Source material

Понимание аквапоники

1. Балансировка аквапонной экосистемы

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Термин «балансирование» используется для описания всех мер, принимаемых фермером аквапонии, чтобы обеспечить динамическое равновесие экосистемы рыб, растений и бактерий. Нельзя переоценить, что успешная аквапоника — это прежде всего поддержание сбалансированной экосистемы. Проще говоря, это означает, что существует баланс между количеством рыбы, количеством растений и размером биофильтра, что действительно означает количество бактерий. Экспериментально определены соотношения между размером биофильтра, плотностью посадки и плотностью залова рыбы для аквапоники. Неразумно и очень сложно работать за пределами этих оптимальных коэффициентов, не рискуя катастрофическими последствиями для общей аквапонной экосистемы. Опытным специалистам аквапоники предлагается экспериментировать и корректировать эти соотношения, но рекомендуется начинать аквапонику после этих соотношений. В этом разделе содержится краткое, но существенно важное введение в балансировку системы. Размеры биофильтра и плотность чулок покрыты гораздо глубже в главе 8.

   Баланс нитратов

   Равновесие в аквапонной системе можно сравнить с балансировочной шкалой, где рыба и растения являются весами, стоящими на противоположных руках. Руки баланса изготовлены из нитрифицирующих бактерий. Таким образом, важно, чтобы биофильтрация была достаточно прочной, чтобы поддерживать два других компонента. Это соответствует толщине рычага, показанной на рис. 2.10. Обратите внимание, что оружие не было достаточно сильным, чтобы поддерживать количество рыбных отходов и что рука сломалась. Это означает, что биофильтрация была недостаточной.

   Если биомасса рыбы и размер биофильтра находятся в равновесии, аквапонная установка адекватно перерабатывает аммиак в нитрат. Однако, если растительный компонент имеет недостаточный размер, то система начнет накапливать питательные вещества (рис. 2.11). В практическом плане более высокие концентрации питательных веществ не вредны для рыб и растений, но свидетельствуют о том, что система плохо работает на стороне растений.

   Обычная управленческая ошибка заключается в том, что используется слишком много растений и слишком мало рыбы, как видно из третьего сценария, показанного на рис. 2.12. В этом случае аммиак обрабатывается нитрифицирующими бактериями, но количество получаемых в результате нитратов и других питательных веществ недостаточно для удовлетворения потребностей растений. Это состояние в конечном итоге приводит к постепенному снижению концентраций питательных веществ и, следовательно, урожайности растений.

   

   

   Главный урок из обоих примеров заключается в том, что достижение максимального производства аквапоники требует поддержания надлежащего баланса между рыбными отходами и потребностью растительных питательных веществ при одновременном обеспечении надлежащей площади поверхности для выращивания бактериальной колонии для переработки всех рыбных отходов. Этот сбалансированный сценарий показан на рис. 2.13. Этот баланс между рыбой и растениями также называется соотношением биомассы. Успешные аквапонные агрегаты имеют соответствующую биомассу рыбы в зависимости от количества растений, или, точнее, соотношение кормов для рыбы и потребности в питательных веществах растений сбалансировано. Несмотря на то, что важно следовать предложенным соотношениям для хорошего аквапонического производства пищевых продуктов, существует широкий спектр работоспособных соотношений, и опытные фермеры по аквапонии заметят, как аквапоника становится саморегулирующейся системой. Кроме того, аквапонная система обеспечивает внимательного фермера предупредительными знаками, поскольку система начинает выскользнуть из равновесия, в виде показателей качества воды и здоровья рыб и растений, все из которых подробно обсуждается в настоящем издании.

   Коэффициент подачи

   При балансировке системы учитываются многие переменные (см. вставку 2), однако обширные исследования упростили метод балансировки единицы к одному соотношению, называемому «отношением скорости подачи». Коэффициент корма представляет собой суммирование трех наиболее важных переменных, а именно: суточное количество корма для рыбы в граммах в день, тип растения (вегетативный и плодоносный) и площадь выращивания растений в квадратных метрах. Это соотношение предполагает сумму

   ежедневного корма для рыбы на каждый квадратный метр растительного пространства. Более полезно сбалансировать систему по количеству корма, поступающего в систему, чем вычислять количество рыбы напрямую. Используя количество корма, можно рассчитать количество рыбы на основе их среднесуточного потребления.

   Соотношение скорости корма обеспечит сбалансированную экосистему для рыб, растений и бактерий при условии адекватной биофильтрации. Используйте это соотношение при проектировании аквапонной системы. Важно отметить, что коэффициент подачи является лишь ориентиром для балансировки аквапонной установки, так как другие переменные могут оказывать большее воздействие на различных этапах сезона, например, сезонные изменения температуры воды. Более высокий коэффициент корма для плодоношенных овощей обусловливает большее количество питательных веществ, необходимых этим растениям для производства цветов и фруктов по сравнению с зелеными овощами.

   Наряду с коэффициентом подачи, существуют два других простых и взаимодополняющих метода обеспечения сбалансированной системы: проверка здоровья и тестирование азота.

   Проверка здоровья рыб и растений

   Нездоровая рыба или растения часто предупреждают о том, что система выходит из равновесия. Симптомы дефицита растений обычно указывают на то, что из рыбных отходов производится недостаточное количество питательных веществ. Недостаток питательных веществ часто проявляется в плохом росте, желтых листьях и плохом развитии корней, о чем говорится в главе 6. В этом случае плотность рыбного чулка, корм (если едят рыбой) и биофильтр могут быть увеличены, или растения могут быть удалены. Аналогичным образом, если рыба проявляет признаки стресса, такие как задыхание на поверхности, трение по бокам резервуара, красные области вокруг плавников, глаз и жабр, или в крайних случаях умирает, это часто происходит из-за накопления токсичных уровней аммиака или нитрита. Это часто происходит, когда слишком много растворенных отходов для обработки компонента биофильтра. Любой из этих симптомов у рыб или растений указывает на то, что фермеру необходимо активно исследовать и исправить причину.

   Тестирование азота

   Этот метод предусматривает проверку уровней азота в воде с использованием простых и недорогих комплектов для проверки воды (рис. 2.14). Если аммиак или нитрит высоки (\ > 1 мг/л), это указывает на недостаточность биофильтрации, а площадь поверхности биофильтра должна быть увеличена. Большинство рыб нетерпимы к этим уровням более чем на несколько дней. Желательно повысить уровень нитратов, что предполагает достаточный уровень других питательных веществ, необходимых для роста растений. Рыба может переносить повышенные уровни нитратов, но если уровни остаются высокими (\ > 150 мг/л) в течение нескольких недель часть воды должна быть удалена и использована для орошения других культур.

   

   Если в течение нескольких недель уровень нитратов является низким (\ < 10 мг/л), то корм для рыбы может быть немного увеличен, чтобы обеспечить достаточное количество питательных веществ для овощей. Тем не менее, никогда не оставляйте несъеденную рыбную корму в баке аквакультуры, поэтому может потребоваться увеличение плотности запаса рыбы. В качестве альтернативы растения могут быть удалены, так что есть достаточное количество питательных веществ для тех, кто остается. Стоит и рекомендуется проверять уровни азота каждую неделю, чтобы убедиться, что система правильно сбалансирована. Кроме того, уровень нитратов является показателем уровня других питательных веществ в воде.

   Опять же, все расчеты и соотношения, упомянутые выше, включая плотность залова рыбы, посадочную способность и размеры биофильтра, подробно объясняются в следующих главах (особенно в главе 8). Цель этого раздела состояла в том, чтобы дать понять, насколько важно сбалансировать экосистему в аквапонике и выделить простые методы и стратегии для этого.

   • Источник: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2014 год, Кристофер Сомервилл, Моти Коэн, Эдоардо Пантанелла, Остин Станкус и Алессандро Лователли, мелкомасштабное производство продуктов питания аквапоники, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Воспроизводится с разрешения. *

2. Важные биологические компоненты аквапоники

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Как описано в главе 1, аквапоника является формой комплексного сельского хозяйства, сочетающей в себе два основных метода: аквакультуру и гидропонику. В одном постоянно рециркулирующем агрегате культурная вода выходит из аквариума, содержащего метаболические отходы рыбы. Вода сначала проходит через механический фильтр, который улавливает твердые отходы, а затем проходит через биофильтр, который окисляет аммиак до нитрата. Затем вода проходит через растительные клумбы, где растения поглощают питательные вещества, и, наконец, вода возвращается, очищенная, в аквариум (рис. 2.1). Биофильтр обеспечивает среду обитания бактерий для превращения рыбных отходов в доступные питательные вещества для растений. Эти питательные вещества, которые растворяются в воде, затем поглощаются растениями. Этот процесс удаления питательных веществ очищает воду, предотвращая токсичность воды с вредными формами азота (аммиака и нитрита), и позволяет рыбе, растениям и бактериям процветать симбиотически. Таким образом, все организмы работают вместе для создания здоровой окружающей среды друг для друга, при условии, что система должным образом сбалансирована.

   

   Цикл азота

   Наиболее важным биологическим процессом в аквапонике является процесс нитрификации, который является важным компонентом общего азотного цикла, наблюдаемого в природе. Азот (N) является химическим элементом и важным строительным блоком для всех форм жизни. Он присутствует во всех аминокислотах, которые составляют все белки, которые необходимы для многих ключевых

   

   биологические процессы для животных, такие как регуляция ферментов, клеточная сигнализация и построение структур. Азот является самым важным неорганическим питательным веществом для всех растений. Азот, в виде газа, на самом деле является наиболее распространенным элементом, присутствующим в атмосфере Земли, составляющим около 78 процентов, при этом кислород составляет всего 21 процент. Тем не менее, несмотря на такое изобилие азота, он присутствует в атмосфере только в виде молекулярного азота (N2), который является очень стабильной тройной связью атомов азота и недоступен для растений. Поэтому азот в его виде N2 должен быть изменен до того, как растения используют его для роста. Этот процесс называется азотфиксацией. Он является частью азотного цикла (рис. 2.2), наблюдаемого по всей природе (рис. 2.3). Азотификсация облегчается бактериями, которые химически изменяют N2 путем добавления других элементов, таких как водород или кислород, создавая таким образом новые химические соединения, такие как аммиак (NH3 ) и нитрат (NO3 -), которые растения могут легко использовать. Кроме того, атмосферный азот можно фиксировать с помощью энергоемкого производственного процесса, известного как Haber Process, который используется для производства синтетических удобрений.

   Животное, представленное на рис. 2.3, производит отходы (фекалии и мочи), которые в основном состоят из аммиака (NH3). Другие разлагающиеся органические вещества, найденные в природе, такие как мертвые растения или животные, разбиваются грибами и различными бактериальными группами на аммиак. Этот аммиак метаболизируется определенной группой бактерий, что очень важно для аквапоники, называемых нитрифицирующими бактериями. Эти бактерии сначала преобразуют аммиак в соединения нитритов (NO2-), а затем, наконец, в нитратные соединения (NO3-). Растения могут использовать аммиак и нитраты для выполнения процессов роста, но нитраты легче усваиваются своими корнями.

   

   

   Нитрифицирующие бактерии, живущие в различных средах, таких как почва, песок, вода и воздух, являются важным компонентом процесса нитрификации, который превращает растительные и животные отходы в доступные питательные вещества для растений. На рис. 2.4 показан тот же процесс, что и на рис. 2.3, но содержит более сложную схему, показывающую все этапы азотного цикла.

   

   Этот естественный процесс нитрификации бактериями, который происходит в почве, также происходит в воде таким же образом. Для аквапоники отходы животных представляют собой рыбные экскременты, высвобождаемые в резервуарах культуры. Те же нитрифицирующие бактерии, которые живут на суше, также естественным образом установятся в воде или на каждой влажной поверхности, превращая аммиак из рыбных отходов в легко усваиваемую нитрат для растений. Нитрификация в аквапонных системах обеспечивает питательные вещества для растений и устраняет токсичные аммиак и нитриты (рис. 2.5).

   • Источник: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2014 год, Кристофер Сомервилл, Моти Коэн, Эдоардо Пантанелла, Остин Станкус и Алессандро Лователли, мелкомасштабное производство продуктов питания аквапоники, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Воспроизводится с разрешения. *

3. Поддержание здоровой бактериальной колонии

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Основными параметрами, влияющими на рост бактерий, которые следует учитывать при поддержании здорового биофильтра, являются достаточная площадь поверхности и соответствующие водные условия.

   Площадь поверхности

   Бактериальные колонии будут процветать на любом материале, например, корнях растений, вдоль стен аквариума и внутри каждой трубки. Общая площадь, доступная для этих бактерий, будет определять, сколько аммиака они способны метаболизировать. В зависимости от биомассы рыбы и конструкции системы корни растений и стенки резервуаров могут обеспечить достаточную площадь. Для систем с высокой плотностью рыбного промысла требуется отдельный компонент биофильтрации, в котором содержится материал с высокой площадью поверхности, такой как инертная среда выращивания - гравий, туф или керамзиновая глина (рис. 2.7).

   

   рН воды

   рН - это то, насколько кислотная или основная вода. Уровень рН воды влияет на биологическую активность нитрифицирующих бактерий и их способность конвертировать аммиак и нитрит (рис. 2.8). Диапазоны для двух нитрифицирующих групп ниже были определены как идеальные, однако литература о росте бактерий также свидетельствует о гораздо большем диапазоне допусков (6-8.5) из-за способности бактерий адаптироваться к окружающей среде.

   | Нитрифицирующая бактерия | Оптимальный рН | | — | — | | Нитросомоны spp. | 7.2-7.8 | | Нитробактерия spp. | 7.2-8.2 |

   Однако для аквапоники более подходящий диапазон pH составляет 6-7, поскольку этот диапазон лучше подходит для растений и рыб (в главе 3 обсуждается компромисс в отношении параметров качества воды). Кроме того, потеря бактериальной эффективности может быть компенсирована наличием большего количества бактерий, поэтому биофильтры должны быть соответствующим образом изменены.

   

   Температура воды

   Температура воды является важным параметром для бактерий и аквапоники в целом. Идеальный температурный диапазон для роста и продуктивности бактерий составляет 17 -34 °C. Если температура воды опустится ниже 17 °C, продуктивность бактерий снизится. При температуре ниже 10 °C производительность может быть снижена на 50 и более процентов. Низкие температуры оказывают существенное влияние на управление оборудованием в зимний период (см. главу 8).

   Растворенный кислород

   Нитрифицирующие бактерии нуждаются в адекватном уровне растворенного кислорода (DO) в воде в любое время, чтобы поддерживать высокий уровень продуктивности.

   Нитрификация является окислительной реакцией, когда кислород используется в качестве реагента; без кислорода реакция прекращается. Оптимальные уровни DO 4 -8 мг/л. Нитрификация уменьшится, если концентрации DO упадут ниже 2,0 мг/л. Кроме того, без достаточных концентраций DO может расти другой тип бактерий, который преобразует ценные нитраты обратно в непригодный молекулярный азот в анаэробный процесс, известный как денитрификация.

   Ультрафиолетовый свет

   Нитрифицирующие бактерии являются светочувствительными организмами, что означает, что ультрафиолетовый (УФ) свет от солнца представляет собой угрозу. Это особенно актуально при начальном образовании колоний бактерий, когда создается новая аквапонная система. После того, как бактерии колонизировали поверхность (3 -5 дней), УФ-свет не представляет серьезной проблемы. Простой способ устранить эту угрозу — покрыть аквариум и фильтрующие компоненты УФ-защитным материалом, при этом убедиться, что вода в гидропонном компоненте не подвержена воздействию солнца, по крайней мере до полного образования бактерий колоний.

   Нитрифицирующие бактерии будут расти на материале с высокой площадью поверхности (рис. 2.9), защищенном от ультрафиолетового излучения и при соответствующих условиях воды (таблица 2.1).

   

   ТАБЛИЦА 2.1

   Диапазоны допусков к качеству воды для нитрифицирующих бактерий

   | | **Температура (°C) ** | рН | **аммиак (мг/л) ** | **нитрит (мг/л) ** | **нитрат (мг/л) ** | **DO (мг/л) ** | | — | — | — | — | — | — | — | | Диапазон допусков | 17 -34 | 6 -8,5 |\ < 3 |\ < 3 |\ < 400 | 4 -8 |

   • Источник: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2014 год, Кристофер Сомервилл, Моти Коэн, Эдоардо Пантанелла, Остин Станкус и Алессандро Лователли, мелкомасштабное производство продуктов питания аквапоники, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Воспроизводится с разрешения. *

4. Биофильтр

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Нитрифицирующие бактерии имеют жизненно важное значение для общего функционирования аквапонной установки. В главе 4 описывается, как работает компонент биофильтра для каждого метода аквапоники, а в главе 5 описываются различные группы бактерий, которые работают в аквапонике. В процессе нитрификации участвуют две основные группы нитрифицирующих бактерий: 1) аммиано-окисляющие бактерии (AOB) и 2) нитритно-окисляющие бактерии (NOB) (рис. 2.6). Они метаболизируют аммиак в следующем порядке:

   1. Бактерии AOB преобразуют аммиак (NH) в нитрит (NO₂-)

   2. Бактерии NOB затем преобразуют нитрит (NO₂-) в нитрат (NO-)

   

   Как показано в химических символах, AOB окисляет (добавляет кислород) аммиак и создает нитрит (NO₂-), а NOB дополнительно окисляет нитрит (NO₂-) в нитрат (NO-). Род Nitrosomonas является наиболее распространенным AOB в аквапонике, а род Nitrobacter является наиболее распространенным NOB; эти названия часто используются взаимозаменяемо в литературе и используются в настоящем издании.

   Таким образом, экосистема в аквапонике полностью зависит от бактерий. Если бактерии отсутствуют или если они не функционируют должным образом, концентрации аммиака в воде убьют рыбу. Крайне важно постоянно держать и управлять здоровой бактериальной колонией в системе, чтобы поддерживать уровень аммиака близко к нулю.

   • Источник: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2014 год, Кристофер Сомервилл, Моти Коэн, Эдоардо Пантанелла, Остин Станкус и Алессандро Лователли, мелкомасштабное производство продуктов питания аквапоники, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Воспроизводится с разрешения. *