5.3 Principes généraux
Même si la définition de l’aquaponie n’a pas été entièrement résolue, certains principes généraux sont associés à la vaste gamme de méthodes et de technologies aquaponiques.
L’utilisation optimale et efficace des nutriments ajoutés au système aquaponique pour produire les deux principaux produits de l’entreprise (c.-à-d. la biomasse des poissons et des plantes) est un premier principe important et partagé associé à la technologie (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Delaide et al. 2016 ; Knaus et Palm 2017). Il n’est pas utile d’ajouter des éléments nutritifs (qui ont un coût inhérent en termes d’argent, de temps et de valeur) à un système pour observer qu’un pourcentage élevé de ces éléments nutritifs sont divisés en processus, exigences ou résultats qui ne sont pas directement associés au poisson et aux plantes produits, ou à toute vie intermédiaire formes qui peuvent faciliter l’accès des poissons et des plantes aux nutriments (p. ex. microorganismes — bactéries, champignons, etc.) (Lennard 2017). Par conséquent, le principe général le plus important associé à l’aquaponique est probablement d’utiliser les nutriments appliqués aussi efficacement que possible afin d’optimiser la production de poissons et de plantes.
Ce même argument peut également s’appliquer aux besoins en eau du système aquaponique en question ; encore une fois, l’eau ajoutée au système devrait être utilisée principalement par les poissons et les plantes et utilisée aussi efficacement que possible et ne pas laisser fuir vers des processus, des formes de vie ou des résultats qui ne sont pas directement associés à la production de poissons et de plantes ou pouvant avoir une incidence sur l’environnement environnant (Lennard, 2017).
En termes réels, l’utilisation efficace des nutriments et de l’eau conduit à plusieurs principes de conception largement appliqués à la méthode aquaponique :
Le principe le plus important de l’aquaponie est d’utiliser les déchets produits par les poissons comme principale source de nutriments pour les plantes. En fait, c’est toute l’idée de l’aquaponie et devrait donc être un pilote de premier ordre pour la méthode. L’aquaponie était historiquement envisagée comme un système de culture de plantes utilisant des déchets de pisciculture, de sorte que ces déchets d’aquaculture aient moins d’impact sur l’environnement et étaient considérés comme un produit positif et rentable, plutôt que comme un produit de déchets gênant avec un coût associé pour répondre à la législation environnementale. (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Love et al. 2015a, b).
La conception du système devrait encourager l’utilisation de technologies de conservation du poisson et de culture végétale qui n’absorbent pas ou n’utilisent pas de façon destructive les ressources en eau ou en nutriments ajoutées. Par exemple, il est déconseillé d’utiliser des étangs en terre parce que l’étang en terre a la capacité d’utiliser et de rendre indisponibles les ressources en eau et en nutriments pour les poissons et les plantes associés, ce qui réduit l’efficacité de l’utilisation de l’eau et des éléments nutritifs du système. De même, les méthodes de culture hydroponique ne devraient pas utiliser des milieux qui absorbent des quantités excessives de nutriments ou d’eau et les rendent inaccessibles aux plantes (Lennard, 2017).
La conception du système ne doit pas gaspiller des éléments nutritifs ou de l’eau par la production de flux de déchets externes. Principalement, si l’eau et les éléments nutritifs quittent le système par un flux de déchets, l’eau et ces éléments nutritifs ne sont pas utilisés pour la production de poissons ou de plantes et, par conséquent, l’eau et ces éléments nutritifs sont gaspillés et le système n’est pas aussi efficace que possible. En outre, la production d’un flux de déchets peut avoir un impact environnemental potentiel. Si les eaux usées et les éléments nutritifs quittent le système aquaponique, ils devraient être utilisés dans d’autres technologies de production d’installations extérieures à système afin que l’eau et les nutriments ne soient pas gaspillés, contribuent à la production globale de biomasse comestible ou vendable et ne présentent pas de potentiel d’impact environnemental plus large ( Tyson et coll. 2011).
Le système devrait être conçu pour réduire ou, idéalement, annuler complètement l’impact environnemental direct de l’eau ou des nutriments. Un objectif de premier ordre de l’aquaponie est d’utiliser les déchets produits par les poissons comme source nutritive pour les plantes afin d’annuler le rejet de ces nutriments directement dans l’environnement environnant où ils peuvent avoir des répercussions (Tyson et al., 2011).
Les systèmes aquaponiques devraient idéalement se prêter à être situés dans des structures et des situations contrôlées par l’environnement (p. ex. serres, locaux à poissons). Cela permet d’obtenir les meilleurs taux de production de poissons et de plantes à partir du système. La plupart des conceptions aquaponiques sont relativement élevées en termes de coûts d’investissement et de coûts de production permanents. Par conséquent, la capacité de loger le système dans un environnement parfait augmente les potentiels de profit qui justifient financièrement le capital et les coûts de production élevés (Lennard, 2017).
Les principes de conception décrits ci-dessus s’associent directement à un ensemble de principes généraux qui sont souvent, mais pas toujours, appliqués à l’environnement de production aquaponique. Ces principes généraux ont trait au fonctionnement du système et à la répartition des nutriments entre le système et ses habitants.
La prémisse fondamentale de l’aquaponie, dans un contexte dynamique des éléments nutritifs, est que les poissons sont nourris, métabolisés et utilisent les nutriments contenus dans l’alimentation du poisson, libèrent des déchets basés sur les substances contenues dans l’alimentation du poisson qu’ils n’utilisent pas (y compris les éléments), que la microflore accède à ces déchets métaboliques du poisson et utilise de petites quantités d’entre elles, mais transforment le reste, et les plantes accèdent ensuite à ces déchets métaboliques transformés et les éliminent en tant que sources nutritives et, dans une certaine mesure, nettoient le milieu aquatique de ces déchets et neutralisent toute accumulation qui y est associée (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Love et al. 2015a, b).
Étant donné que les systèmes de production de poissons en terre éliminent eux-mêmes les éléments nutritifs, l’aquaponie utilise généralement ce qu’on appelle les principes du système d’aquaculture en recirculation (Rakocy et Hargreaves, 1993 ; Timmons et al., 2002). Les poissons sont conservés dans des réservoirs constitués de matériaux qui n’éliminent pas les nutriments de l’eau (plastique, fibre de verre, béton, etc.), l’eau est filtrée pour traiter ou enlever les déchets métaboliques du poisson (solides et gaz d’ammoniac dissous) et l’eau (et les nutriments associés) est ensuite dirigée vers une usine dans le cadre duquel les plantes utilisent les déchets de poisson comme partie de leur ressource nutritive (Timmons et al., 2002). En ce qui concerne les poissons, les composants de culture végétale à base de terre ne sont pas utilisés parce que les sols en cause éliminent les nutriments et ne les rendent pas nécessairement entièrement disponibles pour les plantes. De plus, les techniques de culture végétale hydroponique n’utilisent pas de sol et sont plus propres que les systèmes basés sur le sol et permettent un contrôle passif des mélanges de micro-organismes présents.
Les plantes cultivées en hydroponie classique nécessitent l’ajout de ce qu’on appelle des engrais minéraux : les nutriments présents sous leurs formes basales et ioniques (p. ex. nitrate, phosphate, potassium, calcium, etc.) (Resh, 2013). À l’inverse, les systèmes d’aquaculture en recirculation doivent appliquer des échanges d’eau réguliers (quotidiens) pour contrôler l’accumulation de métabolites des déchets de poisson (Timmons et al., 2002). Aquaponics cherche à combiner les deux entreprises distinctes pour produire un résultat qui atteint le meilleur des deux technologies tout en niant la pire (Goddek et al. 2015).
Les plantes nécessitent une suite de macro et micro éléments pour une croissance optimale et efficace. En aquaponie, la majorité de ces nutriments proviennent des déchets de poisson (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Lennard 2017 ; COST FA1305 2017). Cependant, les aliments pour poissons (la principale source d’éléments nutritifs du système aquaponique) ne contiennent pas tous les nutriments nécessaires à une croissance optimale des plantes ; par conséquent, une alimentation externe, à des degrés divers, est nécessaire.
L’hydroponie standard et la culture de substrats ajoutent des nutriments à l’eau sous des formes directement disponibles sur les plantes (c.-à-d. des formes ioniques et inorganiques produites par des ajouts de variétés de sel conçus) (Resh, 2013). Une partie des déchets rejetés par les poissons sont sous des formes directement disponibles sur les plantes (p. ex. ammoniac), mais potentiellement toxiques pour les poissons (Timmons et al., 2002). Ces métabolites ioniques dissous des déchets de poisson, comme l’ammoniac, sont transformés par des espèces bactériennes omniprésentes qui remplacent les ions hydrogène par des ions oxygène, le produit provenant de l’ammoniac étant le nitrate, qui est beaucoup moins toxique pour les poissons et la source d’azote préférée pour les plantes (Lennard, 2017). D’autres nutriments appropriés à l’absorption par les plantes sont liés dans la fraction solide des déchets de poisson sous forme de composés organiques et nécessitent un traitement supplémentaire par interaction microbienne pour rendre les nutriments disponibles à l’absorption par les plantes (Goddek et al., 2015). Par conséquent, les systèmes aquaponiques nécessitent une suite de microflore pour effectuer ces transformations.
La clé d’une intégration aquaponique optimisée consiste à déterminer le rapport entre la production de déchets de poisson (directement influencée par l’ajout d’aliments pour poissons) et l’utilisation des nutriments végétaux (Rakocy et Hargreaves, 1993 ; Lennard et Leonard, 2006 ; Goddek et al., 2015). Différentes règles empiriques et modèles ont été développés pour tenter de définir cet équilibre. Rakocy et al. (2006) ont mis au point une approche qui correspond aux besoins de la zone de croissance des plantes avec l’apport quotidien d’aliments pour poissons et l’a appelée le « rapport aquaponique de taux d’alimentation ». Le taux d’alimentation est fixé entre 60 et 100 grammes d’aliments pour poissons ajoutés par jour, par mètre carré de surface végétale (60—100 g/msup2/sup/jour). Ce taux d’alimentation a été développé en utilisant des poissons Tilapia spp. consommant un régime commercial standard de 32 % de protéines (Rakocy et Hargreaves, 1993). En outre, le système aquaponique auquel ce rapport est particulier (connu sous le nom de système aquaponique de l’Université des îles Vierges — système UVI) n’utilise pas la fraction de déchets solides de poisson, est suralimenté en azote et nécessite une dénitrification passive dans le système pour contrôler le taux d’accumulation d’azote ( Lennard 2017). D’autres ont déterminé des rapports alternatifs basés sur différentes combinaisons de poissons et de plantes, testés dans différentes conditions spécifiques (p. ex. Endut et al. 2010 — 15—42 g/msup2/sup/jour pour le poisson-chat africain, Clarias gariepinus et les épinards aquatiques, Ipomoea aquatica).
Le taux d’alimentation UVI a été développé par Rakocy et son équipe à titre d’approche approximative ; d’où la raison pour laquelle il est indiqué comme une plage (Rakocy et Hargreaves 1993). Le rapport UVI tente de tenir compte du fait que les différentes plantes nécessitent des quantités et des mélanges d’éléments nutritifs différents et, par conséquent, une approche de conception aquaponique « générique » est une perspective difficile. Lennard (2017) a mis au point une autre approche qui cherche à faire correspondre directement les taux de production d’éléments nutritifs des déchets de poisson (en fonction de l’aliment utilisé et de la conversion et de l’utilisation de ces aliments pour poissons) avec des taux spécifiques d’absorption des éléments nutritifs chez les plantes, de sorte que le rapport élevé entre les poissons et les plantes corresponde à tout les espèces de poissons ou de plantes choisies peuvent être réalisées et prises en compte dans la conception du système aquaponique. Il associe cette approche de conception à une approche de gestion spécifique qui utilise également tous les nutriments disponibles dans la fraction de déchets solides de poisson (par la reminéralisation aérobie des déchets solides de poisson) et ajoute uniquement les nutriments requis par les espèces végétales choisies pour la culture qui ne sont pas présents dans la fractions de production de déchets de poisson. Par conséquent, cela réduit considérablement le taux d’alimentation associé (par exemple, moins de 11 g/msup2/sup/jour pour certaines variétés vertes feuillues comme équivalent UVI) et permet à toutes les espèces de poissons d’être spécifiquement et exactement appariées à toutes les espèces végétales choisies (Lennard, 2017). De même, Goddek et al. (2016) ont proposé des modèles qui permettent une détermination plus rigoureuse du rapport entre les poissons et les plantes pour les systèmes aquaponiques découplés.
Les principes généraux d’une utilisation efficace des nutriments, d’une utilisation faible et efficace de l’eau, d’un impact environnemental faible ou négligé, de la capacité d’être éloigné des ressources traditionnelles du sol et de la durabilité de l’utilisation des ressources sont les principes généraux appliqués à la conception et à la configuration des systèmes aquaponiques et à leur devrait être encouragée sur le terrain et dans l’industrie.