Chapitre 1 L'aquaponie et les défis alimentaires mondiaux

La production alimentaire dépend de la disponibilité de ressources telles que la terre, l'eau douce, l'énergie fossile et les éléments nutritifs (Conijn et al., 2018), et la consommation actuelle ou la dégradation de ces ressources dépasse leur taux de régénération mondial (Van Vuuren et al., 2010). Le concept de limites planétaires (figure 1.1) vise à définir les limites environnementales à l'intérieur desquelles l'humanité peut opérer en toute sécurité en ce qui concerne les ressources rares (Rockström et al. 2009). Les limites biochimiques qui limitent l'approvisionnement alimentaire sont plus strictes que les changements climatiques (Steffen et al., 2015). Outre le recyclage des éléments nutritifs, les changements alimentaires et la prévention des déchets sont indispensables pour transformer la production actuelle (Conijn et al. 2018 ; Kahiluoto et al. 2014). Ainsi, l'un des principaux défis mondiaux consiste à déplacer le modèle économique fondé sur la croissance vers un paradigme éco-économique équilibré qui remplace la croissance infinie par le développement durable (Manelli, 2016). Afin de maintenir un paradigme équilibré, des systèmes de culture innovants et plus écologiquement rationnels sont nécessaires, de sorte que les compromis entre les besoins humains immédiats puissent être équilibrés tout en maintenant la capacité de la biosphère à fournir les biens et services requis (Ehrlich et Harte, 2015).

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Fig. 1.1 État actuel des variables témoins pour sept des limites planétaires décrites par Steffen et al. (2015). La zone verte est l'espace d'exploitation sécuritaire, le jaune représente la zone d'incertitude (risque croissant), le rouge est une zone à haut risque et les limites de la zone grise sont celles qui n'ont pas encore été quantifiées. Les variables décrites en bleu (c.-à-d. changement du système terrestre, utilisation de l'eau douce et débits biochimiques) indiquent les limites planétaires que l'aquaponie peut avoir un impact positif sur

Dans ce contexte, l'aquaponie a été identifiée comme une approche agricole qui, grâce au recyclage des éléments nutritifs et des déchets, peut aider à atteindre à la fois les limites planétaires (fig. 1.1) et les objectifs de développement durable, en particulier pour les régions arides ou les zones à sols non arables (Goddek et Körner 2019 ; Appelbaum et Kotzen 2016 ; Kotzen et Appelbaum 2010). L'aquaponie est également proposée comme solution pour l'utilisation des terres marginales dans les zones urbaines pour la production alimentaire plus proche des marchés. À un moment donné, en grande partie une technologie d'arrière-cour (Bernstein 2011), l'aquaponie progresse rapidement dans la production à l'échelle industrielle, car les améliorations techniques apportées à la conception et à la pratique permettent d'augmenter considérablement les capacités de production et d'améliorer l'efficacité de la production. L'un de ces domaines d'évolution est le domaine des systèmes aquaponiques couplés et découplés. Les conceptions traditionnelles pour les systèmes aquaponiques à boucle unique comprennent à la fois des unités aquacoles et hydroponiques entre lesquelles l'eau se recircule. Dans ces systèmes traditionnels, il est nécessaire de faire des compromis sur les conditions des deux sous-systèmes en termes de pH, de température et de concentration en éléments nutritifs (Goddek et al. 2015 ; Kloas et al. 2015) (voir Chap. 7). Un système aquaponique découplé, cependant, peut réduire le besoin de compromis en séparant les composants, permettant ainsi d'optimiser les conditions de chaque sous-système. L'utilisation de digesteurs de boues est un autre moyen important de maximiser l'efficacité grâce à la réutilisation des déchets solides (Emerenciano et al., 2017 ; Goddek et al., 2018 ; Monsees et al., 2015). Bien que nombre des plus grandes installations du monde se trouvent encore dans des régions arides (péninsule arabique, Australie et Afrique subsaharienne), cette technologie est également adoptée ailleurs, car les progrès de la conception ont de plus en plus fait de l'aquaponie non seulement une entreprise économe en eau, mais aussi une énergie et des nutriments efficaces système de recyclage.

Le Programme de développement durable à l'horizon 2030 met l'accent sur la nécessité de relever les défis mondiaux, allant du changement climatique à la pauvreté, en accordant une grande priorité à la production alimentaire durable (Brandi 2017 ; Nations Unies 2017). Comme le montre l'Objectif de développement durable 2 des Nations Unies (ONU 2017), l'un des plus grands défis auxquels le monde est confronté est de savoir comment faire en sorte qu'une population mondiale en croissance, qui devrait atteindre environ 10 milliards d'ici 2050, soit en mesure de répondre à ses besoins nutritionnels. Pour nourrir deux milliards de personnes supplémentaires d'ici 2050, la production alimentaire devra augmenter de 50 % dans le monde (FAO, 2017). Alors qu'il faudra produire davantage de denrées alimentaires, la main-d'œuvre rurale diminue en raison de l'urbanisation croissante (dos Santos 2016). La population rurale mondiale est passée de 66,4 % à 46,1 % entre 1960 et 2015 (FAO 2017). Alors qu'en 2017, les populations urbaines représentaient plus de 54 % de la population mondiale totale, presque toute la croissance future de la population mondiale se produira dans les zones urbaines, de sorte que d'ici 2050, 66 % de la population mondiale vivra dans les villes (Nations Unies 2014). Cette urbanisation croissante des villes s'accompagne d'un réseau croissant de systèmes d'infrastructure, y compris de réseaux de transport.

Pour assurer la sécurité alimentaire mondiale, la production alimentaire totale devra augmenter de plus de 70 % au cours des prochaines décennies pour atteindre les objectifs du Millénaire pour le développement (FAO 2009), qui comprennent « l'éradication de l'extrême pauvreté et de la faim » et « assurer la durabilité environnementale ». Dans le même temps, la production alimentaire sera inévitablement confrontée à d'autres défis, tels que le changement climatique, la pollution, la perte de biodiversité, la perte de pollinisateurs et la dégradation des terres arables. Ces conditions exigent l'adoption de progrès technologiques rapides, des méthodes de production plus efficaces et plus durables, ainsi que des chaînes d'approvisionnement alimentaires plus efficaces et durables, étant donné qu'environ un milliard de personnes souffrent déjà de malnutrition chronique, alors que les systèmes agricoles continuent de dégrader les terres, l'eau et la biodiversité à l'échelle mondiale (Foley et al., 2011 ; Godfray et al., 2010).

Des études récentes montrent que les tendances actuelles en matière d'amélioration des rendements agricoles ne seront pas suffisantes pour répondre à la demande alimentaire mondiale prévue d'ici 2050, ce qui suggère en outre qu'une expansion des superficies agricoles sera nécessaire (Bajželj et al., 2014). Toutefois, la dégradation généralisée des terres associée à d'autres problèmes environnementaux semble rendre cela impossible. Les terres agricoles couvrent actuellement plus d'un tiers de la superficie mondiale, mais moins d'un tiers d'entre elles sont arables (environ 10 %) (Banque mondiale 2018). Au cours des trois dernières décennies, la disponibilité des terres agricoles a diminué lentement, comme en témoigne une diminution de plus de 50 % entre 1970 et 2013. On ne peut remédier aux effets de la perte de terres arables en transformant les zones naturelles en terres agricoles, car cela entraîne très souvent l'érosion et la perte d'habitat. Le labourage entraîne la perte de la terre arable par l'érosion éolienne et hydrique, ce qui entraîne une diminution de la fertilité du sol, une augmentation de l'utilisation d'engrais et, par la suite, une dégradation des terres. Les pertes de sol causées par les terres peuvent se retrouver dans des étangs, des barrages, des lacs et des rivières, ce qui cause des dommages à ces habitats.

Bref, la population mondiale croît rapidement, s'urbanise et devient plus riche. Par conséquent, les habitudes alimentaires changent également, ce qui crée une demande accrue pour les aliments à forte intensité de gaz à effet de serre (GES), comme la viande et les produits laitiers, ce qui entraîne une augmentation des besoins en terres et en ressources (Garnett, 2011). Mais alors que la consommation mondiale augmente, les ressources disponibles dans le monde, c'est-à-dire la terre, l'eau et les minéraux, restent limitées (Garnett 2011). Toutefois, lorsqu'on examine l'analyse complète du cycle de vie de différents produits alimentaires, Weber et Matthews (2008) et Engelhaupt (2008) suggèrent que les changements de régime alimentaire peuvent être un moyen plus efficace de réduire l'empreinte climatique liée à l'alimentation d'un ménage moyen que d'acheter des produits locaux. Par conséquent, au lieu d'envisager la réduction des chaînes d'approvisionnement, on a soutenu que le passage de la viande et des produits laitiers à l'agriculture axée sur la nutrition peut être plus efficace pour réduire l'empreinte énergétique et l'empreinte (Engelhaupt 2008 ; Garnett 2011).

La complexité des déséquilibres entre la demande et l'offre est aggravée par la détérioration des conditions environnementales, qui rend la production alimentaire de plus en plus difficile et/ou imprévisible dans de nombreuses régions du monde. Les pratiques agricoles ne peuvent pas seulement saper les frontières planétaires (fig. 1.1), mais aussi aggraver la persistance et la propagation des zoonoses et d'autres risques pour la santé (Garnett, 2011). Tous ces facteurs font que le système alimentaire mondial perd sa résilience et devient de plus en plus instable (Suweis et al., 2015).

L'échéance ambitieuse de 2015 pour les Objectifs du Millénaire pour le développement (OMD) de l'OMS visant à éradiquer la faim et la pauvreté, à améliorer la santé et à assurer la durabilité de l'environnement est maintenant passée, et il est devenu clair que fournir des aliments nutritifs aux personnes sous-alimentées et aux populations aisées n'est pas un tâche simple. En résumé, les changements climatiques, la perte de terres et la diminution de la qualité des terres, la complexité croissante des chaînes alimentaires, la croissance urbaine, la pollution et d'autres conditions environnementales défavorables imposent d'urgence non seulement de trouver de nouveaux moyens de cultiver économiquement des aliments nutritifs, mais aussi de localiser la production alimentaire installations plus proches des consommateurs. La réalisation des OMD nécessitera des changements dans la pratique, tels que la réduction des déchets, de l'empreinte carbone et de l'empreinte écologique, et l'aquaponie est l'une des solutions susceptibles d'atteindre ces objectifs.

Alors que l'aquaponie est considérée comme l'une des technologies clés de production alimentaire qui « pourrait changer nos vies » (van Woensel et al. 2015), en termes de production alimentaire durable et efficace, l'aquaponie peut être rationalisée et devenir encore plus efficace. L'un des principaux problèmes des systèmes aquaponiques conventionnels est que les nutriments contenus dans les effluents produits par les poissons sont différents de la solution nutritive optimale pour les plantes. Les systèmes aquaponiques découplés (DAPS), qui utilisent l'eau du poisson mais ne retournent pas l'eau au poisson après les plantes, peuvent améliorer les conceptions traditionnelles en introduisant des composants de minéralisation et des bioréacteurs de boue contenant des microbes qui convertissent la matière organique en formes biodisponibles de minéraux clés, en particulier le phosphore, le magnésium, le fer, le manganèse et le soufre qui sont déficients dans les effluents typiques du poisson. Contrairement aux composants de minéralisation dans les systèmes à boucle unique, l'effluent du bioréacteur dans le DAPS n'est alimenté que dans le composant de la centrale au lieu d'être dilué dans l'ensemble du système. Ainsi, les systèmes découplés qui utilisent des digesteurs de boues permettent d'optimiser le recyclage des déchets organiques provenant du poisson en tant que nutriments pour la croissance des plantes (Goddek, 2017 ; Goddek et al., 2018). Les déchets de ces systèmes comprennent principalement des boues de poisson (c'est-à-dire des matières fécales et des aliments non consommés qui ne sont pas en solution) et ne peuvent donc pas être livrés directement dans un système hydroponique. Les bioréacteurs (voir Chap. 10 sont donc un élément important qui peut transformer les boues autrement inutilisables en engrais hydroponiques ou réutiliser des déchets organiques tels que les tiges et les racines de la plante composants de production en biogaz pour la production de chaleur et d'électricité ou conceptions DAPS qui assurent également un cycle de l'eau contrôlé indépendamment pour chaque unité, permettant ainsi la séparation des systèmes (RAS, hydroponiques et digesteurs) requis pour le contrôle des flux nutritifs. L'eau se déplace entre les composants d'une boucle de conservation de l'énergie et des éléments nutritifs, de sorte que les charges et les débits d'éléments nutritifs dans chaque sous-système puissent être surveillés et régulés afin de mieux répondre aux besoins en aval. Par exemple, le phosphore (P) est une ressource fossile essentielle mais épuisable qui est exploitée pour l'engrais, mais les réserves mondiales sont actuellement épuisées à un rythme alarmant. L'utilisation de digesteurs dans des systèmes aquaponiques découplés permet aux microbes de convertir le phosphore présent dans les déchets de poisson en orthophosphates qui peuvent être utilisés par les plantes, avec des taux de récupération élevés (Goddek et al. 2016, 2018).

Bien que les systèmes découplés soient très efficaces pour récupérer les éléments nutritifs, avec une perte presque nulle en éléments nutritifs, l'échelle de production dans chacune des unités est importante étant donné que les flux nutritifs d'une partie du système doivent être jumelés au potentiel de production en aval d'autres composants. Les logiciels de modélisation et les systèmes d'acquisition de données SCADAS (Supervisory Control and Data Acquisition) deviennent donc importants pour analyser et rapporter le débit, les dimensions, les bilans massiques et les tolérances de chaque unité, ce qui permet de prédire les paramètres physiques et économiques (p. ex. charges en éléments nutritifs, les appariements des installations, les débits et les coûts pour maintenir des paramètres environnementaux spécifiques). Dans Chap. 11, nous examinerons plus en détail la théorie des systèmes appliquée aux systèmes aquaponiques et montrerons comment la modélisation peut résoudre certains problèmes d'échelle, tandis que des solutions technologiques innovantes peuvent augmenter l'efficacité et, par conséquent, rentabilité de ces systèmes. La mise à l'échelle est importante non seulement pour prédire la viabilité économique, mais aussi pour prédire les extrants de production en fonction des ratios nutritifs disponibles.

Une autre question importante, qui doit être développée plus avant, est l'utilisation et la réutilisation de l'énergie. Les systèmes aquaponiques consomment beaucoup d'énergie et d'infrastructure. Selon le rayonnement solaire reçu, l'utilisation du photovoltaïque solaire, des sources de chaleur solaire thermique et du dessalement (solaire) peut encore ne pas être économiquement réalisable, mais pourraient tous être potentiellement intégrés dans des systèmes aquaponiques. Dans Chap. 1, nous présentons des informations sur les possibilités techniques et opérationnelles novatrices qui ont la capacité de surmonter les limites inhérentes à ces systèmes, y compris de nouvelles possibilités intéressantes pour la mise en œuvre de systèmes aquaponiques dans les zones arides.

Dans [Chap. 2, nous discutons aussi plus en détail de l'éventail des défis environnementaux que l'aquaponie peut aider à résoudre. Le contrôle des agents pathogènes, par exemple, est très important, et les systèmes RAS confinés présentent un certain nombre d'avantages environnementaux pour la production de poissons, et l'un des avantages des systèmes aquaponiques découplés est la capacité de faire circuler l'eau entre les composants et d'utiliser des contrôles indépendants dans lesquels il est plus facile de détecter, isoler et décontaminer les unités individuelles lorsqu'il existe des menaces d'agents pathogènes. Les probiotiques bénéfiques pour la pisciculture semblent également bénéfiques pour la production végétale et peuvent augmenter l'efficacité de la production lorsqu'ils circulent dans un système fermé (Sirakov et al., 2016). Ces défis sont examinés plus en détail dans Chap. 5, où nous discutons plus en détail de la façon dont l'innovation en aquaponie peut entraîner a) une utilisation plus efficace de l'espace (moins de coûts et de matériaux, maximiser l'utilisation des terres) ; b) une réduction des ressources en intrants, par exemple la farine de poisson et la réduction des extrants négatifs, par exemple les rejets de déchets ; c) la réduction de l'utilisation d'antibiotiques et de pesticides dans les systèmes autonomes.

Il y a encore plusieurs domaines aquatiques qui nécessitent des recherches plus poussées afin d'exploiter pleinement le potentiel de ces systèmes. D'un point de vue scientifique, des sujets tels que le cyclage de l'azote (Chap. 9), la reminéralisation aérobie et anaérobie (Chap. 10), et éléments nutritifs l'efficacité (Chap. 8), l'optimisation de l'alimentation des poissons aquaponiques (Chap. 13) et les agents pathogènes végétaux et les stratégies de lutte (Chap. 14) sont toutes des priorités élevées.

En résumé, les défis scientifiques et technologiques suivants doivent être abordés :

1. Nutrients : Comme nous l'avons discuté, les systèmes utilisant des digesteurs de boues permettent d'optimiser le recyclage des déchets organiques du poisson en nutriments pour la croissance des plantes, de telles conceptions permettent une récupération et un recyclage optimisés des nutriments pour créer une perte presque nulle de nutriments dans le système.

2. Eau : La réutilisation de l'eau appauvrie en nutriments provenant des serres peut également être optimisée pour la réutilisation dans la composante poisson à l'aide de condenseurs.

3. Energie : Les conceptions à énergie solaire améliorent également les économies d'énergie, en particulier si l'eau préchauffée des chauffeurs solaires dans les serres peut être redistribuée dans les bassins à poissons pour être réutilisée.

La capacité de recycler l'eau, les nutriments et l'énergie fait de l'aquaponie une solution potentiellement unique à un certain nombre de problèmes environnementaux auxquels l'agriculture conventionnelle est confrontée. Ceci est discuté dans Chap. 2.

D'un point de vue économique, il existe un certain nombre de limitations inhérentes aux systèmes aquaponiques qui rendent plus ou moins viables certains dessins commerciaux (Goddek et al. 2015 ; Vermeulen et Kamstra 2013). L'un des principaux enjeux est que les systèmes hydroponiques et aquacoles autonomes et indépendants sont plus productifs que les systèmes aquaponiques traditionnels à boucle unique (Graber et Junge, 2009), car ils ne nécessitent pas de compromis entre les composantes poisson et plante. L'aquaponie classique et classique à boucle unique nécessite un compromis entre les composantes du poisson et de la plante lorsqu'il s'agit d'optimiser la qualité de l'eau et les niveaux de nutriments qui diffèrent intrinsèquement pour les deux parties (p. ex., les plages de pH souhaitées et les besoins et concentrations en nutriments). Dans les systèmes aquaponiques traditionnels, les économies réalisées dans les besoins en engrais pour les plantes ne compensent pas les déficits de récolte causés par des conditions sous-optimales dans les sous-systèmes respectifs (Delaide et al., 2016).

Optimiser les conditions de croissance tant pour les plantes (Delaide et al. 2016 ; Goddek et Vermeulen 2018) que pour le poisson est le plus grand défi à la rentabilité, et les résultats actuels indiquent que cela peut être mieux réalisé dans les systèmes aquaponiques découplés à plusieurs boucles parce qu'ils sont basés sur des boucles de recirculation indépendantes qui impliquent (1) les poissons, (2) les plantes et (3) les bioréacteurs (anaérobies ou aérobies) pour la digestion des boues et un flux d'eau unidirectionnel (nutriments), ce qui peut améliorer la récupération et la biodisponibilité des macro-et micro-nutriments, ainsi que l'optimisation de la consommation d'eau (Goddek et Keesman 2018). Les études actuelles montrent que ce type de système permet le maintien de populations spécifiques de micro-organismes dans chaque compartiment pour une meilleure gestion des maladies, et qu'ils sont plus efficaces sur le plan économique dans la mesure où non seulement les systèmes réduisent l'écoulement des déchets, mais réutilisent également les boues autrement inutilisables, la conversion en produits précieux (par exemple, biogaz et engrais).

Fig. 1.2 Un système aquaponique vu comme un schéma de boîte noire. Nous ne pouvons pas voir à l'intérieur de la boîte, mais nous connaissons les entrées, les sorties (c'est-à-dire les poissons et les plantes) et les déchets

Les systèmes indépendants et les unités hydroponiques présentent également un large éventail de défis opérationnels qui sont discutés en détail aux chapitres 3 et 4. De plus en plus, les progrès technologiques ont permis des ratios de productivité plus élevés (figure 1.2), qui peuvent être définis comme une fraction des sorties du système (p. ex. poissons et plantes) par rapport à l'entrée du système (p. ex. aliments pour poissons et/ou fertilisation supplémentaire, apport d'énergie pour l'éclairage, le chauffage et le pompage CO2 ₂ dosage et biocontrôles).

Si l'on considère les nombreux défis que rencontre l'aquaponie, les problèmes de production peuvent être répartis en trois thèmes spécifiques : (1) productivité du système, (2) chaînes de valeur efficaces et (3) gestion efficace de la chaîne d'approvisionnement.

Productivité du système La productivité agricole est mesurée comme le rapport entre la production agricole et les intrants agricoles. Les systèmes aquaponiques traditionnels à petite échelle ont été conçus principalement pour répondre à des considérations environnementales telles que les rejets d'eau, les apports d'eau et le recyclage des éléments nutritifs, mais ces dernières années, l'accent s'est de plus en plus orienté vers la faisabilité économique afin d'accroître la productivité de l'agriculture à grande échelle applications. Toutefois, cela nécessitera la productivité des systèmes aquaponiques pour pouvoir concurrencer économiquement les systèmes hydroponiques et aquacoles indépendants de pointe. Si l'on veut appliquer avec succès le concept d'aquaponie à grande échelle, il faut optimiser la réutilisation des nutriments et de l'énergie, mais il faut aussi envisager les marchés finaux.

Chaînes de valeur effectif Les chaînes de valeur (valeur ajoutée) des produits agricoles proviennent principalement de la transformation des produits tels que les légumes récoltés, les fruits et les poissons. Par exemple, le prix de vente du pesto (rouge et vert) peut être plus de dix fois plus élevé que celui des tomates, du basilic, de l'huile d'olive et des pignons de pin. En outre, la plupart des produits alimentaires transformés ont une durée de conservation plus longue, réduisant ainsi la détérioration. De toute évidence, les produits frais sont importants parce que les valeurs nutritionnelles sont majoritairement plus élevées que celles des aliments transformés. Cependant, produire des produits frais et de haute qualité est un véritable défi et donc un luxe dans de nombreuses régions du monde. Les pertes d'éléments nutritifs pendant l'entreposage des fruits et légumes sont importantes s'ils ne sont pas mis en conserve ou congelés rapidement (Barrett, 2007 ; Rickman et al., 2007). Par conséquent, pour les systèmes à grande échelle, la transformation des aliments devrait au moins être considérée pour équilibrer les fluctuations entre l'offre et la demande et réduire le gaspillage alimentaire. En ce qui concerne la réduction du gaspillage alimentaire, les légumes qui ne répondent pas aux normes relatives aux produits frais, mais qui sont encore de qualité commercialisable, devraient être transformés afin de réduire les pertes post-récolte.

Bien que de tels critères s'appliquent à tous les produits agricoles et de la pêche, la valeur ajoutée peut augmenter sensiblement la rentabilité de l'exploitation aquaponique, surtout si les produits peuvent atteindre des créneaux.

Gestion efficace de la chaîne d'approvisionnement Dans les pays dotés de réseaux de transport et de réfrigération bien développés, les fruits et légumes peuvent être importés du monde entier pour répondre à la demande des consommateurs en produits frais. Mais, comme nous l'avons mentionné précédemment, les produits frais et de haute qualité sont rares dans de nombreuses régions du monde, et le mouvement à longue distance des biens — c'est-à-dire la gestion de la chaîne d'approvisionnement — pour répondre à la demande des consommateurs haut de gamme est souvent critiqué et à juste titre. La plupart des citadins du monde entier comptent sur le transport de denrées alimentaires sur de longues distances pour répondre à leurs besoins quotidiens (Grewal et Grewal 2012). L'une des principales critiques est donc la dépendance à l'égard des combustibles fossiles nécessaires pour transporter des produits sur de grandes distances (Barrett 2007). La question des milles alimentaires met l'accent sur la distance que les aliments sont transportés entre le moment de la production et l'achat par le consommateur final (Mundler et Criner, 2016). Toutefois, en ce qui concerne les émissions de CO₂ par tonne/km (tkm), un mille de nourriture pour le transport ferroviaire (13,9 g CO₂-Tkm) n'est pas égal à un mille alimentaire de transport routier et routier, car le transport par camion a plus de 15 fois plus d'impact environnemental (McKinnon, 2007). Par conséquent, la distance de transport n'est pas nécessairement la seule considération, car l'empreinte écologique des légumes cultivés dans les fermes rurales est potentiellement inférieure aux intrants nécessaires pour cultiver des aliments dans les serres plus proches des centres urbains.

Les milles alimentaires ne sont donc qu'une partie de l'image. Les aliments sont transportés sur de longues distances, mais les émissions de gaz à effet de serre associées à la production alimentaire sont dominées par la phase de production (c'est-à-dire l'impact de l'énergie pour le chauffage, le refroidissement et l'éclairage) (Engelhaupt, 2008 ; Weber et Matthews, 2008). Par exemple, Carlsson (1997) a montré que les tomates importées d'Espagne vers la Suède en hiver ont une empreinte carbone beaucoup plus faible que celles cultivées localement en Suède, puisque les intrants énergétiques des serres en Suède l'emportent de loin sur l'empreinte carbone du transport en provenance de l'Espagne. Lors de l'approvisionnement alimentaire, le transport des marchandises n'est pas le seul facteur à prendre en considération, car la fraîcheur des produits détermine leur valeur nutritive, leur goût et leur attrait général pour les consommateurs. En cultivant localement des aliments frais, de nombreux chercheurs s'entendent pour dire que l'agriculture urbaine pourrait contribuer à assurer l'approvisionnement en produits de haute qualité pour les populations urbaines de l'avenir tout en réduisant les milles alimentaires (Bon et al. 2010 ; dos Santos 2016 ; Hui 2011). Ces deux domaines seront examinés plus en détail dans Sect. 1.5.

Du point de vue des consommateurs, l'aquaponie urbaine présente donc des avantages en raison de ses avantages environnementaux dus à la brièveté des chaînes d'approvisionnement et parce qu'elle répond aux préférences des consommateurs pour des aliments frais de haute qualité produits localement (Miličić et al., 2017). Cependant, malgré ces avantages, il existe un certain nombre de préoccupations socio-économiques : le problème majeur concerne les prix de l'immobilier urbain, car les terres sont coûteuses et souvent considérées comme trop précieuses pour la production alimentaire. Ainsi, l'achat de terrains urbains rend très probablement impossible la réalisation d'un rendement escompté réalisable des investissements. Cependant, dans les villes en déclin, où la population diminue, l'espace inutilisé pourrait être utilisé à des fins agricoles (Bontje et Latten, 2005 ; Schilling et Logan, 2008) comme c'est le cas à Détroit, aux États-Unis (Mogk et al., 2010).

En outre, il y a un problème majeur de contrôle de l'urbanisme, où dans de nombreuses villes, les terres urbaines ne sont pas désignées pour la production alimentaire agricole et l'aquaponie est considérée comme une partie de l'agriculture. Ainsi, dans certaines villes, l'agriculture aquaponique n'est pas autorisée. Le moment est venu de s'engager avec les urbanistes qui doivent être convaincus des avantages des fermes urbaines, qui sont très productives et produisent des aliments frais, sains et locaux dans le cadre du développement urbain et suburbain.

La technologie a permis une croissance exponentielle de la productivité agricole au cours du siècle dernier, favorisant ainsi une croissance démographique importante. Cependant, ces changements pourraient aussi nuire à la capacité des écosystèmes de soutenir la production alimentaire, de maintenir les ressources en eau douce et en forêt et de contribuer à réguler le climat et la qualité de l'air (Foley et al., 2005).

L'un des défis les plus pressants dans la production alimentaire innovante, et donc dans l'aquaponie, est de s'attaquer aux problèmes réglementaires qui entravent l'expansion des technologies intégrées. Un large éventail d'organismes ont compétence en matière d'eau, de santé animale, de protection de l'environnement et de salubrité des aliments, et leurs règlements sont parfois contradictoires ou ne conviennent pas aux systèmes intégrés complexes (Joly et al., 2015). La réglementation et la législation sont actuellement l'un des domaines les plus confus pour les producteurs et les entrepreneurs potentiels. Les producteurs et les investisseurs ont besoin de normes et de lignes directrices pour l'obtention de permis, de prêts et d'exonérations fiscales, mais le chevauchement confus des responsabilités entre les organismes de réglementation met en évidence le besoin urgent d'une meilleure harmonisation et de définitions uniformes. Les cadres réglementaires sont souvent confus, et les licences agricoles et la certification des consommateurs demeurent problématiques dans de nombreux pays. La FAO (en 2015), l'OMS (en 2017) et l'UE (en 2016) ont récemment commencé à harmoniser les dispositions relatives à la santé/bien-être des animaux et à la sécurité alimentaire au sein des systèmes aquaponiques et au commerce des exportations et des importations de produits aquaponiques. Par exemple, plusieurs pays impliqués dans l'aquaponie font pression pour obtenir une formulation explicite au sein du Codex Alimentarius_, et un objectif clé au sein de l'UE, déterminé par l'action COST FA1305 parrainée par l'UE, le « Hub Aquaponique de l'UE », est actuellement de définir l'aquaponie comme une entité claire et distincte. À l'heure actuelle, les règlements définissent la production tant pour l'aquaculture que pour l'hydroponie, mais ne prévoient pas la fusion des deux. Cette situation crée souvent une bureaucratie excessive pour les producteurs qui sont tenus d'autoriser deux exploitations distinctes ou dont la législation nationale ne permet pas la coculture (Joly et coll., 2015). Le Hub Aquaponique de l'UE, qui a soutenu cette publication (COST FA1305), définit l'aquaponie comme « un système de production d'organismes et de plantes aquatiques où la majorité ( \ > 50 %) des nutriments qui soutiennent la croissance optimale des plantes proviennent de déchets provenant de l'alimentation des organismes aquatiques » (voir Chap. 7).

Les systèmes de certification des consommateurs demeurent également un domaine difficile pour les producteurs d'aquaponie dans de nombreuses régions du monde. Par exemple, aux États-Unis et en Australie, les produits aquaponiques peuvent être certifiés biologiques, mais pas au sein de l'Union européenne.

D'un point de vue économique, l'aquaponie est en théorie capable d'augmenter la valeur globale de la pisciculture ou de l'hydroponie conventionnelle tout en fermant le cycle alimentaire-eau-énergie dans une économie bio-économique circulaire. Afin de rendre les systèmes aquaponiques à petite échelle économiquement viables, les agriculteurs d'aquaponie doivent généralement opérer sur des marchés de niche pour obtenir des prix plus élevés pour les produits, de sorte que la certification devient très importante.

Les questions les plus pressantes sont de savoir si l'aquaponie peut devenir acceptable au niveau des politiques. La salubrité des aliments est une priorité élevée pour obtenir le soutien du public, et bien qu'il y ait un risque d'agents pathogènes beaucoup moins élevé dans les systèmes fermés, ce qui implique moins de besoin d'antimicrobiens et de pesticides, la gestion des risques potentiels — ou de plus la gestion de la perception de ces risques, surtout en ce qui concerne la salubrité des aliments — est un une priorité élevée pour les autorités gouvernementales et les investisseurs (Miličić et al. 2017). Une préoccupation qui est souvent soulevée est la crainte d'un transfert d'agents pathogènes dans les boues des poissons vers les plantes, mais cela n'est pas corroboré dans la littérature (Chap. 6). Par conséquent, il est nécessaire d'apaiser les préoccupations qui subsistent en matière de salubrité des aliments et de biosécurité grâce à des recherches minutieuses et, lorsqu'il y a des préoccupations, de déterminer comment il est possible de gérer ces problèmes en améliorant la conception des systèmes et/ou les cadres réglementaires.

Aquaponics est une technologie émergente de production alimentaire qui a la capacité de condenser et de compresser la production dans des espaces et des endroits qui ne seraient normalement pas utilisés pour cultiver des aliments. Cela signifie non seulement qu'il est exceptionnellement pertinent dans les zones urbaines, où l'aquaponie peut être placée sur des lieux sous-utilisés et inutilisés tels que des toits plats, des sites de développement, des usines abandonnées, des terrains d'habitation et des écoles, mais il fournit aussi aux populations des pays développés et des pays en développement un moyen de prendre soutenir le processus de production alimentaire en fournissant des aliments frais locaux sur le marché (van Gorcum et al. 2019). L'intégration de l'aquaponie aux technologies de l'agriculture verticale et des murs vivants améliorera probablement, avec le temps, la productivité en réduisant l'empreinte agricole globale grâce à une réduction de l'occupation des terres et à une intensification des terres.

Les méthodes de production intenses en aquaponie reposent sur la connaissance d'une combinaison de facteurs clés qui sont très appropriés pour l'enseignement des matières STIM (sciences, technologie, ingénierie et mathématiques) dans les écoles. L'aquaponie offre à l'enseignant et à l'étudiant la possibilité d'explorer le domaine des systèmes complexes, leur conception et leur gestion et une foule d'autres domaines, y compris les sciences de l'environnement, la chimie de l'eau, la biologie et le bien-être animal. L'aquaponie est également utilisée dans les prisons et les établissements correctionnels, comme la prison du comté de San Francisco, pour aider les détenus à acquérir des compétences et de l'expérience en aquaculture et en horticulture qu'ils peuvent utiliser lors de leur libération. Dans le contexte domestique, on observe une tendance croissante à concevoir des systèmes de comptoir qui peuvent cultiver des herbes ainsi que des petits systèmes qui peuvent être installés dans des bureaux, où les poissons exotiques apportent un effet apaisant, tandis que les plantes, dans le cadre de murs vivants, fournissent également une toile de fond esthétique et nettoient l'air.

Fig. 1.3 Nombre d'articles publiés sur « hydroponique », « RAS » et « aquaponie » de 1980 à 2018 (données recueillies à partir de la base de données Scopus le 30 janvier 2019). Veuillez noter que l'échelle pour 'RAS' est supérieure d'un ordre de grandeur à celle pour 'hydroponique' et 'aquaponique'

L'aquaponie est une technologie agricole qui progresse rapidement depuis ses premiers exploits dans les dernières années du XXe siècle et les premières décennies du XXIe siècle. Mais il s'agit toujours d'un « sujet de technologie émergente et de science » (Junge et al. 2017) qui fait l'objet d'une quantité considérable de « hype ». Si l'on compare le nombre d'articles d'aquaculture, d'hydroponie et d'aquaponique évalués par des pairs, les articles aquaponiques sont considérablement plus faibles (figure 1.3), mais ils augmentent et continueront d'augmenter à mesure que l'éducation aquaponique, en particulier au niveau universitaire, et l'intérêt général augmentent. Un « rapport médiatique » peut être décrit comme un indicateur de la popularité d'un sujet dans les médias publics par rapport à ce qui est publié dans la presse académique. Cela peut, par exemple, être calculé en prenant les résultats de recherche dans Google divisés par les résultats de recherche dans Google Scholar. Dans le cas de l'aquaponie, le rapport battage médiatique au 16 août 2016 était de 1349, ce qui est considérable par rapport aux rapports battants médiatiques de l'hydroponie (131) et de l'aquaculture en recirculation (17) (Junge et al., 2017). Le sentiment que l'on en tire est qu'en fait, l'aquaponie est une technologie émergente, mais qu'il y a un énorme intérêt pour ce domaine qui devrait se poursuivre et s'accroître au cours des prochaines décennies. Le ratio battage médiatique risque toutefois de diminuer à mesure que de plus en plus de recherches seront entreprises et que des articles scientifiques seront publiés.

Ce livre s'adresse au chercheur et praticien de l'aquaponie, et il a été conçu pour discuter, explorer et révéler les questions que l'aquaponie aborde actuellement et qui se poseront sans doute à l'avenir. Avec un large éventail de sujets, il vise à fournir une vue d'ensemble complète mais facilement accessible du domaine scientifique et commercial plutôt nouveau de l'aquaponie. Outre la production et la technique, cet ouvrage a été conçu pour aborder les tendances de l'offre et de la demande alimentaires, ainsi que les diverses implications économiques, environnementales et sociales de cette technologie émergente. Le livre a été co-écrit par de nombreux experts du monde entier, mais surtout au sein de l'UE. Ses 24 chapitres couvrent toute la gamme des domaines de l'aquaponie et fourniront un manuel nécessaire à tous ceux qui s'intéressent à l'aquaponie et au déplacement de l'aquaponie dans la prochaine décennie.