Anteproyecto Acuaponía RVA

2013 PROYECTO DE AULA: ACUAPONÍA Y SISTEMAS DE RECIRCULACIÓN

JORGE LUIS GARCÍA GÓMEZ I.E.D. RODRIGO VIVES DE ANDRÉIS ZONA BANANERA, ORIHUECA

PROYECTO DE AULA: ACUAPONÍA EXPLOTACIÓN DE NITRÓGENO EN UN SISTEMA DE RECIRCULACIÓN

ELABORADO POR

JORGE LUIS GARCÍA GÓMEZ ZOOTECNISTA

PROYECTO DE AULA PRESENTADO PARA DESARROLAR ACTIVIDADES DE FORMACIÓN PARA EL ÉNFASIS DE PRODUCCIONES AGROPECUARIAS ECOLÓGICAS EN EL ÁREA DE TÉCNICAS AGROPECUARIAS

I.E.D. RODRIGO VIVES DE ANDRÉIS ZONA BANANERA, ORIHUECA 2013 2

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN

1

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

3

2.1 Planteamiento del problema de investigación

3

2.2 Justificación

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3. MARCO TEÓRICO

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5. OBJETIVOS

10

5.1 General

10

5.2 Específicos

10

6. METODOLOGÍA

11

7. RESULTADOS E IMPACTOS ESPERADOS Y POTENCIALES BENEFICIARIOS

13

7.1 Nuevos desarrollos tecnológicos

13

7.2 Fortalecimiento de la capacidad científica

13

7.3 Apropiación social del conocimiento

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8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

15

9. PRESUPUESTO

16

BIBLIOGRAFÍA

17

3

1. INTRODUCCIÓN

La producción actual de peces está basada mayoritariamente en el uso de alimentos balanceados elaborados con diversas fuentes materias primas entre las que se destaca la harina de pescado y de soya como los principales aportantes de nitrógeno a través de sus proteínas.

Si se compara con los otros grupos de

vertebrados, la fisiología digestiva de los peces exige niveles mayores de proteína dietaria; estos niveles de proteína son usados en parte para la obtención de energía, liberando en los peces amoniaco como producto de desecho (2, 6, 8). En la acuicultura comercial se da como práctica habitual el recambio de agua para mantener niveles adecuados de este y otros componente en los estanques (6), eliminando el agua contaminada vertiéndola a lagunas de oxidación en el mejor de los casos o arrojándola simplemente de vuelta a ríos o quebradas. Es así  como gran cantidad de sustancias contaminantes llegan a cuerpos de agua que son refugio de fauna y flora o de uso humano, agravando el problema de contaminación generalizada. En busca de una acuicultura responsable que trate de aportar soluciones a las problemáticas de seguridad alimentaría y ambiental se plantea un sistema de producción integral conocido como Acuaponía, que recurre a la acuicultura y a la hidroponía, potencializando lo mejor de cada una para generar alimentos con una reducción significativa de su impacto ambiental (1,3 7). La acuaponía no solo puede ser planteada actualmente como una de las estrategias más saludables y amigables de producción de alimentos, también es abordada como laboratorio vivo que incorpora y explica ciclos y procesos bióticos y abióticos ocurridos a escala geológica de manera similar. Mediante un sencillo montaje que incluye un contenedor para peces vivos, otro para plantas en producción y un sistema de bombeo y filtración de agua (Ver 

imagen 1), se espera presentar a los estudiantes y a la comunidad un proceso alternativo que debe ser abordado con espíritu investigativo y científico para ser  entendido, conociendo la dinámica e interacción de sus partes y del todo, así  como sus ventajas y debilidades. Al entrar en contacto con la acuaponía, todos los participantes, sin importar su nivel académico, podrán hallar elementos de interés que estimularán su curiosidad y los motivaran a profundizar en diversas áreas de estudio que enlacen y expliquen de manera vivencial lo observado.

Imagen

1.

Sistema

básico

de

acuaponia.

(Tomado

de

http://http://aquaflash.blogspot.com)

2

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

2.1 Planteamiento del problema de investigación El ciclo de nutrientes es un concepto fundamental en ecología y ciencias ambientales. Sin embargo, muchos estudiantes tienen problemas para visualizar  cómo los nutrientes individualmente (por ejemplo, nitrógeno) fluyen cíclicamente a través de los complejos ecosistemas naturales. Esto también ocurre al momento de estudiar procesos vitales como la nutrición, excreción y fotosíntesis. Procesos esenciales que deben ser comprendidos para el estudio de las

ciencias

agropecuarias. Para abordar este tema, este proyecto presenta un enfoque basado en la investigación para comprender el ciclo de nutrientes y de procesos fisiológicos en un ecosistema simplificado con acuarios y plantas cultivadas hidropónicamente.

Otro elemento que motiva la implementación del presente proyecto, es la presentación de opciones ambientalmente amigables al interior de la enseñanza de sistemas agropecuarios.

Las estrategias modernas de producción de

alimentos incorporan la utilización cada vez mayor de insumos y, aunque en ocasiones con una connotación de orgánicos, el destino de éstos y sus usos genera problemáticas ambientales de gran impacto (eutrofización, propagación de enfermedades, alteraciones de las propiedades organolépticas de los productos y el ambiente, entre otros), reducir el uso de recursos externos, no solo trae mejores resultados financieros, igualmente mejora la imagen del producto al tener menor uso de sustancias y al optimizar el uso de recursos endógenos o locales. Sin embargo, tecnologías de este tipo no siempre están disponibles por  desconocimiento o viabilidad para todos los productores.

La ciencia debe 3

acercar estas alternativas al productor, adaptándolas y demostrándolas en ambientes reales que generen soluciones generales y particulares a problemas de igual magnitud.

2.2 Justificación El ciclo del nitrógeno es típico y similar para muchos otros nutrientes que son importantes para todas las formas de vida. Es multifacético y bastante complejo, incorporando numerosos caminos y escalas de tiempo. Dada esta complejidad, puede ser difícil para los estudiantes comprender plenamente cómo se da el flujo del nitrógeno y otros de nutrientes a través de los ecosistemas naturales. Afortunadamente, los sistemas cerrados y artificiales, como acuaponia, pueden proporcionar una versión simplificada de los sistemas naturales que pueden ayudar en el aprendizaje del estudiante. Además, estos sistemas en el aula puede ser fácilmente replicados y manipulados, lo que permite a los estudiantes desarrollar una comprensión mucho más sofisticada de cómo se produce el ciclo de nutrientes y cómo afecta a los componentes bióticos y abióticos de un ecosistema modelo.

4

3. MARCO TEÓRICO

El crecimiento de todos los organismos depende de la disponibilidad de nutrientes minerales en el medio ambiente. El nitrógeno es un componente particularmente importante de la biosfera, ya que se requiere en grandes cantidades como un componente esencial de proteínas, ácidos nucleicos y otros constituyentes celulares (6, 8). El nitrógeno es abundante en la atmósfera de la Tierra en forma de N2 (gas). Sin embargo, esta forma de nitrógeno no está disponible para su uso por la mayoría de los organismos porque existe un triple enlace entre los dos átomos de nitrógeno que hace que la molécula casi inerte. Se puede emplear  nitrógeno para el crecimiento si es primero "fijado" (combinado) en forma de amonio (NH4) o nitrato (NO3) (8).

La erosión de las rocas libera pequeñas

cantidades de estos iones, pero el proceso ocurre tan lentamente que tiene un efecto insignificante sobre la disponibilidad de nitrógeno fijado. Por lo tanto, el resto del nitrógeno disponible se deriva de otras vías de "fijación" (7).

Fijación de Nitrógeno La fijación de nitrógeno se presenta en dos formas principales. La primera es a través de la fijación de alta energía. Grandes cantidades de energía producida por fenómenos como la radiación cósmica, rutas de meteoritos y la fulguración por su impacto pueden conducir a la combinación de nitrógeno con el hidrógeno y el oxígeno que se encuentra en el agua. Sin embargo, se estima que menos de 8,9 kg/ha de N se genera anualmente es de esta manera. La segunda fuente y la más grande "fijadora" del nitrógeno es a través de la conversión biológica. El nitrógeno atmosférico puede ser fijado en formas biológicamente disponibles, tales como amoníaco y nitrato, por:

5

1) Las bacterias simbióticas comúnmente estas bacterias están asociadas con leguminosas y otras plantas que tienen nódulos de las raíces, 2) Las bacterias

aerobias de vida libre y 3) Las algas azul-verde. A través de las vías bioquímicas, estas bacterias rompen la molécula de triple enlace del N 2 en dos átomos de nitrógeno, que entonces se combinan con el hidrógeno para formar amoníaco (NH3). De esta manera, la "fijación" biológica genera aproximadamente el 90% del nitrógeno fijado cada año, es decir, de 100 a 200 kg N/ha (2) Dada la limitada disponibilidad de nitrógeno biológicamente útil, no es sorprendente que este nutriente es a menudo un factor limitante para el crecimiento y producción de biomasa en muchos entornos donde la disponibilidad de agua y el clima no son limitantes.

El ciclo del nitrógeno

En ambientes naturales, el nitrógeno se encuentra con frecuencia en materiales orgánicos en descomposición, también es constantemente eliminado y añadido tanto al medio ambiente biótico y abiótico en un ciclo geobioquímico complejo. El nitrógeno "fijado" entra en el medio biótico a través de la descomposición de materiales orgánicos (liberación de aminoácidos, etc) o por la fijación de bacterias especializadas (Figura 1). En general, el nitrógeno está en la forma de amonio (NH4 +) en este punto debe someterse a una modificación adicional para poder ser más fácilmente utilizable por las plantas. El proceso por el cual el amoníaco se convierte en nitritos y los nitratos se llama nitrificación. Dos grupos de microorganismos, Nitrosomas y Nitrobacter, conducen esta parte del ciclo del nitrógeno.

En primer lugar, las bacterias Nitrosomas utilizan el amoníaco

disponible en el suelo y agua como fuente de energía.

Se metabolizan el

amoníaco por oxidación liberando iones nitrito y agua. El residuo metabólico de 6

estas bacterias rico en nitritos está entonces disponible como fuente de alimento para las bacterias Nitrobacter, que oxidan los iones nitrito en nitrato. Las plantas entonces utilizar nitratos para el crecimiento y la respiración (8). El nitrógeno absorbido por las plantas se libera como aminoácidos cuando el tejido de la planta es consumido o la planta o sus partes mueren.

Figura 1. Ciclo del nitrógeno

Acuaponia

La Acuaponia es la combinación de la acuicultura (piscicultura) y el cultivo hidropónico (cultivo de plantas en otros medios o sustratos diferentes al suelo o tierra). Si bien la acuaponia comercial requiere millonarias inversiones, los principios básicos y los equipos siguen siendo fácilmente transferibles a las aulas.

7

El problema central de la acuicultura tradicional es la calidad del agua. La producción de peces comerciales a alta densidad conduce a niveles rápidamente crecientes de amoníaco y nitrito en el agua. Estos compuestos se producen de forma natural por el metabolismo proteico y energético de los peces y debe ser constantemente eliminado a través de sistemas de filtración en configuraciones complejas o vertiendo las agua contaminada para ser  remplazada por agua más “limpia” . Una situación análoga se da en cualquier 

pecera en casa. Los peces producen grandes volúmenes de desechos nitrogenados que deben ser eliminados por los filtros adecuados o cambios frecuentes de agua.

Por el contrario, las tecnologías hidropónicas se esfuerzan por ofrecer a las plantas una fuente rica en nitrógeno en los sustratos de cultivo y un equilibrio perfecto entre otros macro y micro nutrientes. En este caso, la dificultad es simplemente el alto costo de añadir nutrientes solubles constantemente a los sistemas hidropónicos.

A través de la acuaponia se ofrece una solución a estos dos sectores, mediante la combinación de un sistema de recirculación que incluye tres componentes principales: peces, plantas y bacterias. Los peces proporcionan efluentes ricos amoníaco que las bacterias convierten rápidamente en nitrito y nitrato, mientras que el amoníaco y los nitritos son tóxicos para los peces en niveles muy bajos, los peces son capaces de tolerar varios cientos de veces de nitratos. Las plantas se benefician del efluente rico en nitrógeno y en nutrientes y eliminan (utilizan) grandes cantidades de residuos de nitrógeno (en forma de nitratos) en el agua, que se devuelve a los tanques de peces (ver figura 2).

8

Figura 2. Representación esquemática del sistema acuapónico

Componentes pedagógicos

Elementos Bióticos y Abióticos en el ecosistema, Organismos Heterotróficos y Autotróficos, Ciclo de Nitrógeno, Reciclaje del Agua, Construcción de gráficos e hipótesis acerca del desarrollo de las Plantas, Reacciones Químicas. Energía y Materia. Niveles de Organización de los Sistemas Vivos y su interdependencia, Diseños de Tecnologías amigables con el Medio Ambiente.

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5. OBJETIVOS

5.1 General Diseñar e implementar en la I.E.D. Rodrigo Vives de Andreís un módulo demostrativo de acuaponía al servicio de los estudiantes apoyando de forma vanguardista su proceso de aprendizaje en el área de las Técnicas Agropecuarias

5.2 Específicos Identificar los componentes bióticos y abióticos del medio ambiente. Diferenciar entre organismos autótrofos y heterótrofos. Entender el ciclo de nutrientes (ciclo del nitrógeno en particular). Elaborar gráficas de los niveles de nutrientes y las tasas de crecimiento de las plantas y peces. Generar hipótesis sobre el impacto de los nutrientes en el crecimiento de las plantas y peces.

10

6. METODOLOGÍA

El diseño inicial será establecido previamente por el docente, incorporando como parte práctica y activa a seis estudiantes de grado 11D comprometidos a aprenden en situaciones reales a través del proceso de montaje y funcionamiento del módulo.

Los estudiantes serán posteriormente los

multiplicadores del conocimiento mediante charlas impartidas a las visitas guiadas de estudiantes de otros grados.

Las medidas relativas a la instalación del tanque para los peces son estándar. En cualquier acuario o estanque saludable hay que esperar por lo menos un par de días a una semana para que esté en condiciones de albergar a los peces. Además, esto ayudará a dar tiempo a las bacterias para establecerse en el lecho de grava.

Las actividades se desarrollarán en el siguiente orden: Sensibilización de los estudiantes mediante charlas y exposiciones Selección de (6) estudiantes de grado 11 Selección del lugar y alistamiento del área, basados en criterios de proximidad a la Institución y desplazamientos de los estudiantes. Establecer tanque con capacidad 250 litros de agua con aireación forzada permanentemente. Instalar el filtro de grava (20 kg) ( Biofiltro) con recirculación permanente entre el tanque y el filtro mediante bombeo automatizado (Las bacterias necesitan varios 11

días para establecerse. Cualquier cultivo normal tendrá una población saludable de bacterias en el lecho de grava a los 15 o 20 días si se desarrolla en clima cálido). Adquirir y sembrar los peces (alevinos de cachama y carpa, 50 ind/m 3) Tomar a los cinco días muestras iniciales de agua para prueba de nitrito y nitrato. Establecer un semillero para las plantas seleccionadas (cilantro o col) Perforar en un tubo de PVC 25 agujeros redondos para trasplantar las plántulas, soportando el tubo de manera horizontal a una estructura construida para ello. Conectar el tubo al sistema de recirculación, posterior al biofiltro, es decir, entre este y el tanque, garantizando un flujo constante y sin pérdidas de agua. Trasplantar las plántulas a cada agujero del tubo 20 días después de sembrar los peces. Registrar las medidas semanalmente de las plantas (altura, longitud, número de hojas, etc.) y de los peces (peso, LS, LT). Tomar muestras de agua para prueba de nitrito y nitrato. Cría los peces y las plantas regulando la calidad del agua a intervalos regulares de 2 semanas. Graficar los datos y discutir el cambio de nitritos y nitratos en el contexto del ciclo del nitrógeno. Generar hipótesis sobre el papel de las plantas y los efectos de concentraciones variables de cada nutriente en su crecimiento.

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7. RESULTADOS E IMPACTOS ESPERADOS Y POTENCIALES BENEFICIARIOS

7.1 Nuevos desarrollos tecnológicos Por medio de la presente propuesta se pretende contribuir la formulación y al desarrollo de alternativas productivas en la comunidad educativa de la I.E.D. Rodrigo Vives de Andreís. Gracias a lograr un mejor y profundo entendimiento de los ciclos de los nutrientes y de los procesos biológicos presentes den el proyecto, los estudiantes entraran al ámbito vanguardista de la producción limpia, proponiendo nuevos y mejores procesos para los sistemas agropecuarios dados en su entorno.

Indicadores

Estudiantes capacitados en nuevas tecnologías Modulo experimental de acuaponía tropical Pruebas y resultados de análisis para calidad de aguas Artículos científicos

Beneficiario: Comunidad educativa

7.2 Fortalecimiento de la capacidad científica

El Proceso de aprendizaje teórico-práctico estimulará a los estudiantes a desarrollar procesos investigativos para comprender y solucionar diferentes 13

situaciones, de tal forma, que la duda y la curiosidad inicial podrá ser canalizada hacia actitudes críticas y propositivas con elementos de juicio y rigor científico.

Indicadores

Ponencias de los estudiantes en eventos regionales y nacional Beneficiario: Comunidad científica

7.3 Apropiación social del conocimiento Los resultados del proyectos deberán ser difundidos ampliamente entre la comunidad relacionada a la actividad agropecuaria, presentándola como una oportunidad de inversión y generación de empleo en áreas urbanas con fuerte vocación productiva.

Indicadores

Socialización de resultados

Beneficiario : Comunidad académica.

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8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Cronograma de Actividades ACTIVIDADES

SEMANAS 1

Revisión bibliográfica Diseño y ajuste de equipos

2

3

4

5

6

9

10

11

12

13

X X X X X X X X X

X

X

X

X

X

Adaptación de ejemplares

X X

Elaboración de semilleros

X

Trasplante

X X

Muestreos y pruebas de lab. Procesamiento y análisis de datos Preparación de publicaciones

8

X X X

Compra de peces

Mediciones en peces y plantas

7

 x  x

x

X

x

x

x X X X X

X

X

X

X

 x X X X X

X

X

X

X

X

X

X

X X X

Publicación final

X

15

9. PRESUPUESTO

DESCRIPCIÓN

CANT.

ESTADO

V. Unitario

V. Total

Tanque 250 litros

1

Adquirido

76.000

76.000

Tubería PVC 1/2" (metros)

6

Adquirido

1.200

7.200

Cinta teflón

1

Pendiente

2.000

2.000

Manguera plástica 3/8" (metro)

2

Pendiente

1.200

2.400

Cuñete plástico 20 litros

1

Adquirido

3.000

3.000

Piedra china (kilos)

25

Pendiente

500

12.500

Angeo metálico (metro)

1

Adquirido

5.000

5.000

Tubo PVC sanitario 4" (metro)

3

Pendiente

8.000

24.000

Tapón de prueba sanitario 4"

6

Pendiente

1.200

7.200

Manguera lavaplatos/lavamanos

3

Pendiente

2.500

7.500

Cinta aislante

1

Adquirido

1.500

1.500

Bomba de agua

1

Adquirido

80.000

80.000

Cable dúplex # 14 (metro)

12

Pendiente

1.200

14.400

Alimento para peces (Kg)

5

Pendiente

3.000

15.000

Peces (alevinos)

50

Pendiente

120

6.000

Semilla de cilantro (onzas)

1

Adquirido

4.000

4.000

Estructura metálica para soportes

1

Adquirido

100.000

100.000

Aireador salida doble

1

Adquirido

60.000

60.000

Imprevistos

1

Pendiente

47.000

47.000

Total proyecto

$474.700

Total Adquirido

$336.700

TOTAL REQUERIDO

$138.000

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BIBLIOGRAFÍA 1. Buttner J. 2000. System Set-up and conditioning. En Recirculating Aquaculture Set-up Chronological Assistance Letters. RASCALs Editores Hanes F., Cookson C. New England Board of Higher Education. 45 Temple place, Boston. 2. Hagopian D.S., Riley J.G. 1998. A closer look at the bacteriology of nitrification. Aquacult. Eng. 18, 189-200 3. Malcolm J. 2005. Backyard aquaponics. A guide to building an aquaponic 4. Ramírez D., Sabogal D., Jiménez P., Hurtado H. 2008. La acuaponía: una alternativa orientada al desarrollo sostenible. Revista Facultad de Ciencias Universidad Militar Nueva Granada. 4:32-51 5. Resh H.M. 2001. Cultivos hidropónicos. Nuevas Técnicas de Producción. Ed. Mundi-Prensa. Pg. 41-46 y 86-87. 6. Rodríguez. 1995. Fundamentos de acuicultura continental. Cap V Nutrición y alimentación de peces 7. Selock Dan. 2003. An introduction to aquaponics: The symbiotic culture of fish and plants. Rural Enterprise and Alternative Agricultural Development Initiative Report. Southern Illinois University Carbondale. 8. Walsh PJ. 1998. Nitrogen exc retion and metabolism. En “The physiology of fishes”. Evans DH (Editor), capítulo 9, pg. 199-214. CRC Press, Boca

Ratón, Florida, USA.

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