Aqu @teach: Питание питательных веществ в аквапонике
Химический состав системной воды в аквапонике очень сложен. Помимо большого массива растворенных ионов, он содержит органические вещества, образующиеся в результате высвобождения продуктов рыбного обмена и пищеварения кормов, а также вещества, выделяемые растениями. Эти вещества в значительной степени неизвестны, и их взаимодействие может еще больше влиять на химический состав и рН аквапонных питательных растворов. Все это может оказывать многообразное, но в основном неизвестное воздействие на поглощение растений питательных веществ, на здоровье рыб и микробную активность.
Питательные вещества попадают в аквапонную систему через добавленную воду и корм для рыб (Schmautz et al. 2016). С точки зрения элементарного состава рыбный корм содержит около 7,5% азота, 1,3% фосфора и 46% углерода (Schmautz, неопубликованные данные). Что касается органических соединений, то рыбный корм содержит белки (рыбная мука или растительная), жиры (рыбий жир, растительные масла) и углеводы (Boyd 2015). Травоядная рыба (например, Тилапия) нуждается в корме только около 25% белка, по сравнению с плотоядными рыбами, которые требуют около 55% белка (Boyd 2015). Как рыбная мука, так и соя являются неустойчивыми (по разным причинам), поэтому проводятся интенсивные исследования в целях поиска подходящих заменителей рыбной муки и растительного рациона питания (Boyd 2015; Davidson et al. 2013; Такон и Метиан 2008).
Если коэффициенты кормления рассчитаны правильно, то все добавляемые в систему корма едят, и выводится только то, что не используется для роста и обмена веществ (рис. 11). Доля выведенных питательных веществ также зависит от качества и усвояемости рациона (Buzby & Lin 2014). Важное значение для работы системы имеют усвояемость корма для рыбы, размер фекалий и коэффициент оседания (Yavuzcan Yildiz et al. 2017). Поэтому питательный состав воды аквапонной системы, вытекающий из качества добавленной воды, добавленных кормов для рыб, а также всех обменных реакций в системе, является чрезвычайно сложным и не всегда соответствует требованиям растений. Однако благосостояние рыбы должно быть предметом центральной обеспокоенности, и на каждом этапе разработки следует выбирать корма для рыб, с тем чтобы они соответствовали видам рыб. На втором этапе необходимо регулировать наличие питательных веществ, которые могут быть усвоены растениями.
#
Рис. 11: Экологический поток азота и фосфора (в%) для a) производства сепаратора Нил Тилапия (после Montanhini Neto & Ostrensky 2015); b) производства РАС (данные Strauch et al. 2018. «Необъяснимое» обозначает долю N и P, которая не может быть отнесена к какой-либо категории
Данные, приведенные в таблице 10, показывают, что большинство питательных веществ растений, но особенно P и Fe, находились в значительно более низкой концентрации в исследуемой аквапонной системе по сравнению со стандартными гидропонными растворами. Как представляется, это типичная ситуация в аквапонии, однако темпы роста аквапонных культур в большинстве случаев являются удовлетворительными (Schmautz, неопубликованные данные). Давайте подробнее рассмотрим это явление.
К сожалению, интерпретация этих данных очень сложна. Причина в том, что совсем недавно в питании растений почти двухвековый «закон Либига» (рост растений контролируется самым дефицитным ресурсом) был заменен сложными математическими моделями, которые учитывают взаимодействие между отдельными питательными элементами, соединениями и ионами (Бакстер) 2015 год). Эти методы не позволяют просто оценить последствия изменения уровня питательных веществ в гидропонной или аквапонной системе. Кроме того, мы должны иметь в виду, что идеальной формулировки потребностей в питании для конкретной культуры не существует. Требования к питанию варьируются в зависимости от сорта, стадии жизненного цикла, продолжительности дня и погодных условий (Bittszanskyet al. 2016; Resh 2013; Sonneveld & Voogt 2009).
Как правило, для хорошего роста растений в **гидропонике концентрация азота должна оставаться выше 165 мг/л N, фосфора выше 50 мг/л и калия выше 210 мг/л (Resh 2013). В аквапонике такие высокие концентрации трудно достичь по нескольким соответствующим элементам по трем причинам:
Чем выше концентрация в воде, тем выше потеря питательных веществ в результате обмена водой или осадка. Однако даже в замкнутой системе необходим определенный уровень водного обмена, чтобы компенсировать потери эвапотранспирации и уменьшить накопление нежелательных компонентов.
При повышенной концентрации питательных веществ в воде в системе также накапливаются такие компоненты, как соль или токсины.
Фосфор реагирует с кальцием, если он присутствует в более высоких концентрациях и осаждается в виде фосфата кальция.
Растения, растущие в гидропонном отсеке, имеют специфические требования, которые зависят от сорта растений и стадии роста (Resh 2013). Питательные вещества могут быть дополнены либо через системную воду (Schmautz et al. 2016), либо через внекорневую (Roosta & Hamidpour 2011).
Таблица 10: Сопоставление концентраций питательных веществ в стандартном гидропонном растворе и в воде из замкнутой аквапонной системы (Schmautz, неопубликованные данные)
| Концентрация [мг/л] | Соотношение концентрации(гидропоник/аквапоник) | |||
|---|---|---|---|---|
| Аквапоника (Шмаутц, не опубликовано) | Гидропоника (оптимизирована для салата, Resh 2013) | |||
| Макроэлементы | ||||
| N (как NO -) 3 | 147 | 165 | 1.1 | |
| N (как NH +) 4 | 2.8 | 15 | 5.4 | |
| P (как PO 3-) 4 | 5.1 | 50 | 10 | |
| K (как K+) | 84 | 210 | 2.5 | |
| Mg (как Mg2+) | 18 | 45 | 2.5 | |
| Ca (как Ca2+) | 180 | 190 | 1.1 | |
| S (как SO 2-) 4 | 21 | 65 | 3.1 | |
| Микроэлементы | ||||
| Fe (как Fe2+) | 0,2 | 4 | 20 | |
| Zn (Zn2+) | 0,2 | 0.1 | 0.5 | |
| B (как B [OH]-) 4 | 0.1 | 0.5 | 5 | |
| Mn (как Mn2+) | 1.4 | 0.5 | 0,4 | |
| Cu (как Cu2+) | 0.1 | 0.1 | 1 | |
| Мо (как MoO 2-) 4 | 0,002 | 0,05 | 25 | |
Как правило, при соответствующих нормах залова рыбы уровни азот** (N, как нитрат) ** достаточны для хорошего роста растений, в то время как уровни ряда других питательных веществ, в частности железа (Fe), фосфора (P), калия (K) и магния (Mg) **, как правило, недостаточны для максимального роста растений. Как видно из таблицы, другие питательные микроэлементы также могут ограничиваться. В аквапонике особенно важно контролировать рН, поскольку при рН выше 7 несколько питательных веществ (см. рис. 10) могут выпадать из воды и, таким образом, становятся недоступными для растений.
**Калий (К) ** не нужен рыбе, что приводит к низкому калийному составу корма для рыб и еще более низкому уровню калия, доступному для растений (Seawright et al. 1998). Для подачи калия часто используется буфер рН КОН, так как рН часто уменьшается в аквапонике из-за нитрификации (Graber & Junge 2009). Это имеет дополнительное преимущество в повышении уровня калия, хотя он может быть токсичным для рыбы. Сообщается, что значение ЛК50 острой токсичности рыб составляет порядка 80 мг/л. В аквапонных системах, засеянных томатом, калий накапливается преимущественно в плодах (Schmautz et al. 2016).
**Железо (Fe) ** также часто является ограничивающим фактором в аквапонике, поэтому его можно добавить в качестве профилактической меры до того, как недостатки станут очевидными. Высокая концентрация железа не повредит аквапонной системе, хотя она может придать воде легкий красный цвет. Для обеспечения легкого поглощения растениями, железо следует добавлять в виде хелатного железа, также известного как секвестрированное железо. Существуют различные типы хелатов железа: Fe-EDTA, Fe-DTPA и Fe-Eddha. Железо можно добавлять в системную воду (например, 2 мг L−1 раз в две недели) или распылять непосредственно на листья (внекорневое нанесение) 0,5 г л−1 ) (Roosta & Hamidpour 2011).
Основным источником **кальция (Ca), магния (Mg), ** и **серы (S) ** является водопроводная вода, которая облегчает поглощение растениями, поскольку питательные вещества уже доступны (Delaide et al. 2017). Тем не менее, эти элементы часто находятся на низком уровне в аквапонных системах (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998, Шмаутц, неопубликованные данные). Особенно Ca часто является ограничивающим фактором в аквапонике, так как его можно переносить только через активную транспирацию ксилемы. Когда условия слишком влажные, кальций может быть доступен, но заблокирован, потому что растения не проходят. Увеличение потока воздуха с вентиляторами или вентиляторами может предотвратить эту проблему. В противном случае необходимо дополнить карбонат кальция (CaCo3) или гидроксид кальция (Ca (OH)2).
**Цинк (Zn) ** используется как часть процесса оцинкования некоторых металлических деталей, которые могут быть использованы в строительстве АП (резервуары для рыбы, болты и т.д.) и содержатся в рыбных отходах. Хотя дефицит цинка является редким, токсичность цинка может представлять проблему в аквапонике, потому что, хотя растения могут переносить избыток, рыба не может. Уровни цинка должны поддерживаться в пределах 0,03 - 0,05 мг/л. Большинство рыб будут испытывать стресс на уровне 0,1 - 1 мг/л и начнут умирать при 4-8 мг/л. Наилучший способ сохранить уровни цинка в безвредном диапазоне — это избежать оцинкованного оборудования (Storey 2018). Тем не менее, в некоторых системах может возникнуть дефицит цинка. Дефицит цинка может быть уменьшен за счет внекорневого применения хелатного цинка (Treadwell et al. 2010).
Таким образом, возникает вопрос, необходимо ли и эффективно добавлять питательные вещества в аквапонные системы (Nozzi et al. 2018). При условии, что система снабжена достаточным количеством рыбы, а pH находится в правильном уровне, нет необходимости добавлять питательные вещества для растений с коротким циклом выращивания, которые не производят фруктов (например, листовая зелень, такая как салат, Nozzi et al. 2018). Напротив, фруктовые овощи (например, помидоры, баклажаны) требуют добавок питательных веществ. Количество необходимых минеральных удобрений можно рассчитать с помощью программного обеспечения HydroBuddy (Фернандес 2016) (см. также упражнение в модуле 6). В дополнение к нашему опыту в дополнении минеральных питательных веществ, в будущем необходимо протестировать имеющиеся в продаже органические гидропонные удобрения, чтобы определить, какие из них не вредят жизни рыб. Недавно была предложена обработка рыбного ила в реакторе и повторное введение этого дигестата в водную систему для увеличения подачи питательными веществами растений (Goddek et al. 2016). Еще одним возможным преимуществом снабжения аквапонной системы органическими, а не минеральными, питательными веществами может оказать положительное влияние на микробную популяцию.
*Авторское право © Партнеры проекта Aqu @teach. Aqu @teach является стратегическим партнерством Erasmus+ в области высшего образования (2017-2020), возглавляемым Университетом Гринвича, в сотрудничестве с Цюрихским университетом прикладных наук (Швейцария), Техническим университетом Мадрида (Испания), Люблянским университетом и Биотехническим центром Naklo (Словения) . *