Estimación de sólidos suspendidos totales en bioflocs por turbidez

Estudio demuestra una fuerte relación positiva entre los sólidos suspendidos totales y la turbidez en todos los medios de biofloc evaluados

La tecnología de biofloc (BFT) se ha aplicado en acuacultura para desarrollar cultivos más sustentables con mínimo o nulo recambio de agua y aumentando las densidades de siembra con base en la manipulación de la relación carbono-nitrógeno en el agua. Los bioflocs están formados por agregaciones de partículas de alimento no consumidas y varios tipos de microorganismos presentes en el agua, como comunidades bacterianas, protozoos, microalgas y hongos, entre otros. La aplicación de esta tecnología puede promover la reutilización de compuestos nitrogenados para formar agregados microbianos ricos en proteínas que, con aireación constante y niveles adecuados de oxígeno disuelto, pueden ser consumidos por organismos cultivados como camarones y peces.

La intensificación de la producción asociada al crecimiento constante de la biomasa microbiana y la ausencia de recambio de agua puede generar un aumento de materia orgánica en forma de sólidos suspendidos, los cuales componen los bioflocs en los tanques de cultivo a lo largo del ciclo de producción como sólidos suspendidos totales (TSS) y sólidos sedimentables (SS). El aumento constante de bioflocs a lo largo del cultivo puede ocasionar serios problemas, como un aumento repentino de la tasa de respiración que provoca una caída en los niveles de oxígeno disuelto, infecciones por bacterias patógenas, oclusión de branquias, deposición de materia orgánica en el fondo con formación de zonas anóxicas y reducción de las tasas de supervivencia. Por lo tanto, los sólidos deben ser monitoreados y gestionados para asegurar el correcto funcionamiento del sistema de producción de BFT.

En los sistemas BFT existen tres vías (Fig. 1) para reciclar el nitrógeno: fotoautotrófica (utilizan la energía de la luz solar para producir materiales orgánicos), heterotrófica (utilizan diversas fuentes de carbono orgánico) y quimioautotrófica (utilizan reacciones químicas para derivar energía biológica). La mayoría de los sistemas en uso comercial son sistemas intensivos de biofloc en estanques expuestos a luz natural intensa, caracterizándolos así como sistemas predominantemente fotoautotróficos. Sin embargo, algunos sistemas, generalmente superintensivos, instalados en espacios cerrados con poca exposición a la luz natural o cubiertos con malla de sombra, están dominados por aguas de color marrón, predominantemente heterotróficas y/o quimioautotróficas. En estos sistemas de cultivo, los procesos predominantemente bacterianos mantienen la calidad del agua.

Entre estos tres tipos de bioflocs, los sistemas dominados por microalgas se caracterizan por una mayor dificultad en la sedimentación y compactación de sólidos en el cono de Imhoff, en comparación con los sistemas dominados por bacterias (Fig. 2). Algunos factores ambientales pueden influir en el proceso de sedimentación en un sistema predominantemente fotoautotrófico como la realización de un análisis de cono Imhoff expuesto a una intensa radiación solar, así como la composición de las microalgas.

Medición de sólidos

Existen varias formas de medir la cantidad de sólidos presentes en un sistema de biofloc utilizando diferentes metodologías con diferentes principios analíticos. Estas incluyen (1) utilizando un cono Imhoff para determinar el SS o volumen de flóculos (FV), que es un parámetro rápido y fácil de evaluar a través de la sedimentación de bioflocs durante 10 a 30 minutos; (2) el método gravimétrico utilizando filtros de fibra de vidrio para el análisis de TSS, filtrando una muestra y posteriormente secando este filtro en un horno; y (3) el análisis de turbidez, que indica la presencia de partículas suspendidas en el agua a través de la transparencia y utilizando un turbidímetro.

Las concentraciones máximas de sólidos en el cultivo de camarón Penaeus vannamei deben ser de hasta 600 mg por litro de TSS. Las concentraciones de sólidos pueden ser controladas mediante el intercambio de agua o utilizando tanques de sedimentación para eliminar el exceso de partículas y así mantener la calidad del agua.

El método de medición de TSS es más costoso debido al costo de los filtros y equipos. Además, el tiempo requerido para realizar el análisis con precisión es relativamente largo. Debido al mayor costo de analizar TSS mediante el método gravimétrico, se recomienda estimar la cantidad de TSS en los tanques de cultivo en función de los valores de turbidez o FV, mediante fórmulas matemáticas. Sin embargo, en algunas situaciones, diferentes metodologías analíticas como TSS y FV pueden no presentar una fuerte relación ya que a medida que aumentan las concentraciones de TSS, el FV puede fluctuar en el cono de Imhoff. Esto ocurre debido a la composición de los microorganismos que forman los bioflocs y otros factores, incluyendo la temperatura y el sistema de aireación. Por lo tanto, la estimación de TSS en función de FV para la toma de decisiones para realizar el control de sólidos debe estudiarse, interpretarse y considerarse cuidadosamente para que sea más precisa. En contraste, la correlación entre TSS y turbidez se considera fuerte.

Con el objetivo de estimar las concentraciones de TSS en función del FV y la turbidez en diferentes tipos de bioflocs y buscar alternativas para optimizar las metodologías de estos análisis, este estudio tuvo como objetivo realizar análisis de correlación y regresión para determinar el mejor ajuste (> R²) entre los valores de TSS con FV y turbidez en bioflocs con predominio fotoautotrófico, heterotrófico y quimioautotrófico, en diferentes rangos de TSS.

Los autores agradecen a la Coordinación de Perfeccionamiento de Personal de Nivel Superior (CAPES), al Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq, 307741/2022-2) y a la Fundación de Apoyo a la Investigación de Rio Grande do Sul (FAPERGS, proyecto 150403/2024-0) por el apoyo financiero.

Configuración del estudio

Realizamos un estudio de 70 días con camarón blanco del Pacífico (Penaeus vannamei) en un sistema de biofloc utilizando tanques rectangulares de 140 litros ubicados en un invernadero en la Estación de Acuacultura Marina (EMA), Instituto de Oceanografía de la Universidad Federal de Rio Grande (RS) en Brasil. El experimento comprendió tres tratamientos con cuatro réplicas cada uno, que fueron: 1) Predominio fotoautotrófico; 2) Predominio heterotrófico; y 3) Predominio quimioautotrófico. Los tanques heterotróficos y quimioautotróficos fueron cubiertos con una malla de sombra del 80 por ciento para atenuar la luz solar, mientras que los tanques fotoautotróficos fueron expuestos a la radiación solar durante el día para el desarrollo de microalgas. Cada tanque tenía un sistema de aireación con mangueras microperforadas (Aero-Tube®) conectadas a un soplador de aire a través de tuberías de PVC. Los juveniles de P. vannamei con un peso medio individual de 1,17 ± 0,55 gramos se sembraron a una densidad de 500 camarones/metro cúbico.

La concentración inicial de TSS inoculada al inicio del experimento fue de aproximadamente 100 mg por litro. Los TSS se incrementaron a lo largo del período experimental, hasta alcanzar la concentración máxima establecida de 600 mg por litro. Los rangos establecidos para realizar el análisis de TSS para correlacionarlos con FV y turbidez fueron 50–100, 300–350 y 550–600 mg por litro, que correspondieron al inicio, mitad y final de este estudio. El tiempo de sedimentación del análisis de cono Imhoff para determinar el FV fue de 10 a 20 minutos para el tratamiento con predominio heterotrófico y quimioautotrófico, y de 10 a 30 minutos para el tratamiento con predominio fotoautotrófico.

Resultados y discusión

El coeficiente de correlación (R) determina la dirección y fuerza de la relación entre dos variables y su valor siempre oscila entre -1 y +1. Un valor de R cercano o igual a ± 0,3 indica una correlación débil, un valor de R cercano o igual a ± 0,5 indica una correlación moderada y un valor de R igual o superior a 0,7 indica una correlación fuerte. Al elevar al cuadrado el coeficiente de correlación se obtiene el valor del coeficiente de determinación (R²), que es una medida utilizada para evaluar la precisión de una relación entre dos variables además de explicar la proporción de la varianza en la variable dependiente que es estimada o explicada por la variable independiente utilizando análisis de regresión para determinar el mejor ajuste (> R²).

En esta investigación, los resultados demostraron que la correlación entre TSS y turbidez presentó valores de R² = 0,9792 (predominio fotoautotrófico), R² = 0,9799 (predominio heterotrófico) y R² = 0,9847 (predominio quimioautotrófico), con una fuerte relación positiva en todos los tratamientos. El análisis de correlación entre TSS y FV reveló valores de R² que oscilaron entre 0,8309 y 0,9936 en todos los tratamientos (Fig. 3), que también tuvieron una fuerte relación positiva. A pesar de esto, en el tratamiento con predominio heterotrófico (Fig. 3b) la relación entre TSS y FV mostró el valor R² más bajo, en comparación con los demás tratamientos. Esto puede ser atribuido a la fluctuación del volumen de flóculos, FV, en el cono Imhoff.

En el sistema con predominio heterotrófico, se observó que a partir de 350 mg por litro de TSS los sólidos tuvieron una tasa de incremento rápida, tornándose gelatinosos y con partículas de mayor tamaño en su sedimentación en el cono Imhoff. El análisis de correlación entre TSS y FV en el sistema con predominio heterotrófico puede haber sido afectado negativamente por algunos factores como la presencia de bacterias filamentosas que aparecen durante el ciclo de producción. Los factores que contribuyen a la aparición de microorganismos filamentosos pueden estar relacionados con condiciones de estrés, bajos niveles de oxígeno disuelto, baja disponibilidad de alimento y deficiencia de nitrógeno, provocando la formación de agregados grandes con forma irregular. Este crecimiento excesivo de estos microorganismos filamentosos dificulta la sedimentación de sólidos en un cono Imhoff.

En el sistema de predominio fotoautotrófico, cuando los análisis de FV se realizan en presencia de radiación solar, se impide la sedimentación y compactación de los bioflocs en un cono Imhoff. En esta investigación, la fuerte relación positiva observada entre los TSS y el FV en el sistema con predominio fotoautotrófico fue posible porque las unidades experimentales se instalaron en un invernadero y el lugar donde se realizaron los análisis de conos Imhoff se sombreó con una lona plástica negra para evitar la influencia de la intensidad de la luz, lo que ayudó a la sedimentación del biofloc.

Los TSS se correlacionaron fuertemente con la turbidez porque a medida que las concentraciones de TSS aumentaron, los valores de turbidez también aumentaron, lo que resultó en una fuerte relación. No se observó la influencia negativa de los microorganismos filamentosos en el análisis de turbidez.

Santos, Turbidez, Tabla 1

Perspectivas

Con base en los resultados de este estudio recomendamos estimar los valores de TSS en función de la turbidez, debido a que esta es una unidad de medida rápida, fácil y práctica para analizar a lo largo del ciclo de producción del camarón. Para determinar el FV de un sistema predominantemente fotoautotrófico, sugerimos realizar el análisis de cono Imhoff en un lugar sin presencia de radiación solar. Sin embargo, se están desarrollando nuevos estudios utilizando productos químicos que se utilizan en el tratamiento de la calidad del agua y efluentes. En la EMA estamos evaluando estos productos para forzar la sedimentación de los sólidos de los sistemas de bioflocs en los conos Imhoff, independientemente de su composición, para una relación más fuerte de TSS y FV en diferentes tipos de bioflocs y para una metodología fácil, rápida y efectiva para el análisis de conos Imhoff.

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