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Chapitre 7 Systèmes aquaponiques couplés

1. 7.1 Introduction

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

   

   Fig. 7.1 Diagramme du premier système de Naegel (1977) cultivant Tilapia et la carpe commune en combinaison avec la laitue et les tomates dans un système fermé de recirculation

   La combinaison de la culture piscicole et de la culture végétale en aquaponie couplée remonte à la première conception de Naegel (1977) en Allemagne, à l'aide d'un système de passe-temps de 2000 L (fig. 7.1) situé dans une serre à environnement contrôlé. Ce système a été mis au point afin de vérifier l'utilisation des nutriments provenant des eaux usées de poisson dans des conditions de recirculation de l'eau entièrement contrôlées destinées à la production de plantes, y compris un système à double boues (traitement aérobique/anaérobie des eaux usées). Naegel a fondé son concept sur le système aquaponique en étang ouvert de la station d'expérimentation agricole de la Caroline du Sud, aux États-Unis, où l'excès de nutriments provenant des étangs piscicoles, approvisionnés en poissons-chats (Ictalurus punctatus), a été éliminé par la production hydroponique de châtaignes d'eau (Eleocharis dulcis) ( Loyacano et Grosvenor 1973). En incluant des réservoirs de nitrification et de dénitrification pour augmenter la concentration de nitrates à l'intérieur de son système, Naegel (1977) a tenté une oxydation complète de tous les composés azotés, atteignant des concentrations de nitrates de 1200 mg/L et démontrant l'efficacité de l'étape de nitrification. Bien que le système ait été ensemencé à faible densité (20 kg/msup3/sup chacun) en utilisant le tilapia (Tilapia mossambica) et la carpe (Cyprinus carpio), les tomates (Lycopersiçon esculentum) et la laitue iceberg (Lactuca scariola) ont bien augmenté et produit un rendement récolté. Ces premiers résultats de recherche ont conduit au concept de systèmes aquaponiques couplés, dans lesquels les plantes éliminent les déchets produits par les poissons, créant une croissance adéquate, démontrant une utilisation très efficace de l'eau dans les deux unités. Le principe de l'aquaponie couplée a été décrit pour la première fois par Huy Tran lors de la Conférence mondiale sur l'aquaculture en 2015 (Tran 2015).

   Les systèmes aquaponiques couplés n'utilisent pas nécessairement le filtrage mécanique des particules au sens classique et maintiennent un flux de nutriments constant entre les unités aquacoles et hydroponiques. Le principal défi est de savoir comment gérer la charge fécale dans le système aquaponique couplé où les plantes absorbent les nutriments et les déchets particulaires peuvent être éliminés du système par des presses filtrantes ou des géotextiles.

   Le développement de l'agriculture moderne, la croissance de la population humaine et la diminution des ressources dans le monde entier ont favorisé le développement de systèmes aquaponiques couplés. Étant donné que la pisciculture est considérablement plus efficace dans la production de protéines et l'utilisation de l'eau que dans d'autres animaux d'élevage et que les systèmes fermés sont largement indépendants du site, des systèmes aquaponiques couplés ont pu se développer dans le monde entier (Graber et Junge, 2009), dans des conditions arides (Kotzen et Appelbaum, 2010 ; Appelbaum et Kotzen 2016) et même en milieu urbain (König et al. 2016). La plupart des systèmes décrits appartiennent à des installations domestiques, à petite échelle et semi-commerciales (Palm et al. 2018) conduites par des aquariophiles, des passionnés ou des petites entreprises en démarrage. Les nouveaux résultats de recherche, résumés dans ce chapitre, démontrent à la fois les potentiels et les contraintes liés au développement continu de ces systèmes en aquaponie commerciale, pouvant contribuer de manière significative à la production alimentaire future.

2. 7.2 Développement historique de l'aquaponie couplée

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   La plupart des efforts de recherche originaux sur les systèmes aquaponiques couplés ont eu lieu aux États-Unis, avec une présence croissante dans l'UE en partie initiée par l'action COST FA1305, The EU Aquaponics Hub et dans d'autres centres de recherche européens. De nos jours, les systèmes aquaponiques entièrement recirculants dominent presque complètement l'industrie aquaponique américaine, avec des estimations selon lesquelles plus de 90 % des systèmes aquaponiques existants aux États-Unis sont entièrement recirculants (Lennard, comm. pers.). La première recherche en aquaponie couplée américaine a été entreprise au Centre des pêches et de l'aquaculture de l'Illinois (anciennement le Laboratoire coopératif de recherche sur les pêches de l'UES) et au Département de zoologie, en mettant l'accent sur les systèmes aquaponiques couplés approvisionnés en poisson-chat (Ictalurus punctatus) en combinaison avec tomates (Lycopersiçon esculentum) (Lewis et al., 1978). Les auteurs ont noté qu'une croissance optimale des plantes n'est possible que lorsque tous les macro- et micronutriments essentiels sont disponibles dans l'eau de procédé, et qu'une supplémentation en nutriments est donc nécessaire en cas de carence en nutriments. Les auteurs ont également démontré une carence en fer disponible sur les plantes, ce qui freine la croissance des plantes, ce qui pourrait être résolu par la supplémentation en ironchélate. D'autres études préliminaires menées aux États-Unis ont porté sur l'analyse de la fonctionnalité technologique et de la qualité du poisson-chat et des tomates récoltées (Lewis et al., 1978 ; Sutton et Lewis, 1982). Les systèmes aquaponiques à l'échelle du laboratoire ont examiné des paramètres tels que l'efficacité des ressources en ce qui concerne les matériaux, les coûts, la consommation d'eau et d'énergie, et examiné l'utilisation d'autres espèces de poissons telles que Tilapia spp. dans les îles Vierges américaines (UVI) (Watten et Busch, 1984). Le Dr James Rakocy, aux UVI, a mis au point le premier système aquaponique couplé commercial, un système de radeaux qui combinait la production de Nil Tilapia (Oreochromis niloticus) et de laitue (Lactuca sativa), et a étudié plus tard la production d'autres espèces végétales (Rakocy 1989, 2012 ; Rakocy et al., 2012 ; Rakocy et al. 2004, 2006, 2011). Cette installation commerciale de taille moyenne a profité du climat local où les serres n'étaient pas nécessaires et des conditions du marché des îles Vierges pour générer des profits. Le système aquaponique UVI a par la suite été adopté dans différents pays en fonction des besoins respectifs des différentes plantes et de la pertinence de la technologie, par exemple au Canada par Savidov (2005) et en Arabie saoudite par Al-Hafedh et al. (2008). C'est également le cas en Europe, où les systèmes aquaponiques couplés ont évolué à partir de la conception UVI originale, par exemple le système aquaponique vertical du laboratoire de recherche Aquaponics, Université de Greenwich (Khandaker et Kotzen 2018). Plusieurs autres départements de recherche ont étudié la faisabilité technologique d'une production aquaponique fermée — ou « couplée » — en utilisant diverses espèces de poissons et de plantes ainsi que des sous-systèmes hydroponiques afin d'augmenter les rendements et de réduire les différents paramètres d'émission (Graber et Junge, 2009). Par exemple, à l'Université de Rostock (Allemagne), la recherche s'est concentrée sur la stabilité des systèmes d'arrière-cour (Palm et al. 2014a), combinant différentes espèces de poissons, le poisson-chat africain (Clarias gariepinus) et le tilapia du Nil (Oreochromis niloticus) avec différentes plantes (Palm et al. 2014b, 2015). En 2015, un système aquaponique expérimental moderne à échelle semi-commerciale, le « FishGlassHouse », a été construit sur le campus de l'Université de Rostock (Palm et al. 2016). Cependant, le système a été conçu pour permettre à la fois des opérations couplées et découplées. D'autres installations remarquables ont été construites à l'Université des Sciences Appliquées de Zurich (ZHAW) de Waedenswil en Suisse (Graber et Junge 2009 ; Graber et al. 2014), deux installations de recherche couplées et découplées de la société islandaise Svinna-Verkfraedi Ltd. (Thorarinsdottir 2014 ; Thorarinsdottir et al. 2015), système aquaponique à eau froide NIBIO Landvik à Grimstad (Skar et al. 2015 ; Thorarinsdottir et al. 2015), le PAFF Box (Plant And Fish Farming Box) système aquaponique en boucle à l'Université Gembloux Agro-Bio Tech de Liège, à Gembloux, Belgique (Delaide et al. 2017), le mur vivant combiné et l'agriculture verticale système aquaponique à l'Université de Greenwich (Khandaker et Kotzen 2018), ainsi que le système aquaponique couplé recherche-domestique (changé de découplé à couplé en 2018, Morgenstern et Dapprich 2018, comm. pers.) à l'Université des sciences appliquées de Westphalie du Sud, i.Green Institute for Green Technologie et développement rural.

3. 7.3 Aquaponie couplée : conception générale du système

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   Le principe de l'aquaponie couplée combine trois classes d'organismes : (1) les organismes aquatiques, (2) les bactéries et (3) les plantes qui bénéficient les unes des autres dans un plan d'eau fermé recirculé. L'eau sert de moyen de transport des nutriments, principalement à partir des déchets de poisson dissous, qui sont transformés en nutriments pour la croissance des plantes par les bactéries. Ces bactéries (par exemple Nitrosomonas spec., Nitrobacter spec.) oxydent l'ammonium en nitrite et finalement en nitrate. Par conséquent, il est nécessaire que les bactéries reçoivent des quantités substantielles d'ammonium et de nitrite pour stabiliser la croissance des colonies et la quantité de production de nitrates. Par conséquent, dans un système aquaponique couplé, les volumes sont d'une importance critique, i) l'unité aquacole suivant les principes des systèmes aquacoles de recirculation (RAS), ii) le substrat de croissance bactérienne et iii) l'espace pour les unités végétales et la quantité de plantes à cultiver. Ensemble, ils forment l'unité aquaponique (Fig. 7.2).

    

   Fig. 7.2 Principe du système aquaponique couplé avec des poissons, des bactéries et des plantes dans une recirculation d'eau complètement fermée

   Les composants biologiques et chimiques spécifiques de l'eau de procédé revêtent une importance particulière pour les systèmes aquaponiques couplés. Avec des particules alimentaires ou non consommées, les déchets organiques de poisson et les bactéries à l'intérieur de l'eau de procédé, une émulsion de nutriments combinée avec des enzymes et des bactéries digestives soutient la croissance des poissons et des plantes. Il existe des preuves que, par rapport à des systèmes autonomes tels que l'aquaculture (poissons) et l'hydroponie (plantes), la croissance des organismes aquatiques et des cultures dans une aquaponie couplée peut être similaire ou même plus élevée. Rakocy (1989) a décrit un rendement légèrement plus élevé en tilapia (Tilapia nilotica, 46,8 kg) dans les aquaponiques couplées que dans les piscicultures autonomes (41,6 kg) et une légère augmentation du rendement de la laitue Summer Bibb (385,1 kg) par rapport à la production hydroponique végétale (380,1 kg). Knaus et al. (2018b) ont signalé que l'aquaponie augmentait la croissance de la biomasse de l'O. basilicum, apparemment en raison de l'augmentation de la génération foliaire des plantes (3550 feuilles en aquaponie) comparativement à l'hydroponique conventionnelle (2393 feuilles). Delaide et coll. (2016) ont démontré que les traitements aquaponiques et hydroponiques de la laitue présentaient une croissance végétale similaire, alors que le poids des pousses de la solution aquaponique complétée avec des nutriments donnait le meilleur résultat. Des observations similaires ont été faites par Goddek et Vermeulen (2018). Lehmonen et Sireeni (2017) ont observé une augmentation du poids des racines, de la surface foliaire et de la couleur des feuilles dans la salade de Batavia (Lactuca sativa var). capitata) et de la laitue iceberg (L. sativa) avec de l'eau de procédé aquaponique de C. gariepinus combinée avec de l'engrais supplémentaire. Certaines plantes comme la laitue (Lactuca sativa), les concombres (Cucumis sativus) ou les tomates (Solanum lycopersicum) peuvent consommer plus rapidement les nutriments et, par conséquent, fleurir plus tôt en aquaponie que dans l'hydroponie (Savidov, 2005). De plus, Saha et al. (2016) ont signalé un rendement plus élevé en biomasse végétale dans O. basilicum en association avec les écrevisses Procambarus spp. et une faible fécondation de démarrage du système aquaponique.

   La conception du système de base de l'aquaponie couplée comprend un ou plusieurs bassins à poissons, une unité de sédimentation ou un clarificateur, des substrats pour la croissance des bactéries ou des biofiltres appropriés et une unité hydroponique pour la croissance des plantes (figure 7.3). Ces unités sont reliées par des tuyaux pour former un cycle d'eau fermé. Souvent, après la filtration mécanique et le biofiltre, on utilise un puisard de pompe (une pompe ou un système de boucle) qui, en tant que point le plus profond du système, pompe l'eau vers les bassins à poissons d'où elle s'écoule par gravité jusqu'à l'unité hydroponique.

    

   Fig. 7.3 Conception technique de base d'un système aquaponique couplé avec réservoir à poissons, sédimenteur, biofiltre, unité hydroponique et puisard où l'eau est pompée ou renvoyée par air dans les bassins à poissons et s'écoule par gravité le long des composants

   Les systèmes aquaponiques couplés sont utilisés à différentes échelles. Le principe en boucle fermée peut être utilisé dans les systèmes domestiques (mini/hobby/backyard-couplé), les unités de démonstration (p. ex. murs vivants couplés), l'aquaponie commerciale et l'aquaponie (avec sol), allant des petits systèmes semi-commerciaux aux systèmes à grande échelle (Palm et al. 2018). Un développement récent dans le domaine de l'aquaponie a inclus une fertilisation partielle, qui dépend de la tolérance des espèces de poissons. Cependant, cela peut entraîner un pic nutritionnel à court terme dans le système, mais peut être compensé par la rétention des éléments nutritifs par les plantes. Dans le cas de l'aquaponie couplée, un rapport optimal entre la surface de production (ou les volumes de poissons) de l'unité aquacole et la demande d'aliments qui en résulte ainsi qu'une quantité suffisante de plantes à cultiver dans l'unité hydroponique (zone de production végétale) doit être atteint. (Pour les discussions sur le rôle de l'évapotranspiration et du rayonnement solaire dans les systèmes, voir les chapitres 8 et 11. En ce qui concerne l'aquaponie du gravier, Rakocy (2012) a suggéré, comme première tentative, des « principes de rapport des composants », avec un volume d'élevage de poissons de 1 msup3/sup de volume du réservoir de poissons à 2 msup3/sup de milieux hydroponiques de 3 à 6 cm de gravier de pois. En fin de compte, la quantité de poisson détermine le rendement des cultures en aquaponie couplée. En outre, les conditions techniques de l'unité d'élevage doivent être adaptées en fonction des besoins des espèces aquatiques cultivées.

4. 7.4 Unité de l'aquaculture

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   Les bassins d'élevage (taille, nombre et conception) sont sélectionnés en fonction de l'échelle de production et des espèces de poissons utilisées. Rakocy et al. (2006) ont utilisé quatre grands bassins d'élevage pour la production commerciale d'O. niloticus dans le système aquaponique UVI (États-Unis). Avec la production d'espèces de poissons omnivores ou piscivores, comme C. gariepinus, plusieurs réservoirs devraient être utilisés en raison du tri des classes de taille et de la production échelonnée (Palm et al., 2016). Les réservoirs à poissons devraient être conçus de manière à ce que les solides qui se déposent au fond des réservoirs puissent être éliminés efficacement par un effluent situé au fond. Cette élimination des déchets solides est la première étape cruciale du traitement de l'eau en aquaponie couplée, comme c'est le cas en aquaculture et en aquaponie découplée. Les déchets proviennent d'aliments non consommés, de matières fécales de poisson, de biomasse bactérienne et de floculants produits au cours de la production aquacole, ce qui augmente la DBO et réduit la qualité de l'eau et la disponibilité d'oxygène pour les unités aquacoles et hydroponiques. En aquaculture, les déchets solides sont constitués dans une large mesure de carbone organique, qui est utilisé par des bactéries hétérotrophes pour produire de l'énergie par la consommation d'oxygène. Plus l'élimination des déchets solides est bonne, meilleure est la performance générale du système pour les poissons et les plantes, c'est-à-dire avec des niveaux d'oxygénation optimaux et aucune accumulation de particules dans la rhizosphère qui inhibe l'absorption des nutriments, et avec des réservoirs ronds ou ovales qui se révèlent particulièrement efficaces (Knaus et al., 2015).

   La production de poissons en aquaponie couplée dans la FishGlasHouse en Allemagne a été testée à différentes échelles afin de déterminer le rapport coût-efficacité. Cela a été fait de manière efficace aussi étendue (max. 50 kg, 35 poissons msup-3/sup) ou intensive (max. 200 kg, 140 poissons msup-3/sup) production africaine de poisson-chat. La production semi-intensive (max. 100 kg, 70 poissons msup-3/sup) ne peut pas être recommandée en raison d'un rapport coûts-avantages négatif. Dans le mode de production semi-intensive, l'entretien du système, la main-d'œuvre et l'apport d'aliments pour animaux étaient autant que sous production intensive, mais avec une production de poissons et de biomasse végétale réduite, et tout gain économique dans l'unité aquacole n'a pas été rentable (Palm et al., 2017). Cela résulte de la forte demande biochimique en oxygène (DBO), de la dénitrification élevée en raison de la disponibilité réduite de l'oxygène, des taux d'échange de l'eau relativement élevés, de la minéralisation principalement anaérobie avec des précipitations distinctes, de faibles niveaux de P et de K ainsi que d'une faible valeur de pH avec beaucoup moins de production de poissons que avec les conditions intensives. En revanche, la grande production de poissons a permis une plus grande disponibilité d'oxygène avec moins de taux d'échange d'eau et une meilleure disponibilité en nutriments pour la croissance des plantes. Ainsi, dans les conditions ci-dessus, une unité de production de poissons RAS pour les aquaponiques couplées fonctionne donc dans des conditions de production de poissons étendues ou intensives, et des conditions intermédiaires doivent être évitées.

   # 7.4.1 Filtration

   Les clarificateurs, parfois aussi appelés sédimenteurs ou séparateurs tourbillonnants (voir aussi Chap. 3), sont les dispositifs les plus fréquemment utilisés pour l'élimination des déchets solides en aquaponie couplée (Rakocy et al. 2006 ; Nelson et Pade 2007 ; Danaher et al. 2013, Fig. 7.4). Les particules de plus grande taille doivent être retirées du système afin d'éviter les zones anoxiques ayant des effets dénitrifiants ou le développement de HSub2/Subs. La plupart des clarificateurs utilisent des lamelles ou des plaquettes pour faciliter l'élimination des solides. Les fonds coniques soutiennent la concentration des boues au fond pendant le fonctionnement et le nettoyage, tandis que les fonds plats nécessitent de grandes quantités d'eau pour évacuer et enlever les boues. Pendant le fonctionnement, les solides coulent au fond du clarificateur pour former des boues. Selon l'alimentation et le temps de rétention, ces boues peuvent s'accumuler pour former des couches relativement épaisses. L'activité microbienne à l'intérieur des couches de boues se déplace progressivement vers des conditions anaérobies, stimulant la dénitrification microbienne. Ce procédé réduit les nitrates disponibles dans la plante et doit être évité, surtout si l'eau de procédé doit être utilisée pour la production d'installations hydroponiques. Par conséquent, la dénitrification peut être contre-productive dans les aquaponiques couplées.

   La densité des déchets solides enlevés par le clarificateur est plutôt faible, par rapport à d'autres technologies, l'entretien prend du temps, et le nettoyage du clarificateur avec de l'eau douce est responsable de la principale perte d'eau de l'ensemble du système. La quantité d'eau requise est affectée par sa conception générale, la forme du fond et l'accessibilité des déflecteurs en PVC à l'eau de rinçage (fig. 7.4a, b). L'augmentation des densités d'ensemencement des poissons nécessite des échanges d'eau plus élevés (tous les jours de la semaine dans des conditions intensives) afin de maintenir une qualité optimale de l'eau pour la production de poissons, ce qui peut entraîner la perte de grandes quantités d'eau de traitement et perdre également des quantités substantielles d'éléments nutritifs nécessaires à la plante croissance. En outre, le remplacement par l'eau douce introduit des carbonates de calcium et de magnésium qui peuvent ensuite précipiter avec des phosphates. Par conséquent, l'utilisation de ces clarificateurs à commande manuelle rend presque impossible les prévisions sur la composition de l'eau de procédé en ce qui concerne la croissance optimale des plantes (Palm et al., 2019). Il serait plus efficace de suivre l'exemple de Naegle (1977) de séparer les boues aérobies et anaérobies et les rejets gazeux d'azote par un système à double boue.

    

   Fig. 7.4 Principe de filtration aquaponique avec un sédimenteur (a-b) et (c) filtre à disque (Pal-Aquakulur GmbH, Abtshagen, Allemagne) du poisson-chat commercial africain (Clarias gariepinus) RAS dans le FishGlasshouse (Université de Rostock, Allemagne)

   Une élimination plus efficace des déchets solides peut être obtenue par des filtres automatiques à tambour ou à disque qui fournissent des barrières mécaniques qui retiennent les solides, qui sont ensuite éliminés par rinçage. Les nouveaux développements visent à réduire l'utilisation de l'eau de rinçage par des technologies de nettoyage sous vide, permettant la concentration de solides totaux dans les boues jusqu'à 18 % (Dr. Günther Scheibe, Pal-Aquakultur GmbH, Allemagne, communication personnelle, fig. 7.4c). Cette élimination efficace des déchets a une influence positive sur la composition des boues, améliorant ainsi le contrôle de l'eau des effluents afin de mieux répondre aux exigences horticoles. Une autre option est l'application de plusieurs clarificateurs (sédimenteurs) ou de composants d'élimination des boues dans une rangée.

   Les biofiltres sont un autre élément essentiel du RAS, car ils convertissent l'azote ammoniac par oxydation microbienne en nitrate (nitrification). Même si les racines des plantes et le système lui-même fournissent des surfaces pour les bactéries nitrifiantes, la capacité de contrôler la qualité de l'eau est limitée. Les systèmes qui n'ont pas de biofiltration sont limités aux mini-installations ou aux installations de loisirs à faible alimentation. Dès que la biomasse des poissons et l'apport alimentaire augmentent, une capacité de biofiltration supplémentaire est nécessaire pour maintenir une qualité de l'eau adéquate pour la pisciculture et fournir des quantités suffisantes de nitrates pour la croissance des plantes.

   Pour les aquaponiques domestiques et à petite échelle, les milieux végétaux (gravier ou argile expansée par exemple) peuvent suffire comme biofiltres efficaces. Cependant, en raison du risque élevé de colmatage et, par conséquent, de la nécessité d'un nettoyage et d'un entretien manuels réguliers, ces méthodes ne conviennent pas aux aquaponiques commerciaux à grande échelle (Palm et al. 2018). De plus, Knaus et Palm (2017a) ont démontré que l'utilisation d'un simple biofiltre dans un contournement augmentait déjà l'apport quotidien possible dans un système aquaponique à couplage arrière d'environ 25 %. Les biofiltres modernes qui sont utilisés dans les RAS intensifs sont efficaces pour fournir une capacité de nitrification suffisante pour la production de poissons et de plantes. En raison de l'augmentation des coûts d'investissement, ces composants sont plus applicables dans les systèmes aquaponiques commerciaux de moyenne et de plus grande échelle.

   7.4.1.1 Hydroponique dans l'aquaponie couplée

   En aquaponie couplée, un large éventail de sous-systèmes hydroponiques peuvent être utilisés (voir également Chap. 4) selon l'échelle de fonctionnement (Palm et al., 2018). À moins que le travail n'ait pas d'impact significatif sur le rendement (ou le profit) et que le système n'est pas trop grand, différents sous-systèmes hydroponiques peuvent être utilisés simultanément. Ceci est courant dans les aquaponiques domestiques et de démonstration qui utilisent souvent des systèmes de substrat de lit médiatique (sable, gravier, perlite, etc.) dans les creux de reflux et d'écoulement, les canaux DWC (systèmes de culture en eau profonde ou radeaux) et même souvent les canaux de film nutritif (NFT). Les substrats médiatiques (sable/gravier) dans les creux et les creux, qui peuvent se boucher en raison du dépôt de détritus et doivent souvent être lavés (Rakocy et al., 2006). En raison de la manipulation des substrats, ces systèmes sont généralement de taille limitée. D'autre part, les sous-systèmes hydroponiques DWC nécessitent moins de main-d'œuvre et sont moins sujets à l'entretien, ce qui leur permet d'être adoptés pour de plus grandes zones de plantation. Pour cette raison, les sous-systèmes DWC se trouvent principalement dans les systèmes domestiques ou semi-commerciaux, mais pas habituellement dans les systèmes aquaponiques à grande échelle. Dans le cas de la production aquaponique commerciale plus importante, la proportion de main-d'œuvre et d'entretien dans le système DWC reste trop élevée. Même l'utilisation des ressources en eau et de l'énergie pour le pompage est également défavorable pour les systèmes à grande échelle.

   Si des systèmes aquaponiques fermés sont conçus pour une production orientée vers le profit, l'utilisation de la main-d'œuvre doit diminuer tandis que la surface de production doit augmenter. Cela n'est possible qu'en rationalisant la production de poissons combinée à l'application de sous-systèmes hydroponiques faciles à mettre en œuvre. La technique du film nutritif (NFT) peut, à l'heure actuelle, être considérée comme le système hydroponique le plus efficace, combinant un faible travail avec de grandes surfaces végétales et un bon rapport entre l'eau, l'énergie et les coûts d'investissement. Cependant, toutes les plantes aquaponiques ne poussent pas bien dans les systèmes NFT et il est donc nécessaire de trouver le bon choix de plante pour chaque sous-système hydroponique, ce qui, à son tour, est en corrélation avec l'approvisionnement en nutriments d'une espèce de poisson spécifique intégrée dans une conception de sous-système hydroponique spécifique. Pour les aquaponiques couplées, la charge de particules parfois plus élevée dans l'eau peut être problématique en obstruant les gouttières, les tuyaux et les vannes dans les installations NFT. Par conséquent, les grands systèmes aquaponiques doivent contenir une gestion professionnelle de l'eau avec une filtration mécanique efficace pour éviter les blocages de recirculation. Lorsque l'approvisionnement continu en eau est assuré par les conduites, le système NFT peut être utilisé dans tous les types de systèmes aquaponiques couplés, mais il est surtout recommandé pour la production dans les petits systèmes semi-commerciaux et les systèmes à grande échelle (Palm et al. 2018).

5. 7.5 Mise à l'échelle des systèmes aquaponiques couplés

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   Les systèmes aquaponiques couplés typiques vont des systèmes de petite à moyenne échelle et de plus grande taille (Palm et al., 2018). La mise à l'échelle reste l'un des défis à relever à l'avenir, car elle nécessite des essais minutieux des combinaisons possibles de poissons et de plantes. Les tailles d'unité optimales peuvent être répétées pour former des systèmes à unités multiples, indépendamment de l'échelle de production. Selon Palm et al. (2018), la gamme des systèmes aquaponiques a été classée en (1) mini, (2) hobby, (3) domestique et arrière-cour, (4) petits et semi-commerciaux et (5) grands (r) systèmes, comme décrit ci-dessous :

    

   Fig. 7.5 Principe d'un mini système aquaponique domestique couplé ( \ 2 m<sup2/sup, après Palm et al. 2018) avec aération (a) et pompe (b), l'hydroponique (c) agit comme un biofiltre

   Les mini-installations (fig. 7.5) consistent généralement en un petit réservoir de poissons tel qu'un aquarium ou un aquarium sur lequel les plantes poussent à la surface ou dans un petit lit hydroponique. Les filtres d'aquarium classiques, l'aération et les pompes sont généralement utilisés. Les mini-systèmes mesurent généralement 2 msup2/sup ou moins (Palm et al. 2018). Ces petits systèmes aquaponiques peuvent être utilisés dans la maison avec seulement peu de plantes pour la consommation domestique et plantés avec des plantes telles que des tomates, des herbes ou des plantes ornementales. De tels systèmes ajoutent de nouvelles valeurs à l'espace de vie humain en ajoutant la « nature » à la zone de vie familiale qui est particulièrement populaire dans les grandes villes. Certains mini-systèmes se composent uniquement d'un vase de plantes et d'un ou de plusieurs poissons sans filtre et pompe. Cependant, ces systèmes ne fonctionnent qu'à court terme parce qu'il manque une filtration réglementée.

    

   Fig. 7.6 Principe d'un système aquaponique domestique couplé (2—10 msup2/sup après Palm et al. 2018) avec (a) réservoir et aération, (b) sédimenteur ou clarificateur modifié après Nelson et Pade (2007), (c) lit hydroponique, p.ex. gravier avec différentes cultures qui agit comme un biofiltre et (d) un puisard avec le pompe

   Les systèmes aquaponiques Hobby sont classés pour atteindre une taille maximale de 10 msup2/sup (Palm et al. 2018). Avec une densité d'ensemencement plus élevée, plus d'alimentation et d'aération, une unité de sédimentation mécanique (sédimentaire/clarificateur) est nécessaire (figure 7.6). Le sédimenteur élimine les matières particulaires — « boues » telles que les matières fécales et les aliments non consommés du système sans utiliser d'énergie. L'eau s'écoule par gravité du réservoir à poissons jusqu'au sédimenteur, puis à travers les réservoirs hydroponiques, puis descend dans un puisard d'où une pompe ou un élévateur à air pompe l'eau jusqu'aux bassins à poissons. Dans les installations de loisirs, les lits de plantes agissent comme un filtre microbien naturel et souvent des substrats médiatiques tels que le sable, le gravier fin ou la perlite sont utilisés. Les systèmes aquaponiques hobby sont plus la catégorie des gimmicks qui ne ciblent pas la production alimentaire. Ils apprécient plutôt la fonctionnalité du système intégré. Les systèmes de loisirs, comme leur nom l'indique, sont généralement installés par des amateurs qui souhaitent cultiver une variété d'organismes et de plantes aquatiques pour leur propre usage et pour le « plaisir ».

   L'aquaponie domestique ou de jardin a pour but de produire des poissons et des plantes à usage domestique externe, caractérisés comme ayant une surface de production maximale de 50 msup2/sup (Palm et al. 2018). Ces systèmes sont construits par des passionnés. La construction est techniquement différenciée avec une production de poisson plus élevée, une aération supplémentaire et un apport alimentaire plus élevé. Le principe de l'aquaponie couplée est appliqué avec l'utilisation d'une seule pompe qui recirculents l'eau d'un puisard (point le plus bas) vers des bassins à poissons debout plus haut, puis par gravité via un sédimenteur et un biofiltre (avec aération et substrats bactériens) jusqu'au unités hydroponiques (fig. 7.7).

    

   Fig. 7.7 Principe d'un système aquaponique domestique couplé, 10—50 msup2/sup (de Palm et al. 2018) avec (a) réservoir et aération, (b) sédimenteur ou clarificateur modifié après Nelson et Pade (2007), (c) biofiltre avec substrats et aération, (d) unité hydroponique pouvant être constituée d'un radeau combiné ou canaux DWC, e système de substrat de gravier ou de sable, f technique de film nutritif canaux NFT et g puisard avec une pompe

   Pour la biofiltration, les filtres à lit classiques peuvent également être utilisés comme décrit dans Palm et al. (2014a, b, 2015). Dans l'aquaponie de l'arrière-cour, l'hydroponie pourrait être constituée, seul ou ensemble, de radeaux ou de DWC (culture en eau profonde) creuxs, sous-systèmes de substrat tels que les caisses de reflux et de flux de gravier grossier et de sable ou les canaux de la technique du film nutritif (NFT). Dans l'hémisphère nord, dans les installations extérieures, la production est limitée au printemps, à l'été et au début de l'automne en raison des conditions météorologiques. Avec cette échelle d'exploitation, le poisson et les plantes peuvent être produits pour la consommation privée (et la production peut être étendue par une petite production de serre), mais les ventes directes en petites quantités sont également possibles.

   Les systèmes aquaponiques à petite échelle et semi-commerciale sont caractérisés par une capacité allant jusqu'à 100 msup2/sup (Palm et al. 2018), la production étant axée sur le marché de détail. Un plus grand nombre de réservoirs, souvent avec une densité de stockage plus élevée, des filtres supplémentaires et des systèmes de traitement de l'eau et une plus grande zone hydroponique avec des conceptions plus diverses caractérisent ces systèmes.

   Les opérations commerciales à grande échelle supérieures à 100 msup2/sup (Palm et al., 2018) et atteignant plusieurs milliers de mètres carrés atteignent la plus grande complexité et nécessitent une planification minutieuse du débit et des systèmes de traitement de l'eau (figure 7.8). Les composants généraux sont de multiples bassins à poissons, conçus comme des systèmes d'aquaculture à recirculation intensive (RAS), un point de transfert d'eau ou un puisard permettant l'échange d'eau entre les poissons et les plantes, et des unités de production de plantes commerciales (aquaponics s./s.l.). Comme la production de poissons est destinée à des densités de stockage intensives, des composants tels que la filtration supplémentaire à l'aide de filtres à tambour, l'alimentation en oxygène, les traitements aux rayons UV pour le contrôle microbien, l'alimentation automatique contrôlée et l'informatisation, y compris le contrôle automatique de la qualité de l'eau, classent ces systèmes.

   Ces systèmes ont une conception multi-unités capable d'augmenter l'échelle sous recirculation de l'eau entièrement fermée, ce qui permet également une production échelonnée, une culture parallèle de différentes plantes qui nécessitent différents sous-systèmes hydroponiques et un meilleur contrôle des différentes unités en cas d'épidémie de maladie et de plante la lutte antiparasitaire.

6. 7.6 Aquaponique d'eau saline/saumâtre

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

   Un domaine de recherche relativement nouveau est l'évaluation des différentes salinités de l'eau de procédé pour la croissance des plantes. Étant donné que la demande d'eau douce dans le monde est en constante augmentation et à des prix élevés, une certaine attention a été accordée à l'utilisation des ressources en eau saline/saumâtre pour l'agriculture, l'aquaculture et aussi l'aquaponie. L'utilisation de l'eau saumâtre est importante car de nombreux pays comme Israël ont des ressources en eau saumâtre souterraine, et plus de la moitié de l'eau souterraine du monde est saline. Alors que la quantité d'eau saline souterraine n'est estimée qu'à 0,93 % des ressources mondiales totales en eau, soit 12 870 000 kmsup3/sup, elle est supérieure aux réserves souterraines d'eau douce (10 530 000 kmsup3/sup), qui représentent 30,1 % de toutes les réserves d'eau douce (USGS).

    

   Fig. 7.8 Schéma (supervision) d'un module aquaponique à grande échelle adopté après la FishGlouse de l'Université de Rostock (Allemagne) (zone de production totale de 1000 msup2/sup, Palm et al. 2018) avec (a) unité d'aquaculture indépendante, (b) système de transfert d'eau et (c) unité hydroponique indépendante ; F1-F9 poissons réservoirs, S) sédimenteur, pompe P-I 1 (pompe biofiltre), pompe P-II deux (pompe de recirculation aquicole), T) filtre filtrant, Su) puisard. Au milieu, système de transfert d'eau nutritive avec Wt-I) réservoir de transfert d'eau de l'unité d'aquaculture, P-III) pompe trois, qui pompe l'eau riche en nutriments de l'aquaculture à C) unité hydroponique à droite avec Nu) réservoir de nutriments et un système de recirculation hydroponique indépendant et tables de plantation (ou NFT)  ; P-IV) pompe quatre, qui pompe l'élément nutritif faible en eau de l'unité hydroponique jusqu'au réservoir de transfert d'eau WT-II) 2 et à l'unité d'aquaculture pour des conditions aquaponiques couplées (ou découplées s'il n'est pas utilisé)

   La première recherche publiée sur l'utilisation de l'eau saumâtre en aquaponie a été réalisée en 2008—2009 dans le désert du Néguev en Israël (Kotzen et Appelbaum 2010). Les auteurs ont étudié le potentiel d'aquaponie en eau saumâtre qui pourrait utiliser les 200—300 milliards de msup3/sup estimés situés entre 550 et 1000 mètres sous terre dans la région. Cette étude et d'autres études ont utilisé jusqu'à 4708—6800 μS/cm (4000—8000 μS/cm = modérément saline, Kotzen et Appelbaum 2010 ; Appelbaum et Kotzen 2016) dans des systèmes aquaponiques couplés avec Tilapia sp. (souche rouge des hybrides du Nil tilapia Oreochromis niloticus x bleu Tilapia O. aureus), combinée avec des radeaux flottants de culture en eau profonde et des systèmes de gravier. Les systèmes ont été mis en miroir avec des systèmes d'eau potable comme contrôle. Un large éventail d'herbes et de légumes ont été cultivés, avec de très bons résultats comparés dans les systèmes saumâtre et d'eau douce. Dans les deux systèmes, la santé et la croissance des poissons étaient aussi bonnes que la croissance des poireaux (Allium ampeloprasum), le céleri (Apium graveolens) (figure 7.9), le chou-rave (Brassica oleracea v. gongylodes), le chou (Brassica oleracea v. capitata), la laitue (Lactua) ca sativa_), chou-fleur (Brassica oleracea v. botrytis), Suisse bette (Beta vulgaris vulgaris), oignon de printemps (Allium fistulosum), basilic (Ocimum basilicum) et cresson d'eau (Nasturtium officinale) (Kotzen et Appelbaum 2010 ; Appelbaum et Kotzen 2016).

    

   Fig. 7.9 Céleri mûr cultivé dans l'eau saumâtre

   Un « rapport de mission » de van der Heijden et al. (2014) sur l'intégration de l'agriculture et de l'aquaculture à l'eau saumâtre en Egypte suggère que la Tilapia rouge (probablement des souches rouges de Oreochromis mossambicus) présente un potentiel élevé associé à des légumes tels que les pois, les tomates et l'ail qui peuvent tolérer de faibles salinité modérée. Les plantes connues pour avoir une tolérance saline comprennent la famille des choux (Brassicas), comme le chou (Brassica oleracea_), le brocoli (Brassica oleracea italica), le chou frisé (Brassica oleracea var. sabellica), la famille Beta, comme Beta vulgaris (betterave), spinach perpétuelle (Beta vulgaris subsp. Vulgaris), les poivrons (Capsicum annuum) et les tomates (Solanum lycopersicum). Le samphire des marais (Salicornia europaea) et potentiellement d'autres « légumes brins » tels que le chou marin (Crambe maritima), l'aster de mer (Tripolium pannonicum) et le pourpier de mer (Atriplex portulacoides) sont un candidat évident pour l'aquaponie d'eau saumâtre. Gunning (2016) a noté que dans les régions les plus arides du mot, la culture des halophytes comme alternative aux cultures conventionnelles gagne en popularité et Salicornia europea est de plus en plus populaire sur les menus des restaurants et les comptoirs des poissonniers et des magasins d'aliments sains à travers le pays. C'est également le cas au Royaume-Uni et dans l'UE, où la plupart des produits sont exportés d'Israël et maintenant aussi d'Égypte. Un avantage distinct de la culture du samphire des marais est qu'il s'agit d'une culture « coupée et retrouvée », ce qui signifie qu'il peut être récolté à des intervalles d'environ un mois. Dans son milieu naturel le long des estuaires salins, Salicornia europaea pousse le long d'un gradient salin allant du salin au saumâtre (Davy et al., 2001). Dans les essais réalisés par Gunning (2016), les plants ont été cultivés à partir de graines, tandis que Kotzen a cultivé ses plants d'essai à partir de tiges coupées achetées au comptoir de poissons du supermarché. D'autres études dans des conditions salines ont été réalisées par Nozzi et al. (2016), qui ont étudié les effets de l'infection au dinoflagellate (Amyloodinum ocellatum) chez le bar de mer (Dicentrarchus labrax) à différents niveaux de salinité. Pantanella (2012) a étudié la croissance de l'halophyte Salsola soda (chou salé) en association avec le rouget gris à tête plate (Mugil cephalus) dans des conditions marines d'augmentation de la teneur en sel dans une ferme expérimentale de l'Université de Tuscia (Italie). Les ressources en eau marine ont également été utilisées avec succès dans l'aquaponie couplée avec la production de bar européen (Dicentrarchus labrax) et de plantes tolérantes au sel (halophytes) telles que Salicornia dolichostachya, Plantago coronopus et Tripolium pannonicum dans une aquaculture marine en recirculation intérieure (Waller et al. 2015).

7. 7.7 Choix de poissons et de plantes

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

   7.7.1 Production de poisson

   En aquaponie commerciale à plus grande échelle, la production de poissons et de plantes doit répondre à la demande du marché. La production de poissons permet la variation des espèces, en fonction de la conception du système et des marchés locaux respectifs. Le choix des poissons dépend également de leur impact sur le système. On peut éviter la production problématique de poissons aquaponiques couplés en raison de concentrations insuffisantes d'éléments nutritifs, affectant négativement la santé des poissons. Si les systèmes aquaponiques couplés ont des rapports poissons et plantes équilibrés, les nutriments toxiques seront absorbés par les plantes qui nettoient l'eau. Étant donné que l'acceptation des substances toxiques dépend des espèces, le choix des espèces de poissons a une influence décisive sur le succès économique. Par conséquent, il est important de trouver la bonne combinaison et le bon rapport entre le poisson et les plantes, en particulier les espèces de poissons dont les activités polluent moins l'eau et les plantes à forte capacité de rétention des nutriments.

   Les avantages d'une famille particulière de poissons dans les systèmes aquaponiques couplés ne sont pas clairement compris en ce qui concerne leurs besoins spécifiques en termes de qualité de l'eau et de charges nutritives acceptables. Naegel (1977) a constaté que son utilisation de Tilapia (Tilapia mossambica) et de la carpe commune (Cyprinus carpio) n'avait pas d'impact négatif notable sur la croissance des poissons et des poissons. Le poisson-chat (Ictalurus punctatus) a également été utilisé par Lewis et al. (1978) et Sutton et Lewis (1982) aux États-Unis. Il a été démontré que la qualité de l'eau aquaponique répondait facilement aux exigences des différentes espèces de poissons, notamment par l'utilisation d'espèces de poissons « faciles à produire » telles que le bleu Tilapia (Oreochromis aureus, anciennement Sarotherodon aurea) à Watten et Busch (1984) ; le tilapia du Nil (Oreochromis) niloticus), qui a souvent été utilisé dans des études portant sur différentes espèces végétales comme espèce de poisson modèle (Rakocy, 1989 ; Rakocy et al., 2003, 2004 ; Al-Hafedh et al., 2008 ; Rakocy, 2012 ; Villarroel et al., 2011 ; Simeonidou et al., 2012 ; Palm et al. 2014a, 2014b ; Diem et al. 2017) ; et Diem et al., 2017) ; Apia hybride souche rouge ( Oreochromis niloticus_ x tilapia bleu O. aureus hybrides), qui ont été étudiés dans des environnements désertiques arides (Kotzen et Appelbaum 2010 ; Appelbaum et Kotzen 2016).

   Il y a eu une expansion des types d'espèces de poissons utilisées en aquaponie, du moins en Europe, qui repose sur l'utilisation d'espèces de poissons indigènes ainsi que sur celles qui sont plus acceptées par les consommateurs. Cela inclut le poisson-chat africain (Clarias gariepinus) qui a été cultivé avec succès dans des conditions aquaponiques couplées par Palm et al. (2014b), Knaus et Palm (2017a) et Baßmann et al. (2017) dans le nord de l'Allemagne. L'avantage de C. gariepinus est une acceptation plus élevée des paramètres indésirables de l'eau tels que l'ammonium et le nitrate, et qu'il n'est pas nécessaire de fournir davantage d'oxygène en raison de leur physiologie particulière de la respiration de l'air. De bons taux de croissance de C. gariepinus dans des conditions aquaponiques couplées ont été décrits en Italie par Pantanella (2012) et en Malaisie par Endut et al. (2009). On peut s'attendre à une expansion de la production africaine de poisson-chat dans le cadre de l'aquaponie couplée, en raison de la production et de la gestion sans problèmes, de la qualité élevée des produits et de l'augmentation de la demande du marché dans de nombreuses régions du monde.

   En Europe, d'autres espèces de poissons à fort potentiel commercial et à forte valeur économique sont récemment devenues au centre de la production aquaponique, l'accent étant mis en particulier sur les espèces piscivores telles que le sandre européen (Sander lucioperca). La production de sandre, une espèce de poisson relativement sensible aux paramètres de l'eau, a été testée en Roumanie en aquaponie couplée. Blidariu et al. (2013a, b) ont montré des niveaux significativement plus élevés de Psub2/SuboSub5/sub (pentoxyde de phosphore) et de nitrates dans la laitue (Lactuca sativ) utilisant le sandre comparativement à la production conventionnelle, ce qui suggère que la production de sandre en aquaponie couplée est possible sans effets négatifs sur les poissons croissance par toxicité nutritive. Les Cyprinidae (Cypriniformes) comme la carpe ont été couramment utilisés en aquaponie couplée et ont généralement montré une meilleure croissance avec des densités de stockage réduites et des débits d'eau de procédé aquaponique minimes (utilisation efficace de l'eau) au cours d'expériences menées dans Inde. La densité d'ensemencement optimale de la carpe koi (Cyprinus carpio var. koi) était de 1,4 kg/m (Hussain et al., 2014), et le meilleur gain de poids et rendement de Beta vulgaris var. bengalensis (épinards) a été trouvé avec un débit d'eau de 1,5 L/min (Hussain et al., 2015). Une bonne croissance des poissons et un rendement végétal d'épinards d'eau (Ipomoea aquatica) avec un pourcentage maximal d'élimination des éléments nutritifs (NOsub3/sub-N, POsub4/sub-P et K) ont été rapportés à un débit d'eau minimal de 0,8 L/min avec la carpe koi polycultivée (Cyprinus carpio var. koi) et les poissons d'or (Carassius auratus si et al. (2016). Il est intéressant de noter que la croissance des plantes et l'élimination des nutriments dans la production de koi (Cyprinus carpio var. koi) et de poissons d'or (Carassius auratus) (Hussain et al. 2014, 2015) avec Beta vulgaris var. bengalensis (épinards) et épinards d'eau (Ipomoea aquatica) ont augmenté linéairement avec une diminution du débit d'eau de procédé entre 0,8 L/min et 1,5 L/min. Ces résultats suggèrent que pour l'élevage de poissons cyprinidés, un débit d'eau plus faible est recommandé, car cela n'a aucun impact négatif sur la croissance des poissons. Par contre, Shete et al. (2016) ont décrit un débit plus élevé de 500 L hsup-1/sup (environ 8 L/min) pour la production de carpes communes et de menthe (Mentha arvensis), ce qui indique le besoin de différents débits d'eau pour différentes espèces végétales. Un autre cyprinide, la tanche (Tinca tinca), a été testé avec succès par Lobillo et al. (2014) en Espagne et a montré des taux élevés de survie des poissons (99,32 %) à de faibles densités d'ensemencement de 0,68 kg msup-3/sup sans dispositifs d'élimination des solides et de bons taux de survie de la laitue (98 %). Dans l'ensemble, les membres de la famille des Cyprinidae contribuent fortement à la production aquacole mondiale (FAO 2017) ; ce serait probablement aussi vrai dans les conditions aquaponiques et la productivité, mais la situation économique devrait être testée séparément pour chaque pays.

   D'autres organismes aquatiques tels que les crevettes et les écrevisses ont été introduits dans la production aquaponique couplée. Mariscal-Lagarda et al. (2012) ont étudié l'influence de l'eau de transformation de la crevette blanche (Litopenaeus vannamei) sur la croissance des tomates (Lycopersiçon esculentum) et ont trouvé de bons rendements en aquaponie avec un double effet d'économie d'eau en production intégrée. Une autre étude a comparé la production aquaponique semi-intensive combinée de crevettes d'eau douce (Macrobrachium rosenbergii — la crevette malaisienne) avec le basilic (Ocimum basilicum) par rapport à la culture hydroponique traditionnelle avec une solution nutritive (Ronzón-Ortega et al. 2012). Cependant, la production de basilic en aquaponie était initialement moins efficace (taux de survie de 25 %), mais avec l'augmentation de la biomasse des crevettes, la biomasse végétale a également augmenté, de sorte que les auteurs en sont arrivés à une conclusion positive avec la production de basilic avec M. rosenbergii. Sace et Fitzsimmons (2013) ont signalé une meilleure croissance des plantes dans la laitue (Lactuca sativa), le chou chinois (Brassica rapa pekinensis) et le pakchoi (Brassica rapa) avec M. rosenbergii en polyculture avec le Nil Tilapia (O. niloticus). La culture avec les crevettes a stabilisé le système en termes de paramètres chimiques et physiques, ce qui a permis d'améliorer la croissance des plantes, bien qu'en raison de l'augmentation du pH, des carences en nutriments se soient produites dans le chou chinois et la laitue. En général, ces études démontrent que la production de crevettes dans des conditions aquaponiques est possible et peut même exercer un effet stabilisateur sur la boucle fermée — ou le principe aquaponique couplé.

   # 7.7.2 Production d'usine

   La culture de nombreuses espèces de plantes, d'herbes, de cultures fruitières et de légumes à feuilles a été décrite en aquaponie couplée. Dans de nombreux cas, la teneur en éléments nutritifs de l'eau de procédé aquaponique était suffisante pour une bonne croissance des plantes. Un examen de Thorarinsdottir et al. (2015) a résumé l'information sur la production végétale dans des conditions de production aquaponique provenant de diverses sources. La laitue (Lactuca sativa) était la principale plante cultivée en aquaponie et était souvent utilisée dans différentes variantes, comme la laitue croustillante (iceberg), la laitue papillon (bibb aux États-Unis), la laitue romaine et la laitue feuilletée à des températures diurnes plus basses (3—12 °C) et plus élevées (17—28 °C) (Somerville et al. 2014). De nombreuses expériences ont été réalisées avec la laitue en aquaponie (p. ex. Rakocy, 1989) ou en comparaison de la croissance de la laitue entre aquaponique, hydroponique et aquaponique complétée (Delaide et al., 2016). Laitue romaine (Lactuca sativa longifolia cv. Jericho) a également été étudié par Seawright et al. (1998) avec de bons résultats de croissance similaires à ceux de l'hydroponie autonome et une accumulation croissante de K, Mg, Mn, P, Na et Zn avec l'augmentation de la biomasse des poissons du Nil Tilapia (Oreochromis niloticus). Les concentrations de Fe et de Cu n'étaient pas affectées. Le rendement de la laitue était insignifiant, avec des densités d'ensemencement différentes de poissons (151 g, 377 g, 902 g, 1804 g) et de biomasse végétale entre 3040 g (151 g de poisson) et 3780 g (902 g de poisson). La laitue a également été cultivée, par Lennard et Leonard (2006) avec la morue Murray (Maccullochella peelii peelii), et par Lorena et al. (2008) avec l'esturgeon « bester » (hybride de Huso huso femelle et Acipenser ruthenus mâle) et par Pantanella (2012) avec le tilapia du Nile (O. ticus). En tant que culture d'eau chaude, le basilic (Ocimum basilicum) a été déclaré comme une bonne herbe pour la culture en aquaponie couplée et a été déclaré comme la culture la plus plantée par 81 % des répondants dans les résultats d'une enquête internationale (Love et al., 2015). Rakocy et al. (2003) ont étudié le basilic avec des rendements comparables en production par lots et échelonnée (2,0 ; 1,8 kg/msup2/sup), contrairement à la culture au champ avec un rendement relativement faible (0,6 kg/msup2/sup). Somerville et al. (2014) ont décrit le basilic comme l'une des herbes les plus populaires pour l'aquaponie, surtout dans les systèmes à grande échelle en raison de sa croissance relativement rapide et de sa bonne valeur économique. Différents cultivars de basilic peuvent être cultivés à des températures plus élevées entre 20 et 25 °C dans des milieux, des systèmes hydroponiques NFT (technique du film nutritif) et DWC (culture en eau profonde). Le basilic cultivé dans des lits de gravier peut atteindre un rendement 2,5 fois plus élevé combiné avec des juvéniles de tilapia (O. niloticus, 0,30 g), contrairement à C. gariepinus (0,12 g) (Knaus et Palm, 2017a).

   Somerville et al. (2014) ont décrit les tomates (Lycopersiçon esculentum) comme un « excellent légume de fructification estivale » en aquaponie et peuvent faire face à une exposition complète au soleil et à des températures inférieures à 40 °C selon le type de tomate. Cependant, la durabilité économique de l'aquaponie couplée est contestée en raison de la compétitivité réduite de la production de tomates aquaponiques par rapport à la production hydroponique conventionnelle de haute technologie dans les serres, par exemple au Centre d'amélioration néerlandais de DLV GreenQ à Bleiswijk, avec un rendement de tomate de 100,6 kg msup-2/sup (Hortidaily 2015), ou même plus (Heuvelink 2018). Les recherches antérieures se sont concentrées sur la culture de cette plante principalement par rapport à la production sur le terrain. Lewis et coll. (1978) ont rapporté près du double de la récolte de tomates en aquaponie comparativement à la production au champ, et la carence en fer qui s'est produite a été corrigée en utilisant de l'acide tétra-acétique d'éthylène diamine. Les tomates ont également été produites dans différents systèmes aquaponiques au cours des dernières décennies, par Sutton et Lewis (1982) avec de bons rendements végétaux à des températures d'eau allant jusqu'à 28 °C en combinaison avec le poisson-chat de la Manche (Ictalurus punctatus), Watten et Busch (1984) en association avec le tilapia (Sarotherodon aurea) et un rendement total commercialisable en tomate de 9,6 kg/msup2/sup, soit environ 20 % des rendements enregistrés pour l'aquaponie découplée (47 kg/msup2/sup/an, Geelen 2016). McMurtry et coll. (1993) ont combiné le tilapia hybride (Oreochromis mossambicus x Oreochromis niloticus) avec des tomates dans des biofiltres de sable associés qui ont montré un « rendement végétal/rendement total élevé des plantes » de 1:1 ,5 rapport tance/biofiltre (lit filtre à sable) et McMurtry et coll. (1997) avec une augmentation des fruits végétaux totaux rendement avec un rapport de biofiltre/réservoir croissant. Il faut préciser que la production de tomates est possible sous l'aquaponie couplée. Suivant le principe de la culture des plantes sans sol en aquaponics sensu stricto après Palm et al. (2018), il est avantageux de fertiliser partiellement certains nutriments tels que le phosphore, le potassium ou le magnésium pour augmenter les rendements (voir les défis ci-dessous).

   La culture d'autres espèces végétales est également possible et des essais de nouvelles cultures sont continuellement signalés. Au Royaume-Uni, Kotzen et Khandaker ont testé des légumes asiatiques exotiques, avec un succès particulier avec des gourdes amères, autrement appelées kerala ou melon amer (Momordica charantia) (Kotzen, comm. pers.). Taro (Colocasia esculenta) est une autre espèce qui est facilement cultivée avec succès, tant pour ses grandes feuilles comme l'oreille d'éléphant que pour ses racines (Kotzen, comm. pers.). Somerville et al. (2014) ont noté que des cultures comme le chou-fleur, l'aubergine, les poivrons, les haricots, les pois, le chou, le brocoli, la carde et le persil ont le potentiel de culture en aquaponie. Mais il y en a beaucoup plus (par exemple, céleri, brocoli, chou-rave, piments, etc.), y compris les plantes qui préfèrent avoir des conditions humides de racines, y compris les épinards d'eau (Ipomoea aquatica) et la menthe (Menta sp.) ainsi que certaines plantes halophytiques, comme le samphire des marais (Salicornia europaea).

   Les plantes ornementales peuvent également être cultivées, seules ou avec d'autres cultures (culture intercalaire), par exemple Hedera helix (lierre commun) cultivées à l'Université de Rostock par Palm & Knaus dans un système aquaponique couplé. Les essais ont utilisé 50 % de nutriments en moins qui seraient normalement fournis aux plantes dans des conditions normales de pépinière avec un taux de réussite de 94,3 % (figure 7.10).

    

   Fig. 7.10 Trois catégories de lierre (Hedera helix), cultivé dans un système aquaponique couplé indiquant la qualité que le commerce de pépinière exige (a) très bonne et directement commercialisable, (b) bonne et commercialisable et (c) pas de qualité suffisante

   Outre la plante choisie et la variante, il y a deux obstacles majeurs qui concernent la production de plantes aquaponiques dans les deux états suggérés de production de poisson, étendue et intensive. Dans des conditions étendues, la disponibilité des nutriments à l'intérieur de l'eau de procédé est beaucoup plus faible que dans la production de plantes commerciales, les nutriments tels que K, P et Fe sont déficients, et la conductivité est comprise entre 1000 et 1500 μS/cm, ce qui est beaucoup moins que dans la production hydroponique régulière de plante régulièrement entre 3000 et 4000 μS/cm. Les plantes qui présentent une carence en certains éléments nutritifs peuvent présenter des signes de nécroses foliaires et ont moins de chlorophylle que les plantes fécondées de façon optimale. Par conséquent, l'ajout sélectif de certains éléments nutritifs augmente la qualité des plantes qui est nécessaire pour produire des produits compétitifs.

   En conclusion, la production commerciale d'aquaponiques couplées dans le cadre d'une production intensive de poissons a de la difficulté à concurrencer la production végétale régulière et l'hydroponie commerciale à grande échelle. Selon Palm et al. (2019), la composition non optimale et imprévisible des nutriments causés par le processus de production de poissons doit concurrencer les conditions nutritives optimales des systèmes hydroponiques. Il ne fait aucun doute qu'il faut développer des solutions permettant une croissance optimale des plantes tout en assurant la qualité de l'eau requise pour les poissons.

   7.7.3 Options de combinaison de poissons et de plantes

   La combinaison de poissons et de plantes en milieu aquaponique fermé peut générer une meilleure croissance des plantes (Knaus et al. 2018b) combinée à des avantages pour le bien-être des poissons (Baßmann et al., 2017). À l'intérieur de l'eau de procédé, de grandes variations des micronutriments et des macronutriments peuvent se produire, ce qui a des effets négatifs sur les besoins nutritionnels des plantes (Palm et al., 2019). Une analyse générale des systèmes aquaponiques couplés a montré qu'il y a de faibles niveaux d'éléments nutritifs dans les systèmes (Bittsanszky et al., 2016) comparativement aux solutions d'éléments nutritifs hydroponiques (Edaroyati et al., 2017). Les plantes ne tolèrent pas un apport insuffisant ou excédentaire de nutriments sans effet sur la croissance et la qualité, et l'apport quotidien du système aquaponique doit être ajusté en fonction des besoins nutritionnels de la plante. On peut y parvenir en régulant la densité d'ensemencement des poissons et en modifiant l'alimentation des poissons. Somerville et al. (2014) ont classé les plantes en aquaponie selon leurs besoins en nutriments comme suit :

   1. Plantes ayant de faibles besoins en nutriments (p. ex. basilic, Ocimum basilicum)

   2. Plantes ayant des besoins nutritionnels moyens (p. ex. chou-fleur, Brassica oleracea var. Botrytis)

   3. Plantes dont les besoins en nutriments sont élevés, comme les espèces fruitières (p. ex. fraises, Fragaria spec.).

   Toutes les plantes ne peuvent pas être cultivées dans tous les sous-systèmes hydroponiques avec le même rendement. Le choix de la plante dépend du sous-système hydroponique si des systèmes aquaponiques classiques sans sol (p. ex. DWC, NFT, refb et flow ; aquaponics sensu stricto' — s. — au sens étroit) sont utilisés. Dans l'agriculture aquaponique (« aquaponics sensu lato » — s.l. — dans un sens plus large, Palm et al. 2018), l'utilisation de sols inertes ou avec addition d'engrais applique des techniques de jardinage provenant de l'horticulture, augmentant ainsi la gamme possible d'espèces.

   Dans des conditions hydroponiques, les structures constitutives des sous-systèmes ont une influence décisive sur les paramètres de croissance des plantes. Selon Love et al. (2015), la plupart des producteurs aquaponiques ont utilisé des systèmes de radeaux et de lits médiatiques, ainsi qu'une plus petite quantité de tours verticales et de TVN. Lennard et Leonard (2006) ont étudié la croissance de la laitue de chêne vert (Lactuca sativa) et enregistré la relation Lit de gravier \ > Radeau flottant \ > TNF en termes de développement de la biomasse et de rendement en combinaison avec la morue Murray (Maccullochella peelii peelii) en Australie. Knaus & Palm (2016-2017, données inédites) ont testé différents sous-systèmes hydroponiques tels que le NFT, le radeau flottant et le substrat de gravier sur la croissance de différentes plantes dans le FishGlasHouse dans un plan expérimental aquaponique découplé, nécessitant des essais ultérieurs dans des conditions couplées. Avec l'augmentation de la densité de production de poisson-chat africain (C. gariepinus, env. 20—168 kg/msup3/sup), la plupart des cultures cultivées comme les concombres (Cucumis sativus), le basilic (Ocimum basilicum) et le pak choi (Brassica rapa chinensis) avaient tendance à croître mieux Ennard et Leonard (2006), en gravier et les aquaponiques NFT (GRAVEL \ > NFT \ > RAFT ; Wermter 2016 ; Pribbernow 2016 ; Lorenzen 2017), et la menthe verte marocaine (Mentha spicata) ont montré la performance de croissance opposée (RAFT = NFT \ > GRAVEL) avec le plus grand nombre de feuilles en NFT (Zimmermann 2017). Cela démontre un avantage des conditions de gravier et peut être utilisé au sens figuré également dans des pots de plantes conventionnelles avec substrat de sol dans des conditions aquaponiques couplées. Ce type d'aquaponie a été désigné comme « horticulture — aquaponique _ (s.l.) _ » en raison de l'utilisation de substrats du secteur horticole (sol, fibre de coco, tourbe, etc.). (voir Palm et al. 2018). Il s'agit de toutes les techniques de culture des plantes qui permettent aux plantes de pousser en pots, de sorte que le substrat dans le pot lui-même peut être considéré comme équivalent à un substrat de gravier classique pour l'aquaponie. Les recherches menées par Knaus & Palm (données inédites) ont montré une variation de la qualité des légumes cultivés couramment et donc de leur aptitude à la culture dans ce type d'aquaponie avec le sol (figure 7.11, tableau 7.1). Dans ce type d'aquaponie, les haricots, la laitue d'agneau et le radis se sont bien comportés.

    

   Fig. 7.11 Expériences avec une variété de légumes cultivés couramment, dans des conditions hivernales en 2016/2017 à la FishGlasHouse (Université de Rostock, Allemagne)

   Tableau 7.1 Recommandation pour l'utilisation de plantes de jardinage en culture aquaponique avec l'utilisation de 50% de l'engrais ordinaire dans des pots avec de la terre

   table thead tr class="en-tête » Thname/th ThLat. Nom/th ThPossible pour aquaponique/e THMARK/TH Le régime nutritionnels/e /tr /thead tbody tr class="impair » TDBeans/TD td IPHaseOlus vulgaris/i /td Tdyes/TD td1/td TDExtensive/TD /tr tr class="même » TDPEA/TD td iPisum sativum/i /td TDNO/TD td2/td TDINtensive/TD /tr tr class="impair » TDbetterave td ibêta vulgaris/i /td TDNO/TD td2/td TDBET/TD /tr tr class="même » TDtomates/TD td Isolanum lycopersicum/i /td TDNO/TD td2.3/td TDBET/TD /tr tr class="impair » Laitue de tdLamb/td td iValerianella locusta/i /td Tdyes/TD td1/td TDBET/TD /tr tr class="même » Tdradish/TD td Iraphanus sativus/i /td Tdyes/TD td1/td TDBET/TD /tr tr class="impair » TDWAT/TD td iTriticum aestivum/i /td TDNO/TD td2/td TDBET/TD /tr tr class="même » TDLettuce/TD td iLactuca sativa/i /td Tdyes/TD td1/td TDINtensive/TD /tr /tbody /table

   Le choix de la plante (espèce et souche) et en particulier le sous-système hydroponique et/ou le substrat, y compris la tourbe, les substituts de tourbe, la fibre de coco, le compost, l'argile, etc. ou un mélange de ceux-ci (voir Somerville et al., 2014), a un impact significatif sur le succès économique de l'entreprise. L'efficacité de certains substrats doit être testée dans des sous-unités hydroponiques de lit médiatique (p. ex. utilisation de sable (McMurtry et al., 1990, 1997), de gravier (Lennard et Leonard, 2004) et de perlite (Tyson et al., 2008). Somerville et al. (2014) ont décrit l'utilisation d'autres substrats médiatiques comme les graviers volcaniques ou la roche (tuff/tuf), le gravier calcaire, le gravier du lit de rivière, la pierre ponce, les plastiques recyclés, les substrats organiques comme la fibre de coco, la sciure, la mousse de tourbe et le tronc de riz. Les études comparatives qualitatives assorties de recommandations, cependant, sont très rares et font l'objet de recherches futures.

   7.7.4 Polyponique

   La combinaison de différents organismes aquatiques dans un seul système aquaponique peut augmenter les rendements totaux. Appliqué pour la première fois par Naegel (1977), ce principe de production multi-espèces a été inventé par Knaus et Palm (2017b) à partir du terme polyculture combinée à l'aquaponie dans les systèmes couplés comme « polyponique » (polyculture + aquaponique). Comme l'AMTI (aquaculture multitrophique intégrée), la polyponique élargit la diversité des systèmes de production. L'utilisation de plusieurs espèces dans un système présente à la fois des avantages et des inconvénients : a) la diversification permet au producteur de répondre aux demandes du marché local, mais b) d'autre part, l'accent est mis sur un certain nombre de produits, ce qui nécessite une plus grande compétence et une meilleure gestion. Les informations publiées sur la polyponique sont rares. Cependant, Sace et Fitzsimmons (2013) ont signalé une meilleure croissance de la laitue, du chou chinois et du pakchoi en polyculture avec des crevettes d'eau douce (Macrobrachium rosenbergii) et du tilapia du Nil (O. niloticus) en aquaponie couplée. Alberts-Hubatsch et coll. (2017) ont décrit la culture d'écrevisses nobles (Astacus astacus), de bars hybrides rayés (Morone saxatilis x M. chrysops), de microalgues (Nannochloropsis limnetica) et de cresson (Nasturtium officinale), où la croissance des écrevisses était plus élevée que prévue, se nourrissait de racines de racines de cresson, les excréments de poisson et un régime conçu pour le sandre.

   Les recherches initiales menées à l'Université de Rostock ont montré des différences dans la croissance des plantes dans deux unités aquaponiques identiques à couplage arrière de 25msup2/sup avec la production de poisson-chat africain (Clarias gariepinus) et du Nil Tilapia (Oreochromis niloticus, Palm et al. 2014b). Les rendements végétaux de laitue (Lactuca sativa) et de concombre (Cucumis sativus) étaient significativement meilleurs en combinaison avec O. niloticus. Cet effet a également été observé par Knaus et Palm (2017a) avec un rendement 2,5 fois plus élevé dans le basilic (Ocimum basilicum) et deux fois plus de biomasse de persil (Petroselinum crispum) combinée à O. niloticus. Une autre comparaison entre O. niloticus et la carpe commune (Cyprinus carpio) a montré une biomasse brute doublement plus élevée par plante (g plantsup-1/sup) de tomates (Solanum lycopersicum) avec tilapia et une biomasse brute légèrement augmentée de concombres (Cucumis sativus) avec carpe, cependant, avec des concombres plus élevés fruits poids dans l'unité aquaponique O. niloticus (Knaus et Palm 2017b). Le rendement en menthe (Mentha x piperita) était environ 1,8 fois plus élevé dans l'unité tilapia, mais le persil était 2,4 fois plus élevé en combinaison avec la carpe (Knaus et al. 2018a). Les résultats de ces expériences ont suivi l'ordre de croissance des plantes : O. niloticus \ > C. carpio \ > C. gariepinus, tandis que la croissance des poissons a montré un ordre inverse avec : C. gariepinus \ > O. niloticus \ > C. carpio.

   Selon ces résultats, le choix du poisson influence le rendement des plantes et une combinaison de différentes espèces de poissons et leur performance de croissance respective permet d'ajuster une aquaponie couplée à des rendements optimaux pour les poissons et les plantes. Au cours d'expériences consécutives (O. niloticus seulement, C. gariepinus seulement), un rendement plus élevé en biomasse basilic (O. basilicum) de 20,44 % (différence de croissance des plantes — PGD) a été observé pour O. niloticus, contrairement au rendement basilic avec C. gariepinus (Knaus et al. 2018b). Ainsi, O. niloticus peut être utilisé pour augmenter le rendement de la plante dans un système général C. gariepinus. Ce soi-disant effet de stimulation de Tilapia améliore la production globale du système et compense i) une croissance plus faible des plantes avec une croissance élevée des poissons de C. gariepinus ainsi que ii) une croissance plus faible des poissons dans O. niloticus avec un accroissement du rendement de la plante. Une première ferme polyponique commerciale a ouvert ses portes à Bali, en Indonésie, produisant du tilapia combiné avec du poisson-chat asiatique (Clarias batrachus) et des produits agricoles conventionnels.

8. 7.8 Problèmes de planification et de gestion du système

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

   L'aquaponie couplée dépend des éléments nutritifs qui sont fournis par les unités de poisson, soit un RAS commercial intensif ou des réservoirs stockés dans des conditions étendues dans des exploitations plus petites. La densité des poissons dans ce dernier est souvent d'environ 15—20 kg/msup3/sup (tilapia, carpe), mais la production étendue de poisson-chat africain peut être plus élevée jusqu'à 50 kg/msup3/sup. Ces différentes densités d'ensemencement ont une influence importante sur les flux nutritifs et la disponibilité des nutriments pour les plantes, sur l'exigence de contrôle et d'ajustement de la qualité de l'eau ainsi que sur les pratiques de gestion appropriées.

   La qualité de l'eau de procédé par rapport aux concentrations en éléments nutritifs dépend principalement de la composition de l'aliment et des taux de renouvellement respectifs des poissons. La différence entre l'apport alimentaire et les éléments nutritifs, assimilés à l'intérieur du poisson ou perdus par l'entretien du système, équivaut au potentiel maximal des nutriments disponibles pour les plantes provenant de l'aquaculture. Comme il a été mentionné ci-dessus, les concentrations en éléments nutritifs devraient être ajustées à des niveaux qui permettent aux plantes de croître efficacement. Cependant, toutes les espèces de poissons ne sont pas capables de résister à de telles conditions. Par conséquent, les espèces de poissons résilientes comme le poisson-chat africain, Tilapia ou la carpe sont des candidats aquaponiques préférés. À l'Université de Rostock, on a analysé le poisson-chat entier et son régime standard en tant que valeurs de sortie et d'entrée afin d'identifier les taux de renouvellement des macronutriments N, P, K, Ca, Mg et S et des micronutriments Fe, Mn, Mo, Cu, Zn et Se. À l'exception du P, plus de 50 % des nutriments nutritifs donnés aux poissons ne sont pas conservés dans leur corps et peuvent être considérés comme potentiellement disponibles en tant que nutriments végétaux (Strauch et al., 2018 ; figure 7.12). Cependant, ces nutriments ne sont pas répartis également à l'intérieur de l'eau de procédé et des sédiments. En particulier, les macronutriments (N, P, K) s'accumulent dans l'eau de procédé ainsi qu'à l'intérieur de la fraction solide tandis que les micronutriments, tels que le fer, disparaissent dans la fraction solide séparée par le clarificateur. La figure 7.13 montre la production d'éléments nutritifs par nettoyage de clarificateur après 6 jours de collecte de boues dans un RAS intensif de poisson-chat africain. Les proportions de nutriments essentiels végétaux liés dans les solides par rapport aux quantités respectives qui semblent dissous sont significatives : N = 48 %, P = 61 %, K = 10 %, Ca = 48 %, Mg = 16 %, S = 11 %, Fe = 99 %, Mn = 86 %, Mo = 100 %, Zn = 48 % et Cu = 55 %.

    

   Fig. 7.12 Nutriments inutilisés dans l'aquaculture africaine de poisson-chat qui sont potentiellement disponibles pour la production de plantes aquaponiques (données originales)

    

   Fig. 7.13 Distribution des macro- et micronutriments à l'intérieur de l'eau de procédé et des solides. (Données tirées de Strauch et coll. (2018))

   L'un des principaux facteurs de gestion est la disponibilité de l'oxygène à l'intérieur du système, ce qui est essentiel pour maintenir la concentration de nitrate disponible dans l'eau de procédé à un niveau élevé. Les clarificateurs conventionnels qui sont appliqués dans de nombreux RAS retirent les déchets solides riches en carbone de la recirculation, mais les laisseront en contact avec l'eau de procédé jusqu'au prochain intervalle de nettoyage du réservoir de sédimentation. Pendant ce temps, la matière organique riche en carbone est utilisée comme source d'énergie en dénitrifiant les bactéries, ce qui explique les pertes importantes de nitrates. Il dépasse sous forme d'azote dans l'atmosphère et est perdu. Dans des conditions de production intensives, de grandes quantités de boues organiques s'accumuleront à l'intérieur des réservoirs de sédimentation, ce qui aura des conséquences pour l'entretien, le remplacement par de l'eau douce et, par la suite, la composition nutritive à l'intérieur de l'eau de procédé. La figure 7.14 illustre les concentrations d'éléments nutritifs dans les bassins de rétention du poisson-chat africain RAS sous trois densités d'ensemencement différentes (extensif : 35 poisson/réservoir, semi-intensif : 70 poisson/réservoir, intensif : 140 poisson/réservoir). Plus la densité de stockage est élevée et plus la teneur en oxygène obtenue à l'intérieur du système est faible, plus le nitrate disponible par kg d'alimentation à l'intérieur du système est faible.

    

   Fig. 7.14 N-budget par kg d'aliment et niveau d'oxygène dans l'aquaculture africaine de poisson-chat sous trois densités d'ensemencement différentes (données originales)

   En général, avec l'augmentation de l'intensité des poissons, la disponibilité d'oxygène à l'intérieur du système diminue en raison de la consommation d'oxygène par le poisson et de la digestion des boues aérobies à l'intérieur du clarificateur et des sous-systèmes hydroponiques. Les niveaux d'oxygène peuvent être maintenus à des niveaux plus élevés, mais cela nécessite des investissements supplémentaires pour la surveillance et le contrôle de l'oxygène. Cette question est d'une importance considérable pour l'aquaponie couplée, dès le début de la phase de planification des systèmes, car les différents scénarios sont déterminants pour la production de poisson planifiée, la qualité de l'eau de procédé qui en résulte pour les unités de production de l'usine et, par conséquent, pour les la durabilité. Quatre principes de systèmes de production aquaponiques couplés ayant des conséquences de gestion en termes de conception du système, de procédures d'entretien et de disponibilité des nutriments pour la croissance des plantes, avec des transitions entre elles, peuvent être définis comme suit :

   • Production étendue, poissons résistants à l'oxygène (p. ex. tilapia, carpe), aucun contrôle de l'oxygène, Osub2/sub supérieur à 6 mg/L, faible utilisation d'eau avec des concentrations élevées de nutriments, faible investissement, faible DBO, teneur élevée en nitrate par kg d'aliment.

   • Production intensive, poisson résilient à l'oxygène (p. ex. poisson-chat africain), aucun contrôle de l'oxygène, Osub2/sub inférieur à 6 mg/L, utilisation élevée de l'eau, investissement moyen, DBO élevé, faible teneur en nitrate par kg d'aliment, concentrations élevées en nutriments.

   • Production étendue, poisson exigeant en oxygène (p. ex. truite), contrôle de l'oxygène, Osub2/sub supérieur à 6 à 8 mg/L, utilisation élevée de l'eau, investissement moyen, faible DBO, nitrate élevé par kg d'aliment, faible concentration en nutriments.

   • Production intensive, poisson exigeant en oxygène (p. ex. truite, sandre), contrôle de l'oxygène, Osub2/sub supérieur à 6 à 8 mg/L, utilisation élevée de l'eau, investissement élevé, DBO faible, nitrate moyen par kg d'aliment.

   En plus de la densité d'ensemencement et de la quantité moyenne d'oxygène à l'intérieur du système, le régime de production de la plante, c'est-à-dire la culture en lots ou en échelons, a des conséquences sur les nutriments disponibles dans l'eau de procédé (Palm et al., 2019). C'est le cas en particulier pour les poissons à croissance rapide, où l'augmentation des aliments pendant le cycle de production peut être si rapide que le taux d'échange de l'eau doit être plus élevé et donc la dilution des nutriments peut augmenter, ce qui a des conséquences sur la composition et la gestion des nutriments.

   Les mêmes processus oxiques ou anoxiques qui se produisent dans le RAS dans le cadre du système aquaponique couplé se produisent également à l'intérieur des sous-systèmes hydroponiques. Par conséquent, la disponibilité de l'oxygène et éventuellement l'aération de l'eau de la plante peuvent être cruciales pour optimiser la qualité de l'eau pour une bonne croissance de la plante. L'oxygène permet aux bactéries hétérotrophes de convertir les nutriments organiques liés en phase dissoute (c.-à-d. l'azote protéique en ammoniac) et aux bactéries nitrifiantes de convertir l'ammoniac en nitrate. La disponibilité d'oxygène dans l'eau réduit également le métabolisme microbien anoxique (c'est-à-dire les bactéries réductrices de nitrate et/ou de sulfate, Comeau 2008), processus qui peuvent avoir des effets considérables sur la réduction des concentrations de nutriments. L'aération des racines présente également l'avantage que l'eau et les nutriments sont transportés à la surface des racines et que les particules qui se déposent à la surface des racines sont éliminées (Somerville et al., 2014).

9. 7.9 Quelques avantages et inconvénients de l'aquaponie couplée

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

   La discussion qui suit révèle un certain nombre d'avantages et de défis clés de l'aquaponie couplée, comme suit :

   Pro : Les systèmes aquaponiques couplés présentent de nombreux avantages pour la production alimentaire, en particulier pour économiser des ressources à différentes échelles de production et sur un large éventail de régions géographiques. L'objectif principal de ce principe de production est l'utilisation la plus efficace et la plus durable des ressources rares telles que les aliments pour animaux, l'eau, le phosphore comme nutriment végétal limité et l'énergie. Alors que l'aquaculture et l'hydroponie (en tant que autonomes), par rapport à l'aquaponie, sont plus compétitives, l'aquaponie couplée peut avoir un avantage en termes de durabilité et donc une justification de ces systèmes, surtout lorsqu'on le voit dans le contexte, par exemple, du changement climatique, de la diminution des ressources, des scénarios cela pourrait changer notre vision d'une agriculture durable à l'avenir.

   Pro : Les aquaponiques à petite échelle et à couplage arrière sont destinées à soutenir la production alimentaire locale et communautaire par les ménages et les agriculteurs. Ils ne sont pas en mesure d'endiguer les coûts d'investissement élevés et nécessitent des technologies simples et efficaces. Cela s'applique aux combinaisons de poissons et de plantes testées en aquaponie couplée.

    

   Fig. 7.15 Mise au point de systèmes aquaponiques couplés à partir (a) de zones humides construites (CW) de déchets domestiques et (b) de CW en combinaison avec des systèmes aquacoles recirculants (RAS) vers (c) d'unités hydroponiques dans des systèmes aquaponiques couplés

   Pro : Les installations aquatiques couplées contemporaines jouent le même rôle dans le traitement des déchets que les zones humides construites dans l'élimination des déchets de l'eau (figure 7.15). Les plantes de l'unité hydroponique en aquaponie couplée remplissent donc la tâche de purifier l'eau et peuvent être considérées comme une « unité biologique avancée de purification de l'eau » afin de réduire l'impact environnemental de l'aquaculture.

   Défi : Il a été largement admis que l'utilisation d'aliments pour poissons comme intrant pour la nutrition des plantes est souvent insuffisante sur le plan qualitatif et quantitatif par rapport aux systèmes de production agricole conventionnels (p. ex., fumier hydroponique N-P-K) (Goddek et al., 2016), ce qui limite la croissance de certaines cultures en aquaponie couplée.

   Pro : Les systèmes aquaponiques couplés ont une influence positive sur le bien-être des poissons. Les études les plus récentes démontrent qu'en combinaison avec le concombre et le basilic, le comportement agoniste du poisson-chat africain (C. gariepinus) a été réduit (Baßmann et al., 2017, 2018). Plus important encore, en comparant les blessures et les comportements avec le témoin, les aquaponiques à forte densité de basilic influencent encore plus positivement le poisson-chat africain. Les plantes libèrent dans l'eau de procédé des substances telles que les phosphatases (Tarafdar et Claassen, 1988 ; Tarafdar et al., 2001) qui sont capables d'hydrolyser les composés biochimiques des phosphates autour de la racine et d'exsuder les acides organiques (Bais et al., 2004). De plus, les micro-organismes sur la surface des racines jouent un rôle important grâce à l'excrétion de substances organiques augmentant la solubilisation des minéraux qui les rendent disponibles pour la nutrition des plantes. Il est évident que l'environnement de la rhizosphère, l' « exsudat racinaire », est constitué de nombreux composés organiques tels que les anions acides organiques, les phytosiderophores, les sucres, les vitamines, les acides aminés, les purines, les nucléosides, les ions inorganiques, les molécules gazeuses, les enzymes et les cellules de bordure des racines (Dakora et Phillips 2002), 2002), qui peuvent influent sur la santé des organismes aquatiques dans les systèmes aquaponiques couplés. Cette relation symbiotique n'est disponible ni en aquaculture pure ni en aquaponie découplée. Cependant, il reste encore beaucoup à faire pour comprendre les facteurs responsables de l'amélioration du bien-être des poissons.

   Pro : L'aquaponie peut être considérée comme une forme optimisée de la production agricole conventionnelle, en particulier dans les zones où les facteurs de production causés par les conditions environnementales sont particulièrement difficiles, par exemple dans les déserts ou les zones urbaines très peuplées (villes). Les systèmes aquaponiques couplés peuvent être facilement ajustés aux conditions locales, en termes de conception du système et d'échelle de fonctionnement.

   Défi : L'aquaponique couplée présente également des inconvénients, en raison des conditions souvent inappropriées du rapport des composants de la production de poissons et de plantes. Afin d'éviter les conséquences pour le bien-être des poissons, les systèmes aquaponiques couplés doivent équilibrer l'apport alimentaire, la densité d'ensemencement ainsi que la taille des unités de traitement de l'eau et de l'hydroponie. Jusqu'à présent, la connaissance des rapports de composants dans l'aquaponie couplée est encore limitée, et la modélisation pour surmonter ce problème est au début. Rakocy (2012) a suggéré 57 g d'aliment par jour par mètre carré de surface de culture de laitue et un rapport composite de 1 msup3/sup de cuve d'élevage de poisson à 2 msup3/sup de gravier de pois, ce qui permet une production de 60 kg /msup3/sup tilapia. D'après le système UVA, les ratios de taille eux-mêmes ont été perçus comme un inconvénient, car un ratio relativement important entre la surface de culture des plantes et la surface des poissons d'au moins 7:3 doit être atteint pour une production végétale adéquate. D'autre part, les conceptions de systèmes couplés sont très variables, souvent peu comparables, et les expériences réalisées ne peuvent pas être facilement transférées vers un autre système ou un autre emplacement. Par conséquent, beaucoup plus de données de recherche sont nécessaires pour identifier les meilleurs ratios de production possibles, et enfin permettre une mise à l'échelle des systèmes aquaponiques couplés par la multiplication de modules de base conçus de manière optimale (voir également Chap. 11).

   Défi : On a indiqué que les paramètres nocifs de la qualité de l'eau nuisent à la santé des poissons. Comme Yavuzcan Yildiz et al. (2017) l'ont souligné, il faut maximiser la rétention des nutriments des plantes afin d'éviter les effets négatifs de la qualité de l'eau sur le bien-être des poissons. Il est important de sélectionner des espèces de poissons adéquates qui peuvent accepter des charges nutritives plus élevées, comme le poisson-chat africain (C. gariepinus) ou le Nil Tilapia (O. niloticus,). Des espèces plus sensibles comme le sandre ou le sandre (Sander lucioperca) pourraient également être appliquées en aquaponie parce qu'elles préfèrent des plans d'eau enrichis en nutriments ou eutrophiques à turbidité plus élevée (Jeppesen et al., 2000 ; Keskinen et Marjomäki, 2003 ; voir [Sect. 7.7.1. Production de poisson]). Jusqu'à présent, il existe peu de données permettant d'établir des énoncés précis sur les atteintes au bien-être des poissons. Avec des plantes ayant généralement besoin de fortes concentrations de potassium entre 230 et 400 mg/L à l'intérieur de l'eau de procédé, 200 à 400 mg/L de potassium n'ont montré aucune influence négative sur le bien-être du poisson-chat africain (Presas Basalo, 2017). De même, 40 et 80 mg/L d'OrthoP dans les eaux d'élevage n'ont pas eu d'impact négatif sur le rendement de croissance, l'efficacité alimentaire et les caractéristiques de bien-être des juvéniles d'Afrique (Strauch et al., 2019).

   Défi : Un autre problème est la transmission potentielle de maladies en termes de salubrité alimentaire, aux personnes par la consommation de plantes qui ont été en contact avec des déchets de poisson. En général, la présence de zoonoses est mineure parce que les aquaponiques fermées sont des systèmes entièrement contrôlés. Cependant, les germes peuvent s'accumuler dans l'eau de procédé des composants du système ou dans l'intestin du poisson. Escherichia coli et Salmonella spp. (bactéries entériques zoonotiques) ont été identifiées comme indicateurs de contamination fécale et de qualité de l'eau microbienne, mais elles n'ont été détectées en aquaponie qu'en très petites quantités (Munguia-Fragozo et al., 2015). Une autre comparaison des feuilles feuillées à texture lisse entre aquaponique, hydroponique et production à base de sol n'a montré aucune différence significative dans le nombre de plaques aérobies (APC, bactéries aérobies), les Enterobacteriaceae, les E. coli et Listeria non pathogènes, ce qui suggère un niveau de contamination comparable par des agents pathogènes ( Barnhart et coll. 2015). Listeria spp. était le plus fréquent (40%) en hydroponique avec des plantes déracinées (plantes aquaponiques avec des racines 0%, plantes aquaponiques sans racines \ < 10%), mais pas nécessairement les espèces nuisibles L. monocytogenes. Il a été suggéré que la source de la bactérie pourrait être due au manque de gestion de l'hygiène, avec peu de pertinence pour l'aquaponie en tant que telle. Une autre bactérie infectieuse, _Fusobacteria (Cetobacterium) _, a été détectée par Schmautz et al. (2017) dans les fèces de poissons, avec une prévalence élevée allant jusqu'à 75%. Les représentants de Fusobacteria sont responsables de maladies humaines (germes hospitaliers, abcès, infections), se reproduisant dans des biofilms ou dans les intestins des poissons. Les infections humaines par Fusobacteria provenant de l'aquaponie n'ont pas encore été enregistrées, mais peuvent être possibles en négligeant les protocoles d'hygiène requis.

   En général, on dispose de peu d'informations sur les maladies causées par la consommation de poissons et de plantes provenant de systèmes aquaponiques couplés. Dans Wilson (2005), le Dr J.E. Rakocy a déclaré qu'aucune éclosion de maladie humaine n'a été enregistrée en 25 ans de production aquaponique couplée. Cependant, une procédure de lavage des produits végétaux doit être utilisée pour réduire le nombre de bactéries par précaution. Chalmers (2004) a recommandé un bain de chlore (100 ppm) suivi d'un rinçage à l'eau potable. Si cette méthode est utilisée et que le contact des plantes ou des produits végétaux avec l'eau de procédé de recirculation est évité, la probabilité de contamination par des bactéries pathogènes humaines peut être fortement réduite. C'est une précaution nécessaire non seulement pour couplé, mais aussi pour toutes les autres formes d'aquaponie.