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Comprendre l'aquaponie

1. Équilibrage de l'écosystème aquaponique

   Original publication 2014 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Le terme « équilibrage » est utilisé pour décrire toutes les mesures prises par un agriculteur aquaponique pour s'assurer que l'écosystème des poissons, des plantes et des bactéries est à un équilibre dynamique. On ne saurait surestimer que le succès de l'aquaponie consiste principalement à maintenir un écosystème équilibré. Autrement dit, cela signifie qu'il y a un équilibre entre la quantité de poisson, la quantité de plantes et la taille du biofiltre, ce qui signifie vraiment la quantité de bactéries. Il existe des rapports expérimentaux entre la taille du biofiltre, la densité de plantation et la densité d'ensemencement des poissons pour l'aquaponie. Il est imprudent, et très difficile, d'opérer au-delà de ces ratios optimaux sans risquer de conséquences désastreuses pour l'ensemble de l'écosystème aquaponique. Les praticiens aquaponiques avancés sont invités à expérimenter et à ajuster ces ratios, mais il est recommandé de commencer l'aquaponie en suivant ces ratios. Cette section fournit une brève introduction, mais essentielle, à l'équilibre d'un système. Les dimensions des biofiltres et les densités d'ensemencement sont abordées de manière beaucoup plus approfondie au chapitre 8.

   Équilibre de nitrates

   L'équilibre dans un système aquaponique peut être comparé à une échelle d'équilibrage où les poissons et les plantes sont les poids debout à bras opposés. Les bras de la balance sont faits de bactéries nitrifiantes. Il est donc fondamental que la biofiltration soit suffisamment robuste pour supporter les deux autres composants. Ceci correspond à l'épaisseur du levier de la figure 2.10. Notez que les bras n'étaient pas assez forts pour supporter la quantité de déchets de poisson et que le bras s'est cassé. Cela signifie que la biofiltration était insuffisante.

   Si la biomasse du poisson et la taille du biofiltre sont équilibrées, l'unité aquaponique transformera adéquatement l'ammoniac en nitrate. Toutefois, si la composante végétale est sous-dimensionnée, le système commencera à accumuler des éléments nutritifs (figure 2.11). Concrètement, des concentrations plus élevées de nutriments ne sont pas nocives pour les poissons ni pour les plantes, mais elles indiquent que le système est sous-performant du côté végétal.

   Une erreur de gestion courante est le fait que trop de plantes et trop peu de poissons sont utilisés, comme le montre le troisième scénario illustré à la figure 2.12. Dans ce cas, l'ammoniac est traité par des bactéries nitrifiantes, mais la quantité de nitrate et d'autres nutriments qui en résultent est insuffisante pour couvrir les besoins des plantes. Cette condition conduit finalement à une réduction progressive des concentrations d'éléments nutritifs et, par conséquent, des rendements végétaux.

    

    

   La principale leçon tirée des deux exemples est que l'obtention d'une production maximale à partir de l'aquaponie exige le maintien d'un équilibre approprié entre les déchets de poisson et la demande d'éléments nutritifs végétaux, tout en assurant une surface suffisante pour cultiver une colonie bactérienne afin de convertir tous les déchets de poisson. Ce scénario équilibré est illustré à la figure 2.13. Cet équilibre entre poissons et plantes est également appelé rapport biomasse. Les unités aquaponiques réussies ont une biomasse appropriée de poissons par rapport au nombre de plantes, ou plus précisément, le rapport entre l'alimentation des poissons et la demande en éléments nutritifs des plantes est équilibré. Bien qu'il soit important de suivre les ratios suggérés pour une bonne production alimentaire aquaponique, il existe un large éventail de ratios réalisables, et les fermiers aquaponiques expérimentés remarqueront comment l'aquaponie devient un système autorégulateur. De plus, le système aquaponique fournit à un agriculteur attentif des signes d'avertissement lorsque le système commence à s'écarter de l'équilibre, sous la forme de mesures de qualité de l'eau et de la santé des poissons et des plantes, qui sont tous discutés en détail tout au long de cette publication.

   Taux d'avance

   De nombreuses variables sont prises en compte lors de l'équilibrage d'un système (voir encadré 2), mais des recherches approfondies ont simplifié la méthode d'équilibrage d'une unité à un rapport unique appelé « rapport de débit d'avance ». Le taux d'alimentation est la somme des trois variables les plus importantes, à savoir : la quantité journalière d'aliments pour poissons en grammes par jour, le type de plante (végétatif par rapport à la fructification) et l'espace de croissance de la plante en mètres carrés. Ce ratio suggère le montant

   d'aliments quotidiens pour poissons pour chaque mètre carré d'espace de culture. Il est plus utile d'équilibrer un système sur la quantité d'aliments entrant dans le système que de calculer directement la quantité de poisson. En utilisant la quantité d'aliment, il est alors possible de calculer le nombre de poissons en fonction de leur consommation quotidienne moyenne.

   Les rapports de débit alimentaire fourniront un écosystème équilibré pour les poissons, les plantes et les bactéries, à condition qu'il y ait une biofiltration adéquate. Utilisez ce rapport lors de la conception d'un système aquaponique. Il est important de noter que le rapport de vitesse d'alimentation n'est qu'un guide pour équilibrer une unité aquaponique, car d'autres variables peuvent avoir des impacts plus importants à différents stades de la saison, comme les changements saisonniers de la température de l'eau. Le taux d'alimentation plus élevé pour les légumes fruitiers explique la plus grande quantité d'éléments nutritifs nécessaires à la production de fleurs et de fruits par rapport aux légumes verts à feuilles.

   Outre le rapport de débit d'alimentation, il existe deux autres méthodes simples et complémentaires pour assurer un système équilibré : le contrôle de santé et le test d'azote.

   Bilan de santé des poissons et des plantes

   Les poissons ou les plantes malsains sont souvent un avertissement que le système est déséquilibré. Les symptômes de carences sur les plantes indiquent généralement qu'il n'y a pas assez de nutriments provenant des déchets de poisson. Les carences en éléments nutritifs se manifestent souvent par une faible croissance, des feuilles jaunes et un faible développement des racines, qui sont tous abordés au chapitre 6. Dans ce cas, la densité d'ensemencement des poissons, les aliments (si consommés par les poissons) et le biofiltre peuvent être augmentés, ou les plantes peuvent être enlevées. De même, si les poissons présentent des signes de stress, comme des haletages à la surface, des frottements sur les côtés du réservoir, des zones rouges autour des nageoires, des yeux et des branchies, ou, dans des cas extrêmes, ils meurent, c'est souvent à cause d'une accumulation de concentrations toxiques d'ammoniac ou de nitrite. Cela se produit souvent lorsqu'il y a trop de déchets dissous pour que le composant biofiltre puisse être traité. L'un de ces symptômes chez les poissons ou les plantes indique que l'agriculteur doit étudier activement et rectifier la cause.

   Essais d'azote

   Cette méthode consiste à tester les niveaux d'azote dans l'eau à l'aide de trousses d'essai simples et peu coûteuses (figure 2.14). Si l'ammoniac ou le nitrite sont élevés ( \ > 1 mg/litre), cela indique que la biofiltration est insuffisante et que la surface disponible du biofiltre doit être augmentée. La plupart des poissons sont intolérants à ces niveaux pendant plus de quelques jours. Un niveau croissant de nitrate est souhaité, ce qui implique des niveaux suffisants d'autres nutriments nécessaires à la croissance des plantes. Les poissons peuvent tolérer des niveaux élevés de nitrate, mais si les concentrations restent élevées ( \ > 150 mg/litre) pendant plusieurs semaines, une partie de l'eau devrait être retirée et utilisée pour irriguer d'autres cultures.

    

   Si les concentrations de nitrates sont faibles ( \ < 10 mg/litre) sur une période de plusieurs semaines, les aliments pour poissons peuvent être légèrement augmentés pour s'assurer qu'il y a suffisamment de nutriments pour les légumes. Cependant, ne jamais laisser des aliments pour poissons non consommés dans le réservoir d'aquaculture, de sorte qu'il peut être nécessaire d'augmenter la densité d'ensemencement des poissons. Alternativement, les plantes peuvent être enlevées afin qu'il y ait suffisamment de nutriments pour ceux qui restent. Il est utile et recommandé de tester les niveaux d'azote chaque semaine pour s'assurer que le système est correctement équilibré. De plus, les concentrations de nitrates sont un indicateur du niveau d'autres nutriments dans l'eau.

   Encore une fois, tous les calculs et ratios mentionnés ci-dessus, y compris la densité d'ensemencement des poissons, la capacité de plantation et la taille des biofiltres, sont expliqués de façon beaucoup plus approfondie dans les chapitres suivants (en particulier dans le chapitre 8). Le but de cette section était de faire comprendre à quel point il est vital d'équilibrer l'écosystème au sein de l'aquaponie et de mettre en évidence les méthodes et stratégies simples pour le faire.

   *Source : Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus et Alessandro Lovatelli, production alimentaire aquaponique à petite échelle, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduit avec permission. *

2. Composants biologiques importants de l'aquaponie

   Original publication 2014 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Comme il est décrit au chapitre 1, l'aquaponie est une forme d'agriculture intégrée qui combine deux techniques majeures, l'aquaculture et l'hydroponie. Dans une unité de recirculation continue, l'eau de culture sort de l'aquarium contenant les déchets métaboliques du poisson. L'eau passe d'abord par un filtre mécanique qui capte les déchets solides, puis passe par un biofiltre qui oxyde l'ammoniac en nitrate. L'eau se déplace ensuite à travers les parterres où les plantes absorbent les nutriments, et finalement l'eau retourne, purifiée, dans le réservoir à poissons (figure 2.1). Le biofiltre fournit un habitat aux bactéries pour convertir les déchets de poisson en éléments nutritifs accessibles aux plantes. Ces nutriments, qui sont dissous dans l'eau, sont ensuite absorbés par les plantes. Ce processus d'élimination des éléments nutritifs nettoie l'eau, empêchant l'eau de devenir toxique avec des formes nocives d'azote (ammoniac et nitrite), et permet aux poissons, aux plantes et aux bactéries de prospérer de façon symbiotique. Ainsi, tous les organismes travaillent ensemble pour créer un environnement de croissance sain les uns pour les autres, à condition que le système soit correctement équilibré.

    

   Le cycle de l'azote

   Le processus biologique le plus important en aquaponie est le processus de nitrification, qui est une composante essentielle du cycle global de l'azote vu dans la nature. L'azote (N) est un élément chimique et un élément essentiel pour toutes les formes de vie. Il est présent dans tous les acides aminés, qui composent toutes les protéines qui sont essentielles pour de nombreux

    

   les processus biologiques pour les animaux tels que la régulation enzymatique, la signalisation cellulaire et la construction de structures. L'azote est le nutriment inorganique le plus important pour toutes les plantes. L'azote, sous forme gazeuse, est en fait l'élément le plus abondant présent dans l'atmosphère terrestre en représente environ 78 pour cent, l'oxygène ne constituant que 21 pour cent. Pourtant, bien que l'azote soit si abondant, il n'est présent que dans l'atmosphère sous forme d'azote moléculaire (N2), qui est une triple liaison très stable d'atomes d'azote et est inaccessible aux plantes. Par conséquent, l'azote sous sa forme N2 doit être modifié avant que les plantes ne l'utilisent pour la croissance. Ce processus est appelé fixation d'azote. Il fait partie du cycle de l'azote (figure 2.2), vu dans toute la nature (figure 2.3). La fixation de l'azote est facilitée par les bactéries qui modifient chimiquement le N2 en ajoutant d'autres éléments tels que l'hydrogène ou l'oxygène, créant ainsi de nouveaux composés chimiques tels que l'ammoniac (NH3 ) et le nitrate (NO3 -) que les plantes peuvent facilement utiliser. En outre, l'azote atmosphérique peut être fixé par un procédé de fabrication à forte intensité énergétique connu sous le nom de procédé Haber, utilisé pour produire des engrais synthétiques.

   L'animal représenté à la figure 2.3 produit des déchets (matières fécales et urines) qui sont en grande partie constitués d'ammoniac (NH3). D'autres matières organiques en décomposition présentes dans la nature, telles que les plantes ou les animaux morts, sont décomposées par les champignons et les différents groupes de bactéries en ammoniac. Cet ammoniac est métabolisé par un groupe spécifique de bactéries, ce qui est très important pour les aquaponiques, appelées bactéries nitrifiantes. Ces bactéries convertissent d'abord l'ammoniac en composés nitrites (NO2-), puis finalement en composés nitrates (NO3-). Les plantes sont capables d'utiliser à la fois l'ammoniac et les nitrates pour effectuer leurs processus de croissance, mais les nitrates sont plus facilement assimilés par leurs racines.

    

    

   Les bactéries nitrifiantes, qui vivent dans divers environnements tels que le sol, le sable, l'eau et l'air, sont un élément essentiel du processus de nitrification qui convertit les déchets végétaux et animaux en nutriments accessibles aux plantes. La figure 2.4 montre le même procédé que celui illustré à la figure 2.3, mais comprend un organigramme plus complexe montrant toutes les étapes du cycle de l'azote.

    

   Ce processus naturel de nitrification par les bactéries qui se produisent dans le sol se déroule également dans l'eau de la même manière. Pour l'aquaponie, les déchets animaux sont les excréments de poissons libérés dans les réservoirs de culture. Les mêmes bactéries nitrifiantes qui vivent sur la terre s'établiront naturellement dans l'eau ou sur toutes les surfaces humides, transformant l'ammoniac des déchets de poisson en nitrate facilement assimilable pour les plantes. La nitrification dans les systèmes aquaponiques fournit des nutriments aux plantes et élimine l'ammoniac et les nitrites toxiques (figure 2.5).

   *Source : Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus et Alessandro Lovatelli, production alimentaire aquaponique à petite échelle, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduit avec la permission. *

3. Maintien d'une colonie bactérienne saine

   Original publication 2014 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Les principaux paramètres affectant la croissance des bactéries qui doivent être pris en compte lors du maintien d'un biofiltre sain sont une surface adéquate et des conditions d'eau appropriées.

   Surface

   Les colonies bactériennes prospèrent sur n'importe quel matériau, comme les racines des plantes, le long des parois des bassins à poissons et à l'intérieur de chaque tuyau de culture. La superficie totale disponible pour ces bactéries déterminera la quantité d'ammoniac qu'elles sont capables de métaboliser. Selon la biomasse du poisson et la conception du système, les racines des plantes et les parois des bassins peuvent fournir une surface adéquate. Les systèmes à forte densité de stockage des poissons nécessitent un composant de biofiltration distinct dans lequel se trouve un matériau à grande surface, tel que des milieux de culture inertes - gravier, tuf ou argile expansée (figure 2.7).

    

   pH de l'eau

   Le pH est à quel point l'eau est acide ou basique. Le niveau de pH de l'eau a un impact sur l'activité biologique des bactéries nitrifiantes et sur leur capacité à convertir l'ammoniac et le nitrite (figure 2.8). Les fourchettes pour les deux groupes nitrifiants ci-dessous ont été identifiées comme idéales, mais la littérature sur la croissance des bactéries suggère également une fourchette de tolérance beaucoup plus grande (6-8,5) en raison de la capacité des bactéries à s'adapter à leur environnement.

   | Bactéries nitrifiantes | Ph optimal | | — | — | | Nitrosomonas spp. | 7.2-7.8 | | Nitrobacter spp. | 7.2-8.2 |

   Cependant, pour l'aquaponie, une plage de pH plus appropriée est de 6 à 7 parce que cette plage est meilleure pour les plantes et les poissons (le chapitre 3 traite du compromis sur les paramètres de qualité de l'eau). De plus, une perte d'efficacité bactérienne peut être compensée par la présence d'un plus grand nombre de bactéries, de sorte que les biofiltres doivent être dimensionnés en conséquence.

    

   Température de l'eau

   La température de l'eau est un paramètre important pour les bactéries, et pour l'aquaponie en général. La plage de température idéale pour la croissance et la productivité des bactéries est de 17 à 34 °C. Si la température de l'eau descend en dessous de 17 °C, la productivité des bactéries diminuera. En dessous de 10 °C, la productivité peut être réduite de 50 % ou plus. Les basses températures ont des répercussions importantes sur la gestion des unités durant l'hiver (voir le chapitre 8).

   Oxygène dissous

   Les bactéries nitrifiantes ont besoin d'un niveau adéquat d'oxygène dissous (OD) dans l'eau en tout temps afin de maintenir des niveaux élevés de productivité.

   La nitrification est une réaction oxydative, où l'oxygène est utilisé comme réactif ; sans oxygène, la réaction s'arrête. Les concentrations optimales d'OD sont de 4 à 8 mg/litre. La nitrification diminuera si les concentrations d'OD tombent en dessous de 2,0 mg/ litre. De plus, sans concentrations suffisantes d'OD, un autre type de bactérie peut se développer, une bactérie qui convertira les nitrates précieux en azote moléculaire inutilisable dans un processus anaérobie appelé dénitrification.

   Lumière ultraviolette

   Les bactéries nitrifiantes sont des organismes photosensibles, ce qui signifie que la lumière ultraviolette (UV) du soleil est une menace. C'est particulièrement le cas lors de la formation initiale des colonies bactériennes lors de la mise en place d'un nouveau système aquaponique. Une fois que la bactérie a colonisé une surface (3 à 5 jours), la lumière UV ne pose aucun problème majeur. Une façon simple d'éliminer cette menace consiste à recouvrir le réservoir de poisson et les composants de filtration d'un matériau protecteur contre les UV tout en s'assurant qu'aucune eau dans le composant hydroponique n'est exposée au soleil, au moins jusqu'à ce que les colonies bactériennes soient complètement formées.

   Les bactéries nitrifiantes poussent sur un matériau à grande surface (figure 2.9), abrité à l'aide d'un matériau de protection contre les UV et dans des conditions d'eau appropriées (tableau 2.1).

    

   TABLEAU ##### 2.1

   Plage de tolérance à la qualité de l'eau pour les bactéries nitrifiantes

   | | **Température (°C) ** | Ph | **Ammoniac (mg/litre) ** | **Nitrite (mg/litre) ** | **Nitrate (mg/litre) ** | **DO (mg/litre) ** | | — | — | — | — | — | — | — | | Plage de tolérance | 17 -34 | 6 -8,5 | \ < 3 | \ < 3 | \ < 400 | 4 -8 |

   *Source : Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus et Alessandro Lovatelli, production alimentaire aquaponique à petite échelle, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduit avec la permission. *

4. Le biofiltre

   Original publication 2014 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Les bactéries nitrifiantes sont vitales pour le fonctionnement global d'une unité aquaponique. Le chapitre 4 décrit le fonctionnement du composant biofiltre pour chaque méthode aquaponique, et le chapitre 5 décrit les différents groupes de bactéries qui opèrent dans une unité aquaponique. Deux grands groupes de bactéries nitrifiantes sont impliqués dans le processus de nitrification : 1) les bactéries oxydantes d'ammoniac (AOB) et 2) les bactéries oxydantes de nitrites (NOB) (figure 2.6). Ils métabolisent l'ammoniac dans l'ordre suivant :

   1. Les bactéries AOB convertissent l'ammoniac (NH) en nitrite (NO₂-)

   2. Les bactéries NOB convertissent ensuite le nitrite (NO₂-) en nitrate (NO-)

    

   Comme le montrent les symboles chimiques, l'AOB oxydent (ajoute de l'oxygène à) l'ammoniac et crée du nitrite (NO₂-) et le NOB oxydent davantage le nitrite (NO₂-) en nitrate (NO-). Le genre Nitrosomonas est l'AOB le plus courant en aquaponie, et le genre Nitrobacter est le NOB le plus courant ; ces noms sont fréquemment utilisés de façon interchangeable dans la littérature et sont utilisés tout au long de cette publication.

   En résumé, l'écosystème au sein de l'unité aquaponique dépend totalement de la bactérie. Si les bactéries ne sont pas présentes ou si elles ne fonctionnent pas correctement, les concentrations d'ammoniac dans l'eau tueront les poissons. Il est essentiel de maintenir et de gérer une colonie bactérienne saine dans le système en tout temps afin de maintenir les niveaux d'ammoniac proches de zéro.

   *Source : Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus et Alessandro Lovatelli, production alimentaire aquaponique à petite échelle, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduit avec la permission. *