opina el investigador Leal. 

Si le interesa contactar al estudiante de doctorado o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.