Source material

Глава 5 Аквапоника: Основы

1. 5.1 Введение

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

   Аквапоника — это технология, которая является подмножеством более широкого сельскохозяйственного подхода, известного как интегрированные агроаквакультурные системы (IAAS) (Gooley and Gavine 2003). Эта дисциплина состоит в интеграции практики аквакультуры различных форм и стилей (в основном рыбоводства плавников) с растениеводством. Основанием для создания комплексных агроаквакультурных систем является использование ресурсов, разделяемых аквакультурой и растениеводством, таких, как вода и питательные вещества, для разработки и внедрения экономически жизнеспособных и экологически более устойчивых методов первичного производства (Gooley and Gavine 2003). По сути, как наземные, так и водные системы животноводства имеют общий ресурс: воду. Растения, как правило, потребляют воду через транспирацию и выбрасывают ее в окружающую газообразную среду, в то время как рыба, как правило, меньше потребляет воду, но их содержащая культура образует значительные потоки сточных вод из-за накопленных метаболических отходов. Таким образом, аквакультура может быть интегрирована в систему водоснабжения в растениеводстве непотребительским способом, с тем чтобы из источника воды, который обычно используется для производства одной культуры (растений), можно было бы производить две культуры (рыбу и растения).

   Интересным дополнительным преимуществом интеграции аквакультуры с системой орошения для растениеводства является то, что аквакультура также производит отходы питательных веществ через растворенные и нерастворенные отходы, образующиеся из метаболизма рыб (и других водных животных). Таким образом, аквакультура может также производить отходы питательных веществ, которые пригодны для растениеводства и способствуют его производству, способствуя удовлетворению потребностей растений в питательных веществах.

   Преимущества интеграции аквакультуры с традиционными наземными и водными системами производства растений были резюмированы Gooley and Gavine (2003) следующим образом:

   1. Повышение производительности и рентабельности фермерских хозяйств без какого-либо чистого увеличения потребления воды (глава 2).

   2. Диверсификация фермерских хозяйств путем создания более ценных сельскохозяйственных культур, в том числе высокоценных водных видов.

   3. Повторное использование в ином случае растрачиваемых ресурсов на фермах (например, улавливание и повторное использование питательных веществ и воды).

   4. Снижение чистого воздействия на окружающую среду полуинтенсивных и интенсивных методов ведения сельского хозяйства.

   5. Чистые экономические выгоды за счет компенсации существующего фермерского капитала и эксплуатационных расходов (глава 18).

   Говорят, что аквапоника эволюционировала из относительно древних методов ведения сельского хозяйства, связанных с интеграцией рыбной культуры в растениеводстве, особенно тех, которые были разработаны в Юго-Восточной Азии, затопленного рисового риса и южноамериканского Chinampa, плавучего острова, методы ведения сельского хозяйства ( Комивес и Юнге 2015). В действительности, исторически, рыба редко активно добавлялась на рисовые рисовые поля до XIX века (Halwart and Gupta 2004) и присутствовала в очень низкой плотности, что не способствовало бы существенной питательной помощи растениям. Китампас традиционно строились на озерах Мексики, где питательные вещества

   преимущества, возможно, были получены через эвтрофические или полуэвтрофические озерные осадки, а не непосредственно из любой разработанной или активно интегрированной системы производства рыбы (Morehart 2016; Baquedano 1993).

   Современная аквапоника началась в США в 1970-х годах и была совместно развита несколькими учреждениями, заинтересованными в более устойчивых методах ведения сельского хозяйства. Первые важные работы были выполнены несколькими исследователями, но в конечном счете, прародителем почти всей современной аквапоники считается работа, выполняемая Джеймсом Ракочи и его командой в Университете Виргинских островов (UVI) начиная с начала 1980-х годов (Lennard 2017).

   В настоящее время аквапоника считается новой и развивающейся отраслью, занимающей соответствующее место в более широком, глобальном контексте сельскохозяйственного производства, и существует ряд вариаций технологии интеграции рыбной культуры с культурой водных растений, которые коллективно определяются под флагом или названием аквапоники ( Кнаус и Палм 2017). Таким образом, аквапоника стремится интегрировать животноводческое производство аквакультуры с гидропоны* растениеводством с использованием различных методов распределения водных и питательных ресурсов между основными компонентами производства для производства коммерческой и продаваемой рыбы и растительной продукции.

2. 5.2 Определение аквапоники

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

   Аквапоника вписывается в более широкое определение комплексных систем агроаквакультуры (ИААС). Однако ИААС применяет множество различных технологий производства водных животных и растений во многих контекстах, в то время как аквапоника гораздо более тесно связана с интеграцией технологий рыбной культуры на основе резервуаров (например, рециркулирующих систем аквакультуры; РАС) с технологиями водной или гидропонной культуры растений ( Леннард 2017). Технологии RAS применяют консервированные и стандартные методы выращивания рыбы в резервуарах с применением фильтрации для контроля и изменения химического состава воды, чтобы сделать ее пригодной для рыб (например, быстрое и эффективное удаление твердых рыбных отходов, эффективное бактериамедиированное преобразование потенциально токсичных растворенных рыбных отходов аммиака до менее токсичного содержания нитратов и кислорода с помощью аэрации или непосредственно впрыскиваемого кислорода) (Timmons et al. 2002). Гидропоника и технологии субстратной культуры применяют консервированные и стандартные методы для культуры съедобных наземных растений в водной среде (т.е. растения получают доступ к питательным веществам, необходимым для роста, с помощью метода доставки на водной основе) (Resh 2013).

   Соотношение аквапоники со стандартной аквакультурой РАС и гидропоник/субстратной культурой означает, что аквапоника часто определяется просто как «... сочетание рыбоводства (аквакультуры) и безпочвенной растительной гидропоники при соединенной или развязанной циркуляции воды» (Knaus and Palm 2017). В этом широком определении упор делается на интеграцию аппаратных средств, оборудования или технологий и мало делается на любые другие аспекты этого метода, если таковая имеется.

   Поскольку аквапоника является относительно новой технологией промышленного масштаба, применяющей различные методы и подходы, применяемое определение представляется весьма широким. Некоторые определяют аквапонику только в рециркулирующем контексте (Cerozi и Fitzsimmons 2017), некоторые концентрируются на подходах, которые не возвращают воду из растений рыбе (Delaide et al. 2016), а другие включают как рециркуляционные, так и развязанные методы (Knaus and Palm 2017). Кроме того, некоторые исследователи включили использование аквакультурных сточных вод, орошаемых для выращивания сельскохозяйственных культур на почве под названием «аквапоник» (Palm et al. 2018). Исторически аквапоника, как показывает разбивка этого слова (аквакультура и гидропоны), определялась как только аквакультура и производство гидропонных растений (Rakocy and Hargreaves 1993), поэтому нынешние попытки ассоциации с почвенной культурой кажутся несовпадающими.

   

   Рис. 5.1 Схематическое представление потоков питательных веществ в аквапонной системе. Корм для рыб является основной точкой входа в питательные вещества. Рыба едят корм, используют нужные питательные вещества, освобождают остальное в качестве отходов, и эти отходы затем разделяются между микробами, растениями и системной водой. (адаптирован к Леннард 2017)

   В то время как аквапонные системы интегрируют технологии аквакультуры на основе резервуаров с гидропонной растительной культурой, аквапонные системы работают путем снабжения питательными веществами и разделения питательных веществ между обитателями производства (рыбой и растениями) и жителями, выполняющими биологические и химические услуги , которые способствуют результату производства обитателей (микрофлоры) (Рис. 5.1) (Леннард 2017). Таким образом, является ли аквапоника скорее системой, связанной с снабжением, динамикой и разделением питательных веществ, а не системой, связанной с применяемыми технологиями, оборудованием или оборудованием?

   За последние десятилетия определение аквапоники включало аналогичную тему, с тонкими вариациями. Наиболее широкое определение, как правило, содержится в научных публикациях Rakocy и его команды UVI, например:

   _Аквапоника — комбинированная культура рыб и растений в закрытых рециркуляционных системах. _

   — Ракоци и др. (2004a, b)

   Это раннее определение было основано на предположении о том, что одноконтурные полностью рециркулирующие системы, состоящие из рециркулирующего компонента аквакультуры и гидропонного компонента, представляли все аквапонные системы, которые в то время они делали. Graber and Junge (2009) расширили определение в связи с изменениями и изменениями в подходе следующим образом:

   _Аквапоник — особая форма рециркулирующих систем аквакультуры (РАС), а именно поликультура, состоящая из аквариумов (аквакультуры) и растений, выращиваемых в одном круге воды (гидропоники) . _

   — Грабер и Юнге (2009)

   Последние события и методы требуют пересмотра этой точки зрения. В последние годы наблюдается смещение акцента аквапоники на производственную систему, которая учитывает как экологическую ответственность, так и экономическую устойчивость. Kloas et al. (2015) и Suhl et al. (2016) были одними из первых, кто затронул это экономическое соображение:

   _ [...] была разработана уникальная и инновационная двойная рециркуляционная аквапонная система в качестве предпосылки для высокой производительности, сопоставимой с профессиональными автономными рыбоводческими объектами. _

   — Зуль и др. (2016)

   Вопрос об определении, или уточнение «что можно определить как аквапоника», был предметом обсуждения в последние годы. Одним из основных направлений развития является создание многоконтурных (или развязанных) аквапонных систем, которые направлены на обеспечение растений дополнительными удобрениями, с тем чтобы обеспечить их оптимальную концентрацию питательных веществ (Goddek 2017). Не должно быть никаких противоречий между идеологиями полностью рециркулирующих и многоконтурных аквапонных методологий, оба имеют свои соответствующие места и области применения в соответствующем промышленном контексте, и одной общей движущей силой обеих технологий должно быть то, что технология, будучи питательными веществами и водой эффективно, также должны быть экономически конкурентоспособными, чтобы утвердиться на рынке. Для того чтобы заменить традиционную практику, потенциальным клиентам/пользователям необходимо предложить нечто большее, чем идеологию, т.е. техническую и экономическую осуществимость.

   Европейский центр аквапоники COST (COST FA1305 2017) применяет определение _»... производственную систему водных организмов и растений, в которой большинство (\ > 50%) питательных веществ, поддерживающих оптимальный рост растений, получают из отходов, образующихся из кормления водных организмов» _, что явно помещает акцент на аспекте обмена питательными веществами технологии.

   Следует также отметить, что доля рыбы в растениях должна оставаться на уровне, поддерживающем одну из основных перспектив аквапоники; что растения выращиваются с использованием рыбных отходов. Например, система, содержащая одну рыбу и несколько гектаров выращивания гидропонных растений, не должна рассматриваться в качестве аквапоники, просто потому, что одна рыба эффективно не способствует питательным веществам растений. Поскольку маркировка продуктов аквапоники играет все более важную роль в выборе потребителя, мы хотим стимулировать дискуссию путем переосмысления аквапоники на основе этих многочисленных разработок технологии. Несмотря на то, что мы выступаем за максимально возможное закрытие цикла питательных веществ в контексте наилучших практически осуществимых средств, потенциальное определение должно также учитывать все изменения.

   Поэтому определение должно содержать, как минимум, требование в отношении большинства питательных веществ, получаемых от аквакультуры, для растений. Таким образом, новое определение может быть представлено следующим образом:

   Aquaponics uis/u определяется как интегрированная многотрофическая, водная пищевая продукция uaceach/u, включающая uat meast/u рециркулирующую систему аквакультуры (RAS) и соединенную гидропонную единицу, при которой вода для культуры распределяется в некоторой конфигурации между двумя единицами. предоставляемые для растений должны быть рыбными отходами, полученными/u.

   Определения, основанные на питательных веществах, являются открытыми и необъективными в отношении выбора применяемой технологии или даже пропорций каждого компонента (рыбы и растения), при условии, что используется рыбокультура и та или иная форма водной (гидропонной или субстратной культуры) технологии производства растений. Тем не менее, в нем также основное внимание уделяется аспектам применяемых методов, касающихся динамики питательных веществ и распределения питательных веществ, и поэтому, по крайней мере, в некоторой степени, обеспечивается, что преимущества, часто связанные с аквапоникой (экономия воды, эффективность питательных веществ, снижение воздействия на окружающую среду, устойчивость) присутствуют в некоторая пропорция.

   Определение ассоциации питательных веществ, применяемое к аквапонике, всегда будет источником дальнейших разногласий среди тех, кто ее практикует. Это подтверждается тем фактом, что название аквапоника применяется к широкому спектру различных технологий с различными мотивами предложения питательных веществ и результатами использования: от системных конструкций и методов, которые предполагают, если не требуют, что подавляющее большинство питательных веществ, необходимых для выращивания растений, возникает из рыбные отходы (в некоторых случаях более 90%; Леннард 2017) на проекты, которые разделяют запасы питательных веществ растений между рыбными отходами и более существенными внешними добавками (например, около 50:50 рыбных отходов к внешним добавкам — как это делают многие современные, европейские развязанные аквапонные системы; COST FA1305 2017) к тем конструкциям, которые добавляют так мало рыбы, что нет заметных питательных веществ из рыбных отходов на растения (Lennard 2017).

   Название аквапоника, до сравнительно недавнего времени (т.е. последних 3—5 лет), широко применялось в проектах комбинированных и полностью рециркулирующих систем, которые стремятся обеспечить как можно большую часть необходимого питания растений из рыбных отходов (Rakocy and Hargreaves 1993; Lennard 2017) (рис. 5.2).

   

   Рис. 5.2 Упрощенная схема движения основных вод в соединенной аквапонной системе. Концентрации питательных веществ в технологической воде равномерно распределены по всей системе

   Однако в настоящее время развязанные подходы представляют собой часть систем, которые изучаются или применяются на коммерческой основе, особенно в Европе, и в нынешней практике не обеспечивают потребности растений в питательных веществах из рыбных отходов в той же степени, что и полностью рециркуляционные системы (Lennard 2017; Goddek and Keesman 2018 ). Например, Goddek and Keesman (2018) заявляют, что в трех примерах современных европейских развязанных аквапонных систем относительные требования к добавлению внешних питательных веществ гидропоны составляют 40— 60% (NerBreen), 60% (Tilamur) и 38,1% (IGB Berlin). Поскольку эти развязанные конструкции основаны на интеграции существующих технологий РАС и гидропонических/субстратных культур, они рассматриваются как аквапонические по природе (Delaide et al. 2016) (рис. 5.3) (см. главу 8).

   Определение аквапоники в настоящее время расширяется за пределы экологических, водных и питательных факторов и оптимизации, с тем чтобы включить также экономические факторы (Goddek and Körner 2019; Goddek and Keesman 2018; Goddek 2017; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016; Yogev et al. 2016) (глава 8). Преимущества такого подхода заключаются в том, что положительный экономический результат от технологии аквапоники имеет столь же важное значение, как и ее биологическая, химическая, инженерная, экологическая и устойчивая способность, и поэтому экономический результат должен играть определенную роль в рамках общего определения (глава 8. -systems.md)).

   Многие преимущества часто связаны с аквапоникой, особенно с точки зрения эффективности водопользования, эффективности использования питательных веществ, устойчивого характера, способности производить два урожая из одного источника (корма для рыбы) и снижения воздействия на окружающую среду (Timmons, et al., 2002; Buzby and Lian-shin 2014; Вонгкив и др. 2017; Роста и Хамидпур 2011; Зуль и др. 2016). Эти преимущества регулярно цитируются и применяются коммерческими операторами аквапонии и используются в качестве способа регулирования сбыта и цен на продукцию (рыбу и растения), и поэтому использование названия «аквапоника» прямо и сразу же ассоциирует с тем, что продукция, обозначенная как таковая, была произведена. методами, которые содержат или используют перечисленные преимущества. Однако не существует формального регулирования отрасли, которое предписывало бы, чтобы слово (аквапоника) использовалось только тогда, когда преимущества очевидны и присутствуют в применяемой технологии и методах. Если вышеуказанные преимущества присваиваются аквапонике как технологии, то обязательно технология должна обеспечивать предписанные преимущества, а если технология не предоставляет преимуществ, то слово не следует применять (Леннард 2017).

   

   Рис. 5.3 Упрощенная схема движения основных вод в развязанной аквапонной системе. Концентрации питательных веществ в каждом компоненте могут быть отдельно адаптированы к потребностям отдельных компонентов

   Поскольку аквапоника может быть определена либо с точки зрения ее интеграции аппаратного оборудования (RAS с гидропоникой), ее свойств распределения питательных веществ или разделения или ее способности обеспечить важные преимущества, существует широкий спектр возможных применений названия для многих различных технических подходы, которые используют различные методы и требуют различных результатов. Таким образом, представляется, что фактическое определение аквапоники все еще остается нерешенным.

   Таким образом, представляется, что еще предстоит ответить на очень важные вопросы: что такое аквапоника и как она определяется?

   Это говорит о том, что одним из весьма важных аспектов аквапонной промышленности является разработка правдивого и согласованного определения. Более широкая индустрия аквапоники будет по-прежнему полна разногласий, если определение не будет согласовано, и, что еще важнее, потребители продуктов, производимых в аквапонных системах, будут все более запутаться в том, что такое аквапоника на самом деле — положение дел, которое не будет способствовать росту и эволюция отрасли.

3. 5.3 Общие принципы

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

   Несмотря на то, что определение аквапоники не было полностью решено, существуют некоторые общие принципы, которые связаны с широким спектром аквапонических методов и технологий.

   Использование питательных веществ, добавленных в систему аквапоники, максимально оптимально и эффективно для производства двух основных продуктов предприятия (например, рыбы и биомассы растений) является важным и общим первым принципом, связанным с технологией (Rakocy and Hargreaves 1993; Delaide et al. 2016; Knaus and Palm. 2017). Нет смысла добавлять питательные вещества (которые имеют неотъемлемую стоимость с точки зрения денег, времени и стоимости) в систему, чтобы наблюдать, как высокий процент этих питательных веществ разделяется на процессы, требования или результаты, которые не связаны непосредственно с производимой рыбой и растениями или какой-либо промежуточной жизнью формы, которые могут способствовать доступу рыб и растений к питательным веществам (например, микроорганизмы — бактерии, грибы и т.д.) (Леннард 2017). Поэтому, пожалуй, наиболее важным общим принципом, связанным с аквапоникой, является максимально эффективное использование применяемых питательных веществ для достижения оптимального производства как рыбы, так и растений.

   Этот же аргумент может быть применен и к водоснабжению соответствующей аквапонной системы; опять же, вода, добавленная в систему, должна использоваться главным образом рыбами и растениями и использоваться как можно более эффективно и не допускать утечки в процессы, жизненные формы или результаты, которые не являются непосредственными связанных с производством рыбы и растений или может повлиять на окружающую среду (Lennard 2017).

   В реальном выражении эффективное использование питательных веществ и воды приводит к нескольким принципам проектирования, которые широко применяются к аквапоническому методу:

   1. Важнейшим принципом аквапоники является использование отходов, производимых рыбой, в качестве основного источника питательных веществ для растений. На самом деле, это вся идея аквапоники и поэтому должна быть драйвером первого порядка для метода. Исторически аквапоника рассматривалась как система выращивания растений с использованием рыбоводных отходов, с тем чтобы эти отходы аквакультуры имели меньшее воздействие на окружающую среду и рассматривались как позитивный и прибыльный товар, а не как хлопотный продукт, сопряженный с сопутствующими издержками для соблюдения природоохранного законодательства требования (Rakocy and Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   2. Конструкция системы должна поощрять использование технологий хранения рыбы и выращивания растений, которые по своей сути не поглощают или не используют добавляемые водные или питательные ресурсы. Например, не рекомендуется использовать компоненты для хранения рыбы, основанные на использовании земляных прудов, потому что земляной пруд имеет возможность использовать и делать недоступные водные и питательные ресурсы для соответствующих рыб и растений, тем самым снижая эффективность использования воды и питательных веществ в системе. Аналогичным образом, гидропонные методы культивирования растений не должны использовать среды, поглощающие чрезмерное количество питательных веществ или воды и делающие их недоступными для растений (Lennard 2017).

   3. Конструкция системы не должна тратить питательные вещества или воду за счет производства внешних потоков отходов. В основном, если вода и питательные вещества покидают систему через поток отходов, то вода и эти питательные вещества не используются для производства рыбы или растений, и поэтому вода и эти питательные вещества расходуются впустую, и система не является настолько эффективной, насколько это возможно. Кроме того, производство отходов может оказывать потенциальное воздействие на окружающую среду. Если сточные воды и питательные вещества действительно покидают аквапонную систему, их следует использовать в альтернативных, внешних технологиях производства растений, с тем чтобы вода и питательные вещества не растрачивались впустую, способствовали общему производству съедобной или продаваемой биомассы и не представляли более широкого потенциала воздействия на окружающую среду ( Тайсон и др., 2011 год).

   4. Система должна быть сконструирована таким образом, чтобы снизить или в идеале, полностью нейтрализовать прямое воздействие воды или питательных веществ на окружающую среду. Одной из целей аквапоники первого порядка является использование отходов, производимых рыбой, в качестве источника питательных веществ для растений, с тем чтобы свести на нет выброс этих питательных веществ непосредственно в окружающую среду, где они могут вызвать воздействие (Tyson et al. 2011).

   5. Конструкции систем Aquaponic в идеальном случае должны быть расположены в экологически контролируемых структурах и ситуациях (например, теплицах, рыбных помещениях). Это позволяет достигать наилучших показателей продуктивности рыбы и растений из системы. Большинство аквапонных конструкций относительно высоки с точки зрения капитальных затрат и текущих затрат производства, и поэтому возможность размещения системы в идеальной среде повышает потенциал прибыли, который финансово оправдывает высокие капитальные и производственные затраты (Lennard 2017).

   Вышеизложенные принципы проектирования напрямую связаны с набором общих принципов, которые часто, но не всегда, применяются к среде производства аквапоники. Эти общие принципы касаются порядка функционирования системы и распределения питательных веществ между системой и ее обитателями.

   Основная посылка аквапоники в динамическом контексте питательных веществ заключается в том, что рыба питается кормом для рыб, метаболизируется и используется питательные вещества в кормах для рыб, рыба высвобождает отходы на основе веществ в корме для рыб, которые они не используют (включая элементы), микрофлора получает доступ к этим метаболическим отходам рыб и использует небольшие количества из них, но превращают остальные, и растения затем получают доступ и удаляют эти микрофлоры преобразованные, рыба метаболических отходов в качестве источников питательных веществ и, в некоторой степени, очищают водную среду от этих отходов и противодействуют любому связанному с этим накоплению (Rakocy and Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   Поскольку системы производства рыбы на земляной основе сами удаляют питательные вещества, аквапоника, как правило, использует принципы рециркулирующей системы аквакультуры (РАС) для компонента производства рыбы (Rakocy and Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). Рыба хранится в резервуарах, изготовленных из материалов, которые не удаляют питательные вещества из воды (пластик, стекловолокно, бетон и т.д.), вода фильтруется для обработки или удаления метаболических отходов рыбы (твердые вещества и растворенные аммиачные газы), а вода (и связанные с ними питательные вещества) направляется на растение культурная составляющая, в соответствии с которой растения используют рыбные отходы как часть своего питательного ресурса (Timmons et al. 2002). Что касается рыб, то растительные компоненты на земляной основе не используются, поскольку соответствующие почвы удаляют питательные вещества и не обязательно делают их полностью доступными для растений. Кроме того, гидропонные методы выращивания растений не используют почву и являются более чистыми, чем системы, основанные на почве, и позволяют некоторый пассивный контроль над присутствующими смесями микроорганизмов.

   Растения, культивируемые в традиционной гидропонике, требуют добавления так называемых минеральных удобрений: питательных веществ, которые присутствуют в их базальной, ионной формах (например, нитрат, фосфат, калий, кальций и т.д. в качестве ионов) (Resh 2013). С другой стороны, рециркулирующие системы аквакультуры должны применять регулярный (ежедневный) обмен водой для контроля за накоплением метаболитов рыбных отходов (Timmons et al. 2002). Aquaponics стремится объединить два отдельных предприятия для получения результата, который достигает лучших из двух технологий, отрицая худшие (Goddek et al. 2015).

   Для оптимального и эффективного роста растений требуется набор макро- и микроэлементов. В аквапонике большинство этих питательных веществ происходит из рыбных отходов (Rakocy and Hargreaves 1993; Lennard 2017; COST FA1305 2017). Однако корма для рыб (основной источник питательных веществ аквапонной системы) не содержат всех питательных веществ, необходимых для оптимизации роста растений, и поэтому требуется внешнее питание в той или иной степени.

   Стандартная гидропоника и субстратная культура добавляют питательные вещества в воду в формах, которые непосредственно доступны для растений (т.е. ионные, неорганические формы, получаемые с помощью разработанных добавок сортов соли) (Resh 2013). Доля отходов, высвобождаемых рыбой, находится в формах, которые являются непосредственно доступными для растений (например, аммиак), но потенциально токсичными для рыб (Timmons et al. 2002). Эти растворенные, ионные отходы рыб метаболиты, такие как аммиак, трансформируются повсеместными бактериальными видами, которые заменяют ионы водорода ионами кислорода, продукт из аммиака является нитратом, который гораздо менее токсичен для рыб и предпочтительным источником азота для растений (Lennard 2017). Другие питательные вещества, подходящие для поглощения растений, связаны в твердой фракции рыбных отходов как органические соединения и требуют дальнейшей обработки через микробное взаимодействие, чтобы сделать питательные вещества доступными для поглощения растений (Goddek et al. 2015). Таким образом, аквапонные системы требуют наличия набора микрофлоры для выполнения этих преобразований.

   Ключом к оптимизации аквапонной интеграции является определение соотношения между производством рыбных отходов (непосредственно под влиянием добавления кормов для рыб) и использованием питательных веществ растений (Rakocy and Hargreaves 1993; Lennard and Leonard 2006; Goddek et al. 2015). В попытке определить этот баланс были разработаны различные правила и модели. Rakocy et al. (2006) разработали подход, который соответствует требованиям к площади выращивания растений с ежедневным поступлением корма для рыбы, и назвали его «коэффициентом кормления Aquaponic». Коэффициент кормления составляет от 60 до 100 граммов корма для рыбы, добавляемого в день, на квадратный метр площади выращивания растений (60—100 г/мсуп2/суп/суп/суп/суб). Этот коэффициент кормления был разработан с использованием Tilapia spp. рыбы, употребляющей стандартную, 32% белковую коммерческую диету (Rakocy and Hargreaves 1993). Кроме того, аквапонная система, к которой относится это соотношение (известная как Aquaponic System Университета Виргинских островов — UVI System), не использует фракцию твердых отходов рыбы, имеет избыточный запас азота и требует внутрисистемной пассивной денитрификации для контроля скорости накопления азота ( Леннард 2017). Другие определили альтернативные соотношения, основанные на различных комбинациях рыб и растений, испытанные в различных конкретных условиях (например, Endut et al. 2010 — 15—42 г/мсуп2/суп/день для африканского сома, Clarias gariepinus и растений водного шпината, Ipomoea aquatica).

   Коэффициент кормления UVI был разработан Rakocy и его командой в качестве приблизительного подхода; следовательно, почему он указан как диапазон (Rakocy and Hargreaves 1993). В соотношении UVI делается попытка учесть тот факт, что различные растения требуют разного количества питательных веществ и смесей, и поэтому «общий» подход к разработке аквапоники представляет собой трудную перспективу. Леннард (2017) разработал альтернативный подход, направленный на то, чтобы напрямую сопоставить темпы производства питательных веществ отдельных рыбных отходов (на основе используемого корма для рыбы и конверсии и использования этого корма) с конкретными показателями поглощения питательных веществ в растениях, чтобы требовательное соотношение рыбы к растениям соответствовало любым Выбранные виды рыб или растений могут быть реализованы и учтены при проектировании аквапонной системы. Он сочетает этот подход с конкретным подходом к управлению, который также использует все питательные вещества, имеющиеся в фракции твердых отходов рыбы (посредством аэробной реминерализации твердых отходов рыбы), и добавляет только питательные вещества, необходимые выбранным видам растений для культуры, которые отсутствуют в фракции отходов производства рыбы. Таким образом, это существенно снижает соответствующий коэффициент кормления (например, менее 11 г/мсуп2/суп/суп/день для некоторых лиственных зеленых сортов в качестве эквивалента УВИ) и позволяет точно и точно сопоставлять любые виды рыб с любыми выбранными видами растений (Lennard 2017). Аналогичным образом, Goddek et al. (2016) предложили модели, позволяющие более требовательно определять соотношение компонентов рыб и растений для развязанных аквапонных систем.

   Общие принципы эффективного использования питательных веществ, низкого и эффективного использования воды, низкого или отрицательного воздействия на окружающую среду, возможности нахождения вдали от традиционных почвенных ресурсов и устойчивости использования ресурсов — это общие принципы, применяемые к проектированию и конфигурации аквапонной системы и их текущему следует поощрять применение на местах и в промышленности.

4. 5.4 Источники воды

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

   Вода является ключевой средой, используемой в аквапонных системах, потому что она разделена между двумя основными компонентами системы (рыба и растительные компоненты), она является основным носителем питательных ресурсов внутри системы и определяет общую химическую среду, в которой выращиваются рыбы и растения. Таким образом, это жизненно важный ингредиент, который может оказывать существенное влияние на систему.

   В аквапонной системе основное влияние на систему оказывают водные условия, источник воды и то, что в этом источнике содержится химически, физически и биологически, поскольку она устанавливает исходные условия для того, что требуется добавить в систему различными входами системы. Эти факторы, в свою очередь, влияют на окружающую среду, в которой выращиваются рыбы и растения. Например, некоторые из основных факторов, вносящих питательные вещества в любую аквапонную систему, включают, но не ограничиваясь ими, корм для рыбы (основной питательный ресурс для системы), применяемые буферы (которые помогают контролировать и устанавливать значения pH, связанные как с рыбой, так и с растительными компонентами) и любые внешние питательные добавки или добавки, необходимые для удовлетворения потребностей рыб и растений в питательных веществах (Lennard 2017).

   Рыбные корма предназначены для обеспечения питания, необходимого для роста и здоровья рыб, и поэтому содержат питательные смеси и количества, главным образом для содействия выращиванию рыбы (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). С другой стороны, растения имеют различные потребности в питательных веществах к рыбе, а корма для рыб редко, если когда-либо, удовлетворяют общим потребностям растений в питательных веществах (Rakocy et al. 2006). Из-за этого аквапонные системы, которые выращивают рыбу и растения исключительно с использованием питательных веществ, получаемых из корма, могут эффективно и оптимально вырабатывать рыбу, но редко делают это для растений. Лучшие конструкции аквапонной системы признают, что конечным результатом является производство как рыбы, так и растений при оптимальных и эффективных темпах роста, и поэтому также признают, что для удовлетворения общих потребностей в питательных веществах растений требуется определенная форма дополнительного питания (Rakocy et al. 2006; Suhl et al. 2016).

   Классические, полностью рециркулирующие аквапонные системы, как правило, полагаются на рыбные корма (после того, как рыба потребляет этот корм, метаболизирует его и использует питательные вещества внутри него) в качестве основного источника питательных веществ для растений и дополняет любые недостающие питательные вещества, необходимые растениям, с помощью определенного режима буферизации ( Rakocy et al. 2006) или путем добавления дополнительных питательных веществ (например, путем добавления хелатных форм питательных веществ непосредственно в культурную воду или путем добавления питательных веществ через лиственные спреи) (Roosta and Hamidpour 2011).

   Лучшим примером этого классического рециркулирующего аквапонического подхода является аквапоническая система UVI (Университет Виргинских островов), разработанная д-ром Джеймсом Ракочи и его командой UVI (Rakocy and Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Конструкция UVI в основном добавляет питательные вещества как для рыб, так и для растений с помощью кормов для рыб. Однако корма для рыб не содержат достаточного количества кальция (casup+/SUP) и калия (KSUP+/SUP) для оптимальной культуры растений. Бактериоопосредованное преобразование растворенного аммиака в нитрат вызывает общесистемное производство ионов водорода в водной толще, а пролиферация этих ионов водорода приводит к постоянному падению рН воды системы в сторону кислоты. Используемый режим буферизации добавляет недостающий кальций и калий путем добавления основных солей (часто соли на основе карбонатных, бикарбонатных или гидроксильных ионов в сочетании с кальцием или калием) в систему, которая помогает контролировать рН воды системы на уровне, который отвечает как общим экологическим требованиям pH рыбу и растения, обеспечивая при этом дополнительный кальций и калий, которые необходимы растениям (Rakocy et al. 2006). Кроме того, система UVI добавляет еще один важный питательный элемент для роста растений, который не доступен в стандартных кормах для рыб, железо (Fe), через регулярные и контролируемые добавки хелата железа. Таким образом, калий, кальций и железо, которые необходимы растениям и которые не содержатся в кормах для рыб, доступны через эти два дополнительных механизма подачи питательных веществ (Rakocy et al. 2006).

   Развязанные аквапонные конструкции используют подход к культуре рыб и растений таким образом, что вода используется рыбой, а питательные вещества из рыбных отходов поступают на растения без рециркуляции воды обратно в рыбу (Karimanzira et al. 2016). Таким образом, развязанные конструкции обеспечивают большую гибкость в настройке химического состава воды после использования рыбы для оптимизации производства растений, поскольку добавление питательных веществ, отсутствующих в кормах для рыб (и рыбных отходах), может быть достигнуто без каких-либо проблем, связанных с возвращением воды в рыбу (Goddek et al. 2016). Это означает, что развязанные конструкции потенциально могут применять более требовательные смеси питательных веществ и сильные стороны к культуре воды, после использования рыбы, для культуры растений, и это может быть достигнуто за счет более требовательных и интенсивных добавок питательных веществ.

   В обоих случаях (рециркулирующая и развязанная аквапонная система) понимание химического качества исходной воды имеет жизненно важное значение для достижения оптимальных концентраций питательных веществ для растений. Если, например, исходная вода содержит кальций (часто встречающийся случай, когда используются ресурсы грунтовых вод), это повлияет на режим буферизации, применяемый к рециркулирующим аквапонным конструкциям, и на степень добавки питательных веществ, применяемой к развязанной конструкции, поскольку кальций присутствует в источник воды компенсирует любые необходимые добавки, необходимые для нужд растений кальция (Lennard 2017). Или, если исходная вода содержит повышенные концентрации натрия (NASUP+/SUP) (опять же, часто замеченные с ресурсами грунтовых вод и питательных растений не используют и которые могут накапливаться в системных водах), важно знать, сколько присутствует, поэтому методы управления могут быть применены, чтобы избежать потенциальных растений токсичность питательных веществ (Rakocy et al. 2006). Таким образом, химическая природа исходной воды имеет жизненно важное значение для общего состояния аквапонной системы и управления ею.

   В конечном счете, поскольку химия источника воды может повлиять на управление питательными веществами аквапонной системы и потому, что операторы аквапоники любят иметь возможность в значительной степени манипулировать химией аквапонной воды и питательных веществ, источник воды с небольшим, если таковой имеется, химическим составом воды является весьма желательным (Леннард 2017). В этом смысле дождевая вода или вода, очищенная для химического удаления (например, обратный осмос), является лучшим источником воды для аквапоники в контексте химического состава воды (Rakocy et al. 2004a, b; Lennard 2017). Подземные воды также пригодны, однако необходимо обеспечить, чтобы они не содержали химикатов или солей в концентрациях, которые слишком высоки, чтобы быть практичными (например, высокие концентрации магния или железа) или содержали химические виды, которые не используются рыбой или растениями (например, высокие концентрации натрия) (Lennard 2017). Речные воды могут также использоваться в качестве водных источников аквапонии, однако, как и в случае других водных источников, их следует проверить на химическое присутствие и концентрацию. Городские источники воды (т.е. вода ретикулируется и поставляется для бытовых и бытовых целей) широко применяются в аквапонике (Love et al. 2015a, b) и являются приемлемыми, если они содержат приемлемые концентрации питательных веществ, соли или химических веществ. Что касается водных ресурсов, предоставляемых городским муниципалитетом, то следует отметить, что многие запасы имеют определенную форму стерилизации, применяемую для того, чтобы сделать воду питьевой для людей. Если этот источник воды будет использоваться для аквапоники, то важно обеспечить, чтобы любые химические вещества, которые могут быть применены для стерилизации (например, хлор, хлорамин и т.д.), не присутствовали в концентрациях, которые могут нанести вред рыбе, растениям или микроорганизмам в аквапонной системе (Lennard 2017).

   Химический состав, связанный с исходной водой, не является единственным фактором, который необходимо учитывать при снабжении исходной водой для использования в аквапонике. Многие природные воды могут также содержать микробные и другие микроорганизмы, которые могут влиять на общее экологическое здоровье аквапонной системы или представлять ощутимый риск для здоровья человека. Дождевые воды редко содержат сами микробы; однако сосуды или резервуары, в которых может храниться дождевая вода, могут содержать или допускать размножение микробов. Грунтовые воды, как правило, хороши с точки зрения микробного присутствия, но могут также содержать высокие микробные нагрузки, особенно если они поступают из районов, связанных с животноводством или обработкой отходов. Речные воды могут также содержать высокие микробные нагрузки из-за оттоков сельскохозяйственных отходов или отходов переработки отходов, и их следует проверить с помощью подробного микробного анализа (Lennard 2017).

   Поскольку химический и микробный характер исходной воды, используемой в аквапонных системах, может оказывать потенциальное влияние на химическую и микробиологию системы, рекомендуется стерилизовать и обработать любой применяемый источник воды для химического удаления (например, обратный осмос, дистилляция и т.д.) перед использованием. в аквапонной системе (Леннард 2017). Если стерилизация применяется повсеместно, вероятность введения в систему любых посторонних и нежелательных микробов значительно снижается. При применении очистки и фильтрации воды любые химические вещества, соли, нежелательные питательные вещества, пестициды, гербициды и т.д. будут удалены и, следовательно, не могут негативно сказаться на работе системы.

   Источник чистой воды, свободный от микробов, солей, питательных веществ и других химических веществ, позволяет оператору аквапоник манипулировать системной водой, чтобы содержать питательную смесь и необходимую им силу, не опасаясь, что любые внешние воздействия могут повлиять на работу системы или здоровье и прочность рыбы и растений и является жизненно важным требованием для любой коммерческой аквапонной операции.

5. 5.5 Требования к качеству воды

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

   Аквапоника представляет собой попытку контролировать качество воды таким образом, чтобы все нынешние формы жизни (рыба, растения и микробы) культивировались в максимально приближенных к идеальным условиям химического состава воды (Goddek et al. 2015). Если химия воды может соответствовать требованиям этих трех наборов важных форм жизни, можно добиться эффективности и оптимизации роста и здоровья всех (Lennard 2017).

   Оптимизация важна для коммерческого аквапонического производства, поскольку коммерческий успех (т.е. финансовая рентабельность) может быть реализован только путем оптимизации. Поэтому требования к химическому составу воды и качеству воды в аквапонной системе имеют решающее значение для достижения конечного коммерческого и экономического успеха предприятия (Goddek et al. 2015).

   В настоящее время в рамках более широкой аквапонной промышленности и сообщества существуют разногласия в отношении того, что представляет собой хорошее или приемлемое качество воды в аквапонных системах. Представляется, что общепризнано, что требования к химическому составу природных вод отдельных подмножеств форм жизни (рыба, растения и микробы) широко согласованы (Rakocy and Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). Однако наличие широкого спектра подходов, методов и технологий, которые называются аквапонией, а также история или история связанных с ними, автономных технологий рециркулирующих систем аквакультуры (РАС) и гидропонной культуры растений (включая субстратную культуру), как представляется, приводит к разногласия между операторами, учеными и конструкторами. Например, принимая во внимание только один единственный химический параметр воды, pH, некоторые утверждают, что требования к pH для гидропонокультурных растений сильно отличаются от требований pH для видов пресноводных рыб, культивируемых RAS (Suhl et al. 2016). Гидропонная промышленность обычно применяет параметры pH от 4,5 до 6,0 для культуры растений на водной основе (Resh 2013), в то время как отрасль RAS обычно применяет параметры pH от 7,0 до 8,0 (Timmons et al. 2002) для удовлетворения потребностей рыб и присутствующих микробов (которые выполняют важные функции превращения потенциально токсичных метаболитов рыб в менее токсичные формы). Таким образом, аргумент заключается в том, что любая установленная точка pH является компромиссом между требованиями растений, рыб и микробов, и поэтому оптимальный рН для всех форм жизни не достижим, что приводит к неоптимальному производству растений (Suhl et al. 2016). Другие утверждают, однако, что более тщательный анализ сложностей динамики питательных веществ при поглощении питательных веществ растений может прояснить другое мнение (Lennard 2017).

   Гидропонные системы (и субстратная культура) питают растения питательными веществами в их базальных ионных формах, добавляя питательные соли в воду, которые диссоциируются, чтобы высвободить доступные ионы питательных веществ (Resh 2013). Исследования показали, что эти ионные формы питательных веществ существуют в окне доступности растения, на основе имеющейся системы рН воды. Поэтому в стандартном гидропонном контексте, при отсутствии микробной флоры (т.е. стерилизованной, как и большинство гидропонных систем), важно установить pH системной воды до уровня, который делает смесь ионных питательных веществ, необходимых растению как можно более доступной (Resh 2013). В любой гидропонной системе это само по себе компромисс, потому что, как показывает любая диаграмма наличия ионных питательных веществ (см. рис. 5.4), различные ионные формы питательных веществ наиболее доступны при различных pH (Resh 2013). Именно эта стандартная ассоциация наличия ионных питательных веществ используется гидропонной промышленностью в качестве грунтовки для установленных точек рН и объясняет, почему желаемый гидропонный рабочий рН находится где-то между 4,5 и 6,0 (кислотная среда) в стерилизованных гидропонных системах и системах субстратной культуры.

   В качестве альтернативы RAS применяет установочную точку рН воды, основанную на естественном значении для выращиваемой рыбы и микробов, обрабатывающих и преобразующих рыбные отходы

   

   Рис. 5.4 Пример стандартной схемы обеспеченности питательными веществами, опосредованной рН растений. Красная линия представляет собой нормальный рабочий рН для гидропонной системы; синяя линия для аквапонной системы

   (Тиммонс и др. 2002; Годдек и др. 2015; Зуль и др. 2016). В естественных пресноводных средах большинству видов рыб требуется экологический рН (т.е. рН воды), который тесно соответствует внутреннему рН рыбы, который часто приближается к рН 7,4 (Lennard 2017). Кроме того, основные микробы, связанные с преобразованием растворенного метаболита в культуре РАС (нитрификационные бактерии нескольких видов), также требуют рН около 7,5 для оптимального преобразования аммиака в нитрат (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Поэтому операторы RAS применяют установленную величину pH приблизительно 7,5 к культуре пресноводных рыб.

   Существует очевидная разница между pH 5,5 (средний показатель для стандартной, стерилизованной, гидропонной растительной культуры) и рН 7,5 (средний стандарт для рыбокультуры РАС). Таким образом, широко утверждается, что pH представляет собой один из крупнейших компромиссов в области качества воды, существующих в аквапонии (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Сторонники развязанных аквапонных конструкций часто ссылаются на это различие в оптимальном требовании pH в качестве аргумента в пользу развязанного подхода к проектированию, заявляя, что полностью рециркулирующие конструкции должны найти компромисс рН, когда развязанные конструкции имеют роскошь применения различных уставных точек рН воды к рыбе и растению компоненты (Зуль и др. 2016; Годдек и др. 2016). Однако этот аргумент игнорирует то, что аквапонные системы, в отличие от гидропонных систем, не являются стерильными и используют экологические водные методы, которые стимулируют присутствие различных популяций микрофлоры в аквапонной системе (Eck 2017; Lennard 2017). Это приводит к широкому разнообразию существующих микробов, многие из которых образуют сложные и сложные ассоциации с растениями, особенно корнями растений, в аквапонной системе (Lennard 2017). Хорошо известно и установлено в физиологии растений, что многие микробы, связанные с почвенной средой и матрицей, тесно связаны с корнями растений и что многие из этих микробов помогают растениям получать доступ и поглощать жизненно важные питательные вещества (Vimal et al. 2017). Известно также, что некоторые из этих микробов производят органические молекулы, которые непосредственно способствуют росту растений, способствуют развитию иммунитета растений и помогают превзойти конкуренцию растительным (особенно корневым) патогенам (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). По сути, эти микробы помогают растениям во многих отношениях, которых просто нет в стерилизованной среде, применяемой в стандартной гидропонной культуре.

   При наличии этих разнообразных микробов растения получают доступ к питательным веществам во многих отношениях, что невозможно в системах, использующих только водные параметры pH для обеспечения доступа к питательным веществам растений (например, стандартная гидропоника и субстратная культура). Многие из этих микробов работают при широком уровне pH, как и другие почвенные микробы, такие как нитрификационные бактерии (pH 6,5—8,0, Timmons et al. 2002). Таким образом, при наличии этих микробов в аквапонных системах установочная точка pH может быть поднята выше, чем обычно применяется в гидропонных или субстратных методах культуры (т.е. pH 4,5—6,0), в то время как прогрессивный и эффективный рост растений все еще присутствует (Lennard 2017). Об этом свидетельствуют работы нескольких исследователей аквапоники, которые продемонстрировали более высокие темпы роста растений в аквапонике, чем в стандартной гидропонике (Nichols and Lennard 2010).

   Другие требования к качеству воды в аквапонных системах связаны с физическими/химическими параметрами и, в частности, с параметрами потребностей в питательных веществах растений. С точки зрения физических/химических потребностей растения, рыба и микробы имеют множество общих черт. Растворенный кислород (DO) имеет жизненно важное значение для рыб, корней растений и микрофлоры и должен поддерживаться в аквапонных системах (Rakocy and Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Корни растений и микрофлоры, как правило, требуют относительно более низких концентраций DO, чем у большинства рыб; корни растений и микробы могут выжить при сохранении DO менее 3 мг/л (Goto et al. 1996), в то время как большинство рыб требуют более 5 мг/л (Timmons et al. 2002). Поэтому, если концентрация DO в аквапонной системе установлена и поддерживается в соответствии с требованиями к рыбе, требования к растениям и микробам также удовлетворяются (Lennard 2017). Различные виды рыб требуют различных концентраций DO: рыба с теплой водой (например, Tilapia spp., barramundi), как правило, может переносить более низкие концентрации DO, чем виды рыб в прохладной воде (например, лососевые, такие как радужная форель и арктический корец); поскольку требования к DO рыбы почти всегда больше, чем растения корни и микроцветочные требования, DO должны быть установлены для конкретных видов рыб, которые культивируются (Lennard 2017).

   Концентрации двуокиси углерода в воде (COSub2/Sub), как и для DO, обычно устанавливаются рыбой, потому что корни растений и микробы могут выдерживать более высокие концентрации, чем у рыбы. Концентрации двуокиси углерода имеют важное значение для оптимального здоровья и роста рыб и часто игнорируются в аквапонных конструкциях. Параметры и установочные точки для концентраций COSub2/sub должны быть такими же, как и для тех же видов рыб, культивируемых только в рыбопромысловых системах, и в целом их следует поддерживать на уровне ниже 20 мг/л (Masser et al. 1992).

   Температура воды важна для всех существующих форм жизни в аквапонной системе. Виды рыб и растений должны быть максимально приближены к требованиям температуры воды (например, Tilapia spp. рыбы, как 25 ˚C плюс, и растения, такие как базилик, процветают при этой относительно высокой температуре воды; сорта салата, такие как более холодная вода, и, следовательно, лучше подобранная рыба является радугой форель) (Леннард 2017). Однако, как и в отношении других физических и химических параметров воды, удовлетворение потребностей рыб в температуре воды имеет первостепенное значение, поскольку микробы способны проходить отбор конкретных видов в зависимости от условий окружающей среды (например, дифференциация нитрификационных бактериальных видов происходит при различных температура воды и виды, которые лучше всего соответствуют конкретной температуре воды, будут доминировать нитрификационной бактериальной биомассы системы), и многие растения могут расти очень хорошо при более широком диапазоне температур воды (Lennard 2017). Соответствие температуры воды и поддержание ее в пределах плюс или минус 2˚C (т.е. высокий контроль температуры) с рыбой, является важным требованием в аквапонике, потому что, когда температура воды правильная и не отклоняется от идеального среднего, рыба добивается эффективного и оптимизированного обмена веществ и эффективно питаться и перерабатывать корма, что приводит к более высоким темпам роста рыбы и стабильным и предсказуемым выбросам отходов, что способствует культуре растений (Timmons et al. 2002).

   Поддержание чистоты воды (низкая мутность) является еще одним важным параметром аквапонной культуры (Rakocy et al. 2006). Большая часть мутности воды обусловлена нагрузками взвешенных твердых веществ, которые не были надлежащим образом фильтрованы, и эти твердые вещества могут влиять на рыб, придерживаясь их жабры, что может снизить потенциальную скорость переноса кислорода и уровень выброса аммиака (Timmons et al. 2002). Для аквапонически культивируемой рыбы рекомендуется использовать взвешенные твердые вещества менее 30 мг/л (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Высокие взвешенные твердые вещества также влияют на корни растений, поскольку они обладают способностью прилипаться к корням, что может привести к неэффективности поглощения питательных веществ, но чаще всего обеспечивает повышенный потенциал для колонизации патогенных организмов, что приводит к плохому здоровью корней и конечной гибели растений (Rakocy et al. 2006). Эти взвешенные твердые вещества также способствуют распространению гетеротрофных бактерий (видов, которые разрушаются и метаболизируют органический углерод), которые, если им позволено доминировать в системах, могут превзойти другие необходимые виды, такие как нитрификационные бактерии.

   Электропроводность (EC) является мерой, часто применяемой в гидропонике, чтобы получить представление о количестве общего питательного вещества, присутствующего в воде. Однако он не может предоставить информацию о составе питательных веществ, наличии или отсутствии отдельных видов питательных веществ или количестве отдельных видов питательных веществ, присутствующих в нем (Resh 2013). Он не часто применяется в аквапонике, потому что он измеряет только наличие ионных (заряженных) форм питательных веществ, и утверждалось, что аквапоника является органическим методом подачи питательных веществ, и поэтому EC не является соответствующей мерой (Hallam 2017). Однако растения, как правило, являются источником только ионных форм питательных веществ, и поэтому ЕС может быть использован в качестве общего инструмента или руководства для определения общего количества растительных питательных веществ в аквапонной системе (Lennard 2017).

   Для полностью рециркулирующих аквапонных систем, с точки зрения физических и химических параметров, именно рыба является более требовательной в своих требованиях, и поэтому, если системам удается поддерживать требования рыб, растения и микробы имеют свои требования более чем удовлетворены (Леннард 2017). Разница, когда дело доходит до растений, заключается в их потребности в правильной смеси и силе питательных веществ, чтобы обеспечить оптимальный доступ и поглощение питательных веществ (будь то автономные или микробные), что приводит к эффективному и быстрому росту. Таким образом, развязанные аквапонные системы могут быть более привлекательными из-за того, что они позволяют более требовательно доставлять питательные вещества растениям (Goddek et al. 2016). Корма для рыбы и, следовательно, рыбные отходы не содержат правильную смесь питательных веществ для удовлетворения потребностей растений (Rakocy et al. 2006). Поэтому конструкция аквапонной системы должна учитывать недостающие питательные вещества и дополнять их. Полностью рециркулирующие аквапонные системы обычно дополняют питательные вещества, добавляя их в виды соли, используемые для управления ежедневным режимом буферизации рН; основная часть соли регулирует рН, а положительная часть соли позволяет добавлять недостающие питательные вещества растений (например, калий, кальций, магний) (Rakocy et al. 2006). Развязанные аквапонные конструкции извлекают сточные воды и связанные с ними твердые отходы из рыбного компонента и корректируют воду таким образом, чтобы она содержала питательные вещества, необходимые для производства растений, путем добавления питательных веществ в различных формах (Goddek et al. 2016). Эти добавки питательных веществ, как правило, основаны на использовании стандартных видов гидропонной соли, которые не обязательно обеспечивают какой-либо результат корректировки рН (например, фосфат кальция, сульфат кальция, фосфат калия и т.д.).

   Путь к эффективному росту растений в аквапонных системах заключается в том, чтобы обеспечить водный питательный профиль, который обеспечивает все необходимые для растения питательные вещества (смесь) при необходимой силе (концентрация) (Леннард 2017). В полностью рециркулирующих аквапонных конструкциях или развязанных аквапонных конструкциях, которые не применяют методы стерилизации, как представляется, не требуется удовлетворять концентрациям питательных веществ или сильных сторон, применяемых в стандартных гидропониках, поскольку экологическая природа системы ассоциирует множество разнообразных микрофлора с корнями растений и эти микрофлоры способствуют доступу к питательным веществам растений (Lennard 2017). Для развязанных или других аквапонных конструкций, которые применяют стерилизацию к растительному компоненту и следуют стандартному гидропоническому аналоговому подходу, как представляется, необходимо попытаться приблизиться к стандартной гидропонной концентрации питательных веществ (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Компромисс, однако, с развязанным подходом заключается в том, что он приводит к внешним коэффициентам добавок далеко за пределами полностью рециркулирующих аквапонных конструкций; европейские развязанные конструкции в настоящее время в среднем 50% или больше внешних добавок питательных веществ (COST FA1305 2017; Goddek и Keesman 2018), в то время как UVI поставляет менее 20%, а другие системы могут поставлять менее 10% внешних питательных веществ (Lennard 2017).

   Независимо от метода, все аквапонные системы должны стремиться к обеспечению растений питанием, необходимым для оптимизации роста, чтобы предоставить предприятию наибольшие шансы на финансовую жизнеспособность. В этом контексте большое значение имеет содержание питательных веществ и прочность воды, поставляемой на растения, и следует проводить регулярные проверки питательных веществ, с тем чтобы питательная смесь и прочность могли поддерживаться и управляться в качестве очень важного требования к качеству воды.

6. 5.6 Применимые технологии рыбной культуры

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

   В аквапонике аквакультурная часть интеграционного уравнения широко применяется в контексте резервуаров, где рыба хранится в резервуарах, вода фильтруется с помощью механических (удаление твердых частиц) и биологических (преобразование аммиака в нитрат) механизмов и поддерживается растворенный кислород либо через аэрации или прямого впрыска кислорода (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017).

   Как утверждается в Sect. 5.0 (Introduction) этой главы, исторические примеры чинампы (Somerville et al. 2014) и азиатского рисового риса (Halwart and Gupta 2004), как ранние итерации аквапоники являются необоснованными и неуместными примерами принципов аквапоники , так как современная аквапоника опирается на разработанные добавки рыб и рыбных кормов для обеспечения заданного уровня питания растений, и поэтому эти исторические примеры не могут рассматриваться каким-либо образом аналогичными (Lennard 2017).

   Приведенные выше исторические примеры, опирающиеся на почвенные системы выращивания растений, приводят к вопросу о том, какие технологии аквакультуры подходят для аквапонной интеграции. Крупнейшим методом выращивания пресноводной рыбы, применяемым для производства пресноводных рыб для потребления человеком (Boyd and Tucker 2012). Подход, основанный на использовании пруда, основан на земляной основе пруда и соответствующей микрофлоре, присутствующей в этой почве, для обработки и восстановления отходов, образующихся в рыбной культуре, чтобы рыба не жила в воде, которая может быть токсичной для них (Boyd and Tucker 2012). Поскольку эта система опирается на способность обработки, присущую самому земляному пруду, плотность рыб относительно низка по сравнению с другими методами аквакультуры. Поскольку плотность рыб низкая (и, следовательно, уровень кормления является низким), а сам пруд обрабатывает и поглощает отходы питательных веществ, производимых рыбой, вода пруда характеризуется крайне низкой концентрацией питательных веществ. Концентрации питательных веществ в водной системе прудов настолько низки, что они часто не используются в качестве источников питательных веществ для значительных коммерческих методов производства водных растений (Lennard 2017). Поэтому пруды не являются подходящим методом аквакультуры для интеграции с гидропоникой с точки зрения приемлемых темпов производства растений.

   Аналогичным образом, методы выращивания рыбы плавников качения (регулярно применяемые при производстве пресноводных лососевых рыб), которые обеспечивают очень большие объемы воды при высоких темпах оборота или при низком времени пребывания через контролируемые рыбокультурные резервуары качения, не подходят для аквапонной интеграции, поскольку высокая вода темпы оборота не позволяют обеспечить адекватное накопление питательных веществ для удовлетворения потребностей растений в питательных веществах (Rakocy and Hargreaves 1993).

   Наиболее подходящими технологиями рыбной культуры, применяемыми в контексте аквапонной интеграции, являются технологии, позволяющие выращивать рыбу в резервуарах и обеспечивать такой уровень накопления рыбных отходов (накопление питательных веществ в растениях), который может привести к концентрации питательных веществ в воде, которые применимы для эффективного использования производство гидропонных установок (Rakocy et al. 2006). Принципы рециркулирующей системы аквакультуры (РАС) широко применяются к аквапонике, поскольку они обеспечивают методологии для успешного хранения и выращивания рыбы в контролируемых объемах воды с низкими суточными коэффициентами замещения воды, что позволяет накапливать рыбные отходы (растительные питательные вещества), приближающиеся к необходимые для эффективной гидропонизации растений (Rakocy and Hargreaves 1993; Lennard 2017). Сложности и проектные требования РСБУ обсуждаются в главе 3 данной книги. Достаточно сказать, что рыбоводческая культура РАС является единственным реальным подходящим методом, применяемым к компонентам рыбоводства в аквапонном контексте, и, как уже говорилось выше, почвенные системы аквакультуры, такие как обширные системы прудов и системы культуры качения, не могут обеспечить потребности растений в питательных веществах и поэтому не следует рассматривать.

7. 5.7 Источники питательных веществ

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

   Основным источником для любой аквапонной системы являются добавляемые питательные вещества, поскольку аквапонные системы предназначены для эффективного разделения питательных веществ, добавляемых к ним в три важные формы жизни: рыбу и растения (которые являются основными продуктами системы) и микрофлору (которые помогают сделать добавлены питательные вещества, доступные рыбе и растениям) (Леннард 2017).

   В классических, полностью рециркулирующих аквапонных конструкциях одним из ключевых факторов проектирования является максимально эффективное использование основного источника питательных веществ, корма для рыбы, и поэтому полностью рециркулирующие конструкции стремятся поставлять как можно больше питательных веществ, необходимых для растений из корма для рыбы (Lennard 2017). Развязанные конструкции, с другой стороны, делают акцент на оптимизацию роста растений путем прямого сравнения смесей питательных веществ и сильных сторон, применяемых в стандартной гидропонике и культуре субстрата, и пытаются воспроизвести их в аквапонии и, следовательно, не стремятся поставлять столько питательные вещества, необходимые для растений из корма для рыбы, и использовать значительные внешние питательные добавки для достижения требуемых темпов роста растений (Delaide et al. 2016). Это означает, что на основе технического подхода особое внимание уделяется происхождению добавляемых питательных веществ, что, следовательно, влияет на основной источник питательных веществ в аквапонной системе; для полностью рециркулирующих конструкций основным источником питательных веществ является корм для рыб (через отходы рыбы) ), а для развязанных конструкций основным источником питания растений являются внешние добавки (например, питательные соли) (Lennard 2017).

   Полностью рециркулирующие аквапонные конструкции, такие как модель аквапонной системы UVI, полагаются на корм рыбы как основной источник питательных веществ для системы (Rakocy et al. 2006). Корм для рыбы добавляется в рыбу, которая едят ее, метаболизируют и используют питательные вещества из нее по мере необходимости, а затем образуют поток отходов (как твердые, так и растворенные). Этот поток отходов из рыбы становится основным источником питательных веществ для растений, и, следовательно, корм для рыб является основным источником питательных веществ для растений. Система UVI обеспечивает около 80% или более питательных веществ, необходимых для выращивания растений только из корма для рыб (Lennard 2017). Остальные питательные вещества, необходимые для роста растений, поскольку корм для рыбы не содержит их в требуемом количестве, добавляются с помощью метода добавления питательных веществ, который обеспечивает двойную роль в дополнении дополнительных питательных веществ и контроле уровня рН воды системы (Rakocy et al. 2006). Этот подход, предусматривающий двойную роль, называется «буферизацией», а дополнение именуется «буфером». Для модели UVI двумя важными питательными веществами растений, которые, как было установлено, не хватает кормов для рыб и требуют добавок, являются калий (K) и кальций (Ca) и ежедневно дополняются режимом буферизации. Кроме того, в корме для рыбы отсутствует требуемое растение железо (Fe) и добавляется в хелатной форме путем прямого добавления в системную воду с частотой, измеряемой в неделях (т.е. каждые 2—4 недели на основе еженедельного анализа водного железа) (Rakocy et al. 2006).

   Другие полностью рециркулирующие подходы или методы аквапонии делают еще больший акцент на обеспечение питательных веществ через корм для рыб. Леннард (2017) разработал метод полностью рециркуляционных систем, который обеспечивает более 90% питательных веществ, необходимых для роста растений, из добавленного корма для рыбы. Повышение эффективности питательных веществ, поставляемых через корм для рыб данного метода по сравнению с методом UVI, заключается в том, что такой подход реминерализирует твердые рыбные отходы (через внешнее, бактериоопосредованное биопищеварение) и добавляет эти питательные вещества обратно в аквапонную систему для использования растений, в то время как Метод UVI отправляет большинство твердых рыбных отходов во внешний поток отходов (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Этот подход также добавляет дефицит питательных веществ в кормах для рыб для роста растений через режим буферизации; однако этот режим является гораздо более требовательным и позволяет более эффективно манипулировать питательными веществами и смесями, чем подход UVI (Lennard 2017).

   Таким образом, основными путями добавления питательных веществ для наиболее полностью рециркулирующей аквапонной системы являются корм для рыб (основной маршрут), буферная внешняя добавка для добавления калия и кальция (малый маршрут) и прямая добавка хелата железа (малый маршрут).

   Конструкции развязанной аквапонной системы, подобные тем, которые широко применяются в настоящее время в Европе, опираются на смесь питательных веществ для корма рыб и активных внешних добавок для обеспечения питательных веществ, необходимых для роста растений (Suhl et al. 2016). Поскольку развязанные конструкции не возвращают воду из растительного компонента в рыбный компонент, можно настроить профиль питательных веществ в воде в соответствии с требованиями растений (Goddek et al. 2016). Таким образом, развязанные аквапонные конструкции почти всегда опираются на значительные внешние питательные вещества для удовлетворения потребностей растений и уделяют гораздо меньше внимания обеспечению как можно большего количества питательных веществ для растений из рыбных отходов. Кроме того, количество внешних добавок является значительным по сравнению с полностью рециркулирующими подходами (Lennard 2017) с внешними фракциями регулярно 50% или более от общей потребности растений в питательных веществах или больше (Goddek 2017). Внешние питательные вещества, дополняемые развязанными аквапонными системами, чаще всего представляют собой гидропонные биогенные аналоги или производные (Delaide et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Такая зависимость от источника существенных дополнительных питательных веществ, помимо тех, которые возникают из рыбных отходов (кормов для рыб), являющихся гидропонной солью по своему характеру, для обеспечения растительного запаса в рамках европейского развязанного подхода, даже непосредственно повлияла на определение аквапоники, которое в настоящее время европейское сообщество аквапоники применяется, с ЕС COST, ЕС Aquaponics Hub, определяя аквапонику как «... производственную систему водных организмов и растений, в которой большинство (\ > 50%) питательных веществ, поддерживающих растения, получают из отходов, происходящих из кормления водных организмов» (Goddek 2017; COST FA 1305, 2017) по сравнению с Леннардом ( 2017), который определяет аквапонику как требующую не менее 80% поставок питательных веществ из рыбных отходов. Некоторые также утверждают, является ли метод, который опирается на 50% питательных веществ, необходимых для роста растений из внешних источников, отличных от кормов для рыб, на самом деле аквапоник в природе или, скорее, гидропонный метод с интегрированной или добавленной частью рыбы (Lennard 2017)?

   Еще одним предлагаемым источником поставок питательных веществ в аквапонные системы является внешняя добавка питательных веществ путем применения лиственных растительных спреев (Tyson et al. 2008; Roosta and Hamidpour 2011; Roosta and Hamidpour 2013; Roosta 2014). Эти лиственные спреи снова представляют собой водную доставку стандартных гидропонных питательных солей или производных. Разница заключается в том, что в приведенных выше примерах питательные соли добавляются непосредственно в культурную воду и, следовательно, получают доступ к растениям через поглощение корней (Resh 2013), в то время как лиственные спреи, как следует из названия, добавляют растворенные питательные соли в листья растений и поглощение достигается через растение доступ к устьям листьев или кутикулы (Fernandez et al. 2013).

   Таким образом, в аквапонике используется несколько основных источников питательных веществ: корма для рыб, буферные системы (с помощью базовых, корректирующих pH видов соли, добавляемых в толщу воды), добавки питательных веществ (гидропонные питательные соли, добавляемые к водной толще) и лиственные спреи (гидропонные питательные соли, добавляемые к листу поверхности). Все они поставляют питательные вещества в аквапонную систему для здоровья и роста рыб и растений, которые культивируются.

8. 5.8 Аквапоника как экологический подход

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

   До недавнего времени в аквапонике доминировали полностью рециркулирующие (или комбинированные) подходы к проектированию, которые постоянно разделяют и циркулируют водные ресурсы между двумя основными компонентами (рыба и растительная культура) (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Кроме того, основанные на низком и среднем технологические подходы, которые исторически применялись к аквапонике, побудили к изъятию дорогостоящих компонентов, с тем чтобы повысить потенциал позитивного экономического результата. Один из компонентов фильтрации почти всегда применялся к стандартным технологиям RAS и гидропоники/субстратной культуры, а именно к водной стерилизации, регулярно не включался дизайнерами аквапоники.

   Стерилизация в контексте РАС и гидропонических/субстратных культур применяется повсеместно, поскольку высокая плотность рыбы или растений, выращиваемых, как правило, вызывает давление со стороны водных патогенных организмов, существенно снижающих общие темпы производства (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). Основная причина такого повышенного давления водных вредителей в обеих технологиях заключается в том, что каждая из них концентрируется на обеспечении минимальных биотических, экологических ресурсов и, следовательно, обеспечивает значительное «экологическое пространство» внутри системной воды для биотической колонизации. В этих «открытых» биологических условиях размножаются вредители и патогенные виды, как правило, быстро колонизируются, чтобы воспользоваться присутствующими видами (например, рыбой и растениями) (Lennard 2017). В этом контексте стерилизация или дезинфекция культурной воды исторически рассматривалась как инженерный подход к решению этой проблемы (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). Это означает, что как РАС, так и отрасли гидропонической/субстратной культуры применяют подход к стерилизации для контроля патогенных организмов в соответствующей культурной воде.

   Аквапоника всегда делала акцент на важности связанной с ней микробиологии для выполнения важных биологических услуг. Во всех связанных аквапонных конструкциях Rakocy и его команды UVI биологический фильтр не был включен, потому что они показали, что культура плотов, гидропонный компонент обеспечивает более чем достаточную площадь поверхности для поддержки размера колонии нитрифицирующих бактерий, чтобы обработать весь аммиак, производимый рыбой, как растворенные отходы и преобразовать их в нитрат (Rakocy et al. 2006, 2011). Поэтому Ракочи и его команда не выступали за применение стерилизации системы воды, потому что это, возможно, повлияло на нитрифицирующие бактериальные колонии. Эта историческая перспектива UVI/Rakocy продиктовала дизайн аквапонной системы в будущем. Выявлены и обсуждены другие преимущества невключения водной стерилизации в аквапонные системы, особенно в контексте ассистивной растительной микробиоты (Savidov 2005; Goddek et al. 2016).

   Современное мышление в аквапонных исследованиях и промышленности заключается в том, что отсутствие какой-либо формы водной стерилизации или дезинфекции позволяет системе воде развивать сложную водную экологию, состоящую из множества различных микробиологических форм жизни (Goddek et al. 2016; Lennard 2017). Это создает ситуацию, аналогичную природной экосистеме, при которой большое разнообразие микрофлоры взаимодействует друг с другом и с другими связанными с ней формами жизни в рамках системы (т.е. с рыбой и растениями). Предложенный результат заключается в том, что это разнообразие приводит к ситуации, в которой ни один патогенный организм не может доминировать из-за присутствия всей другой микрофлоры и, следовательно, не может вызывать разрушительных последствий для рыбы или растениеводства. Показано, что аквапонные системы содержат большое разнообразие микрофлоры (Eck 2017), и благодаря предложенному механизму экологического разнообразия, описанному выше, благодаря этому микробному разнообразию (Lennard 2017) оказывается содействие здоровью и росту как рыб, так и растений (Lennard 2017).

   Нестерилизованный, экологически разнообразный подход к аквапонике ранее применялся к соединенным или полностью рециркулирующим аквапонным конструкциям (Rakocy et al. 2006), в то время как для некоторых развязанных аквапонных подходов была предложена стерилизованная гидропонная аналогия (Monsees et al. 2016; Priva 2009; Goddek 2017). Тем не менее, кажется, что более развязанные дизайнеры в настоящее время применяют принципы, которые учитывают экологический, нестерилизованный подход (Goddek et al. 2016; Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016), и поэтому признают положительный эффект, связанный с разнообразной аквапонной микрофлорой (Goddek и др. 2016; Леннард 2017).

9. 5.9 Преимущества аквапоники

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

   Поскольку существуют две отдельные, существующие, аналогичные технологии, которые производят рыбу и растения с высокими темпами (рыбоводство РАС и производство гидропонической/субстратной культуры), причина их интеграции представляется уместной. RAS производит рыбу продуктивными темпами с точки зрения индивидуального прироста биомассы, с учетом добавленной массы корма, что конкурирует, если не лучше, с другими методами аквакультуры (Lennard 2017). Кроме того, высокая плотность рыбы, которую позволяет РСБУ, приводит к увеличению коллективного прироста биомассы (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Гидропоника и субстратная культура обладают, в условиях контролируемой окружающей среды, высокими темпами производства растений, которые лучше большинства других методов сельского хозяйства и садоводства (Resh 2013). Поэтому на начальном этапе существует требование о том, чтобы аквапоника производила рыбу и растения по ставкам, равным этим двум отдельным производственным технологиям; если нет, то любая утрата производительных усилий считается против любого интеграционного аргумента. Если продуктивность рыбы и растений в аквапонной системе может равняться, или лучше, в РАС и гидропонной промышленности, то можно привести и другие преимущества, которые могут возникнуть в результате интеграционного процесса.

   Стандартная гидропоника или субстратная культура непосредственно сравнивается с аквапоникой с точки зрения темпов роста растений двух технологий. Леннард (2005) сравнил производство салата в аквапонной системе с гидропонным контролем в нескольких повторных лабораторных экспериментах. Он продемонстрировал, что производство аквапоники салата статистически ниже в аквапонике (4,10 кг/мсуп2/суп) по сравнению с гидропоникой (6,52 кг/мсуп2/суп), когда применялся стандартный подход к проектированию и управлению аквапонной системой сред. Однако затем он провел ряд экспериментов, в ходе которых были выделены конкретные параметры конструкции (например, обратная и постоянная гидропонная подача воды, примененный расход воды к гидропонной субъединице и сравнение различных гидропонных субъединиц) или сопоставление конкретных факторов управления (например, буферизация методологии и виды и общие начальные концентрации питательных веществ) для достижения оптимизации, а затем продемонстрировал, что аквапоника (5,77 кг/мсуп2/суп) статистически идентична производству гидропонного салата (5,46 кг/мсуп2/суп) после оптимизации аквапонной системы на основе улучшений , предложенный в его предыдущих экспериментах, результат говорит о том, что улучшения связанных или полностью рециркулирующих аквапонных конструкций могут соответствовать стандартным показателям производства гидропонных растений. Леннард (2005) также продемонстрировал выживаемость рыбы, SGR, FCR и темпы роста, равные тем, которые были представлены в стандартном RAS и экстенсивном водоеме для проверенных видов рыб (Australian Murray Cod).

   Pantanella et al. (2010) также продемонстрировали статистически схожие результаты производства салата в условиях высокой плотности рыб (5,7 кг/мсуп2/сап) и низкой плотности рыб (5,6 кг/мсуп2/сап) по сравнению со стандартным гидропонным контролем (6,0 кг/мсуп2/суп).

   Леннард (Nichols and Lennard 2010) показал статистически равные или лучшие результаты для всех сортов салата и почти для всех сортов трав, протестированных в аквапонной системе с использованием технологии биогенной пленки (NFT) по сравнению с гидропонной системой NFT в той же теплице.

   Delaide et al. (2016) сравнили производственную воду RAS, дополненную питательными веществами (питательные вещества были добавлены в соответствие с одной водной питательной смесью и прочностью по Rakocy — обозначенную как аквапонный аналог), полностью дополняемую питательными веществами производственную воду RAS (вода для производства RAS с добавлением гидропонных солей питательных веществ в соответствовать водной питательной смеси и прочности, используемой для стандартной гидропоники — обозначаемой как развязанный аналог) и гидропонный контроль (стандартный гидропонный питательный раствор) с точки зрения скорости роста растений и показал, что аналог аквапонной воды приравнивается к гидропоному контролю и развязанной аналоговой воде улучшил гидропонный контроль. Однако следует отметить, что это были не полностью действующие аквапонные системы, содержащие рыбу (и связанное с ней, полное и активное содержание микробов), которые сравнивались, а просто вода удалена из действующих РАС и дополнена, затем по сравнению с гидропонной контрольной водой.

   Ракочи и его команда UVI продемонстрировали несколькими исследованиями, что темпы роста рыбы Tilapia_ равны отраслевым стандартам, установленным стандартными методами производства аквакультуры (Rakocy and Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2004a, b, 2006, 2011).

   Эти и другие исследования показали, что аквапоника, независимо от конфигурации (в сочетании и разобранном), способна вырабатывать темпы растениеводства, равные или лучше, чем стандартные гидропоники и темпы добычи рыбы, аналогичные стандартам РСБУ. Таким образом, рассмотренное выше требование о том, чтобы аквапоника равнялась ее отраслевым аналогам (РАС и гидропоника), по-видимому, было достаточно доказано, и поэтому следует учитывать и другие преимущества аквапоники.

   Эффективное водопользование регулярно приписывается аквапонике. Леннард (2005) заявил, что экономия воды, связанная с оптимизированной системой испытаний аквапоники (лаборатория), составляет 90% или выше по сравнению со стандартной системой управления аквакультурой RAS, в которой вода обменивалась для контроля накопления нитратов, в то время как растения аквапоники выполняли те же самые требование. Поэтому он продемонстрировал, что аквапоника обеспечивает существенную водосберегающую выгоду по сравнению со стандартной аквакультурой РАС. Интересно, что этот показатель на 90% экономии воды был впоследствии широко заявлен в глобальном сообществе аквапоники в контексте использования растений (например, аквапоника потребляет на 90% меньше воды, чем растительное производство на почве (Graber and Junge 2009)) — пример того, как научный аргумент может быть ошибочно принят участники ненаучной отрасли.

   МакМёртри (1990) показал, что потребление воды в его аквапонной системе составляет приблизительно 1% от того, что требуется в аналогичной системе культуры пруда. Rakocy (1989) продемонстрировал аналогичный показатель потребления воды в размере 1% по сравнению с аквакультурой на основе пруда. Rakocy and Hargreaves (1993) заявили, что суточный коэффициент замещения воды для аквапонной системы УВИ составляет приблизительно 1,5% от общего объема системы, а Love et al. (2015a, b) указали приблизительно 1% объема потерь воды в системе в день для их системы исследований аквапоники.

   Сравнение аквапоники с РАС позволяет добиться существенной экономии воды, а аквапоника ежедневно использует небольшие объемы замещающей воды. Хорошо спроектированная аквапонная система будет стремиться максимально эффективно использовать воду и, следовательно, заменить только эту воду, потерянную в результате эвапотранспирации растений (Lennard 2017). На самом деле, было предложено, что вода может быть даже восстановлена из воды, потерянной в результате эвапотранспирации растений, с использованием той или иной формы схемы или технологии сбора содержания воздушной воды (Kalantari et al. 2017). Смежные аквапонные системы, как представляется, обеспечивают больший потенциал для сохранения и снижения потребления воды (Lennard 2017). Если динамика питательных веществ между производством рыбы и использованием растений может быть сбалансирована, единственная потеря воды происходит через эвапотранспирацию растений, и поскольку вода равномерно распределена между рыбой и растительными компонентами, ежедневные объемы воды просто представляют собой всю воду, потерянную из системных растений (Lennard 2017) ). Развязанные аквапонные конструкции представляют собой более сложное предложение, поскольку два компонента не тесно связаны друг с другом, а ежедневное использование воды рыбного компонента не соответствует ежедневному водопользованию растительного компонента (Goddek et al. 2016; Goddek and Keesman 2018). Поэтому коэффициенты водопользования и замены аквапонных систем не полностью разрешены и, вероятно, никогда не будут связаны с широкими различиями в подходах к проектированию систем.

   Эффективное использование питательных веществ отнесено к аквапоническому методу и указано как преимущество аквапонного подхода (Rakocy et al. 2006; Blidariu and Grozea 2011; Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2015). Это, как правило, связано с тем, что стандартная аквакультура RAS использует питательные вещества в корме для рыб для выращивания рыбы, а остальная часть направляется в отходы. Рыбы метаболизируют большую часть корма, которую они кормят, но используют только приблизительно 25— 35% добавленных питательных веществ (Timmons et al. 2002; Lennard 2017). Это означает, что до 75% питательных веществ, добавляемых только для рыбы, расходуются впустую и не используются. Компания «Аквапоника» стремится использовать в растениеводстве питательные вещества, отнесенные в РАС, и поэтому в аквапонике, как утверждается, используются питательные вещества, добавляемые более эффективно, поскольку из одного источника вводимых ресурсов производятся два урожая (Rakocy and Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Степень использования питательных веществ в рыбных отходах различается между различными методами аквапонии. Полностью рециркулирующая модель UVI не использует большинство твердых рыбных отходов, образующихся в рыбном компоненте, и отправляет их в отходы (Rakocy et al. 2006), полностью рециркулирующая модель Леннарда делает это еще более шагом, используя все отходы, образующиеся в рыбном компоненте (непосредственно растворенные отходы) и твердые вещества через внешнюю микробную реминерализацию с заменой основной системы) (Lennard 2017). Многие развязанные подходы также пытаются использовать все отходы, образующиеся в рыбном компоненте, путем прямого использования растворенных отходов и опять же посредством внешней микробной реминерализации с заменой основной системы (Goddek et al. 2016; Goddek and Keesman 2018). Все эти методы и подходы показывают, что основной движущей силой аквапонного метода является использование как можно большего количества добавленных питательных веществ и, следовательно, попытка максимально эффективно использовать добавленные питательные вещества.

   Независимость от почвы была названа в качестве преимущества аквапонического метода (Blidariu and Grozea 2011; Love et al. 2015a, b). Преимущество заключается в том, что, поскольку почва не требуется, аквапонная система или объект могут располагаться там, где выбирает оператор, а не там, где присутствует подходящая почва (Love et al. 2015a, b). Таким образом, аквапонный метод не зависит от местоположения, основанного на наличии почвы, что является преимуществом перед земледелием, основанным на почве.

   Утверждается, что аквапоника дает преимущество, имитируя природные системы (Blidariu and Grozea 2011; Love et al. 2014). Это подтверждается экологической природой аквапонического подхода/метода, описанного в Sect. 5.7 выше, с соответствующими преимуществами, связанными с разнообразными и плотными микроцветочными сообществами (Lennard 2017).

   Аквакультура оказывает потенциальное прямое воздействие на окружающую среду благодаря выбросу богатых питательными веществами сточных вод в окружающую среду, как правило, в водную среду (Boyd and Tucker 2012). Некоторые гидропонные методы также могут обладать этим потенциалом. Однако аквапоника может оказывать пониженное или отрицательное прямое воздействие на окружающую среду от потоков отходов, богатых питательными веществами, поскольку основной компонент, генерирующий отходы (т.е. рыба), интегрирован с компонентом потребления питательных веществ (т.е. растениями) (Rakocy et al. 2006; Blidariu and Grozea 2011; Goddek et al. 2015; Lennard 2017) . Однако некоторые методы аквапонии действительно приводят к образованию отходов (например, модель UVI); однако они, как правило, обрабатываются и повторно используются для других видов сельскохозяйственной практики на объекте аквапоники (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). Многие методы аквапонии опираются на использование стандартных кормов для аквакультуры, содержащих различные концентрации натрия, как правило, за счет использования рыбной муки или рыбьего жира в качестве ингредиента (Timmons et al. 2002). Натрий не используется растениями и, следовательно, может накапливаться со временем в аквапонных системах, что может привести к необходимости замены воды в той или иной форме, чтобы натрий не накапливался до концентраций, влияющих на растения (Lennard 2017). Тем не менее, сообщалось, что некоторые виды салата имели возможность принимать натрий при воздействии воды аквакультуры (Goddek and Vermeulen 2018).

   Сцепленные или полностью рециркулирующие аквапонные системы объединяют водные ресурсы между двумя основными компонентами (рыбой и растением). Благодаря этой полностью соединенной и рециркулирующей водной природе соединенные аквапонные системы демонстрируют саморегулирующийся механизм с точки зрения неспособности безопасно применять гербициды и пестициды к растениям; если они применяются, их присутствие может негативно сказаться на рыбе (Blidariu and Grozea 2011). Полностью рециркулирующие защитники рассматривают эту невозможность применения пестицидов и гербицидов в качестве преимущества, поскольку аргумент заключается в том, что она гарантирует продукт без распыления (Blidariu and Grozea 2011). Защитники аквапоники также стремятся не применять гербициды или пестициды; однако, из-за того, что вода не рециркулируется обратно к рыбе из растений, способность применять пестициды и гербициды к растениям присутствует (Goddek 2017). Таким образом, применение или отсутствие применения пестицидов и гербицидов к растительному компоненту аквапонных конструкций по-разному воспринимаются группами, выступающими за различные подходы к проектированию.

   Существует мнение, что присутствие как рыб, так и растений в одной водной системе обеспечивает положительный синергетический эффект для здоровья рыб и растений (Blidariu and Grozea 2011). Об этом косвенно свидетельствует способность аквапоники в некоторых исследованиях вырабатывать темпы роста растений выше, чем в стандартной гидропонике (Nichols and Lennard 2010; Delaide et al. 2016). Однако не установлено прямой причинно-следственной связи между присутствием как рыб, так и растений и любым положительным результатом для здоровья рыб или растений.