Les cinq paramètres les plus importants de la qualité de l'eau

Oxygène

L’oxygène est essentiel pour les trois organismes impliqués dans l’aquaponie ; les plantes, les poissons et les bactéries nitrifiantes ont tous besoin d’oxygène pour vivre. Le niveau d’OD décrit la quantité d’oxygène moléculaire dans l’eau, et il est mesuré en milligrammes par litre. C’est le paramètre de qualité de l’eau qui a l’effet le plus immédiat et le plus radical sur l’aquaponie. En effet, les poissons peuvent mourir en quelques heures lorsqu’ils sont exposés à une faible teneur en OD dans les bassins à poissons. Il est donc essentiel d’assurer des niveaux d’OD adéquats pour l’aquaponie. Bien que la surveillance des niveaux d’OD soit très importante, elle peut s’avérer difficile car des appareils de mesure d’OD précis peuvent être très coûteux ou difficiles à trouver. Il suffit souvent que les petites unités s’appuient plutôt sur une surveillance fréquente du comportement des poissons et de la croissance des plantes, et que les pompes à eau et à air circulent et aèrent constamment l’eau.

L’oxygène se dissout directement dans la surface de l’eau à partir de l’atmosphère. Dans des conditions naturelles, les poissons peuvent survivre dans de telles eaux, mais dans des systèmes de production intensifs avec des densités de poissons plus élevées, cette quantité de diffusion d’OD est insuffisante pour répondre aux demandes des poissons, des plantes et des bactéries. Par conséquent, l’OD doit être complétée par des stratégies de gestion. Les deux stratégies pour l’aquaponie à petite échelle consistent à utiliser des pompes à eau pour créer un flux d’eau dynamique et à utiliser des aérateurs qui produisent des bulles d’air dans l’eau. Le mouvement et l’aération de l’eau sont des aspects critiques de chaque unité aquaponique, et leur importance ne peut pas être surestimée. Ces sujets, y compris les méthodes de conception et de redondance, sont abordés plus en détail au chapitre 4. Les concentrations optimales d’OD pour que chaque organisme prospère sont de 5 à 8 mg/litre (figure 3.3). Certaines espèces de poissons, y compris la carpe et le tilapia, peuvent tolérer des concentrations d’OD aussi faibles que 2-3 mg/litre, mais il est beaucoup plus sûr d’avoir des niveaux plus élevés pour l’aquaponie, car les trois organismes exigent l’utilisation de l’OD dans l’eau.

La température de l’eau et l’OD ont une relation unique qui peut affecter la production alimentaire aquaponique. À mesure que la température de l’eau augmente, la solubilité de l’oxygène diminue. Autrement dit, la capacité de l’eau à retenir l’OD diminue à mesure que la température augmente ; l’eau chaude tient

moins d’oxygène que l’eau froide (figure 3.4). Par conséquent, il est recommandé d’augmenter l’aération à l’aide de pompes à air dans des endroits chauds ou pendant les périodes les plus chaudes de l’année, surtout si l’élevage de poissons délicats.

pH

Une connaissance générale du pH est utile pour la gestion des systèmes aquaponiques. Le pH d’une solution est une mesure de l’acidité ou de la base de la solution sur une échelle allant de 1 à 14. Un pH de 7 est neutre ; tout ce qui est inférieur à 7 est acide, tandis que tout ce qui est supérieur à 7 est basique. Le terme pH est défini comme la quantité d’ions hydrogène (H⁺) dans une solution ; plus il y a d’ions hydrogène, plus il est acide.

Deux aspects importants de l’échelle de pH sont illustrés à la figure 3.5.

• L’échelle de pH est négative ; un pH de 7 a moins d’ions hydrogène qu’un pH de 6.

• L’échelle de pH est logarithmique ; un pH de 7 a 10 fois moins d’ions hydrogène qu’un pH de 6, 100 fois moins qu’un pH de 5 et 1 000 fois moins qu’un pH de 4.

Par exemple, si le pH d’une unité aquaponique est enregistré comme 7, et plus tard la valeur est enregistrée comme 8, l’eau a maintenant dix fois moins d’ions H⁺ librement associés car l’échelle est négative et logarithmique. Il est important d’être conscient de la nature logarithmique de l’échelle de pH parce qu’elle n’est pas nécessairement intuitive. Pour l’exemple précédent, si une lecture ultérieure montrait que le pH était de 9, le problème serait 100 fois pire, et donc hypercritique, au lieu d’être deux fois pire.

Importance du pH

Le pH de l’eau a un impact majeur sur tous les aspects de l’aquaponie, en particulier sur les plantes et les bactéries. Pour les plantes, le pH contrôle l’accès des plantes aux micro- et macronutriments. À un pH de 6,0 à 6,5, tous les nutriments sont facilement disponibles, mais à l’extérieur de cette plage, les nutriments deviennent difficiles à accéder aux plantes. En fait, un pH de 7,5 peut entraîner des carences en éléments nutritifs en fer, en phosphore et en manganèse. Ce phénomène est connu sous le nom de lock-out nutritif et est discuté au chapitre 6.

Les bactéries nitrifiantes éprouvent des difficultés en dessous d’un pH de 6, et la capacité de la bactérie à convertir l’ammoniac en nitrate diminue dans des conditions acides et à faible pH. Cela peut conduire à une biofiltration réduite et, par conséquent, les bactéries diminuent la conversion de l’ammoniac en nitrate, et les niveaux d’ammoniac peuvent commencer à augmenter, conduisant à un système déséquilibré stressant pour les autres organismes.

Les poissons ont également des plages de tolérance spécifiques pour le pH, mais la plupart des poissons utilisés en aquaponie ont une tolérance de pH comprise entre 6,0 et 8,5. Cependant, le pH influe sur la toxicité de l’ammoniac pour les poissons, avec un pH plus élevé conduisant à une toxicité plus élevée. Ce concept est discuté plus en détail à la section 3.4. En conclusion, l’eau aquaponique idéale est légèrement acide, avec une plage de pH optimale de 6-7. Cette gamme permettra de maintenir le fonctionnement des bactéries à une capacité élevée, tout en permettant aux plantes d’avoir pleinement accès à tous les micro- et macronutriments essentiels. Les valeurs de pH comprises entre 5,5 et 7,5 nécessitent une prise en charge et une manipulation par des moyens lents et mesurés, discutés à la section 3.5 et au chapitre 6. Cependant, un pH inférieur à 5 ou supérieur à 8 peut rapidement devenir un problème critique pour l’ensemble de l’écosystème et donc une attention immédiate est requise.

Il existe de nombreux processus biologiques et chimiques qui ont lieu dans un système aquaponique qui affectent le pH de l’eau, certains plus significatifs que d’autres, notamment : le processus de nitrification, la densité d’ensemencement des poissons et le phytoplancton.

Le processus de nitrification

Le processus de nitrification des bactéries abaisse naturellement le pH d’un système aquaponique. De faibles concentrations d’acide nitrique sont produites à partir du processus de nitrification, car les bactéries libèrent les ions hydrogène lors de la conversion de l’ammoniac en nitrate. Au fil du temps, le système aquaponique deviendra progressivement plus acide principalement à la suite de cette activité bactérienne.

Densité d’ensemencement des poissons

La respiration, ou la respiration, du poisson libère du dioxyde de carbone (CO₂) dans l’eau. Ce dioxyde de carbone abaisse le pH parce que le dioxyde de carbone se transforme naturellement en acide carbonique (H₂CO₃) au contact de l’eau. Plus la densité d’ensemencement des poissons de l’unité est élevée, plus le dioxyde de carbone sera libéré, ce qui réduira le pH global. Cet effet est accru lorsque les poissons sont plus actifs, par exemple à des températures plus chaudes.

Phytoplancton

La respiration par les poissons abaisse le pH en libérant du dioxyde de carbone dans l’eau ; inversement, la photosynthèse du plancton, des algues et des plantes aquatiques élimine le dioxyde de carbone de l’eau et augmente le pH. L’effet des algues sur le pH suit une tendance quotidienne, où le pH augmente pendant la journée lorsque les plantes aquatiques se photosynthétisent et éliminent l’acide carbonique, puis diminue pendant la nuit à mesure que les plantes respirent et libèrent de l’acide carbonique. Par conséquent, le pH est au minimum au lever du soleil et au maximum au coucher du soleil. Dans les systèmes standard RAS ou aquaponiques, les niveaux de phytoplancton sont généralement faibles et, par conséquent, le cycle quotidien du pH n’est pas affecté. Cependant, certaines techniques aquacoles, comme l’aquaculture en étang et certaines techniques de reproduction des poissons, utilisent délibérément le phytoplancton, de sorte que le moment de la surveillance devrait être choisi judicieusement.

Température

La température de l’eau affecte tous les aspects des systèmes aquaponiques. Dans l’ensemble, une plage de compromis générale est de 18 à 30 °C. La température a un effet sur l’OD ainsi que sur la toxicité (ionisation) de l’ammoniac ; les températures élevées ont moins d’OD et plus d’ammoniac syndiqué (toxique). En outre, des températures élevées peuvent restreindre l’absorption du calcium dans les plantes. La combinaison de poissons et de plantes doit être choisie pour correspondre à la température ambiante de l’emplacement des systèmes, et changer la température de l’eau peut être très coûteux et énergivores. Les poissons d’eau chaude (p. ex. tilapia, carpe commune, poisson-chat) et les bactéries nitrifiantes prospèrent à des températures d’eau plus élevées de 22 à 29 °C, tout comme certains légumes populaires comme le okra, le choux asiatique et le basilic. Par contre, certains légumes communs comme la laitue, la bette et les concombres poussent mieux à des températures plus fraîches de 18 à 26 °C, et les poissons d’eau froide comme la truite ne tolèrent pas des températures supérieures à 18 °C. sur la production de plantes et de poissons, respectivement, et l’annexe 1 pour obtenir des informations clés sur la culture de 12 légumes populaires.

Bien qu’il soit préférable de choisir des plantes et des poissons déjà adaptés au climat local, il existe des techniques de gestion qui peuvent minimiser les fluctuations de température et prolonger la saison de croissance. Les systèmes sont également plus productifs si les fluctuations de température quotidiennes, de jour comme de nuit, sont minimes. Par conséquent, la surface de l’eau elle-même, dans tous les bassins à poissons, unités hydroponiques et biofiltres, doit être protégée du soleil à l’aide de structures d’ombrage. De même, l’unité peut être protégée thermiquement à l’aide d’une isolation contre les températures nocturnes fraîches partout où elles se produisent. Il existe également des méthodes permettant de chauffer passivement des unités aquaponiques à l’aide de serres ou d’énergie solaire avec des tuyaux agricoles enroulés, qui sont les plus utiles lorsque les températures sont inférieures à 15 °C ; ces méthodes sont décrites plus en détail dans les chapitres 4 et 9.

Il est également possible d’adopter une stratégie de production piscicole pour tenir compte des différences de température entre l’hiver et l’été, en particulier si la saison hivernale a des températures moyennes inférieures à 15 °C pendant plus de trois mois. Généralement, cela signifie que des poissons et des plantes adaptés au froid sont cultivés en hiver, et le système est remplacé par des poissons et des plantes d’eau chaude à mesure que les températures remontent au printemps. Si ces méthodes ne sont pas réalisables pendant les saisons froides d’hiver, il est également possible de récolter les poissons et les plantes au début de l’hiver et de fermer les systèmes jusqu’au printemps. Pendant les saisons estivales avec des températures extrêmement chaudes (plus de 35 °C), il est essentiel de sélectionner les poissons et les plantes appropriés à cultiver (voir chapitres 6 et 7) et d’ombrager tous les récipients et l’espace de culture des plantes.

Azote total : ammoniac, nitrite, nitrate

L’azote est le quatrième paramètre crucial de la qualité de l’eau. Il est requis par toute vie, et une partie de toutes les protéines. À l’origine, l’azote pénètre dans un système aquaponique à partir des aliments pour poissons, généralement étiqueté comme protéines brutes et mesuré en pourcentage. Une partie de cette protéine est utilisée par les poissons pour la croissance, et le reste est libéré par les poissons sous forme de déchets. Ces déchets sont principalement sous forme d’ammoniac (NH₃) et sont libérés par les branchies et sous forme d’urine. Des déchets solides sont également rejetés, dont certains sont convertis en ammoniac par activité microbienne. Cet ammoniac est ensuite nitrifié par des bactéries, dont il est question à la section 2.1, et transformé en nitrite (NO₂^-) et en nitrate (NO₃^-). Les déchets azotés sont toxiques pour les poissons à certaines concentrations, bien que l’ammoniac et le nitrite soient environ 100 fois plus toxiques que le nitrate. Bien que toxiques pour les poissons, les composés azotés sont nutritifs pour les plantes et constituent en fait le composant de base des engrais végétaux. ^{Les trois formes d’azote (NH₃, NO₂et NO₃) peuvent être utilisées par les plantes, mais le nitrate est de loin le plus accessible.} Dans une unité aquaponique pleinement opérationnelle et dotée d’une biofiltration adéquate, les concentrations d’ammoniac et de nitrite devraient être proches de zéro, ou au plus de 0,25 à 1,0 mg/litre. Les bactéries présentes dans le biofiltre doivent convertir presque toute l’ammoniac et le nitrite en nitrate avant qu’une accumulation ne puisse se produire.

Impacts de la forte teneur en ammoniac

L’ammoniac est toxique pour les poissons. Le tilapia et la carpe peuvent présenter des symptômes d’empoisonnement à l’ammoniac à des concentrations aussi faibles que 1,0 mg/litre. Une exposition prolongée à ce niveau ou au-dessus de ce niveau causera des dommages au système nerveux central et aux branchies des poissons, entraînant une perte d’équilibre, une altération de la respiration et des convulsions. Les dommages aux branchies, souvent mis en évidence par la coloration rouge et l’inflammation des branchies, restreindront le bon fonctionnement d’autres processus physiologiques, conduisant à une suppression du système immunitaire et éventuellement à la mort. D’autres symptômes comprennent des stries rouges sur le corps, une léthargie et un haltèlement à la surface pour l’air. À des concentrations plus élevées d’ammoniac, les effets sont immédiats et de nombreux décès peuvent survenir rapidement. Cependant, des niveaux plus faibles sur une longue période peuvent encore entraîner un stress chez les poissons, une incidence accrue des maladies et une plus grande perte de poissons.

Comme nous l’avons vu plus haut, la toxicité de l’ammoniac dépend en fait du pH et de la température, où le pH et la température de l’eau plus élevés rendent l’ammoniac plus toxique. Chimiquement, l’ammoniac peut exister sous deux formes dans l’eau, ionisée et syndiquée. Ensemble, ces deux formes sont appelées azote ammoniaque total (TAN), et les trousses d’analyse de l’eau ne permettent pas de distinguer les deux. Dans des conditions acides, l’ammoniac se lie avec les ions hydrogène en excès (un pH faible signifie une forte concentration de H⁺) et devient moins toxique. Cette forme ionisée est appelée ammonium. Cependant, dans des conditions de base (pH élevé, supérieur à 7), il n’y a pas assez d’ions hydrogène et l’ammoniac reste dans son état plus toxique, et même de faibles niveaux d’ammoniac peuvent être très stressants pour les poissons. Ce problème est exacerbé dans des conditions d’eau chaude.

L’activité des bactéries nitrifiantes diminue considérablement à des niveaux élevés d’ammoniac. L’ammoniac peut être utilisé comme agent antibactérien et, à des concentrations supérieures à 4 mg/litre, il inhibe et réduit considérablement l’efficacité des bactéries nitrifiantes. Cela peut entraîner une détérioration exponentielle de la situation lorsqu’un biofiltre sous-dimensionné est submergé par l’ammoniac, que les bactéries meurent et que l’ammoniac augmente encore plus.

Impacts de la teneur élevée en nitrite

Le nitrite est toxique pour les poissons. À l’instar de l’ammoniac, des problèmes de santé des poissons peuvent survenir avec des concentrations aussi faibles que 0,25 mg/litre. Des niveaux élevés de^NO ₂peuvent immédiatement entraîner la mort rapide des poissons. Encore une fois, même de faibles niveaux sur une période prolongée peuvent entraîner une augmentation du stress, de la maladie et de la mort des poissons.

Niveaux toxiques de NO₂^- empêche le transport d’oxygène dans la circulation sanguine des poissons, ce qui fait que le sang devient brun chocolat et est parfois connu sous le nom de « maladie du sang brun ». Cet effet peut également être observé chez les branchies de poissons. Les poissons affectés présentent des symptômes similaires à ceux de l’empoisonnement à l’ammoniac, en particulier lorsque les poissons semblent être privés d’oxygène, vu haletant à la surface même dans l’eau à forte concentration d’OD. La santé des poissons est traitée plus en détail au chapitre 7.

Impacts de la teneur élevée en nitrate

Le nitrate est beaucoup moins toxique que les autres formes d’azote. C’est la forme d’azote la plus accessible pour les plantes, et la production de nitrate est l’objectif du biofiltre. Les poissons peuvent tolérer des concentrations allant jusqu’à 300 mg/litre, certains poissons tolérant des concentrations allant jusqu’à 400 mg/litre. Des concentrations élevées ( \ > 250 mg/litre) auront un impact négatif sur les plantes, conduisant à une croissance végétative excessive et à une accumulation dangereuse de nitrates dans les feuilles, ce qui est dangereux pour la santé humaine. Il est recommandé de maintenir les niveaux de nitrate à 5 à 150 mg/litre et d’échanger l’eau lorsque les niveaux augmentent.

Dureté de l’eau

Le paramètre final de qualité de l’eau est la dureté de l’eau. Il existe deux types principaux de dureté : la dureté générale (GH) et la dureté carbonatée (KH). La dureté générale est une mesure des ions positifs dans l’eau. La dureté carbonatée, également connue sous le nom d’alcalinité, est une mesure de la capacité tampon de l’eau. Le premier type de dureté n’a pas d’impact majeur sur le processus aquaponique, mais KH a une relation unique avec le pH qui mérite d’être expliquée plus avant.

Dureté générale

La dureté générale est essentiellement la quantité d’ions calcium (Ca²⁺), de magnésium (Mg²⁺) et, dans une moindre mesure, de fer (Fe⁺) présents dans l’eau. Il est mesuré en parties par million (équivalent en milligrammes par litre). Des concentrations élevées de GH se trouvent dans les sources d’eau telles que les aquifères à base de calcaire et/ou les lits de rivières, puisque le calcaire est essentiellement composé de carbonate de calcium (CaCo₃). Les ions Ca²⁺ et Mg²⁺ sont des nutriments végétaux essentiels, et ils sont absorbés par les plantes au fur et à mesure que l’eau coule à travers les composants hydroponiques. L’eau de pluie a une faible dureté de l’eau parce que ces ions ne se trouvent pas dans l’atmosphère. L’eau dure peut être une source utile de micronutriments pour l’aquaponie et n’a aucun effet sur la santé des organismes. En fait, la présence de calcium dans l’eau peut empêcher les poissons de perdre d’autres sels et conduire à un stock plus sain.

Dureté carbonatée ou alcalinité

La dureté carbonatée est la quantité totale de carbonates (CO₃^2-) et de bicarbonates (HCO₃^-) dissous dans l’eau. Il est également mesuré en milligrammes de CaCo₃ par litre.

En général, on considère que l’eau a un KH élevé à des concentrations de 121 à 180 mg/litre. L’eau provenant des puits de roche calcaire et des aquifères aura normalement une dureté carbonatée élevée d’environ 150 à 180 mg/litre.

La dureté carbonatée dans l’eau a un impact sur le niveau de pH. Autrement dit, KH agit comme un tampon (ou une résistance) à l’abaissement du pH. Le carbonate et le bicarbonate présents dans l’eau se lient aux ions H⁺ libérés par n’importe quel acide, éliminant ainsi ces ions H⁺ libres de l’eau. Par conséquent, le pH restera constant même lorsque de nouveaux ions H⁺ provenant de l’acide sont ajoutés à l’eau. Ce tampon KH est important, car les changements rapides du pH sont stressants pour l’ensemble de l’écosystème aquaponique. Le procédé de nitrification génère de l’acide nitrique (HNO₃), tel que discuté à la section 3.2.2, qui est dissocié dans l’eau dans ses deux composants, les ions hydrogène (H⁺) et le nitrate (NO₃^-), ce dernier étant utilisé comme source de nutriments pour les plantes. Cependant, avec un KH adéquat, l’eau ne devient pas plus acide. En l’absence de carbonates et de bicarbonates dans l’eau, le pH diminuerait rapidement dans l’unité aquaponique. Plus la concentration de KH dans l’eau est élevée, plus elle servira de tampon pour le pH afin de maintenir le système stable contre l’acidification causée par le processus de nitrification.

La section suivante décrit ce processus plus en détail. Il s’agit d’un processus assez compliqué, mais il est important de comprendre, pour les praticiens de l’aquaponie (ou d’autres cultures sans sol), où l’eau disponible est naturellement très dure (ce qui est normalement le cas dans les régions où la roche calcaire ou calcaire est calcaire), car la manipulation du pH deviendra un élément essentiel de la gestion de l’unité. La section 3.5 contient des techniques spécifiques de manipulation du pH. Le résumé suivant la description détaillée énumérera ce qu’il est essentiel que tous les praticiens sachent en ce qui concerne la dureté.

Comme mentionné ci-dessus, la nitrification constante dans une unité aquaponique produit de l’acide nitrique et augmente le nombre d’ions^H+ , ce qui réduirait le pH dans l’eau. Si aucun carbonate ou bicarbonate n’est présent pour tamponner les ions H⁺ dans l’eau, le pH diminuera rapidement à mesure que d’autres ions H⁺ sont ajoutés dans l’eau. Les carbonates et les bicarbonates, comme le montre la figure 3.6, lient les ions hydrogène (H⁺) libérés par l’acide nitrique et maintiennent un pH constant en équilibrant le surplus de^H+avec la production d’acide carbonique, qui est un acide très faible. Les ions H⁺ restent liés au composé et ne sont pas libres dans l’eau. La figure 3.7 montre plus en détail le processus de liaison qui se produit avec l’acide nitrique.

Il est essentiel pour l’aquaponie qu’une certaine concentration de KH soit présente en tout temps dans l’eau, car elle peut neutraliser les acides créés naturellement et maintenir le pH constant. Sans KH adéquat, l’unité pourrait être soumise à des changements rapides de pH qui auraient des effets négatifs sur l’ensemble du système, en particulier sur les poissons. Cependant, le KH est présent dans de nombreuses sources d’eau. La reconstitution de l’unité avec de l’eau provenant de ces sources permettra également de reconstituer les niveaux de KH. Cependant, l’eau de pluie est faible en KH, et dans les systèmes pluviaux, il est utile d’ajouter des sources externes de carbonate, comme expliqué ci-dessous.

Résumé des points essentiels sur la dureté

La dureté générale (GH) est la mesure des ions positifs, en particulier le calcium et le magnésium.

La dureté carbonatée (KH) mesure la concentration de carbonates et de bicarbonates qui tamponnent le pH (créent une résistance au changement de pH). La dureté peut être classée le long de l’échelle de dureté de l’eau comme indiqué ci-dessous :

Le niveau optimal des deux types de dureté pour les aquaponiques est d’environ 60-140 mg/litre. Il n’est pas essentiel de vérifier les niveaux dans l’unité, mais il est important que l’eau utilisée pour reconstituer l’unité ait des concentrations suffisantes de KH pour continuer à neutraliser l’acide nitrique produit pendant le processus de nitrification et pour tamponner le pH à son niveau optimal (6-7).

| Classement de dureté eau | mg/litre | | — | — | | doux | 0-60 mg/litre | | modérément dur | 60-120 mg/litre | | dur | 120-180 mg/litre | | très dur | \ > 180 mg/litre |

*Source : Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus et Alessandro Lovatelli, production alimentaire aquaponique à petite échelle, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduit avec la permission. *