Aqu @teach: Введение в мониторинг

Научные параметры

научный параметр — это определяемая или измеримая характеристика или значение, выбранное из набора данных. переменной — это любой фактор, признак или условие, которые могут существовать в разных количествах или типах. В экспериментальной науке, как правило, существует три типа переменных: 1) независимые, 2) зависимые и 3) контролируемые. независимая переменная — это та, которую изменяет экспериментатор, чтобы измерить или наблюдать ответ или эффект. зависимая переменная — это измеренная реакция на изменения независимой переменной. управляемые переменные являются переменными, которые сохраняются постоянными в эксперименте.

Проиллюстрируем эти переменные с помощью воображаемого эксперимента с использованием аквапонной системы. Нам интересно, как общая масса рыбы влияет на производство аммиака в аквариуме, подключенном к гидропонной установке. Концентрация аммиака измеряется в г/л в аквариуме, а также в гидропонной установке. Количество и норма корма останутся неизменными, в то время как общая масса рыбы будет меняться с добавлением рыбы в аквариум. В этом мнимом эксперименте общая масса рыбы является независимой переменной (это то, что мы меняем), а концентрация аммиака — зависимая переменная (это то, что нас интересует — это то, что мы измеряем в ответ на изменение массы рыбы). Такие переменные, как количество корма, скорость кормления, интервалы времени между кормлением и изменением общей массы рыбы, температура воды в аквариуме и гидропонной установке, площадь поверхности биофильтра, количество растений в гидропонной установке и т.д., должны быть сохранены на постоянной основе для того, чтобы измеряют только влияние изменения общей массы рыбы на производство аммиака, и поэтому они являются контролируемыми переменными.

Важно отметить, что научные эксперименты (или измерения одного и того же параметра в мониторинге) проводятся кратными, как правило, тремя экземплярами, для проверки эмпирических данных или полученных результатов. Три реплики обычно достаточно, чтобы исключить любые потенциальные выбросы (если два других измерения согласны). Затем принимается среднее значение (в статистике, называемое средним арифметическим) таких измерений, с тем чтобы повысить точность результата. Необходимо также рассчитать стандартное отклонение (SD) трех реплицитов, с тем чтобы сообщить об изменчивости данных. Предпочтительно низкое стандартное отклонение. Не забудьте включить единицы измерения в свои измерения. Ниже приведены уравнения для расчета среднего арифметического и стандартного отклонения:

Где: $\ бар {x} $ = среднее арифметическое

$_1, _2, _3, _n$ = отдельные значения в наборе данных = количество точек данных в наборе (количество значений ‘x’)

Где:

= стандартное отклонение

σ = символ суммирования

= каждое отдельное значение в наборе данных

= среднее арифметическое

= количество точек данных в наборе (количество значений ‘x’)

Зачем мониторить?

Необходимость мониторинга в аквапонике возникает с двух точек зрения: законодательство и управление. Целостный характер аквапоники означает, что она подразделяется на несколько различных законодательных категорий в отношении политики на уровне ЕС. Общая политика в области рыболовства (КФП) и Общая сельскохозяйственная Политика (ПСП),, а также политика в области безопасности пищевых продуктов, здоровья и благосостояния животных, здоровья растений и природоохранного законодательства, в частности, могут применяться в зависимости от эксплуатационных характеристик системы. Законодательство и нормативные акты, которые должны соблюдаться при производстве аквапоники, включают, в частности, следующее:

• Рамочная директива по водным ресурсам (2000/60/EC) (РДВ) — среди прочего, РДВ устанавливает правила мониторинга, отбора проб и анализа сброса сточных вод в водотоки. Она также требует, чтобы государства-члены устанавливали в своих странах режимы мониторинга, которые часто включают инспекции на местах сброса отходов для анализа сточных вод

• Директива по нитратам (91/676/EEC) определяет предельные значения параметров сточных вод, которые могут быть сброшены

• Правила безопасности пищевых продуктов, которые будут более подробно рассмотрены в главе 10 этого учебника

• Правила охраны здоровья животных и здоровья рыб, такие как Директива 91/496/EEC, в которой изложены принципы организации ветеринарных проверок животных, въезжающих в ЕС из третьих стран

В большинстве стран помощь будет доступна от государственных учреждений, чтобы держать аквапонных фермеров в соответствии с законом, и поэтому они должны запрашивать исчерпывающую информацию у компетентных органов относительно их конкретной ситуации (Joly 2018).

Регулярный мониторинг параметров является неотъемлемой частью управления, эксплуатации и обслуживания аквапонной системы. Мониторинг качества воды и здоровья рыб и растений покажет, насколько хорошо работает система и имеет значительные выгоды с точки зрения затрат. Ведение хорошего учета ваших измерений может значительно помочь в наблюдении за тенденциями и диагностике будущих проблем. Важно записать все ваши показания. Такие параметры, как аммиак, нитрит, растворенный кислород и рН, могут указывать на низкую эффективность системы.

Определение проблемного параметра (т.е. вне желаемого диапазона) помогает оператору быстро решить проблему и восстановить функционирование аквапонной системы до оптимального уровня, что приведет к наибольшему выходу рыбы и растений.

Различные подходы к мониторингу

Подходы мониторинга для проверки качества аквапонной воды варьируются от очень простого и дешевого до сложного и с привлечением дорогостоящего аналитического оборудования. Самый простой и дешевый подход — использовать тестовые полоски, которые вы погружаете в воду. Они содержат реагент, который меняет цвет при контакте с водой. Интенсивность этой реакции можно сравнить с цветовой картой, поставляемой вместе с комплектом, которая затем даст относительно точное измерение того, на что тестируется. Эти комплекты часто дешевы и просты в использовании, хотя, поскольку они являются расходным материалом, запасы необходимо постоянно пополнять. Однако они, как правило, могут использоваться только в ограниченном диапазоне. Например, некоторые тестовые полоски для pH работают только в диапазоне pH от 5 до 8. Если pH в аквапонной системе выпадает за пределы этого диапазона (ниже 5 или выше 8), то тестовые полоски могут давать ложные результаты.

Следующим уровнем сложности и стоимости являются испытания с использованием химических реагентов и цветовой диаграммы. Здесь образец помещают в небольшую пробирку и добавляют капли реагентов в соответствии с инструкцией. Происходит реакция и цвет раствора в пробирке сравнивается с цветовой графикой, поставляемой вместе с комплектом. Цена этих тестов варьируется. Более точная и усовершенствованная версия этих тестов измеряет цвет с помощью спектрофотометров.

Спектрометрия — это метод количественного анализа, который использует поглощение света. Обычно проба воды центрифугируется для удаления взвешенных твердых веществ и добавляется реагент, специфичный для требуемого испытания. Затем он помещается в спектрофотометр для анализа. Показания, полученные спектрофотометром, могут быть связаны с известными стандартными кривыми для данного конкретного химического параметра, чтобы дать концентрацию. Некоторые производители также предоставляют тестовые наборы для более быстрого анализа без необходимости использования калибровочных кривых, и они доступны для широкого спектра параметров качества воды.

Самый передовой и дорогостоящий подход к мониторингу предполагает использование зондов и электронных счетчиков. Они существуют в конфигурациях с одним параметром или в конфигурациях с несколькими зондами с одним счетчиком. Зонды подключены к цифровому электронному счетчику и погружены в воду. Непрерывные онлайн-мониторы также могут быть установлены внутри аквариума, при этом зонд постоянно контактирует с водой. Они стоят дороже по сравнению с описанными ранее испытаниями, однако они являются наиболее точными приборами для мониторинга и имеют наибольший диапазон измерений (Klinger-Bowen et al. 2011).

Выбранный подход к мониторингу обычно связан с размером аквапонной системы и уровнем производительности. Профессиональные коммерческие системы обычно используют непрерывные онлайновые мониторы для растворенного кислорода (DO), уровня воды и электроснабжения. С другой стороны, системы хобби во дворе часто опираются на самые простые и дешевые подходы, такие как тестовые полоски, или даже просто визуальные проверки мутности воды, оксигенации в биофифильтре, здоровья растений и рыб.

Классификация параметров мониторинга

Параметры, которые необходимо контролировать в аквапонной системе, это качество воды, здоровье рыбы и здоровье растений, и могут быть классифицированы по следующим типам: 1) химический, 2) физический и 3) биологический. Химические параметры связаны с качеством воды и включают pH, DO, аммиак, нитрит, нитрат, содержание фосфора и жесткость воды. Физические параметры включают температуру воды и воздуха, относительную влажность и интенсивность ультрафиолетового излучения. Биологические параметры обеспечивают непосредственное представление о работе системы и включают в себя все: от массы и здоровья рыб и растений, дефицита питательных веществ в растениях, загрязнения водорослей и других микробиологических параметров. Каждый организм в аквапонике — рыба, растения и бактерии в биофильтре — имеет определенный диапазон допусков для каждого физико-химического параметра (таблица 1). Диапазоны допусков относительно схожи для всех трех организмов, однако существует необходимость в компромиссе, и поэтому некоторые организмы могут не функционировать на оптимальном уровне (Somerville et al. 2014a).

Таблица 1: Оптимальные диапазоны физико-химических параметров для рыб (тепло- и холодная вода), растений и нитрифицирующих бактерий

Цель состоит в сохранении здоровой экосистемы с физико-химическими, а также другими параметрами, удовлетворяющими требованиям к выращиванию рыбы, овощей и бактерий одновременно. Бывают случаи, когда необходимо будет активно манипулировать качеством воды, чтобы соответствовать этим критериям и обеспечить надлежащее функционирование системы.

Частота мониторинга

Частота мониторинга варьируется в зависимости от контролируемого параметра. Как правило, стартовые системы (при первоначальном хранении растений и животных) должны проверяться ежедневно, с тем чтобы при необходимости можно было быстро вносить коррективы. Например, можно снизить уровень кормления, увеличить аэрацию или разбавить воду в ответ на высокие уровни аммиака. После сбалансирования циклов питательных веществ (по крайней мере через 4 недели без существенных колебаний параметров) еженедельного мониторинга обычно достаточно для поддержания хорошего качества воды. Однако при наличии подозрений в наличии проблемы (изменение внешнего вида или поведения рыбы, показатели дефицита растений) следует возобновить более частое наблюдение за качеством воды. Поэтому ежедневный мониторинг здоровья рыб и растений имеет важное значение для выявления потенциальных проблем на раннем этапе. Также очень важно хорошо регистрировать параметры мониторинга, например, внешний вид и поведение рыбы (нормальный/необычный), внешний вид растений (нормальный/нездоровый вид) и параметры химического состава воды (pH, DO, аммиак, нитриты, нитраты). Таким образом, причина потенциальной проблемы может быть легче идентифицирована, и в случае возникновения проблемы можно быстро реализовать поправку, которая ранее хорошо работала (Sallenave 2016; Somerville et al. 2014a). Пример журнала данных показан на рис. 1.

Рис. 1: Пример таблицы журнала данных мониторинга. SS в таблице обозначает «образец сайта»

*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) . *