Aqu @teach : Systèmes hydroponiques

Il existe trois types principaux de systèmes hydroponiques (voir aussi Module 1). Dans les milieux hydroponiques, les plantes poussent dans un substrat. Dans les systèmes de technique de film nutritif (NFT), les plantes poussent avec leurs racines dans de larges tuyaux alimentés par un filet d’eau. Dans les systèmes de culture en eau profonde (DWC) ou de radeaux flottants, les plantes sont suspendues au-dessus d’un réservoir d’eau à l’aide d’un radeau flottant. Chaque type a ses avantages et ses inconvénients qui sont discutés plus en détail ci-dessous. La preuve est quelque peu contradictoire en ce qui concerne leur efficacité relative pour la production de cultures dans les systèmes aquaponiques. Lennard et Leonard (2006) ont comparé les trois sous-systèmes hydroponiques pour la production de laitue et ont trouvé la production la plus élevée dans les lits de gravier, suivie de DWC et de NFT. Cependant, des études subséquentes menées par Pantanella et al. 2012 ont révélé que la TNT était aussi performante que la DWC, alors que la couche médiatique était toujours sous-performante en termes de rendement.

En ce qui concerne le rôle de la conception de la composante hydroponique sur la performance globale et la consommation d’eau des systèmes aquaponiques, une étude de la littérature réalisée par Maucieri et al. 2018 a révélé que la TNT est moins efficace que l’hydroponique de la couche médiatique ou de la DWC, bien que les résultats n’aient pas été sans équivoque. La composante hydroponique influence directement la qualité de l’eau, qui est essentielle à l’élevage des poissons, et est également la principale source de perte d’eau par évapotranspiration des plantes. La conception de la composante hydroponique influence donc la durabilité de l’ensemble du processus, soit directement en termes de consommation d’eau et/ou indirectement en termes de coûts de gestion du système. Le choix du composant hydroponique pour un système aquaponique influencera également la conception de l’ensemble du système. Par exemple, dans les systèmes de lits médiatiques, le substrat fournit généralement une surface suffisante pour la croissance et la filtration des bactéries, tandis que dans les canaux NFT, la surface est insuffisante et des biofiltres supplémentaires devront être installés (Maucieri et al. 2018).

Médias hydroponique

Dans les milieux hydroponiques, un milieu de croissance ou un substrat sans sol est utilisé pour aider les racines à soutenir le poids de la plante. Le lit médiatique sert également de filtre biologique et physique. Parmi les sous-systèmes hydroponiques, les lits médiatiques ont la filtration biologique la plus efficace en raison de la grande surface où le biofilm, contenant des bactéries nitrifiantes et d’autres bactéries, peut coloniser. Le substrat capture également les déchets de poisson solides et en suspension et d’autres particules organiques flottantes, bien que l’efficacité de ce filtre physique dépendra de la taille des particules et des grains du substrat, ainsi que du débit d’eau. Au fil du temps, les particules organiques sont lentement décomposées par des processus biologiques et physiques en molécules simples et ions que les plantes peuvent absorber (Somerville et al. 2014b).

Le substrat peut être organique, inorganique, naturel ou synthétique (figure 1), et il est logé dans des récipients de culture de différentes formes. Il doit avoir une surface adéquate tout en restant perméable à l’eau et à l’air, permettant ainsi aux bactéries de croître, à l’eau de s’écouler et aux racines des plantes de respirer. Il doit être non toxique, avoir un pH neutre afin de ne pas affecter la qualité de l’eau et être résistant à la moisissure. Il ne doit pas non plus être si léger qu’il flotte. La rétention d’eau, l’aération et l’équilibre du pH sont autant d’aspects qui varient selon le substrat. L’eau est retenue à la surface des particules et à l’intérieur de l’espace interstitiel, de sorte que la rétention d’eau est déterminée par la taille, la forme et la porosité des particules. Plus les particules sont petites, plus elles sont rapprochées, plus la surface et l’espace interstitiel sont grands, et donc plus la rétention d’eau est grande. Les particules de forme irrégulière ont une plus grande surface et donc une plus grande rétention d’eau que les particules lisses et rondes. Les matériaux poreux peuvent stocker de l’eau dans les particules elles-mêmes ; par conséquent, la rétention d’eau est élevée. Bien que le substrat soit capable d’une bonne rétention d’eau, il doit également être capable d’un bon drainage. Par conséquent, les matériaux trop fins doivent être évités afin d’éviter une rétention excessive d’eau et un manque de mouvement d’oxygène à l’intérieur du substrat. Tous les substrats doivent être nettoyés périodiquement (Resh 2013).

Les substrats peuvent également être classés comme granuleux ou fibreux. Les substrats granulaires comprennent des agrégats d’argile expansée légère, du gravier, de la vermiculite, de la perlite et de la pierre ponce. Les substrats fibreux comprennent la laine de roche et la fibre de coco. L’eau est principalement conservée dans l’espace micropore d’un substrat, tandis que les macropores facilitent le drainage rapide et l’entrée d’air (Drzal et al. 1999). Une combinaison adéquate de pores grands et petits est donc essentielle (Raviv et al. 2002). Les substrats granulaires ont une macroporosité élevée (disponibilité de l’air) mais une microporosité relativement faible (disponibilité de l’eau), tandis que les substrats fibreux ont une microporosité élevée mais une macroporosité relativement faible.

L’agrégat d’argile expansée légère (LECA) est très léger par rapport à d’autres substrats, ce qui le rend idéal pour les aquaponiques de toit. Il est disponible dans une variété de tailles ; les plus grandes tailles avec des diamètres de 8-20 mm sont recommandées pour l’aquaponie (Somerville et al. 2014). Des espaces interstitiels plus grands (macroporosité) signifient une meilleure percolation de la solution à travers le substrat et une meilleure alimentation en air, même lorsque les biofilms couvrent les surfaces. Cependant, LECA a de petits micropores et n’a donc pas une bonne capacité de rétention d’eau.

Le gravier volcanique (tuf) a un rapport surface/volume très élevé qui offre suffisamment d’espace pour coloniser les bactéries, et il est presque chimiquement inerte, à l’exception de petits rejets de microéléments tels que le fer et le magnésium et de l’absorption des ions phosphates et potassium au cours des premiers mois. La taille recommandée du gravier volcanique est de 8-20 mm de diamètre. Les graviers plus petits risquent de s’obstruer par des déchets solides, tandis que les graviers plus gros n’offrent pas la surface ou le soutien nécessaire à la plante (Somerville et al. 2014b).

Le gravier calcaire n’est pas recommandé comme substrat, bien qu’il soit parfois utilisé. Le calcaire a un rapport surface-volume plus faible que le gravier volcanique, il est relativement lourd et il n’est pas inerte. Le calcaire est composé principalement de carbonate de calcium (CaCo₃), qui se dissout dans l’eau. Cela augmentera le pH et ne devrait donc être utilisé que lorsque les sources d’eau sont très faibles en alcalinité ou en acide. Néanmoins, une petite addition de calcaire peut aider à contrebalancer l’effet acidifiant des bactéries nitrifiantes, ce qui peut compenser le besoin de tamponner régulièrement l’eau dans des systèmes aquaponiques bien équilibrés (Somerville et al. 2014b).

La vermiculite est un minéral micacé qui se dilate lorsqu’il est chauffé au-dessus de 1000 °C. L’eau se transforme en vapeur, formant de petits grains poreux ressemblant à une éponge. La vermiculite est très légère et peut absorber de grandes quantités d’eau. Chimiquement, c’est un silicate de magnésium-aluminium-fer hydraté. Il est neutre en réaction avec de bonnes propriétés tampons, et a une capacité d’échange de cations relativement élevée et peut donc maintenir les nutriments en réserve et les libérer plus tard. Il contient également du magnésium et du potassium, qui est disponible pour les plantes (Resh 2013).

La perlite est un matériau siliceux d’origine volcanique, extrait des coulées de lave. Il est chauffé à 760 °C, ce qui transforme la petite quantité d’eau en vapeur, élargissant ainsi les particules en petits grains ressemblant à une éponge. La perlite est très légère et contiendra trois à quatre fois son poids d’eau. Il est essentiellement neutre, avec un pH de 6,0—8,0, mais sans capacité tampon ; contrairement à la vermiculite, il n’a pas de capacité d’échange de cations et ne contient pas de nutriments mineurs. Il ne doit pas être utilisé seul, mais plutôt mélangé avec un autre substrat afin d’améliorer le drainage et l’aération et ainsi prévenir l’accumulation d’éléments nutritifs et les problèmes de toxicité subséquents tout en fournissant un environnement riche en oxygène pour que les racines puissent prospérer (Resh 2013).

La pierre ponce, comme la perlite, est un matériau siliceux d’origine volcanique et a essentiellement les mêmes propriétés. Cependant, c’est le minerai brut après broyage et criblage, sans aucun processus de chauffage, et donc il est plus lourd et n’absorbe pas l’eau aussi facilement, puisqu’il n’a pas été hydraté (Resh 2013).

La laine de roche est fabriquée à partir de roche de basalte qui est fondue dans des fours à une température de 1500 °C. Le basalte liquide est ensuite filé dans des fils et compressé en paquets de laine qui sont coupés en dalles, blocs ou bouchons. La majeure partie de l’expansion rapide de l’industrie des serres au cours des deux dernières décennies a été liée à la culture de la laine de roche. Toutefois, ces dernières années, des préoccupations ont été soulevées au sujet de son élimination, car elle ne se décompose pas dans les sites d’enfouissement. Aujourd’hui, de nombreux producteurs se tournent vers un substrat plus durable — la fibre de coco (Resh 2013).

La fibre de coco (ou noix de coco) est un substrat organique dérivé de cosses de noix de coco effilochées et moulues. Il est proche du pH neutre et retient l’eau tout en permettant une bonne quantité d’oxygène pour les racines (Resh 2013).

Tableau 1 : Caractéristiques des différents milieux de culture (après Somerville et al. 2014b)

Selon le type de substrat, il occupera environ 30 à 60 % du volume total du lit médiatique. La profondeur du lit médiatique est importante car elle contrôle la quantité d’espace racine dans l’unité, ce qui détermine à son tour les types de légumes qui peuvent être cultivés. Les gros légumes fruitiers tels que les tomates, le okra et le chou auront besoin d’une profondeur de substrat de 30 cm pour laisser suffisamment d’espace racinaire et prévenir les carences en éléments nutritifs. Les petits légumes verts à feuilles ne nécessitent que 15 à 20 cm de profondeur de substrat (Somerville et al. 2014b).

Figure 2 : Transplantations de tomates dans un système de bacs à lit médiatique avec irrigation goutte à goutte et substrat LECA < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

Il existe différentes techniques pour fournir de l’eau enrichie en éléments nutritifs aux lits médiatiques. Il peut être simplement coulé à partir de goutteurs fixés à des tuyaux uniformément répartis sur le milieu (voir figure 2). Alternativement, une méthode appelée inondation et drainage (ou refoulement) entraîne l’inondation périodique des lits médiatiques d’eau qui s’écoule ensuite dans un réservoir. L’alternance entre l’inondation et la vidange garantit que les plantes ont des nutriments frais et un flux d’air adéquat dans la zone racinaire, ce qui réapprovisionne les niveaux d’oxygène. Il assure également que suffisamment d’humidité est dans le lit à tout moment pour que les bactéries puissent prospérer dans leurs conditions optimales. La nature d’un lit médiatique d’inondation et de drainage crée trois zones distinctes qui se différencient par leur teneur en eau et en oxygène (Somerville et al. 2014b) :

• Le dessus 2-5 cm est la zone sèche, qui fonctionne comme une barrière lumineuse, minimisant l’évaporation et empêchant la lumière de frapper directement l’eau, ce qui peut conduire à la croissance des algues. Il empêche également la croissance de champignons et de bactéries nocives à la base de la tige de la plante, ce qui peut causer la pourriture du collier et d’autres maladies.

• La zone sèche et humide a à la fois l’humidité et les échanges gazeux élevés. C’est la zone de 10-20 cm où le lit médiatique inonde et s’écoule par intermittence. Si l’on n’utilise pas les techniques d’inondation et de drainage, cette zone sera le chemin le long duquel l’eau coule à travers le milieu. La majeure partie de l’activité biologique se produit dans cette zone.

• La zone humide est le fond 3-5 cm du lit qui reste mouillé en permanence. Les petits déchets solides particulaires s’accumulent dans cette zone et, par conséquent, les organismes les plus actifs dans la minéralisation sont également situés ici, y compris les bactéries hétérotrophes et autres micro-organismes qui décomposent les déchets en fractions et molécules plus petites qui peuvent être absorbées par les plantes par le processus de minéralisation (Somerville et al. 2014b).

Technique du film nutritif (NFT)

NFT est un système de culture en solution où un film mince (de deux à trois millimètres de profondeur) coule continuellement le long de la base des petits canaux dans lesquels se trouvent les systèmes racinaires. Avec NFT, l’objectif est qu’une partie du tapis racinaire en développement se trouve dans le flux nutritif, mais les autres racines sont suspendues au-dessus de cela dans l’air humide, accédant à l’oxygène sans être immergées (Somerville et al. 2014b).

Figure 3 : Système de tuyauterie ronde NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Figure 4 : Système de tuyauterie rectangulaire NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Les canaux sont souvent sous la forme de tuyaux (Figure 3). Les tuyaux avec une section rectangulaire (Figure 4) sont meilleurs, avec une largeur supérieure à la hauteur, car cela signifie qu’un plus grand volume d’eau frappe les racines, augmentant ainsi l’absorption des nutriments et la croissance des plantes. Les légumes à fructification plus gros et les polycultures (cultivant différents types de légumes) nécessitent des tuyaux plus grands que ceux nécessaires pour les légumes verts à feuilles à croissance rapide et les petits légumes à faible masse racinaire. La longueur du tuyau peut varier, mais il convient de garder à l’esprit que des carences en nutriments peuvent survenir chez les plantes vers l’extrémité de très longs tuyaux parce que les premières plantes ont déjà dépouillé les nutriments (figure 5). Les tuyaux blancs doivent être utilisés car la couleur reflète les rayons du soleil, gardant ainsi l’intérieur des tuyaux au frais. Les canaux doivent être placés sur une pente (figure 5) de sorte que la solution nutritive s’écoule à un bon débit, qui, pour la plupart des systèmes, est d’environ un litre/minute (Somerville et al. 2014a).

Figure 5 : canaux NFT inclinés. Le chenal NFT mesure 12,5 m de long et a été alimenté avec de l’eau provenant du bassin à poissons adjacent. Aucun élément nutritif n’a été complété. On peut observer la limitation croissante des nutriments le long du canal

Les systèmes de TVN sont principalement utilisés pour produire des cultures à rotation rapide telles que la laitue, les herbes, les fraises, les légumes verts, les fourrages et les microverts.

Culture en eau profonde (DWC)

DWC ou système de radeaux flottants est un type de système hydroponique dans lequel les plantes sont suspendues au-dessus d’un réservoir à l’aide d’un radeau flottant, et les racines sont immergées dans une solution nutritive et aérées à l’aide d’une pompe à air. Cependant, contrairement aux systèmes de TVN, où les nutriments contenus dans le petit film d’eau qui coule au niveau des racines s’épuisent rapidement, le volume important d’eau contenu dans les canaux DWC permet aux plantes d’utiliser des quantités considérables d’éléments nutritifs. La longueur des canaux n’est donc pas un problème, et ils peuvent aller de un à dix mètres. La profondeur recommandée est de 30 cm pour permettre un espace suffisant pour les racines des plantes, bien que les petits légumes feuillus comme la laitue ne nécessitent qu’une profondeur de 10 cm ou même moins. Le débit de l’eau entrant dans chaque canal est relativement faible et, en général, chaque canal a un temps de rétention (le temps qu’il faut pour remplacer toute l’eau dans un récipient) de 1 à 4 heures. Cela permet une reconstitution adéquate des nutriments dans chaque canal, bien que le volume d’eau et la quantité de nutriments dans les canaux profonds soient suffisants pour nourrir les plantes sur de plus longues périodes (Somerville et al. 2014b). D’autre part, une aération supplémentaire pourrait être nécessaire, car les débits ne sont pas suffisamment élevés pour fournir suffisamment d’oxygène.

Certaines plantes, comme la laitue, prospèrent dans l’eau et sont généralement cultivées en eau profonde. Le DWC est la méthode la plus courante pour les grandes exploitations commerciales qui cultivent une culture spécifique (généralement la laitue, les feuilles de salade ou le basilic), et il est plus approprié pour la mécanisation.

Figure 6 : Basilic et autres plantes qui poussent dans le système DWC dans la serre CDC South Aquaponics à Brooks, en Alberta (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

Aéroponique

Dans les systèmes aéroponiques, les plantes sont cultivées et nourries en suspendant leurs structures racinaires dans l’air et en les pulvérisant régulièrement avec une solution nutritive. Il existe deux types principaux de systèmes aérotoniques : l’aéroponique à haute pression et l’aéroponique à basse pression, la principale différence étant la taille des gouttelettes de la brume utilisée dans chaque cas. L’aéroponique basse pression utilise des pompes basse pression à haut débit, tandis que l’aéroponique haute pression utilise des pompes à haute pression (environ 120 PSI) à faible débit pour atomiser l’eau et créer des gouttelettes d’eau de 50 microns ou moins. Dans le cas d’une brume extrêmement fine qui ressemble au brouillard, le terme « brumeux » est utilisé pour désigner un troisième type de système aéroponique. Les plantes cultivées à l’aide d’un système aéroponique ont tendance à croître plus rapidement que celles cultivées dans d’autres types de systèmes hydroponiques en raison de leur grande exposition à une augmentation de l’oxygène (Li et al. 2018).

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l’enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l’Université de Greenwich, en collaboration avec l’Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l’Université technique de Madrid (Espagne), l’Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *