Air, food and soilless substrate quality assessment in rooftop agriculture

Abstract

L'agricultura urbana (AU), especialment en les cobertes (AR), és una pràctica cada vegada més implementada per a complementar la creixent demanda de producció local d'aliments a les ciutats. Diversos treballs de recerca han demostrat la viabilitat tècnica d'aquest tipus d’instal·lacions d'agricultura i han quantificat els seus impactes ambientals. No obstant això, encara no s'ha dut a terme una recerca profunda sobre la qualitat del sistema productiu en cobertes que afecta tant, a l'entorn, al propi sistema on es conrea, com al producte final obtingut, en aquest cas, l'aliment. En general, la contaminació per metalls pesats és un dels temes principals en el debat sobre la seguretat alimentària i en el cas de la AU hi ha major preocupació pel fet que els cultius solen estar pròxims a zones d'alta densitat de trànsit. Una altra preocupació específica dels cultius protegits és la qualitat aerobiológica dins dels hivernacles. El nivell de concentració de pol·len i espores de fongs pot afectar els treballadors i es desconeix quina és la situació dels hivernacles urbans (RTG) i el potencial impacte en cas de realitzar una recirculació. L'alt consum d'aigua en la UA mediterrània, on l'aigua és un recurs escàs i que augmentarà en el futur a causa del canvi climàtic també és un aspecte clau a resoldre. A més, existeix una demanda per a promoure la AU en el context de les ciutats en el marc de l’economia circular aprofitant residus verds pròxims al lloc del cultiu, i reduint els seus impactes ambientals. Els aspectes esmentats anteriorment porten a analitzar quina és la percepció i acceptació d'aquest tipus d'agricultura i els aliments produïts entre els consumidors. La present tesi doctoral aborda aquest àmbit d'estudi intentant donar resposta a les següents preguntes: - Quina és la potencial contaminació de metalls pesants en els cultius sense sòl de l’agricultura urbana en coberta a l’aire lliure o en hivernacles deguda a la contaminació atmosfèrica de les ciutats? - Les condicions biològiques de l'aire en els hivernacles en coberta són adequades per a proporcionar entorns de treball segurs? I en el cas dels hivernacles integrats, es pot recircular el seu aire residual amb finalitats aprofitament energètic, al mateix temps que es garanteix un entorn segur de qualitat biològica per als usuaris de l'edifici? - Estem utilitzant substrats ambientalment adequats per a l'agricultura urbana sense sol capaços de mitigar els efectes del canvi climàtic fent-los resilients a la sequera? - Quina és la percepció del consumidor de l'agricultura en coberta i els productes conreats en elles?

Aquesta tesi contribueix a un major enteniment dels principals factors que influeixen en la qualitat dels productes de RA i els sistemes de cultiu alhora que aporta noves estratègies per a millorar qualitat. Els resultats obtinguts en els diferents escenaris d'estudi demostren que en el context urbà es poden produir aliments d'alta qualitat, amb elevats rendiments productius alhora que es promouen estratègies d'economia circular com l'ús de residus vegetals urbans com a substrat. La futura recerca relacionada amb aquesta àrea de coneixement podria centrar-se en els següents temes: la qualitat dels productes i els sistemes de producció de la AU podrien centrar-se en els següents temes: • avaluar la contaminació d'altres contaminants atmosfèrics • estudiar la contaminació per metalls pesats en cultius de cicle llarg • estudiar la dinàmica de partícules al·lergògenes durant l'hivern, època amb menor taxa de renovació d'aire en un RTG • aprofundir en la cerca i optimització de substrats orgànics locals en la RA • Aprofundir en la percepció de la qualitat a través d'estudis organolèptics amb panells de tast així com utilitzar altres tècniques de caracterització d'aliments com l’espectroscòpia

La agricultura urbana (AU), especialmente en las cubiertas (AR), es una práctica cada vez más implementada para complementar la creciente demanda de producción local de alimentos en las ciudades. Diversos trabajos de investigación han demostrado la viabilidad técnica de este tipo de agricultura y han cuantificado sus impactos ambientales. Sin embargo, aún no se ha llevado a cabo una investigación profunda sobre la calidad del sistema productivo en cubiertas que afecta tanto, al entorno, al propio sistema en donde se cultiva, como al producto final obtenido, en este caso, el alimento. En general, la contaminación por metales pesados ​​es uno de los temas principales en el debate sobre la seguridad alimentaria y en el caso de la AU hay mayor preocupación debido a que los cultivos suelen estar próximos a zonas de alta densidad de tráfico. Otra preocupación específica de los cultivos protegidos es la calidad aerobiológica dentro de los invernaderos. El nivel de concentración de polen y esporas de hongos puede afectar los trabajadores y se desconoce cuál es la situación de los invernaderos urbanos (RTG) y el potencial impacto en caso de realizar una recirculación. El alto consumo de agua en la UA mediterránea, donde el agua es un recurso escaso y que aumentará en el futuro a causa del cambio climático es un aspecto clave a resolver. Además, existe una demanda para promover la AU en el marco de la economía circular en las ciudades aprovechando residuos verdes cercanos al lugar del cultivo, y reduciendo sus impactos ambientales. Los aspectos mencionados anteriormente llevan a analizar cuál es la percepción y aceptación de este tipo de agricultura y los alimentos producidos entre los consumidores. La presente tesis doctoral aborda este ámbito de estudio intentando dar respuesta a las siguientes preguntas: - ¿Cuál es la potencial contaminación de metales pesados en los cultivos sin suelo de la agricultura urbana en cubierta al aire libre o en invernaderos debida a la contaminación atmosférica de las ciudades? - ¿Las condiciones biológicas del aire en los invernaderos en cubierta son adecuadas para proporcionar entornos de trabajo seguros? Y en el caso de los invernaderos integrados, ¿se puede recircular su aire residual con finalidades aprovechamiento energético y al mismo tiempo se garantiza un entorno seguro de calidad biológica para los usuarios del edificio? - ¿Estamos utilizando sustratos ambientalmente adecuados para la agricultura urbana sin suelo y capaces de mitigar los efectos del cambio climático haciéndolos resilientes a la sequía? - ¿Cuál es la percepción del consumidor de la agricultura en cubierta y los productos cultivados en ellas? Esta tesis contribuye a un mayor entendimiento de los principales factores que influyen en la calidad de los productos de RA y los sistemas de cultivo a la vez que aporta nuevas estrategias para mejorar calidad. Los resultados obtenidos en los distintos escenarios de estudio demuestran que en el contexto urbano se pueden producir alimentos de alta calidad, con elevados rendimientos productivos a la vez que se promueven estrategias de economía circular como el uso de residuos vegetales urbanos como sustrato. La futura investigación relacionada con esta área de conocimiento podría centrarse en los siguientes temas: • evaluar la contaminación de otros contaminantes atmosféricos • estudiar la contaminación por metales pesados en cultivos de ciclo largo • estudiar la dinámica de partículas alergénicas durante el invierno, época con menor tasa de renovación de aire en un RTG • profundizar en la búsqueda y optimización de sustratos orgánicos locales en la RA • Profundizar en la percepción de la calidad a través de estudios organolépticos con paneles de cata así como utilizar otras técnicas de caracterización de alimentos como la espectroscopia

Urban agriculture (UA), particularly rooftop urban agriculture (RA), has increased in the last few years to satisfy the growing demand for local food production in cities. Previous research has demonstrated the technical viability and quantified the environmental impacts of producing food on rooftops, both in and outside greenhouses. However, no in-depth research has been carried out yet on the key aspect of food quality, which cuts right across the environment, the system and the final product, in this case the food. In general, heavy metal pollution is one of the most pressing concerns in the deliberation about food security and food safety in Europe. Additionally, in the case of UA, crops are often very close to roads with heavy traffic and with a high atmospheric pollution risk. Another relevant concern about air quality specific to protected crops is the biological air quality inside greenhouses. The concentration levels of pollen and fungus spores suspended in the air can affect people who regularly work in the greenhouse and it is not known how this plays in an urban context. High water consumption of gardens in Mediterranean cities, where water is a scarce resource, is also a key factor to assess. At the same time, there is a demand to promote UA in the context of circular cities, using green materials near the place of consumption, which helps reduce the environmental impacts of food production. For these reasons, it was also considered essential to study customers’ perception and acceptance of this type of agriculture and the food it produces. This doctoral thesis aims to fill these gaps by addressing the following research questions: - Does atmospheric heavy metal pollution in cities contaminate soilless crops from RA and RTGs? - Are the biological air conditions in RTGs adequate to provide safe working environments? And in the case of i-RTGS, can its air be recirculated while ensuring safe environment for building users? - Are we using adequate substrates for urban agriculture to mitigate the effects of climate change and increase resilience to drought? - What is the consumer’s perception of RA and products grown in these systems? This dissertation contributes to understanding the main factors influencing the quality of food and RA cultivation systems and provides new strategies to increase their quality. The results from the different points analyzed demonstrate that, in an urban context, it is possible to produce high quality food products from high crop yields while adopting circular economy strategies, such as the use of biowaste as a substrate. Future research on the fields assessed might focus on the following areas: • Evaluating contamination through additional atmospheric pollutants • Determining the heavy metal content in longtime leafy crops • Studying the dynamics of allergenic particles in winter, the season with the lowest ventilation levels inside an RTG • Exploring and optimizing organic substrates from local RA • Further assessing the perception of quality through organoleptic studies with trained panels and with other techniques of food characterization, such as spectroscopy