Source material

Глава 12 Аквапоника: альтернативные виды и подходы

1. 12.1 Введение

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   В этой главе рассматривается ряд ключевых смежных и альтернативных технологий, которые либо расширяют, либо обладают потенциалом для расширения функциональности/производительности аквапонных систем, либо являются ассоциированными/автономными технологиями, которые могут быть связаны с аквапоникой. В основе создания и развития этих систем лежит способность, среди прочего, увеличить производство, сократить количество отходов и энергии и в большинстве случаев сократить потребление воды. В отличие от аквапоники, которая, как представляется, находится в средней и подростковой стадии развития, новые подходы, обсуждаемые ниже, находятся в зачаточном состоянии. Однако это не означает, что они не являются технологиями, ценными сами по себе и обладают потенциалом для эффективного и устойчивого производства продовольствия в будущем. Рассматриваемые ниже методы включают аэропонику, аэроаквапонику, водорослей, биофлоковую технологию для аквапоники, марапоники и галопоники и вертикальную аквапонику.

2. 12.2 Аэропоника

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.2.1 Справочная информация

   Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) описывает аэропонику как процесс выращивания растений, взвешенных в воздухе без почвы или сред, обеспечивая чистое, эффективное и быстрое производство продуктов питания. Кроме того, НАСА отмечает, что сельскохозяйственные культуры могут быть посажены и собраны круглый год без перерывов, без загрязнения из почвы, пестицидов и остатков, и что аэропонные системы также сокращают потребление воды на 98%, использование удобрений на 60% и вообще исключают использование пестицидов. Показано, что растения, выращенные в аэропонных системах, поглощают больше минералов и витаминов, делая растения более здоровыми и потенциально более питательными (NASA Spinoff). К другим преимуществам аэропоники можно отнести:

   • Растущая среда может быть сохранена в чистоте и стерильности.

   • Это снижает шансы на болезни растений и распространение инфекции.

   • Саженцы не растягиваются и не увядают во время образования корней.

   • Саженцы легко удаляются для пересадки без трансплантационного шока.

   • ускоряется рост сеянцев, что приводит к увеличению циклов посевов и, таким образом, увеличению урожайности в год.

   Для погоды и Зобеля (1992) аэропоника определяется как культура целых растений и/или тканей с их корнями или цельной ткани, питаемой воздушно-водяным туманом (в отличие от погружения в/на воду, почву, питательные агары или другие субстраты). Для них растения, которые выращиваются только частично с корнями в воздухе и частично в питательных растворах или выращиваются в течение части времени в воздухе и часть времени в питательных растворах, выращиваются в процессе аэрогидропоники, а не арепоники.

   Таким образом, аэропонные системы функционируют путем распыления или затухания области корневой зоны питательным раствором. Корни растений, таким образом, взвешиваются в воздухе и подвергаются непрерывному или прерывисто/периодическому распылению богатых питательными веществами капель воды в виде капель или очень мелких туманов с размерами капель от 5 до 50 мкм (микрон). Обычно можно найти «хобби/домашний» комплект с распылительными капельками размером 30—80 мкм. Ультразвуковые распылители или распылители сухого тумана производят капли размером\ <5 мкм, но для них требуется сжатый воздух и очень мелкие сопла, или для производства этих туманов возможно использование ультразвуковых преобразователей.

   В аэропонике, как и в гидропонике, снабжение питательными веществами может быть оптимизировано и в сравнении гидропоники и аэропоники, Hikosaka et al. (2014) отмечают, что никакой разницы между ростом и качеством урожая в салате с использованием аэропоники сухого тумана не обнаружено. Однако наблюдалось значительное увеличение скорости корневого дыхания и скорости фотосинтеза листьев. Они также отмечают, что эта система также использует меньше воды и что она может быть более эффективной и проще в управлении, чем обычные гидропоники (Hikosaka et al. 2014). В обзорной статье о современных технологиях выращивания растений в сельском хозяйстве в контролируемых условиях, Lakhiar et al. (2018) отмечают, что аэропоника «считается лучшим методом выращивания растений для обеспечения продовольственной безопасности и устойчивого развития».

   12.2.2 Происхождение аэропоники

   Ричард Стоунер II считается отцом аэропоники. В обзоре аквапоники НАСА (Clawson et al. 2000) отмечается, что происхождение аквапоники в основном связано с изучением морфологии корней, но происходит в природе, например, с растениями, например, орхидеями, произрастающими в тропических районах, где туман встречается естественным образом. Clawson et al. (2000) отмечают развитие аэропоники у Б. Т. Баркера, который «преуспел в выращивании яблони с помощью брызги», и Ф. В. Уента, который в 1957 году выращивал помидоры и кофейные растения в тумане и назвал процесс «аэропоника». Что касается изучения морфологии корней, то Картер в 1942 году использовал аэропонику как способ исследования ананасовых корней, а Клоц в 1944 году исследовал корни авокадо и цитрусовых, а затем многие другие, включая Хабика и Робертсона; Барака, Соффера и Бургера; Юргалевича и Джейнса; и Дютоа, Уэзерса, и Бриггс провели различные эксперименты в области аэропоники (подробности см. в Clawson et al. 2000).

   12.2.3 Проблемы роста аэропоники

   Clawson et al. (2000) сообщают о тестах Tibbits et al. (1994) о том, что непрерывная тумания может «способствовать росту грибков и бактерий вблизи или на растениях», и, кроме того, некоторые исследователи обнаружили, что из-за мелкодисперсных капель и непрерывных систем запотевания могут возникнуть трудности «в доставляя питательные вещества во все растения, где есть высокая плотность растений». В этой связи было показано, что тумание через промежутки времени обеспечивает более здоровую систему и более здоровые корни по сравнению с методами непрерывного тумания и гидропоники. Использование интервалов также делает растения более устойчивыми к любым перерывам в тумане, кондиционируя растения, чтобы процветать дольше при более низком уровне влажности, с вероятным снижением уровня патогенов. Для эффективного тумана «размер и скорость капель также являются важными аэропонными параметрами. Эффективность сбора тумана корня зависит от размера нити, размера капли и скорости» (Clawson et al. 2000).

   12.2.4 Комбинирование аквапоники и аэропоники

   В то время как ряд предпринимателей и увлеченных любителей содействуют сочетанию аквапоники с аэропонией, существует ряд вопросов, которые необходимо решить, если рассматривать эту комбинированную технологию для будущего сельского хозяйства. Одной из проблем, которую необходимо решить, является название этой системы, и здесь предлагается называть эту комбосистему «аквааэропоника».

   Несмотря на то, что в Интернете есть многочисленные видеоролики и дискуссионные темы, о сочетании аэропоники и аквапоники, область ничтожна для научной литературы. Обсуждения в Интернете поднимают вопросы засорения туманных опрыскивателей и необходимости тонкой фильтрации аквапонных растворов. Еще одна проблема, связанная с аквааэропонией, связана с потенциалом роста патогенов в воздушной влажной среде, и для этого потребуются исследования. Одним из решений проблемы господ является использование ультразвуковой вибрации для создания туманов, но это не решает каких-либо проблем, которые могут возникнуть при росте патогенов.

3. 12.3 Альгепоника

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.3.1 Фон

   Микроводоросли являются одноклеточными фотоавтотрофами (от 0,2 мкм до 100 мкм) и классифицируются по различным таксономическим группам. Микроводоросли встречаются в большинстве сред, но в основном встречаются в водных средах. Фитопланктон отвечает более 45% мирового первичного производства, а также производит более 50% атмосферного OSub2/Sub. В целом, нет существенных различий в фотосинтезе микроводорослей и высших растений (Deppeler et al. 2018). Однако в связи с меньшими размерами и сокращением числа внутренне конкурентоспособных физиологических органелл микроводоросли могут расти гораздо быстрее, чем более высокие растения (Moheimani et al. 2015). Микроводоросли могут также расти в условиях ограниченных питательных веществ и способны адаптироваться к более широкому спектру условий окружающей среды (Gordon and Polle 2007). Важнее всего то, что культура микроводорослей не конкурирует с производством продовольственных культур в отношении пахотных земель и пресной воды (Moheimani et al. 2015). Кроме того, микроводоросли могут эффективно использовать неорганические питательные вещества из сточных вод (Ayre et al. 2017). В целом микроводоросли биомасса содержит до 50% углерода, что делает их идеальным кандидатом для биовосстановления атмосферы COSub2/Sub (Moheimani et al. 2012).

   Расширение масштабов мирового сельского хозяйства и животноводства привело к значительному увеличению количества биологически доступных азота и фосфора, попадающих в биосферу суши (Galloway et al. 2004). Урожай и животноводство, а также системы канализации вносят значительный вклад в эти питательные вещества (Schoumans et al. 2014). Инфильтрация этих питательных веществ в водотоки может вызвать серьезные экологические проблемы, такие как вредное цветение водорослей и массовая смертность рыб. Например, в США загрязнение питательными веществами в сельском хозяйстве признается в качестве одного из основных источников эвтрофикации (Sharpley et al. 2008). Контроль за потоком питательных веществ от сельскохозяйственных предприятий в окружающую среду приводит к возникновению как технических, так и экономических проблем, которые необходимо преодолеть для уменьшения таких последствий. Были разработаны различные успешные процессы обработки сточных вод с высокой органической нагрузкой. Однако почти все эти методы не очень эффективны в удалении неорганических элементов из воды. Кроме того, некоторые из этих методов являются довольно дорогостоящими в эксплуатации. Одним из простых методов обработки органических отходов является анаэробное сбраживание (AD). Процесс АД хорошо понятен, и при эффективной эксплуатации он может преобразовывать более 90% органических веществ сточных вод в биометан и COSub2/sub (Parkin and Owen 1986). Метан может использоваться для производства электроэнергии, а генерируемое тепло может использоваться для различных дополнительных целей. Однако процесс АД приводит к созданию анаэробного сбраживания сточных вод (ADE), который очень богат неорганическими фосфатами и азотом, а также высоким содержанием ХПК (углеродного кислорода). В некоторых местах эти стоки могут обрабатываться с помощью микроводорослей и макроводорослей (Ayre et al. 2017).

   12.3.2 Системы роста водорослей

   Поскольку Комитет Организации Объединенных Наций рекомендовал дополнить традиционные сельскохозяйственные культуры высокобелковыми продуктами нетрадиционного происхождения, микроводоросли стали естественными кандидатами (Richmond and Becker 1986). Первое культивирование микроводорослей было достигнуто в 1890 году путем культивирования\ Chlorella vulgaris (Боровицка 1999). В связи с тем, что микроводоросли обычно делятся в определенное время суток, термин циклостат был разработан для введения в культуру светлого/темного (циркадного) цикла (Chisholm and Brand 1981). Крупномасштабное культивирование микроводорослей и частичное использование их биомассы, особенно в качестве основы для некоторых продуктов, таких как липиды, было, вероятно, начато серьезно еще в 1953 году с целью производства продуктов питания из крупномасштабной культуры «Хлорелла» (Borowitzka 1999). Как правило, водоросли можно культивировать в жидкости с помощью открытых прудов (Боровицка и Мохеймани 2013), закрытых фотобиореакторов (Moheimani et al. 2011) или комбинации этих систем. Водоросли также можно культивировать как биопленки (Wijihastuti et al. 2017).

   Закрытые фотобиореакторы (после Moheimani et al. 2011): Закрытые водоросли культуры (фотобиореакторы) не подвергаются воздействию атмосферы, но покрыты прозрачным материалом или содержатся в прозрачной трубе. Фотобиореакторы обладают явным преимуществом предотвращения испарения. Закрытые и полузакрытые фотобиореакторы в основном используются для производства высокоценных водорослей. Из-за общей стоимости эксплуатационных расходов (OPEX) и капитальных затрат (CAPEX) закрытые фотобиореакторы менее экономичны, чем открытые системы. С другой стороны, существует меньше загрязнений и меньше потерь COSub2/Sub, а благодаря созданию воспроизводимых условий возделывания и гибкости в техническом проектировании они являются хорошей заменой открытых прудов. Некоторые недостатки замкнутых систем могут быть преодолены с помощью (а) уменьшения светового пути, (б) решения сложности сдвига (турбулентности), снижения концентрации кислорода и (в) системы регулирования температуры. Закрытые фотобиореакторы в основном подразделяются на a) карбои, b) трубчатые, c) воздушные перевозки и d) пластинчатые фотобиореакторы.

   **Открытые пруды (после Боровицки и Мохеймани 2013): Открытые пруды чаще всего используются для крупномасштабного выращивания микроводорослей на открытом воздухе. Основное коммерческое производство водорослей базируется на открытых каналах (дорожках качения), которые являются менее дорогостоящими, легче строить и эксплуатировать по сравнению с закрытыми фотобиореакторами. Кроме того, рост микроводорослей сталкивается с меньшими трудностями в открытых, чем закрытых системах возделывания. Однако только несколько видов микроводорослей (например, Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) успешно выращиваются в открытых прудах. Коммерческие затраты на производство микроводорослей высоки и составляют приблизительно от 4 до 20\ $US/GSUP-1/SUP. За последние 70 лет развилась крупная коммерческая микроводоросльная культура открытого пруда, и как неперемешиваемые, так и взволнованные пруды были разработаны и используются на коммерческой основе. Очень большие неперемешиваемые открытые пруды просто построены из природных водоемов с открытыми лежаками, которые обычно имеют глубину менее 0,5 м. В некоторых небольших прудах поверхность может быть облицована пластиковой подкладкой. Неперемешиваемые открытые пруды представляют собой наиболее экономичные и наименее технические из всех методов коммерческой культуры и используются для производства Dunaliella salina β-каротина в Австралии. Такие пруды в основном ограничиваются выращиванием микроводорослей, которые способны выживать в плохих условиях или имеют конкурентное преимущество, позволяющее им перерасти загрязняющие вещества, такие как простейшие, нежелательные микроводоросли, вирусы и бактерии. С другой стороны, взволнованные пруды имеют преимущество режима смешивания. Большинство взволнованных прудов представляют собой: а) круговые пруды с вращающимися мешающими или b) одиночные или соединенные пруды качения.

   Круговые водоемы используются главным образом для крупномасштабного выращивания микроводорослей, особенно в Юго-Восточной Азии. Открыты круговые пруды диаметром до 45 м и, как правило, глубиной 0,3—0,7 м, но есть некоторые примеры, которые покрыты стеклянными куполами. Низкие напряжения сдвига, необходимые для производства микроводорослей, производятся в этих системах, особенно в центре пруда, и это является явным преимуществом таких систем. К некоторым недостаткам относятся дорогостоящие бетонные конструкции, неэффективное землепользование с большими размерами, трудности с контролем движения мешающего устройства и дополнительные затраты на поставку COSub2/Sub.

   Дорожки качения с зубчатым колесом являются наиболее распространенной коммерческой системой выращивания микроводорослей. Дороги качения обычно построены либо в одном канале, либо как связанные каналы. Дороги качения обычно мелководны (глубиной 0,15 - 0,25 м), построены в петле и обычно покрывают площадь приблизительно 0,5 - 1,5 га. Гоночные дорожки в основном используются и рекомендуются для крупного коммерческого культивирования трех видов микроводорослей, включая Chlorella_, Spirulina и Dunaliella. Основными недостатками этих открытых систем являются высокий риск загрязнения и низкая производительность, обусловленная главным образом плохими режимами смешивания и проникновением света. Показано, что на дорожках качения возможны концентрации биомассы до 1000 мг сухого веса.LSUP-1/SUP и продуктивность 20 г сухого веса.msup2/sup.dsup-1/sup.

   Цена на производство микроводорослей делает экономические достижения в значительной степени зависимыми от сбыта дорогостоящих и эксклюзивных продуктов, спрос на которые, естественно, ограничен. Дороги качения также являются наиболее используемой системой возделывания, используемой для очистки сточных вод (Parks and Craggs 2010).

   Твердая культивация (после Wijihastuti et al. 2017): Альтернативный метод культивирования микроводорослей — иммобилизация клеток в полимерной матрице или прикрепление их к поверхности твердой опоры (биопленки). В целом, урожайность биомассы таких культур биомассы по меньшей мере на 99% больше концентрации, чем культуры на основе жидких культур. Обезвоение является одной из самых дорогих и энергоемких частей любого массового производства водорослей. Основным преимуществом роста биопленки является потенциал снижения процесса обезвоживания и связанного с этим энергопотребления и, следовательно, затрат. Выращивание биопленки также может повысить улавливание клеточного света, уменьшить нагрузку на окружающую среду (например, рН, соленость, токсичность металлов, очень высокая освещенность), снизить затраты на производство и снизить потребление питательных веществ. Для очистки сточных вод (удаление питательных веществ и металлов) могут использоваться твердые методы возделывания. Существует три основных метода выращивания биопленки: а) 100% погружение непосредственно в среду, b) частичное погружение в среду и с) использование пористого субстрата для доставки питательных веществ и влаги из среды в клетки.

   12.3.3 Требования к питательным веществам для роста водорослей

   Ряд ингибирующих физических, химических и биологических факторов может сдерживать высокую добычу микроводорослей. Они описаны в таблице 12.1.

   Базовые знания о критических ограничениях роста, вероятно, являются наиболее важным фактором, прежде чем применять какие-либо микроводоросли к любому процессу. Свет, безусловно, является наиболее важным ограничивающим фактором, влияющим на рост любых водорослей. Температура также является критическим фактором для массового производства водорослей (Moheimani and Parlevliet 2013). Однако эти переменные трудно контролировать (Moheimani and Parlevliet 2013). Помимо света и температуры, питательные вещества являются наиболее важным ограничивающим фактором, влияющим на рост любых водорослей (Moheimani and Borowitzka 2007), и каждый вид микроводорослей, как правило, имеет свои собственные оптимальные потребности в питательных веществах. Наиболее важными питательными веществами являются азот, фосфор и углерод (Oswald 1988). Большинство

   стол tbody tr Тхабиотические факторы/т td Свет (качество, количество) /td /tr tr class="нечетный» td/td td Температура /td /tr tr class="даже» td/td td Концентрация питательных веществ /td /tr tr class="нечетный» td/td td OSub2/суб /td /tr tr class="даже» td/td td COSub2/sub и pH /td /tr tr class="нечетный» td/td td Соленость /td /tr tr class="даже» td/td td токсичные химические вещества /td /tr tr class="нечетный» ThBiotic факторы/т td Патогены (бактерии, грибки, вирусы) /td /tr tr class="даже» td/td td Конкуренция с другими водорослями /td /tr tr class="нечетный» Операционные факторы/т td Сгиб, полученный путем смешивания /td /tr tr class="даже» td/td td Скорость разбавления /td /tr tr class="нечетный» td/td td Глубина /td /tr tr class="даже» td/td td Частота сбора урожая /td /tr tr class="нечетный» td/td td Добавление бикарбоната /td /tr /tbody /таблица

   Таблица 12.1 Пределы роста и продуктивности микроводорослей (Мохеймани и Боровицка, 2007 год)

   водоросли реагируют на N-ограничение, увеличивая содержание липидов (Moheimani 2016). Например, в Shifrin and Chisholm (1981) сообщалось, что у 20 - 30 видов микроводорослей, которые они исследовали, содержание липидов в водорослей увеличивалось при N-депривации. Фосфор также является важным питательным веществом, необходимым для роста микроводорослей, поскольку он играет важную роль в метаболизме клеток и регуляции, участвует в производстве ферментов, фосфолипидов и энергоснабжающих соединений (Smith 1983). Исследования Brown and Button (1979) на зеленых водорослей Selenastrum capricornutum показали очевидное ограничение роста, когда концентрация фосфатов в среде была ниже 10 нМ. COSub2/sub также является важным питательным веществом для достижения высокой продуктивности водорослей (Moheimani 2016). Например, если дополнительный COSub2/Sub не добавляется к культуре водорослей, средняя продуктивность может быть снижена до 80% (Moheimani 2016). Однако добавление COSub2/Sub в водохранилища является довольно дорогостоящим (Moheimani 2016). Наиболее экономичным способом внедрения COSub2/Sub в среду культуры является прямая передача газа в среду путем пузырьков через спеченные пористые камни или использования труб под погруженными пластиковыми листами в качестве инжекторов COSub2/Sub (Moheimani 2016). К сожалению, во всех этих методах по-прежнему наблюдается высокая потеря COSub2/Sub в атмосферу из-за короткого времени удержания пузырьков газа в суспензии водорослей.

   Хотя добавление N, P и C имеет решающее значение, другие питательные вещества также влияют на рост микроводорослей и обмен веществ. Нехватка других питательных веществ, таких как марганец (Mn) и различные другие катионы (MgSUP2+/SUP, KSUP и Casup2+/SUP), также, как известно, снижает рост водорослей (Droop 1973). Микроэлементы также имеют решающее значение для роста микроводорослей, и некоторые микроводоросли также нуждаются в витаминах для их роста (Croft et al. 2005). Одним из эффективных и недорогих способов снабжения питательными веществами является сочетание культуры водорослей и очистки сточных вод, о чем идет речь ниже.

   12.3.4 Очистка водорослей и сточных вод

   В связи с ростом ухудшения состояния окружающей среды и необходимостью создания альтернативных источников питания и энергии возникает стимул для изучения возможности биологической очистки сточных вод в сочетании с рекуперацией ресурсов. Очистка микроводорослей была особенно привлекательной благодаря фотосинтетической деятельности водорослей, когда свет переносится в прибыльную биомассу. При определенных условиях выращенная в сточных водах микроводоросль биомасса может быть эквивалентна или превосходит производство биомассы более высоким видам растений. Таким образом, этот процесс может превращать отходы в полезные продукты (например, корма для животных, корма для аквакультуры, биоудобрения и биоэнергетика). Таким образом, стоки отходов больше не являются негативным продуктом отходов, но они становятся ценным субстратом для производства важных веществ, а успешная биорекультивация микроводорослей уже более полувека (Oswald and Gotass 1957; Delrue et al. 2016). Фиторемедиация водорослей действительно является экологически благоприятным решением для очистки сточных вод, поскольку она может эффективно использовать органические и неорганические питательные вещества (Nwoba et al. 2017). Культуры микроводорослей обладают огромным потенциалом для более поздних этапов очистки сточных вод, особенно для снижения «N», «P» и «ХПК» (Nwoba et al. 2016). Кроме того, добавленная способность микроводорослей расти в различных питательных условиях, таких как фотоавтотрофные, миксотрофные и гетеротрофные условия, также повышает его возможности по удалению различных типов загрязняющих веществ и химических веществ из водных матриц. Способность микроводорослей к секвестрации углерода (COSub2/Sub) позволяет COSub2/sub биоремедиацию. Установленная синхронная алгал-бактерия также идеально синергетична для биовосстановления сточных вод (Munoz and Guieysse 2006). Благодаря фотосинтезу микроводоросли обеспечивают кислород, необходимый аэробным бактериям для минерализации органического вещества, а также для окисления NHSub4/SubSup+/SUP (Munoz and Guieysse 2006). В свою очередь, бактерии поставляют углекислый газ для роста микроводорослей, значительно сокращая количество кислорода, необходимого для общего процесса очистки сточных вод (Delrue et al. 2016). В целом, отходы с низким соотношением углерода и азота в основном подходят для роста фотосинтетических организмов. Важнее всего то, что очистка бытовых и сельскохозяйственных сточных вод является привлекательным вариантом, поскольку технология относительно проста и требует очень низкой энергии по сравнению со стандартом очистки сточных вод. Оптимизация очистки микроводорослей сточных вод в крупных водоемах качения является привлекательной, поскольку она сочетает в себе эффективную очистку вредного продукта и производство потенциально ценной биомассы водорослей, богатой белками. На рис. 12.1 представлена система замкнутого цикла для обработки любых органических отходов путем сочетания анаэробного сбраживания и культивирования водорослей.

   12.3.5 Водоросли и аквапоника

   Микроводоросли в аквакультуре и аквапонных системах чаще всего воспринимаются как неприятность, поскольку они могут ограничивать потоки воды, забивая трубы, потребляя кислород,

   

   Рис. 12.1 Интегрированная технологическая система использования водорослей для обработки органических отходов и потенциальных конечных пользователей. (Процесс разработан на основе информации Ayre et al. 2017 и Moheimani et al. 2018)

   может привлекать насекомых, снижать качество воды и при разложении может истощать кислород. Однако эксперимент Addy et al. (2017) показывает, что водоросли могут улучшить качество воды в аквапонной системе, помочь контролировать капли рН, связанные с процессом нитрификации, генерировать растворенный кислород в системе, «производить полиненасыщенные жирные кислоты в качестве корма для рыбы с добавленной стоимостью и добавлять разнообразие и улучшать устойчивость к системе». Одним из «священных граалов» аквапоники является производство по крайней мере части пищи, которая кормятся рыбе как часть системы, и именно здесь необходимы исследования при производстве водорослей, которые могут выращиваться с частью аквапоники, скорее всего, в отдельном цикле, которые затем могут быть поданы как часть диета к рыбе.

4. 12.4 Марапоника и галопоника

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Хотя пресноводная аквапоника является наиболее широко распространенным и практикуемым методом аквапоники, ресурсы пресной воды для производства продовольствия (сельское хозяйство и аквакультура) становятся все более ограниченными, а соленость почвы постепенно возрастает во многих частях мира (Turcios and Papenbrock 2014). Это привело к росту интереса к альтернативным источникам воды (например, от солоноватой до сильно соленой воды, а также к морской воде) и использованию эврихалиновой или соленой рыбы, галофитных растений, морских водорослей и гликофитов с низким содержанием соли (Joesing et al. 2016). Интересно отметить, что, хотя количество соленого раствора в подземных водах оценивается лишь в 0,93% от общего объема водных ресурсов в мире и составляет 12 870 000 кмсуп3/суп, это больше, чем подземные запасы пресной воды (10 530 000 кмсуп3/суп), которые составляют 30,1% всех запасов пресной воды (Аппельбаум и Котзен) 2016).

   Использование соленой воды в аквапонике является относительно новым явлением, и, как и в случае большинства новых разработок, термины, используемые для описания диапазона/иерархии типов, должны устанавливаться на прочной основе. В своей короткой истории термин марапоника (т.е. морская аквапоника) был придуман для аквапоники морской воды (SA), другими словами, для систем, использующих морскую воду, а также солоноватую воду (Gunning et al. 2016). Эти системы расположены главным образом на суше, в прибрежных районах, а в случае СА - недалеко от источника морской воды. Но есть рыба, а также растения, которые растут и могут использоваться в аквапонных установках, где уровни солености воды различаются. Таким образом, хотя использование термина «марапоника» для аквапоники морской воды имеет этимологический смысл, менее разумно использовать этот термин для аквапоники солоноватой воды. Таким образом, мы предлагаем добавить в лексикон аквапоники новый термин, который является «галопоника», вытекающим из латинского слова halo, означающего соль, и сочетающего его с суффиксом ponics. Таким образом, марапоника представляет собой интегрированную многотрофическую систему аквакультуры (IMTA), объединяющую аквакультурное производство морской рыбы, морских ракообразных, морских моллюсков и т.д. с гидропонной добычей морских водных растений (например, морских водорослей, морских водорослей и галофитов морской воды) с использованием океанических прочность морской воды (приблизительно 35 000 ppm [35 г/л]). Однако аквапонные системы, использующие соленую воду ниже океанических уровней, следует назвать галопоникой (слегка соленой воды — от 1000 до 3000 ppm [1—3 г/л], умеренно соленой 3000-10 000 ppm [3—10 г/л] и высокая соленость 10,000-35 000 ppm [10—35 г/л]). Эти системы также представляют собой системы IMTA на суше, сочетающие в себе аквакультурное производство с гидропонным производством водных растений, но как рыба, так и растения приспособлены к тому, что можно назвать солоноватой водой или хорошо растут в ней.

   Хотя концепция марапоники является очень новой, интерес к комплексной марикультуре на основе морских водорослей начал проявляться в 1970-х годах, начиная с лабораторного масштаба, а затем расширяясь до экспериментальных испытаний на открытом воздухе. В некоторых из первых экспериментальных исследований Langton et al. (1977) успешно продемонстрировал рост красных водорослей, Hypnea musciformis, культивированных в резервуарах со стоками культуры моллюсков. Кроме того, культуры, которые обычно классифицируются как гликофиты, такие как обыкновенный помидор (Lycopersicon esculentum), помидор черри (Lycopersicon esculentum var. Cerasiforme) и базиликом (Ocimum basilicum), могут достичь удивительно успешных производственных уровней при солености до 4 г/л (4000 ppm) и часто называют имеющими низкий умеренный уровень солеустойчивости (не следует путать с истинными галофитами, устойчивыми к высоким солям). К другим культурам, которые устойчивы к низкоумеренным засоленностям, относятся репа, редис, листья салата, сладкий картофель, бобы, кукуруза, капуста, шпинат, спаржа, свекла, кабачки, брокколи и огурец (Kotzen and Appelbaum 2010; Appelbaum and Kotzen 2016). Например, Dufault et al. (2001) и Dufault and Korkmaz (2000) экспериментировали с отходами креветок (фекальные вещества креветок и разложенные корма) в качестве удобрения для производства брокколи (Brassica oleracea italica_) и болгарского перца (Capsicum annuum), соответственно. Хотя в их исследованиях не использовались методы марапонии, в них участвовали растения, которые обычно выращиваются с использованием аквапонических (пресноводных) методов. Таким образом, благодаря своим уровням солености эти культуры обладают огромным потенциалом в качестве потенциальных видов для производства в галопонных системах с низкой и средней засоленностью.

   В последнее время ряд исследований показали, что галофиты могут успешно орошаться аквакультурными сточными водами из морских систем с использованием гидропонных методов или в рамках рециркулирующей системы аквакультуры (РАС). Waller et al. (2015) продемонстрировали целесообразность переработки питательных веществ из соленой воды (16 psu солености [16 000 ppm]) РАС для европейского морского окуня (D. labrax) путем гидропонного производства трех галофитных растений: Tripolium pannonicum (морская астра), Plantago coronopus (плантан бука) и _ Salicornia dolichostachya_ (длинная шиповник).

   Большая часть марапонических работ, проведенных до сих пор, связана с интеграцией двух трофических уровней — растений/водорослей и рыбы. Однако пример системы, включающей более двух трофических уровней, можно увидеть в эксперименте, проведенном Neori et al. (2000), который разработал небольшую систему для интенсивной наземной культуры японских убогов (Haliotis discus hannai), морских водорослей (Ulva lactuca and Gracilaria conferta) и пеллетного скармливания Гилтед лещ (Sparus aurata). Эта система состояла из нефильтрованной морской воды (2400 л/день), перекачиваемой в два резервуара для ушей и сливаемой через аквариум и, наконец, через установку для фильтрации водорослей/производства перед сбросом обратно в море. В такой системе могут также использоваться моллюски, подающие фильтр. Котцен и Аппельбаум (2010) и Аппельбаум и Котцен (2016) сравнили рост обычных овощей с использованием питьевой воды и умеренно соленой воды (4187—6813 ppm) и обнаружили, что базилик (Ocimum basilicum), сельдерей (Apium graveolens), лук-порей (Allium ampeloprum), листья салата (Lactuca sativa — различные типы), Швейцарский шард (Beta vulgaris. 'cicla'), весенний лук (Allium cepa) и водяной кресс (Nasturtium officinale) выполнены очень хорошо.

   Марапоника (SAS) и галопоника предлагают ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами растениеводства и рыбоводства. Поскольку они используют соленую воду (от морской до солоноватой), наблюдается снижение зависимости от пресной воды, которая в некоторых частях мира стала очень ограниченным ресурсом. Это обычно практикуется в контролируемой среде (например, в теплицах; резервуарах с регулируемым расходом), что дает лучшие возможности для интенсивного производства. Многие маропонные и галопонные системы закрыты RAS с помощью органических и/или механических биофильтров, а затем многократное использование воды является высоким, загрязнение сточных вод значительно сокращается или устраняется, а загрязняющие вещества удаляются или обрабатываются. Даже системы, которые не являются RAS, могут значительно уменьшить избыток питательных веществ в сточных водах до сброса. Кроме того, наличие загрязняющих веществ в неРАС-марапонных и галопонных системах может быть уменьшено или ликвидировано за счет использования воды, содержащей низкий уровень естественных загрязняющих веществ, и использования альтернативных аквакормов, не содержащих диоксинов или ПХД (например, новых кормов из макроводорослей). Такое улучшение качества воды снижает вероятность возникновения заболеваний, и поэтому потребность в применении антибиотиков значительно снижается. Благодаря своей разнообразной конфигурации и низкой потребности в воде, марапоника и галопоника могут быть успешно реализованы в самых разнообразных условиях, от плодородных прибрежных районов до засушливых пустынь (Kotzen and Appelbaum 2010), а также в городских или пригородных поселениях. Еще одним потенциальным преимуществом является то, что многие виды, пригодные для использования в этих системах, имеют высокую коммерческую ценность. Например, европейский морской окунь (Dicentrarchus labrax) и золотистый лещ (Sparus aurata) могут получить рыночную цену в 9 €/кг и 6 €/кг соответственно. Кроме того, пищевые галофиты, как правило, имеют высокую рыночную цену, с sea-agretti (Salsola soda), например, имея рыночную цену 4—€4,5/кг и болотный самфир (Salicornia europaea) продается по цене €18/кг в супермаркетах.

   Таким образом, доказательства являются убедительными. Марапоника и галопоника представляют собой динамичную и быстро развивающуюся область, способную предоставлять ряд услуг общинам, многие из которых рассматриваются в других разделах настоящей публикации.

5. 12.5 Вертикальная аквапоника

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.5.1 Введение

   В то время как аквапоника можно рассматривать как часть глобального решения для увеличения производства продовольствия более устойчивым и продуктивным образом и где увеличение производства продовольствия в городских районах в настоящее время признается как часть решения проблемы продовольственной безопасности и глобального продовольственного кризиса (Konig et al. 2016), системы аквапоники сами могут стать частью решения проблемы продовольственной безопасности и глобального продовольственного кризиса (Konig et al. 2016). более продуктивным и устойчивым путем внедрения альтернативных технологий выращивания и изучения новых технологий, таких как вертикальное земледелие и живые стены (Khandaker and Kotzen 2018). Кроме того, будучи экономичными в космосе, они могут быть лучше интегрированы в городские районы.

   В развитых странах большинство аквапонных систем размещаются в теплицах для контроля температуры; например, в Северной Европе и Северной Америке зимние температуры слишком холодные зимой, а в средиземноморских районах, таких как Испания, Италия, Португалия, Греция и Израиль, летние температуры слишком теплые. Конечно, есть много дополнительных преимуществ в выращивании продуктов питания в контролируемых теплицах, таких как способность регулировать относительную влажность и контролировать движение воздуха, карантин рыбы, а также растений от болезней и вредителей и потенциально возможность добавления COSub2/Sub для содействия росту растений. Тем не менее, растущая продукция в теплице может легко повысить затраты за счет (а) капитальных затрат на теплицу (общая оценка в размере\ 350/msup2/sup Arnold 2017) и (б) сопутствующей инфраструктуры, такой как микроклимат контроль, который включает системы отопления и охлаждения и освещения. Помимо первоначальных затрат на инфраструктуру, существуют также конкретные затраты на производство тепличных теплиц, которые включают энергоснабжение для отопления и охлаждения, а также освещение.

   Большинство аквапонных систем, таких как система Университета Виргинских островов (UVI) (Рис. 12.1), разработанная д-ром Джеймсом Ракочи и его коллегами, используют горизонтальные резервуары или кровати для выращивания овощей, имитируя традиционные методы земледелия на суше (Khandaker and Kotzen 2018). Другими словами, система опирается на горизонтальные ряды/массивы растений, которые обычно поднимаются до уровня талии, что позволяет легко выполнять задачи управления, связанные с заводом. Параллельное развитие технологий «живая стена» и вертикального земледелия произошло почти в то же время, когда развивалась аквапоника, которая также находится на подростковом этапе развития. Так же, как и в аквапонике, по мере того, как все больше людей вовлекаются, происходит сопутствующий рост систем и технологического развития в целях повышения производительности труда и снижения затрат. Соединение вертикальных систем выращивания (вертикальных сельскохозяйственных систем и живых стен) вместо горизонтальных пластов с рыбой и фильтрационными резервуарами потенциально является одним из ключевых способов повышения продуктивности, поскольку можно увеличить количество выращиваемых овощей по сравнению с количеством, производимым в типичных горизонтальная кровать аквапоника. Аквапонные системы UVI (рис. 12.2) производят около 32 растений на квадратный метр (Al-Hafedh et al. 2008), в зависимости от вида и сорта, которые выращиваются, но, как отмечают Khandaker и Kotzen (2018), примерно 96 растений можно выращивать на квадратный метр «с использованием элементов Terapia Urbana [1] Система LW, которая более чем в три раза превышает плотность

   

   Рис. 12.2 Схематическая схема типичной системы UVI, иллюстрирующая соотношение емкостей для рыбы/фильтров/резервуаров для выращивания растений, которое составляет 2:1:5. Это свидетельствует о том, что наибольшую площадь занимают заводы, и именно в этой области можно считать экономией пространства. (Хандакер и Котцен 2018)

   по сравнению с горизонтальной системой выращивания UVI». По консервативной оценке следует, по крайней мере, удвоить максимальное количество выращенных в горизонтальных клушах до 64 растений/msup2/sup. В эксперименте с салатом (Lactuca sativa L. cv. Touliatos et al. (2016) предполагают, что «Вертикальная система земледелия (VFS) представляет собой привлекательную альтернативу горизонтальным гидропонным системам роста (и), что дальнейшее повышение урожайности может быть достигнуто путем включения искусственное освещение в VFS'.

   **Вертикальные сельскохозяйственные системы (VFS) **

   Прежде чем мы обсудим специфические требования к вертикальным системам, мы должны обсудить типы систем, которые доступны. В VFS существует три основных типовых типа (рис. 12.3):

   1. Складываемые горизонтальные кровати: вместо того, чтобы иметь только одну горизонтальную кровать, кровати укладываются как полки в ярусах. Это означает, что в теплице только верхняя кровать будет обращена к прямому естественному свету, и дополнительное освещение должно быть предусмотрено на всех уровнях. Это, как правило, обеспечивается прямо под растущей ложью выше. В принципе это может означать, что растущие клумбы могут быть уложены так высоко, как это позволяет теплица, но, конечно, растущие вещи на высоте означают большие трудности в управлении системой, включая посадку, обслуживание и сбор урожая, требующие ножничных подъемников и дополнительной энергии для накачки богатой питательными веществами воды на все уровни. По данным Bright Agrotech (Storey 2015), до четырех уровней выгодно и все, что выше этого невыгодно. Storey (2015) также отмечает, что на втором, третьем и четвертом уровнях трудозатраты увеличиваются на 25% при необходимости ножничного подъема (рис. 12.3, иллюстрация А).

   

   Рис. 12.3 Вертикальные системы земледелия и их осветительные устройства

   2. Вертикальные башенные системы (СДС): Вертикальные башенные системы состоят из систем, которые выращивают растения в вертикальных массивах внутри контейнера или серии штабелированных модулей. В зависимости от системы растения выращиваются в одном направлении, или если, например, они высаживаются в трубчатой форме, то они могут быть расположены в любом направлении. Примером вертикальной системы массивов, где растения выращиваются в одном направлении, является ZipGrowSuptM/SUP, которые либо подвешены, либо поддерживаются рядами (рис. 12.3, иллюстрация B1). Ряды между ними примерно 0,5 метра (20 дюймов). Выращивание в более трехмерном виде происходит с помощью уложенных систем или трубчатых систем, которые позволяют выращивать больше растений, но освещение является более сложным (рис. 12.3, иллюстрация B2).

   3. Ступенчатые ярусы: Эти системы содержат жесткие или подвижные желоба. SkyGreens VFS в Сингапуре использует вращающуюся систему корыта, которая перемещает впадины вверх и в свет. Дополнительное естественное освещение более значимо по направлению к вершине и меньше внизу (рис. 12.3, иллюстрация C1). Другие системы уровней ступенчаты так, что каждый уровень имеет беспрепятственный интерфейс со светом сверху, будь то естественный свет из крыши теплицы или искусственный свет. Но эти системы должны быть достаточно низкими для того, чтобы люди могли достичь растений (рис. 12.3, иллюстрация C2).

   Живые стены

   Живые стены еще не используются в аквапонике, за исключением ряда испытательных систем, таких как Гринвичский университет, Лондон (Khandaker and Kotzen 2018). В то время как большинство VFS используют метод выращивания питательных пленок (NFT) каналов или инкапсулированных блоков минеральной ваты, LW иногда также используют почвенные субстраты в горшках или впадинах, которые обеспечивают корневую среду. Хотя это хорошо для выращивания декоративных растений, а также овощей и трав, в сочетании с емкостями для рыбы любое добавление почвы в систему может осложнить микробный характер системы и нанести ущерб рыбе. Однако это неизвестно и требует исследований. Эксперименты, проведенные в Гринвичском университете (Khandaker and Kotzen 2018), показывают, что из ряда отдельных инертных субстратов, испытанных (включая гидролейку, перлит, солому, Sphagnum мх, минеральную вату и кококосовое волокно), кококосовое волокно, а затем минеральную вату были выше с точки зрения проникновения корней. и рост корнеплодов в салате (Lactuca sativa).

   **Вертикальная против горизонтальной: факторы, подлежащие рассмотрению

   Существует четыре ключевых аспекта, которые необходимо учитывать при сопоставлении выгод (производительность и устойчивость) вертикального выращивания по сравнению с горизонтальным выращиванием. Это (1) пространство, (2) освещение, (3) энергия и (4) затраты на жизненный цикл.

   1. Пространство_

   Преимущества возможности выращивания продукции вертикально, обратно к спине, должны быть сбалансированы с количеством пространства, которое требуется для обеспечения равномерного распространения освещения, а также пространство ряда, необходимое для управления и обслуживания. Ширина ряда в гидропонных системах варьируется. Как отмечалось, стандартная система ZipGrowSuptM/SUP составляет приблизительно 0,5 метра, в то время как обычная ширина ряда для выращивания томатов и огурцов гидропонически колеблется от 0,9 до 1,2 метра (Badgery-Parker and James 2010). Выращивание мелких растений, таких как салат и травы, такие как базилик, может позволить более узкие ряды, но, конечно, ширина ряда должна гарантировать, что продукция не будет скомпрометирована путем перемещения таких предметов, как тележки и ножничные подъемники. Ключевой проблемой вертикального роста является конфликт между фиксированными рядами и фиксированным освещением, которое необходимо размещать в рядах между посадочными фасадами. Эти огни будут препятствовать перемещению людей и, таким образом, либо огни должны быть (i) частью растущей конструкции, либо (ii) выдвижными или подвижными, с тем чтобы рабочие могли легко выполнять задачи, либо (iii) посадочные сооружения являются подвижными и огни остаются статичными.

   2. _Освещение _

   Теплическое производство овощей и других растений опирается на конкретные пространственные механизмы, которые позволяют сеять, управлять за счет роста, а затем собирать урожай. Пространственное расположение будет зависеть от типов установок и видов механизации, которые устанавливаются. Кроме того, рост эффективно опирается на дополнение дополнительного света различных типов, которые имеют свои плюсы и минусы. В целом эти огни обеспечивают определенную длину волн для роста растений и для производства фруктов или цветов. В то время как равномерно освещать растения, выращенные горизонтально, относительно просто и чаще, более сложно равномерно освещать вертикальную поверхность.

   Что касается типов освещения, то многие производители перешли или испытывают соблазн установить светодиоды (светоизлучающие диоды) из-за их длительного срока службы, до 50 000 часов или более (Gupta 2017), низкого энергопотребления и недавнего снижения стоимости. Virsile et al. в Gupta (2017) отмечают, что большинство применений светодиодного освещения в теплицах выбирают комбинации длин волн красного и синего с высокой фотонной эффективностью, но зеленый и белый свет, содержащий значительное количество зеленых волн, оказывает положительное физиологическое воздействие на растения. Однако сочетание синего и красного света создает фиолетово-серый образ, что затрудняет визуальную оценку состояния растений. Выбранный тип длин волн является сложным и может иметь преимущества на различных этапах жизни растения и даже в соответствии с сортами, например, салата. Красные листья салата, например, реагируют на синее светодиодное освещение, увеличивая их пигментацию (Virsile et al. in Gupta 2017). Кроме того, синее светодиодное освещение может улучшить пищевое качество зеленых овощей, снижая содержание нитратов, увеличивая антиоксиданты и фенольные и другие полезные соединения. Спектры света также влияют на вкус, форму и текстуру (Virsile и др. в Gupta 2017). Затраты на светодиоды значительно снизились, и по мере повышения эффективности светодиодов сокращалось время возврата инвестиций (Bugbee in Gupta 2017).

   Другое освещение, конечно, существует, и это включает в себя люминесцентное освещение, металлогалогенное (MH) освещение и натриевое (HPS) освещение высокого давления. Тип освещения, который используется в вертикальном земледелии и с живыми стенами, значительно варьируется в зависимости от масштаба и местоположения. Компактные люминесцентные лампы являются относительно тонкими и могут легко вписываться в небольшие пространства, но для регулирования тока через трубки требуется индуктивный балласт. КФЛ используют только 20— 30% ламп накаливания и длится от шести до восьми раз дольше, но они почти на 50% менее эффективны, чем светодиоды. Они являются, безусловно, самым дешевым из трех основных типов растущих огней. Технология HPS выращивает свет уже более 75 лет и хорошо зарекомендована для выращивания под стеклом, но они производят много тепла и, следовательно, не подходят для вертикального земледелия и жилых стен, где свет нужно доставлять довольно близко к растениям. Тепло, вырабатываемое светодиодами, с другой стороны, минимально. Стоимость, однако, выше, чем другие два типа, и защита глаз необходима для долгосрочного воздействия светодиодов, так как долгосрочное воздействие световых спектров может повредить глаза. Расположение блоков VFS будет диктовать расположение освещения, но в целом они освещаются светодиодами. Способ освещения живых стен будет зависеть от высоты стены. Чем выше стена, тем сложнее применять равномерное распределение по поверхности, хотя следует отметить, что количество используемых огней не должно отличаться от тех, которые используются в горизонтальных ростовых кроватях, и если стена высока, то свет может потребоваться в шахматном порядке. Поскольку большинство жилых стен расположены в эстетических целях, освещение должно быть сохранено, насколько это возможно, вне дороги, и освещение должно не только обеспечивать адекватный свет для роста и здоровья растений, но и обеспечивать хорошее качество растений (рис. 12.4).

   

   Рис. 12.4 4-метровая живая стена длиной 5 метров может быть надлежащим образом освещена шестью высокоэффективными разрядными лампами. Обратите внимание, что они были выбраны не только для обеспечения достаточного света для роста, но и для того, чтобы растения в живой стене выглядели хорошо. (Университет Гринвича Живая стена. Источник: Бенц Котцен)

   Достижения в области светодиодной технологии, где частоты и интенсивность освещения могут быть сконструированы в соответствии с индивидуальными видами и сортами, а также их различными жизненными циклами, означают, что светодиоды станут технологией выбора в ближайшем будущем. Это будет дополнительно усилено за счет сокращения расходов.

   3. Энерги

   Для VFS, а также LW, вероятно, потребуется больше энергии для освещения, поскольку даже естественное освещение невозможно достичь над вертикальными поверхностями. Кроме того, для орошения потребуется больше мощности накачки, и это будет относительно высоты VFS или LW.

   4. Сравнительный анализ жизненного цикла (LCA) _

   Несмотря на многочисленные исследования по анализу аквапоники и различных аспектов аквапонических систем, сравнительных исследований, сравнивающих вертикальную и горизонтальную аквапонику, проведено не было. Это еще предстоит сделать. Мы приближаемся к такой точке, когда вертикальная аквапоника, вероятно, потребует дальнейших испытаний и исследований, и со временем вертикальная аквапоника, которая объединяет вертикальные системы земледелия или системы живых стенок с рыбными резервуарами и фильтрационными установками, скорее всего, станет более масштабной, если это может быть выгодно и выгодно. устойчивого развития.

6. 12.6 Биофлоческая технология (БФТ), применяемая для аквапоники

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.6.1 Введение

   Технология Biofloc (BFT) считается новой «голубой революцией» в аквакультуре (Stokstad 2010), поскольку питательные вещества могут постоянно перерабатываться и повторно использоваться в культурной среде, с помощью производства микроорганизмов in situ и минимального или нулевого обмена воды (Avnimelech 2015). Эти подходы могут столкнуться с некоторыми серьезными проблемами в этом секторе, такими, как конкуренция за землю и воду и сброс в окружающую среду стоков, содержащих избыток органических веществ, азотных соединений и других токсичных метаболитов.

   BFT был впервые разработан в начале 1970-х годов командой Aquacop в Ifremer-cop (Французский научно-исследовательский институт эксплуатации моря, Океанский центр Тихого океана) с различными видами креветок, включая Litopenaeus vannamei_, L. stylirostris и Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011). В тот же период Ralston Purina (частная американская компания) в связи с Aquacop применила технологию как в Crystal River (США), так и на Таити, что привело к более глубокому пониманию преимуществ биофлока для культуры креветок. Несколько других исследований позволили разработать комплексный подход к BFT и исследовали взаимосвязи между водой, животными и бактериями, сравнивая BFT с «внешним рубцом», но теперь применяется для креветок. В 1980-х и начале 1990-х, как Израиль, так и США (Waddell Mariculture Center) начали R\ &D в BFT с Tilapia и тихоокеанской белой креветки L. vannamei, соответственно, в которых экологические проблемы, ограничение водных ресурсов и стоимость земли были основными возбудителями, которые способствовали проведению исследований ( Эмеренчано и др., 2013 год).

   

   Рис. 12.5 Технология биофлока (БФТ), применяемая к культуре морских креветок в Бразилии (а) и к культуре тилапиа в Мексике (b) (Источник: EMA-FURG, Бразилия и Маурисио Г. С. Эмеренсиано)

   Первые коммерческие операции BFT и, вероятно, самые известные начались в 1980-х годах на ферме Sopomer на Таити, Французская Полинезия, и в начале 2000-х годов на ферме Aquaculture или BAL, расположенной в Белизе, Центральная Америка. Урожайность, полученная с использованием бетонных емкостей 1000 мсуп2/суп и выстилающих прудов 1,6 га, составила примерно 20—25 т/га в год при двух посевах в Сопомере и 11—26 т/га/цикл в БАЛ соответственно. В последнее время БФТ был успешно расширен в крупномасштабном выращивании креветок в Азии, Южной и Центральной Америке, а также в мелкомасштабных теплицах в США, Европе и других регионах. По крайней мере на одном этапе (например, на этапе питомника) БФТ с большим успехом применялся в Мехико, Бразилии, Перу и Эквадоре. Для коммерческой культуры Тилапиа фермы Мексики, Колумбии и Израиля используют БФТ с производствами от 7 до 30 кг/мсуп3/суп (Avnimeleh 2015) (рис. 12.5b). Кроме того, эта технология используется (например, в Бразилии и Колумбии) для производства молодняка тилапии (\ ~30 г) для дальнейшего хранения в клетках или земляных прудах (Durigon et al. 2017). БФТ применяется в основном к культуре креветок и в некоторой степени с тилапией. Другие виды были проверены и показывают обещание, как отмечено для серебряного сома (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), карпа (Zhao et al., 2014), piracanjuba (Brycon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), кашама (Colossoma macropomum) и др., 2011) и других видов ракообразных, таких как Macrobrachium Розенбергий_ (Краб и др., 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Эмеренсиано и др., 2012), F. paulensis (Баллестер и др., 2010), Penaeus semisulcatus (Мегахед, 2010), L. stylirostris (Эмеренсиано и др., 2011) и П. монодон (Арнольд и др., 2006). Интерес к БФТ проявляется в увеличении числа университетов и исследовательских центров, занимающихся исследованиями, особенно в ключевых областях управления ростом, питания, воспроизводства, микробной экологии, биотехнологии и экономики.

   12.6.2 Как работает BFT?

   Микроорганизмы играют ключевую роль в системах БФТ (Martinez-Cordoba et al. 2015). Поддержание качества воды, главным образом путем контроля бактериального сообщества над автотрофными микроорганизмами, достигается с использованием высокого соотношения углерода и азота (C:N), поскольку азотистые побочные продукты легко поглощаются гетеротрофными бактериями. В начале культурных циклов требуется высокое соотношение углерода и азота, чтобы гарантировать оптимальный рост гетеротрофных бактерий, используя эту энергию для поддержания и роста (Avnimeleh 2015). Кроме того, другие группы микроорганизмов имеют решающее значение в системах BFT. Хемоавтотрофное бактериальное сообщество (т.е. нитрифицирующие бактерии) стабилизируется примерно через 20—40 дней и может быть причиной двух третей ассимиляции аммиака в системе (Emerenciano et al. 2017). Таким образом, необходимо уменьшить объем внешнего углерода, а щелочность, потребляемая микроорганизмами, должна быть заменена различными источниками карбоната/бикарбоната (Furtado et al. 2011). Стабильность нулевого или минимального водного обмена зависит от динамического взаимодействия между сообществами бактерий, микроводорослей, грибов, простейших, нематод, ротиферов и т.д., которое будет происходить естественным образом (MartinezCordoba et al. 2017). Агрегаты (биофлоки) являются богатым белково-липидным природным источником пищи, который становится доступным 24 часа в сутки благодаря комплексному взаимодействию между органическим веществом, физическим субстратом и большим диапазоном микроорганизмов (Kuhn and Boardman 2008; Ray et al. 2010). Естественная продуктивность в виде производства микроорганизмов играет три основные роли в резервуарах, дорожках качения или водохранилищах: (1) в поддержании качества воды, за счет поглощения азотных соединений, образующих микробный белок in situ; (2) в питании, повышение культуры за счет сокращения кормов коэффициенты конверсии и снижение стоимости кормов; и (3) конкуренция с патогенами (Emerenciano et al. 2013).

   Что касается качества воды для культурных организмов, то помимо кислорода основной проблемой биофлоковых систем является избыток твердых органических веществ и токсичных соединений азота. В этом контексте для удаления аммиачного азота характерны три пути: в меньшей степени (1) фотоавтотрофное удаление водорослями и при более высокой скорости (2) гетеротрофное бактериальное преобразование аммиачного азота непосредственно в микробную биомассу и (3) автотрофное бактериальное преобразование из аммиака в нитрат ( МартинезКордоба и др., 2015). Нитраты, имеющиеся в системах, а также другие мелкие и основные питательные вещества, накопленные в течение цикла, могут использоваться в качестве субстрата для роста растений в аквапонных системах (Pinho et al. 2017).

   12.6.3 БФТ в Аквапонике

   Применение БФТ в аквапонных системах является относительно новым, хотя Rakocy (2012) упоминает коммерческий экспериментальный проект с тилапией. В таблице 12.2 приводится краткая информация об основных недавних исследованиях, в которых БФТ использовался в аквапонных системах.

   В целом результаты свидетельствуют о том, что биофлоковая технология может быть использована и интегрирована в производство рыбы или креветок. BFT по сравнению с другими традиционными системами аквакультуры (такими как RAS) фактически улучшил урожайность растений и рыб и способствовал улучшению визуального качества растений (Pinho et al. 2017), но не во всех случаях (Rahman 2010; Pinho 2018). Pinho et al. (2017) отметили, что урожайность салата в системе BFT была выше по сравнению с системой рециркуляции чистой воды (рис. 12.6). Возможно, это связано с более высокой доступностью питательных веществ

   Таблица 12.2 Недавние исследования по всему миру в области применения БФТ в аквапонных системах для различных видов водных и растений

   стол тхед tr class="заголовок» Водные виды т Виды растений /th т Основные результаты /th т Ссылки /th /tr /thead tbody tr class="нечетный» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Технология Biofloc не улучшила производство салата по сравнению с обычным гидропонным раствором /td td Рахман (2010 год) /td /tr tr class="даже» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Урожайность и визуальное качество салата улучшены с помощью BFT по сравнению с системой рециркуляции чистой воды /td td Пиньо и др. (2017 год) /td /tr tr class="нечетный» ТДТилапия (питомник) /td td Салат /td td Производительность растения (салат) с использованием Tilapia в фазе питомника (1—30 г) негативно повлияла биофлоческие сточные воды по сравнению со сточными водами RAS после двух циклов установки (13 дней каждый). Визуальные аспекты растений были лучше в RAS по сравнению с BFT /td td Пиньо (2018) /td /tr tr class="даже» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Наличие фильтрующих элементов (механический фильтр и биологический фильтр) положительно повлияло на производство салата в аквапонных системах по сравнению с обработкой без фильтров с использованием БФТ /td td Барбоса (2017) /td /tr tr class="нечетный» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Низкая соленость (3 ppt) может быть выполнена в аквапонике с использованием BFT. Визуальные и эксплуатационные параметры указывают на то, что фиолетовая разновидность обладает более высокой производительностью, чем гладкие и хрустящие сорта /td td Ленц и др. (2017) /td /tr tr class="даже» TDSilver сом/td td Салат /td td Использование биофлоков в аквапонной системе может повысить продуктивность салата в интегрированной культуре с серебряным сомом /td td Роша и др. (2017 год) /td /tr tr class="нечетный» TDilitopenaeus ваннамей/i/td td IsarcoCornia двусмысленность/i /td td Производительность морского изримпа L. vannamei/i не подверглась воздействию iS. неоднозначного/i интегрированного производства аквапоники, а также улучшению использования питательных веществ (например, азота) в культурной системе /td td Пиньейру и др. (2017 год) /td /tr /tbody /таблица

   

   Рис. 12.6 Экспериментальная теплица по аквапонике для сравнения биофлоковой технологии и сточных вод RAS в Университете штата Санта-Катарина (UDESC), Бразилия. (Источник: Pinho et al. 2017)

   более высокая микробная активность. Однако эта тенденция не наблюдалась в исследовании Rahman (2010), который сравнивал стоки от рыбной культуры в системе BFT с обычным гидропонным раствором при производстве салата. Кроме того, Pinho

   

   Рис. 12.7 Галофит с высокой соленостью _Sarcocornia неоднозначности производства аквапоники интегрированы с тихоокеанскими белыми креветками Litopenaeus vannamei успешно применяя биофлоческую технологию в Федеральном университете Санта-Катарина (UFSC), Бразилия. (Источник: LCM-UFSC, Бразилия)

   

   Рис. 12.8 Производство салата Aquaponics интегрировано с Tilapia с использованием биофлоковой технологии (слева) и накопления взвешенных твердых веществ в корнях салата (справа). Барбоза (2017)

   (2018) в недавнем исследовании было отмечено, что продуктивность салата в аквапонной системе с использованием Tilapia в фазе питомника (1—30 г) отрицательно влиялась биофлоческими сточными водами по сравнению со сточными водами RAS в течение 46 дней. Различия в результатах указывают на необходимость проведения дополнительных исследований в этой области.

   BFT может использоваться с низкой соленостью водой, например с некоторыми сортами салата (Lenz et al. 2017), а также с более высокой соленостью воды могут использоваться, например, с видами растений галофитов, такими как сокультура Sarcocornia неоднозначна с тихоокеанской белой креветкой Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (рис. 12.7). Серебряный сом Rhamdia quelen также показал хороший потенциал для интеграции аквапоники с BFT (Rocha et al. 2017).

   При BFT концентрация твердых веществ может сильно влиять на корни и влиять на поглощение питательных веществ и доступность кислорода. В результате этого может оказываться влияние на урожайность, а также на визуальное качество растений (например, салат-латук), что является важным критерием для потребителей. Учитывая это, управление твердыми веществами является важным предметом дальнейших исследований, в которых рассматривается влияние твердых веществ (фракция твердых частиц, а также растворенная фракция) в аквапонные системы при применении БФТ (рис. 12.8). Кроме того, необходимо провести экономические исследования для сопоставления затрат, связанных с различными системами аквакультуры и растениеводства, и определения их целесообразности в зависимости от различных мест и условий.

7. 12.7 Дигепоника

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Анаэробная обработка специально возделываемой биомассы, а также остаточного растительного материала от сельскохозяйственной деятельности для производства биогаза является устоявшимся методом. Бактерически непригодный дигестат возвращается на поля в качестве удобрения и для строительства гумуса. Хотя этот процесс широко распространен в сельском хозяйстве, применение этой технологии в садоводстве является относительно новым. Stoknes et al. (2016) утверждают, что в рамках проекта F2W2F (F2W2F) впервые был разработан эффективный метод использования дигестата в качестве субстрата и удобрения. Исследовательская группа придумала термин «дигепоника» для этой круговой системы. Дигепоника, в отличие от аквапоники, заменяет часть аквакультуры анаэробным реактором, или, при сравнении ее с трехконтурной аквапонной системой, включающей анаэробную, часть аквакультуры удаляется из системы, оставляя две основные петли, петлю пищеварения и садоводческую петлю.

   Необходимый органический вход, который предоставляется в виде рыбного корма в аквапонную систему, заменяется пищевыми отходами от производства продуктов питания человека для дигепоники. Различия в составе питательных веществ во входном потоке в отличие от хорошо известного, постоянного и, вероятно, оптимизированного с точки зрения питания потока питательных веществ, образующегося из корма для рыб, скорее всего, потребуют более строгого анализа и режима управления питательными веществами, чем это требуется в аквапонике.

   Производимый биогаз, который в основном содержит метан и двуокись углерода, может быть использован на объекте для производства электроэнергии и тепла. Выхлопные газы, богатые диоксидом углерода, могут быть использованы в качестве удобрения непосредственно в теплице, сокращая выбросы по сравнению с классическими биогазовыми установками, используемыми в сельском хозяйстве.

   Поскольку «свежий и необработанный дигестат в анаэробной жидкой навозной жижи (содержит) растительные токсичные вещества, очень высокая электропроводность (EC) и химическая потребность в кислороде (ХПК)» (Stoknes et al. 2016), он должен быть обработан, чтобы сделать его пригодным для удобрения растений. В рамках проекта F2W2F было рассмотрено несколько методов модерации. Относительно высокий уровень EC дигестата и оперативная гибкость реактора, питаемого недорогостоящими пищевыми отходами, облегчают некоторые проблемы тесной связи, часто связанные с соединенными аквапоническими системами (см. главу 7). Таким образом, дигепоника может служить интересной альтернативой аквапонике в ситуациях, когда аквакультура представляет собой вызов. Что касается трехконтурной аквапонной системы, которая уже включает петлю с анаэробным реактором, то включение потока пищевых отходов для органического ввода может представлять собой интересное будущее направление. Выход метана осадка аквакультуры довольно ограничен. Целенаправленное включение остаточной сельскохозяйственной биомассы в целях оптимизации добычи метана могло бы повысить общие показатели.

8. 12.8 Вермипоника и аквапоника

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Было бы упущением в этой главе не упомянуть дождевых червей и их введение в аквапонику, и поэтому настоящая глава завершается кратким резюме этих пагубных беспозвоночных и их способности превращать органические отходы в удобрения. Говорят, что черви и то, как они переваривают материю, представляли интерес для Аристотеля и Чарльза Дарвина, а также философов Паскаля и Торо (Adhikary 2012), и они были защищены законом по Клеопатре. Земляные черви ценятся в сельском хозяйстве и садоводстве, поскольку они «жизненно важны для здоровья почвы, потому что они транспортируют питательные вещества и минералы снизу на поверхность через свои отходы, а их туннели аэрируют землю» (National Geographic).

   Современная вермикультура приписывается Марии Аппельхоф, которая в начале 1970-х и 1980-х годов выпустила ряд публикаций по компостированию с червями. Современный вермикомпостирование происходит в больших и малых масштабах с целью избавления от органических отходов и производства удобрений в виде компоста и «червячного чая». Червячный чай может быть получен путем замачивания червячных отбросов или путем выщелачивания питательных веществ из компоста путем увлажнения или естественного увлажнения выщелачивания из осадков.

   Для обеспечения питательных веществ в гидропонной системе Vermiponics использует червяки в основном красных червей, также известных как тигровые черви (Eisenia fetida) или (E. foetida). Когда черви вводятся в аквапонную систему, мы предлагаем, чтобы система называлась «верми-аквапоника» для дифференциации систем. Таким образом, это введение червей в растущие клумбы растительных частей аквапонной системы. Следует отметить, что верми-аквапоника находится в зачаточном состоянии и в основном практикуется любителями и научно-исследовательскими лабораториями. Черви вводятся в основном в растениеводческие среды, как правило, гравийные заросли, где они могут помочь разрушить любые твердые отходы из рыбы и любой детрит из растений и дополнительно обеспечить растения дополнительные питательные вещества, а также их можно кормить плотоядной рыбе. В большинстве случаев кровати имеют тип наводнения и слива, так что черви не постоянно находятся под водой.

   Благодарность Авторы выражают благодарность Национальному совету по научно-техническому развитию CNPQ (номер проекта 455349/2012-6) и Фонду научно-технических исследований штата Санта-Катарина (номер проекта 2013TR3406 и 2015TR453).