Source material

Chapitre 5 Aquaponie : Les bases

1. 5.1 Introduction

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

   L'aquaponie est une technologie qui est un sous-ensemble d'une approche agricole plus large connue sous le nom de systèmes agro-aquacoles intégrés (IAAS) (Gooley et Gavine, 2003). Cette discipline consiste à intégrer les pratiques aquacoles de différentes formes et styles (principalement l'élevage de poissons à nageoires) à la production agricole végétale. La raison d'être des systèmes agro-aquacoles intégrés est de tirer parti des ressources partagées entre l'aquaculture et la production végétale, comme l'eau et les nutriments, pour développer et réaliser des pratiques de production primaire économiquement viables et écologiquement plus durables (Gooley et Gavine, 2003). Essentiellement, les systèmes de production de plantes terrestres et d'animaux aquatiques partagent une ressource commune : l'eau. Les plantes consomment généralement de l'eau par transpiration et la rejettent dans l'environnement gazeux environnant, tandis que les poissons consomment généralement moins d'eau, mais leur culture confinée produit d'importants flux d'eaux usées en raison des déchets métaboliques accumulés. Par conséquent, l'aquaculture peut être intégrée dans la voie d'approvisionnement en eau de la production végétale de manière non consommable, de sorte que deux cultures (poissons et plantes) puissent être produites à partir d'une source d'eau généralement utilisée pour produire une seule culture (plantes).

   Un avantage supplémentaire intéressant de l'intégration de l'aquaculture à la voie d'irrigation pour la production végétale est que l'aquaculture produit également des déchets nutritifs par le biais des déchets dissous et non dissous produits du métabolisme des poissons (et d'autres animaux aquatiques). Par conséquent, l'aquaculture peut aussi produire des flux d'éléments nutritifs résiduels qui conviennent à la production végétale et qui aident celle-ci en contribuant aux besoins en nutriments des plantes.

   Les avantages générés par l'intégration de l'aquaculture aux systèmes conventionnels de production de plantes terrestres et aquatiques ont été résumés par Gooley et Gavine (2003) comme suit :

   1. Augmentation de la productivité et de la rentabilité des exploitations agricoles sans augmentation nette de la consommation d'eau (Chap. 2).

   2. Diversification des exploitations agricoles vers des cultures de plus grande valeur, y compris des espèces aquatiques de grande valeur.

   3. Réutilisation des ressources agricoles autrement gaspillées (p. ex. captage et réutilisation des éléments nutritifs et de l'eau).

   4. Réduction des impacts environnementaux nets des pratiques agricoles semi-intensives et intensives.

   5. Avantages économiques nets en compensant les dépenses d'immobilisations agricoles existantes et d'exploitation (Chap. 18).

   On dit que l'aquaponie a évolué à partir de pratiques agricoles relativement anciennes associées à l'intégration de la pisciculture à la production végétale, en particulier celles développées dans le contexte de l'Asie du Sud-Est, de la rizière inondée et des pratiques agricoles chinampa d'Amérique du Sud, île flottante ( Komives et Junge 2015). En réalité, historiquement, les poissons étaient rarement ajoutés activement aux rizières jusqu'au XIXe siècle (Halwart et Gupta, 2004) et étaient présents dans de très faibles densités, ce qui ne contribuerait pas à apporter une aide nutritive substantielle aux plantes. Les chinampas étaient traditionnellement construits sur des lacs au Mexique où les nutriments

   les avantages peuvent avoir été fournis par l'intermédiaire des sédiments lacustres eutrophiques ou semi-eutrophiques plutôt que directement à partir de tout système de production de poissons conçu ou activement intégré (Morehart, 2016 ; Baquedano, 1993).

   L'aquaponie moderne a commencé aux États-Unis dans les années 1970 et a été co-développée par plusieurs institutions qui s'intéressent à des pratiques agricoles plus durables. Les premiers travaux importants ont été réalisés par plusieurs chercheurs, mais en fin de compte, le progéniteur de presque toutes les aquaponiques modernes est considéré comme le travail effectué par James Rakocy et son équipe de l'Université des îles Vierges (UVI) à partir du début des années 1980 (Lennard 2017).

   L'aquaponie est maintenant considérée comme une industrie nouvelle et émergente ayant une place pertinente dans le contexte plus large de la production agricole mondiale et il existe un certain nombre de variantes de la technologie d'intégration de la pisciculture à la culture de plantes aquatiques qui sont définies collectivement sous la bannière ou le nom aquaponique ( Knaus et Palm 2017). Par conséquent, l'aquaponie cherche à intégrer la production animale d'aquaculture à la production végétale hydroponique en utilisant diverses méthodes pour partager les ressources en eau et en nutriments entre les principaux composants de production pour produire du poisson et des produits végétaux commerciaux et commercialisables.

2. 5.2 Définition de l'aquaponie

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

   L'aquaponie s'inscrit dans la définition plus large des systèmes agro-aquacoles intégrés (IAAS). Cependant, l'IAAS applique de nombreuses technologies de production d'animaux et de plantes aquatiques dans de nombreux contextes, tandis que l'aquaponie est beaucoup plus étroitement associée à l'intégration des technologies de pisciculture en réservoir (p. ex. systèmes d'aquaculture en recirculation ; RAS) avec les technologies de culture végétale aquatique ou hydroponique ( Lennard 2017). Les technologies RAS appliquent des méthodes conservées et normalisées pour la culture du poisson dans des bassins avec filtration appliquée pour contrôler et modifier la chimie de l'eau afin de le rendre adapté au poisson (c.-à-d. élimination rapide et efficace des déchets solides de poisson, conversion efficace et bactériamédifiée des déchets de poisson potentiellement toxiques dissous l'ammoniac en nitrate moins toxique et l'entretien de l'oxygène par aération assistée ou par injection directe d'oxygène gazeux) (Timmons et al., 2002). Les technologies hydroponiques et de culture de substrats appliquent des méthodes conservées et standard pour la culture de plantes terrestres comestibles dans les milieux aquatiques (c.-à-d. que les plantes ont accès aux nutriments nécessaires à la croissance par une méthode de distribution à base d'eau) (Resh, 2013).

   L'association de l'aquaponie à l'aquaculture standard de la RAS et à la culture hydroponique/substrat signifie que l'aquaponie est souvent définie simplement comme « [...] la combinaison de la production piscicole (aquaculture) et de la culture végétale sans sol sous circulation d'eau couplée ou découplée » (Knaus et Palm 2017). Cette définition large met l'accent sur l'intégration du matériel, de l'équipement ou des technologies et met peu d'accent, voire pas, sur d'autres aspects de la méthode.

   Étant donné que l'aquaponie est une technologie relativement nouvelle à l'échelle industrielle qui applique des méthodes et des approches différentes, la définition appliquée semble très large. Certains définissent l'aquaponie dans un contexte de recirculation seulement (Cerozi et Fitzsimmons, 2017), d'autres se concentrent sur des approches qui ne retournent pas l'eau des plantes au poisson (Delaide et al., 2016) et d'autres incluent des méthodes de recirculation et de découplage (Knaus et Palm, 2017). De plus, certains chercheurs incluent l'utilisation d'effluents d'aquaculture irrigués pour produire des cultures à base de sol sous le titre aquaponique (Palm et al., 2018). Historiquement, l'aquaponie, comme le suggère la répartition du mot (aquaculture et hydroponics), a été définie comme ne portant que sur l'aquaculture et la production végétale hydroponique (Rakocy et Hargreaves 1993), de sorte que les tentatives actuelles d'association avec la culture basée sur le sol semblent incongrues.

    

   Fig. 5.1 Représentation schématique des flux nutritifs dans un système aquaponique. Les aliments pour poissons constituent le principal point d'entrée des éléments nutritifs. Les poissons mangent l'aliment, utilisent les nutriments dont ils ont besoin, libèrent le reste sous forme de déchets et ces déchets sont ensuite répartis entre les microbes, les plantes et l'eau du système. (adapté de Lennard 2017)

   Alors que les systèmes aquaponiques intègrent les technologies d'aquaculture en réservoir avec les technologies de culture végétale hydroponique, les systèmes aquaponiques fonctionnent en fournissant des éléments nutritifs aux habitants de la production (poissons et plantes) et aux habitants qui fournissent des services biologiques et chimiques, et en répartissant les éléments nutritifs entre eux. qui contribuent au résultat des habitants de la production (microflore) (fig. 5.1) (Lennard 2017). Par conséquent, l'aquaponie est-elle plus un système associé à l'approvisionnement, à la dynamique et au partage des éléments nutritifs plutôt qu'un système associé à la technologie, à l'équipement ou au matériel appliqué ?

   Au cours des dernières décennies, la définition de l'aquaponie a inclus un thème similaire, avec des variations subtiles. La définition la plus large a été généralement donnée dans les publications scientifiques de Rakocy et de son équipe UVI, par exemple :

   _Aquaponique est la culture combinée de poissons et de plantes dans des systèmes fermés de recirculation. _

   — Rakocy et al. (2004a, b)

   Cette définition précoce reposait sur l'hypothèse que les systèmes à une boucle entièrement recirculant, composés d'une composante aquacole recirculante et d'une composante hydroponique, représentaient tous les systèmes aquaponiques, ce qu'ils faisaient à l'époque. Graber et Junge (2009) ont élargi la définition, en raison des changements et de l'évolution de l'approche, comme suit :

   _Aquaponic est une forme particulière de systèmes aquacoles recirculants (RAS), à savoir une polyculture composée de bassins de poissons (aquaculture) et de plantes cultivées dans le même cercle d'eau (hydroponique) . _

   — Graber et Junge (2009)

   Les développements et les méthodes récents demandent un réexamen de ce point de vue. Ces dernières années, l'aquaponie s'est orientée vers un système de production qui s'attaque à la fois à la responsabilité écologique et à la durabilité économique. Kloas et coll. (2015) et Suhl et coll. (2016) ont été l'un des premiers à aborder cette question économique :

   _ [...] un système aquaponique à double recirculation unique et innovant a été développé comme condition préalable à une productivité élevée comparable à celle des installations professionnelles autonomes de poisson/plante. _

   — Suhl et coll. (2016)

   La question de la définition, ou la clarification de « ce qui peut être défini comme aquaponique », a fait l'objet de discussions au cours des dernières années. L'un des principaux domaines de développement a été celui des systèmes aquaponiques multi-boucles (ou découplés) qui visent à fournir des engrais supplémentaires aux plantes afin de les exposer à une concentration nutritive optimale (Goddek 2017). Il ne devrait pas y avoir d'opposition entre les idéologies des méthodologies aquaponiques à recirculation complète et à boucle multiple, toutes deux ont leur place et leurs applications respectives dans le contexte industriel approprié et une force motrice commune des deux devrait être que la technologie, tout en étant nutritive et hydrique efficace, doit également être économiquement compétitif pour s'implanter sur le marché. Pour remplacer les pratiques conventionnelles, il faut offrir plus qu'une idéologie aux clients/utilisateurs potentiels, c'est-à-dire la faisabilité technique et économique.

   Le Hub Aquaponics parrainé par l'European COST (COST FA1305 2017) applique la définition _ »... 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 », ce qui place clairement un mettre l'accent sur le partage des éléments nutritifs de la technologie.

   Il faut également préciser que la proportion de poissons par rapport aux plantes devrait rester à un niveau qui favorise une perspective fondamentale de l'aquaponie ; que les plantes sont cultivées à l'aide de déchets de poisson. Un système contenant un poisson et plusieurs hectares de culture végétale hydroponique, par exemple, ne devrait pas être considéré comme aquaponique, simplement parce qu'un seul poisson ne contribue effectivement pas aux besoins nutritifs des plantes. Étant donné que l'étiquetage des produits aquaponiques joue un rôle de plus en plus important dans le choix des consommateurs, nous voulons encourager une discussion en redéfinissant l'aquaponie sur la base de ces multiples développements technologiques. Même si nous préconisons la fermeture du cycle des éléments nutritifs au plus haut degré possible dans le contexte des meilleurs moyens possibles, une définition potentielle devrait également tenir compte de tous les développements.

   Par conséquent, la définition devrait contenir au minimum l'exigence d'une majorité d'éléments nutritifs dérivés de l'aquaculture pour les plantes. Une nouvelle définition peut donc être représentée comme suit :

   Aquaponics uis/u défini comme une production alimentaire aquatique multitrophique intégrée uapproach/u comprenant uat moins/u un système d'aquaculture en recirculation (RAS) et une unité hydroponique connectée, par laquelle l'eau destinée à la culture est partagée dans une certaine configuration entre les deux unités. fournis aux usines devraient être des déchets de poisson dérivés/u.

   Les définitions fondées sur les éléments nutritifs sont ouvertes et ne portent pas de jugement quant au choix de la technologie appliquée, ni même aux proportions de chaque composant (poissons et plantes), tant que la pisciculture et une forme quelconque de technologie de production végétale aquatique (culture hydroponique ou substrat) sont utilisées. Toutefois, elle met également l'accent sur la dynamique des éléments nutritifs et le partage des éléments nutritifs des méthodes appliquées et garantit donc, dans une certaine mesure, que les avantages souvent associés à l'aquaponie (économie d'eau, efficacité nutritive, réduction de l'impact environnemental, durabilité) sont présents dans une certaine proportion.

   La définition de l'association nutritive appliquée à l'aquaponie sera toujours une source de controverses chez ceux qui la pratiquent. Ceci est confirmé par le fait que le nom aquaponics est appliqué à une vaste gamme de technologies différentes avec différentes motivations d'approvisionnement en nutriments et résultats d'utilisation : à partir des conceptions de systèmes et des méthodes qui s'attendent, sinon à la demande, à ce que la grande majorité des nutriments nécessaires pour cultiver les plantes proviennent du déchets de poisson (dans certains cas, plus de 90 % ; Lennard 2017) à des conceptions qui partagent l'approvisionnement en nutriments végétaux entre les déchets de poisson et des ajouts externes plus importants (p. ex. environ 50:50 déchets de poisson en complément externe — comme le font de nombreuses conceptions de systèmes aquaponiques découplés européens modernes ; COST FA1305 2017) aux conceptions qui ajoutent si peu de poissons qu'aucun apport en éléments nutritifs visible des déchets de poisson aux plantes n'est présent (Lennard, 2017).

   Le nom aquaponique, jusqu'à une date relativement récente (c'est-à-dire les 3 à 5 dernières années), a été universellement appliqué aux systèmes couplés et entièrement recirculants qui cherchent à fournir autant de nourriture végétale nécessaire à partir des déchets de poisson que possible (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Lennard 2017) (figure 5.2).

    

   Fig. 5.2 Schéma simplifié des flux d'eau principaux dans un système aquaponique couplé. Les concentrations d'éléments nutritifs dans l'eau de procédé sont réparties de façon égale dans l'ensemble du système

   Cependant, les approches découplées représentent maintenant une proportion des systèmes faisant l'objet de recherches ou appliqués commercialement, en particulier en Europe, et dans la pratique actuelle, ne répondent pas aux besoins en nutriments des plantes provenant des déchets de poisson dans la même mesure que les systèmes en pleine recirculation (Lennard, 2017 ; Goddek et Keesman, 2018 ). Par exemple, Goddek et Keesman (2018) affirment que pour trois exemples de systèmes aquaponiques découplés européens actuels, les exigences relatives en matière d'addition pour les nutriments externes dérivés de l'hydroponie sont de 40— 60% (NerBreen), 60% (Tilamur) et 38,1% (IGB Berlin). Étant donné que ces modèles découplés reposent sur l'intégration des techniques existantes de culture hydroponique/substrat, ils sont considérés comme aquaponiques dans leur nature (Delaide et al., 2016) (figure 5.3) (voir Chap. 8).

   La définition de l'aquaponie est maintenant élargie au-delà des facteurs écologiques, de l'eau et des nutriments et de l'optimisation pour inclure également les facteurs économiques (Goddek et Körner 2019 ; Goddek et Keesman 2018 ; Goddek 2017 ; Kloas et al. 2015 ; Reyes Lastiri et al. 2016 ; Yogev et al. 2016) (Chap. 8). Les avantages d'une telle approche sont qu'un résultat économique positif de la technologie aquaponique est aussi important que ses compétences biologiques, chimiques, techniques, écologiques et durables et que, par conséquent, le résultat économique devrait jouer un rôle dans la définition globale (Chap. 8).

   De nombreux avantages sont souvent associés à l'aquaponie, notamment en termes d'efficacité de l'utilisation de l'eau, d'efficacité de l'utilisation des éléments nutritifs, de nature durable, de capacité à produire deux cultures à partir d'une seule source d'intrants (aliments pour poissons) et de réduction de l'impact environnemental (Timmons, et al., 2002 ; Buzby et Lian-Shin 2014 ; Wongkiew et coll. 2017 ; Roosta et Hamidpour 2011 ; Suhl et coll. 2016). Ces avantages sont régulièrement cités et appliqués par les opérateurs aquaponiques commerciaux et sont utilisés comme voie de commercialisation et de régulation des prix pour les produits (poissons et plantes). Par conséquent, l'utilisation du nom « aquaponics » associe directement et immédiatement que les produits étiquetés comme tels ont été produits avec des méthodes qui contiennent ou utilisent les avantages énumérés. Cependant, il n'existe pas de réglementation officielle de l'industrie qui dicte que l'utilisation du mot (aquaponie) ne se produit que lorsque les avantages sont apparents et présents dans la technologie et les méthodes appliquées. Si les avantages ci-dessus sont attribués à l'aquaponie en tant que technologie, alors sûrement la technologie devrait fournir les avantages prescrits, et si la technologie ne fournit pas les avantages, alors le mot ne devrait pas être appliqué (Lennard 2017).

    

   Fig. 5.3 Schéma simplifié de l'eau principale coule dans un système aquaponique découplé. Les concentrations d'éléments nutritifs dans chaque composant peuvent être adaptées séparément aux exigences de chaque composant

   Parce que l'aquaponie peut être définie soit en termes de son aspect d'intégration matérielle (RAS avec hydroponique), de ses propriétés de partage ou de partitionnement des éléments nutritifs ou de sa capacité à fournir des avantages importants, il existe encore un large éventail d'applications possibles du nom à de nombreux qui utilisent des méthodes différentes et exigent des résultats différents. Par conséquent, il semble que la définition réelle de l'aquaponie n'est toujours pas résolue.

   Il semble donc que des questions très importantes restent à répondre : qu'est-ce que l'aquaponie et comment est-elle définie ?

   Cela suggère qu'un aspect très important pour l'industrie aquaponique est l'élaboration d'une définition véridique et convenue. L'industrie de l'aquaponie au sens large continuera d'être pleine de désaccord si une définition n'est pas acceptée, et plus important encore, les consommateurs des produits produits dans les systèmes aquaponiques deviendront de plus en plus confus quant à ce qu'est réellement l'aquaponique — un état de choses qui ne favorisera pas la croissance et l'évolution de l'industrie.

3. 5.3 Principes généraux

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

   Même si la définition de l'aquaponie n'a pas été entièrement résolue, certains principes généraux sont associés à la vaste gamme de méthodes et de technologies aquaponiques.

   L'utilisation optimale et efficace des nutriments ajoutés au système aquaponique pour produire les deux principaux produits de l'entreprise (c.-à-d. la biomasse des poissons et des plantes) est un premier principe important et partagé associé à la technologie (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Delaide et al. 2016 ; Knaus et Palm 2017). Il n'est pas utile d'ajouter des éléments nutritifs (qui ont un coût inhérent en termes d'argent, de temps et de valeur) à un système pour observer qu'un pourcentage élevé de ces éléments nutritifs sont divisés en processus, exigences ou résultats qui ne sont pas directement associés au poisson et aux plantes produits, ou à toute vie intermédiaire formes qui peuvent faciliter l'accès des poissons et des plantes aux nutriments (p. ex. microorganismes — bactéries, champignons, etc.) (Lennard 2017). Par conséquent, le principe général le plus important associé à l'aquaponique est probablement d'utiliser les nutriments appliqués aussi efficacement que possible afin d'optimiser la production de poissons et de plantes.

   Ce même argument peut également s'appliquer aux besoins en eau du système aquaponique en question ; encore une fois, l'eau ajoutée au système devrait être utilisée principalement par les poissons et les plantes et utilisée aussi efficacement que possible et ne pas laisser fuir vers des processus, des formes de vie ou des résultats qui ne sont pas directement associés à la production de poissons et de plantes ou pouvant avoir une incidence sur l'environnement environnant (Lennard, 2017).

   En termes réels, l'utilisation efficace des nutriments et de l'eau conduit à plusieurs principes de conception largement appliqués à la méthode aquaponique :

   1. Le principe le plus important de l'aquaponie est d'utiliser les déchets produits par les poissons comme principale source de nutriments pour les plantes. En fait, c'est toute l'idée de l'aquaponie et devrait donc être un pilote de premier ordre pour la méthode. L'aquaponie était historiquement envisagée comme un système de culture de plantes utilisant des déchets de pisciculture, de sorte que ces déchets d'aquaculture aient moins d'impact sur l'environnement et étaient considérés comme un produit positif et rentable, plutôt que comme un produit de déchets gênant avec un coût associé pour répondre à la législation environnementale. (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Love et al. 2015a, b).

   2. La conception du système devrait encourager l'utilisation de technologies de conservation du poisson et de culture végétale qui n'absorbent pas ou n'utilisent pas de façon destructive les ressources en eau ou en nutriments ajoutées. Par exemple, il est déconseillé d'utiliser des étangs en terre parce que l'étang en terre a la capacité d'utiliser et de rendre indisponibles les ressources en eau et en nutriments pour les poissons et les plantes associés, ce qui réduit l'efficacité de l'utilisation de l'eau et des éléments nutritifs du système. De même, les méthodes de culture hydroponique ne devraient pas utiliser des milieux qui absorbent des quantités excessives de nutriments ou d'eau et les rendent inaccessibles aux plantes (Lennard, 2017).

   3. La conception du système ne doit pas gaspiller des éléments nutritifs ou de l'eau par la production de flux de déchets externes. Principalement, si l'eau et les éléments nutritifs quittent le système par un flux de déchets, l'eau et ces éléments nutritifs ne sont pas utilisés pour la production de poissons ou de plantes et, par conséquent, l'eau et ces éléments nutritifs sont gaspillés et le système n'est pas aussi efficace que possible. En outre, la production d'un flux de déchets peut avoir un impact environnemental potentiel. Si les eaux usées et les éléments nutritifs quittent le système aquaponique, ils devraient être utilisés dans d'autres technologies de production d'installations extérieures à système afin que l'eau et les nutriments ne soient pas gaspillés, contribuent à la production globale de biomasse comestible ou vendable et ne présentent pas de potentiel d'impact environnemental plus large ( Tyson et coll. 2011).

   4. Le système devrait être conçu pour réduire ou, idéalement, annuler complètement l'impact environnemental direct de l'eau ou des nutriments. Un objectif de premier ordre de l'aquaponie est d'utiliser les déchets produits par les poissons comme source nutritive pour les plantes afin d'annuler le rejet de ces nutriments directement dans l'environnement environnant où ils peuvent avoir des répercussions (Tyson et al., 2011).

   5. Les systèmes aquaponiques devraient idéalement se prêter à être situés dans des structures et des situations contrôlées par l'environnement (p. ex. serres, locaux à poissons). Cela permet d'obtenir les meilleurs taux de production de poissons et de plantes à partir du système. La plupart des conceptions aquaponiques sont relativement élevées en termes de coûts d'investissement et de coûts de production permanents. Par conséquent, la capacité de loger le système dans un environnement parfait augmente les potentiels de profit qui justifient financièrement le capital et les coûts de production élevés (Lennard, 2017).

   Les principes de conception décrits ci-dessus s'associent directement à un ensemble de principes généraux qui sont souvent, mais pas toujours, appliqués à l'environnement de production aquaponique. Ces principes généraux ont trait au fonctionnement du système et à la répartition des nutriments entre le système et ses habitants.

   La prémisse fondamentale de l'aquaponie, dans un contexte dynamique des éléments nutritifs, est que les poissons sont nourris, métabolisés et utilisent les nutriments contenus dans l'alimentation du poisson, libèrent des déchets basés sur les substances contenues dans l'alimentation du poisson qu'ils n'utilisent pas (y compris les éléments), que la microflore accède à ces déchets métaboliques du poisson et utilise de petites quantités d'entre elles, mais transforment le reste, et les plantes accèdent ensuite à ces déchets métaboliques transformés et les éliminent en tant que sources nutritives et, dans une certaine mesure, nettoient le milieu aquatique de ces déchets et neutralisent toute accumulation qui y est associée (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Love et al. 2015a, b).

   Étant donné que les systèmes de production de poissons en terre éliminent eux-mêmes les éléments nutritifs, l'aquaponie utilise généralement ce qu'on appelle les principes du système d'aquaculture en recirculation (Rakocy et Hargreaves, 1993 ; Timmons et al., 2002). Les poissons sont conservés dans des réservoirs constitués de matériaux qui n'éliminent pas les nutriments de l'eau (plastique, fibre de verre, béton, etc.), l'eau est filtrée pour traiter ou enlever les déchets métaboliques du poisson (solides et gaz d'ammoniac dissous) et l'eau (et les nutriments associés) est ensuite dirigée vers une usine dans le cadre duquel les plantes utilisent les déchets de poisson comme partie de leur ressource nutritive (Timmons et al., 2002). En ce qui concerne les poissons, les composants de culture végétale à base de terre ne sont pas utilisés parce que les sols en cause éliminent les nutriments et ne les rendent pas nécessairement entièrement disponibles pour les plantes. De plus, les techniques de culture végétale hydroponique n'utilisent pas de sol et sont plus propres que les systèmes basés sur le sol et permettent un contrôle passif des mélanges de micro-organismes présents.

   Les plantes cultivées en hydroponie classique nécessitent l'ajout de ce qu'on appelle des engrais minéraux : les nutriments présents sous leurs formes basales et ioniques (p. ex. nitrate, phosphate, potassium, calcium, etc.) (Resh, 2013). À l'inverse, les systèmes d'aquaculture en recirculation doivent appliquer des échanges d'eau réguliers (quotidiens) pour contrôler l'accumulation de métabolites des déchets de poisson (Timmons et al., 2002). Aquaponics cherche à combiner les deux entreprises distinctes pour produire un résultat qui atteint le meilleur des deux technologies tout en niant la pire (Goddek et al. 2015).

   Les plantes nécessitent une suite de macro et micro éléments pour une croissance optimale et efficace. En aquaponie, la majorité de ces nutriments proviennent des déchets de poisson (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Lennard 2017 ; COST FA1305 2017). Cependant, les aliments pour poissons (la principale source d'éléments nutritifs du système aquaponique) ne contiennent pas tous les nutriments nécessaires à une croissance optimale des plantes ; par conséquent, une alimentation externe, à des degrés divers, est nécessaire.

   L'hydroponie standard et la culture de substrats ajoutent des nutriments à l'eau sous des formes directement disponibles sur les plantes (c.-à-d. des formes ioniques et inorganiques produites par des ajouts de variétés de sel conçus) (Resh, 2013). Une partie des déchets rejetés par les poissons sont sous des formes directement disponibles sur les plantes (p. ex. ammoniac), mais potentiellement toxiques pour les poissons (Timmons et al., 2002). Ces métabolites ioniques dissous des déchets de poisson, comme l'ammoniac, sont transformés par des espèces bactériennes omniprésentes qui remplacent les ions hydrogène par des ions oxygène, le produit provenant de l'ammoniac étant le nitrate, qui est beaucoup moins toxique pour les poissons et la source d'azote préférée pour les plantes (Lennard, 2017). D'autres nutriments appropriés à l'absorption par les plantes sont liés dans la fraction solide des déchets de poisson sous forme de composés organiques et nécessitent un traitement supplémentaire par interaction microbienne pour rendre les nutriments disponibles à l'absorption par les plantes (Goddek et al., 2015). Par conséquent, les systèmes aquaponiques nécessitent une suite de microflore pour effectuer ces transformations.

   La clé d'une intégration aquaponique optimisée consiste à déterminer le rapport entre la production de déchets de poisson (directement influencée par l'ajout d'aliments pour poissons) et l'utilisation des nutriments végétaux (Rakocy et Hargreaves, 1993 ; Lennard et Leonard, 2006 ; Goddek et al., 2015). Différentes règles empiriques et modèles ont été développés pour tenter de définir cet équilibre. Rakocy et al. (2006) ont mis au point une approche qui correspond aux besoins de la zone de croissance des plantes avec l'apport quotidien d'aliments pour poissons et l'a appelée le « rapport aquaponique de taux d'alimentation ». Le taux d'alimentation est fixé entre 60 et 100 grammes d'aliments pour poissons ajoutés par jour, par mètre carré de surface végétale (60—100 g/msup2/sup/jour). Ce taux d'alimentation a été développé en utilisant des poissons Tilapia spp. consommant un régime commercial standard de 32 % de protéines (Rakocy et Hargreaves, 1993). En outre, le système aquaponique auquel ce rapport est particulier (connu sous le nom de système aquaponique de l'Université des îles Vierges — système UVI) n'utilise pas la fraction de déchets solides de poisson, est suralimenté en azote et nécessite une dénitrification passive dans le système pour contrôler le taux d'accumulation d'azote ( Lennard 2017). D'autres ont déterminé des rapports alternatifs basés sur différentes combinaisons de poissons et de plantes, testés dans différentes conditions spécifiques (p. ex. Endut et al. 2010 — 15—42 g/msup2/sup/jour pour le poisson-chat africain, Clarias gariepinus et les épinards aquatiques, Ipomoea aquatica).

   Le taux d'alimentation UVI a été développé par Rakocy et son équipe à titre d'approche approximative ; d'où la raison pour laquelle il est indiqué comme une plage (Rakocy et Hargreaves 1993). Le rapport UVI tente de tenir compte du fait que les différentes plantes nécessitent des quantités et des mélanges d'éléments nutritifs différents et, par conséquent, une approche de conception aquaponique « générique » est une perspective difficile. Lennard (2017) a mis au point une autre approche qui cherche à faire correspondre directement les taux de production d'éléments nutritifs des déchets de poisson (en fonction de l'aliment utilisé et de la conversion et de l'utilisation de ces aliments pour poissons) avec des taux spécifiques d'absorption des éléments nutritifs chez les plantes, de sorte que le rapport élevé entre les poissons et les plantes corresponde à tout les espèces de poissons ou de plantes choisies peuvent être réalisées et prises en compte dans la conception du système aquaponique. Il associe cette approche de conception à une approche de gestion spécifique qui utilise également tous les nutriments disponibles dans la fraction de déchets solides de poisson (par la reminéralisation aérobie des déchets solides de poisson) et ajoute uniquement les nutriments requis par les espèces végétales choisies pour la culture qui ne sont pas présents dans la fractions de production de déchets de poisson. Par conséquent, cela réduit considérablement le taux d'alimentation associé (par exemple, moins de 11 g/msup2/sup/jour pour certaines variétés vertes feuillues comme équivalent UVI) et permet à toutes les espèces de poissons d'être spécifiquement et exactement appariées à toutes les espèces végétales choisies (Lennard, 2017). De même, Goddek et al. (2016) ont proposé des modèles qui permettent une détermination plus rigoureuse du rapport entre les poissons et les plantes pour les systèmes aquaponiques découplés.

   Les principes généraux d'une utilisation efficace des nutriments, d'une utilisation faible et efficace de l'eau, d'un impact environnemental faible ou négligé, de la capacité d'être éloigné des ressources traditionnelles du sol et de la durabilité de l'utilisation des ressources sont les principes généraux appliqués à la conception et à la configuration des systèmes aquaponiques et à leur devrait être encouragée sur le terrain et dans l'industrie.

4. 5.4 Sources d'eau

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

   L'eau est le milieu clé utilisé dans les systèmes aquaponiques parce qu'elle est partagée entre les deux principaux composants du système (poissons et végétaux), qu'elle est le principal porteur des ressources nutritives du système et qu'elle définit l'environnement chimique global dans lequel se trouvent les poissons et les plantes. Par conséquent, il s'agit d'un ingrédient vital qui peut avoir une influence considérable sur le système.

   Dans un système aquaponique, le contexte de l'environnement à base d'eau, la source d'eau et ce que cette source d'eau contient chimiquement, physiquement et biologiquement ont une influence majeure sur le système, car il établit une base de référence pour ce qui doit être ajouté au système par les diverses entrées du système. Ces intrants, à leur tour, influencent et établissent l'environnement dans lequel les poissons et les plantes sont cultivés. Par exemple, certains des principaux intrants nutritifs dans tout système aquaponique comprennent, sans s'y limiter, les aliments pour poissons (une ressource nutritive primaire pour le système), les tampons appliqués (qui aident à contrôler et à fixer les valeurs de pH associées aux composantes du poisson et de la plante) et tout autre élément externe les ajouts nutritifs ou les suppléments nécessaires pour répondre aux besoins en nutriments des poissons et des plantes (Lennard, 2017).

   Les aliments pour poissons sont conçus pour fournir la nutrition nécessaire à la croissance et à la santé des poissons et contiennent donc des mélanges et des quantités d'éléments nutritifs principalement pour aider les poissons en culture (Timmons et al., 2002 ; Rakocy et al., 2006). Par contre, les plantes ont des besoins en nutriments différents pour les poissons, et les aliments pour poissons répondent rarement, voire jamais, aux besoins nutritionnels totaux des plantes (Rakocy et al., 2006). Pour cette raison, les systèmes aquaponiques qui cultivent des poissons et des plantes uniquement en utilisant des ressources nutritives dérivées des aliments du poisson peuvent produire efficacement et de façon optimale du poisson, mais ils le font rarement pour les plantes. Les meilleures conceptions de systèmes aquaponiques reconnaissent que le résultat final est de produire des poissons et des plantes à des taux de croissance optimaux et efficaces et, par conséquent, reconnaissent également qu'une certaine forme de nutrition supplémentaire est nécessaire pour répondre aux besoins totaux en nutriments des plantes (Rakocy et al., 2006 ; Suhl et al., 2016).

   Les systèmes aquaponiques classiques entièrement recirculants reposent généralement sur les aliments pour poissons (après que les poissons ont consommé ces aliments, les ont métabolisés et utilisés les nutriments qui y sont contenus) comme principale source de nutriments pour les plantes et complètent tout élément nutritif manquant requis par les plantes au moyen d'une forme quelconque de régime tampon ( Rakocy et al. 2006) ou par supplémentation supplémentaire en éléments nutritifs (p. ex. ajout de formes nutritives chélatées directement dans l'eau de culture ou ajout de nutriments par pulvérisation foliaire) (Roosta et Hamidpour, 2011).

   Le meilleur exemple de cette approche aquaponique recirculant classique est le système aquaponique UVI (Université des îles Vierges) mis au point par le Dr James Rakocy et son équipe UVI (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Rakocy et al. 2006). La conception des UVI ajoute principalement des éléments nutritifs pour la culture des poissons et des plantes par l'ajout d'aliments pour poissons. Cependant, les aliments pour poissons ne contiennent pas suffisamment de calcium (Casup+/SUP) et de potassium (KSUP+/SUP) pour une culture végétale optimale. La conversion par les bactéries de l'ammoniac dissous des déchets de poisson en nitrate provoque la production à l'échelle du système d'ions hydrogène dans la colonne d'eau, et la prolifération de ces ions hydrogène entraîne une chute constante du pH de l'eau du système vers l'acide. Le régime de tampons utilisé ajoute le calcium et le potassium manquants en ajoutant au système des sels de base (souvent des sels à base d'ions carbonate, bicarbonate ou hydroxyle associés au calcium ou au potassium) qui aident à contrôler le pH de l'eau du système à un niveau qui répond à la fois aux exigences environnementales du pH commun de les poissons et les plantes, tout en fournissant le calcium et le potassium supplémentaires dont les plantes ont besoin (Rakocy et al., 2006). De plus, le système UVI ajoute un autre élément nutritif important pour la croissance des plantes qui n'est pas disponible dans les aliments standard pour poissons, le fer (Fe), par l'ajout régulier et contrôlé de chélate de fer. Par conséquent, le potassium, le calcium et le fer dont les plantes ont besoin et qui ne se trouvent pas dans les aliments pour poissons sont disponibles grâce à ces deux mécanismes supplémentaires d'approvisionnement en nutriments (Rakocy et al., 2006).

   Les conceptions aquaponiques découplées adoptent une approche pour cultiver les poissons et les plantes de manière à ce que l'eau soit utilisée par les poissons et que les déchets de poisson soient fournis aux plantes, sans recirculation de l'eau vers les poissons (Karimanzira et al., 2016). Les conceptions découplées permettent donc une plus grande souplesse dans la personnalisation de la chimie de l'eau, après utilisation du poisson, pour une production végétale optimisée, car la supplémentation des nutriments qui ne sont pas présents dans les aliments pour poissons (et les déchets de poisson) peut être réalisée sans que l'eau ne soit retrouvée dans le poisson (Goddek et al., 2016). Cela signifie que les conceptions découplées peuvent éventuellement appliquer des mélanges et des forces plus exigeants à l'eau de culture, après l'utilisation du poisson, pour la culture végétale, et cela peut être obtenu avec une supplémentation plus exigeante et plus intense en nutriments.

   Dans les deux cas (systèmes aquaponiques recirculants et découplés), il est essentiel de comprendre la qualité chimique de l'eau de source afin d'atteindre des concentrations aussi proches des concentrations optimales en nutriments pour les plantes. Si, par exemple, la source d'eau contient du calcium (cas souvent observé lorsque les ressources en eau souterraine sont utilisées), cela affectera et modifiera le régime tampon appliqué aux plans aquaponiques en recirculation et l'étendue de la supplémentation en éléments nutritifs appliquée à un plan découplé parce que le calcium présent dans la source d'eau compensera toute supplémentation nécessaire pour répondre aux besoins en calcium des plantes (Lennard, 2017). Ou, si la source d'eau contient des concentrations élevées de sodium (Nasup+/SUP) (encore une fois, souvent observée avec les ressources en eau souterraine et que les plantes nutritives n'utilisent pas et qui peuvent s'accumuler dans les eaux du système), il est important de savoir quelle quantité est présente afin d'appliquer des méthodes de gestion afin d'éviter les plantes potentielles. toxicité des nutriments (Rakocy et al., 2006). La nature chimique de l'eau de source est donc essentielle à la santé et à la gestion globales du système aquaponique.

   En fin de compte, comme la chimie de l'eau de source peut affecter la gestion des éléments nutritifs du système aquaponique et parce que les opérateurs aquaponiques aiment avoir la capacité de manipuler l'eau aquaponique et la chimie des nutriments à un degré élevé, une source d'eau avec peu ou pas de chimie associée à l'eau est hautement souhaitable (Lennard 2017). En ce sens, l'eau de pluie ou l'eau traitée pour élimination chimique (par exemple osmose inverse) est la meilleure source d'eau pour l'aquaponie dans un contexte de chimie de l'eau (Rakocy et al. 2004a, b ; Lennard, 2017). Les eaux souterraines conviennent également, mais il faut s'assurer qu'elles ne contiennent pas de produits chimiques ou de sels à des concentrations trop élevées pour être pratiques (p. ex., des concentrations élevées de magnésium ou de fer) ou qu'elles contiennent des espèces chimiques qui ne sont pas utilisées par les poissons ou les plantes (p. ex. des concentrations élevées de sodium) (Lennard, 2017). Les eaux fluviales peuvent également servir d'eau de source aquaponique, mais comme pour les autres sources d'eau, elles doivent être soumises à des essais de présence chimique et de concentration. Les sources d'eau des villes (c.-à-d. l'eau réticulée et fournie à des fins domestiques et de consommation) sont largement utilisées en aquaponie (Love et al., 2015a, b) et sont également acceptables si elles contiennent des concentrations acceptables d'éléments nutritifs, de sel ou de produits chimiques. Dans le cas des ressources en eau fournies par les municipalités, il convient de noter que de nombreux approvisionnements sont soumis à une forme quelconque de stérilisation pour rendre l'eau potable pour les humains. Si cette source d'eau doit être utilisée pour l'aquaponie, il est important de s'assurer que les substances chimiques qui pourraient être appliquées pour obtenir la stérilisation (p. ex. chlore, chloramine, etc.) ne sont pas présentes dans des concentrations qui pourraient nuire aux poissons, aux plantes ou aux micro-organismes du système aquaponique (Lennard 2017).

   La chimie associée à l'eau de source n'est pas le seul facteur à prendre en considération lors de l'approvisionnement en eau de source à des fins aquaponiques. De nombreuses eaux naturelles peuvent aussi contenir des microorganismes et d'autres microorganismes qui peuvent affecter la santé écologique globale du système aquaponique ou présenter un risque évident pour la santé humaine. Les eaux pluviales contiennent rarement des microbes elles-mêmes ; toutefois, les récipients ou réservoirs dans lesquels l'eau de pluie peut être stockée peuvent contenir ou permettre la prolifération microbienne. Les eaux souterraines sont généralement bonnes en termes de présence microbienne, mais peuvent également contenir des charges microbiennes élevées, surtout si elles proviennent de zones associées à l'élevage ou au traitement des déchets humains. Les eaux fluviales peuvent également contenir des charges microbiennes élevées dues aux débits de déchets agricoles ou de traitement des déchets humains et doivent encore être vérifiées au moyen d'une analyse microbienne détaillée (Lennard, 2017).

   Étant donné que la nature chimique et microbienne de l'eau de source utilisée dans les systèmes aquaponiques peut avoir des effets potentiels sur la chimie et la microbiologie de l'eau du système, il est recommandé que toute source d'eau appliquée soit stérilisée et traitée à des fins d'élimination chimique (p. ex. osmose inverse, distillation, etc.) avant d'être utilisée dans un système aquaponique (Lennard 2017). Si la stérilisation est universellement appliquée, les chances d'introduire des microbes étrangers et indésirables dans le système sont considérablement réduites. Si le traitement et la filtration de l'eau sont appliqués, les produits chimiques, les sels, les nutriments indésirables, les pesticides, les herbicides, etc. seront éliminés et ne pourront donc pas contribuer négativement au système.

   Une source d'eau propre, exempte de microbes, de sels, de nutriments et d'autres produits chimiques, permet à l'opérateur aquaponique de manipuler l'eau du système pour contenir le mélange d'éléments nutritifs et la force dont il a besoin sans craindre que des influences externes puissent affecter le fonctionnement du système ou la santé et la force du les poissons et les plantes et est une exigence essentielle pour toute exploitation aquaponique commerciale.

5. 5.5 Exigences en matière de qualité

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

   L'aquaponie représente un effort pour contrôler la qualité de l'eau afin que toutes les formes de vie actuelles (poissons, plantes et microbes) soient cultivées dans des conditions chimiques de l'eau aussi proches que possible (Goddek et al., 2015). Si la chimie de l'eau peut être adaptée aux exigences de ces trois ensembles de formes de vie importantes, l'efficacité et l'optimisation de la croissance et de la santé de tous peuvent être recherchées (Lennard 2017).

   L'optimisation est importante pour la production aquaponique commerciale car ce n'est que par l'optimisation que le succès commercial (c'est-à-dire la rentabilité financière) peut être réalisé. Par conséquent, les exigences en matière de chimie de l'eau et de qualité de l'eau dans le système aquaponique sont essentielles au succès commercial et économique ultime de l'entreprise (Goddek et al., 2015).

   Il existe actuellement un désaccord au sein de l'industrie et de la communauté aquaponique au sujet de ce qui représente une qualité de l'eau bonne ou acceptable dans les systèmes aquaponiques. Il semble qu'il soit universellement accepté que les exigences en matière de chimie naturelle de l'eau des sous-ensembles individuels de formes de vie (poissons, plantes et microbes) soient largement acceptées (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Rakocy et al. 2006 ; Goddek et al. 2015 ; Delaide et al. 2016 ; Lennard 2017). Cependant, la présence d'un large éventail d'approches, de méthodes et de choix technologiques appelés aquaponiques et le contexte ou l'historique des technologies autonomes associées des systèmes aquacoles recirculants (RAS) et de la culture végétale hydroponique (y compris la culture de substrats) semblent conduire à désaccords entre les opérateurs, les scientifiques et les concepteurs. Par exemple, en tenant compte d'un seul paramètre chimique de l'eau, le pH, certains soutiennent que les exigences en matière de pH des plantes d'élevage hydroponique sont très différentes des exigences en pH des espèces de poissons d'eau douce d'élevage de Ras (Suhl et al., 2016). L'industrie hydroponique applique généralement des paramètres de pH compris entre 4,5 et 6,0 pour la culture végétale à base d'eau (Resh, 2013), alors que l'industrie du RAS applique généralement des paramètres de pH compris entre 7,0 et 8,0 (Timmons et al., 2002) pour répondre aux besoins des poissons et des microbes présents (qui produisent des résultats importants transformations de métabolites de déchets de poisson potentiellement toxiques en formes moins toxiques). Par conséquent, l'argument est que tout point de fixation du pH constitue un compromis entre les exigences des plantes, des poissons et des microbes et que, par conséquent, un pH optimal pour toutes les formes de vie n'est pas réalisable, ce qui conduit à une production végétale sous-optimale (Suhl et al., 2016). D'autres soutiennent toutefois qu'un examen plus approfondi des complexités de la dynamique des nutriments de l'absorption des nutriments chez les plantes pourrait élucider une opinion différente (Lennard, 2017).

   Les systèmes hydroponiques (et de culture de substrat) alimentent les plantes sous leurs formes ioniques basales en ajoutant des sels nutritifs à l'eau qui se dissocient pour libérer les ions nutritifs disponibles (Resh, 2013). La recherche a démontré que ces formes d'éléments nutritifs ioniques existent dans une fenêtre de disponibilité pour la plante, en fonction du pH de l'eau du système disponible. Par conséquent, dans un contexte hydroponique standard, sans flore microbienne actuelle (c.-à-d. stérilisée — comme le sont la plupart des systèmes hydroponiques), il est important de fixer le pH de l'eau du système à un niveau qui rend le mélange de nutriments ioniques dont la plante a besoin le plus possible (Resh 2013). Dans n'importe quel système hydroponique, il s'agit d'un compromis en soi, car, comme le démontre toute carte de disponibilité des nutriments ioniques (voir fig. 5.4), différentes formes d'éléments nutritifs ioniques sont les plus disponibles à différents pH (Resh, 2013). C'est cette association standard de disponibilité des nutriments ioniques que l'industrie hydroponique utilise comme amorce pour les points de fixation du pH et explique pourquoi le pH opérationnel hydroponique souhaité se situe entre 4,5 et 6,0 (environnement acide) dans les systèmes de culture hydroponique et de substrat stérilisés.

   Alternativement, le RAS applique un point de consigne du pH de l'eau en fonction de ce qui est naturel pour le poisson en culture et des microbes qui traitent et convertissent les déchets de poisson

    

   Fig. 5.4 Exemple de tableau standard de la disponibilité des nutriments par le pH pour les plantes en culture aquatique. La ligne rouge représente un pH de fonctionnement normal pour un système hydroponique ; la ligne bleue pour un système aquaponique

   (Timmons et coll. 2002 ; Goddek et coll. 2015 ; Suhl et coll. 2016). Dans les milieux naturels d'eau douce, la plupart des espèces de poissons ont besoin d'un pH environnemental (c.-à-d. le pH de l'eau) qui correspond étroitement au pH interne du poisson, qui est souvent proche d'un pH de 7,4 (Lennard, 2017). De plus, les principaux microbes associés à la transformation du métabolite dissous en culture RAS (bactéries de nitrification de plusieurs espèces) nécessitent également un pH d'environ 7,5 pour une transformation optimale de l'ammoniac en nitrate (Goddek et al., 2015 ; Suhl et al., 2016). Par conséquent, les exploitants du SAR appliquent un point de consigne de pH d'environ 7,5 à la pisciculture d'eau douce du SAR.

   Il existe une différence évidente entre un pH de 5,5 (une moyenne pour la culture végétale standard, stérilisée et hydroponique) et un pH de 7,5 (une norme moyenne pour la pisciculture RAS). Par conséquent, on soutient généralement que le pH représente l'un des plus grands compromis sur la qualité de l'eau en science aquaponique (Goddek et al., 2015 ; Suhl et al., 2016). Les partisans des conceptions aquaponiques découplées citent souvent cette différence dans l'exigence de pH optimal comme argument de l'approche de conception découplée, affirmant que les conceptions en pleine recirculation doivent trouver un compromis sur le pH lorsque les conceptions découplées ont le luxe d'appliquer différents points de consigne de pH de l'eau au poisson et à la plante composants (Suhl et coll. 2016 ; Goddek et coll. 2016). Cependant, ce que cet argument ignore, c'est que les systèmes aquaponiques, contrairement aux systèmes hydroponiques, ne sont pas stériles et utilisent des techniques aquatiques écologiques qui encouragent la présence d'une population diversifiée de microflore dans le système aquaponique (Eck 2017 ; Lennard 2017). Il en résulte une grande variété de microbes présents, dont beaucoup forment des associations complexes et complexes avec les plantes, en particulier les racines des plantes, dans le système aquaponique (Lennard, 2017). Il est bien connu et établi en physiologie végétale que de nombreux microbes, associés au milieu et à la matrice du sol, s'associent étroitement aux racines des plantes et que bon nombre de ces microbes aident les plantes à accéder aux nutriments vitaux et à les absorber (Vimal et al., 2017). Il est également connu que certains de ces microbes produisent des molécules organiques qui contribuent directement à la croissance des plantes, favorisent le développement de l'immunité des plantes et aident à surpasser les agents pathogènes des plantes (en particulier les racines) (Vimal et al., 2017 ; Srivastava et al., 2017). Essentiellement, ces microbes aident les plantes de plusieurs façons qui ne sont tout simplement pas présentes dans l'environnement stérilisé appliqué en culture hydroponique standard.

   Avec la présence de ces microbes divers, les plantes ont accès à des nutriments de bien des façons qui ne sont pas possibles dans les systèmes qui dépendent uniquement des paramètres du pH aquatique pour permettre l'accès aux nutriments des plantes (p. ex. hydroponiques standard et culture de substrats). Bon nombre de ces microbes opèrent à de larges niveaux de pH, tout comme d'autres microbes du sol, comme les bactéries de nitrification (pH de 6,5—8,0, Timmons et al., 2002). Par conséquent, avec ces microbes présents dans les systèmes aquaponiques, le point de consigne du pH peut être élevé au-dessus de ce qui est normalement appliqué dans les techniques de culture hydroponique ou de substrat (c.-à-d. pH de 4,5—6,0) alors que la croissance végétale avancée et efficace est encore présente (Lennard, 2017). Cela est démontré par les travaux de plusieurs chercheurs aquaponiques qui ont démontré de meilleurs taux de croissance des plantes en aquaponie que dans l'hydroponie standard (Nichols et Lennard, 2010).

   D'autres exigences en matière de qualité de l'eau dans les systèmes aquaponiques concernent les paramètres physiques/chimiques et, plus précisément, les paramètres des besoins en éléments nutritifs des plantes. En ce qui concerne les besoins physico-chimiques, les plantes, les poissons et les microbes partagent de nombreux points communs. L'oxygène dissous (OD) est vital pour les poissons, les racines des plantes et la microflore et doit être conservé dans les systèmes aquaponiques (Rakocy et Hargreaves, 1993 ; Rakocy et al., 2006). Les racines et la microflore des plantes exigent généralement des concentrations d'OD relativement plus faibles que la plupart des poissons ; les racines et les microbes des plantes peuvent survivre avec une OD inférieure à 3 mg/L (Goto et al., 1996), alors que la plupart des poissons ont besoin de plus de 5 mg/L (Timmons et al., 2002). Par conséquent, si la concentration d'OD dans le système aquaponique est établie et maintenue pour répondre aux besoins en poisson, l'exigence relative aux végétaux et aux microbes est également satisfaite (Lennard, 2017). Différentes espèces de poissons exigent des concentrations d'OD différentes : les poissons d'eau chaude (p. ex., Tilapia spp., barramundi) peuvent généralement tolérer des concentrations d'OD plus faibles que les espèces de poissons d'eau froide (p. ex. les salmonidés comme la truite arc-en-ciel et l'omble chevalier) ; parce que les besoins en OD du poisson sont presque toujours plus élevés que la plante les racines et les besoins microfloraux, l'OD devrait être fixé pour les espèces de poissons spécifiques cultivées (Lennard, 2017).

   Les concentrations de dioxyde de carbone dans l'eau (COsub2/sub), comme celle de l'OD, sont généralement fixées par les poissons parce que les racines et les microbes des plantes peuvent tolérer des concentrations plus élevées que les poissons. Les concentrations de dioxyde de carbone sont importantes pour la santé et la croissance optimales des poissons et sont souvent ignorées dans les conceptions aquaponiques. Les paramètres et les points de consigne pour les concentrations de COSub2/sous devraient être les mêmes que pour les mêmes espèces de poissons cultivées uniquement dans des systèmes SAR et, en général, devraient être maintenus en dessous de 20 mg/L (Masser et al., 1992).

   La température de l'eau est importante pour toutes les formes de vie actuelles dans un système aquaponique. Les espèces de poissons et de plantes devraient être appariées aussi étroitement que possible pour les besoins en température de l'eau (p. ex. Tilapia spp. de poissons comme 25 ˚C plus, et les plantes comme le basilic prospèrent à cette température relativement élevée de l'eau ; les variétés de laitues comme l'eau froide, et par conséquent, un candidat de poisson mieux adapté est l'arc-en-ciel truite) (Lennard 2017). Cependant, comme pour les autres paramètres physiques et chimiques de l'eau, il est primordial de satisfaire aux exigences des poissons en matière de température de l'eau parce que les microbes ont la capacité de faire l'objet d'une sélection spécifique d'espèces en fonction des conditions ambiantes (p. ex., la différenciation des espèces bactériennes de nitrification se produit à différents les températures de l'eau et les espèces qui correspondent le mieux à la température particulière de l'eau domineront la biomasse bactérienne de nitrification du système) et de nombreuses plantes peuvent se développer très bien à une gamme plus large de températures de l'eau (Lennard, 2017). L'adaptation de la température de l'eau et la maintenir à une température de plus ou moins 2˚C (c'est-à-dire un contrôle de la température de haut niveau) au poisson est une exigence importante en aquaponie car lorsque la température de l'eau est correcte et ne s'écarte pas de la moyenne idéale, le poisson obtient un métabolisme efficace et optimisé et consommer et convertir efficacement les aliments pour animaux, ce qui entraîne de meilleurs taux de croissance des poissons et des rejets de charges résiduelles stables et prévisibles, ce qui contribue à la culture végétale (Timmons et al., 2002).

   Le maintien de la clarté de l'eau (faible turbidité) est un autre paramètre important dans la culture aquaponique (Rakocy et al., 2006). La majeure partie de la turbidité de l'eau est due à des charges de solides en suspension qui n'ont pas été filtrées adéquatement, et ces solides peuvent affecter les poissons en adhérant à leurs branchies, ce qui peut réduire les taux de transfert d'oxygène et les taux de libération d'ammoniac (Timmons et al., 2002). Des charges de matières solides en suspension inférieures à 30 mg/L sont recommandées pour les poissons d'élevage aquaponique (Masser et al., 1992 ; Timmons et al., 2002). Des charges élevées de solides en suspension affectent également les racines des plantes parce qu'elles ont la capacité d'adhérer aux racines, ce qui peut causer une inefficacité de l'absorption des nutriments, mais elles offrent plus souvent un potentiel accru de colonisation des organismes pathogènes, ce qui entraîne une mauvaise santé des racines et la mort ultime des plantes (Rakocy et al., 2006). Ces solides en suspension encouragent également la prévalence de bactéries hétérotrophes (espèces qui se décomposent et métabolisent le carbone organique) qui, si elles sont autorisées à dominer les systèmes, peuvent surpasser d'autres espèces requises, comme les bactéries de nitrification.

   La conductivité électrique (EC) est une mesure souvent appliquée en hydroponie pour mieux comprendre la quantité de nutriments totaux présents dans l'eau. Toutefois, il ne peut fournir de renseignements sur le mélange d'éléments nutritifs, la présence ou l'absence d'espèces d'éléments nutritifs individuelles ou la quantité d'espèces d'éléments nutritifs présentes (Resh, 2013). Il n'est pas souvent appliqué en aquaponie parce qu'il ne mesure que la présence de formes ioniques (chargées) d'éléments nutritifs, et il a été soutenu que l'aquaponie est une méthode d'approvisionnement en nutriments organiques et que, par conséquent, EC n'est pas une mesure pertinente (Hallam 2017). Cependant, les plantes ne fournissent généralement que des formes ioniques de nutriments et, par conséquent, EC peut être utilisé comme outil général ou guide de la quantité totale d'éléments nutritifs disponibles pour les plantes dans un système aquaponique (Lennard, 2017).

   Pour les systèmes aquaponiques en pleine recirculation, en termes de paramètres physiques et chimiques, ce sont les poissons qui sont les plus exigeants dans leurs besoins. Par conséquent, si les systèmes sont gérés de manière à maintenir les besoins du poisson, les plantes et les microbes ont plus que satisfait à leurs besoins (Lennard 2017). La différence en ce qui concerne les plantes, cependant, réside dans leur exigence de présence du mélange correct et de la force des nutriments afin de permettre un accès et une absorption optimisés des nutriments (autonomes ou assistés par microbes), ce qui conduit à une croissance efficace et rapide. Les systèmes aquaponiques découplés peuvent donc être plus attrayants en raison de la perception qu'ils permettent un apport plus exigeant d'éléments nutritifs aux plantes (Goddek et al., 2016). Les aliments pour poissons et, par conséquent, les déchets de poisson ne contiennent pas le bon mélange de nutriments pour satisfaire aux exigences de la plante (Rakocy et al., 2006). Par conséquent, la conception du système aquaponique doit tenir compte des éléments nutritifs manquants et les compléter. Les systèmes aquaponiques entièrement recirculants complètent généralement les nutriments en les ajoutant dans les espèces de sel utilisées pour gérer le régime quotidien de tampons du pH ; la portion de base du sel ajuste le pH et la partie positive du sel permet la supplémentation des nutriments végétaux manquants (p. ex. potassium, calcium, magnésium) (Rakocy et al. 2006). Les conceptions aquaponiques découplées retirent les eaux usées et les déchets solides associés de la composante poisson et ajustent l'eau pour contenir les nutriments nécessaires à la production végétale en ajoutant des éléments nutritifs sous différentes formes (Goddek et al., 2016). Ces ajouts nutritifs sont généralement fondés sur l'utilisation d'espèces de sel hydroponique standard qui ne fournissent pas nécessairement de résultat d'ajustement du pH (p. ex. phosphate de calcium, sulfate de calcium, phosphate de potassium, etc.).

   La voie vers une croissance efficace des plantes dans les systèmes aquaponiques consiste à fournir un profil nutritif aquatique qui fournit tous les nutriments dont la plante a besoin (mélange) aux concentrations requises (concentration) (Lennard, 2017). Dans les conceptions aquaponiques entièrement recirculées, ou dans les conceptions aquaponiques découplées qui n'appliquent pas de méthodes de stérilisation, il semble y avoir moins de nécessité de respecter les concentrations ou les teneurs en éléments nutritifs appliquées dans l'hydroponie standard, parce que la nature écologique du système associe de nombreuses microflore avec les racines des plantes et ces microflore facilitent l'accès aux nutriments des plantes (Lennard 2017). Dans le cas des conceptions aquaponiques découplées ou autres qui appliquent la stérilisation à la composante végétale et qui suivent une approche analogue hydroponique standard, il semble être nécessaire d'essayer d'approcher les concentrations d'éléments nutritifs hydroponiques standard (Suhl et al., 2016 ; Karimanzira et al., 2016). Cependant, le compromis avec l'approche découplée est qu'elle conduit à des ratios de supplémentation externe bien au-delà de ceux des modèles aquaponiques entièrement recirculants ; les modèles découplés européens en moyenne actuellement 50 % ou plus d'ajouts de nutriments externes (COST FA1305 2017 ; Goddek et Keesman 2018), tandis que les UVI fournit moins de 20 %, et d'autres systèmes peuvent fournir moins de 10 % de suppléments nutritifs externes (Lennard, 2017).

   Quelle que soit la méthode utilisée, tous les systèmes aquaponiques doivent s'efforcer de fournir aux plantes la nutrition nécessaire à une croissance optimisée afin d'offrir à l'entreprise la plus grande chance de viabilité financière. Dans ce contexte, la teneur en éléments nutritifs et la force de l'eau distribuée aux plantes sont très importantes et des analyses régulières des éléments nutritifs devraient être effectuées afin que le mélange et la teneur en éléments nutritifs puissent être maintenus et gérés comme une exigence très importante en matière de qualité de l'eau.

6. 5.6 Technologies applicables à la pisciculture

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

   En aquaponie, la partie aquaculture de l'équation d'intégration est largement appliquée dans un contexte de réservoir, où les poissons sont conservés dans des réservoirs, où l'eau est filtrée par des mécanismes mécaniques (élimination des solides) et biologiques (transformation de l'ammoniac en nitrate) et où l'oxygène dissous est maintenu, soit par aération ou injection directe d'oxygène (Rakocy et al. 2006 ; Lennard 2017).

   Comme on l'a soutenu dans Sect. 5.0 (Introduction) de ce chapitre, des exemples historiques de chinampas (Somerville et al. 2014) et de rizières asiatiques (Halwart et Gupta, 2004) en tant que premières itérations de l'aquaponie sont des exemples infondés et inappropriés de principes aquaponiques , parce que l'aquaponie moderne repose sur des ajouts conçus de poissons et d'aliments pour poissons pour fournir un niveau de nutrition conçu aux plantes, et par conséquent, ces exemples historiques ne peuvent être considérés comme similaires (Lennard, 2017).

   Les exemples historiques ci-dessus, qui reposent sur des systèmes de culture végétale basés sur le sol, mènent à la question de savoir quelles technologies aquacoles conviennent à l'intégration aquaponique. L'aquaculture de poissons nageoires en étangs d'eau douce, basée sur le sol, est la plus grande méthode de culture appliquée pour produire du poisson d'eau douce destiné à la consommation humaine (Boyd et Tucker, 2012). Une approche fondée sur l'étang repose sur la base en terre de l'étang et sur la microflore associée présente dans ce sol pour traiter et assainir les déchets produits par la pisciculture afin que les poissons ne vivent pas dans une eau susceptible d'être toxique pour eux (Boyd et Tucker, 2012). Étant donné que ce système repose sur la capacité de traitement inhérente de l'étang de terre lui-même, les densités de poissons sont relativement faibles par rapport aux autres méthodes d'aquaculture. Étant donné que les densités de poissons sont faibles (et donc que les taux d'alimentation associés sont faibles) et que l'étang lui-même traite et absorbe les déchets nutritifs produits par les poissons, les eaux des étangs présentent des concentrations extrêmement faibles en éléments nutritifs dans l'eau. Ces concentrations d'éléments nutritifs aquatiques dans les bassins sont si faibles qu'elles sont souvent inappropriées comme sources d'éléments nutritifs pour les méthodes commerciales importantes de production de plantes aquatiques (Lennard, 2017). Par conséquent, les étangs ne sont pas une méthode aquacole appropriée à intégrer à l'hydroponie en termes de taux de production végétale acceptables.

   De même, les méthodes d'élevage de poissons à nageoires de piste (telles qu'elles sont régulièrement appliquées pour la production de salmonidés d'eau douce), qui fournissent de très grands volumes d'eau à des taux de renouvellement élevés ou à de faibles temps de résidence, par le biais de bassins de pisciculture contrôlés, ne conviennent pas à l'intégration aquaponique parce que le niveau d'eau élevé les taux de renouvellement ne permettent pas d'accumuler suffisamment d'éléments nutritifs pour répondre aux besoins en nutriments des plantes (Rakocy et Hargreaves, 1993).

   Les technologies de pisciculture les plus appropriées à appliquer dans un contexte d'intégration aquaponique sont celles qui cultivent les poissons dans des bassins et permettent un niveau d'accumulation de déchets de poisson (accumulation d'éléments nutritifs végétaux) susceptible de conduire à des concentrations d'éléments nutritifs dans l'eau qui sont applicables à des production de plantes hydroponiques (Rakocy et al., 2006). Les principes du système d'aquaculture en recirculation (RAS) sont largement appliqués à l'aquaponie parce qu'ils fournissent les méthodes permettant de conserver et de cultiver avec succès le poisson, dans des volumes d'eau contrôlés, avec de faibles taux quotidiens de remplacement de l'eau, ce qui permet d'accumuler des déchets de poisson (éléments nutritifs végétaux) qui approchent les nécessaires à la culture hydroponique efficace des plantes (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Lennard 2017). Les complexités et les exigences de conception du RAS sont examinées dans le chapitre 3 de cet ouvrage. Il suffit de dire que la pisciculture RAS est la seule véritable méthode appropriée à appliquer pour les composantes de la pisciculture dans un contexte aquaponique et, comme nous l'avons vu plus haut, les systèmes d'aquaculture basés sur le sol, tels que les systèmes étendus de bassins et les systèmes de culture des pistes, ne peuvent pas répondre aux besoins nutritifs des plantes et ne devrait donc pas être pris en considération.

7. 5.7 Sources d'éléments nutritifs

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

   Le principal apport de tout système aquaponique sont les nutriments ajoutés parce que les systèmes aquaponiques sont conçus pour répartir efficacement les nutriments ajoutés aux trois formes importantes de vie présentes : les poissons et les plantes (qui sont les principaux produits du système) et la microflore (qui contribuent à rendre le ajout de nutriments disponibles pour les poissons et les plantes) (Lennard 2017).

   Dans les modèles aquaponiques classiques entièrement recirculants, l'un des principaux moteurs de la conception est d'utiliser la principale source d'apport nutritif, l'alimentation pour poissons, aussi efficacement que possible et donc les conceptions entièrement recirculantes s'efforcent de fournir le plus grand nombre de nutriments requis pour les plantes à partir de l'alimentation pour poissons (Lennard, 2017). Les conceptions découplées, d'autre part, mettent l'accent sur une croissance végétale optimisée en comparant directement les mélanges nutritifs et les forces appliquées dans les cultures hydroponiques standard et les cultures de substrats et en essayant de reproduire ceux dans le contexte aquaponique et, par conséquent, ne s'efforcent pas de fournir autant de les éléments nutritifs nécessaires pour les plantes provenant de l'alimentation du poisson et utilisent d'importants suppléments nutritifs externes pour atteindre les taux de croissance requis (Delaide et al., 2016). Cela signifie qu'un accent différent est mis sur l'origine des nutriments ajoutés, en fonction de l'approche de conception technique, et cela affecte donc la principale source d'approvisionnement en nutriments du système aquaponique ; pour les conceptions en pleine recirculation, la principale source d'éléments nutritifs végétaux est l'alimentation du poisson (via les déchets de poisson). ), et pour les conceptions découplées, la principale source d'approvisionnement en nutriments pour les plantes est les suppléments externes (p. ex. sels nutritifs) (Lennard, 2017).

   Les conceptions aquaponiques entièrement recirculantes, comme le modèle du système aquaponique UVI, comptent sur les aliments pour poissons comme principale source de nutriments pour le système (Rakocy et al., 2006). L'aliment pour poissons est ajouté au poisson, qui le mangent, le métabolisent et en utilisent les nutriments nécessaires, puis produisent un flux de déchets (solides et dissous). Ce flux de déchets provenant du poisson devient la principale source d'éléments nutritifs pour les plantes et, par conséquent, l'alimentation pour poissons est la principale source d'éléments nutritifs pour les plantes. Le système UVI fournit environ 80 % ou plus des nutriments nécessaires à la culture des plantes à partir de l'alimentation du poisson (Lennard, 2017). Les nutriments restants nécessaires à la croissance des plantes, parce que les aliments pour poissons ne les contiennent pas dans les quantités requises, sont ajoutés au moyen d'une méthode de supplémentation en nutriments qui assure le double rôle de compléter les nutriments supplémentaires et de contrôler le pH aquatique du système (Rakocy et al., 2006). Cette approche à double rôle est appelée « tampon » et le supplément est appelé « tampon ». Pour le modèle UVI, les deux éléments nutritifs végétaux importants identifiés comme étant dépourvus d'aliments pour poissons et nécessitant une supplémentation sont le potassium (K) et le calcium (Ca) et sont complétés quotidiennement par le régime tampon. De plus, le fer nécessaire à la plante (Fe) manque également dans l'alimentation des poissons et est complété sous forme chélatée par addition directe à l'eau du système à une fréquence mesurée en semaines (c.-à-d. toutes les 2—4 semaines d'après une analyse hebdomadaire du fer aquatique) (Rakocy et al., 2006).

   D'autres approches ou méthodes de conception aquaponique entièrement recirculant mettent encore plus l'accent sur la fourniture de nutriments par l'intermédiaire des aliments pour poissons. Lennard (2017) a mis au point une méthode de recirculation complète qui fournit plus de 90 % des nutriments nécessaires à la croissance des plantes provenant des aliments pour poissons ajoutés. L'augmentation de l'efficacité des nutriments fournis par l'alimentation pour poissons de cette méthode par rapport à la méthode UVI est que cette approche reminéralise les déchets solides de poisson (via une biodigestion externe à médiation bactérienne) et ajoute ces nutriments dans le système aquaponique pour l'utilisation des plantes, alors que le La méthode UVI envoie la majorité des déchets solides de poisson vers un flux de déchets externes (Rakocy et al. 2006 ; Lennard 2017). Cette approche ajoute également des éléments nutritifs déficients dans l'alimentation des poissons pour la croissance des plantes par l'intermédiaire d'un régime tampon ; cependant, ce régime est beaucoup plus exigeant et permet une manipulation plus importante des teneurs et des mélanges nutritifs que l'approche UVI (Lennard, 2017).

   Par conséquent, les principales voies d'addition de nutriments pour la plupart des conceptions de systèmes aquaponiques en pleine recirculation sont les aliments pour poissons (voie principale), la supplémentation externe tampon pour l'ajout de potassium et de calcium (voie mineure) et la supplémentation directe de chélate de fer (voie mineure).

   Les conceptions de systèmes aquaponiques découplés, comme celles qui sont largement adoptées actuellement en Europe, reposent sur un mélange d'éléments nutritifs pour l'alimentation des poissons et d'une supplémentation externe active pour fournir les nutriments nécessaires à la croissance des plantes (Suhl et al., 2016). Étant donné que les plans découplés ne retournent pas l'eau de la composante végétale vers la composante poisson, il est possible de personnaliser le profil nutritif dans l'eau en fonction des besoins de la plante (Goddek et al., 2016). Par conséquent, les conceptions aquaponiques découplées reposent presque toujours sur une importante supplémentation en éléments nutritifs externes pour répondre aux besoins de la plante et accordent beaucoup moins d'importance à fournir le plus de nutrition possible aux plantes à partir des déchets de poisson. De plus, la quantité de supplémentation externe est importante par rapport aux approches en pleine recirculation (Lennard, 2017) avec des fractions externes régulièrement 50 % ou plus des besoins nutritifs totaux de la plante (Goddek, 2017). Les nutriments externes complétés aux systèmes aquaponiques découplés sont le plus souvent des analogues ou dérivés hydroponiques du sel nutritif (Delaide et al., 2016 ; Karimanzira et al., 2016). Cette dépendance à une source de nutriments supplémentaires substantiels autres que ceux qui proviennent des déchets de poisson (aliments pour poissons) qui sont du sel hydroponique dans la nature, pour l'approvisionnement végétal de l'approche découplée européenne, a même directement affecté la définition de l'aquaponie que la communauté aquaponique européenne actuellement s'applique, avec l'EU COST, EU Aquaponics Hub, définissant l'aquaponie comme « ... un système de production d'organismes et de plantes aquatiques où la majorité ( \ > 50 %) des nutriments qui soutiennent les plantes proviennent de déchets provenant de l'alimentation des organismes aquatiques » (Goddek 2017 ; COST FA 1305, 2017) par rapport à Lennard ( 2017), qui définit l'aquaponie comme exigeant au moins 80 % de nutriments provenant des déchets de poisson. Certains affirment également si une méthode qui repose sur 50 % des nutriments nécessaires à la croissance des plantes provenant de sources externes autres que les aliments pour poissons est en fait de nature aquaponique ou plutôt une méthode hydroponique avec certains poissons intégrés ou ajoutés (Lennard, 2017) ?

   Une autre source d'approvisionnement en nutriments proposée pour les systèmes aquaponiques est celle de la supplémentation externe en nutriments par l'application de pulvérisations foliaires de plantes (Tyson et al., 2008 ; Roosta et Hamidpour, 2011 ; Roosta et Hamidpour, 2013 ; Roosta, 2014). Ces pulvérisations foliaires sont à nouveau une livraison aquatique de sels ou de dérivés hydroponiques standard. La différence est que, dans les exemples découplés ci-dessus, les sels nutritifs sont ajoutés directement à l'eau de culture et sont donc accessibles par les plantes via l'absorption des racines (Resh 2013), tandis que les pulvérisations foliaires, comme leur nom l'indique, ajoutent des sels nutritifs dissous aux feuilles des plantes et l'absorption est obtenue par la plante. accès aux stomatales ou aux cuticules foliaires (Fernandez et al., 2013).

   Il existe donc plusieurs sources d'éléments nutritifs importantes utilisées en aquaponie : les aliments pour poissons, les systèmes tampons (par l'intermédiaire d'espèces basiques de sel ajustant le pH ajoutées à la colonne d'eau), les ajouts de sel nutritif (sels nutritifs hydroponiques ajoutés à la colonne d'eau) et les pulvérisations foliaires (sels nutritifs hydroponiques ajoutés à la feuille surface). Tous ces éléments fournissent des nutriments au système aquaponique pour la santé et la croissance des poissons et des plantes cultivés.

8. 5.8 L'aquaponie comme approche écologique

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

   Jusqu'à récemment, l'aquaponie était dominée par des approches de conception entièrement recirculant (ou couplées) qui partagent et recirculent constamment la ressource en eau entre les deux composantes principales (pisciculture et culture végétale) (Rakocy et al., 2006 ; Lennard, 2017). En outre, les approches de faible à moyenne technologie appliquées historiquement à l'aquaponie ont suscité le désir d'éliminer les composants coûteux afin d'accroître le potentiel d'un résultat économique positif. L'un des composants de filtration appliqués presque toujours aux technologies standard RAS et hydroponiques/cultures de substrat, celui de la stérilisation aquatique, n'a pas été régulièrement inclus par les concepteurs aquaponiques.

   La stérilisation dans un contexte de culture d'hydroponie et de substrat est universellement appliquée parce que les densités élevées des poissons ou des plantes cultivées attirent habituellement la pression des organismes aquatiques pathogènes qui abaissent considérablement les taux de production globaux (Van Os, 1999 ; Timmons et al., 2002). La principale raison de cette augmentation de la pression des ravageurs aquatiques dans les deux technologies est que chacune se concentre sur la fourniture de ressources biotiques et écologiques minimales et permet donc un « espace écologique » considérable à l'intérieur de l'eau du système pour la colonisation biotique. Dans ces conditions biologiques « ouvertes », les espèces nuisibles et pathogènes prolifèrent et tendent à se coloniser rapidement pour profiter des espèces présentes (poissons et plantes) (Lennard, 2017). Dans ce contexte, la stérilisation ou la désinfection de l'eau de culture a toujours été considérée comme une approche conçue pour contrer le problème (Van Os, 1999 ; Timmons et al., 2002). Cela signifie que tant les industries de la culture hydroponique/substrat adoptent une approche de stérilisation pour contrôler les organismes pathogènes présents dans les eaux de culture associées.

   L'aquaponie a toujours mis l'accent sur l'importance de la microbiologie associée pour la prestation de services biologiques importants. Dans tous les modèles aquaponiques couplés de Rakocy et de son équipe d'UVI, un filtre biologique n'a pas été inclus parce qu'ils ont démontré que la culture du radeau, composante hydroponique, fournissait plus que suffisamment de surface pour soutenir la taille de la colonie de bactéries nitrifiantes pour traiter tout l'ammoniac produit par les poissons comme un les déchets dissous et les convertir en nitrates (Rakocy et al. 2006, 2011). Rakocy et son équipe n'ont donc pas préconisé la stérilisation appliquée de l'eau du système parce qu'elle pourrait avoir affecté les colonies bactériennes nitrifiantes. Cette perspective historique UVI/Rakocy a dicté la conception du système aquaponique dans l'avenir. D'autres avantages de ne pas inclure la stérilisation aquatique dans les systèmes aquaponiques ont été identifiés et discutés, en particulier dans le contexte du microbiote végétal d'assistance (Savidov, 2005 ; Goddek et al., 2016).

   La pensée actuelle dans la recherche et l'industrie aquaponiques est que le fait de ne pas appliquer aucune forme de stérilisation ou de désinfection aquatique permet à l'eau du système de développer une écologie aquatique complexe qui se compose de nombreuses formes de vie microbiologiques différentes (Goddek et al. 2016 ; Lennard 2017). Cela produit une situation semblable à celle d'un écosystème naturel où une grande diversité de microflore interagit entre elles et avec les autres formes de vie associées au sein du système (c.-à-d. poissons et plantes). Le résultat proposé est que cette diversité mène à une situation dans laquelle aucun organisme pathogène ne peut dominer en raison de la présence de toutes les autres microflore et ne peut donc avoir d'effets dévastateurs sur la production de poissons ou de plantes. Il a été démontré que les systèmes aquaponiques contiennent une grande diversité de microflore (Eck 2017) et, grâce au mécanisme proposé de diversité écologique décrit ci-dessus, une aide à la santé et à la croissance des poissons et des plantes est fournie grâce à cette diversité microbienne (Lennard, 2017).

   L'approche non stérilisée et écologiquement diversifiée de l'aquaponie a été historiquement appliquée à des conceptions aquaponiques couplées ou entièrement recirculantes (Rakocy et al. 2006), alors qu'une analogie hydroponique stérilisée a été proposée pour certaines approches de conception aquaponique découplée (Monsees et al. 2016 ; Priva 2009 ; Goddek 2017). Cependant, il semble que les concepteurs plus découplés appliquent maintenant des principes qui prennent en considération une approche écologique non stérilisée (Goddek et al. 2016 ; Suhl et al. 2016 ; Karimanzira et al. 2016) et reconnaissent donc qu'il y a un effet positif associé à une microflore aquaponique diversifiée (Goddek) (Goddek et al. 2016 ; Lennard 2017).

9. 5.9 Avantages de l'Aquaponics

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

   Étant donné qu'il existe deux technologies distinctes, existantes et analogues qui produisent des poissons et des plantes à des taux élevés (la pisciculture RAS et la production de plantes hydroponiques/substrats), une raison de leur intégration semble pertinente. RAS produit des poissons à des taux de productivité en termes de gain de biomasse individuel, pour le poids des aliments ajoutés, qui rivalisent, sinon mieux, avec d'autres méthodes aquacoles (Lennard, 2017). De plus, les densités élevées de poissons que permet le RAS mènent à des gains collectifs plus élevés de biomasse (Rakocy et al., 2006 ; Lennard, 2017). L'hydroponie et la culture de substrats possèdent, dans un environnement contrôlé, des taux de production avancés de plantes qui améliorent la plupart des autres méthodes d'agriculture et d'horticulture (Resh, 2013). Par conséquent, au départ, il est nécessaire que l'aquaponie produise du poisson et des plantes à des taux équivalents à ces deux technologies de production distinctes ; dans le cas contraire, toute perte d'effort productif comptera sur tout argument d'intégration. Si le taux de production des poissons et des plantes dans un système aquaponique peut être égal ou supérieur au RAS et à l'industrie hydroponique, alors on peut faire valoir d'autres avantages qui peuvent se produire en raison du processus d'intégration.

   L'hydroponie standard ou la culture de substrats a été directement comparée à l'aquaponie en termes de taux de croissance des plantes des deux technologies. Lennard (2005) a comparé la production de laitue du système aquaponique à un témoin hydroponique dans plusieurs expériences de laboratoire répétées. Il a démontré que la production de laitue aquaponique était statistiquement plus faible en aquaponie (4,10 kg/msup2/sup) comparativement à l'hydroponique (6,52 kg/msup2/sup) lorsqu'une approche standard de la conception et de la gestion des systèmes aquaponiques en lit médiatique a été appliquée. Cependant, il a ensuite effectué une série d'expériences qui ont isolé des paramètres spécifiques de la conception (p. ex. distribution d'eau réciproque par rapport à la sous-unité hydroponique constante, application du débit d'eau à la sous-unité hydroponique et comparaison de différentes sous-unités hydroponiques) ou comparant des facteurs de gestion spécifiques (p. ex. mise en tampon méthodologies et espèces ainsi que les concentrations globales d'éléments nutritifs de départ) pour parvenir à l'optimisation et démontrer ensuite que l'aquaponie (5,77 kg/msup2/sup) était statistiquement identique à la production de laitue hydroponique (5,46 kg/msup2/sup) après optimisation du système aquaponique sur la base des améliorations suggérée par ses expériences antérieures, le résultat suggérant que les améliorations apportées à des conceptions aquaponiques couplées ou entièrement en recirculation peuvent égaler les taux de production standard des plantes hydroponiques. Lennard (2005) a également démontré que la survie des poissons, le SGR, le FCR et les taux de croissance étaient égaux à ceux observés dans le RAS standard et dans l'aquaculture en étangs pour les espèces de poissons testées (morue Murray australienne).

   Pantanella et al. (2010) ont également démontré des résultats statistiquement similaires dans des systèmes aquaponiques à forte densité de poissons (5,7 kg/msup2/sup production de laitue) et à faible densité de poissons (5,6 kg/msup2/sup production de laitue) comparativement à un témoin hydroponique standard (6,0 kg/msup2/sup).

   Lennard (Nichols et Lennard, 2010) a obtenu des résultats statistiquement égaux ou meilleurs pour toutes les variétés de laitue et presque toutes les variétés de plantes cultivées testées dans un système aquaponique de la technique du film nutritif (NFT) comparativement à un système hydroponique NFT dans la même serre.

   Delaide et coll. (2016) ont comparé l'eau de production RAS complétée par des éléments nutritifs (les nutriments ont été ajoutés pour correspondre à un mélange d'éléments nutritifs d'eau et à un exemple de résistance par Rakocy — désigné comme analogue aquaponique), l'eau de production RAS entièrement complétée par des éléments nutritifs (eau de production RAS avec des sels nutritifs hydroponiques ajoutés à répondent à un mélange d'éléments nutritifs de l'eau et à la force utilisés pour l'hydroponie standard — désigné comme analogue découplé) et à un témoin hydroponique (solution nutritive hydroponique standard) en termes de taux de croissance des plantes et ont montré que l'analogue de l'eau aquaponique était égal au contrôle hydroponique et à l'eau analogique découplée a amélioré le contrôle hydroponique. Cependant, il convient de noter qu'il ne s'agissait pas de systèmes aquaponiques entièrement opérationnels contenant du poisson (et de la teneur microbienne active associée) qui ont été comparés, mais simplement de l'eau retirée d'un RAS en exploitation et complétée, puis comparée à une eau témoin hydroponique.

   Rakocy et son équipe UVI ont démontré par plusieurs études que les taux de croissance des poissons de Tilapia spp. correspondent aux normes de l'industrie établies par les pratiques de production aquacole standard (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Rakocy et al. 2004a, b, 2006, 2011).

   Ces études et d'autres ont démontré que l'aquaponie, quelle que soit la configuration (couplée et découplée), a le potentiel de produire des taux de production des plantes équivalents ou supérieurs aux taux standard de production hydroponique et de poisson d'une norme similaire à la norme RAS. Par conséquent, l'exigence susmentionnée selon laquelle l'aquaponie doit être égale à ses analogues industriels (RAS et hydroponique) semble avoir été suffisamment prouvée et, par conséquent, les autres avantages de l'aquaponie devraient être pris en considération.

   L'utilisation efficace de l'eau est régulièrement attribuée à l'aquaponie. Lennard (2005) a déclaré que les économies d'eau associées à un système d'essai aquaponique optimisé (laboratoire) étaient de 90 % ou plus comparativement à un système de contrôle d'aquaculture standard de la RAS où l'eau était échangée pour contrôler les accumulations de nitrates, alors que les plantes de l'aquaponie réalisaient les mêmes exigence. Par conséquent, il a démontré que l'aquaponie offre un avantage important en matière d'économie d'eau par rapport à l'aquaculture standard de la RAS. Fait intéressant, ce chiffre d'économie d'eau de 90 % a par la suite été énoncé de façon générale dans la communauté aquaponique mondiale dans un contexte d'utilisation des plantes (par exemple, l'aquaponie utilise 90 % moins d'eau que la production végétale basée sur le sol (Graber et Junge, 2009)) — un exemple de la façon dont l'argument scientifique peut être incorrectement adopté par les participants non scientifiques de l'industrie.

   McMurtry (1990) a démontré un taux de consommation d'eau dans son système aquaponique d'environ 1 % de celui requis dans un système semblable de culture en étang. Rakocy (1989) a montré des taux de consommation d'eau semblables à 1 % comparativement à l'aquaculture en étangs. Rakocy et Hargreaves (1993) ont déclaré que le taux quotidien de remplacement de l'eau pour le système aquaponique UVI était d'environ 1,5 % du volume total du système et Love et al. (2015a, b) ont déclaré environ 1 % du taux de perte d'eau par jour pour leur système de recherche aquaponique.

   La comparaison de l'aquaponie avec le RAS permet de réaliser d'importantes économies d'eau et l'aquaponie utilise de petites quantités d'eau de remplacement sur une base quotidienne. Un système aquaponique bien conçu cherchera à utiliser l'eau aussi efficacement que possible et donc à remplacer l'eau perdue par évapotranspiration végétale (Lennard 2017). En fait, il a été proposé que l'eau puisse même être récupérée de la perte due à l'évapotranspiration des plantes en utilisant une forme ou une technologie de récolte de la teneur en eau de l'air (Kalantari et al., 2017). Les systèmes aquaponiques couplés semblent offrir un plus grand potentiel de conservation et de réduction de l'utilisation de l'eau (Lennard, 2017). Si la dynamique nutritive entre la production de poissons et l'utilisation des plantes peut être équilibrée, la seule perte d'eau est due à l'évapotranspiration des plantes, et parce que l'eau est entièrement partagée entre les composantes du poisson et de la plante, les volumes quotidiens d'eau de maquillage représentent simplement toute l'eau perdue des plantes du système (Lennard 2017 ). Les conceptions aquaponiques découplées présentent une proposition plus difficile parce que les deux composantes ne sont pas entièrement liées et que l'utilisation quotidienne de l'eau de la composante poisson ne correspond pas à l'utilisation quotidienne de l'eau de la composante végétale (Goddek et al., 2016 ; Goddek et Keesman, 2018). Par conséquent, les taux d'utilisation de l'eau et de remplacement pour les systèmes aquaponiques ne sont pas complètement résolus et ne seront probablement jamais dus aux grandes différences dans les approches de conception des systèmes.

   L'utilisation efficace des nutriments est attribuée à la méthode aquaponique et citée comme un avantage de l'approche aquaponique (Rakocy et al., 2006 ; Blidariu et Grozea, 2011 ; Suhl et al., 2016 ; Goddek et al., 2015). Cela s'explique généralement par le fait que l'aquaculture normalisée du RAS utilise les nutriments contenus dans les aliments pour poissons pour cultiver le poisson, le reste étant envoyé aux déchets. Les poissons métabolisent une grande partie des aliments qu'ils nourrissent, mais n'utilisent qu'environ 25 à 35 % des nutriments ajoutés (Timmons et al., 2002 ; Lennard, 2017). Cela signifie que jusqu'à 75 % des nutriments ajoutés au RAS pour poissons seulement sont gaspillés et ne sont pas utilisés. Aquaponics cherche à utiliser les nutriments gaspillés dans le RAS pour la production végétale. Par conséquent, on dit que l'aquaponie utilise plus efficacement les nutriments ajoutés parce que deux cultures sont produites à partir d'une seule source d'intrants (Rakocy et Hargreaves, 1993 ; Timmons et al., 2002 ; Rakocy et al., 2006 ; Lennard, 2017). L'importance de l'utilisation des éléments nutritifs des déchets de poisson diffère selon les différentes méthodes aquaponiques. Le modèle UVI entièrement recirculant n'utilise pas la majorité des déchets solides de poisson produits dans la composante poisson et les envoie dans les déchets (Rakocy et al. 2006), le modèle Lennard entièrement recirculant fait un pas plus loin en utilisant tous les déchets générés par la composante poisson (déchets dissous directement et solides par reminéralisation microbienne externe avec remplacement du système principal) (Lennard 2017). De nombreuses approches découplées tentent également d'utiliser tous les déchets générés par la composante poisson, par l'utilisation directe de déchets dissous et, encore une fois, par la reminéralisation microbienne externe avec remplacement du système principal (Goddek et al., 2016 ; Goddek et Keesman, 2018). Toutes ces méthodes et approches démontrent que l'un des principaux moteurs de la méthode aquaponique est d'utiliser le plus grand nombre possible de nutriments ajoutés et donc d'essayer d'utiliser les nutriments ajoutés aussi efficacement que possible.

   L'indépendance par rapport au sol a été citée comme un avantage de la méthode aquaponique (Blidariu et Grozea 2011 ; Love et al. 2015a, b). L'avantage perçu est que, comme le sol n'est pas nécessaire, le système ou l'installation aquaponique peut être situé là où l'exploitant choisit plutôt que là où il y a un sol convenable (Love et al., 2015a, b). Par conséquent, la méthode aquaponique est indépendante de l'emplacement en fonction de la disponibilité du sol, ce qui est un avantage par rapport à l'agriculture basée sur le sol.

   On a soutenu que l'aquaponie offre un avantage en imitant les systèmes naturels (Blidariu et Grozea 2011 ; Love et al. 2014). Ceci est confirmé par la nature écologique de l'approche/méthode aquaponique, telle qu'elle est décrite dans sect. 5.7 ci-dessus, avec les avantages connexes liés aux communautés microflorales diversifiées et denses (Lennard, 2017).

   L'aquaculture a un impact environnemental direct possible en raison du rejet d'eaux usées riches en nutriments dans l'environnement environnant — en général, les milieux aquatiques (Boyd et Tucker, 2012). Certaines méthodes hydroponiques peuvent également posséder ce potentiel. Cependant, l'aquaponie peut avoir une incidence environnementale directe réduite ou annulée des flux de déchets riches en nutriments parce que la principale composante génératrice de déchets (c.-à-d. le poisson) est intégrée à une composante d'utilisation des éléments nutritifs (c.-à-d. les plantes) (Rakocy et al. 2006 ; Blidariu et Grozea 2011 ; Goddek et al. 2015 ; Lennard 2017) . Cependant, certaines méthodes aquaponiques produisent des déchets (p. ex. le modèle UVI), mais elles sont généralement traitées et réutilisées pour d'autres pratiques agricoles sur le site de l'installation aquaponique (Timmons et al., 2002 ; Rakocy et al., 2006). De nombreuses méthodes aquaponiques reposent sur l'utilisation d'aliments d'aquaculture standard, qui contiennent des concentrations variables de sodium, habituellement par l'utilisation de farine de poisson ou d'huile de poisson comme ingrédient (Timmons et al., 2002). Le sodium n'est pas utilisé par les plantes et peut donc s'accumuler au fil du temps dans les systèmes aquaponiques, ce qui peut nécessiter une forme quelconque de remplacement de l'eau, de sorte que le sodium ne s'accumule pas à des concentrations qui affectent les plantes (Lennard, 2017). Cependant, il a été signalé que certaines espèces de laitue avaient la capacité de prendre du sodium lorsqu'elles étaient exposées à l'eau d'aquaculture (Goddek et Vermeulen, 2018).

   Les systèmes aquaponiques couplés ou entièrement recirculants partagent intégralement la ressource en eau entre les deux composantes principales (poissons et plantes). En raison de cette nature aquatique entièrement connectée et recirculante, les systèmes aquaponiques couplés présentent un mécanisme d'auto-contrôle en ce qui concerne l'incapacité d'appliquer en toute sécurité des herbicides et des pesticides sur les plantes ; s'ils sont appliqués, leur présence peut affecter négativement les poissons (Blidariu et Grozea 2011). Les défenseurs en pleine recirculation voient cette incapacité à appliquer des pesticides et des herbicides comme un avantage, l'argument étant qu'elle garantit un produit sans pulvérisation (Blidariu et Grozea 2011). Les défenseurs de l'aquaponie découplée cherchent également à ne pas appliquer d'herbicides ou de pesticides ; toutefois, étant donné que l'eau n'est pas redistribuée aux poissons à partir des plantes, la capacité d'appliquer des pesticides et des herbicides sur les plantes est présente (Goddek, 2017). Par conséquent, l'application ou l'absence d'application de pesticides et d'herbicides à la composante végétale des conceptions aquaponiques est perçue différemment par les groupes qui préconisent différentes approches de conception.

   On croit que la présence à la fois de poissons et de plantes dans le même système aquatique produit des effets synergiques positifs sur la santé des poissons et des plantes (Blidariu et Grozea, 2011). Cela a été démontré indirectement par la capacité de l'aquaponie dans certaines études à produire des taux de croissance des plantes plus élevés que ceux observés dans l'hydroponie standard (Nichols et Lennard, 2010 ; Delaide et al., 2016). Cependant, aucun lien de causalité direct n'a été établi entre la présence de poissons et de plantes et tout résultat positif sur la santé des poissons ou des plantes.