Phytochemicals and quality traits of food plants grown in an aquaponic system

Recent developments in nutritional research have clearly highlighted the tight relationship between food and health. Beyond nutrition, fruits and vegetables can be considered as natural sources of bioactive molecules, whose beneficial effects on human health are widely recognised. To improve food quality, soilless growing systems could represent a good strategy for promoting sustainable food production chain, although their nutritional and nutraceutical properties should still be deeply investigated. Aquaponics is a form of soilless culture systems (SCS) which combines recirculation aquaculture with hydroponics. The nutrient-rich wastewater from fish culture is used to fertilize plants hydroponically grown, thus reducing the use of mineral fertilizers and the environmental impact of both fish and plant production. Main quality traits, volatile and non-volatile secondary metabolites of S. lycopersicum, P. crispum and O. basilicum grown in a greenhouse aquaponics system were compared to those of organically soil-grown vegetables. Growing environments significantly affected most of the evaluated quality and biochemical traits. On fresh basis soil-grown P. crispum and O. basilicum showed higher dry matter, soluble solids content (SSC), total phenolics (TP) and antioxidant activity (AA) as compared to aquaponics crops. Conflicting results were obtained on the same samples by comparing data on dry basis. If referred to dry matter content, aquaponic crops showed similar SSC, comparable or significant higher TP, and significant higher AA values compared to soil ones. Organic and aquaponic S. lycopersicum were comparable in dry matter and SSC, but soil-grown were richer in TP while soilless showed a higher AA. HPLC analysis showed that more than half of tested metabolites were significantly affected by cultivation systems. Compared to soil-grown, in soilless crops were found lower contents of some metabolites. Anyway, aquaponics induced significant higher concentrations of resveratrol in P. crispum, rosmarinic acid and myricetin in O. basilicum, lycopene in S. lycopersicum. Comparison of GC-MS analysis revealed some marked differences in volatile composition of O. basilicum. Linalool was the main constituent in both treatments but compared to soil-grown in soilless culture a significant increase of τ-cadinol as the second constituent was observed. Volatile profiles of P. crispum did not differ between tested growing methods. Finally, different significant correlations were found in each treatment between quality traits, volatile and non-volatile compounds. The overall quality of organic and aquaponics cultures seems to be comparable. Results showed that aquaponic farming method can be an innovative, rapid, and sustainable way for producing quality food.

I recenti sviluppi della ricerca nel campo della nutrizione hanno chiaramente evidenziato la stretta relazione tra cibo e salute. Oltre a fornire un'alimentazione di base, frutta e verdura possono essere considerate fonti naturali di molecole bioattive i cui effetti benefici sulla salute umana sono ampiamente riconosciuti. Nel miglioramento della qualità delle produzioni agricole, i sistemi di coltivazione fuori suolo potrebbero rappresentare una buona strategia per promuovere una catena di produzione alimentare sostenibile, ma le proprietà nutrizionali e nutraceutiche dei prodotti hanno bisogno di essere studiate più a fondo. L’acquaponica è uno dei sistemi di coltivazione fuori suolo che combina l’acquacoltura a ricircolo con l’idroponica, l’integrazione dei due sistemi offre la possibilità di riciclare le acque reflue dei pesci, ricche di sostanze nutritive, per fertilizzare piante coltivate idroponicamente, riducendo così l'uso di fertilizzanti di origine minerale e l’impatto ambientale sia della produzione ittica che vegetale. Piante di Solanum lycopersicum L., Petroselinum crispum (Mill.) Fuss e Ocimun basilicum L., provenienti dallo stesso materiale genetico sono state contemporaneamente coltivate all’interno di una serra acquaponica e in pieno campo secondo i metodi dell’agricoltura organica. Le colture sono state campionate, analizzate e infine comparate sotto il profilo qualitativo e metabolico. Gli ambienti di crescita hanno influenzato in modo significativo la maggior parte dei tratti qualitativi e biochimici analizzati. Le colture organiche di P. crispum e O. basilicum hanno mostrato un’attività antiossidante e un contenuto in sostanza secca, solidi solubili e fenoli totali più elevato rispetto alle colture acquaponiche. Risultati contrastanti sono stati ottenuti sugli stessi campioni confrontando i dati su base secca. Prendendo in considerazione la sostanza secca, le colture acquaponiche hanno mostrato contenuti simili di solidi solubili, fenoli totali comparabili o significativamente più alti e capacità antiossidanti significativamente maggiori rispetto a quelle coltivate in suolo. Per quanto riguarda S. lycopersicum le produzioni sono risultate paragonabili nel contenuto in sostanza secca e solidi solubili, ma il prodotto organico è risultato più ricco in fenoli totali mentre quello acquaponico ha mostrato un’attività antiossidante più elevata. La cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) ha evidenziato che il sistema di coltivazione ha influenzato in maniera significativa più della metà dei metaboliti testati. Rispetto alle coltivazioni in terra, le colture fuori suolo hanno mostrato concentrazioni significativamente inferiori di alcuni metaboliti. Tuttavia, il sistema acquaponico ha indotto una maggiore sintesi di resveratrolo in P. crispum, di acido rosmarinico e miricetina in O. basilicum, e di licopene in S. lycopersicum. Il confronto con l’analisi gas-cromatografica (GC-MS) ha rivelato alcune marcate differenze nella composizione volatile di O. basilicum. Il monoterpene linalolo è risultato il costituente principale in entrambi i trattamenti, ma rispetto al sistema tradizionale, in acquaponica è stato osservato un aumento significativo di τ-cadinolo come secondo costituente. Nessuna differenza è stata trovata invece tra i profili volatili di P. crispum nei due metodi di coltivazione. Infine, in ciascun trattamento sono state trovate correlazioni differenti e significative tra parametri di qualità, composti volatili e non volatili. La qualità complessiva delle colture organiche e acquaponiche sembra essere paragonabile. I risultati hanno mostrato che la coltivazione in acquaponica può essere considerata un metodo innovativo, rapido e sostenibile per produrre cibo di qualità.