Source material

Sura ya 9 Nutrient Baiskeli katika Aquaponics

1. 9.1 Utangulizi

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Mifumo ya Aquaponic hutoa faida mbalimbali linapokuja suala la kuzalisha chakula kwa njia ya ubunifu na endelevu. Mbali na hilo athari synergistic ya kuongezeka angani COSU2/sub mkusanyiko kwa ajili ya mazao ya chafu na kupungua jumla ya matumizi ya nishati ya joto wakati wa kulima samaki na mazao katika nafasi moja (Körner et al. 2017), aquaponics ina faida kuu mbili kwa baiskeli madini. Kwanza, mchanganyiko wa mfumo wa ufugaji wa maji na uzalishaji wa hydroponic huepuka kutokwa kwa maji machafu yaliyotumiwa katika nitrojeni na fosforasi iliyoharibiwa katika maji ya chini ya ardhi (Buzby na Lin 2014; Guangzhi 2001; van Rijn 2013), na pili, inaruhusu mbolea ya mazao yasiyo na udongo na kile kinachoweza kuchukuliwa kuwa suluhisho la kikaboni (Goddek et al. 2015; Schneider et al. 2004; Yogev et al. 2016) badala ya kutumia mbolea ya asili ya madini yaliyotolewa kutokana na kuondosha maliasili (Schmautz et al. 2016; Chap. 2). Zaidi ya hayo, aquaponics mavuno kulinganishwa kupanda ukuaji ikilinganishwa na hydroponics kawaida licha ya viwango vya chini ya virutubisho zaidi katika maji ya aquaculture (Graber na Junge 2009; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2016), na uzalishaji inaweza kuwa bora zaidi kuliko katika udongo (Rakocy et al. 2004). Kuongezeka kwa viwango vya COSU2/Sub katika mazingira ya angani na mabadiliko katika biomes ya ukanda wa mizizi hufikiriwa kuwa sababu kuu za hii. Aidha, maudhui ya madini na ubora wa lishe wa nyanya zilizopandwa aquaponically zimeripotiwa kuwa sawa au bora kuliko maudhui ya madini ya wale waliokua kwa kawaida (Schmautz et al. 2016).

   Licha ya kuwa na mali mbili zinazovutia (yaani kuchakata majivu ya maji na matumizi ya mbolea za kikaboni), matumizi ya majivu ya maji yanaongeza changamoto ya ufuatiliaji wa virutubisho ndani ya suluhisho. Hakika, ni vigumu kudhibiti muundo wa suluhisho ambapo virutubisho vinatokana na uharibifu wa kibiolojia wa vitu vya kikaboni kuliko kufuata mageuzi ya mkusanyiko wa virutubisho katika suluhisho la hydroponic linalotokana na misombo ya madini (Bittsanszky et al. 2016; Timmons na Ebeling 2013). Aidha, mahitaji ya lishe ya mmea hutofautiana wakati wa ukuaji kulingana na hatua za kisaikolojia, na ni muhimu kukidhi mahitaji haya ili kuongeza mavuno (Bugbee 2004; Zekki et al. 1996; Chap. 4).

   Ili kusaga majivu ya maji ili kuzalisha majani ya mimea, ni muhimu kuboresha viwango vya kuchakata ya fosforasi na nitrojeni (Goddek et al. 2016; Graber na Junge 2009; Chap. 1). Sababu kadhaa zinaweza kuathiri hili, kama vile aina ya samaki, wiani wa samaki, joto la maji, aina ya mimea na jamii ya microbial (ibid.). Kwa hiyo, ni muhimu sana kuelewa utendaji wa mzunguko wa virutubisho katika aquaponics (Seawright et al. 1998). Sura hii inalenga kuelezea asili ya virutubisho katika mfumo wa aquaponic, kuelezea mzunguko wa virutubisho na kuchambua sababu za hasara za virutubisho.

2. 9.2 Mwanzo wa virutubisho

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Vyanzo vikuu vya virutubisho katika mfumo wa aquaponic ni kulisha samaki na maji yaliyoongezwa (yaliyo na Mg, Ca, S) (angalia Sect 9.3.2.) katika mfumo (Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2016) kama ilivyofafanuliwa zaidi katika Chap. 13. Kwa kuzingatia kulisha samaki, kuna aina mbili kuu: malisho ya samaki na mimea. Fishmeal ni aina ya kawaida ya malisho inayotumiwa katika ufugaji wa maji ambapo lipids na protini hutegemea unga wa samaki na mafuta ya samaki (Geay et al. 2011). Hata hivyo, kwa muda fulani sasa, wasiwasi kuhusu uendelevu wa malisho hayo yamefufuliwa na tahadhari inayotolewa kwa mlo wa mimea (Boyd 2015; Davidson et al. 2013; Hua na Bureau 2012; Tacon na Metian 2008). Uchambuzi wa meta-uliofanywa na Hua na Bureau (2012) ulibaini kuwa matumizi ya protini za mimea katika kulisha samaki yanaweza kuathiri ukuaji wa samaki ikiwa imeingizwa kwa idadi kubwa. Hakika, protini za mimea zinaweza kuwa na athari juu ya digestibility na viwango vya mambo ya kupambana na lishe ya kulisha. Hasa, fosforasi inayotokana na mimea na hivyo kwa njia ya phytates haina faida, kwa mfano, lax, trout na aina nyingine za samaki (Timmons na Ebeling 2013). Haishangazi kwamba uchunguzi huu unategemea sana aina ya samaki na ubora wa viungo (Hua na Ofisi 2012). Hata hivyo, kidogo haijulikani ya athari za utungaji tofauti wa kulisha samaki kwenye mavuno ya mazao (Yildiz et al. 2017).

   Classical kulisha samaki ni linajumuisha 6—8 jumla viungo na ina 6— 8% nitrojeni hai, 1.2% fosforasi hai na 40— 45% kaboni hai (Timmons na Ebeling 2013) na karibu 25% protini kwa herbivorous au omnivorous samaki na karibu 55% protini kwa carnivorous samaki (Boyd 2015). Lipids inaweza kuwa samaki au mmea msingi pia (Boyd 2015).

   

   Kielelezo 9.1 Mtiririko wa mazingira wa nitrojeni na fosforasi katika% kwa (a) Nile Tilapia uzalishaji wa ngome (baada ya Neto na Ostrensky 2015) na (b) uzalishaji wa RAS (kutoka vyanzo mbalimbali)

   Mara baada ya kulisha samaki kuongezwa kwenye mfumo, sehemu kubwa ya hiyo huliwa na samaki na ama kutumika kwa ajili ya ukuaji na kimetaboliki au excreted kama nyasi mumunyifu na imara, wakati wengine wa malisho yaliyotolewa huoza katika mizinga (Goddek et al. 2015; Schneider et al. 2004) (Kielelezo 9.1). Katika kesi hiyo, mabaki ya kulisha na bidhaa za kimetaboliki hupasuka kwa sehemu katika maji ya maji, na hivyo kuwezesha mimea kutumia virutubisho moja kwa moja kutoka kwa ufumbuzi wa maji (Schmautz et al. 2016).

   Katika mifumo mingi ya kilimo (Chaps. 7 na 8, virutubisho vinaweza kuongezwa ili inayosaidia ufumbuzi wa maji na kuhakikisha vinavyolingana bora na mahitaji ya mimea (Goddek et al. 2015). Hakika, hata wakati mfumo umeunganishwa, inawezekana kuongeza chuma au potasiamu (ambayo mara nyingi haipo) bila kuharibu samaki (Schmautz et al. 2016).

   9.2.1 Mabaki ya Chakula cha Samaki na Nyasi za Samaki

   Kwa kweli, malisho yote yaliyotolewa yanapaswa kutumiwa na samaki (Mchoro 9.1). Hata hivyo, sehemu ndogo (chini ya 5% (Yogev et al. 2016)) mara nyingi huachwa kuoza katika mfumo na huchangia mzigo wa virutubisho wa maji (Losordo et al. 1998; Roosta na Hamidpour 2013; Schmautz et al. 2016), hivyo kuteketeza oksijeni iliyoharibika na kutoa dioksidi kaboni na amonia (Losordo et al. 1998) , miongoni mwa mambo mengine. Utungaji wa mabaki ya kulisha samaki hutegemea muundo wa malisho.

   Kimantiki ya kutosha, muundo wa nyasi za samaki hutegemea chakula cha samaki ambacho pia kina athari kwa ubora wa maji (Buzby na Lin 2014; Goddek et al. 2015). Hata hivyo, uhifadhi wa virutubisho katika majani ya samaki unategemea sana aina ya samaki, viwango vya kulisha, muundo wa kulisha, ukubwa wa samaki na joto la mfumo (Schneider et al. 2004). Katika joto la juu, kwa mfano, kimetaboliki ya samaki imeharakisha na hivyo husababisha virutubisho zaidi vilivyomo katika sehemu imara ya nyasi (Turcios na Papenbrock 2014). Uwiano wa virutubisho vilivyotengwa pia hutegemea ubora na digestibility ya chakula (Buzby na Lin 2014). Uwezo wa kulisha samaki, ukubwa wa nyasi na uwiano wa kutulia unapaswa kuzingatiwa kwa uangalifu ili kuhakikisha usawa mzuri katika mfumo na kuongeza mavuno ya mazao (Yildiz et al. 2017). Hakika, wakati ni kipaumbele kwamba kulisha samaki lazima makini kuchaguliwa ili kukidhi mahitaji ya samaki, vipengele kulisha pia inaweza kuchaguliwa ili kukidhi mahitaji ya kupanda wakati haina tofauti na samaki (Goddek et al. 2015; Licamele 2009; Seawright et al. 1998).

3. 9.3 Michakato ya Microbiological

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   9.3.1 Solubilisation

   Solubilisation ina kuvunja kwa molekuli tata hai kutengeneza taka ya samaki na kulisha mabaki katika virutubisho kwa njia ya madini ionic ambayo mimea inaweza kunyonya (Goddek et al. 2015; Somerville et al. 2014). Katika ufugaji wa maji (Sugita et al. 2005; Turcios na Papenbrock 2014) na aquaponics, umumunyifu unafanywa hasa na bakteria ya heterotrophic (van Rijn 2013; Chap. 6) ambayo bado haijatambuliwa kikamilifu (Goddek et al. 2015). Baadhi ya tafiti zimeanza kufafanua utata wa jamii hizi za bakteria (Schmautz et al. 2017). Katika aquaculture ya sasa, bakteria ya kawaida aliona ni Rhizobium sp., Flavobacterium sp., Sphingobacterium sp., Acinetobacter sp., Aeromonas sp. na Pseudomonas sp. (Munguia-Fragozo et al. 2015; Sugita et al. 2005). Mfano wa jukumu kubwa la bakteria katika aquaponics inaweza kuwa mabadiliko ya phytates isiyokuwa na fosforasi (P) yaliyopatikana kwa matumizi ya mimea kupitia uzalishaji wa phytases ambazo zipo hasa katika γ-proteobacteria (Jorquera et al. 2008). (Utafiti zaidi unahitaji kufanywa katika eneo hili). Virutubisho vingine zaidi ya P vinaweza pia kuingizwa kama yabisi na kuhamishwa kutoka kwenye mfumo na sludge. Juhudi ni hivyo kuwa alifanya remineralise sludge hii na mitambo UASB-EGSB ili kuingiza virutubisho katika mfumo wa aquaponic (Delaide 2017; Goddek et al. 2016; Chap. 10)). Zaidi ya hayo, madini mbalimbali si iliyotolewa kwa kiwango sawa, kulingana na muundo wa malisho (LetelierGordo et al. 2015), hivyo kusababisha ufuatiliaji ngumu zaidi ya mkusanyiko wao katika ufumbuzi aquaponic (Seawright et al. 1998).

   9.3.2 Nitrification

   Chanzo kikuu cha nitrojeni katika mfumo wa aquaponic ni kulisha samaki na protini zilizo na (Goddek et al. 2015; Ru et al. 2017; Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017). Kwa kweli, 100% ya chakula hiki inapaswa kuliwa na samaki. Hata hivyo, imezingatiwa kuwa samaki hutumia tu 30% ya nitrojeni zilizomo katika malisho yaliyopewa (Rafiee na Saad 2005). Chakula kilichomeza hutumiwa kwa ufanisi na kimetaboliki (Wongkiew et al. 2017), wakati wengine hupunguzwa kwa njia ya gills au kama mkojo na nyasi (Ru et al. 2017). Nitrojeni ambayo hupunguzwa kupitia gills ni hasa katika mfumo wa amonia, NHsub3/sub (Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017), wakati mkojo na nyasi zinajumuisha nitrojeni hai (Wongkiew et al. 2017) ambayo hubadilishwa kuwa amonia na proteases na deaminasi (Sugita et al. 2005). Kwa ujumla, samaki hutoa nitrojeni chini ya fomu ya TAN, i.e. nHsub3/sub na NHsub4/subsup+/Sup. Uwiano kati ya NHsub3/sub na NHsub4/subsup+/Sup inategemea zaidi pH na joto. Amonia ni taka kubwa inayozalishwa na catabolism ya samaki ya protini za kulisha (Yildiz et al. 2017).

   Nitrification ni mchakato wa hatua mbili wakati ambao amonia NHsub3/sub au amonia NHsub4/subsupu+/Sup excreted na samaki ni kubadilishwa kwanza katika nitriti nosub2/subsup-/sup na kisha katika nitrate nosub3/subsupu-/sup na maalum aerobic chemosynthetic autotrophic bakteria. Upatikanaji wa juu wa oksijeni iliyoharibika inahitajika kama nitrification inatumia oksijeni (Carsiotis na Khanna 1989; Madigan na Martinko 2007; Shoda 2014). Hatua ya kwanza ya mabadiliko haya inafanywa na bakteria ya amonia iliyooksidishwa (AOB) kama vile Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus na Nitrosovibrio. Hatua ya pili inafanywa na bakteria ya nitrite-oxidising (NOB) kama vile Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira na Nitrospina (Rurangwa na Verdegem 2013; Timmons na Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Nitrospira sasa inatokana kuwa nitrifier kamili, i.e. kushiriki katika uzalishaji wa nitriti na nitrati (Daims et al. 2015). Bakteria hiyo inaweza kupatikana wote katika mifumo ya maji na maji ya maji (Wongkiew et al. 2017). Bakteria hizi hupatikana hasa katika biofilms zilizowekwa kwa vyombo vya habari vinavyotunga biofilter lakini pia zinaweza kuzingatiwa katika compartments nyingine za mfumo (Timmons na Ebeling 2013).

   Nitrification ni ya umuhimu mkuu katika aquaponics kama amonia na nitriti ni sumu kabisa kwa samaki: 0.02—0.07 mg/L ya amonia—nitrojeni inatosha kuchunguza uharibifu katika samaki maji ya joto, na nitrite-nitrojeni inapaswa kuwekwa chini ya 1 mg/L (Losordo et al. 1998; Timmons na Ebeling 2013). Amonia huathiri mfumo mkuu wa neva wa samaki (Randall na Tsui 2002; Timmons na Ebeling 2013), wakati nitriti induces matatizo na kuwabainishia oksijeni (Losordo et al. 1998). Nitrate— nitrojeni ni, hata hivyo, kuvumiliwa na samaki hadi 150—300 mg/L (Goddek et al. 2015; Graber na Junge 2009; Yildiz et al. 2017).

   Nitrification zaidi hufanyika katika biofilters (Losordo et al. 1998; Timmons na Ebeling 2013). Kwa hiyo, wakati wa kuanzisha mfumo, inashauriwa kuendesha mfumo bila samaki ili kuruhusu idadi ya polepole ya bakteria ya nitrifying kuanzisha (Timmons na Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Pia ni muhimu kuepuka, iwezekanavyo, kuwepo kwa viumbe hai katika biofilters ili kuzuia ukuaji wa bakteria yenye ushindani wa heterotrophic (Timmons na Ebeling 2013). Vinginevyo, mchanganyiko wa kibiashara wa bakteria ya nitrifying unaweza kuongezwa kwenye mfumo, kabla ya kuhifadhi, ili kuharakisha mchakato wa ukoloni (Kuhn et al. 2010). Hata hivyo, mifumo ndogo ya aquaponic bila biofilter pia iko. Katika mifumo hii, bakteria ya nitrifying huunda biofilms ya nyuso zilizopo (kwa mfano kuta za compartment za hydroponic, vyombo vya habari vya inert wakati wa kutumia mbinu ya kitanda cha vyombo vya habari) (Somerville et al. 2014).

4. Mizani ya Misa 9.4: Nini kinachotokea kwa Virutubisho mara moja Wanaingia katika mfumo wa Aquap

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   9.4.1 Muktadha

   Kazi ya mifumo ya aquaponic inategemea usawa wa nguvu wa mzunguko wa virutubisho (Somerville et al. 2014). Kwa hiyo ni muhimu kuelewa mzunguko huu ili kuboresha usimamizi wa mifumo. Mimea inayokua hydroponically ina mahitaji maalum, ambayo yanapaswa kupatikana wakati wa hatua zao mbalimbali za kukua (Resh 2013). Kwa hiyo, viwango vya virutubisho katika compartments tofauti ya mfumo lazima kufuatiliwa kwa karibu, na virutubisho lazima kuongezewa ili kuzuia upungufu (Resh 2013; Seawright et al. 1998) ama katika mfumo wa maji au kupitia maombi ya majani (Roosta na Hamidpour 2011).

   Kulingana na Delaide et al. (2016), wakati mwingine, kuongezea ufumbuzi wa aquaponic na virutubisho vya madini ili kufikia viwango sawa vya virutubisho kama katika hydroponics inaweza kusababisha mavuno ya juu kuliko yale yaliyopatikana katika hydroponics. Hatua ya kwanza ya kuchukua mfumo wa uwiano ni kubuni sahihi na ukubwa wa jamaa wa vyumba (Buzby na Lin 2014). Ikiwa compartment ya hydroponic ni ndogo sana ikilinganishwa na mizinga ya samaki, basi virutubisho vitajilimbikiza ndani ya maji na inaweza kufikia viwango vya sumu. Uwiano wa kiwango cha kulisha (yaani kiasi cha kulisha samaki katika mfumo kulingana na uso unaokua mimea na aina ya mmea) mara nyingi hutumiwa kwa ukubwa wa kwanza wa mfumo (Rakocy et al. 2006; Somerville et al. 2014). Hata hivyo, kwa mujibu wa Seawright et al. (1998), haiwezekani kufikia uwiano wa mimea/samaki ambao utawezesha mechi mojawapo ya mahitaji ya mimea ikiwa kulisha samaki tu hutumiwa kama pembejeo. Ili kuhakikisha kwamba mfumo ni vizuri uwiano na kazi vizuri, mbinu za ufuatiliaji ni kawaida kulingana na mzunguko wa nitrojeni (Cerozi na Fitzsimmons 2017; Somerville et al. 2014), lakini ili kuhakikisha utendaji bora wa mfumo, ni muhimu kufuatilia kwa karibu zaidi uwiano wa macronutrients nyingine ( N, P, K, Ca, Mg, S) na micronutrients (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013; Somerville et al. 2014; Sonneveld na Voogt 2009) pia. Masomo ya hivi karibuni (Delaide et al. (2017), Schmautz et al. (2015, 2016)) wameanza kukabiliana na mada hii. Schmautz et al. (2015, 2016) ikilinganishwa na athari za mipangilio mitatu tofauti ya hydroponic (yaani mbinu ya filamu ya virutubisho (NFT), raft inayozunguka na umwagiliaji wa mvua) juu ya matumizi ya virutubisho ya nyanya za aquaponic. Umwagiliaji wa mvua ulikuwa mfumo ambao ulizalisha mavuno bora zaidi na nyanya. Maudhui ya madini ya matunda (P, K, Ca, Mg) yalikuwa sawa na maadili ya kawaida ingawa yaliyomo ya chuma na zinki yalikuwa ya juu. Majani hata hivyo yalikuwa na viwango vya chini vya P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu na Zn kuliko katika kilimo cha kawaida. Delaide et al. (2016) ikifuatiwa mzunguko wa macro- na micronutrients katika mfumo pamoja aquaponic. Waliona kuwa K, P, Fe, Cu, Zn, Mn na Mo walikuwa wamepoteza ufumbuzi wao wa maji, wakati N, Ca, B na Na zilikusanywa haraka. Graber na Junge (2009) walibainisha kuwa ufumbuzi wao wa aquaponic ulikuwa na mara tatu chini ya nitrojeni na mara kumi chini ya fosforasi kuliko suluhisho la hydroponic. Kama kwa potasiamu (K), ilikuwa mara 45 chini ikilinganishwa na hydroponics. Hata hivyo, walipata mavuno kama mavuno sawa ingawa ubora ulikuwa duni kutokana na ukosefu wa potasiamu (K).

   **Mambo yanayoathiri mzunguko wa virutubisho

   Mwanga nguvu, mizizi zone joto, joto hewa, upatikanaji madini, hatua ya ukuaji na kiwango cha ukuaji wote ushawishi kupanda madini matumizi (Buzby na Lin 2014). Majaribio yaliyofanywa na Schmautz et al. (2016) na Lennard na Leonard (2006) yalionyesha kuwa njia ya hydroponic inaweza pia kuwa na jukumu katika uwezo wa matumizi ya virutubisho, na kwa hiyo ni muhimu kufanana na mfumo wa kukua kwa aina ya mboga kukua. NFT na DWC (utamaduni wa maji ya kina — raft) ni hivyo yanafaa kwa wiki za majani, ambapo umwagiliaji wa mvua kwenye slabs za rockwool unafaa zaidi kwa mboga za fruity (Resh 2013).

   9.4.2 Mzunguko wa Macronutrient

   **Carbon (C) **

   Carbon hutolewa kwa samaki kupitia malisho (Timmons na Ebeling 2013) na mimea kupitia COSU2/sub naitrojeni. Samaki wanaweza kutumia 22% za kaboni zilizomo katika kulisha samaki kwa ongezeko la majani na kimetaboliki. Wengine wa kaboni iliyoingizwa ni ama muda wake chini ya fomu ya COSU2/Sub (52%) au excreted katika kufutwa (0.7— 3%) na imara (25%) fomu (Timmons na Ebeling 2013). Cosub2/sub muda wake inaweza kutumika na mimea kwa ajili ya chanzo yao wenyewe carbon pia (Körner et al. 2017). Sehemu isiyofanywa ya kaboni ya malisho imesalia kuharibika katika mfumo. Aina ya wanga inayopatikana katika malisho ya samaki (k.m. wanga au polysaccharides zisizo wanga) inaweza pia kuathiri digestibility ya malisho na biodegradability ya taka katika mfumo wa majini au aquaponic (Meriac et al. 2014).

   **Nitrojeni (N) **

   Nitrojeni huingizwa na mimea ama katika fomu ya nitrati au amonia (Sonneveld na Voogt 2009; Xu et al. 2012) kulingana na mkusanyiko na fiziolojia ya mimea (Fink na Feller 1998 iliyotajwa na Wongkiew et al. 2017). Mashirika kati ya mimea na microorganisms haipaswi kupuuzwa kama mimea huathiri uwepo wa microorganisms katika aquaponics, na microorganisms inaweza kuwa na jukumu kubwa katika uwezo wa matumizi ya nitrojeni ya mimea (Wongkiew et al. 2017). Matumizi ya nitrojeni na mimea huathiriwa na mkusanyiko wa dioksidi kaboni iliyoko (Zhang et al. 2008 iliyotajwa na Wongkiew et al. 2017).

   **Fosforasi (P) **

   Phosphorus ni moja ya mambo muhimu kwa ajili ya ukuaji wa mimea na inaweza kufyonzwa chini ya ionic orthophosphate fomu yake (Hsub2/subposub4/subsup-/sup, HPosub4/subsup2-/sup, Posub4/subsup3-/sup) (Prabhu et al. 2007; Resh 2013). Kidogo haijulikani kuhusu mienendo ya fosforasi katika aquaponics. Pembejeo kuu ya fosforasi katika mfumo ni kulisha samaki (Cerozi na Fitzsimmons 2017; Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2015), na katika mifumo un-kuongezewa (Chap. 7, fosforasi huelekea kuwa kikwazo na hivyo inaweza kuzuia ukuaji wa mimea Junge 2009; Seawright et al. 1998). Kulingana na Rafiee na Saad (2005), samaki wanaweza kutumia hadi 15% ya fosforasi zilizomo katika malisho. Katika mfumo wa kukua lettuce, Cerozi na Fitzsimmons (2017) waliona kuwa kiasi cha fosforasi zinazotolewa na kulisha samaki inaweza kuwa ya kutosha au haitoshi kulingana na hatua ya ukuaji. Hadi 100% ya fosforasi iliyopo katika maji ya samaki inaweza kutumika tena katika mimea ya mimea, kulingana na muundo wa mfumo. Graber na Junge (2009) aliona kuchakata 50%, wakati Schmautz et al. (2015) waliripoti kuwa 32% ya fosforasi inaweza kupatikana katika matunda na 28% katika majani. Umumunyifu wa fosforasi unategemea pH, na pH ya juu itaimarisha mvua ya fosforasi, na hivyo kuifanya haipatikani kwa mimea (Yildiz et al. 2017). Phosphorus inaweza precipitate kama struvite (magnesiamu amonia phosphate) (Le Corre et al. 2005) na/au hydroxyapatite (Cerozi na Fitzsimmons 2017; Goddek et al. 2015). Complexes hizi zisizo na maji zinaondolewa kupitia sludge imara ya samaki kutoka kwenye mfumo. Schneider et al. (2004) iliripoti kwamba 30— 65% ya fosforasi zilizomo katika kulisha samaki bado hazipatikani kwa mimea kama ni fasta katika excretions imara ambayo ni kisha kuondolewa kwa njia ya filtration mitambo. Yogev et al. (2016) inakadiriwa kuwa hasara hii inaweza kuwa hadi 85%. Chaguo moja la kuzuia hasara hii kubwa ya P kupitia sludge imara ni kuongeza compartment digestion kwa mfumo wa aquaponic. Wakati wa digestion ya aerobic au anaerobic, P hutolewa ndani ya digestate na inaweza kuletwa tena ndani ya maji yanayozunguka (Goddek et al. 2016).

   **Potasiamu (K) **

   Delaide et al. (2017) iligundua kuwa chanzo kikubwa cha K katika mfumo wao ilikuwa kulisha samaki. Samaki wanaweza kutumia hadi asilimia 7 ya K zilizomo katika malisho ya samaki (Rafiee na Saad 2005). Hata hivyo, potassium si lazima kwa ajili ya samaki ambayo inaongoza kwa chini potassium utungaji wa kulisha samaki na hata ngazi ya chini ya potassium inapatikana kwa mimea (Graber na Junge 2009; Seawright et al. 1998; Suhl et al. 2016). Ili kusambaza potasiamu, buffer ya KOH pH mara nyingi hutumiwa kama pH mara nyingi hupungua katika aquaponics kutokana na nitrification (Graber na Junge 2009). Katika mfumo wa aquaponic uliopandwa na nyanya, potasiamu iliyokusanywa hasa katika matunda (Schmautz et al. 2016).

   **Magnesiamu (Mg), Calcium (Ca) na Sulphur (S) **

   Chanzo kikuu cha Mg, Ca na S ni maji ya bomba ambayo inawezesha kunyonya na mimea kama virutubisho tayari inapatikana (Delaide et al. 2017). Calcium hata hivyo iko katika viwango vya kutosha katika aquaponics (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998) na imeongezwa chini ya mfumo wa hidroksidi kalsiamu Ca (OH) sub2/sub (Timmons na Ebeling 2013). Kulingana na Rafiee na Saad (2005), samaki wanaweza kutumia kwa wastani 26.8% ya kalsiamu na 20.3% ya magnesiamu iliyopo katika malisho. Sulphur mara nyingi katika viwango vya chini katika mifumo ya aquaponic (Graber na Junge 2009; Seawright et al. 1998).

   9.4.3 Mzunguko wa Micronutrient

   Iron (Fe), manganese (Mn) na zinki (Zn) hupata hasa kutokana na malisho ya samaki, wakati boroni (B) na shaba (Cu) hutoka kwenye maji ya bomba (Delaide et al. 2017). Katika aquaponics, micronutrients muhimu mara nyingi hupo lakini kwa viwango vya chini sana (Delaide et al. 2017), na nyongeza kutoka vyanzo vya nje vya virutubisho ni muhimu (Chap. 8). Upungufu wa chuma hutokea mara nyingi sana katika aquaponics (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998; Fitzsimmons na Posadas; 1997 iliyotajwa na Licamele 2009), hasa kwa sababu ya kutokuwepo kwa fomu ya ion ya feri. Upungufu huu unaweza kutatuliwa kwa matumizi ya bakteria siderophore (yaani misombo ya kikaboni ya chuma-chelating) iliyotengenezwa na genera kama vile Bacillus au Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) au kwa nyongeza ya chuma na chuma chelated kemikali ili kuepuka mvua ya chuma.

   9.4.4 Hasara ya virutubisho

   Kupunguza hasara ya virutubisho ni changamoto ya mara kwa mara inakabiliwa na watendaji wa maji. Hasara ya virutubisho hutokea kwa njia kadhaa, k.m. makazi ya sludge (37% ya nyasi na 18% ya malisho yasiyotumiwa) (Neto na Ostrensky 2015), hasara ya maji, denitrification, volatilisation ya amonia, nk (Wongkiew et al. 2017). Kwa mfano, Rafiee na Saad (2005) alibainisha kuwa 24% ya chuma, 86% ya manganese, 47% ya zinki, 22% ya shaba, 16% ya kalsiamu, 89% ya magnesiamu, 6% ya nitrojeni, 6% ya potasiamu na 18% ya fosforasi zilizomo katika kulisha samaki zilikuwa katika sludge. Sludge inaweza kushikilia hadi 40% ya virutubisho zilizopo katika pembejeo ya kulisha (Yogev et al. 2016).

   Denitrification inaweza kusababisha hasara ya 25— 60% ya nitrojeni (Hu et al. 2015; Zou et al. 2016). Denitrification pia inahusishwa na hali ya anoxic (Madigan na Martinko 2007; van Lier et al. 2008) na viwango vya chini vya kaboni na inawajibika kwa mabadiliko ya nitrati katika nitriti, oksidi ya nitriki (Nsub2/subo) na hatimaye gesi ya nitrojeni (Nsub2/sub) na mtiririko katika anga (id. ). Denitrification inafanywa na bakteria kadhaa za heterotrophic kama vile Achromobacter, Aerobacter, Acinetobacter, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus na Micrococcus sp. (Mataifa et al. 2007; Michaud et al. 2006; Wongkiew et al. 2017). Baadhi ya bakteria wanaweza kufanya nitrification zote mbili na denitrification ikiwa viwango vya oksijeni vilivyoyeyushwa viko chini ya 0.3 mg/L (Fitzgerald et al. 2015; Wongkiew et al. 2017). Kupoteza kwa nitrojeni pia kunaweza kutokea kupitia oxidation ya amonia ya anaerobic (ANAMMOX), k.m. oxidation ya amonia katika gesi ya dinitrojeni mbele ya nitriti (Hu et al. 2011).

   Hasara nyingine muhimu ya nitrojeni ambayo inapaswa kupatikana kwa mimea ni matumizi ya nitrojeni na bakteria ya aerobic ya heterotrophic iliyopo katika mifumo ya aquaponic. Hakika, nitrojeni inayotumiwa na bakteria hizi hupotea kwa bakteria ya nitrifying, na nitrification ni hivyo kuzuia (Blancheton et al. 2013). Bakteria hizi zipo hasa wakati uwiano wa C/N unapoongezeka kwani zina ushindani zaidi na zina uwezo zaidi wa kutawala vyombo vya habari kuliko bakteria ya nitrifying autotrophic (Blancheton et al. 2013; Wongkiew et al. 2017).

   9.4.5 Nguvu za Mfumo wa usawa wa virutubisho

   Mkusanyiko wa virutubisho wa mifumo miwili mikubwa katika mfumo wa aquaponic, yaani. mizinga ya samaki (aquaculture) na ufumbuzi wa hydroponic, inahitaji kuwa na usawa kwa kila mahitaji yao. Katika mifumo ya aquaponic iliyofungwa, virutubisho husafirishwa kutoka samaki hadi mimea zaidi au chini moja kwa moja kupitia filters (kwa kawaida chujio cha ngoma au mgeni na kisha biofilter) kwa nitrification. Hata hivyo, mahitaji ya virutubisho ya mazao na virutubisho vinavyotolewa kutoka kwenye mfumo wa aquaponic sio sawa. Katika mifumo mbalimbali ya kitanzi na iliyopigwa (Chap. 8, ni rahisi kutoa hali bora kwa sehemu zote mbili, samaki na mimea. Kwa njia ya modeling ya mifumo (Chap. 11), ukubwa bora wa eneo la hydroponic kwa mizinga ya samaki, biofilters na vifaa vingine vinaweza kuhesabiwa (Goddek na Körner 2019). Hii ni muhimu hasa kwa decoupled mifumo mbalimbali kitanzi ambayo wanaunda aina mbalimbali ya vifaa vya. Kwa mfano, UASB (upflow anaerobic sludge blanketi) (Goddek et al. 2018) au vitengo vya desalination (Goddek na Keesman 2018) vinahitaji ukubwa kwa makini kama ilivyojadiliwa katika Chap. 8. Ukosefu wa msingi wa virutubisho unaotolewa na mazingira ya samaki na mahitaji ya mazao yanahitaji kurekebishwa na usawa. Kwa madhumuni ya up-kuzingatia virutubisho, Goddek na Keesman (2018) wameelezea kitengo kinachofaa cha kutengeneza maji (Chap. 8). Njia hii, hata hivyo, hutatua tu sehemu ya tatizo, kama mfumo wa uwiano kikamilifu unaendeshwa na kiwango cha uvukizi usio na nguvu kinachoweza kufikia tu katika vyumba vilivyofungwa na mimea inayofanya kazi kikamilifu. Ukweli, hata hivyo, ni kwamba evapotranspiration ya mazao (etsubc/Sub) katika mifumo ya aquaponics yenye makao ya kijani inategemea sana mambo mbalimbali kama vile hali ya hewa ya kimwili na vigezo vya kibaiolojia. etsubc/sub ni mahesabu kwa kila eneo la uso ardhi kufunikwa na mazao na ni mahesabu kwa ngazi mbalimbali katika dari (z) kwa kuunganisha irradiative fluxes wavu, upinzani wa safu, upinzani wa stomata na upungufu wa shinikizo la mvuke, /ndogo katika dari (Körner et al. 2007) kwa kutumia Penman— Monteith equation. Ulinganisho huu, hata hivyo, huhesabu tu maji ya maji kupitia mazao. Matumizi ya virutubisho yanaweza kuhesabiwa tu kwa kudhani kwamba virutubisho vyote vilivyotumiwa katika maji vinachukuliwa na mazao. Katika hali halisi ingawa, matumizi ya virutubisho ni jambo ngumu sana. Virutubisho tofauti vina majimbo tofauti, kubadilisha na vigezo kama vile pH. Wakati huo huo upatikanaji wa virutubisho kwa mimea unategemea sana pH na uhusiano wa virutubisho kwa kila mmoja (kwa mfano upatikanaji wa K/Ca). Aidha, microbiome katika ukanda wa mizizi ina jukumu muhimu (Orozco-Msikiti et al. 2018) ambayo bado haijatekelezwa katika mifano ingawa baadhi ya mifano hutofautisha kati ya phloem na xylem pathways. Kwa hiyo, kiasi kikubwa cha virutubisho hazielekezwi kwa undani kwa kusawazisha virutubisho vya maji na ukubwa wa mifumo. Njia rahisi zaidi ya kukadiria matumizi ya virutubisho ni dhana kwamba virutubisho huchukuliwa/kufyonzwa kama kufutwa katika maji ya umwagiliaji na kuomba mbinu ya juu ya etsubc/ndogo ya hesabu na kudhani kwamba hakuna kemikali maalum, kibaiolojia au kimwili kuwepo. Matokeo yake, ili kudumisha usawa, virutubisho vyote vilivyochukuliwa na mazao kama yaliyomo katika suluhisho la virutubisho vinahitaji kuongezwa kwenye mfumo wa hydroponic.

5. 9.5 Hitimisho

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   9.5.1 Vikwazo vya sasa vya Baiskeli ya Nutrient katika Aquaponics

   Katika hydroponics, ufumbuzi wa virutubisho umeamua kwa usahihi na pembejeo ya virutubisho katika mfumo inaeleweka vizuri na kudhibitiwa. Hii inafanya kuwa rahisi kukabiliana na ufumbuzi wa virutubisho kwa kila aina ya mimea na kwa kila hatua ya ukuaji. Katika aquaponics, kwa mujibu wa ufafanuzi (Palm et al. 2018), virutubisho lazima asili angalau 50% kutoka kulisha samaki uneaten, samaki nyasi imara na samaki mumunyifu excretions, hivyo kufanya ufuatiliaji wa viwango virutubisho inapatikana kwa ajili ya matumizi ya mimea ngumu zaidi. Upungufu wa pili ni upotevu wa virutubisho kupitia njia kadhaa kama vile kuondolewa kwa sludge, upyaji wa maji au uharibifu. Sludge kuondolewa induces hasara ya virutubisho kama virutubisho kadhaa muhimu kama vile fosforasi mara nyingi precipitate na kisha trapped katika kuhamishwa sludge imara. Upyaji wa maji, ambao unafanyika hata kama kwa idadi ndogo, pia huongeza kupoteza virutubisho kutoka kwa mzunguko wa aquaponic. Hatimaye, denitrification hutokea kwa sababu ya kuwepo kwa bakteria ya denitrifying na hali zinazofaa kwa metabolisms yao.

   9.5.2 Jinsi ya kuboresha Baiskeli ya Nutrient?

   Ili kuhitimisha, baiskeli ya virutubisho bado inahitaji kuboreshwa ili kuboresha ukuaji wa mimea katika aquaponics. Chaguzi kadhaa kwa hiyo kwa sasa kuchunguzwa katika Chap. 8. Ili kuepuka kupoteza virutubisho vilivyotekwa katika sludge, vitengo vya remineralisation vya sludge vimeandaliwa (Chap. 10). Lengo la vitengo hivi ni kuondoa virutubisho alitekwa katika fomu imara katika sludge na kuingiza tena hizi katika mfumo chini ya fomu ambayo mimea inaweza kunyonya (Delaide 2017). Mbinu zaidi ya kupunguza upotevu wa virutubisho itakuwa kukuza matumizi ya mimea kupitia mkusanyiko wa suluhisho la aquaponic (yaani kuondolewa kwa sehemu ya maji kuweka kiasi sawa cha virutubisho lakini kwa kiasi kidogo cha maji). Mkusanyiko huo unaweza kupatikana kupitia kuongeza kitengo cha desalination kama sehemu ya mfumo wa aquaponic (Goddek na Körner 2019; Goddek na Keesman 2018). Hatimaye, matumizi ya mifumo ya decoupled/multi-kitanzi huwezesha hali bora ya kuishi na kukua kwa samaki wote, mimea na microorganisms. Wakati baadhi ya utafiti imekuwa uliofanywa katika uwanja huu, utafiti zaidi unapaswa kufanyika ili kuelewa vizuri baiskeli virutubisho katika aquaponics. Hakika, habari zaidi kuhusu mzunguko halisi wa kila macronutrient (aina gani, jinsi gani inaweza kubadilishwa au si kwa microorganisms, jinsi inachukuliwa na mimea katika aquaponics) au ushawishi wa mimea na samaki aina na vigezo maji kwenye mzunguko virutubisho inaweza sana kusaidia uelewa wa mifumo ya aquaponic.