12.6 Technologie Biofloc (BFT) appliquée pour l'aquaponie
12.6.1 Introduction
La technologie Biofloc (BFT) est considérée comme la nouvelle « révolution bleue » en aquaculture (Stokstad 2010), car les nutriments peuvent être continuellement recyclés et réutilisés dans le milieu de culture, bénéficiant de la production de micro-organismes in situ et de l’échange d’eau minimal ou nul (Avnimelech 2015). Ces approches pourraient faire face à de graves difficultés dans le secteur, comme la concurrence pour les terres et l’eau et les effluents rejetés dans l’environnement qui contiennent des excès de matière organique, de composés azotés et d’autres métabolites toxiques.
BFT a été développé pour la première fois au début des années 1970 par l’équipe Aquacop de l’Ifremer-COP (Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer, Centre océanique du Pacifique) avec différentes espèces de crevettes pénaeïdes, dont Litopenaeus vannamei, L. stylirostris et Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011).). Au cours de la même période, Ralston Purina (une société privée américaine), dans le cadre d’Aquacop, a appliqué la technologie à Crystal River (États-Unis) et à Tahiti, ce qui a permis de mieux comprendre les avantages du biofloc pour la culture de crevettes. Plusieurs autres études ont permis une approche globale du BFT et ont étudié les relations entre l’eau, les animaux et les bactéries, comparant le BFT à un « rumen externe », mais maintenant appliqué aux crevettes. Dans les années 1980 et au début des années 1990, Israël et les États-Unis (Waddell Mariculture Center) ont lancé des activités de R & D à BFT avec Tilapia et la crevette blanche du Pacifique L. vannamei, respectivement, dans lesquelles les préoccupations environnementales, la limitation de l’eau et le coût des terres étaient les principaux agents responsables de la recherche ( Emerenciano et al. 2013).
Fig. 12.5 Technologie biofloc (BFT) appliquée à la culture de crevettes marines au Brésil (a) et à la culture de tilapia au Mexique (b) (Source : EMA-FURG, Brésil et Maurício G. C. Emerenciano)
Les premières opérations commerciales BFT et probablement les plus célèbres ont commencé dans les années 1980 à la ferme « Sopomer » de Tahiti, en Polynésie française, et au début des années 2000 à la ferme Belize Aquaculture (BAL), située au Belize, en Amérique centrale. Les rendements obtenus à l’aide de cuves en béton de 1000 msup2/sup et d’étangs de grossissement bordés de 1,6 ha étaient d’environ 20—25 tonnes/ha/an, avec deux cultures à Sopomer et 11—26 tonnes/ha/ cycle à BAL, respectivement. Plus récemment, BFT a été développé avec succès dans l’élevage de crevettes à grande échelle en Asie, en Amérique du Sud et centrale ainsi que dans des serres à petite échelle aux États-Unis, en Europe et dans d’autres régions. Au moins en une phase (par exemple en phase de pépinière), le BFT a été utilisé avec beaucoup de succès au Mexique, au Brésil, en Équateur et au Pérou. Pour la culture de Tilapia à l’échelle commerciale, les fermes du Mexique, de Colombie et d’Israël utilisent BFT avec des productions d’environ 7 à 30 kg/msup3/sup (Avnimelech 2015) (fig. 12.5b). De plus, cette technologie a été utilisée (par exemple au Brésil et en Colombie) pour produire des juvéniles de tilapia ( \ ~30 g) pour d’autres stocks dans des cages ou des étangs de terre (Durigon et al., 2017). Le BFT a principalement été appliqué à la culture de crevettes et, dans une certaine mesure, au tilapia. D’autres espèces ont été testées et sont prometteuses, comme on l’a noté pour le poisson-chat argenté (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), la carpe (Zhao et al., 2014), le piracanjuba (Bryçon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), le cachama (Colossoma macropomum) (Poleo et al., 2011) et d’autres espèces de crustacés comme Macrobrachium rosenbergii (Crab et al., 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Emerenciano et al., 2012), F. paulensis (Ballester et al., 2010), Penaeus semisulcatus (Megahed, 2010), L. stylirostris (Emerenciano et al., 2011) et P. monodon (Arnold et coll., 2006). L’intérêt pour le BFT est manifeste par le nombre croissant d’universités et de centres de recherche qui effectuent des recherches, en particulier dans les domaines clés de la gestion du grossissement, de la nutrition, de la reproduction, de l’écologie microbienne, de la biotechnologie et de l’économie.
12.6.2 Comment fonctionne BFT ?
Les micro-organismes jouent un rôle clé dans les systèmes BFT (Martinez-Cordoba et al. 2015). Le maintien de la qualité de l’eau, principalement par le contrôle de la communauté bactérienne sur les micro-organismes autotrophes, est réalisé en utilisant un rapport carbone/azote élevé (C:N) puisque les sous-produits azotés peuvent être facilement absorbés par des bactéries hétérotrophes. Au début des cycles de culture, un rapport carbone/azote élevé est nécessaire pour garantir une croissance optimale des bactéries hétérotrophes, utilisant cette énergie pour son maintien et sa croissance (Avnimelech 2015). En outre, d’autres groupes de micro-organismes sont cruciaux dans les systèmes BFT. La communauté bactérienne chimioautotrophique (c’est-à-dire les bactéries nitrifiantes) se stabilise après environ 20 à 40 jours et pourrait être responsable des deux tiers de l’assimilation de l’ammoniac dans le système (Emerenciano et al., 2017). Ainsi, l’ajout de carbone externe devrait être réduit et l’alcalinité consommée par les micro-organismes doit être remplacée par différentes sources de carbonate/bicarbonate (Furtado et al., 2011). La stabilité de l’échange d’eau nul ou minimal dépend de l’interaction dynamique entre les communautés de bactéries, de microalgues, de champignons, de protozoaires, de nématodes, de rotifères, etc. qui se produira naturellement (MartinezCordoba et al., 2017). Les agrégats (bioflocs) sont une source naturelle riche en protéine-lipides qui devient disponible 24 heures par jour en raison d’une interaction complexe entre la matière organique, le substrat physique et un large éventail de micro-organismes (Kuhn et Boardman 2008 ; Ray et al. 2010). La productivité naturelle sous forme de production de microorganismes joue trois rôles majeurs dans les réservoirs, les chemins de roulement ou les étangs bordés : (1) dans le maintien de la qualité de l’eau, par l’absorption de composés azotés produisant des protéines microbiennes in situ ; (2) dans la nutrition, en augmentant la faisabilité de la culture en réduisant les aliments pour animaux des taux de conversion et une diminution des coûts des aliments pour animaux ; et (3) en concurrence avec des agents pathogènes (Emerenciano et al., 2013).
En ce qui concerne la qualité de l’eau pour les organismes de culture, outre l’oxygène, l’excès de matière organique particulaire et les composés azotés toxiques sont la principale préoccupation dans les systèmes biofloc. Dans ce contexte, il existe trois voies pour l’élimination de l’azote ammoniaque : à un taux moindre (1) l’élimination photoautotrophique par les algues et à un taux plus élevé (2) la conversion bactérienne hétérotrophe de l’azote ammoniac directement en biomasse microbienne et (3) la conversion bactérienne autotrophique de l’ammoniac en nitrate ( MartinezCordoba et al. 2015). Le nitrate disponible dans les systèmes ainsi que d’autres nutriments mineurs et importants accumulés au cours du cycle pourraient servir de substrat pour la croissance des plantes dans les systèmes aquaponiques (Pinho et al., 2017).
12.6.3 BFT dans Aquaponics
L’application du BFT dans les systèmes aquaponiques est relativement nouvelle, bien que Rakocy (2012) mentionne un projet pilote à l’échelle commerciale avec le tilapia. Le tableau 12.2 résume les principales études récentes qui ont utilisé le BFT dans les systèmes aquaponiques.
Dans l’ensemble, les résultats démontrent que la technologie biofloc peut être utilisée et intégrée dans une production de poissons ou de crevettes. Par rapport à d’autres systèmes aquacoles conventionnels (comme le RAS), le BFT a en fait amélioré les rendements des plantes et des poissons et a favorisé une meilleure qualité visuelle des plantes (Pinho et al., 2017), mais pas dans tous les cas (Rahman, 2010 ; Pinho, 2018). Pinho et al. (2017) ont observé que les rendements de laitue avec le système BFT étaient plus élevés que ceux du système de recirculation à eau claire (figure 12.6). Cela est peut-être dû à la disponibilité plus élevée des éléments nutritifs fournie par le
Tableau 12.2 Études récentes dans le monde entier appliquant le BFT dans les systèmes aquaponiques pour différentes espèces aquatiques et végétales
table thead tr class=“en-tête » Espèce aquatique/e e Espèces végétales /th e Principaux résultats /th e Références /th /tr /thead tbody tr class=“impair » TDtilapia/TD td Laitue /td td La technologie Biofloc n’a pas amélioré la production de laitue par rapport à la solution hydroponique conventionnelle /td td Rahman (2010) /td /tr tr class=“même » TDtilapia/TD td Laitue /td td Le rendement et la qualité visuelle de la laitue ont été améliorés à l’aide du BFT par rapport au système de recirculation à eau claire. /td td Pinho et coll. (2017) /td /tr tr class=“impair » TDtilapia (pépinière) /td td Laitue /td td Le rendement de la plante (laitue) utilisant Tilapia en pépinière (1—30 g) a été influencé négativement par les eaux usées biofloques comparativement aux eaux usées RAS après deux cycles de la centrale (13 jours chacun). Les aspects visuels de la plante étaient meilleurs dans le RAS que dans le BFT /td td Pinho (2018) /td /tr tr class=“même » TDtilapia/TD td Laitue /td td La présence d’éléments filtrants (filtre mécanique et filtre biologique) a affecté positivement la production de laitue dans les systèmes aquaponiques par rapport au traitement sans filtres utilisant BFT /td td Barbosa (2017) /td /tr tr class=“impair » TDtilapia/TD td Laitue /td td Une faible salinité (3 ppt) peut être réalisée en aquaponie en utilisant BFT. Les paramètres visuels et de performance indiquent que la variété pourpre a une meilleure performance que les variétés lisses et croustillantes /td td Lenz et coll. (2017) /td /tr tr class=“même » TDSilver Poisson/td td Laitue /td td L’utilisation de bioflocs dans le système aquaponique peut améliorer la productivité de la laitue dans une culture intégrée avec le poisson-chat argenté /td td Rocha et coll. (2017) /td /tr tr class=“impair » TDilitopenaeus vannamei/i/td td IsarcoCornia ambigua/i /td td La performance de l’ishrimp marine L. vannamei/i n’a pas été affectée par la production aquaponique intégrée ambigua/i et améliore également l’utilisation des nutriments (p. ex. l’azote) dans le système de culture /td td Pinheiro et coll. (2017) /td /tr /tbody /table
Fig. 12.6 Serre aquaponique expérimentale comparant la technologie biofloc et les eaux usées RAS à l’Université d’État de Santa Catarina (UDESC), Brésil. (Source : Pinho et al., 2017)
activité microbienne plus élevée. Toutefois, cette tendance n’a pas été observée dans l’étude menée par Rahman (2010), qui a comparé les effluents d’élevage de poissons dans un système BFT à une solution hydroponique conventionnelle dans une production de laitue. En outre, Pinho
Fig. 12.7 Haute salinité halophyte Sarcocornia ambigua production aquaponique intégrée à la crevette blanche du Pacifique Litopenaeus vannamei appliquant avec succès la technologie biofloc à l’Université fédérale de Santa Catarina (UFSC), Brésil. (Source : LCM-UFSC, Brésil)
Fig. 12.8 Production de laitue Aquaponics intégrée à Tilapia utilisant la technologie biofloc (à gauche) et accumulation de solides en suspension dans les racines de laitue (à droite). Barbosa (2017)
(2018), dans une étude récente, ont observé que le rendement productif de la laitue dans un système aquaponique utilisant Tilapia dans une phase de pépinière (1—30 g) était influencé négativement par les eaux usées biofloques comparativement aux eaux usées RAS pendant 46 jours. La variation des résultats révèle le besoin d’études supplémentaires dans ce domaine.
Le BFT peut être utilisé avec de l’eau à faible salinité, par exemple avec certaines variétés de laitue (Lenz et al., 2017), et des eaux à salinité plus élevée peuvent être utilisées, par exemple avec des espèces de plantes halophytes telles que Sarcocornia ambigua co-culture avec la crevette blanche du Pacifique Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (Fig. 12.7). Le poisson-chat argenté Rhamdia quelen a également montré un bon potentiel d’intégration de l’aquaponie avec le BFT (Rocha et al., 2017).
Avec le BFT, la concentration de solides peut affecter gravement les racines et affecter l’absorption des nutriments et la disponibilité de l’oxygène. En conséquence, les rendements peuvent être affectés, mais aussi la qualité visuelle des plantes (par exemple les laitues), qui est un critère important pour les consommateurs. Dans cette optique, la gestion des solides est un sujet important pour d’autres études où l’impact des solides (fraction particulaire et aussi fraction dissoute) dans les systèmes aquaponiques lors de l’application de BFT est pris en considération (fig. 12.8). En outre, des études économiques doivent être entreprises pour comparer les coûts des divers systèmes d’aquaculture et de culture végétale et pour déterminer la pertinence par rapport aux différents endroits et conditions.