Source material

الفصل الأول: علم الأحياء المائية وتحديات الغذاء العالمية

1. 1-1 مقدمة

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   ويعتمد إنتاج الأغذية على توافر الموارد، مثل الأراضي والمياه العذبة والطاقة الأحفورية والمغذيات (Conijn et al. 2018)، ويتجاوز الاستهلاك الحالي لهذه الموارد أو تدهورها معدل تجديدها العالمي (Van Vuuren et al. 2010). ويهدف مفهوم حدود الكواكب (الشكل 1-1) إلى تحديد الحدود البيئية التي يمكن للبشرية أن تعمل في ظلها بأمان فيما يتعلق بالموارد الشحيحة (Rockström et al. 2009). إن حدود التدفق الكيميائي الحيوي التي تحد من الإمدادات الغذائية أكثر صرامة من تغير المناخ (Steffen et al. 2015). وبالإضافة إلى إعادة تدوير المغذيات، فإن التغييرات الغذائية ومنع النفايات ضروريان بشكل متكامل لتحويل الإنتاج الحالي (Conijn et al. 2018; Kahiluoto et al. 2014). وبالتالي، فإن التحدي العالمي الرئيسي هو تحويل النموذج الاقتصادي القائم على النمو نحو نموذج اقتصادي اقتصادي اقتصادي متوازن يحل محل النمو غير المحدود بالتنمية المستدامة (مانيلي 2016). وللحفاظ على نموذج متوازن، يلزم وجود نظم زراعية مبتكرة وأكثر سلامة من الناحية الإيكولوجية، بحيث يمكن تحقيق التوازن بين المفاضلات بين الاحتياجات البشرية الفورية مع الحفاظ على قدرة المحيط الحيوي على توفير السلع والخدمات المطلوبة (Ehrlich and Harte 2015).

   الرسم غير متاح في هذه النسخة المنقولة؛ راجع الإصدار الأصلي.

   ** الشكل 1.1** الحالة الراهنة لمتغيرات التحكم في سبعة من الحدود الكوكبية كما وصفها Steffen et al. (2015). المنطقة الخضراء هي مساحة التشغيل الآمنة، والأصفر يمثل منطقة عدم اليقين (زيادة المخاطر)، والأحمر هو منطقة عالية الخطورة، وحدود المنطقة الرمادية هي تلك التي لم يتم تحديدها بعد. و تشير المتغيرات المبينة باللون الأزرق (أي تغير نظام الأراضي, و استخدام المياه العذبة, و التدفقات الكيميائية الحيوية) إلى الحدود الكوكبية التي يمكن أن يكون لل أحياء المائية أثر إيجابي على

   وفي هذا السياق، تم تحديد الأحياء المائية كنهج زراعي يمكن أن يساعد، من خلال إعادة تدوير المغذيات والنفايات، في معالجة الحدود الكوكبية (الشكل 1-1) وأهداف التنمية المستدامة، لا سيما بالنسبة للمناطق القاحلة أو المناطق ذات التربة غير الصالحة للزراعة (Goddek and Körner 2019؛ Appelbaum and Kotzen 2016؛ كوتزن وأبلباوم 2010). و يقترح أيضا استخدام أكوبونيكش كحل لاستخدام الأراضي الهامشية في المناطق الحضرية لإنتاج الأغذية في أقرب إلى الأسواق. في وقت من الأوقات إلى حد كبير تكنولوجيا الفناء الخلفي (Bernstein 2011)، تنمو الأحياء المائية الآن بسرعة إلى الإنتاج على نطاق صناعي حيث تسمح التحسينات التقنية في التصميم والممارسة بزيادة قدرات الإنتاج وزيادة كفاءة الإنتاج بشكل كبير. أحد هذه المجالات من التطور هو في مجال نظم أكوابونيكش المقترنة مقابل المنفصل. وتشمل التصميمات التقليدية لنظم الأحياء المائية ذات الحلقة الواحدة وحدات الاستزراع المائي والمياه التي يعاد تدوير المياه بينها. وفي مثل هذه النظم التقليدية، من الضروري تقديم تنازلات لظروف النظامين الفرعيين من حيث الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة وتركيزات المغذيات (Goddek et al. 2015؛ Kloas et al. 2015) (انظر الفصل 7). ومع ذلك، فإن نظام أكوابونيكش المنفصل يمكن أن يقلل من الحاجة إلى المفاضلات عن طريق فصل المكونات، مما يسمح بتحسين الظروف في كل نظام فرعي. ويشكل استخدام هضم الحمأة طريقة رئيسية أخرى لزيادة الكفاءة إلى أقصى حد من خلال إعادة استخدام النفايات الصلبة (Emerenciano et al. 2017; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2015). وعلى الرغم من أن العديد من أكبر المرافق في جميع أنحاء العالم لا تزال موجودة في المناطق القاحلة (أي شبه الجزيرة العربية وأستراليا وأفريقيا جنوب الصحراء الكبرى)، فإن هذه التكنولوجيا يجري اعتمادها في أماكن أخرى، حيث أن التقدم في التصميم قد أدى على نحو متزايد إلى جعل علم الأحياء المائية ليس مجرد مؤسسة موفرة للمياه فحسب، بل أيضا إلى كفاءة الطاقة والمغذيات نظام إعادة التدوير.

2. 1-2 العرض والطلب

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   تؤكد خطة التنمية المستدامة لعام 2030 على الحاجة إلى مواجهة التحديات العالمية، التي تتراوح بين تغير المناخ والفقر، مع إيلاء أولوية عالية لإنتاج الغذاء المستدام (براندي 2017؛ الأمم المتحدة 2017). وكما هو مبين في الهدف 2 من أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة (الأمم المتحدة 2017)، فإن أحد أكبر التحديات التي تواجه العالم يتمثل في كيفية ضمان أن يكون عدد سكان العالم المتزايد، المتوقع أن يرتفع إلى حوالي 10 بلايين نسمة بحلول عام 2050، قادرين على تلبية احتياجاتهم التغذوية. ولإطعام ملياري شخص إضافيين بحلول عام 2050، سيحتاج الإنتاج الغذائي إلى زيادة بنسبة 50% على الصعيد العالمي (منظمة الأغذية والزراعة 2017). وفي حين أنه سيتعين إنتاج المزيد من الأغذية، فإن قوة العمل الريفية آخذة في الانكماش بسبب التوسع الحضري المتزايد (دوس سانتوس 2016). انخفض عدد سكان الريف في العالم من 66.4 في المائة إلى 46.1 في المائة في الفترة من 1960 إلى 2015 (منظمة الأغذية والزراعة 2017). في حين أن سكان الحضر يمثلون في عام 2017 أكثر من 54% من مجموع سكان العالم، فإن جميع النمو المستقبلي لسكان العالم تقريباً سيحدث في المناطق الحضرية، بحيث سيعيش 66% من سكان العالم في المدن بحلول عام 2050 (الأمم المتحدة 2014). و يقترن هذا التوسع الحضري المتزايد في المدن بشبكة متنامية في آن و احد من نظم الهياكل الأساسية, بما في ذلك شبكات النقل.

   ولضمان الأمن الغذائي العالمي، سيلزم زيادة إجمالي الإنتاج الغذائي بأكثر من 70% في العقود القادمة لتحقيق الأهداف الإنمائية للألفية (منظمة الأغذية والزراعة 2009)، والتي تشمل «القضاء على الفقر المدقع والجوع» وكذلك «ضمان الاستدامة البيئية». وفي الوقت نفسه، سيواجه إنتاج الأغذية حتما تحديات أخرى، مثل تغير المناخ، والتلوث، وفقدان التنوع البيولوجي، وفقدان الملقحات، وتدهور الأراضي الصالحة للزراعة. وتتطلب هذه الظروف اعتماد أوجه تقدم تكنولوجية سريعة، وأساليب إنتاج أكثر كفاءة واستدامة، وكذلك سلاسل إمدادات غذائية أكثر كفاءة واستدامة، بالنظر إلى أن قرابة بليون شخص يعانون بالفعل من سوء التغذية المزمن، في حين أن النظم الزراعية لا تزال تدهورت الأراضي، المياه والتنوع البيولوجي على نطاق عالمي (فولي وآخرون 2011؛ غودفراي وآخرون 2010).

   وتبين الدراسات الحديثة أن الاتجاهات الحالية في تحسين الغلة الزراعية لن تكون كافية لتلبية الطلب العالمي المتوقع على الأغذية بحلول عام 2050، وتشير هذه الدراسات كذلك إلى ضرورة توسيع المناطق الزراعية (باجيلي وآخرون 2014). بيد أن التدهور الواسع النطاق لل أراضي مقترنا بمشاكل بيئية أخرى يجعل هذا الأمر مستحيلا على ما يبدو. تغطي الأراضي الزراعية حالياً أكثر من ثلث مساحة الأراضي في العالم، إلا أن أقل من ثلث مساحة الأراضي الصالحة للزراعة (حوالي 10%) (البنك الدولي 2018). وعلى مدى العقود الثلاثة الماضية، كان توافر الأراضي الزراعية يتناقص ببطء، كما يتضح من انخفاض أكثر من 50 في المائة في الفترة من 1970 إلى 2013. ولا يمكن معالجة آثار فقدان الأراضي الصالحة لل زراعة عن طريق تحويل المناطق الطبيعية إلى أراضي زراعية لأن ذلك كثيرا ما يؤدي إلى تآكل التربة و فقدان الموائل. ويؤدي الحرث إلى فقدان التربة السطحية من خلال تحات الرياح والمياه، مما يؤدي إلى انخفاض خصوبة التربة، وزيادة استخدام الأسمدة، ثم إلى تدهور الأراضي في نهاية المطاف. و يمكن بعد ذلك أن ينتهي الأمر بفقدان التربة من الأراضي في البرك و السدود و البحيرات و الأنهار, مما يتسبب في إلحاق أضرار بهذه الموائل.

   وباختصار، فإن سكان العالم يتزايد بسرعة ويتحضرون ويصبحون أكثر ثراءً. وبالتالي، فإن الأنماط الغذائية آخذة في التغير أيضا، مما يؤدي إلى زيادة الطلب على الأغذية الكثيفة غازات الدفيئة، مثل اللحوم ومنتجات الألبان، مع ما يقابل ذلك من احتياجات أكبر من الأراضي والموارد (Garnett 2011). ولكن بينما يتزايد الاستهلاك العالمي، تظل الموارد المتاحة في العالم، أي الأراضي والمياه والمعادن، محدودة (غارنيت 2011). ومع ذلك، عند النظر إلى تحليل دورة حياة المنتجات الغذائية المختلفة، يشير كل من ويبر وماثيوز (2008) وإنغلهاوبت (2008) إلى أن التحولات الغذائية يمكن أن تكون وسيلة أكثر فعالية لخفض البصمة المناخية ذات الصلة بالأغذية للأسرة المعيشية المتوسطة من «شراء محلي». ولذلك، فبدلاً من النظر إلى الحد من سلاسل الإمداد، قيل إن التحول الغذائي بعيداً عن اللحوم ومنتجات الألبان نحو الزراعة الموجهة نحو التغذية يمكن أن يكون أكثر فعالية في الحد من الطاقة وآثار الأقدام (Engelhaupt 2008؛ Garnett 2011).

   و مما يزيد من تعقيد الاختلالات بين الطلب و العرض تدهور الأحوال البيئية, الأمر الذي يجعل إنتاج الأغذية أكثر صعوبة و/أو لا يمكن التنبؤ به في كثير من مناطق العالم. ولا يمكن للممارسات الزراعية أن تقوض حدود الكوكب (الشكل 1-1) فحسب، بل إنها تؤدي أيضاً إلى تفاقم استمرار انتشار الأمراض الحيوانية المصدر وغيرها من المخاطر الصحية (غارنيت 2011). وتؤدي كل هذه العوامل إلى فقدان النظام الغذائي العالمي لمرونته ويصبح غير مستقر بشكل متزايد (Suweis et al. 2015).

   وقد انقضى الآن الموعد النهائي الطموح الذي حددته منظمة الصحة العالمية في عام 2015 لتحقيق الأهداف الإنمائية للألفية المتمثلة في القضاء على الجوع والفقر، وتحسين الصحة، وضمان الاستدامة البيئية، وأصبح من الواضح أن توفير الغذاء المغذي للأشخاص الذين يعانون من نقص التغذية وكذلك للسكان الأغنياء لا يشكل مهمة بسيطة. وباختصار، فإن التغيرات في المناخ، وفقدان الأراضي، وانخفاض نوعية الأراضي، والسلاسل الغذائية المتزايدة التعقيد، والنمو الحضري، والتلوث، وغير ذلك من الظروف البيئية المعاكسة، تملي الحاجة الملحة ليس فقط إلى إيجاد طرق جديدة لزراعة الأغذية المغذية اقتصادياً، بل أيضاً تحديد مكان إنتاج الأغذية مرافق أقرب إلى المستهلكين. وسيتطلب تحقيق الأهداف الإنمائية للألفية إجراء تغييرات في الممارسة، مثل الحد من النفايات والكربون والبصمة الإيكولوجية، كما أن علم الأحياء المائية هو أحد الحلول التي يمكن أن تحقق هذه الأهداف.

3. 1-3 التحديات العلمية والتكنولوجية في علم الأحياء المائية

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   في حين ينظر إلى الأحياء المائية على أنها واحدة من تقنيات الإنتاج الغذائي الرئيسية التي «يمكن أن تغير حياتنا» (van Woensel et al. 2015)، من حيث الإنتاج الغذائي المستدام والفعال، يمكن تبسيط أكوابونيكش وتصبح أكثر كفاءة. واحدة من المشاكل الرئيسية في النظم المائية التقليدية هي أن العناصر الغذائية في النفايات السائلة التي تنتجها الأسماك تختلف عن الحل الأمثل للمغذيات للنباتات. ويمكن للنظم المائية المنفصلة (DAPS)، التي تستخدم المياه من الأسماك ولكنها لا تعيد المياه إلى الأسماك بعد النباتات، أن تتحسن في التصاميم التقليدية بإدخال مكونات التمعدن والمفاعلات الحيوية الحمأة التي تحتوي على ميكروبات تحول المواد العضوية إلى أشكال من المعادن الرئيسية متاحة بيولوجيا، ولا سيما الفوسفور و المغنيسيوم و الحديد و المنغنيز و الكبريت التي تعاني من نقص في النفايات السائلة العادية لل أسماك. و خلافا لمكونات التمعدن في النظم ذات الحلقة الواحدة, فإن النفايات السائلة لل مفاعل الأحيائي في دابس لا تغذى إلا على عنصر النبات بدلا من تخفيفها في النظام بأكمله. وهكذا، فإن النظم المنفصلة التي تستخدم هضم الحمأة تجعل من الممكن تحسين إعادة تدوير النفايات العضوية من الأسماك كمغذيات لنمو النبات (Goddek 2017; Goddek et al. 2018). وتتألف النفايات في هذه النظم أساساً من حمأة الأسماك (أي البراز والأعلاف غير المأكل التي لا توجد في المحلول) ومن ثم لا يمكن تسليمها مباشرة في نظام مائي. وبالتالي، فإن المفاعلات الحيوية (انظر الفصل 10) هي عنصر هام يمكن أن يحول الحمأة التي لا يمكن استخدامها لولا ذلك إلى أسمدة مائية أو إعادة استخدام النفايات العضوية مثل السيقان والجذور من النبات في الغاز الحيوي لتوليد الحرارة والكهرباء أو تصاميم DAPS التي توفر أيضا تحكم مستقل ركوب المياه لكل وحدة، مما يسمح فصل النظم (RAS، المائية والهضمات) كما هو مطلوب للسيطرة على تدفقات المغذيات. يتحرك الماء بين المكونات في حلقة حفظ الطاقة والمغذيات، بحيث يمكن رصد الأحمال والتدفقات من المغذيات في كل نظام فرعي وتنظيمها ليتناسب بشكل أفضل مع متطلبات المصب. فالفوسفور, على سبيل المثال, مورد أحفوري أساسي ول كنه قابل لل استنفاد يستخرج لأغراض الأسمدة, و لكن الإمدادات العالمية تستنفد حاليا بمعدل ينذر بالخطر. يسمح استخدام أجهزة الهضم في أنظمة أكوابونيكش المنفصلة للميكروبات بتحويل الفوسفور الموجود في نفايات الأسماك إلى فوسفات أورثوفوسفات يمكن أن تستخدمها النباتات، مع معدلات استرداد عالية (Goddek et al. 2016, 2018).

   وعلى الرغم من أن النظم المنفصلة فعالة جدا في استعادة المغذيات، مع فقدان المغذيات شبه الصفر، فإن حجم الإنتاج في كل وحدة من الوحدات مهم بالنظر إلى أن تدفقات المغذيات من جزء واحد من النظام تحتاج إلى مضاهاة إمكانات الإنتاج النهائية للمكونات الأخرى. ومن ثم تصبح برمجيات النمذجة ونظم الحصول على البيانات للمراقبة الإشرافية والحصول على البيانات مهمة لتحليل تدفق كل وحدة وأبعادها وموازين كتلتها والتحمل والإبلاغ عنها، مما يجعل من الممكن التنبؤ بالبارامترات المادية والاقتصادية (مثل أحمال المغذيات، و معدلات التدفق و التكاليف اللازمة لل محافظة على بارامترات بيئية محددة). في الفصل 11، سوف ننظر بمزيد من التفصيل في نظرية النظم كما هو مطبق على أنظمة أكوابونيكش وشرح كيف يمكن للنمذجة حل بعض قضايا الحجم، في حين أن الحلول التكنولوجية المبتكرة يمكن أن تزيد من الكفاءة وبالتالي ربحية هذه النظم. و القياس مهم ليس فقط لل تنبؤ بالسلامة الاقتصادية و إنما أيضا لل تنبؤ بنواتج الإنتاج استنادا إلى نسب المغذيات المتاحة.

   ومن المسائل الهامة الأخرى, التي تتطلب مزيدا من التطوير, استخدام الطاقة و إعادة استخدامها. أنظمة أكوابونيكش هي الطاقة والبنية التحتية كثيفة. واعتماداً على الإشعاع الشمسي المستلم، فإن استخدام الفلطاضوئي الشمسي، ومصادر الحرارة الحرارية الشمسية، وتحلية المياه (الشمسية) قد لا يكون مجدياً اقتصادياً، ولكن يمكن دمجه جميعاً في نظم الأحياء المائية. وفي الفصل الأول، نقدم معلومات عن الإمكانيات التقنية والتشغيلية المبتكرة التي لديها القدرة على التغلب على القيود الكامنة في هذه النظم، بما في ذلك الفرص الجديدة المثيرة لتنفيذ نظم الأحياء المائية في المناطق القاحلة.

   في [الفصل 2، نناقش أيضا بمزيد من التفصيل مجموعة التحديات البيئية التي يمكن أن تساعد علم الأحياء المائية في مواجهتها. فالسيطرة على العوامل المسببة للأمراض، على سبيل المثال، مهمة جدا، كما أن أنظمة RAS تحتوي على عدد من المزايا البيئية لإنتاج الأسماك، وأحد مزايا أنظمة أكوابونيكش المنفصلة هي القدرة على تدوير المياه بين المكونات واستخدام ضوابط مستقلة حيث يكون من الأسهل و الكشف عن الوحدات الفردية و عزلها و تطهيرها عندما تكون هناك تهديدات تتعلق بالعوامل المسببة لل مرض. البروبيوتيك المفيدة في الاستزراع السمكي تبدو أيضا مفيدة لإنتاج النباتات ويمكن أن تزيد من كفاءة الإنتاج عندما يتم تداولها ضمن نظام مغلق (سيراكوف وآخرون 2016). وتُستكشف هذه التحديات بمزيد من التفصيل في الفصل 5، حيث نناقش بمزيد من التفصيل كيف يمكن للابتكار في علم الأحياء المائية أن يؤدي إلى (أ) زيادة كفاءة استخدام الفضاء (تكلفة ومواد أقل، وتعظيم استخدام الأراضي)؛ (ب) انخفاض موارد المدخلات، على سبيل المثال ودقيق السمك، وانخفاض النواتج السلبية، مثل تصريف النفايات؛ (ج) تقليل استخدام المضادات الحيوية ومبيدات الآفات في النظم القائمة بذاتها.

   لا يزال هناك العديد من مجالات المواضيع المائية التي تتطلب المزيد من البحث من أجل استغلال الإمكانات الكاملة لهذه النظم. ومن المنظور العلمي، هناك موضوعات مثل دورة النيتروجين (الفصل 9، وإعادة التمعدن الهوائي واللاهوائي (الفصل 10، الماء والمغذيات الكفاءة (الفصل 8)، والنظام الغذائي الأمثل للأسماك المائية (الفصل 13)، ومسببات الأمراض النباتية واستراتيجيات المكافحة (الفصل 14 كلها أولويات عالية.

   وباختصار، ينبغي التصدي للتحديات العلمية والتكنولوجية التالية:

   1 - Nutrients: كما ناقشنا، فإن الأنظمة التي تستخدم هضم الحمأة تجعل من الممكن تحسين إعادة تدوير النفايات العضوية من الأسماك إلى العناصر الغذائية لنمو النبات، وتسمح هذه التصاميم باستصلاح وإعادة تدوير المغذيات على النحو الأمثل لخلق فقدان المغذيات شبه الصفر من النظام.

   2 - Water: يمكن أيضا تحسين إعادة استخدام المياه المستنفدة المغذيات من الدفيئات لإعادة استخدامها مرة أخرى في مكون الأسماك باستخدام المكثفات.

   3 - Energy: تعمل التصميمات التي تعمل بالطاقة الشمسية أيضاً على تحسين توفير الطاقة، خاصة إذا كان من الممكن إعادة تدوير المياه المسخنة مسبقاً من السخانات الشمسية في البيوت الزجاجية إلى خزانات الأسماك لإعادة استخدامها.

   و القدرة على إعادة تدوير المياه و المغذيات و الطاقة تجعل علم الأحياء المائية حلا فريدا يمكن أن يكون فريدا لعدد من القضايا البيئية التي تواجه الزراعة التقليدية. ويناقش ذلك في الفصل 2.

4. 1-4 التحديات الاقتصادية والاجتماعية

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   ومن المنظور الاقتصادي، هناك عدد من القيود المتأصلة في النظم المائية التي تجعل التصاميم التجارية المحددة أكثر أو أقل قابلية للاستمرار (Goddek et al. 2015؛ Vermeulen وKamstra 2013). وتتمثل إحدى القضايا الرئيسية في أن نظم الزراعة المائية وتربية الأحياء المائية المستقلة المستقلة هي أكثر إنتاجية من النظم التقليدية ذات الحلقة الواحدة (Graber and Junge 2009)، لأنها لا تتطلب مقايضة بين مكونات الأسماك والنبات. يتطلب علم الأحياء المائية التقليدي الكلاسيكي أحادي الحلقة حل وسط بين مكونات الأسماك والنبات عند محاولة تحسين جودة المياه ومستويات المغذيات التي تختلف بطبيعتها بالنسبة للجزأين (مثل نطاقات الأس الهيدروجيني المطلوبة ومتطلبات وتركيزات المغذيات). وفي النظم المائية التقليدية، لا تعوض الوفورات في احتياجات النباتات من الأسمدة عن النقص في الحصاد الناجم عن ظروف دون المستوى الأمثل في النظم الفرعية المعنية (Delaide et al. 2016).

   تحسين ظروف النمو لكل من النباتات (Delaide et al. 2016؛ Goddek و Vermeulen 2018) والأسماك هو التحدي الأكبر للربحية، وتشير النتائج الحالية إلى أنه يمكن تحقيق ذلك بشكل أفضل في أنظمة أكوابونيكش متعددة الحلقات لأنها تستند إلى حلقات إعادة تدوير مستقلة تشمل (1) الأسماك، (2) النباتات و (3) المفاعلات الحيوية (اللاهوائية أو الهوائية) لهضم الحمأة وتدفق المياه أحادي الاتجاه (المغذيات)، والتي يمكن أن تحسن الانتعاش الكلي والصغرى من المغذيات والتوافر البيولوجي، فضلا عن تحسين استهلاك المياه (Goddek and Keesman 2018). وتبين الدراسات الحالية أن هذا النوع من النظم يسمح بصيانة مجموعات معينة من الكائنات الحية الدقيقة داخل كل مقصورة من أجل إدارة أفضل للأمراض، وأنها أكثر كفاءة من الناحية الاقتصادية حيث أن النظم لا تقلل من تدفق النفايات إلى الخارج فحسب، بل تعيد أيضا استخدام الحمأة التي لا يمكن استخدامها لولا ذلك، وتحويلها إلى نواتج قيمة (مثل الغاز الحيوي والأسمدة).

   

   الشكل 1.2 نظام أكوابونيكش ينظر إليه على أنه مخطط مربع أسود. نحن لا تحصل على رؤية داخل منطقة الجزاء، ولكن نحن نعرف المدخلات، والمخرجات (أي الأسماك والنباتات) والنفايات

   كما أن النظم المستقلة ووحدات الزراعة المائية لديها مجموعة واسعة من التحديات التشغيلية التي ترد مناقشتها بالتفصيل في الفصول 3 و 4. وعلى نحو متزايد، سمح التقدم التكنولوجي بنسب إنتاجية أعلى (الشكل 1-2)، والتي يمكن تعريفها بأنها جزء صغير من نواتج النظام (أي الأسماك والنباتات) مقارنة بمدخلات النظام (أي علف الأسماك و/أو الإخصاب الإضافي، ومدخلات الطاقة للإضاءة والتدفئة وضخ ثاني أكسيد الكربون ~ 2 ~ الفرعية 2/الفرعية الجرعات و الضوابط البيولوجية).

   وعند النظر في التحديات العديدة التي تواجهها الأحياء المائية، يمكن تقسيم مشاكل الإنتاج بشكل عام إلى ثلاثة مواضيع محددة: (1) إنتاجية النظام، (2) سلاسل القيمة الفعالة، (3) الإدارة الفعالة لسلسلة التوريد.

   ** إنتاجية النظام** تقاس الإنتاجية الزراعية كنسبة النواتج الزراعية إلى المدخلات الزراعية. وقد صممت نظم الأحياء المائية التقليدية الصغيرة في المقام الأول لمعالجة الاعتبارات البيئية مثل تصريف المياه، ومدخلات المياه، وإعادة تدوير المغذيات، ولكن التركيز في السنوات الأخيرة تحول بشكل متزايد نحو الجدوى الاقتصادية من أجل زيادة الإنتاجية للزراعة على نطاق واسع التطبيقات. ومع ذلك، فإن ذلك سيتطلب إنتاجية نظم الأحياء المائية لتكون قادرة على المنافسة اقتصادياً مع أنظمة الاستزراع المائي وتربية الأحياء المائية المستقلة والمتطورة. و إذا كان لمفهوم الأحياء المائية أن يطبق بنجاح على نطاق و اسع, فلا بد من إعادة استخدام المغذيات و الطاقة على النحو الأمثل, و لكن يجب أيضا النظر في الأسواق النهائية.

   سلاسل القيمة الفعالة تنشأ سلاسل القيمة (القيمة المضافة) للمنتجات الزراعية أساسا من تجهيز المنتجات مثل الخضروات والفواكه والأسماك المحصودة. على سبيل المثال، يمكن أن يكون سعر بيع البيستو (أي الأحمر والأخضر) أكثر من عشرة أضعاف سعر بيع الطماطم والريحان وزيت الزيتون وجوز الصنوبر. وبالإضافة إلى ذلك، فإن معظم المنتجات الغذائية المصنعة لديها فترة صلاحية أطول، وبالتالي الحد من التلف. ومن الواضح أن المنتجات الطازجة مهمة لأن القيم الغذائية هي في الغالب أعلى من القيم الموجودة في الأغذية المصنعة. ومع ذلك، فإن إنتاج منتجات طازجة وعالية الجودة يشكل تحدياً حقيقياً وبالتالي ترفاً في العديد من مناطق العالم. وتكون الخسائر في المغذيات أثناء تخزين الفواكه والخضروات كبيرة إذا لم تكن معلبة أو مجمدة بسرعة (Barrett 2007؛ Rickman et al. 2007). ولذلك، بالنسبة للنظم الواسعة النطاق، ينبغي النظر على الأقل في تجهيز الأغذية لتحقيق التوازن بين أي تقلبات بين العرض والطلب والحد من هدر الأغذية. وفيما يتعلق بالحد من النفايات الغذائية، ينبغي معالجة الخضراوات التي لا تفي بمعايير المنتجات الطازجة، ولكنها لا تزال ذات نوعية قابلة للتسويق، وذلك من أجل الحد من خسائر ما بعد الحصاد.

   وعلى الرغم من أن هذه المعايير تنطبق على جميع المنتجات الزراعية ومصايد الأسماك، فإن القيمة المضافة يمكن أن تزيد إلى حد كبير من ربحية مزرعة الأحياء المائية، لا سيما إذا تمكنت المنتجات من الوصول إلى الأسواق المتخصصة.

   إدارة سلسلة التوريد في البلدان ذات شبكات النقل والتبريد المتطورة، يمكن استيراد الفواكه والخضروات من جميع أنحاء العالم لتلبية طلبات المستهلكين على المنتجات الطازجة. ولكن، كما ذُكر سابقاً، فإن المنتجات العالية الجودة والمنتجات الطازجة هي سلعة نادرة في أجزاء كثيرة من العالم، وغالباً ما تتعرض حركة السلع لمسافات طويلة - أي إدارة سلسلة الإمداد - لتلبية الطلب الاستهلاكي الراقي، للانتقاد، ولتبرير ذلك. ويعتمد معظم سكان الحضر في جميع أنحاء العالم على نقل الأغذية عبر مسافات طويلة لتلبية الاحتياجات اليومية (غريوال وغريوال 2012). ومن ثم فإن أحد الانتقادات الرئيسية هو الاعتماد على الوقود الأحفوري اللازم لنقل المنتجات عبر مسافات بعيدة (باريت 2007). وتوجه مسألة أميال الغذاء التركيز على المسافة التي يتم نقلها من وقت الإنتاج إلى الشراء من قبل المستهلك النهائي (Mundler and Criner 2016). بيد أنه من حيث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (COSUB2/الفرعية) لكل طن/كيلومتر (tkm)، لا يساوي ميل واحد من الغذاء للنقل بالسكك الحديدية (13.9 غرام من Cosub2/sub/TKM) ميلاً غذائياً واحداً من النقل بالشاحنات/النقل البري، لأن النقل بالشاحنات له أثر بيئي أكبر بأكثر من 15 مرة (McKinnon 2007). ولذلك، فإن مسافة النقل ليست بالضرورة الاعتبار الوحيد، لأن البصمة الإيكولوجية للخضراوات المزروعة في المزارع في المناطق الريفية يمكن أن تكون أقل من المدخلات اللازمة لزراعة الأغذية في البيوت الزجاجية القريبة من المراكز الحضرية.

   وبالتالي فإن أميال الطعام ليست سوى جزء من الصورة. ويتم نقل الأغذية لمسافات طويلة، ولكن انبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة بإنتاج الأغذية تهيمن عليها مرحلة الإنتاج (أي تأثير الطاقة على التدفئة والتبريد والإضاءة) (Engelhaupt 2008؛ Weber and Matthews 2008). فعلى سبيل المثال، أظهر كارلسون (1997) أن الطماطم المستوردة من إسبانيا إلى السويد في فصل الشتاء لها بصمة كربونية أقل بكثير من تلك التي تزرع محليا في السويد، لأن مدخلات الطاقة في البيوت البلاستيكية في السويد تفوق بكثير البصمة الكربونية للنقل من إسبانيا. عند الحصول على الغذاء، لا يكون نقل السلع هو العامل الوحيد الذي يجب أخذه بعين الاعتبار، حيث أن نضارة المنتجات تحدد قيمتها الغذائية وطعمها وجاذبيتها العامة للمستهلكين. ومن خلال زراعة الأغذية الطازجة محليا، يتفق العديد من العلماء على أن الزراعة الحضرية يمكن أن تساعد على تأمين إمدادات من المنتجات عالية الجودة لسكان المناطق الحضرية في المستقبل مع تقليل الأميال الغذائية أيضا (بون وآخرون 2010؛ دوس سانتوس 2016؛ هوي 2011). وسيتم مناقشة كلا المجالين بمزيد من التفصيل في القسم 1-5.

   ومن وجهة نظر المستهلك، فإن للأحياء المائية الحضرية مزايا بسبب فوائدها البيئية بسبب قلة سلاسل الإمداد وبما أنها تلبي أفضليات المستهلكين للحصول على أغذية طازجة عالية الجودة منتجة محلياً (Miličić et al. 2017). ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه المزايا، هناك عدد من الشواغل الاجتماعية والاقتصادية: فالقضية الرئيسية تتعلق بأسعار العقارات الحضرية، لأن الأرض باهظة الثمن وغالباً ما تعتبر قيمة للغاية بالنسبة لإنتاج الأغذية. ومن ثم, فإن شراء الأراضي الحضرية يجعل من المستحيل على الأرجح تحقيق عائد متوقع لل استثمار. غير أنه في المدن الآخذة في الانكماش، حيث يتناقص عدد السكان، يمكن استخدام الحيز غير المستخدم لأغراض زراعية (Bontje and Latten 2005؛ Schling and Logan 2008) كما هو الحال في ديترويت بالولايات المتحدة (Mogk et al. 2010).

   وبالإضافة إلى ذلك، هناك قضية رئيسية تتعلق بضوابط التخطيط الحضري، حيث لا تُخصص الأراضي الحضرية في العديد من المدن لإنتاج الأغذية الزراعية، ويُنظر إلى الأحياء المائية على أنها جزء من الزراعة. وهكذا، في بعض المدن لا يسمح الزراعة المائية. وقد حان الوقت للعمل مع مخططي المناطق الحضرية الذين يحتاجون إلى الاقتناع بفوائد المزارع الحضرية، التي هي ذات إنتاجية عالية وتنتج أغذية محلية طازجة وصحية في خضم التنمية الحضرية والضواحي.

5. 1.5 مستقبل أكوابونيكش

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   وقد مكنت التكنولوجيا الإنتاجية الزراعية من النمو الهائل في القرن الماضي, مما دعم أيضا النمو السكاني الكبير. غير أن هذه التغيرات قد تقوض أيضا قدرة النظم الإيكولوجية على استدامة الإنتاج الغذائي، والحفاظ على موارد المياه العذبة والحراجية، والمساعدة على تنظيم المناخ ونوعية الهواء (فولي وآخرون 2005).

   ومن أكثر التحديات إلحاحا في مجال الإنتاج الغذائي الابتكاري، وبالتالي في علم الأحياء المائية، معالجة المسائل التنظيمية التي تحد من التوسع في التكنولوجيات المتكاملة. ولمجموعة واسعة من الوكالات المختلفة ولاية قضائية على المياه وصحة الحيوان وحماية البيئة وسلامة الأغذية، وفي بعض الحالات تكون أنظمتها متناقضة أو غير مناسبة للنظم المتكاملة المعقدة (جولي وآخرون 2015). و تعد اللوائح و التشريعات حاليا من أكثر المجالات إثارة لل ارتباك بالنسبة لل منتجين و أصحاب المشاريع المحتملين. ويحتاج المزارعون والمستثمرون إلى معايير ومبادئ توجيهية للحصول على التصاريح والقروض والإعفاءات الضريبية، غير أن التداخل المربك للمسؤوليات بين الوكالات التنظيمية يبرز الحاجة الملحة إلى تحسين المواءمة والتعاريف المتسقة. و كثيرا ما تكون الأطر التنظيمية مربكة, و يظل الترخيص لل مزارع و كذلك إصدار الشهادات لل مستهلكين مشكلة في العديد من البلدان. بدأت كل من منظمة الأغذية والزراعة (في عام 2015) ومنظمة الصحة العالمية (في عام 2017) والاتحاد الأوروبي (في عام 2016) مؤخراً مواءمة الأحكام المتعلقة بصحة الحيوان ورفاهه وسلامة الأغذية ضمن نظم علم الأحياء المائية وتجارة التصدير والاستيراد للمنتجات المائية. فعلى سبيل المثال، تعمل عدة بلدان معنية بالأحياء المائية على كسب التأييد من أجل صياغة صريحة في إطار الدستور الغذائي، ويركز التركيز الرئيسي داخل الاتحاد الأوروبي، الذي يحدده إجراء COST FA1305 الذي يرعاه الاتحاد الأوروبي، وهو «مركز Aquaponics Aquaponics» حالياً على تعريف الأحياء المائية ككيان واضح ومتميز. وفي الوقت الحاضر، تحدد اللوائح الإنتاج لكل من الاستزراع المائي والاستزراع المائي، ولكنها لا تتضمن أحكاما لدمج الاثنين. وكثيرا ما يخلق هذا الوضع بيروقراطية مفرطة للمنتجين الذين يطلب منهم ترخيص عمليتين منفصلتين أو الذين لا تسمح تشريعاتهم الوطنية بالمشاركة في الثقافة (جولي وآخرون 2015). ويعرف مركز Aquaponics Hub التابع للاتحاد الأوروبي، الذي دعم هذا المنشور (COST FA1305)، علم الأحياء المائية بأنه «نظام إنتاج للكائنات والنباتات المائية حيث تستمد غالبية (\ > 50%) من المغذيات التي تحافظ على النمو الأمثل للنباتات من النفايات الناشئة عن تغذية الكائنات المائية» (انظر الفصل 7).

   ولا تزال خطط إصدار الشهادات للمستهلكين مجالا صعبا بالنسبة لمنتجي الأحياء المائية في أنحاء كثيرة من العالم. على سبيل المثال، في الولايات المتحدة وأستراليا، يمكن اعتماد المنتجات المائية كمنتجات عضوية، ولكن ليس داخل الاتحاد الأوروبي.

   ومن المنظور الاقتصادي، فإن علم الأحياء المائية قادر نظريا على زيادة القيمة الإجمالية لاستزراع الأسماك أو الزراعة المائية التقليدية، مع إغلاق دورة الغذاء والماء والطاقة في إطار اقتصاد دائري قائم على أساس بيولوجي. ومن أجل جعل النظم المائية الصغيرة مجدية اقتصاديا، يتعين على مزارعي الأحياء المائية عموما أن يعملوا في أسواق متخصصة للحصول على أسعار أعلى للمنتجات، وبالتالي فإن إصدار الشهادات يصبح بالغ الأهمية.

   و أكثر القضايا إلحاحا هي ما إذا كان يمكن أن يصبح علم الأحياء المائية مقبولا على مستوى السياسات العامة. تعتبر سلامة الأغذية أولوية عالية للحصول على الدعم العام، وعلى الرغم من انخفاض مخاطر العوامل المسببة للأمراض في النظم المغلقة، مما يعني ضمنا تقليل الحاجة إلى مضادات الميكروبات ومبيدات الآفات، فإن إدارة المخاطر المحتملة - أو علاوة على ذلك إدارة التصورات عن تلك المخاطر، خاصة وأنها قد تؤثر على سلامة الأغذية - هي أولوية عالية للسلطات الحكومية والمستثمرين على حد سواء (ميليتشيتش وآخرون 2017). وأحد الشواغل التي كثيرا ما تثار هو الخوف من انتقال العوامل المسببة للأمراض في الحمأة من الأسماك إلى النباتات، ولكن هذا غير مؤكد في الأدبيات (الفصل 6). وعلى هذا النحو، هناك حاجة إلى تبديد أي شواغل متبقية تتعلق بسلامة الأغذية والأمن البيولوجي من خلال إجراء بحوث متأنية، والتأكد، حيثما تكون هناك شواغل، من الكيفية التي يمكن بها إدارة هذه المشاكل من خلال تحسين تصميمات النظم و/أو الأطر التنظيمية.

   Aquaponics هي تكنولوجيا إنتاج الأغذية الناشئة التي لديها القدرة على تكثيف وضغط الإنتاج في المساحات والأماكن التي لا تستخدم عادة لزراعة الأغذية. وهذا لا يعني فقط أنها ذات أهمية استثنائية في المناطق الحضرية، حيث يمكن وضع الأحياء المائية في أماكن غير مستغلة وغير مستخدمة مثل الأسطح المسطحة، ومواقع التطوير، والمصانع المهجورة، والعقارات السكنية والمدارس، ولكنه يوفر وسيلة في كل من العالم المتقدم والعالم النامي لكي يأخذ الناس جزء من عملية إنتاج الأغذية من خلال توفير الأغذية المحلية الطازجة إلى السوق (فان غوركوم وآخرون 2019). ومن المرجح أن يؤدي إدماج علم الأحياء المائية في الزراعة العمودية وتكنولوجيات الجدران الحية، بمرور الوقت، إلى تحسين الإنتاجية عن طريق الحد من البصمة الزراعية العامة مع تقليل أخذ الأراضي وتكثيفها.

   تعتمد أساليب الإنتاج المكثفة في علم الأحياء المائية على معرفة مجموعة من العوامل الرئيسية المناسبة للغاية للاستخدام في تدريس مواد العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات في المدارس. يوفر Aquaponics للمعلم والطلاب فرصا لاستكشاف عالم النظم المعقدة وتصميمها وإدارتها ومجموعة من المجالات الأخرى، بما في ذلك العلوم البيئية وكيمياء المياه والبيولوجيا ورعاية الحيوان. ويجري استخدام أكوابونيكش أيضا في السجون/المرافق الإصلاحية، مثل سجن مقاطعة سان فرانسيسكو، لمساعدة السجناء على اكتساب المهارات والخبرات في مجال تربية الأحياء المائية والبستنة التي يمكنهم استخدامها عند إطلاق سراحهم. في السياق المحلي، هناك اتجاه متزايد لتصميم أنظمة كونترتوب التي يمكن أن تنمو الأعشاب وكذلك النظم الصغيرة التي يمكن أن تكون موجودة في المكاتب، حيث الأسماك الغريبة توفر تأثير مهدئ، في حين أن النباتات، كجزء من الجدران الحية، توفر أيضا خلفية جمالية وتنظف الهواء.

   

   ** الشكل 1.3** عدد الورقات المنشورة عن «الزراعة المائية» و «راس» و «أكوابونيك"من 1980 إلى 2018 (تم جمع البيانات من قاعدة بيانات سكوبوس في 30 يناير 2019). يرجى ملاحظة أن مقياس «RAS» هو أمر واحد من حيث الحجم أعلى من ذلك بالنسبة «المائية» و «أكوابونيك'

   Aquaponics هي تكنولوجيا زراعية تتقدم بسرعة من أول مآثر لها في السنوات الأخيرة من القرن العشرين والعقود الأولى من القرن الحادي والعشرين. لكنه لا يزال «موضوع التكنولوجيا والعلوم الناشئة» (Junge et al. 2017) الذي يخضع لكمية كبيرة من «hype'. وعند مقارنة عدد أوراق الاستزراع المائي والمائي والأقران المائية، تكون الأوراق المائية أقل بكثير (الشكل 1.3)، ولكن الأعداد آخذة في الارتفاع وسوف تستمر في الارتفاع مع تعليم الأحياء المائية، وخاصة على المستوى الجامعي، وزيادة الاهتمام العام. يمكن وصف «نسبة الضجيج» بأنه مؤشر على شعبية موضوع ما في وسائل الإعلام العامة مقارنة بما ينشر في الصحافة الأكاديمية. يمكن حساب ذلك، على سبيل المثال، عن طريق أخذ نتائج البحث في Google مقسوماً على نتائج البحث في Google Scholar. وفي حالة الأحياء المائية، كانت نسبة الضجيج في 16 أغسطس 2016 هي 1349، وهي نسبة كبيرة بالمقارنة مع نسب الضجيج في الزراعة المائية (131) والاستزراع المائي (17) (Junge et al. 2017). الشعور الذي يحصل عليه المرء من هذا هو، في الواقع، أن الأحياء المائية هي تكنولوجيا ناشئة ولكن هناك اهتمام كبير في هذا المجال الذي من المرجح أن يستمر ويزداد على مدى العقود القادمة. ومع ذلك، من المرجح أن تنخفض نسبة الضجيج مع إجراء المزيد من البحوث ونشر الأوراق العلمية.

   ويهدف هذا الكتاب إلى الباحث والممارس المائية، وقد تم تصميمه لمناقشة واستكشاف وكشف القضايا التي تعالجها الأحياء المائية الآن والتي ستنشأ بلا شك في المستقبل. مع مثل هذا الطيف الواسع من المواضيع، فإنه يهدف إلى تقديم نظرة عامة شاملة ولكن يسهل الوصول إليها عن المجال العلمي والتجاري الجديد إلى حد ما للأحياء المائية. وبصرف النظر عن الجانب الإنتاجي والفني، تم تصميم هذا الكتاب لمعالجة الاتجاهات في العرض والطلب على الأغذية، فضلا عن الآثار الاقتصادية والبيئية والاجتماعية المختلفة لهذه التكنولوجيا الناشئة. وقد شارك في تأليف الكتاب العديد من الخبراء من جميع أنحاء العالم، ولكن معظمهم من داخل الاتحاد الأوروبي. وتغطي فصولها الـ 24 مجموعة كاملة من المناطق المائية، وستوفر الكتب المدرسية اللازمة لجميع المهتمين بالأحياء المائية ونقل الأحياء المائية إلى الأمام في العقد المقبل.