5.5 متطلبات جودة المياه

تمثل أكوابونيكش جهدا للسيطرة على نوعية المياه بحيث يتم استنساخ جميع أشكال الحياة الحالية (الأسماك والنباتات والميكروبات) في أقرب ما يمكن من ظروف كيمياء المياه المثالية (Goddek et al. 2015). إذا كان يمكن مطابقة كيمياء المياه مع متطلبات هذه المجموعات الثلاث من أشكال الحياة الهامة، فإن الكفاءة وتحسين النمو والصحة للجميع قد يطمح إليها (لينارد 2017).

التحسين مهم للإنتاج المائي التجاري لأنه فقط من خلال التحسين يمكن تحقيق النجاح التجاري (أي الربحية المالية). ولذلك، فإن كيمياء المياه ومتطلبات جودة المياه داخل النظام المائي هي محورية لتحقيق النجاح التجاري والاقتصادي النهائي للمؤسسة (Goddek et al. 2015).

و هناك حاليا خلاف داخل قطاع صناعة و مجتمع الأحياء المائية الأوسع نطاقا فيما يتعلق بما يمثل نوعية جيدة أو مقبولة لل مياه داخل النظم المائية. ويبدو أن من المقبول عالميا أن متطلبات كيمياء المياه الطبيعية للحياة الفردية تشكل مجموعات فرعية (الأسماك والنباتات والميكروبات) متفق عليها على نطاق واسع (Rakocy وHargreaves 1993؛ Rakocy et al. 2006؛ Goddek et al. 2015؛ Delaide et al. 2016؛ Lennard 2017). ومع ذلك، يبدو أن وجود مجموعة واسعة من النهج والأساليب والخيارات التكنولوجية التي تسمى الأحياء المائية وخلفية أو تاريخ التكنولوجيات القائمة بذاتها المرتبطة بنظم إعادة تدوير الاستزراع المائي (RAS) واستزراع النباتات المائية (بما في ذلك زراعة الركيزة) يؤدي إلى الخلافات بين المشغلين والعلماء والمصممين. على سبيل المثال، مع أخذ واحد فقط من بارامترات كيمياء المياه في الاعتبار، وهو الرقم الهيدروجيني، يجادل البعض بأن متطلبات الأس الهيدروجيني للنباتات المستزرعة المائية تختلف كثيراً عن متطلبات الأس الهيدروجيني لأنواع أسماك المياه العذبة المستزرعة (Suhl et al. 2016). تطبق الصناعة المائية بشكل عام إعدادات الأس الهيدروجيني بين 4.5 و 6.0 للاستزراع النباتي القائم على المياه (Resh 2013)، في حين أن صناعة RAS تطبق عادة إعدادات الأس الهيدروجيني بين 7.0 و 8.0 (Timmons et al. 2002) لتلبية متطلبات الأسماك والميكروبات الموجودة (التي تؤدي مهمة تحولات نواتج نواتج نفايات الأسماك المحتملة السمية إلى أشكال أقل سمية). وبالتالي، فإن الحجة هي أن أي نقطة لتحديد الأس الهيدروجيني هي حل وسط بين متطلبات النباتات والأسماك والميكروبات وبالتالي فإن درجة الحموضة المثلى لجميع أشكال الحياة غير قابلة للتحقيق مما يؤدي إلى إنتاج النبات دون المستوى الأمثل (Suhl et al. 2016). غير أن آخرين يجادلون بأن التدقيق الدقيق في تعقيدات ديناميات المغذيات في امتصاص المغذيات النباتية قد يوضح رأيا مختلفا (لينارد 2017).

تغذي الأنظمة المائية (وتربية الركيزة) المغذيات للنباتات في أشكالها القاعدية والأيونية بإضافة أملاح المغذيات إلى الماء التي تنفصل لإطلاق أيونات المغذيات المتاحة (Resh 2013). وقد أظهرت البحوث أن هذه الأشكال من المغذيات الأيونية موجودة في نافذة من توافر النبات، استنادا إلى الرقم الهيدروجيني للمياه المتاحة في النظام. لذلك، في السياق المائي القياسي، مع عدم وجود نباتات ميكروبية موجودة (أي معقمة - كما هي معظم الأنظمة المائية)، من المهم ضبط درجة الحموضة لمياه النظام إلى مستوى يجعل خليط المغذيات الأيونية التي يحتاجها النبات متاحًا قدر الإمكان (Resh 2013). وفي إطار أي نظام مائي، فإن هذا هو حل وسط في حد ذاته، لأنه كما يوضح أي مخطط لتوافر المغذيات الأيونية (انظر الشكل 5.4)، فإن أشكال المغذيات الأيونية المختلفة هي الأكثر توافراً في المواد الغذائية المختلفة (Resh 2013). هذا هو الارتباط القياسي لتوافر المغذيات الأيونية الذي تستخدمه الصناعة المائية كبرايمر لنقاط تحديد الأس الهيدروجيني ويشرح لماذا درجة الحموضة التشغيلية الهيدروبونية المطلوبة في مكان ما بين 4.5 و 6.0 (بيئة حمضية) في أنظمة الاستزراع المائي والركيزة المعقمة.

وبدلاً من ذلك، يطبق RAS نقطة تحديد درجة الحموضة في الماء بناءً على ما هو طبيعي للأسماك التي يتم استزارتها والميكروبات التي تعالج وتحول منتجات النفايات السمكية

** الشكل 5.4** مثال على الرسم البياني القياسي للدرجة الحموضة، وتوافر المغذيات للنباتات المستزرعة المائية. يمثل الخط الأحمر درجة حموضة تشغيلية عادية لنظام مائي؛ الخط الأزرق الذي بالنسبة لنظام أكوابونك

(تيمونز وآخرون 2002؛ غودديك وآخرون 2015؛ سوهل وآخرون 2016). في بيئات المياه العذبة الطبيعية، تتطلب معظم أنواع الأسماك درجة حموضة بيئية (أي درجة الحموضة في الماء) تتطابق بشكل وثيق مع الرقم الهيدروجيني الداخلي للأسماك، والتي غالبا ما تكون قريبة من الرقم الهيدروجيني البالغ 7.4 (لينارد 2017). وبالإضافة إلى ذلك، فإن الميكروبات الرئيسية المرتبطة بالتحول المستقلب المذاب في زراعة RAS (بكتيريا النترجة من عدة أنواع) تتطلب أيضا درجة حموضة حوالي 7.5 من أجل التحول الأمثل للأمونيا إلى نترات (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). لذلك، يقوم مشغلو RAS بتطبيق نقطة تعيين الرقم الهيدروجيني تبلغ حوالي 7.5 على استزراع أسماك المياه العذبة RAS

هناك فرق واضح بين الرقم الهيدروجيني البالغ 5.5 (متوسط الاستزراع النباتي المعياري والمعقم والمائي) ودرجة الحموضة 7.5 (وهو معيار متوسط لاستزراع أسماك RAS). لذلك، يقال بشكل عام إن الرقم الهيدروجيني يمثل أحد أكبر الحلول التوفيقية لجودة المياه الموجودة في العلوم المائية (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). وكثيرا ما يستشهد دعاة التصاميم المائية المنفصلة بهذا الاختلاف في متطلبات الأس الهيدروجيني المثلى كحجة لنهج التصميم المنفصل، مشيرين إلى أن تصاميم إعادة الدوران بالكامل يجب أن تجد حلا وسطا للدرجة الحموضة عندما يكون للتصاميم المنفصلة ترف تطبيق نقاط مختلفة لقياس درجة الحموضة المائية على الأسماك والنبات المكونات (Suhl وآخرون. 2016؛ Goddek وآخرون. 2016). ومع ذلك، فإن ما تتجاهله هذه الحجة هو أن الأنظمة المائية، على عكس الأنظمة المائية، ليست عقيمة وتستخدم تقنيات مائية إيكولوجية تشجع مجموعة متنوعة من الكائنات الدقيقة على التواجد داخل النظام المائي (Eck 2017; Lennard 2017). وهذا يؤدي إلى مجموعة واسعة من الميكروبات الحالية، وكثير منها تشكل ارتباطات معقدة ومعقدة مع النباتات، وخاصة جذور النباتات، داخل نظام أكوابوني (لينارد 2017). ومن المعروف جيدا والراسخ في علم وظائف الأعضاء النباتية أن العديد من الميكروبات، المرتبطة وسط التربة والمصفوفة، ترتبط ارتباطا وثيقا بالجذور النباتية، وأن العديد من هذه الميكروبات تساعد النباتات على الوصول إلى المغذيات الحيوية وامتصاصها (Vimal et al. 2017). ومن المعروف أيضا أن بعض هذه الميكروبات تنتج جزيئات عضوية تساعد بشكل مباشر على نمو النبات، وتساعد على تطوير مناعة النبات وتساعد على التنافس على مسببات الأمراض النباتية (وخاصة الجذر) (فيمال وآخرون 2017؛ Srivastava et al. 2017). في جوهرها، تساعد هذه الميكروبات النباتات بطرق عديدة لا توجد ببساطة في البيئة المعقمة المطبقة في الثقافة المائية القياسية.

ومع وجود هذه الميكروبات المتنوعة، تحصل النباتات على المغذيات بطرق عديدة غير ممكنة في النظم التي تعتمد على إعدادات الأس الهيدروجيني المائية وحدها لتمكين الوصول إلى المغذيات النباتية (مثل الزراعة المائية القياسية وتربية الركيزة). تعمل العديد من هذه الميكروبات بمستويات عالية من الأس الهيدروجيني، تمامًا مثل الميكروبات الأخرى القائمة على التربة، مثل بكتيريا النتريتشات (الرقم الهيدروجيني 6.5-8.0، Timmons et al. 2002). لذلك، مع وجود هذه الميكروبات في الأنظمة المائية، يمكن رفع نقطة تحديد الأس الهيدروجيني فوق ما يتم تطبيقه عادة في تقنيات الاستزراع المائي أو الركيزة (أي الأس الهيدروجيني من 4.5-6.0) في حين لا يزال نمو النبات المتقدم والفعال موجودًا (لينارد 2017). ويتجلى ذلك في عمل العديد من الباحثين المائية الذين أظهروا معدلات نمو النباتات في الأحياء المائية أفضل مما كانت عليه في الزراعة المائية القياسية (نيكولز ولينارد 2010).

و تتعلق المتطلبات الأخرى لنوعية المياه في النظم المائية بالبارامترات الفيزيائية/الكيميائية, و بصورة أكثر تحديدا بارامترات الاحتياجات من المغذيات النباتية. ومن حيث المتطلبات الفيزيائية/الكيميائية، تتقاسم النباتات والأسماك والميكروبات العديد من القواسم المشتركة. الأكسجين المذاب حيوي للأسماك والجذور النباتية والميكروفلورا ويجب الحفاظ عليه في النظم المائية (Rakocy and Hargreaves 1993؛ Rakocy et al. 2006). وتتطلب جذور النباتات والميكروفلورا عموماً تركيزات أقل نسبياً من معظم الأسماك؛ ويمكن للجذور النباتية والميكروبات البقاء على قيد الحياة بأقل من 3 ملغم/لتر (Goto et al. 1996)، في حين أن معظم الأسماك تتطلب أكثر من 5 ملغم/لتر (Timmons et al. 2002). لذلك، إذا تم تعيين تركيز DO داخل النظام المائي والحفاظ عليه لتلبية متطلبات الأسماك، يتم أيضا تلبية متطلبات النبات والميكروب (لينارد 2017). وتتطلب الأنواع المختلفة من الأسماك تركيزات مختلفة من المنجم الطبيعي: فأسماك المياه الدافئة (مثل Tilapia spp., barramundi) يمكن أن تتحمل عموما تركيزات أقل من أنواع أسماك المياه الباردة (مثل السلمون مثل سمك السلمون المرقط قوس قزح وشار القطب الشمالي)؛ لأن متطلبات الأسماك DO تكون دائما أكبر من النبات الجذور ومتطلبات microfloral، يجب تعيين DO لأنواع الأسماك المحددة التي يتم استزراع (لينارد 2017).

أما تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الماء (COSUB2/sub)، مثل تركيزات DO، فعادة ما تحددها الأسماك لأن جذور النباتات والميكروبات يمكن أن تتحمل تركيزات أعلى من تركيزات الأسماك. وتكتسي تركيزات ثاني أكسيد الكربون أهمية لصحة الأسماك ونموها على النحو الأمثل، وغالباً ما يتم تجاهلها في التصاميم المائية المائية. وينبغي أن تكون البارامترات والنقاط المحددة لتركيزات COSUB2/الفرعية هي نفسها بالنسبة لنفس أنواع الأسماك المستزرعة في الأسماك فقط، وينبغي أن تظل نظم RAS وبصورة عامة أقل من 20 ملغم/لتر (Masser et al. 1992).

درجة حرارة الماء مهمة لجميع أشكال الحياة الحالية داخل نظام أكوابونك. يجب مطابقة الأنواع السمكية والنباتية قدر الإمكان لمتطلبات درجة حرارة الماء (على سبيل المثال Tilapia spp. من الأسماك مثل 25 درجة مئوية زائد، والنباتات مثل الريحان تزدهر في هذه الحرارة العالية نسبيا للمياه؛ أصناف الخس مثل المياه الباردة، وبالتالي، فإن مرشح الأسماك أفضل مطابقة هو قوس قزح سمك السلمون المرقط) (لينارد 2017). ومع ذلك، كما هو الحال بالنسبة للبارامترات الفيزيائية والكيميائية الأخرى للمياه، فإن تلبية متطلبات الأسماك لدرجة حرارة الماء أمر بالغ الأهمية لأن الميكروبات لديها القدرة على الخضوع لاختيار الأنواع المحددة بناءً على الظروف المحيطة (على سبيل المثال، يحدث تمايز الأنواع البكتيرية في مختلف أنواع النباتات ودرجات حرارة المياه والأنواع التي تطابق أفضل لدرجة حرارة الماء معينة تهيمن على الكتلة الحيوية البكتيرية للنظام) والعديد من النباتات يمكن أن تنمو بشكل جيد للغاية في نطاق أوسع من درجات حرارة المياه (لينارد 2017). مطابقة درجة حرارة الماء، والحفاظ عليه داخل زائد أو ناقص 2 درجة مئوية (أي التحكم في درجة الحرارة عالية) إلى الأسماك، هو شرط مهم في أكوابونيكش لأنه عندما تكون درجة حرارة الماء صحيحة ولا تحيد عن المتوسط المثالي، فإن الأسماك تحقق الأيض الفعال والمحسّن وتناول الأعلاف وتحويلها بكفاءة، مما يؤدي إلى تحسين معدلات نمو الأسماك وإطلاقات حمولة النفايات مستقرة ويمكن التنبؤ بها، مما يساعد على استزراع النباتات (Timmons et al. 2002).

الحفاظ على وضوح المياه (التعكر المنخفض) هو معلمة هامة أخرى في الثقافة المائية (Rakocy et al. 2006). ويعزى معظم تعكر المياه إلى حمولة المواد الصلبة المعلقة التي لم يتم تصفيتها بشكل كاف، وقد تؤثر هذه المواد الصلبة على الأسماك بالتمسك بخياشيمها، مما قد يقلل من معدلات نقل الأكسجين ومعدلات إطلاق الأمونيا المحتملة (Timmons et al. 2002). ويوصى بحمولة المواد الصلبة المعلقة أقل من 30 ملغم/لتر للأسماك المستزرعة المائية (Masser et al. 1992؛ Timmons et al. 2002). كما تؤثر حمولات المواد الصلبة العالية العالقة على جذور النباتات لأن لديها القدرة على التمسك بالجذور التي قد تسبب عدم كفاءة امتصاص المغذيات، ولكنها توفر بشكل أكثر شيوعاً إمكانية متزايدة لاستعمار الكائنات المسببة للأمراض، الأمر الذي يؤدي إلى سوء صحة الجذور ووفاة النبات في نهاية المطاف (Rakocy et al. 2006). وتشجع هذه المواد الصلبة المعلقة أيضا على انتشار البكتيريا غير الغذائية (الأنواع التي تتحطم وتستقلب الكربون العضوي) التي، إذا سمح لها بالهيمنة على النظم، قد تتنافس على الأنواع الأخرى المطلوبة، مثل بكتيريا النيتريكيشن.

الموصلية الكهربائية (EC) هي مقياس غالبا ما يطبق في الزراعة المائية لفهم كمية المغذيات الكلية الموجودة في الماء. غير أنه لا يستطيع تقديم معلومات عن مزيج المغذيات، أو وجود أو عدم وجود أنواع من المغذيات الفردية، أو كمية كل نوع من أنواع المغذيات الموجودة (Resh 2013). لا يتم تطبيقه في كثير من الأحيان في أكوابونيكش لأنه يقيس فقط وجود أشكال المغذيات الأيونية (المشحونة)، وقد قيل إن أكوابونيكش هو طريقة إمدادات المغذيات العضوية، وبالتالي فإن المفوضية الأوروبية ليست تدبيراً ذا صلة (هالام 2017). ومع ذلك، فإن النباتات لا تصدر إلا الأشكال الأيونية للمغذيات، وبالتالي، يمكن استخدام EC كأداة عامة أو دليل لكمية المغذيات المتاحة للنباتات في نظام أكوابوني (لينارد 2017).

بالنسبة للأنظمة المائية إعادة تدوير كاملة، من حيث المعلمات الفيزيائية والكيميائية، فإن الأسماك هي أكثر صرامة في متطلباتها، وبالتالي، إذا تم إدارة الأنظمة للحفاظ على متطلبات الأسماك، فإن النباتات والميكروبات لديها متطلباتها أكثر من راض (لينارد 2017). ومع ذلك، فإن الفرق عندما يتعلق الأمر بالنباتات هو حاجتها إلى وجود الخليط الصحيح وقوة العناصر الغذائية للسماح بالوصول الأمثل إلى المغذيات وامتصاصها (سواء كانت قائمة بذاتها أو بمساعدة الميكروبية) مما يؤدي إلى نمو فعال وسريع. ولذلك قد تكون الأنظمة المائية المنفصلة أكثر جاذبية بسبب التصور بأنها تسمح بتسليم المغذيات بشكل أكثر صرامة إلى النباتات (Goddek et al. 2016). ولا تحتوي علف الأسماك وبالتالي نفايات الأسماك على الخليط الصحيح من المغذيات لتلبية متطلبات النبات (Rakocy et al. 2006). ولذلك، فإن تصميم نظام أكوابونك يجب أن يفسر تلك العناصر الغذائية المفقودة وتكملها. عادة ما تكمل النظم المائية المعاد تدويرها بالكامل المغذيات عن طريق إضافتها إلى أنواع الملح المستخدمة لإدارة نظام التخزين المؤقت اليومي للدرجة الحموضة؛ ويضبط الجزء الأساسي من الملح درجة الحموضة ويتيح الجزء الإيجابي من الملح إضافة المغذيات النباتية المفقودة (مثل البوتاسيوم والكالسيوم المغنيسيوم) (راكوسي وآخرون 2006). تأخذ التصاميم المائية المنفصلة مياه الصرف والنفايات الصلبة المرتبطة بها من مكون الأسماك وتعدل المياه لاحتواء العناصر الغذائية اللازمة لإنتاج النبات بإضافة العناصر الغذائية في أشكال مختلفة (Goddek et al. 2016). وتستند هذه الإضافات من المغذيات بشكل عام إلى استخدام أنواع الملح المائي المعيارية التي لا توفر بالضرورة أي نتيجة لتعديل الأس الهيدروجيني (مثل فوسفات الكالسيوم وكبريتات الكالسيوم وفوسفات البوتاسيوم وما إلى ذلك).

الطريق إلى نمو النبات الفعال في النظم المائية هو توفير لمحة عن المغذيات المائية التي توفر جميع العناصر الغذائية التي يحتاجها النبات (خليط) في نقاط القوة المطلوبة (التركيز) (لينارد 2017). في التصميمات المائية المعاد تدويرها بالكامل، أو التصميمات المائية المنفصلة التي لا تطبق طرق التعقيم، يبدو أن هناك حاجة أقل لتلبية تركيزات المغذيات أو نقاط القوة المطبقة في الزراعة المائية القياسية، لأن الطبيعة الإيكولوجية للنظام تربط بين العديد من المتنوعين البكتيريا مع جذور النباتات وهذه البكتيريا تساعد على الوصول إلى المغذيات النباتية (لينارد 2017). بالنسبة للتصاميم المائية المفصولة أو غيرها من التصميمات المائية التي تطبق التعقيم على المكون النباتي وتتبع النهج التناظري المائي القياسي، يبدو أن هناك حاجة لمحاولة الاقتراب من تركيزات المغذيات المائية القياسية (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). ومع ذلك، فإن الحل الوسط مع النهج المنفصل هو أنه يؤدي إلى نسب مكملات خارجية تتجاوز بكثير تلك الخاصة بالتصميمات المائية المعاد تداولها بالكامل؛ ويبلغ متوسط التصميمات الأوروبية المفصولة حاليا 50٪ أو أكثر من الإضافات الخارجية للمغذيات (COST FA1305 2017؛ Goddek و Keesman 2018)، في حين أن UVI أقل من 20%، وقد توفر أنظمة أخرى أقل من 10% مكملات غذائية خارجية (لينارد 2017).

بغض النظر عن الطريقة، يجب على جميع الأنظمة المائية أن تسعى جاهدة لتزويد النباتات بالتغذية اللازمة للنمو الأمثل وذلك لتزويد المؤسسة بأكبر فرصة للبقاء المالي. وفي هذا السياق، فإن المحتوى المغذي والقوة للمياه التي يتم تسليمها إلى النباتات مهم للغاية، وينبغي استخدام اختبار المغذيات المنتظم للمياه بحيث يمكن الحفاظ على خليط المغذيات وقوتها وإدارتها كشرط هام جدا لجودة المياه.