Аквапоника — это система производства продуктов питания, которая сочетает аквакультуру (выращивание водных животных, таких как рыба , раки , улитки или креветки в резервуарах) с гидропоникой (выращивание растений в воде), при которой богатая питательными веществами вода для аквакультуры подается к растениям, выращенным на гидропонике. [1] [2]
Поскольку существующие методы гидропоники и аквакультуры составляют основу всех аквапонических систем, размер, сложность и типы продуктов, выращиваемых в аквапонной системе, могут различаться так же, как и любая система, используемая в любой отдельной сельскохозяйственной дисциплине. [3]
Аквапоника имеет древние корни, хотя по поводу ее первого появления ведутся споры:
Плавающие системы аквапоники на поликультурных прудах с рыбой были установлены в Китае в последние годы в больших масштабах. Они используются для выращивания риса, пшеницы, канны и других культур, [13] при этом площадь некоторых установок превышает 2,5 акра (10 000 м 2 ). [14]
Развитие современной аквапоники приписывают немецкому ученому Людвигу К.А. Негелю в 1977 году за его публикацию «Комбинированное производство рыбы и растений в оборотной воде». [16] Вскоре после этого различные работы Института Новой Алхимии и работы доктора Марка МакМертри и др. в Университете штата Северная Каролина , который разработал «Интегрированную систему аква-растения» (iAV), основанную на сочетании аквакультуры и грядок на основе песка. [10] Вдохновленные успехами Института Новой Алхимии и iAV Макмертри, другие институты вскоре последовали этому примеру. Начиная с 1979 года, доктор Джеймс Ракоци и его коллеги из Университета Виргинских островов исследовали и разработали использование гидропонных грядок для выращивания глубоководных культур в крупномасштабной системе аквапоники. [15] Другие институты сосредоточили свои исследования на системах «приливов и отливов» (также известных как «наводнение и сток»), которые частично основывались на оригинальных идеях, разработанных в Университете штата Северная Каролина , но в которых использовались грубые среды (такие как гравий или керамзит) заменил песок, в то время как колокольные сифоны обеспечивали цикл орошения приливов и отливов, [17] такие системы также известны как «системы Сперанео», поскольку они основаны на идеях, разработанных в 1990-х годах Томом и Паулой Сперанео, владельцами компании ферма аквапоники в Миссури. [18]
Первое исследование аквапоники в Канаде представляло собой небольшую систему, добавленную к существующим исследованиям в области аквакультуры на исследовательской станции в Летбридже , Альберта . В 90-х годах в Канаде наблюдался рост числа установок аквапоники, преимущественно коммерческих установок, выращивающих ценные культуры, такие как форель и салат. Установка, основанная на глубоководной системе, разработанной в Университете Виргинских островов, была построена в теплице в Бруксе, Альберта , где доктор Ник Савидов и его коллеги исследовали аквапонику на основе науки о растениях. Команда сделала выводы о быстром росте корней в системах аквапоники и о замыкании цикла удаления твердых отходов и обнаружила, что благодаря определенным преимуществам системы по сравнению с традиционной аквакультурой, система может хорошо работать при низком уровне pH, который благоприятствует растениям. но не рыба. [ нужна цитата ]
Аквапоника состоит из двух основных частей: аквакультурной части для выращивания водных животных и гидропоники для выращивания растений. [19] [20] Водные сточные воды, образующиеся в результате несъеденных кормов или выращивания животных, таких как рыба, накапливаются в воде из-за замкнутой системы рециркуляции большинства систем аквакультуры. Богатая сточными водами вода в высоких концентрациях становится токсичной для водных животных, но она содержит питательные вещества , необходимые для роста растений. [19] Хотя системы аквапоники состоят в основном из этих двух частей, они обычно группируются в несколько компонентов или подсистем, отвечающих за эффективное удаление твердых отходов, за добавление оснований для нейтрализации кислот или за поддержание оксигенации воды . [19] Типичные компоненты включают в себя:
В зависимости от сложности и стоимости системы аквапоники, блоки удаления твердых частиц, биофильтрации и/или подсистема гидропоники могут быть объединены в один блок или подсистему, [19] что предотвращает вытекание воды непосредственно из аквакультурной части аквапоники. систему в гидропонную часть. При использовании гравия или песка в качестве среды, поддерживающей растения, твердые частицы улавливаются, и среда имеет достаточную площадь поверхности для нитрификации с фиксированной пленкой. [19] Возможность сочетать биофильтрацию и гидропонику позволяет аквапонной системе во многих случаях устранить необходимость в дорогостоящем отдельном биофильтре. [ нужна цитата ]
Успешная работа аквапонной системы зависит от различных живых компонентов. Три основных живых компонента — это растения, рыбы (или другие водные существа) и бактерии. Некоторые системы также включают дополнительные живые компоненты, такие как черви.
Многие растения подходят для аквапонных систем, хотя то, какие из них подходят для конкретной системы, зависит от зрелости и плотности посадки рыбы. Эти факторы влияют на концентрацию питательных веществ в сточных водах рыб и на то, какое количество этих питательных веществ становится доступным корням растений через бактерии. Зеленолистные овощи с низкой и средней потребностью в питательных веществах хорошо адаптированы к аквапонным системам, включая китайскую капусту , салат , базилик , шпинат , зеленый лук , зелень и кресс-салат . [20] [21]
Другие растения, такие как помидоры, огурцы и перец, требуют более высоких питательных веществ и хорошо себя чувствуют только в зрелых аквапонных системах с высокой плотностью посадки рыбы. [21]
Растения, которые часто используются в салатах, имеют наибольший успех в аквапонике, включая огурцы , лук-шалот , помидоры , салат , перец , красный салатный лук и снежный горошек . [22]
Некоторые прибыльные растения для аквапонических систем включают китайскую капусту , салат , базилик , розы , помидоры , бамию , дыню и сладкий перец . [20]
Другие виды овощей и/или фруктов, которые хорошо растут в аквапонной системе, включают кресс-салат , базилик , кориандр , петрушку , лемонграсс , шалфей , фасоль , горох , кольраби , таро , гранат , редис , клубнику , дыни , лук , репу , пастернак . сладкий картофель , цветная капуста , капуста , брокколи и баклажаны , а также перец чой , который используется для приготовления картофеля фри. [22]
Пресноводные рыбы являются наиболее распространенными водными животными, выращиваемыми с использованием аквапоники, из-за их способности переносить скученность. Иногда также используются пресноводные раки и креветки, [23] [19], поскольку они выделяют богатые питательными веществами фекалии. Существует разновидность аквапоники с использованием морской рыбы, называемая морской аквапоникой . Существует множество видов тепловодных и холодноводных рыб, которые хорошо адаптируются к системам аквакультуры.
На практике тилапия — самая популярная рыба для домашних и коммерческих проектов, предназначенных для выращивания съедобной рыбы, поскольку это тепловодный вид рыб, который может переносить скученность и изменение условий воды. [21] Также используются баррамунди , серебристый окунь , угрехвостый сом или танданус, нефритовый окунь и треска Мюррей . [20] Для умеренного климата, когда нет возможности или желания поддерживать температуру воды, синежаберные и сомовые являются подходящими видами рыб для домашних систем.
Также можно использовать кои и золотую рыбку , если рыба в системе не должна быть съедобной.
Другие подходящие рыбы включают канального сома , радужную форель , окуня , карпа , арктического гольца , большеротого окуня и полосатого окуня . [21]
Нитрификация, аэробное преобразование аммиака в нитраты, является одной из наиболее важных функций аквапонной системы, поскольку она снижает токсичность воды для рыб и позволяет растениям удалять образующиеся нитратные соединения для питания. [19] Аммиак постоянно выделяется в воду через экскременты и жабры рыб как продукт их метаболизма, но его необходимо фильтровать из воды, поскольку более высокие концентрации аммиака (обычно от 0,5 до 1 ppm ) могут нарушают рост, вызывают обширные повреждения тканей, снижают устойчивость к болезням и даже убивают рыбу. [24] Хотя растения могут в некоторой степени поглощать аммиак из воды, нитраты усваиваются легче, [20] тем самым эффективно снижая токсичность воды для рыб. [19] Аммиак можно превратить в более безопасные азотистые соединения с помощью объединенных здоровых популяций двух типов бактерий: Nitrosomonas , которые превращают аммиак в нитриты , и Nitrobacter , которые затем преобразуют нитриты в нитраты. Хотя нитрит по-прежнему вреден для рыб из-за его способности создавать метгемоглобин, который не может связывать кислород, прикрепляясь к гемоглобину, рыбы могут переносить высокие уровни нитратов. [24] Для этого уровень нитритов должен поддерживаться на уровне ниже 1 ppm. [25] Нитраты, которые гораздо безопаснее для рыб, переносятся в концентрациях более 150 частей на миллион. [25] Обычно циклирование азота (циклирование системы) необходимо проводить в течение 3–5 недель, чтобы достичь и поддерживать эти идеальные концентрации соединений азота. Большая площадь поверхности обеспечивает больше места для роста нитрифицирующих бактерий. Выбор материала грядки требует тщательного анализа площади поверхности, цены и удобства обслуживания.
Растения выращиваются в системах гидропоники, при этом их корни погружаются в богатую питательными веществами сточную воду. Это позволяет им отфильтровывать аммиак, токсичный для водных животных, или его метаболиты. После того, как вода прошла через гидропонную подсистему, она очищается, насыщается кислородом и может вернуться в резервуары для аквакультуры. Этот цикл непрерывен. Общие применения гидропонных систем в аквапонике включают:
Поскольку растениям на разных стадиях роста требуется разное количество минералов и питательных веществ, сбор растений проводят в шахматном порядке, при этом сеянцы растут одновременно со взрослыми растениями. Это обеспечивает стабильное содержание питательных веществ в воде за счет постоянного симбиотического очищения воды от токсинов. [28]
В системе аквапоники бактерии, ответственные за преобразование аммиака в нитраты, пригодные для использования растениями, образуют биопленку на всех твердых поверхностях всей системы, которые находятся в постоянном контакте с водой. Погруженные в воду корни овощей имеют большую площадь поверхности, на которой может накапливаться множество бактерий. Вместе с концентрацией аммиака и нитритов в воде площадь поверхности определяет скорость, с которой происходит нитрификация. Уход за этими бактериальными колониями важен для регулирования полной ассимиляции аммиака и нитритов. Вот почему большинство систем аквапоники включают в себя блок биофильтрации, который способствует росту этих микроорганизмов . Обычно после стабилизации системы уровень аммиака колеблется от 0,25 до 0,50 частей на миллион; Уровни нитритов варьируются от 0,0 до 0,25 частей на миллион, а уровни нитратов — от 5 до 150 частей на миллион. [ нужна цитация ] Во время запуска системы системам требуется несколько недель, чтобы начать процесс нитрификации. [29] В результате могут наблюдаться скачки уровней аммиака (до 6,0 частей на миллион) и нитритов (до 15 частей на миллион), поскольку нитросомонады и бактерии нитробактерии еще не сформировали популяции в системе. Уровни нитратов достигают пика позже, на этапе запуска, когда система завершает азотные циклы и поддерживает работоспособность биофильтра, а эти бактерии превращаются в зрелую колонию. [30] с пиком уровня нитратов позже на этапе запуска. [ нужна цитация ] В процессе нитрификации аммиак окисляется в нитрит, который выделяет ионы водорода в воду. Со временем pH воды будет медленно падать. Для нейтрализации pH воды можно использовать ненатриевые основания, такие как гидроксид калия или гидроксид кальция [19] , если в воде естественным образом присутствуют недостаточные количества, чтобы обеспечить буфер против подкисления. Кроме того, в дополнение к рыбным отходам, которые служат основным источником питательных веществ для растений, можно добавлять отдельные минералы или питательные вещества, такие как железо. [19]
Хорошим способом борьбы с накоплением твердых частиц в аквапонике является использование червей, которые разжижают твердые органические вещества, чтобы они могли быть использованы растениями и/или другими животными в системе. Чтобы узнать о методе выращивания только червей, см. Вермипоника . [ нужна цитата ]
Пять основных ресурсов системы — это вода, кислород, свет, корм для водных животных и электричество для перекачки, фильтрации и насыщения воды кислородом. Икра или мальки могут быть добавлены вместо выращенной рыбы, которую вынимают из системы, чтобы сохранить стабильность системы. С точки зрения производительности, система аквапоники может постоянно давать растения, такие как овощи, выращенные на гидропонике, и съедобные водные виды, выращенные в аквакультуре. Типичные коэффициенты застройки составляют от 0,5 до 1 квадратного фута площади выращивания на каждый 1 галлон США (3,8 л) воды для аквакультуры в системе. 1 галлон США (3,8 л) воды может содержать от 0,5 фунта (0,23 кг) до 1 фунта (0,45 кг) рыбного бульона в зависимости от аэрации и фильтрации. [31]
Десять основных руководящих принципов создания успешных систем аквапоники были сформулированы доктором Джеймсом Ракоци, директором исследовательской группы по аквапонике Университета Виргинских островов , на основе обширных исследований, проведенных в рамках программы аквакультуры Сельскохозяйственной экспериментальной станции . [32]
Как и в большинстве систем, основанных на аквакультуре, корм для поголовья часто состоит из рыбной муки, полученной из менее ценных видов. Продолжающееся истощение запасов дикой рыбы делает эту практику неустойчивой. Органические корма для рыб могут оказаться жизнеспособной альтернативой, которая решит эту проблему. Другие альтернативы включают выращивание ряски с помощью системы аквапоники, которая кормит ту же рыбу, выращенную в системе, [33] избыточных червей, выращенных в результате вермикультурного компостирования, с использованием подготовленных кухонных отходов, [34] , а также выращивание личинок черной львинки для кормления рыб. используя компостирование личинок. [35]
Как и в гидропонике , для улучшения роста растений можно добавлять несколько минералов и микроэлементов. Железо является наиболее дефицитным питательным веществом в аквапонике, но его можно добавить, смешав порошок хелата железа с водой. Калий можно добавлять в виде сульфата калия посредством опрыскивания листьев . Менее важные питательные вещества включают магний в виде английской соли, кальций в виде хлорида кальция и бор. [36] Биологическая фильтрация отходов аквакультуры дает высокие концентрации нитратов, что отлично подходит для листовой зелени. Для цветущих растений с высокими потребностями в питательных веществах рекомендуется вносить дополнительные питательные вещества, такие как магний, кальций, калий и фосфор. Распространенными источниками являются сульфат поташа, бикарбонат калия, моноаммонийфосфат и др. Дефицит питательных веществ в сточных водах рыбного компонента (УЗВ) можно полностью замаскировать с помощью сырого или минерализованного ила, обычно содержащего в 3–17 раз более высокие концентрации питательных веществ. Сточные воды УЗВ (вместе сточные воды и ил) содержат достаточное количество N, P, Mg, Ca, S, Fe, Zn, Cu, Ni для удовлетворения большинства потребностей аквапонных культур. Калия обычно не хватает, что требует полноценного внесения удобрений. Микроэлементов B и Mo частично достаточно, и их можно легко улучшить за счет увеличения выделения ила. Предположение, касающееся «определенных» уровней фитотоксичного натрия в сточных водах УЗВ, должно быть пересмотрено – доступны также практические решения. В контуре аквапоники не существует угрозы накопления тяжелых металлов. [37]
Аквапонические системы обычно не сбрасывают и не обменивают воду при нормальной работе, а вместо этого очень эффективно рециркулируют и повторно используют воду. Система опирается на взаимоотношения между животными и растениями для поддержания стабильной водной среды, в которой наблюдаются минимальные колебания уровня питательных веществ и кислорода. Растения способны восстанавливать растворенные питательные вещества из циркулирующей воды, а это означает, что сбрасывается меньше воды и можно свести к минимуму скорость водообмена. [38] Вода добавляется только для возмещения потерь воды в результате поглощения и транспирации растениями, испарения в воздух из поверхностных вод , перелива из системы из-за осадков и удаления биомассы, такой как осевшие твердые отходы, из системы. В результате аквапоника использует примерно 2% воды, необходимой ферме с традиционным орошением для производства того же овоща. [39] Это позволяет выращивать на аквапонике как сельскохозяйственные культуры, так и рыбу в районах, где не хватает воды или плодородной земли. Аквапонические системы также можно использовать для воспроизведения контролируемых условий водно-болотных угодий. Построенные водно-болотные угодья могут быть полезны для биофильтрации и очистки типичных бытовых сточных вод . [40] Наполненная питательными веществами сточная вода может накапливаться в водосборных резервуарах и повторно использоваться для ускорения роста сельскохозяйственных культур, посаженных в почву, или ее можно закачивать обратно в аквапонную систему для пополнения уровня воды. [41]
Аквапонические установки в той или иной степени полагаются на искусственную энергию, технологические решения и контроль окружающей среды для достижения рециркуляции и температуры воды/окружающей среды. Однако, если система спроектирована с учетом энергосбережения, с использованием альтернативной энергии и уменьшенного количества насосов, позволяя воде течь вниз как можно сильнее, она может быть очень энергоэффективной. Хотя тщательное проектирование может свести к минимуму риск, системы аквапоники могут иметь несколько «единственных точек отказа», где такие проблемы, как сбой в электросети или закупорка труб, могут привести к полной потере рыбных запасов. [ нужна цитата ]
Чтобы аквапонические системы были финансово успешными и приносили прибыль, одновременно покрывая эксплуатационные расходы, компоненты гидропонной установки и компоненты для выращивания рыбы должны почти постоянно работать на максимальной производственной мощности. [19] Чтобы поддерживать максимальную биомассу рыбы в системе (без ограничения роста рыбы), существует три основных метода зарыбления, которые могут помочь поддерживать этот максимум.
В идеале биомасса рыбы в резервуарах для выращивания не превышает 0,5 фунта на галлон, чтобы уменьшить стресс от скученности, эффективно кормить рыб и способствовать здоровому росту. [19]
Хотя пестициды обычно можно использовать для борьбы с насекомыми на сельскохозяйственных культурах, в аквапонной системе использование пестицидов может поставить под угрозу рыбную экосистему. С другой стороны, если рыба заразилась паразитами или болезнями, нельзя использовать терапевтические средства, поскольку растения могут их поглотить. [19] Чтобы поддерживать симбиотические отношения между растениями и рыбами, для борьбы с вредителями следует использовать нехимические методы, такие как ловушки, физические барьеры и биологический контроль (например, использование паразитических ос/божьих коровок для борьбы с белокрылками/тлей). . [19] Наиболее эффективным органическим пестицидом является масло нима , но только в небольших количествах, чтобы свести к минимуму его попадание в воду рыб. [ нужна цитата ] . Коммерциализация аквапоники часто тормозится из-за проблем с борьбой с вредителями и болезнями. Применение химических методов борьбы для всех систем весьма сложно. Хотя инсектициды и гербициды можно заменить хорошо зарекомендовавшими себя коммерческими мерами биологического контроля, фунгициды и нематициды по-прежнему актуальны в аквапонике. Мониторинг и культурный контроль являются первыми подходами к сдерживанию популяции вредителей. Биологический контроль, как правило, в большей степени адаптируем. Нехимические профилактические меры являются высокоэффективными для предотвращения вредителей и болезней во всех конструкциях. [42]
Многие пытались создать системы автоматического управления и мониторинга, и некоторые из них продемонстрировали определенный успех. Например, исследователи смогли внедрить автоматизацию в небольшую аквапонную систему, чтобы создать экономически эффективную и устойчивую систему ведения сельского хозяйства. [43] [44] Также появилось коммерческое развитие технологий автоматизации. Например, компания разработала систему, способную автоматизировать повторяющиеся задачи в сельском хозяйстве и имеющую алгоритм машинного обучения , который может автоматически обнаруживать и уничтожать больные или недоразвитые растения. [45] Аквапоника площадью 3,75 акра, которая претендует на звание первой закрытой лососевой фермы в Соединенных Штатах, также включает в себя автоматизированную технологию. [46] Аквапонная машина добилась заметных успехов в документировании и сборе информации об аквапонике. [ нужна цитата ]
Аквапоника предлагает разнообразную и стабильную систему поликультуры, которая позволяет фермерам одновременно выращивать овощи и рыбу. Имея два источника прибыли, фермеры могут продолжать зарабатывать деньги, даже если рынок рыбы или растений проходит через низкий цикл. [24] Гибкость аквапонной системы позволяет выращивать самые разнообразные сельскохозяйственные культуры, включая обычные овощи, травы, цветы и водные растения, чтобы удовлетворить потребности широкого круга потребителей. [24] Травы, салат и специальная зелень, такая как базилик или шпинат, особенно хорошо подходят для аквапонных систем из-за их низких потребностей в питательных веществах. [24] Для растущего числа экологически сознательных потребителей продукты из аквапонических систем не содержат органических веществ и пестицидов, но при этом оставляют небольшой экологический след. [24] Аквапонические системы, кроме того, экономически эффективны из-за низкого потребления воды, эффективного круговорота питательных веществ и необходимости мало земли для работы. [24] Поскольку почва не нужна, а требуется лишь немного воды, аквапонные системы можно устанавливать в районах с традиционно плохим качеством почвы или загрязненной водой. [24] Что еще более важно, аквапонические системы обычно свободны от сорняков, вредителей и болезней, которые могут повлиять на почву, что позволяет им стабильно и быстро производить высококачественные сельскохозяйственные культуры для продажи. [24]
Исследования, касающиеся аквапонных систем и их экономической жизнеспособности, все еще очень ограничены по сравнению с традиционными гидропонными системами. С учетом имеющихся исследований экономическая жизнеспособность аквапонного бизнеса должна определяться в каждом конкретном случае. Существует множество переменных, включая конструкцию системы, сезонную погоду и местные затраты на энергию или землю, которые влияют на прибыльность аквапонного бизнеса. Согласно исследованию, в котором приняли участие 208 аквапонических предприятий в США, средняя инвестиционная стоимость аквапонического бизнеса составляла 5000–10 000 долларов США, и только 10% предприятий сообщали о годовом доходе более 50 000 долларов США. [47]
Существует две основные аквапонические системы: аквапонические системы с одинарной рециркуляцией (SRAPS или спаренные системы) и аквапонические системы с двойной рециркуляцией (DRAPS или раздельные системы). Основное отличие состоит в том, что в системе DRAPS вода из системы аквакультуры (рыбы) используется для обеспечения питательными веществами гидропонной (растительной) системы, но эти две системы работают автономно друг от друга. В отличие от системы SRAPS, производитель может добавлять синтетические удобрения в систему DRAPS, не причиняя вреда рыбе. Томатные системы DRAPS, в которых помимо рыбных отходов используются удобрения, могут обеспечить тот же уровень производства, что и традиционные гидропонные системы, при этом сокращая расход удобрений на 23,6%. Системы SRAPS не способны имитировать эти результаты. [48] Дополнительные исследования показывают, что аквапонные системы могут использовать на 14% меньше удобрений, чем гидропонные системы. [49] Несмотря на это сокращение, производитель должен определить, являются ли затраты на поддержание аквакультуры дешевле, чем использование дополнительных удобрений в гидропонике.
Другие несистемные препятствия на пути экономического успеха аквапонических систем могут включать в себя то, что эти системы требуют высокой степени знаний во многих дисциплинах, отсутствие возможностей финансирования аквапоники и тот факт, что широкая общественность не понимает, что такое аквапоника. является. [50] Аквапонный бизнес может потребовать дополнительных стратегий брендинга по сравнению с гидропоникой, которая является технологией, которая на данный момент относительно хорошо известна в Соединенных Штатах.
Садоводы-аквапоники со всего мира собираются на сайтах и форумах онлайн-сообществ, чтобы поделиться своим опытом и способствовать развитию этой формы садоводства, [70] , а также создавать обширные ресурсы о том, как создавать домашние системы.
Для населения созданы различные модульные системы, в которых используются аквапонные системы для производства органических овощей и трав и одновременного украшения помещений. [71] Эти системы могут служить источником трав и овощей в помещении. Университеты продвигают исследования этих модульных систем, поскольку они становятся все более популярными среди горожан. [72]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
