5-3 المبادئ العامة

على الرغم من أن تعريف أكوابونيكش لم يتم حله تماما، هناك بعض المبادئ العامة التي ترتبط مع مجموعة واسعة من الأساليب والتكنولوجيات المائية.

إن استخدام المغذيات المضافة إلى النظام المائي بأكبر قدر ممكن من الكفاءة والأمثل لإنتاج منتجين رئيسيين للمؤسسة (أي الكتلة الحيوية للأسماك والنباتات) هو مبدأ أول هام ومشترك يرتبط بالتكنولوجيا (Rakocy and Hargreaves 1993؛ Delaide et al. 2016؛ Knaus and Palm 2017). لا فائدة من إضافة المغذيات (التي تنطوي على تكلفة متأصلة من حيث المال والوقت والقيمة) إلى نظام لمراقبة نسبة عالية من هذه العناصر الغذائية مقسمة إلى عمليات أو متطلبات أو نواتج لا ترتبط مباشرة بالأسماك والنباتات المنتجة، أو أي حياة وسيطة الأشكال التي يمكن أن تساعد على حصول الأسماك والنباتات على المغذيات (أي الكائنات الدقيقة - البكتيريا والفطريات وما إلى ذلك) (لينارد 2017). ولذلك، ربما يكون أهم مبدأ عام يرتبط بالأحياء المائية هو استخدام المغذيات التطبيقية بأكبر قدر ممكن من الكفاءة لتحقيق الإنتاج الأمثل لكل من الأسماك والنباتات.

ويمكن أيضا تطبيق هذه الحجة نفسها على الاحتياجات المائية للنظام المائي المعني؛ ومرة أخرى، ينبغي استخدام المياه المضافة إلى النظام بشكل رئيسي من قبل الأسماك والنباتات واستخدامها بأكبر قدر ممكن من الكفاءة وعدم السماح لها بالتسرب إلى العمليات أو أشكال الحياة أو النتائج التي لا تكون مباشرة المرتبطة بإنتاج الأسماك والنباتات أو قد تؤثر على البيئة المحيطة (لينارد 2017).

من حيث القيمة الحقيقية، يؤدي الاستخدام الفعال للمغذيات والماء إلى العديد من مبادئ التصميم التي يتم تطبيقها على نطاق واسع على طريقة أكوابونك:

1 - وأهم مبدأ في علم الأحياء المائية هو استخدام النفايات التي تنتجها الأسماك كمصدر أساسي للمغذيات للنباتات. في الواقع، هذه هي الفكرة الكاملة من أكوابونيكش وهكذا يجب أن يكون سائق من الدرجة الأولى لهذه الطريقة. تم تصور علم الأحياء المائية تاريخيا كنظام لزراعة النباتات باستخدام نفايات الاستزراع المائي بحيث يكون لنفايات الاستزراع المائي أثر بيئي أقل واعتبرت سلعة إيجابية ومربحة بدلاً من كونها منتج نفايات مزعج مع تكلفة مرتبطة للوفاء بالتشريعات البيئية (راكوسي وهارغريفيس 1993؛ الحب وآخرون. 2015أ، ب).

2 - وينبغي أن يشجع تصميم النظام على استخدام تكنولوجيات حفظ الأسماك وتربية النباتات التي لا تستوعب بطبيعتها موارد المياه أو المغذيات المضافة أو تستغلها بطريقة مدمرة. على سبيل المثال، يتم تثبيط مكونات حفظ الأسماك القائمة على استخدام الأحواض الترابية، لأن البركة الترابية لديها القدرة على استخدام الموارد المائية والمغذيات غير المتاحة للأسماك والنباتات المرتبطة بها، مما يقلل من كفاءة استخدام المياه والمغذيات في النظام. وبالمثل، لا ينبغي لطرق زراعة النباتات المائية استخدام وسائل الإعلام التي تستهلك كميات مفرطة من المغذيات أو الماء وتجعلها غير متاحة للنباتات (لينارد 2017).

3 - ولا ينبغي أن يهدر تصميم النظام المغذيات أو المياه عن طريق إنتاج مجاري النفايات الخارجية. في المقام الأول، إذا تركت المياه والمغذيات النظام عن طريق مجرى النفايات، فإن هذه المياه والمواد المغذية لا تستخدم لإنتاج الأسماك أو النباتات، وبالتالي، يتم إهدار المياه وتلك المغذيات، والنظام ليس بأكبر قدر ممكن من الكفاءة. و بالإضافة إلى ذلك, فإن إنتاج مجاري النفايات يمكن أن يكون له أثر بيئي محتمل. إذا تركت مياه الصرف الصحي والمغذيات النظام المائي، فيجب استخدامها في تكنولوجيات إنتاج نباتات بديلة من الخارج إلى النظام بحيث لا تهدر المياه والمغذيات، وتسهم في الإنتاج الكلي للكتلة الحيوية الصالحة للأكل أو للبيع، ولا تمثل إمكانية أوسع للتأثير البيئي ( تايسون وآخرون 2011).

4 - و ينبغي تصميم النظام بحيث يقلل أو ينفي تماما الأثر البيئي المباشر الناجم عن الماء أو المغذيات. ويتمثل الهدف الأول من علم الأحياء المائية في استخدام النفايات التي تنتجها الأسماك كمصدر للمغذيات للنباتات من أجل إبطال إطلاق تلك المغذيات مباشرة إلى البيئة المحيطة حيث يمكن أن تتسبب في تأثيرات (Tyson et al. 2011).

5 - وينبغي أن تكون تصميمات نظام أكوابونك مناسبة بشكل مثالي لتكون موجودة داخل الهياكل والأوضاع الخاضعة للرقابة البيئية (مثل البيوت البلاستيكية وغرف الأسماك). وهذا يتيح إمكانية تحقيق أفضل معدلات إنتاجية للأسماك والنباتات من النظام. معظم التصاميم المائية مرتفعة نسبيا من حيث التكاليف الرأسمالية والتكاليف المستمرة للإنتاج، وبالتالي، فإن القدرة على إيواء النظام في بيئة مثالية يعزز إمكانات الربح التي تبرر ماليا ارتفاع رأس المال وتكاليف الإنتاج (لينارد 2017).

ترتبط مبادئ التصميم الموضحة أعلاه بشكل مباشر بمجموعة من المبادئ العامة التي غالباً ما يتم تطبيقها، ولكن ليس دائمًا، على بيئة الإنتاج المائي. وتتعلق هذه المبادئ العامة بكيفية عمل النظام وكيفية تقسيم العناصر الغذائية بين النظام وسكانه.

الفرضية الأساسية للأكوابونيات المائية، في سياق ديناميكي للمغذيات، هي أن الأسماك تغذي علف الأسماك، وتقوم باستقلاب واستخدام المغذيات في علف الأسماك، وتطلق نفايات الأسماك على أساس المواد الموجودة في علف الأسماك التي لا تستخدمها (بما في ذلك العناصر)، والوصول إلى تلك النفايات الأيضية للأسماك واستخدامها كميات صغيرة منها، ولكن تحول الباقي، ثم تصل النباتات إلى تلك البكتيريا المحولة وإزالتها، والنفايات الأيضية للأسماك كمصادر للمغذيات، وإلى حد ما، تنظيف الوسط المائي لتلك النفايات والتصدي لأي تراكم مرتبط به (Rakocy وHargreaves 1993؛ Love et al. 2015a، b).

ولأن نظم إنتاج الأسماك القائمة على الأرض تزيل المغذيات نفسها، فإن علم الأحياء المائية يستخدم عادة ما يعرف باسم مبادئ نظام إعادة تدوير الاستزراع المائي (RAS) لعنصر إنتاج الأسماك (Rakocy and Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). يتم حفظ الأسماك في خزانات مصنوعة من مواد لا تزيل المواد المغذية من الماء (البلاستيك، الألياف الزجاجية، الخرسانة، الخ)، ويتم تصفية المياه لمعالجة أو إزالة النفايات الأيضية من الأسماك (المواد الصلبة وغازات الأمونيا الذائبة) ثم يتم توجيه الماء (والمواد المغذية المرتبطة بها) إلى النبات عنصر الاستزراع حيث تستخدم النباتات نفايات الأسماك كجزء من مواردها الغذائية (Timmons et al. 2002). أما بالنسبة للأسماك، فإن مكونات زراعة النباتات القائمة على الأرض لا تستخدم لأن التربة المعنية تزيل المغذيات وقد لا تجعلها بالضرورة متاحة بالكامل للنباتات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تقنيات زراعة النباتات المائية لا تستخدم التربة وهي أنظف من النظم القائمة على التربة وتسمح ببعض السيطرة السلبية على مخاليط الكائنات الحية الدقيقة الموجودة.

تتطلب النباتات المستزرعة في الزراعة المائية التقليدية إضافة ما يعرف باسم الأسمدة المعدنية: المغذيات الموجودة في أشكالها القاعدية والأيونية (مثل النترات والفوسفات والبوتاسيوم والكالسيوم وغيرها كأيونات) (Resh 2013). وعلى العكس من ذلك، يجب أن تطبق نظم الاستزراع المائي المبادلات المائية المنتظمة (اليومية) للسيطرة على تراكم نواتج الأيض في نفايات الأسماك (Timmons et al. 2002). يسعى Aquaponics إلى الجمع بين شركتين منفصلتين لإنتاج نتيجة تحقق أفضل التكنولوجيات اثنين في حين ينفي الأسوأ (Goddek et al. 2015).

تتطلب النباتات مجموعة من العناصر الكلية والصغيرة للنمو الأمثل والفعال. وفي الأحياء المائية، تنشأ غالبية هذه العناصر الغذائية من نفايات الأسماك (Rakocy and Hargreaves 1993؛ Lennard 2017؛ COST FA1305 2017). ومع ذلك، فإن تغذية الأسماك (المصدر الرئيسي لمغذيات النظام المائي) لا تحتوي على جميع العناصر الغذائية اللازمة للنمو الأمثل للنباتات، وبالتالي فإن التغذية الخارجية، بدرجات متفاوتة، مطلوبة.

تضيف الزراعة المائية القياسية وتربية الركيزة المغذيات إلى الماء في أشكال متاحة مباشرة للنباتات (أي الأشكال الأيونية وغير العضوية المنتجة عن طريق إضافات ملحية مصممة) (Resh 2013). وتوجد نسبة من النفايات التي تطلق من الأسماك في أشكال متاحة مباشرة للنباتات (مثل الأمونيا) ولكنها قد تكون سامة للأسماك (Timmons et al. 2002). يتم تحويل هذه الأيض المذاب ونفايات الأسماك الأيونية، مثل الأمونيا، عن طريق الأنواع البكتيرية في كل مكان التي تحل محل أيونات الهيدروجين بأيونات الأكسجين، والمنتج من الأمونيا هو نترات، وهو أقل سمية بكثير للأسماك ومصدر النيتروجين المفضل للنباتات (لينارد 2017). أما العناصر الغذائية الأخرى المناسبة لامتصاص النباتات فهي مقيدة في الجزء الصلب من نفايات الأسماك كمركبات عضوية وتتطلب مزيداً من المعالجة عن طريق التفاعل الميكروبي لجعل العناصر الغذائية متاحة لامتصاص النبات (Goddek et al. 2015). لذلك، تتطلب أنظمة أكوابونك مجموعة من البكتيريا لتكون موجودة لأداء هذه التحولات.

والمفتاح الرئيسي لتحقيق التكامل المائي الأمثل هو تحديد النسبة بين ناتج نفايات الأسماك (كما يتأثر مباشرة بإضافة علف الأسماك) واستخدام المغذيات النباتية (راكوسي وهارغريفيس 1993؛ لينارد وليونارد 2006؛ غودديك وآخرون 2015). وقد و ضعت قواعد و نماذج مختلفة في محاولة لتحديد هذا التوازن. وضعت راكوسي وآخرون (2006) نهجاً يطابق متطلبات منطقة زراعة النبات مع المدخلات اليومية من علف الأسماك، وأطلق عليه اسم «نسبة تغذية أكوابونك». وتتراوح نسبة التغذية بين 60 و100 غرام من علف الأسماك المضافة يوميا، لكل متر مربع من مساحة زراعة النباتات (60-100 جم/مسوب/يوم). تم تطوير نسبة التغذية هذه باستخدام Tilapia spp. الأسماك التي تتناول نظاماً غذائياً تجارياً معيارياً بنسبة 32% من البروتين (Rakocy and Hargreaves 1993). وبالإضافة إلى ذلك، فإن النظام المائي هذه النسبة خاصة (المعروف باسم نظام Aquaponic Aquaponic System جامعة جزر فيرجن) لا يستخدم جزء نفايات الأسماك الصلبة، ويتم تزويده بالنيتروجين ويتطلب في النظام، وإزالة النتريفيكاتيون السلبي للسيطرة على معدل تراكم النيتروجين ( لينارد 2017). وحددت بلدان أخرى نسب بديلة على أساس مجموعات مختلفة من الأسماك والنباتات، تم اختبارها في ظروف محددة مختلفة (على سبيل المثال Endut et al. 2010 - 15-42 g/msup2/sup/day لسمك السلور الأفريقي، Clarias gariepinus ونباتات السبانخ المائية، Ipomoea aquatica).

تم تطوير نسبة تغذية الأشعة فوق البنفسجية من قبل راكوسي وفريقه كنهج تقريبي؛ ومن هنا السبب في أنها ذكرت كنطاق (Rakocy and Hargreaves 1993). تحاول نسبة UVI حساب حقيقة أن النباتات المختلفة تتطلب كميات ومخاليط من المغذيات المختلفة، وبالتالي فإن نهج التصميم المائي «العام» هو احتمال صعب. وضعت لينارد (2017) نهجاً بديلاً يسعى إلى المطابقة المباشرة لمعدلات الإنتاج الفردي للنفايات السمكية من المغذيات (استناداً إلى علف الأسماك المستخدمة وتحويل الأسماك واستخدامها) مع معدلات امتصاص المغذيات النباتية المحددة بحيث تكون نسبة الأسماك إلى النباتات مطابقة لأي يمكن تحقيق الأسماك أو الأنواع النباتية المختارة و إدراجها في تصميم النظام المائي. وهو يطابق نهج التصميم هذا مع نهج إدارة محدد يستخدم أيضا جميع العناصر الغذائية المتاحة في جزء النفايات الصلبة للأسماك (عن طريق إعادة التدوير الهوائي للنفايات الصلبة للأسماك) ويضيف فقط العناصر الغذائية المطلوبة من قبل الأنواع النباتية المختارة للاستزراع المفقود من كسور إنتاج نفايات الأسماك. ولذلك، فإن هذا يقلل بشكل كبير من نسبة معدل التغذية المرتبطة بها (على سبيل المثال أقل من 11 غرام/مسوب/يوم لبعض الأصناف الخضراء الورقية كمعادل للضوء فوق البنفسجي) ويسمح لأي نوع من أنواع الأسماك أن تكون مطابقة بشكل محدد ودقيق لأي نوع من النباتات المختارة (لينارد 2017). وبالمثل، اقترح Goddek et al. (2016) نماذج تسمح بتحديد نسبة المكونات النباتية للأسماك الأكثر صرامة للأنظمة المائية المنفصلة.

المبادئ العامة لاستخدام المغذيات بكفاءة، وانخفاض وكفاءة استخدام المياه، وانخفاض أو نفي الأثر البيئي، والقدرة على الابتعاد عن موارد التربة التقليدية، واستدامة استخدام الموارد هي المبادئ العامة المطبقة على تصميم وتكوين نظام أكوابوني، و ينبغي تشجيع التطبيق داخل الميدان و الصناعة.