1-3 التحديات العلمية والتكنولوجية في علم الأحياء المائية

في حين ينظر إلى الأحياء المائية على أنها واحدة من تقنيات الإنتاج الغذائي الرئيسية التي «يمكن أن تغير حياتنا» (van Woensel et al. 2015)، من حيث الإنتاج الغذائي المستدام والفعال، يمكن تبسيط أكوابونيكش وتصبح أكثر كفاءة. واحدة من المشاكل الرئيسية في النظم المائية التقليدية هي أن العناصر الغذائية في النفايات السائلة التي تنتجها الأسماك تختلف عن الحل الأمثل للمغذيات للنباتات. ويمكن للنظم المائية المنفصلة (DAPS)، التي تستخدم المياه من الأسماك ولكنها لا تعيد المياه إلى الأسماك بعد النباتات، أن تتحسن في التصاميم التقليدية بإدخال مكونات التمعدن والمفاعلات الحيوية الحمأة التي تحتوي على ميكروبات تحول المواد العضوية إلى أشكال من المعادن الرئيسية متاحة بيولوجيا، ولا سيما الفوسفور و المغنيسيوم و الحديد و المنغنيز و الكبريت التي تعاني من نقص في النفايات السائلة العادية لل أسماك. و خلافا لمكونات التمعدن في النظم ذات الحلقة الواحدة, فإن النفايات السائلة لل مفاعل الأحيائي في دابس لا تغذى إلا على عنصر النبات بدلا من تخفيفها في النظام بأكمله. وهكذا، فإن النظم المنفصلة التي تستخدم هضم الحمأة تجعل من الممكن تحسين إعادة تدوير النفايات العضوية من الأسماك كمغذيات لنمو النبات (Goddek 2017; Goddek et al. 2018). وتتألف النفايات في هذه النظم أساساً من حمأة الأسماك (أي البراز والأعلاف غير المأكل التي لا توجد في المحلول) ومن ثم لا يمكن تسليمها مباشرة في نظام مائي. وبالتالي، فإن المفاعلات الحيوية (انظر [الفصل 10](/المجتمع/المقالات/الفصل 10 - المعالجة الهوائية واللاهوائية - من أجل الحمأة المائية - التخفيض والتمعدن)) هي عنصر هام يمكن أن يحول الحمأة التي لا يمكن استخدامها لولا ذلك إلى أسمدة مائية أو إعادة استخدام النفايات العضوية مثل السيقان والجذور من النبات في الغاز الحيوي لتوليد الحرارة والكهرباء أو تصاميم DAPS التي توفر أيضا تحكم مستقل ركوب المياه لكل وحدة، مما يسمح فصل النظم (RAS، المائية والهضمات) كما هو مطلوب للسيطرة على تدفقات المغذيات. يتحرك الماء بين المكونات في حلقة حفظ الطاقة والمغذيات، بحيث يمكن رصد الأحمال والتدفقات من المغذيات في كل نظام فرعي وتنظيمها ليتناسب بشكل أفضل مع متطلبات المصب. فالفوسفور, على سبيل المثال, مورد أحفوري أساسي ول كنه قابل لل استنفاد يستخرج لأغراض الأسمدة, و لكن الإمدادات العالمية تستنفد حاليا بمعدل ينذر بالخطر. يسمح استخدام أجهزة الهضم في أنظمة أكوابونيكش المنفصلة للميكروبات بتحويل الفوسفور الموجود في نفايات الأسماك إلى فوسفات أورثوفوسفات يمكن أن تستخدمها النباتات، مع معدلات استرداد عالية (Goddek et al. 2016, 2018).

وعلى الرغم من أن النظم المنفصلة فعالة جدا في استعادة المغذيات، مع فقدان المغذيات شبه الصفر، فإن حجم الإنتاج في كل وحدة من الوحدات مهم بالنظر إلى أن تدفقات المغذيات من جزء واحد من النظام تحتاج إلى مضاهاة إمكانات الإنتاج النهائية للمكونات الأخرى. ومن ثم تصبح برمجيات النمذجة ونظم الحصول على البيانات للمراقبة الإشرافية والحصول على البيانات مهمة لتحليل تدفق كل وحدة وأبعادها وموازين كتلتها والتحمل والإبلاغ عنها، مما يجعل من الممكن التنبؤ بالبارامترات المادية والاقتصادية (مثل أحمال المغذيات، و معدلات التدفق و التكاليف اللازمة لل محافظة على بارامترات بيئية محددة). في [الفصل 11](/المجتمع/المقالات/الفصل 11-أكوابونيكس-سيستمز النمذجة)، سوف ننظر بمزيد من التفصيل في نظرية النظم كما هو مطبق على أنظمة أكوابونيكش وشرح كيف يمكن للنمذجة حل بعض قضايا الحجم، في حين أن الحلول التكنولوجية المبتكرة يمكن أن تزيد من الكفاءة وبالتالي ربحية هذه النظم. و القياس مهم ليس فقط لل تنبؤ بالسلامة الاقتصادية و إنما أيضا لل تنبؤ بنواتج الإنتاج استنادا إلى نسب المغذيات المتاحة.

ومن المسائل الهامة الأخرى, التي تتطلب مزيدا من التطوير, استخدام الطاقة و إعادة استخدامها. أنظمة أكوابونيكش هي الطاقة والبنية التحتية كثيفة. واعتماداً على الإشعاع الشمسي المستلم، فإن استخدام الفلطاضوئي الشمسي، ومصادر الحرارة الحرارية الشمسية، وتحلية المياه (الشمسية) قد لا يكون مجدياً اقتصادياً، ولكن يمكن دمجه جميعاً في نظم الأحياء المائية. وفي [الفصل الأول، نقدم معلومات عن الإمكانيات التقنية والتشغيلية المبتكرة التي لديها القدرة على التغلب على القيود الكامنة في هذه النظم، بما في ذلك الفرص الجديدة المثيرة لتنفيذ نظم الأحياء المائية في المناطق القاحلة.

في [الفصل 2](/المجتمع/المقالات/الفصل 2-أكوابونيك- إغلاق الدورة على المياه المحدودة - الأرض والموارد المغذيات)، نناقش أيضا بمزيد من التفصيل مجموعة التحديات البيئية التي يمكن أن تساعد علم الأحياء المائية في مواجهتها. فالسيطرة على العوامل المسببة للأمراض، على سبيل المثال، مهمة جدا، كما أن أنظمة RAS تحتوي على عدد من المزايا البيئية لإنتاج الأسماك، وأحد مزايا أنظمة أكوابونيكش المنفصلة هي القدرة على تدوير المياه بين المكونات واستخدام ضوابط مستقلة حيث يكون من الأسهل و الكشف عن الوحدات الفردية و عزلها و تطهيرها عندما تكون هناك تهديدات تتعلق بالعوامل المسببة لل مرض. البروبيوتيك المفيدة في الاستزراع السمكي تبدو أيضا مفيدة لإنتاج النباتات ويمكن أن تزيد من كفاءة الإنتاج عندما يتم تداولها ضمن نظام مغلق (سيراكوف وآخرون 2016). وتُستكشف هذه التحديات بمزيد من التفصيل في [الفصل 5](/المجتمع/المقالات/تكنولوجيا الجزء الثاني - المحيط الهادئ)، حيث نناقش بمزيد من التفصيل كيف يمكن للابتكار في علم الأحياء المائية أن يؤدي إلى (أ) زيادة كفاءة استخدام الفضاء (تكلفة ومواد أقل، وتعظيم استخدام الأراضي)؛ (ب) انخفاض موارد المدخلات، على سبيل المثال ودقيق السمك، وانخفاض النواتج السلبية، مثل تصريف النفايات؛ (ج) تقليل استخدام المضادات الحيوية ومبيدات الآفات في النظم القائمة بذاتها.

لا يزال هناك العديد من مجالات المواضيع المائية التي تتطلب المزيد من البحث من أجل استغلال الإمكانات الكاملة لهذه النظم. ومن المنظور العلمي، هناك موضوعات مثل دورة النيتروجين ([الفصل 9](/المجتمع/المقالات/الفصل 9-9-نظم دورة المغذيات في الماء)، وإعادة التمعدن الهوائي واللاهوائي ([الفصل 10](./10 - علاجات هوائية واللاهوائية - للأحواض المائية - الحمأة - الاختزال والمعدن.md)، الماء والمغذيات الكفاءة ([الفصل 8](/المجتمع/المقالات/الفصل الثامن - نظم الاستزراع المائي))، والنظام الغذائي الأمثل للأسماك المائية ([الفصل 13](/المجتمع/المقالات/الجزء الثالث - المنظور من أجل التنمية المستدامة))، ومسببات الأمراض النباتية واستراتيجيات المكافحة ([الفصل 14](/المجتمع/المقالات/الفصل 14 - النبات - الأمراض - و السيطرة - الاستراتيجيات في أكوابونيكش) كلها أولويات عالية.

وباختصار، ينبغي التصدي للتحديات العلمية والتكنولوجية التالية:

1 - Nutrients: كما ناقشنا، فإن الأنظمة التي تستخدم هضم الحمأة تجعل من الممكن تحسين إعادة تدوير النفايات العضوية من الأسماك إلى العناصر الغذائية لنمو النبات، وتسمح هذه التصاميم باستصلاح وإعادة تدوير المغذيات على النحو الأمثل لخلق فقدان المغذيات شبه الصفر من النظام.

2 - Water: يمكن أيضا تحسين إعادة استخدام المياه المستنفدة المغذيات من الدفيئات لإعادة استخدامها مرة أخرى في مكون الأسماك باستخدام المكثفات.

3 - Energy: تعمل التصميمات التي تعمل بالطاقة الشمسية أيضاً على تحسين توفير الطاقة، خاصة إذا كان من الممكن إعادة تدوير المياه المسخنة مسبقاً من السخانات الشمسية في البيوت الزجاجية إلى خزانات الأسماك لإعادة استخدامها.

و القدرة على إعادة تدوير المياه و المغذيات و الطاقة تجعل علم الأحياء المائية حلا فريدا يمكن أن يكون فريدا لعدد من القضايا البيئية التي تواجه الزراعة التقليدية. ويناقش ذلك في [الفصل 2](./2-aquaponics ፦إغلاق الدورة على المياه المحدودة، الأرض والموارد المغذية .md).