5.5 Требования к качеству воды

Аквапоника представляет собой попытку контролировать качество воды таким образом, чтобы все нынешние формы жизни (рыба, растения и микробы) культивировались в максимально приближенных к идеальным условиям химического состава воды (Goddek et al. 2015). Если химия воды может соответствовать требованиям этих трех наборов важных форм жизни, можно добиться эффективности и оптимизации роста и здоровья всех (Lennard 2017).

Оптимизация важна для коммерческого аквапонического производства, поскольку коммерческий успех (т.е. финансовая рентабельность) может быть реализован только путем оптимизации. Поэтому требования к химическому составу воды и качеству воды в аквапонной системе имеют решающее значение для достижения конечного коммерческого и экономического успеха предприятия (Goddek et al. 2015).

В настоящее время в рамках более широкой аквапонной промышленности и сообщества существуют разногласия в отношении того, что представляет собой хорошее или приемлемое качество воды в аквапонных системах. Представляется, что общепризнано, что требования к химическому составу природных вод отдельных подмножеств форм жизни (рыба, растения и микробы) широко согласованы (Rakocy and Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). Однако наличие широкого спектра подходов, методов и технологий, которые называются аквапонией, а также история или история связанных с ними, автономных технологий рециркулирующих систем аквакультуры (РАС) и гидропонной культуры растений (включая субстратную культуру), как представляется, приводит к разногласия между операторами, учеными и конструкторами. Например, принимая во внимание только один единственный химический параметр воды, pH, некоторые утверждают, что требования к pH для гидропонокультурных растений сильно отличаются от требований pH для видов пресноводных рыб, культивируемых RAS (Suhl et al. 2016). Гидропонная промышленность обычно применяет параметры pH от 4,5 до 6,0 для культуры растений на водной основе (Resh 2013), в то время как отрасль RAS обычно применяет параметры pH от 7,0 до 8,0 (Timmons et al. 2002) для удовлетворения потребностей рыб и присутствующих микробов (которые выполняют важные функции превращения потенциально токсичных метаболитов рыб в менее токсичные формы). Таким образом, аргумент заключается в том, что любая установленная точка pH является компромиссом между требованиями растений, рыб и микробов, и поэтому оптимальный рН для всех форм жизни не достижим, что приводит к неоптимальному производству растений (Suhl et al. 2016). Другие утверждают, однако, что более тщательный анализ сложностей динамики питательных веществ при поглощении питательных веществ растений может прояснить другое мнение (Lennard 2017).

Гидропонные системы (и субстратная культура) питают растения питательными веществами в их базальных ионных формах, добавляя питательные соли в воду, которые диссоциируются, чтобы высвободить доступные ионы питательных веществ (Resh 2013). Исследования показали, что эти ионные формы питательных веществ существуют в окне доступности растения, на основе имеющейся системы рН воды. Поэтому в стандартном гидропонном контексте, при отсутствии микробной флоры (т.е. стерилизованной, как и большинство гидропонных систем), важно установить pH системной воды до уровня, который делает смесь ионных питательных веществ, необходимых растению как можно более доступной (Resh 2013). В любой гидропонной системе это само по себе компромисс, потому что, как показывает любая диаграмма наличия ионных питательных веществ (см. рис. 5.4), различные ионные формы питательных веществ наиболее доступны при различных pH (Resh 2013). Именно эта стандартная ассоциация наличия ионных питательных веществ используется гидропонной промышленностью в качестве грунтовки для установленных точек рН и объясняет, почему желаемый гидропонный рабочий рН находится где-то между 4,5 и 6,0 (кислотная среда) в стерилизованных гидропонных системах и системах субстратной культуры.

В качестве альтернативы RAS применяет установочную точку рН воды, основанную на естественном значении для выращиваемой рыбы и микробов, обрабатывающих и преобразующих рыбные отходы

Рис. 5.4 Пример стандартной схемы обеспеченности питательными веществами, опосредованной рН растений. Красная линия представляет собой нормальный рабочий рН для гидропонной системы; синяя линия для аквапонной системы

(Тиммонс и др. 2002; Годдек и др. 2015; Зуль и др. 2016). В естественных пресноводных средах большинству видов рыб требуется экологический рН (т.е. рН воды), который тесно соответствует внутреннему рН рыбы, который часто приближается к рН 7,4 (Lennard 2017). Кроме того, основные микробы, связанные с преобразованием растворенного метаболита в культуре РАС (нитрификационные бактерии нескольких видов), также требуют рН около 7,5 для оптимального преобразования аммиака в нитрат (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Поэтому операторы RAS применяют установленную величину pH приблизительно 7,5 к культуре пресноводных рыб.

Существует очевидная разница между pH 5,5 (средний показатель для стандартной, стерилизованной, гидропонной растительной культуры) и рН 7,5 (средний стандарт для рыбокультуры РАС). Таким образом, широко утверждается, что pH представляет собой один из крупнейших компромиссов в области качества воды, существующих в аквапонии (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Сторонники развязанных аквапонных конструкций часто ссылаются на это различие в оптимальном требовании pH в качестве аргумента в пользу развязанного подхода к проектированию, заявляя, что полностью рециркулирующие конструкции должны найти компромисс рН, когда развязанные конструкции имеют роскошь применения различных уставных точек рН воды к рыбе и растению компоненты (Зуль и др. 2016; Годдек и др. 2016). Однако этот аргумент игнорирует то, что аквапонные системы, в отличие от гидропонных систем, не являются стерильными и используют экологические водные методы, которые стимулируют присутствие различных популяций микрофлоры в аквапонной системе (Eck 2017; Lennard 2017). Это приводит к широкому разнообразию существующих микробов, многие из которых образуют сложные и сложные ассоциации с растениями, особенно корнями растений, в аквапонной системе (Lennard 2017). Хорошо известно и установлено в физиологии растений, что многие микробы, связанные с почвенной средой и матрицей, тесно связаны с корнями растений и что многие из этих микробов помогают растениям получать доступ и поглощать жизненно важные питательные вещества (Vimal et al. 2017). Известно также, что некоторые из этих микробов производят органические молекулы, которые непосредственно способствуют росту растений, способствуют развитию иммунитета растений и помогают превзойти конкуренцию растительным (особенно корневым) патогенам (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). По сути, эти микробы помогают растениям во многих отношениях, которых просто нет в стерилизованной среде, применяемой в стандартной гидропонной культуре.

При наличии этих разнообразных микробов растения получают доступ к питательным веществам во многих отношениях, что невозможно в системах, использующих только водные параметры pH для обеспечения доступа к питательным веществам растений (например, стандартная гидропоника и субстратная культура). Многие из этих микробов работают при широком уровне pH, как и другие почвенные микробы, такие как нитрификационные бактерии (pH 6,5—8,0, Timmons et al. 2002). Таким образом, при наличии этих микробов в аквапонных системах установочная точка pH может быть поднята выше, чем обычно применяется в гидропонных или субстратных методах культуры (т.е. pH 4,5—6,0), в то время как прогрессивный и эффективный рост растений все еще присутствует (Lennard 2017). Об этом свидетельствуют работы нескольких исследователей аквапоники, которые продемонстрировали более высокие темпы роста растений в аквапонике, чем в стандартной гидропонике (Nichols and Lennard 2010).

Другие требования к качеству воды в аквапонных системах связаны с физическими/химическими параметрами и, в частности, с параметрами потребностей в питательных веществах растений. С точки зрения физических/химических потребностей растения, рыба и микробы имеют множество общих черт. Растворенный кислород (DO) имеет жизненно важное значение для рыб, корней растений и микрофлоры и должен поддерживаться в аквапонных системах (Rakocy and Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). Корни растений и микрофлоры, как правило, требуют относительно более низких концентраций DO, чем у большинства рыб; корни растений и микробы могут выжить при сохранении DO менее 3 мг/л (Goto et al. 1996), в то время как большинство рыб требуют более 5 мг/л (Timmons et al. 2002). Поэтому, если концентрация DO в аквапонной системе установлена и поддерживается в соответствии с требованиями к рыбе, требования к растениям и микробам также удовлетворяются (Lennard 2017). Различные виды рыб требуют различных концентраций DO: рыба с теплой водой (например, Tilapia spp., barramundi), как правило, может переносить более низкие концентрации DO, чем виды рыб в прохладной воде (например, лососевые, такие как радужная форель и арктический корец); поскольку требования к DO рыбы почти всегда больше, чем растения корни и микроцветочные требования, DO должны быть установлены для конкретных видов рыб, которые культивируются (Lennard 2017).

Концентрации двуокиси углерода в воде (COSub2/Sub), как и для DO, обычно устанавливаются рыбой, потому что корни растений и микробы могут выдерживать более высокие концентрации, чем у рыбы. Концентрации двуокиси углерода имеют важное значение для оптимального здоровья и роста рыб и часто игнорируются в аквапонных конструкциях. Параметры и установочные точки для концентраций COSub2/sub должны быть такими же, как и для тех же видов рыб, культивируемых только в рыбопромысловых системах, и в целом их следует поддерживать на уровне ниже 20 мг/л (Masser et al. 1992).

Температура воды важна для всех существующих форм жизни в аквапонной системе. Виды рыб и растений должны быть максимально приближены к требованиям температуры воды (например, Tilapia spp. рыбы, как 25 ˚C плюс, и растения, такие как базилик, процветают при этой относительно высокой температуре воды; сорта салата, такие как более холодная вода, и, следовательно, лучше подобранная рыба является радугой форель) (Леннард 2017). Однако, как и в отношении других физических и химических параметров воды, удовлетворение потребностей рыб в температуре воды имеет первостепенное значение, поскольку микробы способны проходить отбор конкретных видов в зависимости от условий окружающей среды (например, дифференциация нитрификационных бактериальных видов происходит при различных температура воды и виды, которые лучше всего соответствуют конкретной температуре воды, будут доминировать нитрификационной бактериальной биомассы системы), и многие растения могут расти очень хорошо при более широком диапазоне температур воды (Lennard 2017). Соответствие температуры воды и поддержание ее в пределах плюс или минус 2˚C (т.е. высокий контроль температуры) с рыбой, является важным требованием в аквапонике, потому что, когда температура воды правильная и не отклоняется от идеального среднего, рыба добивается эффективного и оптимизированного обмена веществ и эффективно питаться и перерабатывать корма, что приводит к более высоким темпам роста рыбы и стабильным и предсказуемым выбросам отходов, что способствует культуре растений (Timmons et al. 2002).

Поддержание чистоты воды (низкая мутность) является еще одним важным параметром аквапонной культуры (Rakocy et al. 2006). Большая часть мутности воды обусловлена нагрузками взвешенных твердых веществ, которые не были надлежащим образом фильтрованы, и эти твердые вещества могут влиять на рыб, придерживаясь их жабры, что может снизить потенциальную скорость переноса кислорода и уровень выброса аммиака (Timmons et al. 2002). Для аквапонически культивируемой рыбы рекомендуется использовать взвешенные твердые вещества менее 30 мг/л (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Высокие взвешенные твердые вещества также влияют на корни растений, поскольку они обладают способностью прилипаться к корням, что может привести к неэффективности поглощения питательных веществ, но чаще всего обеспечивает повышенный потенциал для колонизации патогенных организмов, что приводит к плохому здоровью корней и конечной гибели растений (Rakocy et al. 2006). Эти взвешенные твердые вещества также способствуют распространению гетеротрофных бактерий (видов, которые разрушаются и метаболизируют органический углерод), которые, если им позволено доминировать в системах, могут превзойти другие необходимые виды, такие как нитрификационные бактерии.

Электропроводность (EC) является мерой, часто применяемой в гидропонике, чтобы получить представление о количестве общего питательного вещества, присутствующего в воде. Однако он не может предоставить информацию о составе питательных веществ, наличии или отсутствии отдельных видов питательных веществ или количестве отдельных видов питательных веществ, присутствующих в нем (Resh 2013). Он не часто применяется в аквапонике, потому что он измеряет только наличие ионных (заряженных) форм питательных веществ, и утверждалось, что аквапоника является органическим методом подачи питательных веществ, и поэтому EC не является соответствующей мерой (Hallam 2017). Однако растения, как правило, являются источником только ионных форм питательных веществ, и поэтому ЕС может быть использован в качестве общего инструмента или руководства для определения общего количества растительных питательных веществ в аквапонной системе (Lennard 2017).

Для полностью рециркулирующих аквапонных систем, с точки зрения физических и химических параметров, именно рыба является более требовательной в своих требованиях, и поэтому, если системам удается поддерживать требования рыб, растения и микробы имеют свои требования более чем удовлетворены (Леннард 2017). Разница, когда дело доходит до растений, заключается в их потребности в правильной смеси и силе питательных веществ, чтобы обеспечить оптимальный доступ и поглощение питательных веществ (будь то автономные или микробные), что приводит к эффективному и быстрому росту. Таким образом, развязанные аквапонные системы могут быть более привлекательными из-за того, что они позволяют более требовательно доставлять питательные вещества растениям (Goddek et al. 2016). Корма для рыбы и, следовательно, рыбные отходы не содержат правильную смесь питательных веществ для удовлетворения потребностей растений (Rakocy et al. 2006). Поэтому конструкция аквапонной системы должна учитывать недостающие питательные вещества и дополнять их. Полностью рециркулирующие аквапонные системы обычно дополняют питательные вещества, добавляя их в виды соли, используемые для управления ежедневным режимом буферизации рН; основная часть соли регулирует рН, а положительная часть соли позволяет добавлять недостающие питательные вещества растений (например, калий, кальций, магний) (Rakocy et al. 2006). Развязанные аквапонные конструкции извлекают сточные воды и связанные с ними твердые отходы из рыбного компонента и корректируют воду таким образом, чтобы она содержала питательные вещества, необходимые для производства растений, путем добавления питательных веществ в различных формах (Goddek et al. 2016). Эти добавки питательных веществ, как правило, основаны на использовании стандартных видов гидропонной соли, которые не обязательно обеспечивают какой-либо результат корректировки рН (например, фосфат кальция, сульфат кальция, фосфат калия и т.д.).

Путь к эффективному росту растений в аквапонных системах заключается в том, чтобы обеспечить водный питательный профиль, который обеспечивает все необходимые для растения питательные вещества (смесь) при необходимой силе (концентрация) (Леннард 2017). В полностью рециркулирующих аквапонных конструкциях или развязанных аквапонных конструкциях, которые не применяют методы стерилизации, как представляется, не требуется удовлетворять концентрациям питательных веществ или сильных сторон, применяемых в стандартных гидропониках, поскольку экологическая природа системы ассоциирует множество разнообразных микрофлора с корнями растений и эти микрофлоры способствуют доступу к питательным веществам растений (Lennard 2017). Для развязанных или других аквапонных конструкций, которые применяют стерилизацию к растительному компоненту и следуют стандартному гидропоническому аналоговому подходу, как представляется, необходимо попытаться приблизиться к стандартной гидропонной концентрации питательных веществ (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Компромисс, однако, с развязанным подходом заключается в том, что он приводит к внешним коэффициентам добавок далеко за пределами полностью рециркулирующих аквапонных конструкций; европейские развязанные конструкции в настоящее время в среднем 50% или больше внешних добавок питательных веществ (COST FA1305 2017; Goddek и Keesman 2018), в то время как UVI поставляет менее 20%, а другие системы могут поставлять менее 10% внешних питательных веществ (Lennard 2017).

Независимо от метода, все аквапонные системы должны стремиться к обеспечению растений питанием, необходимым для оптимизации роста, чтобы предоставить предприятию наибольшие шансы на финансовую жизнеспособность. В этом контексте большое значение имеет содержание питательных веществ и прочность воды, поставляемой на растения, и следует проводить регулярные проверки питательных веществ, с тем чтобы питательная смесь и прочность могли поддерживаться и управляться в качестве очень важного требования к качеству воды.