5.3 Общие принципы

Несмотря на то, что определение аквапоники не было полностью решено, существуют некоторые общие принципы, которые связаны с широким спектром аквапонических методов и технологий.

Использование питательных веществ, добавленных в систему аквапоники, максимально оптимально и эффективно для производства двух основных продуктов предприятия (например, рыбы и биомассы растений) является важным и общим первым принципом, связанным с технологией (Rakocy and Hargreaves 1993; Delaide et al. 2016; Knaus and Palm. 2017). Нет смысла добавлять питательные вещества (которые имеют неотъемлемую стоимость с точки зрения денег, времени и стоимости) в систему, чтобы наблюдать, как высокий процент этих питательных веществ разделяется на процессы, требования или результаты, которые не связаны непосредственно с производимой рыбой и растениями или какой-либо промежуточной жизнью формы, которые могут способствовать доступу рыб и растений к питательным веществам (например, микроорганизмы — бактерии, грибы и т.д.) (Леннард 2017). Поэтому, пожалуй, наиболее важным общим принципом, связанным с аквапоникой, является максимально эффективное использование применяемых питательных веществ для достижения оптимального производства как рыбы, так и растений.

Этот же аргумент может быть применен и к водоснабжению соответствующей аквапонной системы; опять же, вода, добавленная в систему, должна использоваться главным образом рыбами и растениями и использоваться как можно более эффективно и не допускать утечки в процессы, жизненные формы или результаты, которые не являются непосредственными связанных с производством рыбы и растений или может повлиять на окружающую среду (Lennard 2017).

В реальном выражении эффективное использование питательных веществ и воды приводит к нескольким принципам проектирования, которые широко применяются к аквапоническому методу:

1. Важнейшим принципом аквапоники является использование отходов, производимых рыбой, в качестве основного источника питательных веществ для растений. На самом деле, это вся идея аквапоники и поэтому должна быть драйвером первого порядка для метода. Исторически аквапоника рассматривалась как система выращивания растений с использованием рыбоводных отходов, с тем чтобы эти отходы аквакультуры имели меньшее воздействие на окружающую среду и рассматривались как позитивный и прибыльный товар, а не как хлопотный продукт, сопряженный с сопутствующими издержками для соблюдения природоохранного законодательства требования (Rakocy and Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

2. Конструкция системы должна поощрять использование технологий хранения рыбы и выращивания растений, которые по своей сути не поглощают или не используют добавляемые водные или питательные ресурсы. Например, не рекомендуется использовать компоненты для хранения рыбы, основанные на использовании земляных прудов, потому что земляной пруд имеет возможность использовать и делать недоступные водные и питательные ресурсы для соответствующих рыб и растений, тем самым снижая эффективность использования воды и питательных веществ в системе. Аналогичным образом, гидропонные методы культивирования растений не должны использовать среды, поглощающие чрезмерное количество питательных веществ или воды и делающие их недоступными для растений (Lennard 2017).

3. Конструкция системы не должна тратить питательные вещества или воду за счет производства внешних потоков отходов. В основном, если вода и питательные вещества покидают систему через поток отходов, то вода и эти питательные вещества не используются для производства рыбы или растений, и поэтому вода и эти питательные вещества расходуются впустую, и система не является настолько эффективной, насколько это возможно. Кроме того, производство отходов может оказывать потенциальное воздействие на окружающую среду. Если сточные воды и питательные вещества действительно покидают аквапонную систему, их следует использовать в альтернативных, внешних технологиях производства растений, с тем чтобы вода и питательные вещества не растрачивались впустую, способствовали общему производству съедобной или продаваемой биомассы и не представляли более широкого потенциала воздействия на окружающую среду ( Тайсон и др., 2011 год).

4. Система должна быть сконструирована таким образом, чтобы снизить или в идеале, полностью нейтрализовать прямое воздействие воды или питательных веществ на окружающую среду. Одной из целей аквапоники первого порядка является использование отходов, производимых рыбой, в качестве источника питательных веществ для растений, с тем чтобы свести на нет выброс этих питательных веществ непосредственно в окружающую среду, где они могут вызвать воздействие (Tyson et al. 2011).

5. Конструкции систем Aquaponic в идеальном случае должны быть расположены в экологически контролируемых структурах и ситуациях (например, теплицах, рыбных помещениях). Это позволяет достигать наилучших показателей продуктивности рыбы и растений из системы. Большинство аквапонных конструкций относительно высоки с точки зрения капитальных затрат и текущих затрат производства, и поэтому возможность размещения системы в идеальной среде повышает потенциал прибыли, который финансово оправдывает высокие капитальные и производственные затраты (Lennard 2017).

Вышеизложенные принципы проектирования напрямую связаны с набором общих принципов, которые часто, но не всегда, применяются к среде производства аквапоники. Эти общие принципы касаются порядка функционирования системы и распределения питательных веществ между системой и ее обитателями.

Основная посылка аквапоники в динамическом контексте питательных веществ заключается в том, что рыба питается кормом для рыб, метаболизируется и используется питательные вещества в кормах для рыб, рыба высвобождает отходы на основе веществ в корме для рыб, которые они не используют (включая элементы), микрофлора получает доступ к этим метаболическим отходам рыб и использует небольшие количества из них, но превращают остальные, и растения затем получают доступ и удаляют эти микрофлоры преобразованные, рыба метаболических отходов в качестве источников питательных веществ и, в некоторой степени, очищают водную среду от этих отходов и противодействуют любому связанному с этим накоплению (Rakocy and Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

Поскольку системы производства рыбы на земляной основе сами удаляют питательные вещества, аквапоника, как правило, использует принципы рециркулирующей системы аквакультуры (РАС) для компонента производства рыбы (Rakocy and Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). Рыба хранится в резервуарах, изготовленных из материалов, которые не удаляют питательные вещества из воды (пластик, стекловолокно, бетон и т.д.), вода фильтруется для обработки или удаления метаболических отходов рыбы (твердые вещества и растворенные аммиачные газы), а вода (и связанные с ними питательные вещества) направляется на растение культурная составляющая, в соответствии с которой растения используют рыбные отходы как часть своего питательного ресурса (Timmons et al. 2002). Что касается рыб, то растительные компоненты на земляной основе не используются, поскольку соответствующие почвы удаляют питательные вещества и не обязательно делают их полностью доступными для растений. Кроме того, гидропонные методы выращивания растений не используют почву и являются более чистыми, чем системы, основанные на почве, и позволяют некоторый пассивный контроль над присутствующими смесями микроорганизмов.

Растения, культивируемые в традиционной гидропонике, требуют добавления так называемых минеральных удобрений: питательных веществ, которые присутствуют в их базальной, ионной формах (например, нитрат, фосфат, калий, кальций и т.д. в качестве ионов) (Resh 2013). С другой стороны, рециркулирующие системы аквакультуры должны применять регулярный (ежедневный) обмен водой для контроля за накоплением метаболитов рыбных отходов (Timmons et al. 2002). Aquaponics стремится объединить два отдельных предприятия для получения результата, который достигает лучших из двух технологий, отрицая худшие (Goddek et al. 2015).

Для оптимального и эффективного роста растений требуется набор макро- и микроэлементов. В аквапонике большинство этих питательных веществ происходит из рыбных отходов (Rakocy and Hargreaves 1993; Lennard 2017; COST FA1305 2017). Однако корма для рыб (основной источник питательных веществ аквапонной системы) не содержат всех питательных веществ, необходимых для оптимизации роста растений, и поэтому требуется внешнее питание в той или иной степени.

Стандартная гидропоника и субстратная культура добавляют питательные вещества в воду в формах, которые непосредственно доступны для растений (т.е. ионные, неорганические формы, получаемые с помощью разработанных добавок сортов соли) (Resh 2013). Доля отходов, высвобождаемых рыбой, находится в формах, которые являются непосредственно доступными для растений (например, аммиак), но потенциально токсичными для рыб (Timmons et al. 2002). Эти растворенные, ионные отходы рыб метаболиты, такие как аммиак, трансформируются повсеместными бактериальными видами, которые заменяют ионы водорода ионами кислорода, продукт из аммиака является нитратом, который гораздо менее токсичен для рыб и предпочтительным источником азота для растений (Lennard 2017). Другие питательные вещества, подходящие для поглощения растений, связаны в твердой фракции рыбных отходов как органические соединения и требуют дальнейшей обработки через микробное взаимодействие, чтобы сделать питательные вещества доступными для поглощения растений (Goddek et al. 2015). Таким образом, аквапонные системы требуют наличия набора микрофлоры для выполнения этих преобразований.

Ключом к оптимизации аквапонной интеграции является определение соотношения между производством рыбных отходов (непосредственно под влиянием добавления кормов для рыб) и использованием питательных веществ растений (Rakocy and Hargreaves 1993; Lennard and Leonard 2006; Goddek et al. 2015). В попытке определить этот баланс были разработаны различные правила и модели. Rakocy et al. (2006) разработали подход, который соответствует требованиям к площади выращивания растений с ежедневным поступлением корма для рыбы, и назвали его «коэффициентом кормления Aquaponic». Коэффициент кормления составляет от 60 до 100 граммов корма для рыбы, добавляемого в день, на квадратный метр площади выращивания растений (60—100 г/мсуп2/суп/суп/суп/суб). Этот коэффициент кормления был разработан с использованием Tilapia spp. рыбы, употребляющей стандартную, 32% белковую коммерческую диету (Rakocy and Hargreaves 1993). Кроме того, аквапонная система, к которой относится это соотношение (известная как Aquaponic System Университета Виргинских островов — UVI System), не использует фракцию твердых отходов рыбы, имеет избыточный запас азота и требует внутрисистемной пассивной денитрификации для контроля скорости накопления азота ( Леннард 2017). Другие определили альтернативные соотношения, основанные на различных комбинациях рыб и растений, испытанные в различных конкретных условиях (например, Endut et al. 2010 — 15—42 г/мсуп2/суп/день для африканского сома, Clarias gariepinus и растений водного шпината, Ipomoea aquatica).

Коэффициент кормления UVI был разработан Rakocy и его командой в качестве приблизительного подхода; следовательно, почему он указан как диапазон (Rakocy and Hargreaves 1993). В соотношении UVI делается попытка учесть тот факт, что различные растения требуют разного количества питательных веществ и смесей, и поэтому «общий» подход к разработке аквапоники представляет собой трудную перспективу. Леннард (2017) разработал альтернативный подход, направленный на то, чтобы напрямую сопоставить темпы производства питательных веществ отдельных рыбных отходов (на основе используемого корма для рыбы и конверсии и использования этого корма) с конкретными показателями поглощения питательных веществ в растениях, чтобы требовательное соотношение рыбы к растениям соответствовало любым Выбранные виды рыб или растений могут быть реализованы и учтены при проектировании аквапонной системы. Он сочетает этот подход с конкретным подходом к управлению, который также использует все питательные вещества, имеющиеся в фракции твердых отходов рыбы (посредством аэробной реминерализации твердых отходов рыбы), и добавляет только питательные вещества, необходимые выбранным видам растений для культуры, которые отсутствуют в фракции отходов производства рыбы. Таким образом, это существенно снижает соответствующий коэффициент кормления (например, менее 11 г/мсуп2/суп/суп/день для некоторых лиственных зеленых сортов в качестве эквивалента УВИ) и позволяет точно и точно сопоставлять любые виды рыб с любыми выбранными видами растений (Lennard 2017). Аналогичным образом, Goddek et al. (2016) предложили модели, позволяющие более требовательно определять соотношение компонентов рыб и растений для развязанных аквапонных систем.

Общие принципы эффективного использования питательных веществ, низкого и эффективного использования воды, низкого или отрицательного воздействия на окружающую среду, возможности нахождения вдали от традиционных почвенных ресурсов и устойчивости использования ресурсов — это общие принципы, применяемые к проектированию и конфигурации аквапонной системы и их текущему следует поощрять применение на местах и в промышленности.