Пять наиболее важных параметров качества воды

Кислород

Кислород необходим для всех трех организмов, участвующих в аквапонике; растения, рыба и нитрифицирующие бактерии нуждаются в кислороде, чтобы жить. Уровень DO описывает количество молекулярного кислорода в воде и измеряется в миллиграммах на литр. Это параметр качества воды, который оказывает самое непосредственное и резкое влияние на аквапонику. Действительно, рыба может умереть в течение нескольких часов при воздействии низкого DO в емкостях для рыб. Таким образом, обеспечение адекватных уровней DO имеет решающее значение для аквапоники. Хотя мониторинг уровней DO очень важен, он может быть сложным, потому что точные измерительные приборы DO могут быть очень дорогостоящими или труднодоступными. Нередко бывает достаточно, чтобы мелкомасштабные установки вместо этого полагались на частое наблюдение за поведением рыб и ростом растений, а также на обеспечение постоянной циркуляции и аэрации воды водяных и воздушных насосов.

Кислород растворяется непосредственно в водной поверхности из атмосферы. В естественных условиях рыба может выжить в такой воде, но в интенсивных производственных системах с более высокой плотностью рыбы такое количество диффузии DO недостаточно для удовлетворения потребностей рыб, растений и бактерий. Таким образом, ОО необходимо дополнить стратегиями управления. Двумя стратегиями для маломасштабной аквапоники являются использование водяных насосов для создания динамического потока воды и использование аэраторов, которые образуют пузырьки воздуха в воде. Движение воды и аэрация являются важнейшими аспектами каждого аквапонного агрегата, и их значение невозможно переоценить. Эти темы, включая методы проектирования и резервирования, рассматриваются далее в главе 4. Оптимальные уровни DO для каждого организма, чтобы процветать, составляют 5-8 мг/л (рис. 3.3). Некоторые виды рыб, включая карпа и тилапию, могут переносить уровни DO до 2-3 мг/л, но гораздо безопаснее иметь более высокие уровни для аквапоники, поскольку все три организма требуют использования DO в воде.

Температура воды и DO имеют уникальные отношения, которые могут повлиять на производство продуктов питания аквапоники. По мере повышения температуры воды растворимость кислорода уменьшается. Иными словами, способность воды удерживать DO уменьшается по мере повышения температуры; теплая вода удерживает

меньше кислорода, чем холодная вода (рис. 3.4). Поэтому рекомендуется увеличить аэрацию с помощью воздушных насосов в теплой местности или в самое жаркое время года, особенно при выращивании деликатной рыбы.

рН

Общие знания о pH полезны для управления аквапоническими системами. РН раствора является мерой кислотности или основного раствора в масштабе от 1 до 14. Значение pH 7 нейтрально; все ниже 7 является кислотным, в то время как что-либо выше 7 является основным. Термин pH определяется как количество ионов водорода (^H+) в растворе; чем больше ионов водорода, тем более кислотным.

На рис. 3.5 показаны два важных аспекта шкалы pH.

• шкала pH отрицательна; рН 7 содержит меньше ионов водорода, чем pH 6.

• шкала pH логарифмична; рН 7 имеет в 10 раз меньше ионов водорода, чем pH 6, в 100 раз меньше pH 5 и в 1 000 раз меньше pH 4.

Например, если pH аквапонной единицы регистрируется как 7, а позже значение регистрируется как 8, то вода теперь имеет в десять раз меньше свободно связанных ионов^H+ , поскольку шкала отрицательная и логарифмическая. Важно помнить о логарифмическом характере шкалы рН, поскольку она не обязательно интуитивно понятна. Для предыдущего примера, если более поздние показания показали, что рН равняется 9, проблема будет в 100 раз хуже и, следовательно, гиперкритической, вместо того, чтобы быть в два раза хуже.

Важность рН

РН воды оказывает значительное влияние на все аспекты аквапоники, особенно на растения и бактерии. Для растений рН контролирует доступ растений к микро- и макроэлементам. При pH 6,0-6,5 все питательные вещества легко доступны, но за пределами этого диапазона питательные вещества становятся труднодоступными для растений. На самом деле, рН 7,5 может привести к дефициту питательных веществ железа, фосфора и марганца. Это явление известно как локаут питательных веществ и обсуждается в главе 6.

Нитрифицирующие бактерии испытывают трудности ниже pH 6, а способность бактерий преобразовывать аммиак в нитрат уменьшается в кислотных условиях с низким рН. Это может привести к уменьшению биофильтрации, в результате чего бактерии уменьшают превращение аммиака в нитрат, а уровни аммиака могут начать увеличиваться, что приводит к несбалансированной системе, вызывающей стресс для других организмов.

Рыбы также имеют специфические диапазоны допуска для pH, но большинство рыб, используемых в аквапонике, имеют диапазон допуска pH 6,0-8,5. Однако рН влияет на токсичность аммиака для рыб, при этом более высокий рН приводит к более высокой токсичности. Эта концепция более подробно рассматривается в разделе 3.4. В заключение, идеальная аквапонная вода слегка кислотная, с оптимальным диапазоном рН 6-7. Этот диапазон будет поддерживать работу бактерий на высокой мощности, позволяя растениям полный доступ ко всем необходимым микро- и макроэлементам. Значения pH между 5,5 и 7,5 требуют внимания руководства и манипуляции с помощью медленных и измеряемых средств, обсуждаемых в разделе 3.5 и в главе 6. Однако уровень pH ниже 5 или выше 8 может быстро стать критической проблемой для всей экосистемы, и поэтому требуется немедленное внимание.

Существует множество биологических и химических процессов, которые происходят в системе аквапоники, которые влияют на рН воды, некоторые из которых более значительно, чем другие, включая: процесс нитрификации, плотность залова рыбы и фитопланктон.

Процесс нитрификации

Процесс нитрификации бактерий естественным образом снижает рН аквапонной системы. В процессе нитрификации образуются слабые концентрации азотной кислоты, поскольку бактерии высвобождают ионы водорода во время преобразования аммиака в нитрат. Со временем аквапонная система постепенно станет более кислотной, в первую очередь, в результате этой бактериальной активности.

Плотность рыбного чулка

Дыхание или дыхание рыбы высвобождает углекислый газ (CO₂) в воду. Этот углекислый газ снижает рН, потому что углекислый газ естественным образом преобразуется в углеродную кислоту (H₂CO₃) при контакте с водой. Чем выше плотность рыбного промысла, тем больше углекислого газа будет высвобождаться, что приведет к снижению общего уровня рН. Этот эффект усиливается, когда рыба активнее, например, при более теплых температурах.

Фитопланктон

Дыхание рыбой снижает рН, выделяя углекислый газ в воду; наоборот, фотосинтез планктона, водорослей и водных растений удаляет углекислый газ из воды и повышает рН. Влияние водорослей на рН происходит ежедневно, когда рН поднимается в течение дня, когда водные растения фотосинтезируют и удаляют угленовую кислоту, а затем опускаются в течение ночи, когда растения передыхают и выделяют угленовую кислоту. Таким образом, рН на восходе солнца и максимум на закате. В стандартных системах RAS или аквапоники уровни фитопланктона обычно низки и, следовательно, суточный цикл рН не влияет. Тем не менее, некоторые методы аквакультуры, такие как водородная аквакультура и некоторые методы разведения рыбы, намеренно используют фитопланктон, поэтому время мониторинга следует выбирать разумно.

Температура

Температура воды влияет на все аспекты аквапонических систем. В целом, общий компромиссный диапазон составляет 18-30 °C. Температура оказывает влияние на DO, а также на токсичность (ионизацию) аммиака; при высоких температурах меньше DO и более унионизированного (токсичного) аммиака. Кроме того, высокие температуры могут ограничить поглощение кальция в растениях. Сочетание рыбы и растений следует подбирать в соответствии с температурой окружающей среды для расположения систем, а изменение температуры воды может быть очень энергоемким и дорогостоящим. Теплые водные рыбы (например, тилапия, карп обыкновенный, сом) и нитрифицирующие бактерии процветают при более высоких температурах воды 22-29 °C, а также некоторые популярные овощи, такие как окра, азиатская капуста и базилик. Напротив, некоторые распространенные овощи, такие как салат, швейцарский чард и огурцы, растут лучше при более низких температурах 18-26 °C, а холодноводные рыбы, такие как форель, не выдерживают температуры выше 18 °C. Более подробную информацию об оптимальных температурных диапазонах для отдельных растений и рыб см. главы 6 и 7 по производству растений и рыбы, соответственно, и Приложению 1 для получения ключевой информации по 12 популярным овощам.

Хотя лучше всего выбирать растения и рыбу, уже адаптированные к местному климату, существуют методы управления, которые могут свести к минимуму колебания температуры и продлить вегетационный период. Системы также более продуктивны, если ежедневные, дневные, ночные колебания температуры минимальны. Таким образом, поверхность воды во всех аквариумах, гидропонных установках и биофильтрах должна быть защищена от солнца с помощью теней. Аналогичным образом, устройство может быть термозащищено с помощью изоляции от прохладных ночных температур, где бы они ни происходили. Кроме того, существуют методы пассивного нагрева аквапонных установок с использованием теплиц или солнечной энергии с помощью спиральных сельскохозяйственных труб, которые наиболее полезны при температурах ниже 15 °C; эти методы более подробно описаны в главах 4 и 9.

Можно также принять стратегию производства рыбы для учета разницы температур между зимой и летом, особенно если зимний сезон имеет среднюю температуру менее 15 °C в течение более трех месяцев. Как правило, это означает, что зимой выращиваются рыба и растения, адаптированные к холодным условиям, и система меняется на тепловодные рыбы и растения, когда температура снова поднимается весной. Если эти методы невозможны в холодные зимние сезоны, можно также просто собрать рыбу и растения в начале зимы и закрыть системы до весны. В летние сезоны с чрезвычайно теплыми температурами (более 35 °C) необходимо выбрать подходящую рыбу и растения для выращивания (см. главы 6 и 7) и затенять все контейнеры и пространство для выращивания растений.

Общий азот: аммиак, нитрит, нитрат

Азот является четвертым важнейшим параметром качества воды. Это требуется всей жизни, и частью всех белков. Азот первоначально поступает в аквапонную систему из корма для рыб, обычно маркируется как сырой белок и измеряется в процентах. Часть этого белка используется рыбой для роста, а остальная часть высвобождается рыбой в виде отходов. Эти отходы в основном в виде аммиака (NH₃) и высвобождаются через жабры и в моче. Кроме того, высвобождаются твердые отходы, некоторые из которых превращаются в аммиак в результате микробной активности. Этот аммиак затем нитрифицируется бактериями, о чем говорится в разделе 2.1, и преобразуется в нитриты (NO₂^-) и нитраты (NO₃^-). Азотные отходы являются ядовитыми для рыб в определенных концентрациях, хотя аммиак и нитрит примерно в 100 раз более ядовитыми, чем нитрат. Хотя соединения азота токсичны для рыб, они питательны для растений и действительно являются основным компонентом растительных удобрений. Все три формы азота (NH₃, NO₂^- и NO₃^- ) могут использоваться растениями, однако нитраты являются наиболее доступными. В полностью функционирующей аквапонной установке с адекватной биофильтрацией уровни аммиака и нитрита должны быть близки к нулю или не более 0,25-1,0 мг/л. Бактерии, присутствующие в биофильтре, должны превращать почти весь аммиак и нитрит в нитрат, прежде чем может произойти какое-либо накопление.

Воздействие высокого аммиака

Аммиак токсичен для рыб. У тилапии и карпа могут проявляться симптомы отравления аммиаком на уровне 1,0 мг/л. Длительное воздействие на этом уровне или выше может привести к повреждению центральной нервной системы и жабры рыб, что приводит к потере равновесия, нарушению дыхания и судорогам. Ущерб жабры, часто подтверждаемый красной окраской и воспалением на жабрах, будет ограничивать правильное функционирование других физиологических процессов, приводя к подавлению иммунной системы и в конечном итоге к гибели. Другие симптомы включают красные полосы на теле, вялость и задыхание на поверхности воздуха. При более высоких уровнях содержания аммиака последствия носят непосредственный характер и могут быстро произойти многочисленные случаи смерти. Однако более низкие уровни в течение длительного периода все еще могут привести к стрессу у рыбы, росту заболеваемости и увеличению потерь рыбы.

Как отмечалось выше, токсичность аммиака фактически зависит как от рН, так и от температуры, где более высокий рН и температура воды делает аммиак более токсичным. Химически аммиак может существовать в двух формах в воде, ионизированном и профсоюзном. В совокупности эти две формы вместе называются общим аммиачным азотом (TAN), и комплекты для проверки воды не могут различать эти два вида. В кислотных условиях аммиак связывается с избытком ионов водорода (низкий pH означает высокую концентрацию^H+) и становится менее токсичным. Эта ионизированная форма называется аммонием. Однако в основных условиях (высокий pH, выше 7) ионов водорода недостаточно, и аммиак остается в более токсичном состоянии, и даже низкие уровни аммиака могут быть крайне напряженными для рыб. Эта проблема усугубляется в условиях теплой воды.

Активность нитрифицирующих бактерий резко снижается при высоких уровнях аммиака. Аммиак может использоваться в качестве антибактериального средства, а при уровнях выше 4 мг/л он будет ингибировать и резко снижать эффективность нитрифицирующих бактерий. Это может привести к экспоненциальному ухудшению ситуации, когда малоразмерный биофильтр переполнен аммиаком, бактерии умирают, а аммиак увеличивается еще больше.

Воздействие высокого нитрита

Нитрит токсичен для рыбы. Как и аммиак, проблемы со здоровьем рыб могут возникать при низких концентрациях до 0,25 мг/л. Высокий уровень NO₂^- может сразу привести к быстрой гибели рыбы. Опять же, даже низкие уровни в течение длительного периода могут привести к росту стресса, заболеваемости и смертности рыб.

Токсичные уровни NO₂^- предотвращают перенос кислорода в крови рыб, что приводит к тому, что кровь превращается в шоколадно-коричневый цвет и иногда называют «коричневой болезнью крови». Этот эффект можно увидеть и в рыбных жабрах. Пострадавшая рыба проявляет схожие симптомы с отравлением аммиаком, особенно в тех случаях, когда рыба, как представляется, лишена кислорода и видна задыхается на поверхности даже в воде с высокой концентрацией DO. Здоровье рыб более подробно рассматривается в главе 7.

Воздействие высокого уровня нитрата

Нитрат является гораздо менее токсичным, чем другие формы азота. Это наиболее доступная форма азота для растений, а производство нитратов является целью биофильтра. Рыба может выдерживать уровни до 300 мг/л, при этом некоторые рыбы выдерживают до 400 мг/л. Высокие уровни (\ > 250 мг/л) окажут негативное воздействие на растения, приводя к чрезмерному вегетативному росту и опасному накоплению нитратов в листьях, что опасно для здоровья человека. Рекомендуется поддерживать уровни нитратов на уровне 5-150 мг/л и обмениваться водой, когда уровни повышаются.

Жесткость воды

Конечным параметром качества воды является жесткость воды. Существует два основных типа твердости: общая твердость (GH) и карбонатная твердость (KH). Общая твердость — это мера положительных ионов в воде. Карбонатная твердость, также известная как щелочность, является мерой буферной способности воды. Первый тип твердости не оказывает существенного влияния на аквапонный процесс, но KH имеет уникальную связь с рН, которая заслуживает дальнейшего объяснения.

Общая твердость

Общая твердость по существу представляет собой количество ионов кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) и, в меньшей степени, железа (Fe⁺), присутствующих в воде. Он измеряется частями на миллион (эквивалентно миллиграммам на литр). Высокие концентрации GH отмечаются в водных источниках, таких как водоносные горизонты на основе известняка и/или русла рек, поскольку известняк по существу состоит из карбоната кальция (CaCo₃). Ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ являются основными питательными веществами растений, и они поглощаются растениями по мере того, как вода протекает через гидропонные компоненты. Дождевая вода имеет низкую жесткость воды, потому что эти ионы не встречаются в атмосфере. Жесткая вода может быть полезным источником микроэлементов для аквапоники и не оказывает влияния на здоровье организмов. На самом деле, наличие кальция в воде может предотвратить потерю рыбы других солей и привести к здоровому запасу.

Карбонатная твердость или щелочность

Твердость карбоната - это общее количество карбонатов (CO₃^2-) и бикарбонатов (HCO₃^-), растворенных в воде. Он также измеряется в миллиграммах CaCo₃ на литр.

В целом считается, что вода обладает высоким KH при уровнях 121-180 мг/л. Вода, поступающая из колодцев известняковых пород и водоносных горизонтов, обычно будет иметь высокую карбонатную твердость около 150-180 мг/л.

Твердость карбоната в воде влияет на уровень рН. Проще говоря, KH действует как буфер (или сопротивление) к понижению рН. Карбонат и бикарбонат, присутствующие в воде, свяжутся с ионами^H+ , выделяемыми любой кислотой, удаляя эти свободные ионы^H+ из воды. Таким образом, рН останется неизменным, даже если в воду добавляются новые ионы^H+ из кислоты. Эта буферизация KH важна, поскольку быстрые изменения pH оказывают стрессовое воздействие на всю аквапонную экосистему. В процессе нитрификации образуется азотная кислота (HNO₃), о чем говорится в разделе 3.2.2, которая диссоциируется в воде в двух ее компонентах, ионах водорода (^H+) и нитратах (NO₃^-), причем последние используются в качестве источника питательных веществ для растений. Однако при адекватном KH вода на самом деле не становится более кислотной. Если в воде не было карбонатов и бикарбонатов, рН быстро упадет в аквапоник. Чем выше концентрация KH в воде, тем дольше он будет выступать в качестве буфера для pH, чтобы поддерживать стабильную систему против подкисления, вызванного процессом нитрификации.

В следующем разделе этот процесс описывается более подробно. Это довольно сложный процесс, но важно понять специалистам аквапоники (или другим безпочвенным культурам), где доступная вода, естественно, очень твердая (что обычно бывает в регионах с известняком или мелом), так как манипуляция рН станет важной частью управления блоком. Раздел 3.5 содержит конкретные методы манипулирования pH. В резюме после расширенного описания будет указано, что необходимо всем практикам знать о твердости.

Как уже упоминалось выше, постоянная нитрификация в аквапонике производит азотную кислоту и увеличивает количество ионов^H+ , что снижает рН в воде. Если нет карбонатов или бикарбонатов для буферизации ионов^H+ в воде, рН быстро падает, поскольку в воду добавляется больше ионов^H+ . Карбонаты и бикарбонаты, как показано на рис. 3.6, связывают ионы водорода (^Н+), выделяемые из азотной кислоты, и поддерживают постоянный рН, балансируя избыток^Н+с производством углекислотой, которая является очень слабой кислотой. Ионы^H+ остаются связанными с соединением и не свободны в воде. На рисунке 3.7 более подробно показан процесс склеивания с азотной кислотой.

Для аквапоники важно, чтобы определенная концентрация KH постоянно присутствовала в воде, так как она может нейтрализовать созданные кислоты естественным образом и поддерживать рН постоянным. Без адекватного KH установка может подвергаться быстрому изменению pH, которое может негативно сказаться на всей системе, особенно на рыбе. Однако KH присутствует во многих источниках воды. Пополнение агрегата водой из этих источников позволит также пополнить уровни KH. Однако дождевая вода низка в KH, а в системах с осадками полезно добавлять внешние источники карбоната, как поясняется ниже.

Сводка основных точек на твердость

Общая твердость (GH) — это измерение положительных ионов, особенно кальция и магния.

Карбонатная твердость (KH) измеряет концентрацию карбонатов и бикарбонатов, которые буферируют рН (создают устойчивость к изменению рН). Твердость можно классифицировать по шкале жесткости воды, как показано ниже:

Оптимальный уровень твердости обоих типов для аквапоники составляет около 60-140 мг/л. Не важно проверять уровни в установке, но важно, чтобы вода, используемая для пополнения агрегата, имела достаточную концентрацию KH для дальнейшей нейтрализации азотной кислоты, получаемой в процессе нитрификации, и для буферизации рН на ее оптимальном уровне (6-7).

| Классификация жесткости воды | мг/литр | | — | — | | мягкий | 0-60 мг/л | | умеренно твердый | 60-120 мг/л | | твердый | 120-180 мг/л | | очень твердый |\ > 180 мг/л |

• Источник: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2014 год, Кристофер Сомервилл, Моти Коэн, Эдоардо Пантанелла, Остин Станкус и Алессандро Лователли, мелкомасштабное производство продуктов питания аквапоники, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Воспроизводится с разрешения. *