9.4 Баланс массы: что происходит с питательными веществами после того, как они попадают в Aquaponic System?

9.4.1 Контекст

Функционирование аквапонных систем основано на динамическом равновесии циклов питательных веществ (Somerville et al. 2014). Поэтому необходимо понимать эти циклы, чтобы оптимизировать управление системами. Растения, растущие гидропонически, имеют специфические требования, которые должны быть выполнены на различных этапах их выращивания (Resh 2013). Поэтому необходимо внимательно следить за концентрацией питательных веществ в различных средах системы и дополнять питательные вещества для предотвращения их недостатков (Resh 2013; Seawright et al. 1998) либо в воде системы, либо в виде внекорневой формы (Roosta and Hamidpour 2011).

Согласно Delaide et al. (2016), в некоторых случаях добавление аквапонного раствора минеральными питательными веществами для достижения тех же концентраций питательных веществ, что и в гидропонике, может привести к более высокой урожайности, чем в гидропонике. Первым шагом на пути к сбалансированной системе является правильная конструкция и относительные размеры отсеков (Buzby and Lin 2014). Если гидропонный отсек слишком мал по сравнению с емкостями для рыб, то питательные вещества будут накапливаться в воде и могут достигать токсического уровня. Коэффициент корма (т.е. количество кормов для рыбы в системе на основе поверхности растениеводства и типа растений) часто используется для первого калибровки системы (Rakocy et al. 2006; Somerville et al. 2014). Однако, согласно Seawright et al. (1998), невозможно достичь соотношения растений/рыбы, которое позволило бы оптимально удовлетворить потребности растений, если бы в качестве входного материала использовался только корм для рыбы. Чтобы убедиться, что система хорошо сбалансирована и функционирует должным образом, методы мониторинга, как правило, основаны на азотном цикле (Cerozi и Fitzsimmons 2017; Somerville et al. 2014), но для обеспечения оптимального функционирования системы необходимо более внимательно следить за балансом других макроэлементов ( N, P, K, Ca, Mg, S) и микроэлементов (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013; Somerville et al. 2014; Sonneveld and Voogt 2009). Недавние исследования (Delaide et al. (2017), Schmautz et al. (2015, 2016)) начали заниматься этой темой. Schmautz et al. (2015, 2016) сравнили влияние трех различных гидропонных макетов (т.е. технологии питательной пленки (NFT), плавучего плота и капельного орошения) на поглощение питательными веществами аквапонных томатов. Капельное орошение было системой, которая дала несколько лучшие урожаи с томатами. Минеральное содержание плодов (P, K, Ca, Mg) эквивалентно обычным значениям, несмотря на то, что содержание железа и цинка было выше. Листья, однако, имели более низкие уровни P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu и Zn, чем в обычном сельском хозяйстве. Delaide et al. (2016) следовали циклам макро- и микроэлементов в связанной аквапонной системе. Они отметили, что K, P, Fe, Cu, Zn, Mn и Mo не имеют в своем аквапонном растворе, в то время как N, Ca, B и Na быстро накапливались. Graber and Junge (2009) отметили, что их аквапонный раствор содержит в три раза меньше азота и в десять раз меньше фосфора, чем гидропонный раствор. Что касается калия (К), то он был в 45 раз ниже по сравнению с гидропоникой. Тем не менее, они получили урожайность как аналогичные урожаи, несмотря на то, что качество было хуже из-за отсутствия калия (К).

Факторы, влияющие на циклы питательных веществ

Интенсивность света, температура корневой зоны, температура воздуха, наличие питательных веществ, стадия роста и скорость роста — все это влияет на поглощение растений питательными веществами (Buzby and Lin 2014). Эксперименты, проведенные Schmautz et al. (2016) и Lennard and Leonard (2006), показали, что гидропонный метод также может играть определенную роль в поглощении растений питательными веществами, и поэтому необходимо сопоставить систему выращивания с типом выращиваемых овощей. Таким образом, NFT и DWC (глубоководная культура — плот) подходят для зелени, в то время как капельное орошение на каменноватных плитах больше подходит для фруктовых овощей (Resh 2013).

9.4.2 Макронутриентные циклы

**Углерод (С) **

Углерод подается рыбе через корм (Timmons and Ebeling 2013) и растениям с помощью фиксации COSub2/Sub. Рыба может использовать 22% углерода, содержащегося в корме для рыб, для увеличения биомассы и обмена веществ. Остальная часть поглощенного углерода либо экскретируется в форме COSub2/Sub (52%), либо выводится в растворенной (0,7— 3%) и твердой (25%) форме (Timmons and Ebeling 2013). Очищенный COSub2/Sub может также использоваться заводами для собственного источника углерода (Körner et al. 2017). Несъеденная часть кормового углерода остается для разложения в системе. Вид углеводов, содержащихся в кормах для рыб (например, крахмальные или некрахмальные полисахариды), также может влиять на усвояемость корма и биоразлагаемость отходов в аквакультуре или аквапонной системе (Meriac et al. 2014).

**Азот (N) **

Азот поглощается растениями либо в нитратной, либо аммониевой форме (Sonneveld and Voogt 2009; Xu et al. 2012) в зависимости от концентрации и физиологии растений (Fink and Feller 1998 цитируется Wongkiew et al. 2017). Не следует упускать из виду ассоциации растений и микроорганизмов, поскольку растения влияют на присутствие микроорганизмов в аквапонике, а микроорганизмы могут играть значительную роль в поглощении азота растений (Wongkiew et al. 2017). На поглощение азота растениями влияет концентрация углекислого газа в окружающем воздухе (Zhang et al. 2008 цитируется Wongkiew et al. 2017).

**Фосфор (P) **

Фосфор является одним из важнейших элементов роста растений и может быть поглощен в ионной ортофосфатной форме (HSub2/subposub4/subsup-/SUP, HPOSub4/sUP2-/SUP, POSub4/sUP3-/SUP) (Prabhu et al. 2007; Resh 2013). О динамике фосфора в аквапонике мало известно. Основным источником фосфора в систему является корм для рыб (Cerozi и Fitzsimmons 2017; Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2015), а в недополненных системах (глава 7), фосфор, как правило, может ограничивать рост растений (Graber и июнь 2009 года; Сирайт и др., 1998 год). По данным Rafiee and Saad (2005), рыба может использовать до 15% фосфора, содержащегося в корме. В системе выращивания салата Cerozi и Fitzsimmons (2017) заметили, что количество фосфора, обеспечиваемого кормом для рыбы, может быть достаточным или недостаточным в зависимости от стадии роста. До 100% фосфора, присутствующего в рыбной воде, может быть переработано в растительной биомассе, в зависимости от конструкции системы. Graber and Junge (2009) наблюдали 50% переработки, в то время как Schmautz et al. (2015) сообщили, что 32% фосфора можно найти в плодах и 28% в листьях. Растворимость фосфора зависит от рН, а более высокий рН будет способствовать осаждению фосфора, тем самым делая его недоступным для растений (Yildiz et al. 2017). Фосфор может осаждаться как струвит (фосфат магния аммония) (Le Corre et al. 2005) и/или гидроксиапатит (Cerozi и Fitzsimmons 2017; Goddek et al. 2015). Эти нерастворимые комплексы удаляются с помощью твердого рыбного ила из системы. Schneider et al. (2004) сообщили, что 30— 65% фосфора, содержащегося в корме для рыб, остается недоступным для растений, так как он фиксируется в твердых экскрементах, которые затем удаляются с помощью механической фильтрации. По оценкам Yogev et al. (2016), этот убыток может составить до 85%. Одним из вариантов предотвращения такой массовой потери P через твердый шлам является добавление пищеварения в систему аквапоники. Во время аэробного или анаэробного сбраживания Р высвобождается в дигестат и может быть повторно введен в циркулирующую воду (Goddek et al. 2016).

**Калий (K) **

Delaide et al. (2017) обнаружили, что основным источником K в их системе является корм для рыб. Рыба может потреблять до 7% K, содержащихся в кормах для рыб (Rafiee and Saad 2005). Однако калий не нужен для рыб, что приводит к низкому калийному составу корма для рыб и еще более низкому уровню калия, доступному для растений (Graber and Junge 2009; Seawright et al. 1998; Suhl et al. 2016). Для подачи калия часто используется буфер рН КОН, поскольку рН часто уменьшается в аквапонике из-за нитрификации (Graber and Junge 2009). В аквапонной системе, посаженной томатами, калий накапливается в основном в плодах (Schmautz et al. 2016).

**Магний (Mg), кальций (Ca) и серы (S) **

Основным источником Mg, Ca и S является водопроводная вода, которая облегчает поглощение растениями, поскольку питательные вещества уже доступны (Delaide et al. 2017). Однако кальций присутствует в недостаточном уровне в аквапонике (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998) и добавляется в виде гидроксида кальция Ca (OH) sub2/sub (Timmons and Ebeling 2013). Согласно Rafiee and Saad (2005), рыба может потреблять в среднем 26,8% кальция и 20,3% магния, присутствующего в корме. Сера часто находится на низком уровне в аквапонных системах (Graber and Junge 2009; Seawright et al. 1998).

9.4.3 Циклы питательных микроэлементов

Железо (Fe), марганец (Mn) и цинк (Zn) получают главным образом из корма для рыб, в то время как бор (B) и медь (Cu) получают из водопроводной воды (Delaide et al. 2017). В аквапонике основные микроэлементы часто присутствуют, но находятся на слишком низком уровне (Delaide et al. 2017), и в этом случае требуется дополнительное питание из внешних источников питательных веществ (глава 8). Дефицит железа очень часто встречается в аквапонике (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998; Fitzsimmons and Posadas; 1997 цитируется Licamele 2009), главным образом из-за отсутствия формы ионов железа. Этот недостаток можно решить путем использования бактериального сидерофора (т.е. органических железохелатных соединений), производимых такими родами, как Bacillus или Pseudomonas (Bartelme et al. 2018), или путем добавления железа химическим хелатным железом, чтобы избежать осадков железа.

9.4.4 Потери питательных веществ

Сокращение потерь питательных веществ является постоянной задачей, стоящей перед практикующими аквапоники. Потеря питательных веществ происходит несколькими способами, например, поселение осадка (37% фекалий и 18% нееденных кормов) (Neto и Ostrensky 2015), потери воды, денитрификация, летучесть аммиака и т.д. (Wongkiew et al. 2017). В качестве примера, Rafiee and Saad (2005) отмечают, что 24% железа, 86% марганца, 47% цинка, 22% меди, 16% кальция, 89% магния, 6% азота, 6% калия и 18% фосфора, содержащегося в корме для рыб, содержались в шламе. В осадке может содержаться до 40% питательных веществ, присутствующих в кормовых поступлениях (Yogev et al. 2016).

Денитрификация может привести к потере 25— 60% азота (Hu et al. 2015; Zou et al. 2016). Денитрификация также связана с аноксическими условиями (Madigan and Martinko 2007; van Lier et al. 2008) и низким уровнем углерода и является причиной превращения нитрата в нитрит, оксид азота (NO), закись азота (NSub2/Subo) и, в конечном счете, газ азота (NSub2/Sub), с потоками в атмосферу (там же. ). Денитрификация проводится несколькими факультативными гетеротрофными бактериями, такими как Ахромобактер, Аэробактер, _Ацинетобактерий, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus и Micrococccus sp. (Gentile et al. 2007; Michaud et al. 2006; Wongkiew et al. Некоторые бактерии могут выполнять как нитрификацию, так и денитрификацию, если уровень растворенного кислорода ниже 0,3 мг/л (Fitzgerald et al. 2015; Wongkiew et al. 2017). Потеря азота может также возникать в результате анаэробного окисления аммония (ANAMMOX), т.е. окисления аммония в динитрогенный газ в присутствии нитрита (Hu et al. 2011).

Еще одной важной потерей азота, которая должна быть доступна для растений, является потребление азота гетеротрофными аэробными бактериями, присутствующими в аквапонных системах. Действительно, азот, используемый этими бактериями, теряется от нитрифицирующих бактерий, и, таким образом, нитрификация затрудняется (Blancheton et al. 2013). Эти бактерии особенно присутствуют, когда соотношение C/N увеличивается, поскольку они более конкурентоспособны и способны колонизировать среду, чем автотрофические нитрифицирующие бактерии (Blancheton et al. 2013; Wongkiew et al. 2017).

9.4.5 Динамика систем баланса питательных веществ

Концентрация питательных веществ двух основных подсистем в аквапонной системе, т.е. в емкостях для рыб (аквакультура) и гидропонный раствор, должна быть сбалансирована с учетом каждой из их потребностей. В закрытых аквапонных системах питательные вещества переносятся от рыбы к растениям более или менее непосредственно через фильтры (обычно барабанный фильтр или отстойник, а затем биофильтр) для нитрификации. Однако потребности культур в питательных веществах и питательных веществах, поставляемых из аквапонной подсистемы, не сбалансированы. В многоконтурных и развязанных системах (глава 8) легче обеспечить оптимальные условия как для секций рыб, так и для растений. С помощью моделирования систем (глава 11) можно рассчитать оптимальный размер гидропонной площади для емкостей для рыб, биофильтров и другого оборудования (Goddek and Körner 2019). Это особенно важно для развязанных многоконтурных систем, которые включают различные типы оборудования. Например, UASB (восходящее анаэробное иловое одеяло) (Goddek et al. 2018) или опреснительные установки (Goddek and Keesman 2018) должны быть тщательно определены, как описано в главе 8. Необходимо устранить и сбалансировать основное несоответствие питательных веществ, поставляемых рыбной средой, и потребностей сельскохозяйственных культур. Для повышения концентрации питательных веществ Goddek и Kesman (2018) описали соответствующую установку опреснения (глава 8). Этот подход, однако, решает лишь часть проблемы, так как идеально сбалансированная система управляется нединамической скоростью испарения, достижимой только в закрытых камерах и идеально работающих установках. Однако реальность такова, что эвапотранспирация урожая (ETSubc/Sub) в системах аквапоники на основе теплиц в значительной степени зависит от множества факторов, таких как физический климат и биологические переменные. Etsubc/sub рассчитывается по площади поверхности земли, покрытой урожаем, и рассчитывается для различных уровней в пологе (z) путем интеграции облучающих чистых потоков, сопротивления граничного слоя, устойчивости к устьям и дефицита давления паров, /sub в пологе (Körner et al. 2007) с использованием Penman— Уравнение Монтейта. Это уравнение, тем не менее, вычисляет только поток воды через урожай. Употребление питательных веществ может быть рассчитано просто на основе предположения о том, что все разбавленные питательные вещества в воде поглощаются урожаем. На самом деле, однако, усвоение питательных веществ является весьма сложным вопросом. Различные питательные вещества имеют разные состояния, меняющиеся с такими параметрами, как рН. Между тем наличие питательных веществ в растениях сильно зависит от pH и зависимости питательных веществ друг от друга (например, наличие K/Ca). Кроме того, микробиом в корневой зоне играет важную роль (Orozco-Mosque et al. 2018), который еще не реализован в моделях, хотя некоторые модели различают пути флоема и ксилема. Таким образом, огромное количество питательных веществ не смоделировано в деталях для балансировки водных питательных веществ и определения размеров систем. Самый простой способ оценить поглощение питательных веществ - это предположение о том, что питательные вещества поглощаются или поглощаются как растворенные в оросительной воде и применяются к описанному выше подходу расчета ETSUBC/Sub и предполагают, что не существует конкретных химических, биологических или физических сопротивлений. Следовательно, для поддержания равновесия все питательные вещества, поглощенные растениями, содержащиеся в питательном растворе, должны быть добавлены обратно в гидропонную систему.