1.3 Défis scientifiques et technologiques en aquaponie
Alors que l’aquaponie est considérée comme l’une des technologies clés de production alimentaire qui « pourrait changer nos vies » (van Woensel et al. 2015), en termes de production alimentaire durable et efficace, l’aquaponie peut être rationalisée et devenir encore plus efficace. L’un des principaux problèmes des systèmes aquaponiques conventionnels est que les nutriments contenus dans les effluents produits par les poissons sont différents de la solution nutritive optimale pour les plantes. Les systèmes aquaponiques découplés (DAPS), qui utilisent l’eau du poisson mais ne retournent pas l’eau au poisson après les plantes, peuvent améliorer les conceptions traditionnelles en introduisant des composants de minéralisation et des bioréacteurs de boue contenant des microbes qui convertissent la matière organique en formes biodisponibles de minéraux clés, en particulier le phosphore, le magnésium, le fer, le manganèse et le soufre qui sont déficients dans les effluents typiques du poisson. Contrairement aux composants de minéralisation dans les systèmes à boucle unique, l’effluent du bioréacteur dans le DAPS n’est alimenté que dans le composant de la centrale au lieu d’être dilué dans l’ensemble du système. Ainsi, les systèmes découplés qui utilisent des digesteurs de boues permettent d’optimiser le recyclage des déchets organiques provenant du poisson en tant que nutriments pour la croissance des plantes (Goddek, 2017 ; Goddek et al., 2018). Les déchets de ces systèmes comprennent principalement des boues de poisson (c’est-à-dire des matières fécales et des aliments non consommés qui ne sont pas en solution) et ne peuvent donc pas être livrés directement dans un système hydroponique. Les bioréacteurs (voir [Chap. 10](/community/articles/chapitre-10-traitements aérobiques-et-anaérobiques-pour-réduction et minéralisation des boues aquaponiques) sont donc un élément important qui peut transformer les boues autrement inutilisables en engrais hydroponiques ou réutiliser des déchets organiques tels que les tiges et les racines de la plante composants de production en biogaz pour la production de chaleur et d’électricité ou conceptions DAPS qui assurent également un cycle de l’eau contrôlé indépendamment pour chaque unité, permettant ainsi la séparation des systèmes (RAS, hydroponiques et digesteurs) requis pour le contrôle des flux nutritifs. L’eau se déplace entre les composants d’une boucle de conservation de l’énergie et des éléments nutritifs, de sorte que les charges et les débits d’éléments nutritifs dans chaque sous-système puissent être surveillés et régulés afin de mieux répondre aux besoins en aval. Par exemple, le phosphore (P) est une ressource fossile essentielle mais épuisable qui est exploitée pour l’engrais, mais les réserves mondiales sont actuellement épuisées à un rythme alarmant. L’utilisation de digesteurs dans des systèmes aquaponiques découplés permet aux microbes de convertir le phosphore présent dans les déchets de poisson en orthophosphates qui peuvent être utilisés par les plantes, avec des taux de récupération élevés (Goddek et al. 2016, 2018).
Bien que les systèmes découplés soient très efficaces pour récupérer les éléments nutritifs, avec une perte presque nulle en éléments nutritifs, l’échelle de production dans chacune des unités est importante étant donné que les flux nutritifs d’une partie du système doivent être jumelés au potentiel de production en aval d’autres composants. Les logiciels de modélisation et les systèmes d’acquisition de données SCADAS (Supervisory Control and Data Acquisition) deviennent donc importants pour analyser et rapporter le débit, les dimensions, les bilans massiques et les tolérances de chaque unité, ce qui permet de prédire les paramètres physiques et économiques (p. ex. charges en éléments nutritifs, les appariements des installations, les débits et les coûts pour maintenir des paramètres environnementaux spécifiques). Dans Chap. 11, nous examinerons plus en détail la théorie des systèmes appliquée aux systèmes aquaponiques et montrerons comment la modélisation peut résoudre certains problèmes d’échelle, tandis que des solutions technologiques innovantes peuvent augmenter l’efficacité et, par conséquent, rentabilité de ces systèmes. La mise à l’échelle est importante non seulement pour prédire la viabilité économique, mais aussi pour prédire les extrants de production en fonction des ratios nutritifs disponibles.
Une autre question importante, qui doit être développée plus avant, est l’utilisation et la réutilisation de l’énergie. Les systèmes aquaponiques consomment beaucoup d’énergie et d’infrastructure. Selon le rayonnement solaire reçu, l’utilisation du photovoltaïque solaire, des sources de chaleur solaire thermique et du dessalement (solaire) peut encore ne pas être économiquement réalisable, mais pourraient tous être potentiellement intégrés dans des systèmes aquaponiques. Dans [Chap. 1, nous présentons des informations sur les possibilités techniques et opérationnelles novatrices qui ont la capacité de surmonter les limites inhérentes à ces systèmes, y compris de nouvelles possibilités intéressantes pour la mise en œuvre de systèmes aquaponiques dans les zones arides.
Dans Chap. 2, nous discutons aussi plus en détail de l’éventail des défis environnementaux que l’aquaponie peut aider à résoudre. Le contrôle des agents pathogènes, par exemple, est très important, et les systèmes RAS confinés présentent un certain nombre d’avantages environnementaux pour la production de poissons, et l’un des avantages des systèmes aquaponiques découplés est la capacité de faire circuler l’eau entre les composants et d’utiliser des contrôles indépendants dans lesquels il est plus facile de détecter, isoler et décontaminer les unités individuelles lorsqu’il existe des menaces d’agents pathogènes. Les probiotiques bénéfiques pour la pisciculture semblent également bénéfiques pour la production végétale et peuvent augmenter l’efficacité de la production lorsqu’ils circulent dans un système fermé (Sirakov et al., 2016). Ces défis sont examinés plus en détail dans [Chap. 5](/community/articles/part-ii-specific aquaponics-technology), où nous discutons plus en détail de la façon dont l’innovation en aquaponie peut entraîner a) une utilisation plus efficace de l’espace (moins de coûts et de matériaux, maximiser l’utilisation des terres) ; b) une réduction des ressources en intrants, par exemple la farine de poisson et la réduction des extrants négatifs, par exemple les rejets de déchets ; c) la réduction de l’utilisation d’antibiotiques et de pesticides dans les systèmes autonomes.
Il y a encore plusieurs domaines aquatiques qui nécessitent des recherches plus poussées afin d’exploiter pleinement le potentiel de ces systèmes. D’un point de vue scientifique, des sujets tels que le cyclage de l’azote (Chap. 9), la reminéralisation aérobie et anaérobie ([Chap. 10](./10-traitements-aérobique-et-anaérobique-pour-réduction des boues aquaponiques-et-minéralisation-aquaponice-aquaponiques-et-minéralisation-eau. md)), et éléments nutritifs l’efficacité (Chap. 8), l’optimisation de l’alimentation des poissons aquaponiques ([Chap. 13](/community/articles/part-iii-perspective-for sustainable development)) et les agents pathogènes végétaux et les stratégies de lutte ([Chap. 14](/community/articles/chapter-14-plant-pathot-pathot-14-plant-pathot-gens-et-contrôle- stratégies en aquaponie)) sont toutes des priorités élevées.
En résumé, les défis scientifiques et technologiques suivants doivent être abordés :
Nutrients : Comme nous l’avons discuté, les systèmes utilisant des digesteurs de boues permettent d’optimiser le recyclage des déchets organiques du poisson en nutriments pour la croissance des plantes, de telles conceptions permettent une récupération et un recyclage optimisés des nutriments pour créer une perte presque nulle de nutriments dans le système.
Eau : La réutilisation de l’eau appauvrie en nutriments provenant des serres peut également être optimisée pour la réutilisation dans la composante poisson à l’aide de condenseurs.
Energie : Les conceptions à énergie solaire améliorent également les économies d’énergie, en particulier si l’eau préchauffée des chauffeurs solaires dans les serres peut être redistribuée dans les bassins à poissons pour être réutilisée.
La capacité de recycler l’eau, les nutriments et l’énergie fait de l’aquaponie une solution potentiellement unique à un certain nombre de problèmes environnementaux auxquels l’agriculture conventionnelle est confrontée. Ceci est discuté dans [Chap. 2](./2-aquaponiques ፦ferme-le-cycle-sur-l’eau limitée, -ressources terrestres et nutritives .md).