DEMANDA DE OXIGENO DE DIFERENTES CULTIVOS
Los requerimientos de oxígeno y su habilidad para superar condiciones de inundación varía de acuerdo a la especie. Generalmente, cultivos más pequeños como la lechuga requieren menor cantidad de oxígeno que plantas más grandes y con frutos. Existen muchos estudios en hidroponía, que han demostrado que el oxígeno puede ser deficiente para el normal crecimiento del tomate y pepinillo y esto puede reducir la absorción de nutrientes y agua; pero no se ha reportado en sistema NFT para lechuga (Wees y Steward, 1987). Esto no quiere decir que en canales excesivamente largos sufran de falta de oxígeno, simplemente se debe a que la lechuga y cultivos similares consumen menor cantidad de oxígeno.
En realidad, un estudio encontró que hubo un incremento más que un descenso en el oxígeno disuelto a lo largo de los canales de NFT que contenían plántulas de lechuga de tres semanas de edad. Esto fue atribuido al hecho que la solución nutritiva en un canal vacio se reoxigena conforme el flujo atraviesa la superficie del canal debido a la pequeña turbulencia. Se concluyó que la cantidad de oxígeno que toman las plántulas jóvenes de lechuga no fue significativa y así la solución fue realmente reoxigenada dentro del canal (Wees y Steward, 1987). Esto también ha sido demostrado en plantas de lechuga de mayor edad que las anteriores, donde la pendiente, el flujo y canales cortos permiten a la solución tomar oxígeno atmosférico así, las lecturas de niveles mayores de oxígeno en el exterior que en el interior no son comunes. Sin embargo, esto es menos probable en el caso de plantas más grandes, las cuales tienen mayor demanda de oxígeno.
CULTIVO DE TOMATE Y PEPINILLO
Varias investigaciones que examinan el efecto de la falta de oxígeno a lo largo de los canales fueron llevadas a cabo años atrás. En todos los casos, se encontró que el oxígeno contenido en la solución con plantas maduras de pepinillo, se agotó más rápido que en soluciones de tomate en crecimiento. También se ha encontrado un marcado agotamiento de oxígeno en los canales de NFT en tardes calurosas cuando los niveles de luz son altos (Gislerod y Kempton, 1983). Estos resultados enfatizan la importancia del flujo y el ancho del canal.
Las mediciones reportaron que la temperatura de la solución nutritiva fue de 26°C, el oxígeno contenido en el tanque fue 6.7 ppm y, cuando la solución alcanza los canales de cultivo, el contenido fue 6.2 ppm. Después de fluir 7.6 m (pasa por 7 plantas maduras de pepinillo) el oxígeno contenido decayó a 2.9 ppm, esto con una pendiente de 1 en 50 (0.5%) y un flujo de solución de 2.2 litros/minuto. También se notó que el contenido de solución dentro de los canales siempre fue el más alto cuando el flujo fue mayor, el cual fue a los lados de los potes que contenían las plantas (Gislerod y Kempton, 1983).
Cuando el mismo procedimiento de medición se realizó en plantas maduras de tomate, se encontró que a 24.5°C (en una hilera de 16 plantas), se dio un patrón similar al del pepinillo. Sin embargo, la misma caída en la oxigenación ocurrió con 7 plantas de pepinillo, mientras que para el tomate fueron 16 plantas, esto indica las diferencias entre cultivos para remover el oxígeno en la misma longitud de canal y pendiente. Al final del experimento, los niveles de oxígeno fueron medidos a lo largo del canal vacío. También se encontró que en los tubos vacíos siempre se incrementó la oxigenación desde dentro hacia fuera, debido a que la solución absorbió oxígeno del aire.
En otros experimentos, el efecto de bajos niveles de oxigenación sobre el crecimiento de la planta y la estructura de la raíz fue examinado comparando soluciones a las cuales se les ha introducido deliberadamente en los canales de cultivo bajos niveles de oxígeno a menos de 1 ppm (mg/l); el efecto en el crecimiento de la planta y el deterioro de la raíz fue severo y extenso. La infección por Pythium también fue registrada y la mayor parte de las plantas comenzaron a marchitarse en días soleados.
Después de algún tiempo la planta trató de recuperarse produciendo nuevas raíces que crecen en la parte superior de la masa radicular antigua. Se asume que estas nuevas raíces aéreas, toman el rol de absorción de oxígeno del aire que se encuentra sobre la solución nutritiva y las plantas dejan de marchitarse en días soleados. A pesar de esta adaptación a bajos niveles de oxígeno en la solución, el crecimiento en la parte aérea (y el rendimiento) fue reducido en estos tratamientos. Las plantas del tratamiento control tuvieron niveles normales de oxígeno de 7.6%, más altos y tuvieron mayor área foliar que las plantas que carecían de oxígeno en la solución (menos de 1 ppm de O2). El rendimiento total de pepinillo fue significativamente más alto que aquellos canales tratados con bajo contenido de oxígeno. Se obtuvo un promedio de 6 kg por planta en el tratamiento control y 3 kg por planta en los tratamientos con bajos niveles de oxígeno. Además, el consumo total de agua fue sólo del 75% en canales con bajo contenido de oxígeno con respecto al control.
Otros reportes muestran que niveles de oxígeno de menores de 5 ppm afectan severamente el crecimiento de las plantas; sin embargo, en este ensayo de Gislerod y Kempton (1983), niveles tan bajos como 1 ppm, las plantas crecieron y produjeron frutos, aunque los rendimientos fueron bajos. Esto enfatiza la capacidad de las plantas a adaptarse a las condiciones del canal y utilizar O2 atmosférico, donde las nuevas raíces aéreas fueron expuestas al aire. Las plantas de pepinillo tienen la habilidad de producir raíces adventicias a través de los lados de los bloques de propagación o macetas y sobre el nivel de la solución poco oxigenada durante largos períodos de escasez de oxígeno. Esto demuestra algunas características adaptativas de las plantas.
¿CÓMO AFECTA LA OXIGENACION EN HIDROPONIA?
Pendiente y Flujo
Se ha encontrado que la pendiente y el flujo afecta el contenido de oxígeno disuelto en la solución nutritiva. Maher (1977) encontró que incrementando el flujo, mejoraban las plantas y la concentración de oxígeno disuelto en la solución nutritiva. De hecho, incrementando el flujo en los canales de NFT de 1/3 a 9 litros por minuto, resultó en un incremento al final de los canales de 5.9 a 7.0 ppm. Cooper (1972) reportó que con pendientes de 1 en 200, 100, 50 y 25, los rendimientos de tomate fueron 109, 117, 119 y 119 toneladas/acre respectivamente (con pendientes menores de 1 en 100 (1%), los rendimientos decaen). La reducción del rendimiento puede deberse al efecto de embalse de la masa radicular, el cual puede conducir a un estancamiento de la solución nutritiva y regiones de bajo oxígeno disuelto.
¿CÓMO MEDIMOS EL OXIGENO DISUELTO EN HIDROPONIA?
Ensayos Experimentales en Nueva Zelanda
Con el desarrollo de medidores portátiles de oxígeno disuelto somos capaces de medir, en forma determinante, la cantidad de oxígeno disuelto en varios puntos del sistema de producción e identificar cualquier problema. Los medidores de oxígeno disuelto no sólo tienen la habilidad de dar lecturas en ppm (mg/l) de la cantidad de oxígeno disuelto, sino también registran la temperatura y luego se expresa el nivel de oxígeno como "porcentaje de saturación". Este porcentaje de saturación es realmente una buena guía en sistemas hidropónicos, ya que la cantidad de oxígeno disuelto decae con un incremento de temperatura, es importante saber cuán saturada se encuentra la solución así como la cantidad (en ppm) disponible para el crecimiento de planta.
También existe un buen número de preguntas sin responder (o parcialmente resueltas) cuando llegamos a los niveles de oxígeno disuelto en hidroponía, lo cual examinaremos a través de ensayos experimentales. El primero fue determinar los niveles generales de oxígeno disuelto en varios sistemas NFT de cultivos tradicionales tales como pepinillo, lechuga, zucchini y tomate. El segundo fue obtener lecturas de diferentes tipos de sistemas como aeropónicos, acuapónicos y soluciones hidropónicas totalmente orgánicas. Otras interrogantes incluyeron el efecto de adicionar peróxido de hidrógeno para "limpiar" y "ensuciar" soluciones nutritivas para determinar su efecto en la oxigenación y el efecto de la oxigenación general a varias alturas del tubo de retorno. Los resultados obtenidos se detallan a continuación.
Experimento 1: Mediciones en los cultivos
Utilizando un medidor portátil de oxígeno disuelto (método del electrodo-membrana) correctamente calibrado, obtuvimos lecturas de varios puntos de sistemas comerciales con una variedad de cultivos. Estas lecturas se tomaron en el tanque, en los canales de cultivo, en diferentes puntos a lo largo del canal y en el tubo de retorno del canal.
Resultados:
Lechugas en canales NFT
Cuando medimos los niveles de oxígeno disuelto de plantas maduras de lechuga (cultivar Red Oakleaf), se encontró que los niveles promedio de oxígeno fue 6.0-6.4 ppm o 69-73% de saturación a una temperatura de la solución de 21.7°C. No fue posible medir el nivel de oxígeno en el interior de cada canal, la película de nutrientes fue muy delgada para cubrir el medidor. Al extremo final de los canales de cultivo, la caída de los niveles de oxígeno no fue significativa a pesar que el flujo de la solución tuvo que pasar por un gran número de plantas. En el punto más bajo de cada canal de drenaje, donde ocurre la reoxigenación, se consideró la turbulencia como el flujo de salida, obteniéndose lecturas de 8.0 ppm (92% de saturación), también el nivel obtenido en el tanque fue elevado. Estos resultados indican que con la lechuga madura, en días cálidos, los niveles no caen a niveles que puedan poner en peligro el crecimiento de la planta.
Tomates en canales NFT
Se encontraron resultados muy diferentes en tomate que en lechuga. El cultivo bajo investigación fue transplantado y cada canal contiene 35 plantas y una longitud de 20 m. Los canales fueron de Pandafilm con pendientes estándar. El rango de temperatura de la solución fue de 20 a 22°C. La lectura de oxígeno disuelto de la primera planta de cada canal fue alrededor de 4.5-4.6 ppm lo cual representa sólo el 53% de saturación. A 10 m (punto medio) del canal, la lectura cayó a 3.1 ppm (35% de saturación) a 20°C. Debajo de la última planta de cada canal, las lecturas de oxígeno fueron de 1.8-2.7 ppm (20-30% de saturación). En el canal de retorno, donde ocurre la aireación, los niveles alcanzaron 5.2 ppm. Las lecturas registradas en el tanque fueron 7.9 ppm es decir 92% de saturación.
Pepinillo en NFT
Cuando se compara las lecturas tomadas con las del tomate, se encontró que las plantas de pepinillo remueven más oxígeno disuelto de la solución que el tomate o la lechuga. Cada canal Panda-Film de 20 m de largo contiene aproximadamente 35 plantas. Los niveles de oxígeno dentro del canal fueron 5.0-5.6 ppm (54-61% de saturación); sin embargo, en el punto medio los valores cayeron a 1.0-2.2 ppm (11-24% de saturación). Debajo de la última planta de cada canal, los niveles de oxígeno fueron extremadamente bajos: 0.8-0.9 ppm (19-10% de saturación). Con el tomate, la reoxigenación se dio en el canal de retorno alcanzando niveles de 4.4-4.9 ppm.
Figura. Sistema NFT mostrando la dinámica del oxígeno disuelto
Zucchini en NFT
Cuando se tomaron lecturas en plantas jóvenes de zucchini, se obtuvieron resultados sorprendentes. Mientras que investigaciones previas habían encontrado que pepinillos remueven más oxígeno de la solución que los tomates, no se tenían datos disponibles de zucchini.
Las plantas sólo estuvieron 5 semanas en el canal y comenzaron a florear. Estas plantas estuvieron en hileras más cortas que el pepinillo y tomate, a razón de 14 plantas por hilera. Con sólo 5 semanas, el sistema radicular no alcanza los lados del canal y la masa radicular comenzaba a establecerse. Mientras que el oxígeno disuelto dentro del canal registró 6.4 ppm (70% saturación), después de pasar por 6 plantas cayó a 4.3 ppm (47% de saturación), y al final del canal se registró un rango de 0-0.2 ppm (0-2 % de saturación). Estos resultados fueron tomados en varios tiempos y los resultados fueron consistentes, indicando que las últimas plantas de cada canal tuvieron sus sistemas radiculares expuestas a una deficiencia de oxígeno. A pesar de esto, todas las plantas tuvieron una apariencia similar y no les afectó la carencia de oxígeno.
La razón que dimos fue que estas lecturas fueron tomadas en una tarde calurosa; una vez que la solución se enfría tendrá más oxígeno, y las plantas realmente sólo experimentan pocas horas de bajos niveles de oxígeno cada día. Por otro lado, la temperatura de la solución fue de 19-24º C, mucho más bajas que las alcanzadas en condiciones típicas de verano. Una solución caliente tendría menos oxígeno mientrás que el sistema radicular de las plantas tienen más demanda de oxígeno. Al final de algunos canales de cultivo, las temperaturas de la solución tomadas al día siguiente registraron 34°C con 0 ppm de O2. Bajo estas severeas condiciones, las plantas del extremo del canal de cultivo también se marchitaron.
También podemos asumir que las plantas no sólo cuentan con el oxígeno disuelto en la solución nutritiva para sus requerimientos. Cuando se examinó la masa radicular, aunque la capa de nutrientes era más profunda que una "película", habían raíces expuestas a la atmósfera, lo que juega un rol importante en la absorción de oxígeno del aire.
Experimento 2: Lecturas de diferentes sistemas
Una extensión de canales de NFT con una unidad aeropónica y acuapónica fueron examnados para determinar sus promedios de oxígeno disuelto. Fueron usadas diferentes soluciones hidropónicas orgánicas para determinar los niveles de oxígeno. Es difícil comparar las lecturas debido a las diferentes temperaturas entre los sistemas; podemos comparar los niveles de saturación de oxígeno donde la temperatura está compensada. El pequeño sistema acuapónico que fue examinado comprendía de una mezcla de peces ornamentales, plantas acuáticas y un sistema NFT con berro y otras plantas para ensaladas. Se añadieron bacterias benéficas para ayudar a la conversión de nutrientes. Todo el tiempo, el sistema acuapónico tuvo lecturas de oxígeno extremadamente saludables de 7.5 a 8.1 ppm (80-86% de saturación). Hubo una mínima pérdida de oxígeno en cada canal de cultivo a pesar que se introducía una pequeña cantidad de oxígeno vía los canales de retorno. El oxígeno disuelto es vital para el mantenimiento de la sanidad de las plantas y peces en un sistema acuapónico y los microorganismos que los peces convierten en nutrientes y oxígeno para las plantas. En este tipo de sistema podemos asumir que las plantas acuáticas y algas contribuyeron a la reoxigenación del agua durante el día, elevando así los niveles de oxígeno sólo en los tanques del NFT.
Sin embargo, durante la noche, cuando las plantas y peces consumen oxígeno, existe una condición diferente. Los niveles de oxígeno comienzan a caer rápidamente a los niveles iniciales. Como las plantas acuáticas comienzan a fotosintetizar en presencia de luz, los niveles de oxígeno se elevan rápidamente. Esto ocurre en ecosistemas naturales.
Las medidas de los niveles de oxígeno en el tanque de un pequeño sistema aeropónico indicaron que la acción de los aspersores airea bien la solución; se encontraron lecturas de 7.4 ppm (80% de saturación). Cuando se examinaron sistemas pequeños de NFT, se encontró que en canales cortos (6 m) con plantas jóvenes de tomate y pimiento, los niveles de oxígeno alcanzaron desde 73% de saturación al interior del canal a 55% de saturación a la salida, indicando que a 55% de saturación todavía había 5.1 ppm de oxígeno disuelto disponible para la planta y, que estas plantas, en ese estado de crecimiento, no sufrieron de falta de oxígeno.
Experimento 3: Peróxido de Hidrógeno (H2O2)
El efecto de adicionar peróxido de hidrógeno comunmente utilizado en el agua y la solución como un tratamiento para eliminar patógenos y limpiar el agua, fue examinado adicionándolo al agua pura para "limpiar" la solución nutritiva y nutrientes orgánicos. Se alega que el peróxido de hidrógeno incrementa el contenido de oxígeno en las soluciones nutritivas y provee oxígeno disponible para la planta, lo cual impulsa el crecimiento de la planta. Estos parece ser una buena razón para utilizar este agente sanitario pero, alto niveles de peróxido de hidrógeno pueden volver no disponibles algunos nutrientes para la planta. Nosotros probamos para determinar cuánto oxígeno fue liberado por dosis estándar de peróxido de hidrógeno en una solución nutritiva "limpia" y otra "sucia" la cual estaba llena de materia orgánica.
Estos resultados fueron interesantes ya que realmente hubo un pequeño efecto al adicionar peróxido de hidrógeno a la solución nutritiva fresca y bien aireada. De hecho, al adicionar peróxido de hidrógeno a esta solución fresca y bien aireada, no se incrementaron del todo los niveles de oxígeno, la razón fue que la solución no tenía materia orgánica con la cual el peróxido de hidrógeno podía reaccionar y liberar oxígeno. En cambio, cuando una solución fresca con bajo porcentaje de saturación y no aireada, hubo un efecto inicial de incremento de la oxigenación al 10%; sin embargo esto decayó a los poco minutos.
Mientras que esto parece ser una buena razón para no utilizar peróxido de hidrógeno en las soluciones nutritivas, en la práctica las soluciones nutritivas no son "limpias" y rápidamente acumulan moléculas orgánicas de la respiración radicular, microorganismos y material vegetativo. Esta es la situación más común, estas partículas de materia orgánica reaccionan con el peróxido de hidrógeno y, por lo tanto se libera oxígeno. Para examinar este efecto, utilizamos una solución orgánica (peces) y añadimos la tasa recomendada de peróxido de hidrógeno. El efecto fue dramático, 30 segundos después de la adición del H2O2, los niveles de oxígeno comenzaron a elevarse. Al iniciar el experimento, la solución nutritiva orgánica de los peces tuvo niveles extremadamente bajos debido a la presencia de numerosos microorganismos (bacterias), los cuales estuvieron presentes en la solución. Esta respiración microbiana disminuyó el contenido de oxígeno en la solución orgánica a 0.7 ppm en 24 horas.
Después de la adición de H2O2, los niveles de oxígeno disuelto se incrementaron rápidamente a 2 ppm en un par de minutos y continuó incrementándose en los siguientes días, cada vez más y más materia orgánica fue reducida por el peróxido de hidrógeno. La aplicación de H2O2 a esta solución carente de oxígeno la hace una vez más útil para las plantas del NFT. Se debe señalar que otras fuentes de esterilización como el tratamiento con ozono también se introduce a la solución.
Figura. Efecto del peróxido de hidrógeno sobre los niveles
de oxígeno disuelto con respecto al tiempo
Experimento 4: Altura del canal de retorno
El efecto sobre los niveles de oxígeno de diferentes alturas del canal de retorno fueron estudiadas. La altura de salida sobre el nivel en el tanque parece no ser de gran importancia cuando regresa para la reoxigenación de la solución; sin embargo parece que esto hace una diferencia.
Cuando examinamos los efectos de varios canales de retorno sobre el contenido de oxígeno disuelto de la solución nutritiva de abajo. Alturas entre 0-80 cm sobre el nivel de nutrientes, se encontró que, donde no hubo caida desde el canal de retorno (0 cm de altura), el contenido de oxígeno de la solución permaneció en 4 ppm. Cuando se incrementó la altura a 40 cm, el contenido de oxígeno en el tanque fue 5.5 ppm y a 80 cm fue de 7.2 ppm. Esto demuestra la importancia de este recurso de oxigenación en sistemas hidropónicos. A mayor fuerza con la cual los nutrientes caen al tanque (a mayor altura de caida), las burbujas de aire alcanzan mayor profundidad y el efecto de aireación es mayor.
Figura. Lecturas de oxígeno disuelto a diferentes alturas de retorno
¿Cómo obtener más oxígeno alrededor de la zona radicular?
Basados en los datos que hemos colectado y por lo que han encontrado otros investigadores, pacerece que los siguientes puntos son importantes para asegurar niveles máximos de oxígeno en su sistema hidropónico.
Primeramente, el principal punto de reoxigenación en sistema NFT es en la caida de retorno dentro del tanque y a mayor altura de caida, mejora el efecto de aireación. También ayuda la introducción más burbujas de aire en el tanque, rompiendo en flujo en finas gotas. En segundo lugar, mientras que el cF de la solución reduce la capacidad de oxígeno que lleva la solución, el efecto es muy pequeño y la temperatura tiene mayor influencia sobre la solución. Reduciendo las temperaturas excesivas de la solución se asegurará más oxígeno que puede ser llevado por la solución y bajará a niveles óptimos la tasa de respiración de las raíces. En tercer lugar, factores tales como tasa de flujo de nutrientes, largo, ancho y pendiente del canal, tienen un gran efecto sobre los niveles de oxígeno y, mientras los canales sean más largos, puede no afectar las plantas de lechuga en términos de carencia de oxígeno, ellos tendrán un efecto dañino en las plantas más grandes.
Finalmente, las plantas tienen una capacidad increible para adaptarse a condiciones desfavorables y, mientras que se ha demostrado que los niveles de oxígeno de la solución decaen a niveles bajos aun en sistemas comerciales altamente productivos, el crecimiento y rendimiento no fue efectado mayormente. Parece que las condiciones tienden a ser más severas en términos de estancamiento de nutrientes, carencia de oxígeno y flujo, antes que las plantas sean visiblemente afectadas. En cambio, teniendo altos niveles oxígeno en todos los puntos del sistema hidropónico, entonces pueden ser maximizados los potenciales genéticos en rendimientos y crecimiento de la planta.