9.3 Procédés microbiologiques
9.3.1 Solubilisation
La solubilisation consiste à décomposer les molécules organiques complexes qui composent les déchets de poisson et à alimenter les restes en nutriments sous forme de minéraux ioniques que les plantes peuvent absorber (Goddek et al. 2015 ; Somerville et al. 2014). En aquaculture (Sugita et al., 2005 ; Turcios et Papenbrock, 2014) et en aquaponie, la solubilisation est principalement réalisée par des bactéries hétérotrophes (van Rijn, 2013 ; Chap. 6) qui n’ont pas encore été complètement identifiées (Goddek et al., 2015). Certaines études ont commencé à déchiffrer la complexité de ces communautés bactériennes (Schmautz et al., 2017). Dans l’aquaculture actuelle, les bactéries les plus fréquemment observées sont Rhizobium sp., Flavobacterium sp., Sphingobacterium sp., Comamonas sp., Acinetobacter sp., Aeromonas sp. et Pseudomonas sp. (Munguia-Fragozo et al. 2015 ; Sugita et al. 2005). Un exemple du rôle majeur des bactéries dans l’aquaponie pourrait être la transformation de phytates insolubles en phosphore (P) mis à la disposition des plantes par la production de phytases particulièrement présentes dans γ-proteobactéria (Jorquera et al., 2008). (Il faut faire davantage de recherches dans ce domaine). D’autres éléments nutritifs que le P peuvent également être piégés sous forme de solides et évacués du système avec les boues. Des efforts sont donc déployés pour reminéraliser cette boue avec des réacteurs UASB-EGSB afin de réinjecter des nutriments dans le système aquaponique (Delaide 2017 ; Goddek et al. 2016 ; [Chap. 10](/community/articles/chapter-10-traitements aérobique-et-anaérobique-pour-réduction et minéralisation des boues aquaponiques). De plus, différents minéraux ne sont pas libérés à la même vitesse, selon la composition de l’aliment (LeTelierGordo et al., 2015), ce qui entraîne une surveillance plus compliquée de leur concentration dans la solution aquaponique (Seawright et al., 1998).
9.3.2 Nitrification
La principale source d’azote dans un système aquaponique est la nourriture pour poissons et les protéines qu’il contient (Goddek et al. 2015 ; Ru et al. 2017 ; Wongkiew et al. 2017 ; Yildiz et al. 2017). Idéalement, 100% de cet aliment devrait être consommé par les poissons. Cependant, on a observé que les poissons n’utilisent qu’environ 30 % de l’azote contenu dans l’aliment donné (Rafiee et Saad, 2005). L’aliment ingéré est utilisé en partie pour l’assimilation et le métabolisme (Wongkiew et al., 2017), tandis que le reste est excrété soit par les branchies, soit sous forme d’urine et de fèces (Ru et al., 2017). L’azote excrété par les branchies est principalement sous forme d’ammoniac, NHsub3/sub (Wongkiew et al. 2017 ; Yildiz et al. 2017), tandis que l’urine et les fèces sont composées d’azote organique (Wongkiew et al. 2017) qui est transformé en ammoniac par les protéases et les déaminases (Sugita et al. 2005). En général, les poissons excrètent de l’azote sous forme de TAN, c’est-à-dire NHSub3/Sub et NHSub4/Subsup+/SUP. L’équilibre entre NHsub3/sub et NHsub4/Subsup+/SUP dépend principalement du pH et de la température. L’ammoniac est le principal déchet produit par le catabolisme des protéines alimentaires (Yildiz et al., 2017).
La nitrification est un processus en deux étapes au cours duquel l’ammoniac NHsub3/sub ou l’ammonium NHsub4/Subsup+/SUP excrété par le poisson est transformé d’abord en nitrite NOsub2/Subsup-/SUP, puis en nitrate NOSub3/Subsup-/SUP par des bactéries autotrophes chimiosynthétiques aérobies spécifiques. Une grande disponibilité d’oxygène dissous est nécessaire car la nitrification consomme de l’oxygène (Carsiotis et Khanna 1989 ; Madigan et Martinko 2007 ; Shoda 2014). La première étape de cette transformation est réalisée par des bactéries oxydantes d’ammoniac (AOB) telles que Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus et Nitrosovibrio. La deuxième étape est menée par des bactéries oxydantes aux nitrites (NOB) telles que Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira et Nitrospina (Rurangwa et Verdegem 2013 ; Timmons et Ebeling 2013 ; Wongkiew et al. 2017). On déduit actuellement que Nitrospira est un nitrifiant complet, c’est-à-dire qu’il participe à la production de nitrite et de nitrate (Daims et al. 2015). Les mêmes bactéries peuvent être trouvées dans les systèmes aquacoles et aquaponiques (Wongkiew et al., 2017). Ces bactéries se trouvent principalement dans les biofilms fixés au milieu composant le biofiltre, mais peuvent également être observées dans les autres compartiments du système (Timmons et Ebeling 2013).
La nitrification est d’une importance primordiale en aquaponie, car l’ammoniac et le nitrite sont très toxiques pour les poissons : 0,02—0,07 mg/L d’ammonia—azote suffisent à observer les dommages chez les poissons d’eau chaude, et le nitrite—azote devrait être maintenu à moins de 1 mg/L (Losordo et al., 1998 ; Timmons et Ebeling, 2013). L’ammoniac affecte le système nerveux central du poisson (Randall et Tsui, 2002 ; Timmons et Ebeling, 2013), tandis que le nitrite provoque des problèmes de fixation de l’oxygène (Losordo et al., 1998). Le nitrate — L’azote est toutefois toléré par les poissons jusqu’à 150 à 300 mg/L (Goddek et al., 2015 ; Graber et Junge, 2009 ; Yildiz et al., 2017).
La nitrification se produit principalement dans des biofiltres (Losordo et al., 1998 ; Timmons et Ebeling, 2013). Par conséquent, lors du démarrage d’un système, il est recommandé de faire fonctionner le système sans poisson afin de permettre à la population croissante de bactéries nitrifiantes de s’établir (Timmons et Ebeling, 2013 ; Wongkiew et al., 2017). Il est également nécessaire d’éviter, dans la mesure du possible, la présence de matière organique dans les biofiltres afin d’empêcher la croissance de bactéries hétérotrophes hautement compétitives (Timmons et Ebeling 2013). Par ailleurs, des mélanges commerciaux de bactéries nitrifiantes peuvent être ajoutés au système, avant l’ensemencement, pour accélérer le processus de colonisation (Kuhn et al., 2010). Néanmoins, de petits systèmes aquaponiques sans biofiltre existent également. Dans ces systèmes, les bactéries nitrifiantes forment des biofilms des surfaces disponibles (p. ex. parois hydroponiques des compartiments, milieux inertes lors de l’utilisation de la technique du lit médiatique) (Somerville et al., 2014).