Source material

الفصل 12 أكوابونيكش: أنواع ومناهج بديلة

1. 12-1 مقدمة

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

   يناقش هذا الفصل عدداً من التكنولوجيات الرئيسية المتضافرة والبديلة التي إما توسع وظيفية/إنتاجية النظم المائية أو التي تنطوي على إمكانية توسيع نطاقها أو تنطوي على تكنولوجيات مقترنة/قائمة بذاتها يمكن ربطها بعلم الأحياء المائية. ولإنشاء هذه النظم وتطويرها القدرة، في جملة أمور، على زيادة الإنتاج، والحد من النفايات والطاقة، والحد في معظم الحالات من استخدام المياه. وخلافا لأكوابونيكش، التي يمكن أن ينظر إليها على أنها في مرحلة منتصف أو في سن المراهقة من التنمية، فإن النهج الجديدة التي نوقشت أدناه هي في مهدها. غير أن هذا لا يعني أنها ليست تكنولوجيات ذات قيمة في حد ذاتها، ولها القدرة على توفير الغذاء في المستقبل بكفاءة ومستدامة. وتشمل الأساليب التي نوقشت أدناه علم الهواء، والهالوبونيات، والطحالب، والتكنولوجيا الحيوية للأكوابونيات المائية، والمارابونية، والهالوبونيات المائية العمودية.

2. 12-2 إيروبونيكش

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

   12-2-1 الخلفية

   تصف الإدارة الوطنية الأمريكية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) علم الطيران بأنه عملية زراعة النباتات المعلقة في الهواء بدون تربة أو وسائط توفر إنتاج غذائي نظيف وفعال وسريع. وعلاوة على ذلك، تشير وكالة ناسا إلى أنه يمكن زراعة المحاصيل وحصدها على مدار السنة دون انقطاع، ودون تلوث من التربة والمبيدات الحشرية والبقايا، وأن النظم الهوائية تقلل أيضا من استخدام المياه بنسبة 98٪، واستخدام الأسمدة بنسبة 60٪، والقضاء على استخدام المبيدات تماما. وقد تبين أن النباتات المزروعة في النظم الهوائية تمتص المزيد من المعادن والفيتامينات، مما يجعل النباتات أكثر صحة ويحتمل أن تكون أكثر مغذية _ (ناسا سبينوف). وينظر إلى المزايا الأخرى للإلكترونيات الهوائية على أنها:

   • يمكن الحفاظ على البيئة المتنامية نظيفة ومعقمة.

   • وهذا يقلل من فرص الإصابة بالأمراض النباتية وانتشار العدوى.

   • الشتلات لا تمتد أو الذبول أثناء تشكيل الجذر.

   • يتم إزالة الشتلات بسهولة لزرع دون صدمة زرع.

   • يتم تسريع نمو الشتلات، مما يؤدي إلى زيادة دورات المحاصيل وبالتالي زيادة الإنتاج سنويا.

   بالنسبة للأحوال الجوية وZobel (1992)، يتم تعريف علم الهواء بأنه ثقافة النباتات الكاملة و/أو الأنسجة مع جذورها أو الأنسجة الكاملة التي يغذيها ضباب الهواء/الماء (على عكس الغمر في/على الماء أو التربة أو أجار المغذيات أو غيرها من الركائز). بالنسبة لهم، تزرع النباتات التي تزرع جزئيا فقط مع جذورها في الهواء وجزء من المحاليل الغذائية أو تزرع لجزء من الوقت في الهواء وجزء من الوقت في محلول المغذيات من خلال عملية هيروروبونيكش وليس أريوبونيكش.

   وبالتالي تعمل أنظمة Aeroponic عن طريق رش أو غشاء منطقة الجذر بمحلول المغذيات. وبالتالي يتم تعليق جذور النباتات في الهواء وتخضع لرذاذ مستمر أو متقطع/دوري من قطرات الماء الغنية بالمغذيات، في شكل قطرات أو ضباب غرامة جدا، مع أحجام قطرات من 5 إلى 50 ميكرون (ميكرون). ومن المعتاد العثور على مجموعة «الهوبي/المحلية» مع أحجام قطرات رذاذ من 30-80 ميكرومتر. تنتج مرخات الموجات فوق الصوتية أو الضباب الجاف حجم قطرات\ <5 ميكرومتر، ولكن هذه تتطلب هواء مضغوط وفوهات دقيقة جدا، أو قد يكون من الممكن استخدام محولات بالموجات فوق الصوتية لإنتاج هذه الضباب.

   وفي علم الهواء، كما هو الحال مع الزراعة المائية، يمكن تحسين إمدادات المغذيات، وفي المقارنة بين الزراعة المائية والهواء، لاحظ Hikosaka et al. (2014) أنه لم يتم العثور على فرق بين النمو ونوعية الحصاد في الخس باستخدام الهواء الضباب الجاف. ومع ذلك، كانت هناك زيادة كبيرة في معدلات التنفس الجذري ومعدلات التمثيل الضوئي للأوراق. كما يلاحظون أن هذا النظام يستخدم أيضاً كميات أقل من المياه وأنه يمكن أن يكون أكثر كفاءة وأسهل في إدارته من الزراعة المائية التقليدية (Hikosaka et al. 2014). في ورقة مراجعة حول التقنيات الحديثة لزراعة النباتات في الزراعة في ظل بيئات خاضعة للرقابة، لاحظ لاخيار وآخرون (2018) أن علم الهواء «يعتبر أفضل طريقة لزراعة النباتات لتحقيق الأمن الغذائي والتنمية المستدامة».

   12-2-2 أصل الأيروبونيات

   يعتبر ريتشارد ج. ستونر الثاني والد علم الهواء. ويلاحظ استعراض ناسا لعلم الأحياء المائية (Clawson et al. 2000) أن أصل الأحياء المائية هو إلى حد كبير في دراسة مورفولوجيا الجذور، ولكنه ينشأ في الطبيعة، مثل النباتات، على سبيل المثال، بساتين الفاكهة التي تنمو في المناطق الاستوائية حيث تحدث الضباب بشكل طبيعي. ويشير كلاوسون وآخرون (2000) إلى تطور علم الأيروبونات من ب. ت. باركر، الذي «نجح في زراعة أشجار التفاح بخاخ»، وف. وذهب، الذي قام في عام 1957 بزراعة الطماطم ونباتات البن في الضباب، ووصف العملية «الأيروبونيات». وفيما يتعلق بدراسة مورفولوجيا الجذور، استخدم كارتر في عام 1942 علم الهواء كوسيلة للتحقيق في جذور الأناناس، وقام كلوتز في عام 1944 بالتحقيق في جذور الأفوكادو والحمضيات، ثم قام العديد من الآخرين بما في ذلك هوبيك وروبرتسون؛ باراك، سوفر، وبرغر؛ يورغاليفيتش وجينيس؛ ودوتويت، ويذرز، و قامت شركة بريغز بتجارب مختلفة في علم الطيران (انظر كلاوسون و آخرون 2000 لل اطلاع على التفاصيل).

   12.2.3 القضايا المتنامية للإلكترونيات الهوائية

   أبلغ Clawson et al. (2000) عن اختبارات Tibbits et al. (1994) التي تفيد بأن الغش المستمر يمكن أن «يساهم في النمو الفطري والبكتيري في محيط النباتات أو عليها»، وعلاوة على ذلك وجد بعض الباحثين أنه بسبب القطرات الدقيقة ومع أنظمة الضباب المستمرة، يمكن أن تكون هناك صعوبات «في تقديم المواد الغذائية لجميع النباتات حيث توجد كثافة عالية من النباتات. وقد تبين في هذا الصدد أن الغش على فترات يوفر نظاماً أكثر صحة وجذور أكثر صحة مقارنة بالتقنيات المائية المستمرة. كما أن استخدام الفواصل الزمنية يجعل النباتات أكثر مقاومة لأي انقطاع في الغش، مما يجعل النباتات تزدهر لفترة أطول على مستويات الرطوبة المنخفضة، مع احتمال انخفاض مستويات العوامل المسببة للأمراض. من أجل الغش الفعال، 'حجم القطرة والسرعة هي أيضا المعلمات الهوائية الهامة. تعتمد كفاءة جمع ضباب الجذر على حجم خيوط، وحجم قطرة، وسرعة '(Clawson et al. 2000).

   12.2.4 الجمع بين أكوابونيكش وأيروبونيكش

   في حين أن عددا من رجال الأعمال والهواة حريصين يروج الجمع بين أكوابونيكش مع علم الهواء، هناك عدد من القضايا التي تحتاج إلى حل إذا النظر في هذه التكنولوجيا كومبو للزراعة في المستقبل. إحدى القضايا التي تحتاج إلى حل هي اسم لهذا النظام، ويقترح هنا أن نسمي هذا النظام combosystem «aquaeroponics».

   في حين أن هناك العديد من أشرطة الفيديو والمواضيع المناقشة على شبكة الإنترنت، على الجمع بين علم الهواء و أكوابونيكش، هذا المجال هو خالية من الأدب العلمي. وتثير المناقشات على شبكة الإنترنت قضايا انسداد رشاشات الضباب والحاجة إلى الترشيح الدقيق للحلول المائية. وهناك مسألة أخرى تتعلق بعلم الأحياء المائية هي إمكانية نمو مسببات الأمراض في البيئة الرطبة متجدد الهواء، وستكون هناك حاجة إلى إجراء بحوث للتأكد من ذلك. حل واحد لحل مشكلة misters هو استخدام الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية لخلق الضباب ولكن هذا لا يحل أي مشاكل قد تكون هناك مع نمو مسببات الأمراض.

3. 12-3 الطحالب

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

   12-3-1 الخلفية

   الطحالب الدقيقة هي فوتوأوتوتروفس أحادي الخلية (تتراوح من 0.2 ميكرومتر إلى 100 ميكرومتر) وتصنف في مجموعات تصنيفية مختلفة. ويمكن العثور على الطحالب الدقيقة في معظم البيئات ولكنها توجد في الغالب في البيئات المائية. العوالق النباتية مسؤولة عن أكثر من 45٪ من الإنتاج الأولي في العالم، فضلا عن توليد أكثر من 50٪ من الغلاف الجوي OSub2/sub. بشكل عام، لا يوجد فرق كبير في التمثيل الضوئي للطحالب الدقيقة والنباتات العليا (Deppeler et al. 2018). ومع ذلك، نظرا لصغر حجمها وانخفاض عدد العضيات الفسيولوجية التنافسية داخليا، يمكن أن تنمو الطحالب الدقيقة بشكل أسرع بكثير من النباتات الأعلى (Moheimani et al. 2015). ويمكن أن تنمو الطحالب الدقيقة أيضاً في ظل ظروف غذائية محدودة ولها القدرة على التكيف مع مجموعة أوسع من الظروف البيئية (Gordon and Polle 2007). والأهم من ذلك أن زراعة الطحالب الدقيقة لا تتنافس مع إنتاج المحاصيل الغذائية فيما يتعلق بالأراضي الصالحة للزراعة والمياه العذبة (Moheimani et al. 2015). وعلاوة على ذلك، يمكن للطحالب الدقيقة أن تستخدم بكفاءة المغذيات غير العضوية من النفايات السائلة (Ayre et al. 2017). وبوجه عام، تحتوي الكتلة الأحيائية للطحالب الدقيقة على نسبة تصل إلى 50 في المائة من الكربون مما يجعلها مرشحة مثالية لعلاج الغلاف الجوي Cosub2/sub (Moheimani et al. 2012).

   وقد أدت الزيادة في الزراعة الواسعة النطاق وتربية الحيوانات على نطاق العالم إلى زيادات كبيرة في النيتروجين والفوسفور المتوافرين بيولوجيا الداخلين إلى المحيط الحيوي الأرضي (غالاوي وآخرون 2004). وتسهم نظم زراعة المحاصيل والحيوانات والصرف الصحي بكميات كبيرة في هذه الأحمال من المغذيات (Schoumans et al. 2014). ويمكن أن يتسبب تسلل هذه المغذيات إلى مجاري المياه في مشاكل بيئية هائلة مثل تكاثر الطحالب الضارة ومعدل الوفيات الجماعية للأسماك. ففي الولايات المتحدة الأمريكية، على سبيل المثال، يُعترف بتلوث المغذيات الناجم عن الزراعة باعتباره أحد المصادر الرئيسية للتغذية بالمغذيات (Sharpley et al. 2008). فالتحكم في تدفق المغذيات من العمليات الزراعية إلى البيئة المحيطة يؤدي إلى تحديات تقنية واقتصادية يجب التغلب عليها للحد من هذه الآثار. وقد تم تطوير العديد من العمليات الناجحة لمعالجة النفايات السائلة ذات الأحمال العضوية العالية. ومع ذلك، فإن جميع هذه الطرق تقريبًا ليست فعالة جدًا في إزالة العناصر غير العضوية من الماء. وعلاوة على ذلك، بعض هذه الأساليب مكلفة إلى حد ما للعمل. طريقة واحدة بسيطة لمعالجة النفايات العضوية هي الهضم اللاهوائي (AD). عملية مكافحة الإغراق مفهومة جيدا، وعندما تعمل بكفاءة، فإنها يمكن أن تحول أكثر من 90٪ من المسائل العضوية في مياه الصرف الصحي إلى الميثان الحيوي و Cosub2/sub (Parkin and Owen 1986). ويمكن استخدام الميثان لتوليد الكهرباء ويمكن استخدام الحرارة المولدة لأغراض إضافية مختلفة. ومع ذلك، فإن عملية مكافحة الإغراق تؤدي إلى خلق تدفق للهضم اللاهوائي (ADE) وهو غني جداً بالفوسفات غير العضوية والنيتروجين، فضلاً عن ارتفاع الطلب على أكسجين الكربون (COD). وفي بعض المواقع، يمكن معالجة هذه النفايات السائلة باستخدام الطحالب الدقيقة والطحالب الكلية (Ayre et al. 2017).

   12.3.2 أنظمة نمو الطحالب

   ومنذ أن أوصت لجنة الأمم المتحدة باستكمال المحاصيل الزراعية التقليدية بأغذية عالية البروتين من أصل غير تقليدي، أصبحت الطحالب الدقيقة مرشحة طبيعية (ريتشموند وبيكر 1986). تم تحقيق أول زراعة للطحالب الدقيقة على الرغم من ذلك في عام 1890 عن طريق زراعة\ كلوريلا_ الشاملة (بوروفيتسكا 1999). يرجع ذلك إلى حقيقة أن الطحالب الدقيقة تقسم عادة في وقت معين من اليوم، تم تطوير مصطلح cyclostat من أجل إدخال دورة ضوء/داكنة (الساعة البيولوجية) للثقافة (Chisholm والعلامة التجارية 1981). ومن المحتمل أن يكون الاستزراع الواسع النطاق للطحالب الدقيقة والاستخدام الجزئي لكتلتها الحيوية وخاصة كقاعدة لمنتجات معينة مثل الدهون قد بدأ بشكل جدي في وقت مبكر يرجع إلى عام 1953 بهدف إنتاج الأغذية من ثقافة واسعة النطاق ل*Chlorella\ * (Borowitzka 1999). عادة، يمكن استنزاف الطحالب في سائل باستخدام البرك المفتوحة (بورويتزكا وموهيماني 2013)، والمفاعلات الحيوية الضوئية المغلقة (موهيماني وآخرون 2011)، أو مزيج من هذه النظم. ويمكن أيضا أن تستزرع الطحالب كما الأفلام الحيوية (Wijihastuti وآخرون. 2017).

   **مفاعلات ضوئية مغلقة (بعد موهيماني وآخرون 2011): لا تتعرض مزارع الطحالب المغلقة (المفاعلات الحيوية الضوئية) للغلاف الجوي ولكنها مغطاة بمادة شفافة أو محتواة داخل أنابيب شفافة. تتمتع المفاعلات الحيوية الضوئية بميزة متميزة تتمثل في منع التبخر. وتستخدم المفاعلات البيولوجية الضوئية المغلقة وشبه المغلقة أساسا لإنتاج منتجات الطحالب عالية القيمة. ونظرا للتكلفة الإجمالية لنفقات التشغيل (OPEX) والنفقات الرأسمالية (CAPEX)، فإن المفاعلات البيولوجية الضوئية المغلقة أقل اقتصادا من النظم المفتوحة. ومن ناحية أخرى، هناك تلوث أقل وخسائر أقل من COSUB2/sub، ومن خلال تهيئة ظروف زراعية قابلة للتكرار ومرونة في التصميم التقني، فإن ذلك يجعلها بديلاً جيداً عن البرك المفتوحة. ويمكن التغلب على بعض نقاط الضعف في الأنظمة المغلقة عن طريق (أ) تقليل مسار الضوء، (ب) حل تعقيد القص (الاضطراب)، والحد من تركيز الأكسجين، (ج) نظام التحكم في درجة الحرارة. وتنقسم المفاعلات البيولوجية الضوئية المغلقة أساسا إلى (أ) كربويز، (ب) أنبوبي، (ج) نقل جوي، (د) مفاعلات ضوئية بيولوجية صفيحة.

   أحواض مفتوحة (بعد بورويتزكا وموهيماني 2013): تستخدم البرك المفتوحة الأكثر شيوعاً لزراعة الطحالب الصغيرة في الهواء الطلق على نطاق واسع. و يستند الإنتاج التجاري الرئيسي لل طحالب إلى قنوات مفتوحة) مجاري (تكون أقل تكلفة و أسهل في البناء و التشغيل بالمقارنة بالمفاعلات الحيوية الضوئية المغلقة. وبالإضافة إلى ذلك، يواجه نمو الطحالب الدقيقة صعوبات أقل في نظم الزراعة المفتوحة مقارنة بنظم الزراعة المغلقة. ومع ذلك، تم زراعة عدد قليل من أنواع الطحالب الدقيقة (مثل Dunaliella salina، Spirulina sp.، Chlorella sp.) بنجاح في أحواض مفتوحة. تكاليف إنتاج الطحالب الصغيرة التجارية مرتفعة، وتقترب من أن تكون بين 4 و 20\ $الولايات المتحدة/GSUP-1/SUP. وقد تطورت الاستزراع التجاري للطحالب الصغيرة على نطاق واسع في الهواء الطلق على مدى السنوات السبعين الماضية، وتم تطوير كل من البرك (غير المتقلبة) والبرك المهيجة واستخدمت على أساس تجاري. يتم بناء البرك المفتوحة الكبيرة جدا غير المقلدة ببساطة من أحواض المياه الطبيعية ذات الأسرة المفتوحة التي عادة ما يكون عمقها أقل من 0.5 متر. في بعض الأحواض الصغيرة، قد يكون السطح مبطنًا بألواح بطانة بلاستيكية. تمثل البرك المفتوحة غير المثمرة الأكثر اقتصادا وأقل الطرق التقنية من جميع أساليب الاستزراع التجاري، وقد استخدمت تجاريا لإنتاج Dunaliella salina β-carotene في أستراليا. وتقتصر هذه البرك بشكل رئيسي على الطحالب الدقيقة المتنامية القادرة على البقاء في ظروف سيئة أو تتمتع بميزة تنافسية تسمح لها بتفوق الملوثات مثل الطحالب الطحالب الدقيقة غير المرغوب فيها والفيروسات والبكتيريا. من ناحية أخرى تتمتع البرك المهيجة بميزة نظام الخلط. معظم البرك المهيجة هي إما (أ) البرك الدائرية ذات المحرضات الدوارة أو (ب) أحواض القناة الواحدة أو المشتركة.

   وقد استخدمت الأحواض المستزرعة الدائرية في المقام الأول في زراعة الطحالب الدقيقة على نطاق و اسع و خاصة في جنوب شرق آسيا. يتم الكشف عن البرك الدائرية التي يصل قطرها إلى 45 مترًا وعمقها عادة من 0.3 إلى 0.7 متر، ولكن هناك بعض الأمثلة التي تغطيها القباب الزجاجية. ويتم إنتاج الضغوط المنخفضة القص اللازمة لإنتاج الطحالب الدقيقة في هذه النظم ولا سيما في وسط البركة، وهذه ميزة مميزة لهذه الأنواع من النظم. وتشمل بعض العيوب الهياكل الخرسانية باهظة الثمن، واستخدام الأراضي غير الفعال مع آثار أقدام كبيرة، والصعوبات في السيطرة على حركة جهاز التحريض والتكلفة المضافة في توريد Cosub2/sub.

   و المجاري المائية التي تحركها عجلات التجديف هي أكثر النظم التجارية لزراعة الطحالب الصغيرة شيوعا. وعادة ما يتم إنشاء المجاري المائية إما في قناة واحدة أو في شكل قنوات مرتبطة. وعادة ما تكون المجاري الضحلة (من 0.15 إلى 0.25 متر)، ويتم بناؤها في حلقة وتغطي عادة مساحة تتراوح بين 0.5 و 1.5 هكتار تقريبا. وتستخدم المجاري المائية في الغالب ويوصى بها للاستزراع التجاري الرئيسي لثلاثة أنواع من الطحالب الدقيقة بما في ذلك Chlorella و_Spirulina_ و_Dunaliella_. و تشكل العيوب الرئيسية لهذه النظم المفتوحة مخاطر التلوث و انخفاض الإنتاجية الناجمة أساسا عن سوء نظم الخلط و اختراق الضوء. وفي المجاري المائية، تبين أن تركيزات الكتلة الحيوية تصل إلى 1000 ملغ من الوزن الجاف. LSUP-1/سوب وإنتاجية 20 غرام من الوزن الجاف.

   و سعر إنتاج الطحالب الدقيقة يجعل الإنجاز الاقتصادي يعتمد اعتمادا كبيرا على تسويق المنتجات الباهظة الثمن و الحصرية, التي يكون الطلب عليها مقيدا بشكل طبيعي. وتعد المجاري المائية أيضاً أكثر نظم الزراعة استخداماً المستخدمة لمعالجة مياه الصرف الصحي (الحدائق وكراغس 2010).

   زراعة الصلبة (بعد Wijihastuti et al. 2017): طريقة بديلة لزراعة الطحالب الدقيقة هي شل حركة الخلايا في مصفوفة البوليمر أو ربطها بسطح الدعم الصلب (فيلم حيوي). وبوجه عام، فإن محصول الكتلة الحيوية لهذه المزروعات ذات الكتلة الحيوية أكثر تركيزاً بنسبة 99 في المائة على الأقل من المزارع القائمة على السوائل. نزح الماء هو واحد من أغلى الأجزاء وأكثرها كثافة في الطاقة في أي إنتاج طحالب جماعي. والميزة الرئيسية لنمو الفيلم الحيوي هي إمكانية الحد من عملية نزح المياه وما يتصل بها من استهلاك الطاقة وبالتالي التكاليف. كما يمكن لزراعة الفيلم الحيوي أن تزيد من التقاط الضوء الخلوي، وتقلل من الإجهاد البيئي (مثل الأس الهيدروجيني، والملوحة، والسمية المعدنية، والإشعاع العالي جداً)، وتقلل من تكلفة الإنتاج، وتقلل من استهلاك المغذيات. و يمكن استخدام أساليب الزراعة الصلبة لمعالجة مياه الصرف الصحي (إزالة المغذيات و المعادن). وهناك ثلاث طرق رئيسية لزراعة الأغشية البيولوجية هي: (أ) المغمورة مباشرة بنسبة 100 في المائة في المتوسط، (ب) المغمورة جزئياً في المتوسط، (ج) استخدام الركيزة المسامية لنقل المغذيات والرطوبة من الوسط إلى الخلايا.

   12.3.3 نمو الطحالب الاحتياجات من المغذيات

   وهناك عدد من العوامل الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية المثبطة يمكن أن تمنع ارتفاع إنتاج الطحالب الدقيقة. و يرد وصف لهذه العناصر في الجدول 12-1.

   ومن المحتمل أن تكون المعرفة الأساسية بقيود النمو الحرجة هي العامل الأكثر أهمية قبل تطبيق أي طحالب دقيقة على أي عملية. الضوء هو إلى حد بعيد أهم عامل تقييد يؤثر على نمو أي طحالب. وتعتبر درجة الحرارة أيضاً عاملاً حاسماً لإنتاج الطحالب الضخمة (موهيماني وبارليفيت 2013). ومع ذلك، يصعب السيطرة على هذه المتغيرات (موهيماني وبارليفيت 2013). وإلى جانب الضوء ودرجة الحرارة، فإن العناصر الغذائية هي أهم العوامل المقيدة التي تؤثر على نمو أي طحالب (موهيماني وبورويتزكا 2007)، وتميل كل نوع من أنواع الطحالب الدقيقة إلى الحصول على متطلباته الغذائية المثلى. أهم العناصر الغذائية هي النيتروجين والفوسفور والكربون (أوزوالد 1988). الاكثر

   الجدول tbody tr عوامل ثابيوتيك/ث TD الضوء (النوعية والكمية) /td /tr tr class = «غريب» TD/td TD درجة الحرارة /td /tr tr class = «حتى» TD/td TD تركيز المغذيات /td /tr tr class = «غريب» TD/td TD OSUB2/الفرعية /td /tr tr class = «حتى» TD/td TD Cosub2/الفرعية ودرجة الحموضة /td /tr tr class = «غريب» TD/td TD الملوحة /td /tr tr class = «حتى» TD/td TD المواد الكيميائية السامة /td /tr tr class = «غريب» عوامل ثبيوتيك /ث TD مسببات الأمراض (البكتيريا والفطريات والفيروسات) /td /tr tr class = «حتى» TD/td TD المنافسة من قبل الطحالب الأخرى /td /tr tr class = «غريب» العوامل التشغيلية/ث TD القص المنتجة عن طريق الخلط /td /tr tr class = «حتى» TD/td TD معدل التخفيف /td /tr tr class = «غريب» TD/td TD العمق /td /tr tr class = «حتى» TD/td TD تردد الحصاد /td /tr tr class = «غريب» TD/td TD إضافة بيكربونات /td /tr /tbody /الجدول

   ** الجدول 12-1** حدود نمو الطحالب الدقيقة وإنتاجيتها (موهيماني وبورويتزكا 2007)

   تستجيب الطحالب للحد من N-Nعن طريق زيادة محتواها من الدهون (Moheimani 2016). فعلى سبيل المثال، أفاد شيفرين وتشيشولم (1981) أنه في 20 إلى 30 نوعا من الطحالب الدقيقة التي فحصتها، زادت الطحالب محتواها من الدهون في ظل الحرمان من النيت-النوعي. والفوسفور هو أيضا المغذيات الهامة اللازمة لنمو الطحالب الدقيقة لأنه يلعب دورا أساسيا في استقلاب الخلايا وتنظيمها، حيث يشارك في إنتاج الإنزيمات والفوسفاتية والمركبات الموردة للطاقة (سميث 1983). أظهرت دراسات براون وبوتون (1979) على الطحالب الخضراء Selenastrum capricornutum وجود قيود نمو واضحة عندما كان تركيز الفوسفات للوسط أقل من 10 نانومتر. كما أن مادة Cosub2/sub هي مادة غذائية حاسمة لتحقيق إنتاجية عالية للطحالب (Moheimani 2016). على سبيل المثال، إذا لم يتم إضافة Cosub2/sub إضافية إلى ثقافة الطحالب، يمكن تخفيض متوسط الإنتاجية بنسبة تصل إلى 80% (Moheimani 2016). ومع ذلك، فإن إضافة Cosub2/sub إلى برك الطحالب مكلفة إلى حد ما (Moheimani 2016). الطريقة الأكثر اقتصادا لإدخال Cosub2/sub إلى وسائل الإعلام الثقافية هي النقل المباشر للغاز إلى وسائل الإعلام عن طريق الفقاعات من خلال الحجارة المسامية المتكلس أو استخدام الأنابيب تحت صفائح بلاستيكية مغمورة كحاقن Cosub2/sub (Moheimani 2016). لسوء الحظ، في جميع هذه الأساليب لا يزال هناك فقدان كبير للكوسوب2/سوب في الغلاف الجوي بسبب الوقت القصير للاحتفاظ بفقاعات الغاز في تعليق الطحالب.

   على الرغم من أن إضافة N و P و C أمر بالغ الأهمية، إلا أن العناصر الغذائية الأخرى تؤثر أيضا على نمو الطحالب الدقيقة والتمثيل الغذائي ومن المعروف أيضا أن نقص العناصر الغذائية الأخرى، مثل المنغنيز (Mn) ومختلف الكاتيونات الأخرى (MgSup2+/SuP، KSUP+/Sup و CasUP2+/سوب)، يقلل من نمو الطحالب (Drooop 1973). كما أن العناصر النزرة بالغة الأهمية لنمو الطحالب الدقيقة كما تتطلب بعض الطحالب الدقيقة الفيتامينات لنموها (Croft et al. 2005). تتمثل إحدى الطرق الفعالة وغير المكلفة لتوريد المغذيات في الجمع بين ثقافة الطحالب ومعالجة مياه الصرف الصحي التي تتم مناقشتها أدناه مباشرة.

   12-3-4 معالجة الطحالب ومياه الصرف الصحي

   ومع ازدياد التدهور البيئي و زيادة الحاجة إلى توليد مصادر بديلة لل أغذية و الطاقة, فإن هناك قوة دافعة لاستكشاف جدوى المعالجة البيولوجية لل مياه المستعملة مقترنة باسترداد الموارد. وقد كانت معالجة مياه الفضلات الدقيقة جذابة بشكل خاص بسبب أنشطة التخليق الضوئي الطحالب، حيث يتم نقل الضوء إلى كتلة حيوية مربحة. وفي ظل ظروف معينة، يمكن أن تكون الكتلة الأحيائية الطحالب الدقيقة المزروعة بالمياه المستعملة مكافئة أو متفوقة في إنتاج الكتلة الحيوية بالنسبة إلى الأنواع النباتية الأعلى. وهكذا، يمكن للعملية أن تحول منتج النفايات إلى منتجات مفيدة (مثل علف الحيوانات، وعلف تربية الأحياء المائية، والأسمدة الحيوية والطاقة الحيوية). وبالتالي، فإن النفايات السائلة لم تعد ناتجًا سلبيًا، ولكنها تصبح ركيزة قيمة لإنتاج مواد هامة، وقد تم الإبلاغ عن المعالجة الحيوية الناجحة لمياه الطحالب المجهرية لأكثر من نصف قرن (أوزوالد وغوتس 1957؛ Delrue et al. 2016). ويوفر العلاج النباتي للطحالب بالفعل حلاً مواتياً بيئياً لمعالجة مياه الصرف الصحي حيث يمكنه استخدام المغذيات العضوية وغير العضوية بكفاءة (Nwoba et al. 2017). وتنطوي مزارع الطحالب الدقيقة على إمكانات هائلة للخطوات اللاحقة لمعالجة مياه الصرف الصحي، خاصة للحد من «N» و «P» و «COD» (Nwoba et al. 2016). وعلاوة على ذلك، فإن القدرة المضافة للطحالب الدقيقة على النمو عن طريق ظروف تغذوية مختلفة مثل الظروف التصويرية الضوئية، والمختلطة، والظروف غير الغذائية تعزز أيضا قدراتها على إزالة مختلف أنواع الملوثات والمواد الكيميائية من المصفوفات المائية. وتتيح قدرة الطحالب الدقيقة في عزل الكربون (Cosub2/sub) المعالجة البيولوجية للكوسوب2/الفرعية. كما أن العلاقة المتزامنة مع البكتيريا الجبرية التي أنشئت هي أيضا تآزر مثالي من أجل المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي (مونوز وغييس 2006). ومن خلال عملية التمثيل الضوئي، توفر الطحالب الدقيقة الأكسجين الذي تتطلبه البكتيريا الهوائية لتمعدن المادة العضوية وكذلك أكسدة NHSub4/subsup+/SuP (مونوز وغييس 2006). وفي المقابل، توفر البكتيريا ثاني أكسيد الكربون لنمو الطحالب الدقيقة، مما يقلل بشكل كبير من كمية الأكسجين اللازمة لعملية معالجة مياه الصرف الصحي الشاملة (Delrue et al. 2016). وبصفة عامة، فإن النفايات السائلة ذات نسب منخفضة من الكربون إلى النيتروجين مناسبة بشكل أساسي لنمو الكائنات الاصطناعية الضوئية. و الأهم من ذلك أن معالجة المياه المستعملة المنزلية و الزراعية لل طحالب الدقيقة هي خيار جذاب لأن التكنولوجيا سهلة نسبيا و تتطلب طاقة منخفضة جدا مقارنة بمعيار معالجة النفايات السائلة. إن تحسين معالجة مياه الفضلات الدقيقة في أحواض المجاري الكبيرة أمر جذاب لأنه يجمع بين المعالجة الفعالة لمنتج النفايات الضارة وإنتاج الكتلة الحيوية الطحالب الغنية بالبروتين التي يمكن أن تكون ذات قيمة. و يلخص الشكل 12-1 نظام حلقة مغلقة لمعالجة أي نفايات عضوية عن طريق الجمع بين الهضم اللاهوائي و زراعة الطحالب.

   12.3.5 الطحالب والأكوا المائية

   و غالبا ما ينظر إلى الطحالب الدقيقة في تربية الأحياء المائية وفي النظم المائية على أنها مصدر إزعاج لأنها يمكن أن تحد من تدفق المياه عن طريق انسداد الأنابيب, و استهلاك الأكسجين,

   

   ** الشكل 12-1** نظام معالجة متكامل لاستخدام الاستزراع الطحالب لمعالجة النفايات العضوية والمستخدمين النهائيين المحتملين. (تم تصميم العملية بناء على معلومات من آير وآخرون 2017 وموهيماني وآخرون 2018)

   قد تجتذب الحشرات، وتقلل من نوعية المياه وعندما تتحلل يمكن أن تستنزف الأكسجين. ومع ذلك، تظهر تجربة أجراها آدي وآخرون (2017) أن الطحالب يمكن أن تحسن نوعية المياه في نظام أكوابوني، وتساعد في السيطرة على قطرات الأس الهيدروجيني المتعلقة بعملية النتريجة، وتوليد الأكسجين المذاب في النظام، «وإنتاج الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة كعلف الأسماك ذات القيمة المضافة وإضافة التنوع وتحسين القدرة على التكيف مع النظام'. واحدة من «الكباب المقدسة» من أكوابونيكش هو إنتاج جزء على الأقل من الطعام الذي يتم تغذيته للأسماك كجزء من النظام، وهنا يلزم البحث في إنتاج الطحالب التي يمكن زراعتها مع جزء من المياه المائية المائية، على الأرجح في حلقة منفصلة، والتي يمكن بعد ذلك تغذيتها كجزء من النظام الغذائي للأسماك.

4. 12-4 الماروبونية والهالوبونيات

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

   وعلى الرغم من أن الأحياء المائية في المياه العذبة هي أكثر التقنيات التي توصف وتمارسها على نطاق واسع، فإن موارد المياه العذبة لإنتاج الأغذية (الزراعة وتربية الأحياء المائية) أصبحت محدودة بشكل متزايد، وتزداد ملوحة التربة تدريجيا في أجزاء كثيرة من العالم (Turcios and Papenbrock 2014). وقد أدى ذلك إلى زيادة الاهتمام و/أو التحرك نحو مصادر المياه البديلة (مثل المياه المالحة إلى المياه المالحة العالية المالحة وكذلك مياه البحر) واستخدام أسماك اليوريهالين أو المياه المالحة، والنباتات الهالوفيتية، والأعشاب البحرية، والغليكوفيت المنخفضة التحمل للأملاح (Joesting et al. 2016). ومن المثير للاهتمام ملاحظة أنه على الرغم من أن كمية المياه المالحة في المياه الجوفية تقدر بنسبة 0.93 في المائة فقط من إجمالي موارد المياه في العالم بنحو 000 870 12 كمسوب/سوب، فإن هذا يزيد عن احتياطيات المياه العذبة الجوفية (000 530 10 كمسوب/سوب) التي تشكل 30.1 في المائة من جميع احتياطيات المياه العذبة (أبيلباوم وكوتزن 2016).

   و استخدام المياه المالحة في علم الأحياء المائية تطور جديد نسبيا, و كما هو الحال في معظم التطورات الجديدة, يلزم وضع المصطلحات المستخدمة لوصف نطاق/التسلسل الهرمي لل أنواع على أساس متين. وفي تاريخه القصير، صُمم مصطلح «المارابونية المائية» (أي الأحياء المائية البحرية) للأحياء المائية لمياه البحر (SA)، وبعبارة أخرى، النظم التي تستخدم مياه البحر وكذلك المياه المالحة (Gunning et al. 2016). و توجد هذه النظم أساسا في البر, وفي المواقع الساحلية, وفي حالة جنوب الصحراء, بالقرب من مصدر مياه البحر. ولكن هناك أسماك ونباتات تنمو ويمكن استخدامها في الوحدات المائية حيث تختلف مستويات ملوحة المياه. وهكذا في حين أنه من المنطقي استخدام مصطلح «maraponics» لمياه البحر المائية، فإنه من غير المنطقي مصطلح أكوابونيكس المياه المالحة باستخدام هذا المصطلح. وبالتالي نقترح أن مصطلح جديد يحتاج إلى إضافة إلى معجم أكوابوني وهذا هو «هالوبونيك'، مستمد من الكلمة اللاتينية هالو معنى الملح والجمع بين هذا مع المهور لاحقة. وهكذا فإن المارابونية هي نظام متكامل للاستزراع المائي متعدد التغذية على اليابسة يجمع بين الإنتاج الاستزراع المائي للأسماك البحرية والقشريات البحرية والرخويات البحرية وغيرها مع الإنتاج المائي للنباتات المائية البحرية (مثل الأعشاب البحرية والطحالب البحرية والهالوفييات المائية) باستخدام المحيطات قوة مياه البحر (حوالي 35،000 جزء في المليون [35 غرام/لتر]). ومع ذلك، ينبغي تسمية النظم المائية التي تستخدم المياه المالحة التي تقل عن مستويات المحيطات في مجموعة من الملوحة بالهالوبونات (المياه المالحة قليلاً من 1000 إلى 3000 جزء في المليون [1—3 غرام/لتر]، والمالحة المعتدلة 3000 - 10,000 جزء في المليون [3—10 غرام/لتر] وملوحة عالية 10,000—35,000 جزء في المليون [10-35 غرام/لتر]). وهذه النظم هي أيضا نظم IMTA على اليابسة تجمع بين الإنتاج التربوي والإنتاج المائي للنباتات المائية، ولكن كل من الأسماك والنباتات يتم تكييفها أو تنمو بشكل جيد في ما يمكن تسميته بالمياه الملوحة.

   وعلى الرغم من أن مفهوم المارابونية جديد جدا، فإن الاهتمام بتربية الأحياء البحرية المتكاملة في البر بدأ يظهر في السبعينات، بدءا من نطاق مختبري ثم يتوسع إلى تجارب على نطاق تجريبي في الهواء الطلق. في بعض الدراسات التجريبية الأولى، نجح Langton et al. (1977) في إظهار نمو الأعشاب البحرية الحمراء، Hypnea musciformis، المستزرعة في خزانات ذات نفايات استزراع المحار. بدلا من ذلك، المحاصيل التي عادة ما تصنف على أنها جليكوفيت، مثل الطماطم الشائعة (Lycopersicon esculentum)، الطماطم الكرز (Lycopersicon esculentum var. يمكن أن يحقق Cerasiforme) والريحان (Ocimum basilium) مستويات إنتاج ناجحة بشكل ملحوظ عند ملوحة تصل إلى 4 غرام/لتر (4000 جزء في المليون) وغالبا ما يشار إليها على أنها ذات مستويات منخفضة معتدلة من تحمل الملح (لا ينبغي الخلط بينها وبين الهالوفيتس الحقيقية، التي تقاوم الملوحة العالية). وتشمل المحاصيل الأخرى التي تتسامح مع الملوحة المنخفضة المعتدلة اللفت والفجل والخس والبطاطا الحلوة والفول واسعة والذرة والملفوف والسبانخ والهليون والبنجر والقرع والقرنبيط والخيار (كوتزن وأبلباوم 2010؛ أبلباوم وكوتزن 2016). فعلى سبيل المثال، قام دوفولت وآخرون (2001) ودوفالت وكوركماز (2000) بتجربة نفايات الجمبري (براز الروبيان والأعلاف المتحللة) كسماد للبروكلي (Brassica ooleracea italica) وفلفل الجرس (Capsicum annuum)، على التوالي. على الرغم من أن دراستهم لم تستخدم تقنيات مارابونية، إلا أنها شملت النباتات التي تزرع عادة باستخدام تقنيات أكوابونك (المياه العذبة). ولذلك، ونظرا لمستويات تحمل الملوحة، فإن لهذه المحاصيل إمكانات هائلة كأنواع مرشحة للإنتاج في النظم الهالوبونية باستخدام الملوحة المنخفضة إلى المتوسطة.

   وفي الآونة الأخيرة، أظهر عدد من الدراسات أن الهالوفيات يمكن أن تروى بنجاح بمياه الصرف الصحي من النظم البحرية باستخدام التقنيات المائية أو كجزء من نظام إعادة تدوير الاستزراع المائي (RAS). وأظهر والر وآخرون (2015) جدوى إعادة تدوير المغذيات من المياه المالحة (ملوحة 16 مساو [16,000 جزء في المليون]) RAS لباس البحر الأوروبي (D. labrax) من خلال الإنتاج المائي لثلاثة مصانع هالوفيتيك: Tripolium pannonicum (أستر البحر)، Plantago coronopus (موز قرن باك) و _ ساليكورنيا دوليشوستاشيا_ (زجاج طويل ارتفعت).

   وتشمل غالبية الأعمال الماروبونية التي أجريت حتى الآن دمج مستويين غذائيين - النباتات/الطحالب والأسماك. ومع ذلك، يمكن رؤية مثال على نظام يضم أكثر من مستويين تغذويين في تجربة أجراها نيوري وآخرون (2000)، الذي صمم نظاماً صغيراً للثقافة البرية المكثفة لأبحر البحر الياباني (Haliotis discus hannai)، والأعشاب البحرية (Ulva lactuca وGracilaria conferta)، والطيور التي تغذيها الكريات الدنيس الدنيس (سباروس أوراتا). ويتألف هذا النظام من مياه البحر غير المصفاة (2400 لتر/يوم) التي يتم ضخها في صهريجين من أذن البحر وتصريفها من خلال صهريج للأسماك، وأخيرا من خلال وحدة لترشيح الأعشاب البحرية وإنتاجها قبل تصريفها إلى البحر. كما يمكن استخدام رخويات تغذية المرشحات في مثل هذا النظام. قارن كوتزن وأبلباوم (2010) وأبلباوم وكوتزن (2016) نمو الخضروات الشائعة باستخدام مياه الشرب والمياه المالحة المعتدلة (4187-6813 جزء في المليون) ووجدت أن الريحان (Ocimum basilicom) والكرفس (Apium graveolens) والكراث (_Allium ampeloprasum porrusum _) الخس (Lactuca sativa — مختلف أنواع)، سلق سويسري (Beta vulgaris. 'cicla')، البصل الربيع (Allium cepa) والجرجير (Nasturtium officinale) أداء جيد للغاية.

   و تقدم المابونية و الهالوبونية عددا من المزايا مقارنة بالأساليب التقليدية لإنتاج المحاصيل و الأسماك. وبسبب استخدام المياه المالحة (البحرية إلى المياه المالحة)، هناك انخفاض في الاعتماد على المياه العذبة، التي أصبحت في بعض أنحاء العالم موردا محدودا جدا. وهي تمارس عادة في بيئة خاضعة للرقابة (مثل الاحتباس الحراري؛ وخزانات معدل التدفق المتحكم فيها) مما يتيح فرصا أفضل للإنتاج المكثف. العديد من الأنظمة الماروبونية والهالوبونية مغلقة RAS مع مرشحات حيوية عضوية و/أو ميكانيكية، وبعد ذلك، إعادة استخدام المياه عالية، يتم تقليل تلوث مياه الصرف الصحي أو القضاء عليه بشكل كبير، ويتم إزالة الملوثات أو معالجتها. حتى الأنظمة التي ليست RAS يمكن أن تقلل بشكل كبير من المغذيات الزائدة في مياه الصرف الصحي قبل التصريف. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن الحد من حدوث الملوثات في النظم الماروبونية والهالوبونية التي لا تحتوي على الديوكسين أو ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو القضاء عليها من خلال استخدام المياه التي تحتوي على مستويات منخفضة من الملوثات التي تحدث بشكل طبيعي واستخدام بدائل الأعلاف المائية التي لا تحتوي على الديوكسينات أو مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (مثل الأعلاف الجديدة المصنوعة من الطحالب الكبيرة). ويقلل هذا التحسن في نوعية المياه من احتمال حدوث الأمراض، وبالتالي فإن الحاجة إلى استخدام المضادات الحيوية تنخفض إلى حد كبير. ونظراً لتشكيلها المتعدد الاستخدامات وانخفاض احتياجاتها من المياه، يمكن تنفيذ أنواع الماروبونية والهالوبونية بنجاح في مجموعة واسعة من البيئات، من المناطق الساحلية الخصبة إلى الصحارى القاحلة (كوتزن وأبلباوم 2010)، وكذلك في المستوطنات الحضرية أو شبه الحضرية. و ثمة فائدة محتملة أخرى تتمثل في أن العديد من الأنواع المناسبة لهذه النظم لها قيمة تجارية عالية. على سبيل المثال، يمكن لباس البحر الأوروبي يوريهالين (Dicentrarchus labrax) ودنيس البحر المدبب (Sparus aurata) أن يحقق سعر السوق قدره 9 يورو و6 يورو كغم، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تميل الهالوفيتس الصالحة للأكل إلى أن يكون لها سعر مرتفع في السوق، حيث أن سعر السوق على سبيل المثال يتراوح بين 4 و4.5 يورو/كغ، ويبيع المستنقعات (Salicornia europaea) بسعر 18 يورو في محلات السوبر ماركت.

   ول ذلك فإن الأدلة مقنعة. و توفر المابونية و الهالوبونية مجالا ديناميكيا و سريع النمو يمكن أن يوفر عددا من الخدمات لل مجتمعات المحلية, و يستكشف الكثير منها في أماكن أخرى من هذا المنشور.

5. 12.5 أكوابونيكش عمودي

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

   12-5-1 مقدمة

   في حين يمكن النظر إلى الأحياء المائية على أنها جزء من حل عالمي لزيادة إنتاج الأغذية بطرق أكثر استدامة وإنتاجية، وحيث أصبح زراعة المزيد من الأغذية في المناطق الحضرية معترف بها الآن كجزء من حل الأمن الغذائي وأزمة الغذاء العالمية (كونيغ وآخرون 2016)، يمكن أن تصبح أنظمة أكوابونك نفسها أكثر إنتاجية واستدامة من خلال اعتماد تكنولوجيات بديلة للنمو والتعلم من التقنيات الناشئة مثل الزراعة العمودية والجدران المعيشية (خانداكر وكوتزن 2018). و بالإضافة إلى ذلك, يمكن إدماجها بشكل أفضل في المناطق الحضرية, من خلال كفاءتها في الفضاء.

   في العالم المتقدم يتم وضع معظم النظم المائية في البيوت البلاستيكية من أجل التحكم في درجة الحرارة؛ في شمال أوروبا وأمريكا الشمالية على سبيل المثال، درجات الحرارة في فصل الشتاء باردة جدا في فصل الشتاء، وفي مناطق البحر الأبيض المتوسط مثل إسبانيا وإيطاليا والبرتغال واليونان وإسرائيل، تكون درجات الحرارة في الصيف دافئة للغاية. وهناك بالطبع العديد من المزايا الإضافية في زراعة الأغذية في البيوت المحمية الخاضعة للرقابة، مثل القدرة على تنظيم الرطوبة النسبية والسيطرة على حركة الهواء، والحجر الصحي للأسماك وكذلك النباتات من الأمراض والآفات، وربما القدرة على إضافة COSub2/sub، للمساعدة في نمو النباتات. ومع ذلك، يمكن لزراعة المنتجات في دفيئة أن ترفع التكاليف بسهولة من خلال (أ) التكاليف الرأسمالية للاحتباس الحراري (تقدير عام قدره 350/350 مليون دولار أمريكي) و (ب) البنية التحتية المرتبطة بها مثل ضوابط المناخ المحلي التي تشمل أنظمة التدفئة والتبريد والإضاءة. و علاوة على التكاليف الأولية لل بنية التحتية, هناك أيضا تكاليف محددة لإنتاج الدفيئة تشمل إمدادات الطاقة/الطاقة لأغراض التدفئة و التبريد فضلا عن الإضاءة.

   تستخدم معظم الأنظمة المائية مثل نظام جامعة جزيرة فيرجن (UVI) (الشكل 12.1)، الذي صممه الدكتور جيمس راكوسي وزملاؤه، خزانات أو أسرة تنمو أفقية، تحاكي أنماط الزراعة البرية التقليدية لإنتاج الخضروات (Khandaker and Kotzen 2018). وبعبارة أخرى، يعتمد النظام على الصفوف/المصفوفات الأفقية للنباتات التي ترتفع عادة إلى مستوى الخصر بحيث يمكن الاضطلاع بمهام الإدارة المتصلة بالنباتات بسهولة. وقد نشأت تطورات موازية في تكنولوجيات الحوائط الحية و الزراعة العمودية في نفس الوقت تقريبا الذي تطورت فيه الأحياء المائية و كذلك في مرحلة المراهقة من التطور. وبالمثل، كما هو الحال في علم الأحياء المائية، ومع تزايد مشاركة الناس، هناك زيادة مصاحبة في النظم والتنمية التكنولوجية لزيادة الإنتاجية وخفض التكاليف. إن اقتران نظم النمو الرأسي (نظم الزراعة العمودية والجدران المعيشية) بدلاً من الأسرَّة الأفقية بخزانات الأسماك والترشيح يُحتمل أن يكون أحد الطرق الرئيسية لزيادة الإنتاجية حيث ينبغي أن يكون من الممكن زيادة عدد الخضروات المزروعة مقارنة بالأرقام المنتجة في أكوا بونيكش السرير الأفقي. تنتج أنظمة UVI المائية (الشكل 12.2) ما يقرب من 32 نبتة لكل متر مربع (الحافظ وآخرون 2008)، اعتمادا على الأنواع والصنف الذي يزرع، ولكن كما لاحظ Khandaker و Kotzen (2018)، يمكن زراعة ما يقرب من 96 نبتة لكل متر مربع «باستخدام عناصر من الخلف إلى الخلف من Terapia Urbana [1] نظام LW الذي يزيد عن ثلاثة أضعاف الكثافة

   

   الشكل 12.2 رسم تخطيطي لنظام UVI نموذجي يوضح نسبة خزانات الأسماك/المرشحات\ خزانات زراعة النباتات وهي 2:1:5. وهذا يدل على أن أكبر مساحة تندرج ضمن النباتات وأنه في هذا المجال يمكن النظر في وفورات المساحة. (خانداكر وكوتزن 2018)

   مقارنة مع نظام النمو الأفقي UVI '. وينبغي أن التقدير المحافظ على الأقل ضعف الحد الأقصى للمبلغ نمت في أسرة أفقية ل 64 النباتات/msup2/سوب. في تجربة مع الخس (Lactuca sativa L. السيرة الذاتية. 'Little Gem ') باستخدام أسرة أفقية وأعمدة مزروعة بكثافات مماثلة، يشير تولياتوس وآخرون (2016) إلى أن «نظام الزراعة الرأسي (VFS) يقدم بديلاً جذاباً لنظم النمو المائي الأفقي (و) أنه يمكن تحقيق المزيد من الزيادات في الغلة من خلال دمج الإضاءة الاصطناعية في VFS '.

   **أنظمة الزراعة العمودية (VFS) **

   قبل أن نناقش المتطلبات المحددة للأنظمة الرأسية، نحتاج إلى مناقشة أنواع الأنظمة المتوفرة. في فس هناك ثلاثة أنواع عامة رئيسية (الشكل 12.3):

   1 - سرير أفقي مكدس: بدلاً من وجود سرير نمو أفقي واحد فقط، يتم تكديس الأسرّة مثل الرفوف في طبقات. هذا الترتيب يعني أنه في المسببة للاحتباس الحراري، فإن السرير العلوي فقط سيواجه الضوء الطبيعي المباشر، ويجب توفير الضوء الإضافي على جميع المستويات. وعادة ما يتم توفير هذا من مباشرة تحت السرير تنمو أعلاه. ومن حيث المبدأ، يمكن أن يعني ذلك أن الأسرة المتنامية يمكن أن تكون مكدسة في أعلى مستوى يسمح به الدفيئة، ولكن بالطبع نمو الأشياء في الارتفاع يعني صعوبة أكبر في إدارة النظام بما في ذلك الزراعة والصيانة والحصاد، مما يتطلب مصاعد مقص وطاقة إضافية لضخ المياه الغنية بالمغذيات على جميع المستويات. وفقًا لـ Bright Agrotech (Storey 2015)، فإن ما يصل إلى أربعة مستويات مربحة وأي شيء فوق ذلك غير مربح. ويلاحظ Storey (2015) كذلك أن العمالة تزداد بنسبة 25% في المستويات الثاني والثالث والرابع عندما تكون هناك حاجة إلى رفع مقص (الشكل 12.3، المثال التوضيحي A).

   

   الشكل 12-3 نظم الزراعة العمودية وترتيبات الإضاءة الخاصة بها

   2 - أنظمة البرج العمودي (VTS): تتألف أنظمة البرج العمودي من الأنظمة التي تنمو النباتات في صفائف عمودية داخل حاوية أو سلسلة من وحدات مكدسة. اعتمادا على النظام، تزرع النباتات تواجه اتجاه واحد أو إذا، على سبيل المثال، يتم زرعها في شكل يشبه الأنبوب، ثم يمكن ترتيبها تواجه أي اتجاه. مثال على نظام الصفيف العمودي، حيث تزرع النباتات في اتجاه واحد هو Zipgrowsuptm/Sup التي إما معلقة أو مدعومة في الصفوف (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي B1). الصفوف بين حوالي 0.5 متر (20 بوصة). يحدث النمو بطريقة أكثر ثلاثية الأبعاد مع الأنظمة المكدسة أو في الأنظمة الأنبوبية التي تسمح لزراعة المزيد من النباتات، ولكن الإضاءة أكثر تعقيدًا (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي B2).

   3 - المستويات المتدرجة: تحتوي هذه الأنظمة على أحواض نباتية صلبة أو متحركة. يستخدم SkyGreens VFS في سنغافورة نظام الحوض الصغير الدوارة الذي يتحرك الأحواض صعودا وإلى الضوء. الضوء الطبيعي الإضافي أكثر أهمية نحو الأعلى وأقل في الأسفل (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي C1). يتم وضع أنظمة الطبقة الأخرى بحيث يكون لكل طبقة واجهة دون عائق مع الضوء من الأعلى، سواء كان هذا الضوء الطبيعي من سقف الدفيئة أو الضوء الاصطناعي. ولكن هذه النظم يجب أن تكون منخفضة جدا حتى يتمكن الناس من الوصول إلى النباتات (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي C2).

   ** جدران الحية**

   الجدران الحية لم تستخدم بعد في أكوابونيكش إلا في عدد من النظم التجريبية مثل في جامعة غرينتش، لندن (خانداكر وكوتزن 2018). في حين أن معظم VFS تستخدم تقنية الأغشية المغذيات (NFT) تنمو القنوات أو كتل الصوف المعدني المغلفة، تستخدم LWs أحيانًا ركائز نوع التربة في الأواني أو الأحواض، والتي توفر وسط التأصيل. وفي حين أن هذا أمر جيد لزراعة نباتات الزينة والخضراوات والأعشاب، فإن أي إضافة للتربة إلى النظام قد تؤدي إلى تعقيد الطابع الميكروبي للنظام وتكون ضارة بالأسماك. ولكن هذا غير معروف ويتطلب البحث. تشير التجارب التي أجريت في جامعة غرينتش (Khandaker and Kotzen 2018) إلى أنه من خلال عدد من الركائز الخاملة الوحيدة التي تم اختبارها (بما في ذلك hydroleica والبيرلايت والقش والطحلب Sphagnum والصوف المعدني وألياف جوز الهند)، كانت ألياف جوز الهند ثم الصوف المعدني متفوقة من حيث اختراق الجذور ونمو الجذور في الخس (Lactuca sativa).

   ** عمودي ضد أفقي: العوامل الواجب مراعاتها **

   و هناك أربعة جوانب رئيسية ينبغي أخذها في الاعتبار عند مقارنة فوائد النمو الرأسي) الإنتاجية و الاستدامة (بالمقارنة بالنمو الأفقي. هذه هي (1) الفضاء، (2) الإضاءة، (3) الطاقة و (4) تكاليف دورة الحياة.

   1 - الفضاء

   فوائد القدرة على النمو إنتاج عموديا، العودة إلى الوراء، تحتاج إلى أن تكون متوازنة مع مقدار المساحة المطلوبة لتوفير انتشار متساوي من الإضاءة فضلا عن مساحة الصف المطلوبة للإدارة والصيانة. يختلف عرض صف في الأنظمة المائية. وكما لوحظ، فإن نظام ZipGrowsuptm/Sup القياسي يبلغ حوالي 0.5 متر، بينما يتراوح عرض الصف المعتاد لزراعة الطماطم والخيار من 0.9 إلى 1.2 متر (Badgery-Parker and James 2010). قد تسمح زراعة النباتات الأصغر حجماً مثل الخس والأعشاب مثل الريحان بصفوف أضيق، ولكن بالطبع يجب أن يضمن عرض الصف عدم تعرض المنتجات للخطر من خلال نقل العناصر مثل العربات والمصاعد المقصية. وهناك قضية رئيسية مع النمو عموديا هو الصراع الذي يحدث بين وجود صفوف ثابتة والإضاءة الثابتة، والتي تحتاج إلى أن تكون موجودة في الصفوف بين واجهات الزراعة. وستعيق هذه الأضواء تحركات الناس وبالتالي يجب أن تكون الأضواء (1) جزءاً من الهيكل المتنامي أو (2) قابلة للسحب أو المنقولة، بحيث يمكن للعمال القيام بالمهام بسهولة، أو (3) تكون هياكل الزراعة منقولة وتبقى الأضواء ثابتة.

   2 - الضوء

   و يعتمد إنتاج الخضروات و النباتات الأخرى المسببة لل احتباس الحراري على ترتيبات مكانية محددة تسمح بالزراعة و الإدارة من خلال النمو ثم الحصاد. سيعتمد الترتيب المكاني على أنواع النباتات وأنواع الميكنة المثبتة. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد النمو بكفاءة على ملحق ضوء إضافي من أنواع مختلفة، والتي لها إيجابيات وسلبيات خاصة بها. بشكل عام ما تفعله هذه الأضواء هو توفير أطوال موجية محددة لنمو النبات ولإنتاج الفاكهة أو الزهور. في حين أنها بسيطة نسبيا وأكثر شيوعا للنباتات الخفيفة بالتساوي نمت أفقيا، فمن أكثر تحديا لإضاءة سطح عمودي بالتساوي.

   وفيما يتعلق بأنواع الإضاءة، انتقل العديد من المنتجين إلى أو يميلون إلى تركيب مصابيح LED (الثنائيات الباعثة للضوء)، بسبب عمرها الطويل، وتصل إلى 50،000 ساعة أو أكثر (غوبتا 2017)، وانخفاض متطلباتها من الطاقة وتخفيضها مؤخرا في التكلفة. لاحظ Virsile et al. في غوبتا (2017) أن معظم تطبيقات إضاءة LED في البيوت البلاستيكية تختار مجموعات الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء ذات كفاءة الفوتون العالية ولكن الضوء الأخضر والأبيض الذي يحتوي على كميات كبيرة من الأطوال الموجية الخضراء له تأثير فسيولوجي إيجابي على النباتات. ومع ذلك، فإن الجمع بين الأضواء الزرقاء والحمراء يخلق صورة أرجوانية رمادية، وهذا يعوق التقييم البصري لصحة النبات. نوع الأطوال الموجية المختارة معقد ويمكن أن يكون له فوائد في مراحل مختلفة من حياة النبات وحتى وفقا لأصناف، على سبيل المثال، الخس. الخس ذو الأوراق الحمراء، على سبيل المثال، تستجيب لإضاءة LED الزرقاء، مما يزيد من تصبغها (Virsile et al. في غوبتا 2017). بالإضافة إلى ذلك، يمكن للإضاءة الزرقاء LED تحسين الجودة الغذائية للخضروات الخضراء، والحد من محتوى النترات، وزيادة المواد المضادة للاكسدة والمركبات الفينولية وغيرها من المركبات المفيدة. الأطياف الخفيفة تؤثر أيضا على الذوق والشكل والملمس (Virsile et al. في غوبتا 2017). انخفضت تكاليف المصابيح بشكل كبير، ومع زيادة فعالية المصابيح، لذلك انخفض وقت العائد التعادل على الاستثمار (Bugbee in Gupta 2017).

   توجد إضاءة أخرى بالطبع وهذا يشمل إضاءة الفلورسنت وإضاءة الهاليد المعدنية (MH) وإضاءة الصوديوم ذات الضغط العالي (HPS). يختلف نوع الإضاءة المستخدمة في الزراعة العمودية والجدران الحية اختلافًا كبيرًا حسب المقياس والموقع. مصابيح الفلورسنت المدمجة (CFLs) رقيقة نسبيا ويمكن أن تناسب بسهولة في المساحات الصغيرة، ولكنها تتطلب الصابورة الاستقرائي لتنظيم التيار من خلال الأنابيب. تستخدم المصابيح الضوئية فقط 20-30٪ من اللمبة المتوهجة وتستمر من ست إلى ثماني مرات أطول ولكنها أقل كفاءة بنسبة 50٪ تقريبًا من مصابيح LED. فهي إلى حد بعيد أرخص من ثلاثة أنواع رئيسية من أضواء تنمو. HPS تنمو تكنولوجيا الضوء أكثر من 75 سنة وهي راسخة للنمو تحت الزجاج، لكنها تنتج الكثير من الحرارة وبالتالي ليست مناسبة للزراعة العمودية والجدران الحية، حيث يحتاج الضوء إلى تسليمها قريبة جدا من النباتات. الحرارة التي تنتجها أضواء ليد تنمو، من ناحية أخرى، هو الحد الأدنى. ومع ذلك، فإن التكلفة أعلى من النوعين الآخرين، وهناك حاجة إلى حماية العين من أجل التعرض الطويل لمصابيح LED، حيث أن التعرض طويل الأمد للأطياف الضوئية يمكن أن يكون مدمراً للعيون. ترتيب وحدات فس سوف تملي ترتيب الإضاءة ولكن على العموم هذه مضاءة من قبل المصابيح. تعتمد طريقة إضاءة الجدران الحية على ارتفاع الجدار. كلما كان الجدار أطول كلما كان من الصعب تطبيق انتشار حتى عبر السطح، على الرغم من أنه تجدر الإشارة إلى أن عدد الأضواء المستخدمة يجب أن لا يختلف عن تلك المستخدمة في الأسرة تنمو الأفقي وإذا كان الجدار طويل القامة ثم الأضواء قد تحتاج إلى أن تكون متداخلة. وبما أن معظم الجدران الحية تقع لأغراض جمالية، يجب أن تبقى الإضاءة قدر الإمكان، بعيدًا عن الطريق والإضاءة يجب أن توفر ليس فقط الضوء الكافي لنمو النبات والصحة، ولكن أيضًا حتى تبدو النباتات جيدة (الشكل 12.4).

   

   الشكل 12.4 يمكن إضاءة جدار حي بطول 4 أمتار وطوله 5 أمتار بشكل كاف مع ستة مصابيح تفريغ عالية الكفاءة. لاحظ أن هذه تم اختيارها ليس فقط لتوفير ضوء كاف للنمو ولكن أيضا بحيث النباتات في جدار المعيشة سوف تبدو جيدة. (جامعة غرينتش جدار المعيشة. المصدر: بنز كوتزن)

   إن التقدم في تكنولوجيا LED، حيث يمكن هندسة ترددات الإضاءة وكثافتها لتناسب الأنواع والأصناف الفردية بالإضافة إلى دورات حياتها المختلفة يعني أن مصابيح LED ستصبح التكنولوجيا المفضلة في المستقبل القريب. و سيتعزز هذا بالإضافة إلى ذلك بإجراء تخفيضات في التكاليف.

   3 - الطاقة

   ومن المرجح أن تكون هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة للإضاءة من أجل VFS وكذلك LWs حيث لا يمكن تحقيق الإضاءة الطبيعية على الأسطح العمودية. بالإضافة إلى ذلك، ستكون هناك حاجة إلى المزيد من طاقة الضخ للري، وهذا سيكون نسبة إلى ارتفاع VFS أو LWs.

   4 - _التحليل المقارن لدورة الحياة _

   في حين أن هناك العديد من الدراسات التي أجريت بشأن تحليل دورة حياة الأحياء المائية ومختلف جوانب النظم المائية، لا توجد دراسات مقارنة تقارن بين أكوابونيكش الرأسي والأفقي. و هذا ما زال يتعين القيام به. نحن نصل إلى نقطة حيث من المرجح أن تتطلب أكوابونيكش العمودي مزيدا من الاختبار والبحث وفي الوقت المناسب، ومن المرجح أن تصبح أكوابونيكش العمودي، الذي يربط بين أنظمة الزراعة العمودية أو أنظمة الجدران الحية مع خزانات الأسماك ووحدات الترشيح، أكثر تعميما، طالما أن هذه يمكن أن تكون مربحة و مستدامة.

6. 12.6 بيوفلوك التكنولوجيا (BFT) تطبق على أكوابونيكش

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

   12.6.1 مقدمة

   تعتبر تقنية Biofloc (BFT) «الثورة الزرقاء» الجديدة في الاستزراع المائي (Stokstad 2010) حيث يمكن إعادة تدوير العناصر الغذائية وإعادة استخدامها بشكل مستمر في وسط الاستزراع، والاستفادة من إنتاج الكائنات الحية الدقيقة في الموقع وبالحد الأدنى أو صفر تبادل المياه (Avnimelech 2015). وقد تواجه هذه النهج بعض التحديات الخطيرة في هذا القطاع مثل المنافسة على الأرض والمياه والنفايات السائلة التي تصرف في البيئة والتي تحتوي على فائض من المواد العضوية والمركبات النيتروجينية وغيرها من المستقلبات السمية.

   تم تطوير BFT لأول مرة في أوائل السبعينات من قبل فريق Aquacop في معهد البحوث الفرنسي لاستغلال البحر، مركز المحيط الهادئ للمحيطات) مع أنواع مختلفة من الجمبري بينايد بما في ذلك Litopenaeus vannamei، L. stylirostris و Penaeus monodon (إميرنسيانو وآخرون. 2011). في نفس الفترة، رالستون بورينا (شركة أمريكية خاصة) في اتصال مع أكواكوب تطبيق التكنولوجيا في كل من كريستال ريفر (الولايات المتحدة الأمريكية) وتاهيتي، مما يؤدي إلى فهم أكبر لفوائد بيوفلوك لاستزراع الجمبري. وقد مكنت عدة دراسات أخرى من اتباع نهج شامل إزاء BFT وبحثت في العلاقات المتبادلة بين الماء والحيوانات والبكتيريا، مقارنة BFT مع «الشام الخارجي» ولكنها تطبق الآن على الجمبري. في الثمانينات وبداية التسعينيات، بدأت كل من إسرائيل والولايات المتحدة الأمريكية (مركز واديل للزراعة البحرية) البحث والتطوير في BFT مع Tilapia والروبيان الأبيض المحيط الهادئ L. vannamei، على التوالي، حيث كانت المخاوف البيئية والحد من المياه وتكاليف الأراضي هي العوامل المسببة الرئيسية التي عززت البحث ( إميرنسيانو وآخرون 2013).

   

   ** الشكل 12-5** تكنولوجيا بيوفلوك المستخدمة في استزراع الجمبري البحري في البرازيل (أ) واستزراع البلطي في المكسيك (ب) (المصدر: EMA-FURG، البرازيل وموريسيو ج.

   بدأت أول عمليات BFT التجارية وربما الأكثر شهرة في الثمانينات في مزرعة «سوبومر» في تاهيتي، بولينيزيا الفرنسية، وفي أوائل 2000s في مزرعة بليز للاستزراع المائي أو «BAL» الواقعة في بليز، أمريكا الوسطى. وكانت الغلة التي تم الحصول عليها باستخدام 1000 مليسنة/سوب خزانات خرسانية و 1.6 هكتار من البرك المزروعة المبطنة ما يقرب من 20 إلى 25 طن/هكتار في السنة مع محصولين في سوبومر ودورة من 11 إلى 26 طن/هكتار في BAL، على التوالي. وفي الآونة الأخيرة، تم التوسع بنجاح في زراعة الروبيان على نطاق واسع في آسيا وأمريكا الجنوبية والوسطى وكذلك في الدفيئات الصغيرة الحجم في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا ومناطق أخرى. على الأقل في مرحلة واحدة (مثل مرحلة الحضانة) تم استخدام BFT بنجاح كبير في المكسيك والبرازيل والإكوادور وبيرو. بالنسبة للزراعة التجارية Tilapia_، تستخدم المزارع في المكسيك وكولومبيا وإسرائيل BFT مع إنتاج حوالي 7 إلى 30 كجم/msup3/sup (Avnimelech 2015) (الشكل 12.5 ب). وبالإضافة إلى ذلك، تم استخدام هذه التكنولوجيا (في البرازيل وكولومبيا على سبيل المثال) لإنتاج أحداث البلطي (\ ~ 30 جم) لمزيد من المخزون في الأقفاص أو البرك الترابية (Durigon et al. 2017). تم تطبيق BFT بشكل رئيسي على استزراع الجمبري وإلى حد ما مع البلطي. وقد تم اختبار الأنواع الأخرى وإظهار الوعد، كما لوحظ لسمك السلور الفضي (Rhamdia quelen) (بولي وآخرون، 2015)، الكارب (زهاو وآخرون، 2014)، البيراكانجوبا (Brycon orbignyanus) (سنولين وآخرون، 2018)، الكاشاما (Colossoma macropoma macropom) (al., 2011) و أنواع أخرى من القشريات مثل Macrobrachium روزنبرجيي (كراب وآخرون، 2010)، فارفانتبينايوس برازيلينسيس (إميرنسيانو وآخرون، 2012)، F. بولينسيس (بالستر وآخرون، 2010)، بينايوس سيميسولكاتوس (مجاهد، 2010)، _L. وآخرون، 2011) و ب. موندون (أرنولد وآخرون، 2006). ويتضح الاهتمام بالصندوق من تزايد عدد الجامعات ومراكز البحوث التي تضطلع ببحوث خاصة في الميادين الرئيسية المتمثلة في إدارة النمو، والتغذية، والإنجاب، والإيكولوجيا الجرثومية، والتكنولوجيا الأحيائية، والاقتصاد.

   12.6.2 كيف يعمل BFT؟

   تلعب الكائنات الحية الدقيقة دورًا رئيسيًا في أنظمة BFT (مارتينيز قرطبة وآخرون 2015). ويتم الحفاظ على نوعية المياه، وذلك أساسا من خلال السيطرة على المجتمع البكتيري على الكائنات الدقيقة الغذائية الذاتية، وذلك باستخدام نسبة عالية من الكربون إلى النيتروجين (C: N) حيث يمكن بسهولة تناول المنتجات الثانوية النيتروجينية بواسطة البكتيريا المتغايرة. في بداية دورات الثقافة مطلوب نسبة عالية من الكربون إلى النيتروجين لضمان النمو الأمثل للبكتيريا متغاير التغذية، وذلك باستخدام هذه الطاقة لصيانتها ونموها (Avnimelech 2015). وبالإضافة إلى ذلك، فإن مجموعات الكائنات الحية الدقيقة الأخرى حاسمة في نظم BFT. يستقر مجتمع البكتيريا الكيميائية (أي البكتيريا النتروية) بعد حوالي 20-40 يومًا، وقد يكون مسؤولاً عن ثلثي استيعاب الأمونيا في النظام (Emerenciano et al. 2017). وبالتالي، ينبغي تخفيض إضافة الكربون الخارجي واستبدال القلوية التي تستهلكها الكائنات الحية الدقيقة بمصادر مختلفة من الكربونات/البيكربونات (Furtado et al. 2011). يعتمد استقرار تبادل المياه عند الصفر أو الحد الأدنى على التفاعل الديناميكي بين مجتمعات البكتيريا والطحالب الدقيقة والفطريات والبروتوزوان والديدان الخيطية والروتيفر وغيرها التي ستحدث بشكل طبيعي (MartinezCordoba et al. 2017). المجاميع (bioflocs) هي مصدر طبيعي غني بالبروتين والدهون للأغذية التي تصبح متاحة 24 ساعة في اليوم بسبب التفاعل المعقد بين المادة العضوية والركيزة الفيزيائية ومجموعة كبيرة من الكائنات الحية الدقيقة (Kuhn and Boardman 2008؛ Ray et al. 2010). تلعب الإنتاجية الطبيعية في شكل من أشكال إنتاج الكائنات الحية الدقيقة ثلاثة أدوار رئيسية في الخزانات أو المجاري المائية أو البرك المبطنة: (1) في الحفاظ على جودة المياه، عن طريق امتصاص مركبات النيتروجين المولدة للبروتين الميكروبي في الموقع؛ (2) في التغذية، وزيادة جدوى الاستزراع عن طريق الحد من الأعلاف و نسب التحويل و انخفاض تكاليف الأعلاف; و (3) التنافس مع مسببات الأمراض (Emerenciano et al. 2013).

   و فيما يتعلق بنوعية المياه بالنسبة لل كائنات المستزرعة, فإن زيادة المواد العضوية الجسيمية و مركبات النيتروجين السمية هي الشاغل الرئيسي في النظم الأحيائية, إلى جانب الأكسجين. وفي هذا السياق، تحدث ثلاثة مسارات لإزالة النيتروجين الأمونيا: بمعدل أقل (1) الإزالة الضوئية بواسطة الطحالب وبمعدل أعلى (2) التحويل البكتيري غير الغذائي لنيتروجين الأمونيا مباشرة إلى الكتلة الحيوية الميكروبية و (3) التحويل البكتيري التلقائي من الأمونيا إلى النترات ( مارتينيزكوردوبا وآخرون 2015). ويمكن استخدام النترات المتاحة في النظم بالإضافة إلى العناصر الغذائية الثانوية والرئيسية الأخرى المتراكمة خلال الدورة كركيزة لنمو النباتات في النظم المائية (Pinho et al. 2017).

   12.6.3 BFT في أكوابونيكش

   إن تطبيق BFT في الأنظمة المائية جديد نسبياً، على الرغم من أن Rakocy (2012) يذكر مشروعاً تجريبياً تجاريياً مع البلطي. ويلخص الجدول 12-2 الدراسات الرئيسية الحديثة التي استخدمت BFT في النظم المائية.

   وبشكل عام، تبين النتائج أن التكنولوجيا الحيوية يمكن استخدامها وإدماجها في إنتاج الأسماك أو نبات الروبيان. وبالمقارنة مع أنظمة الاستزراع المائي التقليدية الأخرى (مثل RAhman 2010; Pinho et al. 2017)، حسنت بالفعل غلة النباتات والأسماك، وعززت جودة بصرية أفضل للنباتات (Pinho et al. 2017)، ولكن ليس في جميع الحالات (Rahman 2010; Pinh ولاحظ بينهو وآخرون (2017) أن غلات الخس مع نظام BFT كانت أكبر مقارنة بنظام إعادة تدوير المياه الصافية (الشكل 12.6). وربما يرجع ذلك إلى ارتفاع توافر المغذيات التي توفرها

   ** الجدول 12-2** دراسات حديثة في جميع أنحاء العالم تطبق BFT في النظم المائية لمختلف الأنواع المائية والنباتية

   الجدول ثياد tr class = «رأس» أنواع/ال ال الأنواع النباتية /ث ال النتائج الرئيسية /ث ال المراجع /ث /tr /thead tbody tr class = «غريب» Tdtilapia/TD TD خس /td TD لم تحسن تكنولوجيا بيوفلوك إنتاج الخس بالمقارنة مع المحلول المائي التقليدي /td TD الرحمن (2010) /td /tr tr class = «حتى» Tdtilapia/TD TD خس /td TD تم تحسين العائد والجودة البصرية من الخس باستخدام BFT بالمقارنة مع نظام إعادة تدوير المياه واضحة /td TD بينهو وآخرون (2017) /td /tr tr class = «غريب» تدتيلابيا (الحضانة) /td TD خس /td TD تأثر أداء النبات (الخس) باستخدام *البلطي في مرحلة الحضانة (1-30 جم) سلباً بمياه الصرف الصحي الحيوية مقارنة بمياه الصرف الصحي RAS بعد دورتين نباتيتين (13 يوماً لكل منهما). كانت الجوانب البصرية للنباتات أفضل في راس بالمقارنة مع BFT /td TD بينهو (2018) /td /tr tr class = «حتى» Tdtilapia/TD TD خس /td TD وقد أثر وجود عناصر الترشيح (فلتر ميكانيكي وفلتر بيولوجي) بشكل إيجابي على إنتاج الخس في الأنظمة المائية مقارنة بالمعالجة بدون مرشحات باستخدام BFT /td TD باربوسا (2017) /td /tr tr class = «غريب» Tdtilapia/TD TD خس /td TD يمكن إجراء الملوحة المنخفضة (3 جزء من البيت) في أكوابونيكش باستخدام بفت. وأشارت المعلمات البصرية والأداء إلى أن الصنف الأرجواني كان أداء أفضل من الأصناف السلس والمتموج /td TD لينز وآخرون (2017) /td /tr tr class = «حتى» TDSilver سمك السلور /TD TD خس /td TD استخدام بيوفلوكوس في نظام أكوابونك قد يحسن إنتاجية الخس في ثقافة متكاملة مع سمك السلور الفضي /td TD روشا وآخرون (2017) /td /tr tr class = «غريب» تيليتوبينايوس فانامي/ط/تد TD إيساركوكورنيا غاما/ط /td TD لم يتأثر أداء ishrimp البحري L. vannamei/i من المواد الكيميائية. غباس/ط متكاملة الإنتاج المائي وأيضا تحسين استخدام المغذيات (مثل النيتروجين) في نظام الاستزراع /td TD بينهيرو وآخرون (2017) /td /tr /tbody /الجدول

   

   ** الشكل 12-6** الدفيئة المائية التجريبية التي تقارن التكنولوجيا الحيوية ومياه الصرف الصحي RAS في جامعة ولاية سانتا كاتارينا (UDESC)، البرازيل. (المصدر: بينهو وآخرون 2017)

   النشاط الميكروبي العالي. ومع ذلك، لم يلاحظ هذا الاتجاه في الدراسة التي أجراها رحمان (2010)، الذي قارن النفايات السائلة من الاستزراع السمكي في نظام BFT بمحلول مائي تقليدي في إنتاج الخس. بالإضافة إلى ذلك، بينهو

   

   الشكل 12.7 إنتاج هالوفيت عالية الملوحة ساركوكورنيا غابا أكوابونيكش متكامل مع الروبيان الأبيض المحيط الهادئ Litopenaeus vannamei بنجاح في تطبيق التكنولوجيا الحيوية في جامعة سانتا كاتارينا الاتحادية (UFSC)، البرازيل. (المصدر: LCM-UFSC، البرازيل)

   

   الشكل 12.8 إنتاج الخس Aquaponics متكامل مع Tilapia باستخدام تقنية biofloc (يسار) وتراكم المواد الصلبة المعلقة في جذور الخس (يمين). باربوسا (2017)

   (2018) في دراسة حديثة أن الأداء الإنتاجي للخس في النظام المائي باستخدام Tilapia في مرحلة الحضانة (1-30 جم) تأثر سلباً بمياه الصرف الصحي الحيوية مقارنة بمياه الصرف الصحي RAS على مدى 46 يوماً. ويحدد التباين في النتائج الحاجة إلى إجراء دراسات إضافية في هذا المجال.

   يمكن استخدام BFT مع المياه المنخفضة الملوحة، على سبيل المثال مع بعض أصناف الخس (Lenz et al. 2017)، ويمكن استخدام مياه الملوحة الأعلى، على سبيل المثال مع أنواع نباتات الهالوفيت مثل Sarcocornia الغامضة مع الروبيان الأبيض المحيط الهادئ Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (الشكل 12.7). كما أظهر سمك السلور الفضي Rhamdia quelen إمكانات جيدة لدمج أكوابونيكش مع BFT (Rocha et al. 2017).

   مع BFT، يمكن أن يؤثر تركيز المواد الصلبة بشدة على الجذور ويؤثر على امتصاص المغذيات وتوافر الأكسجين. ونتيجة لذلك، يمكن أن تتأثر الغلة ولكن أيضا بالجودة البصرية للنباتات (مثل الخس) التي تعتبر معيارا هاما للمستهلكين. مع وضع ذلك في الاعتبار، تعتبر إدارة المواد الصلبة موضوعًا مهمًا لمزيد من الدراسات حيث يتم النظر في تأثير المواد الصلبة (جزء الجسيمات والكسر المذاب أيضًا) في الأنظمة المائية عند تطبيق BFT (الشكل 12.8). وبالإضافة إلى ذلك، يجب إجراء دراسات اقتصادية لمقارنة التكاليف التي تنطوي عليها مختلف نظم الاستزراع المائي وزراعة النباتات وتحديد الملاءمة بالنسبة للمواقع والظروف المختلفة.

7. 12.7 علم الهضم

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

   المعالجة اللاهوائية للكتلة الحيوية المزروعة عمدا، فضلا عن المواد النباتية المتبقية من النشاط الزراعي، لإنتاج الغاز الحيوي هي طريقة راسخة. يتم إرجاع الهضم البكتريا غير القابل للهضم إلى الحقول كسماد وبناء الدبل. وفي حين أن هذه العملية منتشرة على نطاق واسع في الزراعة، فإن تطبيق هذه التكنولوجيا في البستنة جديد نسبياً. يدعي Stoknes وآخرون (2016) أنه في إطار مشروع «الغذاء إلى النفايات إلى الغذاء» (F2W2F)، تم تطوير طريقة فعالة لاستخدام digestate كالركيزة والأسمدة لأول مرة. قام فريق البحث بصوغ مصطلح «هضم» لهذا النظام الدائري. وعلى النقيض من علم الأحياء المائية، يستبدل جزء الاستزراع المائي بهضم لاهوائي، أو عند مقارنته بنظام أكوابوني ثلاثي الحلقات يتضمن اللاهوائي، يتم إزالة جزء الاستزراع المائي من النظام، مما يترك حلقتين رئيسيتين، حلقة الهضم وحلقة البستنة.

   يتم استبدال المدخلات العضوية المطلوبة التي يتم توفيرها في شكل أغذية الأسماك إلى نظام أكوابوني مع النفايات الغذائية من إنتاج الغذاء البشري من أجل الهضم. ومن المرجح أن يتطلب التركيب المتفاوت للمغذيات في تيار المدخلات، الذي يتعارض مع تيار المغذيات المعروف والثابت وربما الأمثل من الناحية التغذوية الناتجة عن علف الأسماك، إجراء تحليل وإدارة أكثر صرامة للمغذيات من النظام المطلوب في علم الأحياء المائية.

   ويمكن استخدام الغاز الحيوي المنتج، الذي يحتوي أساسا على الميثان وثاني أكسيد الكربون، داخل المرفق لإنتاج الكهرباء والحرارة. ويمكن استخدام غاز العادم الغني بثاني أكسيد الكربون الناتج كسماد مباشرة في انبعاثات الاحتباس الحراري، مقارنة بمصانع الغاز الحيوي التقليدية المستخدمة في الزراعة.

   منذ «هضم جديد وغير معالج في الطين السائل اللاهوائي (يحتوي) المواد السامة النباتية، والتوصيل الكهربائي العالي جدا (EC) والطلب على الأكسجين الكيميائي (COD)» (Stoknes et al. 2016)، يجب معالجته لجعله مناسبًا للتسميد النباتي. وقد تم فحص عدة طرق للاعتدال داخل مشروع F2W2F. ويخفف ارتفاع نسبة الجماعة الأوروبية نسبيا للهضم والمرونة التشغيلية لهضم يغذي نفايات غذائية منخفضة التكلفة من بعض قضايا الاقتران الضيقة التي تُعزى في كثير من الأحيان إلى النظم المائية المقترنة (انظر الفصل 7). ومن ثم يمكن أن تكون الدراسات الهزمية بديلاً مثيراً للاهتمام للأحياء المائية في الحالات التي يمثل فيها جزء الاستزراع المائي تحدياً. وفيما يتعلق بنظام أكوابوني ثلاثي الحلقات يتكون بالفعل من حلقة مع هضم لاهوائي، فإن إدراج تيار نفايات الأغذية لأغراض المدخلات العضوية قد يمثل اتجاهاً مستقبلياً مثيراً للاهتمام. محصول الميثان من حمأة الاستزراع المائي محدود إلى حد ما. ومن شأن إدراج الكتلة الأحيائية الزراعية المتبقية على نحو محدد الهدف بهدف تحقيق الاستفادة المثلى من محصول الميثان أن يعزز الأداء العام.

8. 12-8 الفيرميبونيكش و أكوابونيكش

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

   وسيكون مقصرا في هذا الفصل ناهيك عن ديدان الأرض وإدخالها في الأحياء المائية، وبالتالي يختتم هذا الفصل بسيرة ذاتية موجزة لهذه اللافقاريات وقدراتها على تحويل النفايات العضوية إلى سماد. ويقال أن الديدان والطريقة التي هضم المادة كانت ذات أهمية لأرسطو وتشارل داروين وكذلك الفلاسفة باسكال وثورو (أدهيكاري 2012) وكانت محمية بموجب القانون بموجب كليوباترا. وتقدر ديدان الأرض في الزراعة والبستنة لأنها «حيوية لصحة التربة لأنها تنقل المغذيات والمعادن من أسفل إلى السطح عن طريق نفاياتها، وتهز أنفاقها الأرض» (ناشيونال جيوغرافيك).

   وتعزى زراعة الخس الحديثة إلى ماري أبلهوف، التي أنتجت في أوائل السبعينيات والثمانينات عددا من المنشورات عن التسميد مع الديدان. يحدث التشويش المعاصر على نطاقات كبيرة وصغيرة بهدف التخلص من النفايات العضوية وإنتاج الأسمدة في شكل سماد و «شاي الدودة». ويمكن إنتاج شاي الدودة عن طريق نقع الدودة أو عن طريق نض المغذيات من السماد عن طريق الترطيب أو الترطيب الطبيعي من الهطول.

   يستخدم الفيرميبونيكش الدودة من الديدان الحمراء بشكل رئيسي والمعروفة أيضا باسم ديدان النمر (Eisenia fetida) أو (E. foetida) لتوفير المغذيات في النظام المائي. عندما يتم إدخال الديدان في نظام أكوابوني، نقترح أن يسمى النظام «فيرمي-أكوابونيك' للتمييز بين الأنظمة. وبالتالي هو إدخال الديدان في الأسرة المتنامية من أجزاء النبات من نظام أكوابوني. وتجدر الإشارة إلى أن فيرمي-أكوابونيكش هو في مهدها ويمارس أساسا من قبل الهواة وفي مختبرات البحوث. يتم إدخال الديدان بشكل رئيسي في وسائل زراعة النباتات، وعادة أسرة الحصى، حيث يمكن أن تساعد على تحطيم أي نفايات صلبة من الأسماك وأي مخلفات من النباتات، بالإضافة إلى توفير مواد غذائية إضافية للنباتات، ويمكن أيضا تغذية الأسماك آكلة اللحوم. وفي معظم الحالات, تكون الأسرة من نوع الفيضان و التصريف, بحيث لا تكون الديدان تحت الماء باستمرار.

   ** شكر المؤلفون المجلس الوطني للتنمية العلمية والتكنولوجية (المشروع رقم 455349/2012-6) ومؤسسة البحوث العلمية والتكنولوجية في سانتا كاتارينا State-FAPESC (المشروع رقم 2013TR3406 و 2015TR453).