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Chapitre 13 Les régimes de poissons en Aquaponie

1. 13.1 Introduction

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Les aliments aquatiques sont reconnus comme bénéfiques pour la nutrition et la santé humaines et joueront un rôle essentiel dans l'alimentation saine et durable à l'avenir (Beveridge et coll., 2013). Pour y parvenir, le secteur mondial de l'aquaculture doit contribuer à accroître la quantité et la qualité des stocks de poissons d'ici 2030 (Thilsted et al., 2016). Cette croissance devrait être favorisée non seulement par l'augmentation de la production et/ou du nombre d'espèces, mais aussi par la diversification des systèmes. Cependant, le poisson provenant de l'aquaculture n'a été inclus que récemment dans le débat sur la sécurité alimentaire et la nutrition (FSN) et dans les stratégies et politiques futures, démontrant le rôle important de cette production dans la prévention de la malnutrition à l'avenir (Bénét et al. 2015), étant donné que le poisson constitue une bonne source de protéines et graisses insaturées, ainsi que des minéraux et des vitamines. Il est important de noter que de nombreux pays africains font la promotion de l'aquaculture comme réponse à certains de leurs défis actuels et futurs en matière de production alimentaire. Même en Europe, l'offre de poisson n'est pas autosuffisante à l'heure actuelle (avec un déséquilibre de l'offre et de la demande intérieures) et dépend de plus en plus des importations. Par conséquent, assurer le développement réussi et durable de l'aquaculture mondiale est un programme impératif pour l'économie mondiale et européenne (Kobayashi et al., 2015). La durabilité est généralement nécessaire pour montrer trois aspects clés : l'acceptabilité environnementale, l'équité sociale et la viabilité économique. Les systèmes aquaponiques offrent une opportunité d'être durables, en combinant les systèmes de production animale et végétale d'une manière rentable, respectueuse de l'environnement et socialement bénéfique. Pour Staples et Funge-Smith (2009), le développement durable est l'équilibre entre le bien-être écologique et le bien-être humain, et dans le cas de l'aquaculture, une approche écosystémique n'a été considérée que récemment comme un domaine prioritaire de recherche.

   L'aquaculture a été le secteur de la production alimentaire qui a connu la croissance la plus rapide au cours des 40 dernières années (Tveterås et al., 2012), étant l'une des activités agricoles les plus prometteuses pour répondre aux besoins alimentaires mondiaux à court terme (Kobayashi et al., 2015). Les statistiques de la production totale de l'aquaculture (FAO 2015) révèlent un accroissement annuel de la production mondiale de 6%, ce qui devrait fournir jusqu'à 63% de la consommation mondiale de poisson d'ici 2030 (FAO 2014), pour une population estimée à neuf milliards de personnes en 2050. Dans le cas de l'Europe, l'augmentation prévue est observée non seulement dans le secteur maritime, mais aussi dans les produits produits terrestres. Parmi les défis attendus pour la croissance de l'aquaculture au cours des prochaines années, mentionnons la réduction de l'utilisation d'antibiotiques et d'autres traitements pathologiques, le développement de systèmes et d'équipements aquacoles efficaces, ainsi que la diversification des espèces et une durabilité accrue dans le

   secteur de la production animale et de l'utilisation des aliments pour animaux. Le passage de la farine de poisson (FM) dans les aliments pour animaux à d'autres sources de protéines est également un défi important, de même que le rapport « poisson dans le poisson ». Il existe une longue histoire, remontant aux années 1960, de promouvoir la croissance du secteur aquacole vers une durabilité adéquate, y compris l'encouragement à adapter et à créer de nouvelles formules alimentaires plus durables, à réduire les déversements d'aliments et à réduire le ratio de conversion alimentaire (RCA). Bien que l'aquaculture soit reconnue comme étant le secteur de la production animale le plus efficace, par rapport à la production animale terrestre, il y a encore lieu d'améliorer l'efficacité des ressources, la diversification des espèces ou des méthodes de production, et, en outre, d'adopter une approche écosystémique en tenant compte de l'efficacité des ressources, de la diversification des espèces ou des méthodes de production. tirer pleinement parti du potentiel biologique des organismes et tenir dûment compte des facteurs environnementaux et sociétaux (Kaushik, 2017). Cette croissance de la production aquacole devra être soutenue par une augmentation de la production alimentaire totale prévue. Environ trois millions de tonnes supplémentaires d'aliments devront être produites chaque année pour soutenir la croissance de l'aquaculture prévue d'ici 2030. En outre, le remplacement de la farine de poisson et de l'huile de poisson (FO) par des substituts végétaux et terrestres est nécessaire, ce qui nécessite des recherches essentielles sur les aliments de préparation pour l'élevage.

   Les industries animales et aquafeed font partie d'un secteur de production mondial, qui est également au centre des futures stratégies de développement. L'enquête annuelle d'Alltech (Alltech 2017) révèle que la production totale d'aliments pour animaux a atteint 1 milliard de tonnes métriques, avec une augmentation de 3,7 % de la production par rapport à 2015 malgré une diminution de 7 % du nombre d'usines d'aliments pour animaux. La Chine et les États-Unis ont dominé la production en 2016, représentant 35 % de la production mondiale d'aliments pour animaux. L'enquête indique que les 10 premiers pays producteurs comptent plus de la moitié des usines mondiales d'aliments pour animaux (56 %) et représentent 60 % de la production totale d'aliments pour animaux. Cette concentration dans la production signifie que bon nombre des ingrédients clés traditionnellement utilisés dans les formulations pour les aliments pour l'aquaculture commerciale sont des produits commercialisés à l'échelle internationale, ce qui soumet la production aquafée à toute volatilité du marché mondial. Par exemple, le prix de la farine de poisson devrait doubler d'ici 2030, tandis que l'huile de poisson devrait augmenter de plus de 70 % (Msangi et al., 2013). Cela illustre l'importance de réduire la quantité de ces ingrédients dans les aliments pour poissons tout en augmentant l'intérêt et la concentration sur les sources nouvelles ou alternatives (García-Romero et al. 2014a, b ; Robaina et al., 1998, 1999 ; Terova et al., 2013 ; Torrecillas et al., 2017).

   Alors que de nouvelles plates-formes offshore ont été développées pour la production aquacole, l'accent est également mis sur les systèmes d'aquaculture en recirculation marine et en eau douce (RAS), car ces systèmes utilisent moins d'eau par kg d'aliments pour poissons utilisés, ce qui augmente la production de poissons tout en réduisant les impacts environnementaux de aquaculture, y compris la réduction de l'utilisation de l'eau (Ebeling et Timmons, 2012 ; Kingler et Naylor, 2012). Le RAS peut être intégré à la production végétale dans les systèmes aquaponiques, qui s'intègrent facilement aux modèles de systèmes alimentaires locaux et régionaux (voir chap. 15) qui peuvent être pratiqués dans les grands centres de population ou à proximité (Love et al., 2015a). L'eau, l'énergie et les aliments pour poissons sont les trois principaux intrants physiques pour les systèmes aquaponiques (Love et al. 2014, 2015b). Environ 5 % des aliments ne sont pas consommés par les poissons d'élevage, tandis que les 95 % restants sont ingérés et digérés (Khakyzadeh et al., 2015). De cette part, 30 à 40 % sont conservées et converties en nouvelle biomasse, tandis que la

   Développement des aliments aquaponiques et bioéconomie circulaire

    

   Fig. 13.1 Représentation schématique d'une approche multidisciplinaire pour valoriser localement les bio-sous-produits pour les régimes aquaponiques. (Basé sur « R+D+I vers le développement aquaponique dans les îles ultrapériphériques et l'économie circulaire » ; projet ISLANDAP, Interreg MAC/1.1A/2072014-2019)

   60 à 70 % restants sont libérés sous forme de fèces, d'urine et d'ammoniac (FAO 2014). En moyenne, 1 kg d'aliments pour animaux (30 % de protéines brutes) libère à l'échelle mondiale environ 27,6 g de N et 1 kg de biomasse de poisson libère environ 577 g de DBO (demande biologique d'oxygène), 90,4 g de N et 10,5 g de P (Tyson et al., 2011).

   L'aquaponie est actuellement un secteur de petite taille mais en croissance rapide qui est clairement adapté pour tirer parti des défis politiques et socio-économiques suivants : 1) les produits aquatiques répondent aux besoins en matière de sécurité alimentaire et de nutrition, 2) les régions autosuffisantes pour les poissons sont établies dans le monde entier, 3) l'aquaculture est un secteur clé, mais la production mondiale d'ingrédients et d'aliments pour animaux fait l'objet d'une attention particulière, 4) l'innovation dans l'agriculture favorise la biodiversité de manière plus durable et dans le cadre de l'économie circulaire et 5) il y a une plus grande prise en charge des aliments produits localement. Ces aspects s'inscrivent dans le cadre des recommandations de l'Union internationale pour la conservation de la nature (Le Gouvello et al. 2017), qui s'est penchée sur la durabilité de l'aquaculture et des aliments pour poissons, qui a recommandé que des efforts soient faits pour localiser la production aquacole et l'approche circulaire, et pour la mise en place d'un programme de contrôle de la qualité pour les nouveaux produits et sous-produits, ainsi que la transformation des aliments locaux pour poissons dans les régions. Jusqu'à présent, l'aquaponie en tant que « petites exploitations aquacoles » pourrait fournir des exemples pour la mise en œuvre de la bioéconomie et de la production locale, favorisant ainsi l'utilisation de produits et de sous-produits issus de matières organiques qui ne conviennent pas à d'autres fins, par exemple les insectes et vers d'élevage, les macroet les microalgues, les hydrolysats de poissons et de sous-produits, les nouvelles usines produites en agroécologie et les bioactifs et micronutriments produits localement, tout en réduisant l'empreinte environnementale grâce à la production d'aliments de qualité (poissons et plantes) et en progressant vers une production zéro déchets. En outre, l'aquaponie est un bon exemple pour promouvoir une façon multidisciplinaire d'apprendre sur la production durable et la valorisation des ressources biologiques, par exemple le « Projet Islandap » (INTERREG V-A MAC 20142020) (figure 13.1).

   Les sections suivantes du présent chapitre examinent l'état de l'art des régimes alimentaires, des ingrédients et des additifs du poisson, ainsi que les défis nutritionnels et durables à prendre en considération lors de la production d'aliments aquaponiques spécifiques.

2. 13.2 Développement durable de la nutrition des poissons

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   Le développement durable de la nutrition des poissons en aquaculture devra répondre aux défis que pose l'aquaponie en ce qui concerne le besoin croissant de produire des aliments de haute qualité. La manipulation de l'azote, du phosphore et de la teneur en minéraux des régimes alimentaires des poissons utilisés en aquaponie est une façon d'influer sur les taux d'accumulation des nutriments, réduisant ainsi le besoin de suppléments artificiels et externes en nutriments. Selon Rakocy et al. (2004), les déchets de poisson et d'aliments pour animaux fournissent la plupart des nutriments nécessaires aux plantes si le rapport optimal entre l'apport quotidien d'aliments pour poissons et les zones de culture des plantes est maintenu. Les déchets solides de poisson appelés « boues » dans les systèmes aquaponiques entraînent la perte d'environ la moitié des éléments nutritifs disponibles, en particulier le phosphore, qui pourraient théoriquement être utilisés pour la production de biomasse végétale, mais l'information demeure limitée (Delaide et al., 2017 ; Goddek et al., 2018). Alors que l'objectif de durabilité de la nutrition des poissons en aquaculture sera atteint à l'avenir en utilisant des régimes adaptés aux besoins alimentaires, les aliments pour poissons en aquaponie doivent répondre aux besoins nutritionnels tant pour les poissons que pour les plantes. L'augmentation de la durabilité découlera en partie de la diminution de la dépendance à l'égard de la farine de poisson (FM) et de l'huile de poisson (FO) et de nouveaux ingrédients naturels bruts à forte énergie et à faible empreinte carbone. Pour préserver la biodiversité et l'utilisation durable des ressources naturelles, il faut limiter l'utilisation de la FF et de la FO basées sur la pêche sauvage dans les milieux aquatiques (Tacon et Metian, 2015). Cependant, la performance du poisson, la santé et la qualité du produit final peuvent être altérées en substituant la FM alimentaire à d'autres ingrédients. Par conséquent, la recherche sur la nutrition des poissons est axée sur l'utilisation et la transformation efficaces des composants alimentaires afin de fournir les nutriments essentiels nécessaires qui maximiseront le rendement de la croissance et assureront une aquaculture durable et résiliente. Remplacer le FM, qui est une source de protéines excellente mais coûteuse dans l'alimentation des poissons, n'est pas simple en raison de son profil unique en acides aminés, de sa digestibilité élevée des nutriments, de sa palatabilité élevée, de sa quantité suffisante de micronutriments et de son manque général de facteurs antinutritionnels (Gatlin et al., 2007).

   De nombreuses études ont montré que la farine de soja peut être remplacée avec succès par la farine de soja dans les aquafeeds, mais la farine de soja présente des facteurs anti-nutritionnels tels que les inhibiteurs de la trypsine, l'agglutinine de soja et la saponine, qui limitent son utilisation et des pourcentages élevés de remplacement dans l'élevage des poissons carnivores. Le remplacement élevé de la MF par des farines végétales dans le régime alimentaire des poissons peut également réduire la biodisponibilité des nutriments chez les poissons, ce qui entraîne des altérations des éléments nutritifs dans la qualité finale du produit (Gatlin et al., 2007). Il peut également causer des perturbations indésirables au milieu aquatique (Hardy, 2010) et réduire la croissance des poissons en raison de la réduction des concentrations d'acides aminés essentiels (en particulier la méthionine et la lysine) et de la diminution de la palatabilité (Krogdahl et al., 2010). Gerile et Pirhonen (2017) ont fait remarquer qu'un remplacement à 100 % de la farine de gluten de maïs réduisait considérablement le taux de croissance de la truite arc-en-ciel, mais que le remplacement du FM n'affectait pas la consommation d'oxygène ni la capacité de nage.

   Des niveaux élevés de matière végétale peuvent également affecter la qualité physique des granulés et compliquer le processus de fabrication pendant l'extrusion. La plupart des sources alternatives de nutriments d'origine végétale pour les aliments du poisson contiennent une grande variété de facteurs antinutritionnels qui interfèrent avec le métabolisme des protéines du poisson en altérant la digestion et l'utilisation, ce qui entraîne une augmentation des rejets d'azote dans l'environnement, ce qui peut nuire à la santé et au bien-être des poissons. De plus, des régimes alimentaires, y compris des niveaux élevés d'acide phytique, ont modifié la digestion du phosphore et des protéines, ce qui a entraîné une forte libération de N et de P dans l'environnement environnant. L'apport alimentaire et la palatabilité, la digestibilité et la rétention des éléments nutritifs peuvent varier en fonction de la tolérance et des niveaux des espèces de poissons et peuvent modifier la quantité et la composition des déchets de poisson. Compte tenu de ces résultats, les formulations de régime alimentaire des poissons en aquaponie devraient étudier la « tolérance » des facteurs anti-nutritionnels (p. ex. le phytate) pour différents ingrédients alimentaires et pour chaque espèce de poisson utilisée en aquaponie, ainsi que les effets de l'addition de minéraux tels que le Zn et phosphate dans les régimes. Il convient également de noter que, même si le matériel végétal est considéré comme une option écologiquement rationnelle pour remplacer la MF dans les aquafeeds, les plantes ont besoin d'irrigation et peuvent donc entraîner des impacts écologiques sous la forme de leur empreinte hydrique et écologique (Pahlow et al., 2015) du ruissellement des éléments nutritifs des champs.

   Les sous-produits animaux terrestres tels que les protéines animales transformées non ruminants (PAP) dérivées d'animaux d'élevage monogastriques (p. ex. volaille, porc) propres à la consommation humaine au point d'abattage (matières de catégorie 3, règlement CE 142/2011 ; règlement CEE 56/2013) pourraient également remplacer la FM et soutenir la économie circulaire. Ils ont une teneur en protéines plus élevée, des profils d'acides aminés plus favorables et moins d'hydrates de carbone par rapport aux ingrédients pour les plantes, tout en dépourvus de facteurs antinutritionnels (Hertrampf et Piedad-Pascual, 2000). Il a été démontré que les farines de viande et d'os peuvent servir de bonne source de phosphore lorsqu'elles sont incluses dans le régime alimentaire du Nil Tilapia (Ashraf et al., 2013), bien qu'elles aient été strictement interdites dans l'alimentation des ruminants en raison du risque de déclenchement de l'encéphalopathie spongiforme bovine (maladie de la vache folle). Certaines espèces d'insectes, comme la mouche noire du soldat (Hermetia illucens), pourraient être utilisées comme source de protéines alternative pour l'alimentation durable des poissons. Les principaux avantages environnementaux de l'élevage d'insectes sont : a) moins de terres et d'eau sont nécessaires, b) moins d'émissions de gaz à effet de serre et c) les insectes ont un rendement élevé de conversion des aliments (Henry et al., 2015). Cependant, il est nécessaire de poursuivre les recherches afin de fournir des données probantes sur les questions de qualité et de sécurité et de vérifier les risques pour le poisson, les plantes, les humains et l'environnement.

   Il est important de noter que les poissons ne peuvent pas synthétiser plusieurs nutriments essentiels nécessaires à leur métabolisme et à leur croissance et dépendent de l'alimentation pour leur approvisionnement. Cependant, certains groupes d'animaux peuvent utiliser des régimes alimentaires déficients en nutriments, car ils portent des micro-organismes symbiotiques qui peuvent fournir ces composés (Douglas, 2010), ce qui permet aux poissons d'obtenir un maximum d'avantages lorsque l'offre microbienne de leurs nutriments essentiels est adaptée à la demande. L'offre insuffisante limite la croissance des poissons, tandis que l'offre excédentaire peut être nuisible en raison de la nécessité pour les poissons de neutraliser la toxicité causée par des composés non essentiels. On ignore dans quelle mesure la fonction microbienne varie en fonction des besoins des différentes espèces de poissons et quels sont les mécanismes sous-jacents. Fait important, le microbiote intestinal d'un animal aquatique peut en théorie jouer un rôle essentiel dans la fourniture des nutriments nécessaires et l'obtention de la durabilité dans l'élevage piscicole (Kormas et al., 2014 ; Mente et al., 2016). Des recherches plus poussées dans ce domaine aideront à faciliter la sélection des ingrédients à utiliser dans les aliments pour poissons qui favorisent la diversité des microbiotes intestinaux afin d'améliorer la croissance et la santé des poissons.

   La recherche sur l'utilisation de sources alternatives de protéines végétales et animales et d'ingrédients faiblement trophiques pour les aliments du poisson est en cours. La substitution d'ingrédients bruts d'origine marine dans les aliments pour poissons, qui pourraient être utilisés directement à des fins alimentaires humaines, devrait réduire la pression exercée par la pêche et contribuer à préserver la biodiversité. Les organismes à faible niveau trophique, comme la mouche noire du soldat, qui peuvent servir d'ingrédients aquafeed, peuvent être cultivés sur des sous-produits et des déchets d'autres pratiques agricoles industrielles étant donné des repas de qualité nutritionnelle différente, ce qui ajoute des avantages environnementaux supplémentaires. Cependant, les efforts visant à réussir avec l'économie circulaire et le recyclage des nutriments organiques et inorganiques devraient être traités avec précaution, car les composés indésirables présents dans les matières premières et les produits de la mer pourraient accroître le risque pour la santé animale, le bien-être, le rendement de croissance et la sécurité du produit final pour consommateurs. La recherche, la surveillance continue et la production de rapports sur les contaminants des animaux aquatiques d'élevage par rapport aux limites maximales dans les ingrédients et les régimes alimentaires des aliments des animaux sont essentiels pour éclairer les révisions et l'introduction de nouveaux règlements.

3. 13.3 Ingrédients et additifs pour aliments des animaux

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   13.3.1 Sources de protéines et de lipides pour les aquafeeds

   Depuis la fin du XXe siècle, il y a eu des changements significatifs dans la composition des aquafeeds, mais aussi des progrès dans la fabrication. Ces transformations découlent de la nécessité d'améliorer la rentabilité économique de l'aquaculture et d'en atténuer les impacts sur l'environnement. Cependant, les forces motrices de ces changements sont la nécessité de réduire la quantité de farine de poisson (FM) et d'huile de poisson (FO) dans les aliments, qui constituent traditionnellement la plus grande proportion des aliments pour animaux, en particulier pour les poissons carnivores et les crevettes. En partie à cause de la surpêche, mais surtout en raison de l'augmentation continue du volume mondial de l'aquaculture, il y a un besoin croissant de protéines et d'huiles alternatives pour remplacer le FM et le FO dans les aquafeeds.

    

   Fig. 13.2 Rapport de poisson dans le poisson (ligne bleue, axe y gauche) et quantité d'huile de poisson utilisée (ligne jaune, axe y droit) pour l'alimentation de la truite arc-en-ciel en Finlande entre 1990 et 2013. (Données de www.raisioagro. com)

   La composition des aliments pour poissons a considérablement changé puisque la proportion de FM dans les régimes alimentaires a diminué, passant de \ > 60% dans les années 1990 à \ 20% dans les régimes alimentaires modernes pour les poissons carnivores tels que le saumon atlantique (Salmo salar), et la teneur en FO a diminué de 24% à 10% (Ytrestøyl et al. 2015). En conséquence, le rapport « Poisson-in-Poisson-Out » (FIFO) a diminué en dessous de 1 pour le saumon et la truite arc-en-ciel, ce qui signifie que la quantité de poisson nécessaire dans l'alimentation pour produire 1 kg de viande de poisson est inférieure à 1 kg (figure 13.2). Ainsi, la pisciculture carnivore au XXIe siècle est un producteur net de poisson. D'autre part, les aliments pour les espèces de poissons omnivores inférieurs trophiques (p. ex. la carpe et le tilapia) peuvent contenir moins de 5 % de FM (Tacon et al., 2011). L'élevage de ces espèces de poissons trophiques faibles est écologiquement plus durable que pour les espèces trophiques supérieures, et la FIFO pour Tilapia était de 0,15 et pour les cyprinidés (espèces de carpes) seulement de 0,02 en 2015 (IFFO). Il est à noter que le remplacement total de la MF dans les régimes alimentaires de Tilapia (Koch et al., 2016) et du saumon (Davidson et al., 2018) n'est pas possible sans affecter de façon significative les paramètres de production.

   Aujourd'hui, la principale source de protéines et de lipides dans les aliments pour poissons provient des plantes, mais aussi souvent d'autres secteurs, y compris les repas et les graisses provenant de la viande et des sous-produits de volaille et de la farine de sang (Tacon et Metian, 2008). De plus, les déchets et les sous-produits issus de la transformation du poisson (abats et parures de déchets) sont couramment utilisés pour produire du MF et du FO. Toutefois, en raison de la réglementation de l'UE (CE 2009), l'utilisation de la MF d'une espèce n'est pas autorisée comme aliment pour la même espèce ; par exemple, le saumon ne peut pas être nourri de MF contenant des parures de saumon.

   Les remplacements FM et FO par d'autres ingrédients peuvent affecter la qualité du produit vendu aux clients. Le poisson a la réputation d'être un aliment sain, surtout en raison de sa teneur élevée en poly et en acides gras hautement insaturés. Plus important encore, les fruits de mer sont la seule source d'EPA (acide eicosapentaénoïque) et de DHA (acide docosahexaénoïque), tous deux des acides gras oméga-3, et des nutriments essentiels pour de nombreuses fonctions dans le corps humain. Si le FM et le FO sont remplacés par des produits d'origine terrestre, cela affectera directement la qualité de la chair du poisson, surtout sa composition en acides gras, car la proportion d'acides gras oméga-3 (en particulier l'EPA et le DHA) diminuera alors que la quantité d'acides gras oméga-6 augmentera avec la augmentation du matériel végétal qui remplace FM et FO (Lazzarotto et al. 2018). Ainsi, les bienfaits de la consommation de poisson pour la santé sont partiellement perdus, et le produit qui finit sur l'assiette n'est pas nécessairement ce que les consommateurs s'attendaient à acheter. Cependant, afin de surmonter le problème de la diminution des acides gras oméga-3 dans le produit final résultant de la diminution des ingrédients de poisson dans les aquafeeds, les pisciculteurs pourraient utiliser des régimes dits de finition à forte teneur en FO pendant les étapes finales de la culture (Suomela et al., 2017).

   Une nouvelle option intéressante pour remplacer le FO dans les aliments pour poissons est la possibilité d'un génie génétique, c'est-à-dire des plantes génétiquement modifiées qui peuvent produire de l'EPA et du DHA, par exemple de l'huile provenant de Camelina sativa génétiquement modifiée (nom commun de la caméline, de l'or de plaisir ou du faux lin qui est connu pour avoir des niveaux élevés de acides gras oméga-3) a été utilisé avec succès pour cultiver le saumon, avec une très forte concentration en EPA et en DHA chez le poisson (Betancor et al., 2017). Toutefois, l'utilisation d'organismes génétiquement modifiés dans la production alimentaire humaine est assujettie à l'approbation réglementaire et peut ne pas être une option à court terme.

   Une autre nouvelle possibilité de remplacer la FM dans les aquafeeds est celle des protéines d'insectes (Makkar et al., 2014). Cette nouvelle option n'est devenue possible au sein de l'UE que récemment lorsque l'UE a modifié sa législation, autorisant les repas d'insectes dans les aquafeeds (UE 2017). Les espèces autorisées sont la mouche soldat noire (Hermetia illucens), la mouche domestique commune (Musca domestica), le ver de farine jaune (Tenebrio molitor), le ver de farine (Alphitobius diaperinus), le cricket domestique (Acheta domesticus), le cricket bandé (_Gryllodes) et le cricket de campagne (Gryllus assimilis). Les insectes doivent être élevés sur certains substrats autorisés. Des expériences de croissance réalisées avec différentes espèces de poissons montrent que le remplacement de la FM par des larves de mouches noires ne compromet pas nécessairement la croissance et d'autres paramètres de production (Van Huis et Oonincx, 2017). D'autre part, les repas à base de vers de farine jaune ne pourraient remplacer la FM que partiellement pour éviter une diminution de la croissance (Van Huis et Oonincx 2017). Cependant, le remplacement de la FM par de la farine d'insectes peut entraîner une baisse des acides gras oméga-3, car ils sont dépourvus d'EPA et de DHA (Makkar et Ankers 2014).

   Contrairement aux insectes, les microalgues présentent généralement des profils d'acides aminés et d'acides gras favorables sur le plan nutritionnel (y compris l'EPA et le DHA), mais il existe également une grande variation entre les espèces à cet égard. Le remplacement partiel de la FM et de la FO dans les aquafeeds par certaines microalgues a donné des résultats prometteurs (Camachorodríguez et al. 2017 ; Shah et al. 2018) et à l'avenir, l'utilisation de microalgues dans les aquafeeds devrait augmenter (White 2017) même si leur utilisation peut être limitée par le prix.

   Ce bref résumé des ingrédients potentiels des aliments du bétail indique qu'il existe un large éventail de possibilités de remplacer au moins partiellement le FM et le FO dans les aliments pour poissons. En général, le profil d'acides aminés du FM est optimal pour la plupart des espèces de poissons et FO contient du DHA et de l'EPA qui sont pratiquement impossibles à fournir à partir des huiles terrestres, bien que le génie génétique puisse changer la situation à l'avenir. Cependant, les produits OGM doivent d'abord être acceptés dans la législation, puis par les clients.

   13.3.2 Utilisation d'additifs alimentaires spécialisés sur mesure pour l'aquaponie

   L'adaptation des espèces aquatiques spécifiques aux systèmes aquaponiques est plus difficile que le développement d'aliments traditionnels pour l'aquaculture, car la nature des systèmes aquaponiques exige que les espèces aquatiques fournissent non seulement de la nutrition aux animaux d'élevage, mais aussi aux plantes d'élevage et aux communautés microbiennes qui habitent le système. Les pratiques aquaponiques actuelles utilisent les aquafeeds formulés pour fournir une nutrition optimale aux animaux aquatiques d'élevage ; toutefois, en tant que principal apport nutritif dans les systèmes aquaponiques (Roosta et Hamidpour 2011 ; Tyson et al. 2011 ; Junge et al. 2017), les aliments doivent également tenir compte des besoins en nutriments de la composante production de l'usine. Cela est particulièrement important pour les systèmes aquaponiques à l'échelle commerciale, où la productivité du système de production d'usine a un impact majeur sur la rentabilité globale du système (Adler et al., 2000 ; Palm et al., 2014 ; Love et al., 2015a) et où l'amélioration du rendement de la production de la composante de l'usine peut être significative améliorer la rentabilité globale du système.

   Ainsi, l'objectif général du développement d'aliments aquaponiques adaptés serait de concevoir un aliment qui permette d'équilibrer la fourniture d'éléments nutritifs supplémentaires pour les plantes, tout en maintenant un fonctionnement acceptable du système aquaponique (c'est-à-dire une qualité suffisante de l'eau pour la production animale, un biofiltre et un digesteur anaérobie, et l'absorption des nutriments par les plantes). Pour ce faire, l'aliment aquaponique final sur mesure peut ne pas être optimal pour la production individuelle d'animaux aquatiques ou de plantes, mais plutôt pour le système aquaponique dans son ensemble. Le point optimal serait déterminé en fonction des paramètres globaux de performance du système, par exemple des mesures de durabilité économique et/ou environnementale.

   L'un des principaux défis que pose l'augmentation de la production des systèmes aquaponiques couplés est la concentration relativement faible de macro- et micro nutriments végétaux (principalement sous forme inorganique) dans l'eau en recirculation, comparativement aux systèmes hydroponiques conventionnels. Ces faibles niveaux de nutriments peuvent entraîner des carences en nutriments dans les plantes et des taux de production des plantes sous-optimaux (Graber et Junge, 2009 ; Kloas et al., 2015 ; Goddek et al., 2015 ; Bittsanszky et al., 2016 ; Delaide et al., 2017). Un autre défi est la quantité importante de chlorure de sodium dans les aquafeeds classiques à base de farine de poisson et l'accumulation potentielle de sodium dans les systèmes aquaponiques (Treadwell et al., 2010). Différentes approches peuvent être développées pour relever ces défis, comme des solutions technologiques, par exemple des systèmes aquaponiques découplés (Goddek et al. 2016) (voir aussi Chap. 8), la supplémentation directe en nutriments dans le système de production végétale par pulvérisation foliaire ou l'ajout à l'eau recirculante (Rakocy et al. 2006 ; Roosta et Hamidpour 2011), ou la culture d'une plante mieux tolérante au sel (voir Chap. 12). Une nouvelle approche consiste à développer des aquafeeds spécialement conçus pour l'aquaponie.

   Afin de remédier aux pénuries d'éléments nutritifs des plantes en aquaponie, les aliments aquaponiques adaptés doivent augmenter la quantité de nutriments disponibles pour les plantes, soit en augmentant les concentrations de nutriments spécifiques après l'excrétion par les animaux d'élevage, soit en rendant les nutriments plus biodisponibles après l'excrétion et biotransformation, pour une absorption rapide par les plantes. L'augmentation de l'excrétion des éléments nutritifs n'est cependant pas aussi simple que de compléter des quantités accrues de nutriments désirés aux régimes aquacoles, car il existe de nombreux facteurs (souvent contradictoires) qui doivent être pris en compte dans un système aquaponique intégré. Par exemple, bien que la production végétale optimale nécessitera des concentrations accrues d'éléments nutritifs spécifiques, certains minéraux, par exemple certaines formes de fer et de sélénium, peuvent être toxiques pour les poissons même à de faibles concentrations et auraient donc des niveaux maximaux admissibles dans l'eau en circulation (Endut et al., 2011 ; Tacon 1987). Outre les niveaux totaux de nutriments, le rapport entre les éléments nutritifs (p. ex. le rapport P:N) est également important pour la production végétale (Buzby et Lin, 2014), et les déséquilibres dans les rapports entre les éléments nutritifs peuvent entraîner l'accumulation de certains éléments nutritifs dans les systèmes aquaponiques (Kloas et al., 2015). De plus, même si un aliment aquaponique augmente les niveaux d'éléments nutritifs des plantes, la qualité globale de l'eau et le pH du système doivent être maintenus dans des limites acceptables pour assurer une production animale acceptable, une absorption efficace des nutriments par les racines des plantes, un fonctionnement optimal des biofiltres et des digesteurs anaérobies ( Goddek et al. 2015b ; Rakocy et al. 2006) et d'éviter la précipitation de certains nutriments importants comme les phosphates, car cela les rendra inaccessibles aux plantes (Tyson et al., 2011). Atteindre cet équilibre global n'est pas un exploit moyen, car il existe des interactions complexes entre les différentes formes d'azote présentes dans le système (NH<sub3/sub, NHsub4/subsup+/SUP, NOsub2/subsup-/SUP, NOsub3/subsup-/SUP), le pH du système et l'assortiment des métaux et autres ions présents dans le système (Tyson et al. 2011 ; Goddek et coll. 2015 ; Bittsanszky et coll. 2016).

   Pénuries courantes d'éléments nutritifs dans les systèmes aquaponiques

   Les plantes ont besoin d'une gamme de macro- et de micronutriments pour leur croissance et leur développement. Les systèmes aquaponiques sont généralement déficients en macronutriments végétaux, potassium (K), phosphore (P), fer (Fe), manganèse (Mn) et soufre (S) (Graber et Junge, 2009 ; Roosta et Hamidpour, 2011). L'azote (N) est présent sous différentes formes dans les systèmes aquaponiques et est excrété dans le cadre du métabolisme protéique des animaux aquatiques d'élevage (Rakocy et al. 2006 ; Roosta et Hamidpour 2011 ; Tyson et al. 2011), après quoi il entre dans le cycle de l'azote dans l'environnement aquaponique intégré. (L'azote est examiné en détail dans Chap. 9 et est donc exclu de la présente discussion.)

   L'utilisation d'additifs alimentaires spécialisés sélectionnés pour l'aquaculture peut contribuer au développement de plantes aquatiques adaptées spécifiquement à l'aquaponie, en fournissant des nutriments supplémentaires aux animaux aquatiques et/ou aux plantes d'élevage, ou en ajustant le rapport des nutriments. Les additifs alimentaires pour l'aquaculture sont divers, avec un large éventail de fonctions et de mécanismes de travail. Les fonctions peuvent être nutritives et non nutritives, et les additifs peuvent être ciblés vers l'action dans les aliments ou vers les processus physiologiques des animaux aquatiques d'élevage (Encarnação 2016). Aux fins du présent chapitre, l'accent est mis sur trois types spécifiques d'additifs qui pourraient aider à adapter les régimes aquaponiques : (1) les suppléments minéraux ajoutés directement aux aliments du bétail, (2) les minéraux ajoutés de façon concomitante dans le cadre d'additifs à usage non minéral et (3) les additifs qui rendre les minéraux déjà présents dans les aliments plus accessibles aux animaux aquatiques d'élevage et/ou aux plantes dans les systèmes aquaponiques.

   1. _Supplémentation minérale directe dans les aliments aquaponiques _

   Compléter directement les minéraux dans les régimes aquacoles utilisés dans les systèmes aquaponiques est une méthode potentielle pour augmenter la quantité de minéraux excrétés par les animaux d'élevage ou pour ajouter des minéraux spécifiques requis par les plantes dans les systèmes aquaponiques. Les minéraux sont régulièrement ajoutés sous forme de prémélanges minéraux aux régimes aquacoles, afin de fournir aux animaux aquatiques d'élevage les éléments essentiels nécessaires à leur croissance et à leur développement (Ng et al., 2001 ; NRC, 2011). Tous les minéraux qui ne sont pas absorbés par les poissons pendant la digestion sont excrétés et, s'ils sont sous forme soluble (principalement ionique) dans le système aquaponique, ils sont disponibles pour l'absorption des plantes (Tyson et al. 2011 ; Goddek et al. 2015). Il n'est pas clair dans quelle mesure une telle approche serait faisable, étant donné que l'on dispose de peu d'informations sur l'efficacité de l'ajout de suppléments minéraux aux plantes aquaponiques dans le but d'améliorer la production de plantes aquaponiques. En général, les besoins en minéraux et le métabolisme en aquaculture sont mal compris par rapport à la production animale terrestre, et la faisabilité de cette approche n'est donc pas bien décrite. Les avantages potentiels de cette approche seraient qu'elle pourrait s'avérer une intervention assez simple pour améliorer le rendement global du système, qu'elle pourrait permettre la supplémentation d'un large éventail d'éléments nutritifs et qu'elle coûterait probablement relativement peu cher. Cependant, des recherches approfondies sont encore nécessaires pour éviter tout piège potentiel majeur qui pourrait survenir. L'un de ces éléments porte sur le fait que les minéraux complétés destinés aux plantes doivent d'abord passer par le tube digestif des animaux aquatiques d'élevage et ceux-ci pourraient être absorbés totalement ou partiellement durant ce passage. Cela pourrait entraîner une accumulation non désirée de minéraux chez les animaux aquatiques ou une interférence dans l'absorption intestinale normale des nutriments et/ou des minéraux et des processus physiologiques (Oliva-Teles, 2012). Des interactions significatives peuvent se produire entre les minéraux alimentaires dans les régimes aquacoles (Davis et Gatlin, 1996), et ces interactions doivent être déterminées avant d'utiliser une supplémentation directe en minéraux dans les régimes aquaponiques. D'autres effets potentiels peuvent inclure une modification de la structure physique et des caractéristiques chimiosensorielles des aliments, ce qui pourrait à son tour affecter la palatabilité des aliments. De toute évidence, il reste encore beaucoup à faire avant que cette méthode d'adaptation des aliments aquaponiques puisse être adoptée.

   2. _Ajout concomitant de minéraux par voie d'additifs pour l'alimentation animale _

   Certaines classes d'additifs alimentaires sont ajoutées aux aquafeeds sous forme de composés ioniques et où un seul des ions contribue à l'activité prévue. L'autre ion est considéré comme un ajout accidentel et inévitable à l'aquafeed et n'est souvent pas pris en considération dans les recherches aquacoles. Un exemple spécifique d'une telle classe d'additifs souvent utilisés pour l'alimentation animale est les sels acides organiques, où l'ingrédient actif prévu dans l'eau aquafée est l'anion d'un acide organique (par exemple, formate, acétate, butyrate ou lactate) et le cation qui l'accompagne est souvent ignoré dans l'alimentation des animaux d'élevage. Ainsi, si le cation accompagnant est choisi délibérément comme un important élément nutritif macro-ou micro végétal, il est possible qu'il soit excrété par les animaux d'élevage dans l'eau du système et qu'il puisse être absorbé par les plantes.

   Les acides organiques à chaîne courte et leurs sels sont devenus bien connus et souvent utilisés dans les additifs pour l'alimentation animale, tant dans l'alimentation des animaux terrestres qu'en aquaculture, où les composés sont utilisés comme agents d'amélioration de la performance et d'amélioration de la résistance aux maladies. Ces composés peuvent avoir différents mécanismes de fonctionnement, notamment agir comme antimicrobiens, antibiotiques ou stimulateurs de croissance, améliorer la digestibilité et l'utilisation des nutriments et agir comme source d'énergie directement métabolisable (Partanen et Mroz 1999 ; Lückstädt 2008 ; Ng et Koh 2017). Les acides organiques indigènes ou leurs sels peuvent être utilisés dans les régimes aquacoles, mais les formes salines des composés sont souvent préférées par les fabricants, car elles sont moins corrosives pour les équipements de fabrication d'aliments pour animaux, sont moins piquantes et sont disponibles sous forme solide (poudre), ce qui simplifie l'ajout à aliments formulés pendant la fabrication (Encarnação 2016 ; Ng et Koh 2017). Pour un examen complet de l'utilisation des acides organiques et de leurs sels en aquaculture, les lecteurs sont invités à consulter les travaux de Ng et Koh (2017).

   L'emploi de sels acides organiques dans l'aquaponique a le potentiel d'avoir un double avantage dans le système, où l'anion pourrait améliorer la performance et la résistance aux maladies des animaux aquatiques d'élevage, tandis que le cation (par exemple le potassium) pourrait augmenter la quantité de nutriments végétaux essentiels excrétés. L'avantage potentiel de cette approche est que les niveaux d'inclusion alimentaire des sels acides organiques peuvent être relativement élevés pour un additif alimentaire, et les recherches font régulièrement état d'une inclusion totale de sel d'acide organique allant jusqu'à 2 % en poids (Encarnação 2016), bien que les fabricants commerciaux aient tendance à recommander des niveaux inférieurs de environ 0,15 — 0,5 % (Ng et Koh 2017). Le cation des sels acides organiques pourrait constituer une proportion importante du poids total du sel et, comme ils sont nourris quotidiennement aux animaux d'élevage, ils pourraient apporter une quantité importante de nutriments aux plantes dans un système aquaponique au cours d'une saison de croissance. Aucune recherche publiée n'est actuellement disponible qui fait état des résultats de cette enquête et, comme pour la supplémentation directe en minéraux dans les aliments aquaponiques, cette approche doit être validée par des recherches futures afin de déterminer le devenir des cations ajoutées dans les sels acides organiques (s'ils sont excrétés ou absorbés par les animaux aquatiques) et s'il y a des interactions avec les minéraux ou les nutriments. Il reste cependant une voie d'enquête passionnante pour l'avenir.

   3. Additifs alimentaires qui rendent les nutriments plus biodisponibles pour les plantes

   Des quantités croissantes d'ingrédients végétaux sont utilisées dans les aquafeeds formulés, mais les minéraux provenant de matières premières végétales sont moins biodisponibles pour les animaux aquatiques d'élevage, principalement en raison de la présence de facteurs antinutritionnels dans les ingrédients alimentaires à base de plantes (Naylor et al., 2009 ; Kumar et al., 2012 ; Prabhu et al., 2012 ; Prabhu et al. 2016). Cela signifie qu'une plus grande proportion de minéraux sont excrétés dans les fèces sous forme liée, ce qui nécessite une « libération » avant d'être disponibles pour l'absorption des plantes. Un exemple typique est le phosphore organique présent sous forme de phytate, qui peut se lier à d'autres minéraux pour former des composés insolubles, où une action microbienne dans l'environnement est nécessaire avant que le phosphore ne soit libéré sous forme de phosphate soluble disponible sur les plantes (Kumar et al., 2012).

   L'utilisation d'enzymes exogènes dans des régimes aquaponiques adaptés pourrait contribuer à libérer des quantités accrues de nutriments provenant de plantes aquafeeds à forte teneur en plantes pour la nutrition animale et végétale dans les systèmes aquaponiques. Les enzymes les plus utilisées dans les aquafeeds sont les protéases, les hydrates de carbone et les phytases, à la fois pour améliorer la digestion des nutriments et pour dégrader les composés anti-nutritionnels comme le phytate (Encarnação 2016), ce qui peut entraîner la libération d'éléments nutritifs supplémentaires provenant des aquafeeds. Bien qu'il soit connu que la supplémentation en enzymes exogènes conduit à une meilleure utilisation des nutriments chez les animaux d'élevage, il n'est pas clair si des nutriments supplémentaires seraient excrétés sous forme disponible pour les plantes, évitant ainsi une étape distincte de reminéralisation dans les systèmes aquaponiques (voir Chap. 10). De plus, des interactions entre les enzymes exogènes et les nutriments dans différentes parties du tube digestif des poissons sont possibles (Kumar et al., 2012), ce qui aura d'autres répercussions sur les quantités de nutriments excrétées pour la croissance des plantes. De plus amples recherches sont donc nécessaires pour déterminer l'utilité des enzymes exogènes spécifiquement utilisées dans les aliments aquaponiques.

4. 13.4 Rythmes physiologiques : Appariement de la nutrition des poissons et des plantes

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   La conception des aliments pour poissons est cruciale en aquaponie parce que les aliments pour poissons constituent l'apport unique ou du moins le principal apport en nutriments tant pour les animaux (macronutriments) que pour les plantes (minéraux) (figure 13.3).

   L'azote est introduit dans le système aquaponique par des protéines dans les aliments pour poissons qui sont métabolisées par les poissons et excrétées sous forme d'ammoniac. L'intégration de l'aquaculture en recirculation à l'hydroponie peut réduire les rejets de nutriments indésirables dans l'environnement et générer des profits. Au cours d'une première étude économique, l'élimination du phosphore dans un système aquaponique intégré à la truite et à la laitue et au basilic s'est avérée rentable (Adler et al., 2000). L'intégration des taux d'alimentation des poissons est également primordiale pour répondre aux besoins nutritionnels des plantes. En fait, les agriculteurs ont besoin de connaître la quantité d'aliments utilisés dans l'unité aquacole pour calculer la quantité d'éléments nutritifs à compléter pour favoriser la croissance des plantes dans l'unité hydroponique. Par exemple, dans un système aquaponique tilapia-fraise, la quantité totale d'aliment nécessaire à la production d'ions (par exemple NOSub3/subsup—, /sup casubsup+/SUP, Hsub2/subposub4/subsup—/SUP et KSUP+/SUP) pour les plantes a été calculée à différentes densités de poissons, avec un meilleur résultat pour une faible densité de poissons de 2 kg de poisson/msup-3/sup pour réduire le coût de la supplémentation en solution hydroponique (Villarroel et al. 2011).

    

   Fig. 13.3 Flux de nutriments dans un système aquaponique. Il est à noter que les aliments pour poissons, par l'intermédiaire des eaux usées du système aquacole, fournissent les minéraux nécessaires à la croissance des plantes dans le système hydroponique. Le calendrier des repas doit être conçu pour correspondre aux rythmes d'alimentation et d'excrétion chez les poissons et aux rythmes d'absorption des nutriments chez les plantes

   Il est bien connu que les plantes ont des rythmes quotidiens et que la rythmicité circadienne des mouvements foliaires a été décrite pour la première fois chez les plantes par de Mairan au début du XVIIIe siècle (McClung 2006). Les rythmes circadiens des plantes contrôlent tout, depuis la floraison jusqu'à la nutrition des plantes, et donc ces rythmes doivent être pris en compte en particulier lors de l'utilisation d'un éclairage horticole artificiel. Les poissons sont également liés aux rythmes quotidiens dans la plupart des fonctions physiologiques, y compris l'alimentation et l'absorption des nutriments. Il ne devrait pas être surprenant que les poissons affichent des rythmes d'alimentation parce que la disponibilité de nourriture et la présence de prédateurs sont à peine constantes, mais limitées à un moment particulier du jour et de la nuit (López-Olmeda et Sánchez-Vázquez, 2010). Ainsi, les poissons doivent être nourris au bon moment en fonction de leur rythme d'appétit : repas programmés le jour pour les espèces de poissons diurnes, et la nuit pour les poissons nocturnes. Il est bien connu que les poissons présentent des schémas quotidiens de délamination des protéines et des déchets azotés liés à leur état nutritionnel et à leur rythme d'alimentation (Kaushik, 1980). Le temps d'alimentation affecte l'excrétion d'azote, puisque Gelineau et al. (1998) ont signalé que la production d'ammoniac et le catabolisme protéique étaient plus faibles chez les poissons nourris à l'aube (en phase avec leur rythme d'alimentation) que chez ceux nourris à minuit (hors phase). Fait intéressant, l'excrétion de l'urée montre une rythmicité circadienne qui persiste chez les poissons affamés dans des conditions constantes (Kajimura et al., 2002), révélant son origine endogène. De plus, la perméabilité à l'urée (déterminée comme teneur en urée corporelle après immersion dans une solution d'urée) a coïncidé avec l'acrophase, c'est-à-dire le pic du rythme d'excrétion journalier, ce qui indique que l'urée ne pénètre pas les cellules par simple diffusion, mais qu'il existe un contrôle circadien. Les plantes présentent également des rythmes quotidiens dans l'absorption d'azote, comme l'ont déjà décrit Pearson et Steer (1977), qui ont trouvé un schéma quotidien d'absorption de nitrate et de nitrate réductase dans les poivrons maintenus dans un environnement constant. La concentration de nitrates dans les feuilles des épinards a également augmenté pendant la nuit à mesure que le taux d'absorption des nitrates par les racines augmente à ce moment-là (Steingrover et al., 1986). En aquaponie, les données indiquent donc la nécessité de faire correspondre les rythmes d'excrétion chez les poissons et les rythmes d'absorption des nutriments chez les plantes. Afin d'optimiser le rendement et le rapport coût-efficacité des systèmes aquaponiques, les régimes alimentaires et les calendriers d'alimentation des poissons doivent être conçus avec soin pour fournir des nutriments au bon niveau et au bon moment pour compléter les poissons et les plantes.