9.4.1 Muktadha

Kazi ya mifumo ya aquaponic inategemea usawa wa nguvu wa mzunguko wa virutubisho (Somerville et al. 2014). Kwa hiyo ni muhimu kuelewa mzunguko huu ili kuboresha usimamizi wa mifumo. Mimea inayokua hydroponically ina mahitaji maalum, ambayo yanapaswa kupatikana wakati wa hatua zao mbalimbali za kukua (Resh 2013). Kwa hiyo, viwango vya virutubisho katika compartments tofauti ya mfumo lazima kufuatiliwa kwa karibu, na virutubisho lazima kuongezewa ili kuzuia upungufu (Resh 2013; Seawright et al. 1998) ama katika mfumo wa maji au kupitia maombi ya majani (Roosta na Hamidpour 2011).

Kulingana na Delaide et al. (2016), wakati mwingine, kuongezea ufumbuzi wa aquaponic na virutubisho vya madini ili kufikia viwango sawa vya virutubisho kama katika hydroponics inaweza kusababisha mavuno ya juu kuliko yale yaliyopatikana katika hydroponics. Hatua ya kwanza ya kuchukua mfumo wa uwiano ni kubuni sahihi na ukubwa wa jamaa wa vyumba (Buzby na Lin 2014). Ikiwa compartment ya hydroponic ni ndogo sana ikilinganishwa na mizinga ya samaki, basi virutubisho vitajilimbikiza ndani ya maji na inaweza kufikia viwango vya sumu. Uwiano wa kiwango cha kulisha (yaani kiasi cha kulisha samaki katika mfumo kulingana na uso unaokua mimea na aina ya mmea) mara nyingi hutumiwa kwa ukubwa wa kwanza wa mfumo (Rakocy et al. 2006; Somerville et al. 2014). Hata hivyo, kwa mujibu wa Seawright et al. (1998), haiwezekani kufikia uwiano wa mimea/samaki ambao utawezesha mechi mojawapo ya mahitaji ya mimea ikiwa kulisha samaki tu hutumiwa kama pembejeo. Ili kuhakikisha kwamba mfumo ni vizuri uwiano na kazi vizuri, mbinu za ufuatiliaji ni kawaida kulingana na mzunguko wa nitrojeni (Cerozi na Fitzsimmons 2017; Somerville et al. 2014), lakini ili kuhakikisha utendaji bora wa mfumo, ni muhimu kufuatilia kwa karibu zaidi uwiano wa macronutrients nyingine ( N, P, K, Ca, Mg, S) na micronutrients (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013; Somerville et al. 2014; Sonneveld na Voogt 2009) pia. Masomo ya hivi karibuni (Delaide et al. (2017), Schmautz et al. (2015, 2016)) wameanza kukabiliana na mada hii. Schmautz et al. (2015, 2016) ikilinganishwa na athari za mipangilio mitatu tofauti ya hydroponic (yaani mbinu ya filamu ya virutubisho (NFT), raft inayozunguka na umwagiliaji wa mvua) juu ya matumizi ya virutubisho ya nyanya za aquaponic. Umwagiliaji wa mvua ulikuwa mfumo ambao ulizalisha mavuno bora zaidi na nyanya. Maudhui ya madini ya matunda (P, K, Ca, Mg) yalikuwa sawa na maadili ya kawaida ingawa yaliyomo ya chuma na zinki yalikuwa ya juu. Majani hata hivyo yalikuwa na viwango vya chini vya P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu na Zn kuliko katika kilimo cha kawaida. Delaide et al. (2016) ikifuatiwa mzunguko wa macro- na micronutrients katika mfumo pamoja aquaponic. Waliona kuwa K, P, Fe, Cu, Zn, Mn na Mo walikuwa wamepoteza ufumbuzi wao wa maji, wakati N, Ca, B na Na zilikusanywa haraka. Graber na Junge (2009) walibainisha kuwa ufumbuzi wao wa aquaponic ulikuwa na mara tatu chini ya nitrojeni na mara kumi chini ya fosforasi kuliko suluhisho la hydroponic. Kama kwa potasiamu (K), ilikuwa mara 45 chini ikilinganishwa na hydroponics. Hata hivyo, walipata mavuno kama mavuno sawa ingawa ubora ulikuwa duni kutokana na ukosefu wa potasiamu (K).

**Mambo yanayoathiri mzunguko wa virutubisho

Mwanga nguvu, mizizi zone joto, joto hewa, upatikanaji madini, hatua ya ukuaji na kiwango cha ukuaji wote ushawishi kupanda madini matumizi (Buzby na Lin 2014). Majaribio yaliyofanywa na Schmautz et al. (2016) na Lennard na Leonard (2006) yalionyesha kuwa njia ya hydroponic inaweza pia kuwa na jukumu katika uwezo wa matumizi ya virutubisho, na kwa hiyo ni muhimu kufanana na mfumo wa kukua kwa aina ya mboga kukua. NFT na DWC (utamaduni wa maji ya kina — raft) ni hivyo yanafaa kwa wiki za majani, ambapo umwagiliaji wa mvua kwenye slabs za rockwool unafaa zaidi kwa mboga za fruity (Resh 2013).

9.4.2 Mzunguko wa Macronutrient

**Carbon (C) **

Carbon hutolewa kwa samaki kupitia malisho (Timmons na Ebeling 2013) na mimea kupitia COSU2/sub naitrojeni. Samaki wanaweza kutumia 22% za kaboni zilizomo katika kulisha samaki kwa ongezeko la majani na kimetaboliki. Wengine wa kaboni iliyoingizwa ni ama muda wake chini ya fomu ya COSU2/Sub (52%) au excreted katika kufutwa (0.7— 3%) na imara (25%) fomu (Timmons na Ebeling 2013). Cosub2/sub muda wake inaweza kutumika na mimea kwa ajili ya chanzo yao wenyewe carbon pia (Körner et al. 2017). Sehemu isiyofanywa ya kaboni ya malisho imesalia kuharibika katika mfumo. Aina ya wanga inayopatikana katika malisho ya samaki (k.m. wanga au polysaccharides zisizo wanga) inaweza pia kuathiri digestibility ya malisho na biodegradability ya taka katika mfumo wa majini au aquaponic (Meriac et al. 2014).

**Nitrojeni (N) **

Nitrojeni huingizwa na mimea ama katika fomu ya nitrati au amonia (Sonneveld na Voogt 2009; Xu et al. 2012) kulingana na mkusanyiko na fiziolojia ya mimea (Fink na Feller 1998 iliyotajwa na Wongkiew et al. 2017). Mashirika kati ya mimea na microorganisms haipaswi kupuuzwa kama mimea huathiri uwepo wa microorganisms katika aquaponics, na microorganisms inaweza kuwa na jukumu kubwa katika uwezo wa matumizi ya nitrojeni ya mimea (Wongkiew et al. 2017). Matumizi ya nitrojeni na mimea huathiriwa na mkusanyiko wa dioksidi kaboni iliyoko (Zhang et al. 2008 iliyotajwa na Wongkiew et al. 2017).

**Fosforasi (P) **

Phosphorus ni moja ya mambo muhimu kwa ajili ya ukuaji wa mimea na inaweza kufyonzwa chini ya ionic orthophosphate fomu yake (Hsub2/subposub4/subsup-/sup, HPosub4/subsup2-/sup, Posub4/subsup3-/sup) (Prabhu et al. 2007; Resh 2013). Kidogo haijulikani kuhusu mienendo ya fosforasi katika aquaponics. Pembejeo kuu ya fosforasi katika mfumo ni kulisha samaki (Cerozi na Fitzsimmons 2017; Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2015), na katika mifumo un-kuongezewa ([Chap. 7](/jamiii/makala/sura 7-coupled-aquaponics-mifumo), fosforasi huelekea kuwa kikwazo na hivyo inaweza kuzuia ukuaji wa mimea Junge 2009; Seawright et al. 1998). Kulingana na Rafiee na Saad (2005), samaki wanaweza kutumia hadi 15% ya fosforasi zilizomo katika malisho. Katika mfumo wa kukua lettuce, Cerozi na Fitzsimmons (2017) waliona kuwa kiasi cha fosforasi zinazotolewa na kulisha samaki inaweza kuwa ya kutosha au haitoshi kulingana na hatua ya ukuaji. Hadi 100% ya fosforasi iliyopo katika maji ya samaki inaweza kutumika tena katika mimea ya mimea, kulingana na muundo wa mfumo. Graber na Junge (2009) aliona kuchakata 50%, wakati Schmautz et al. (2015) waliripoti kuwa 32% ya fosforasi inaweza kupatikana katika matunda na 28% katika majani. Umumunyifu wa fosforasi unategemea pH, na pH ya juu itaimarisha mvua ya fosforasi, na hivyo kuifanya haipatikani kwa mimea (Yildiz et al. 2017). Phosphorus inaweza precipitate kama struvite (magnesiamu amonia phosphate) (Le Corre et al. 2005) na/au hydroxyapatite (Cerozi na Fitzsimmons 2017; Goddek et al. 2015). Complexes hizi zisizo na maji zinaondolewa kupitia sludge imara ya samaki kutoka kwenye mfumo. Schneider et al. (2004) iliripoti kwamba 30— 65% ya fosforasi zilizomo katika kulisha samaki bado hazipatikani kwa mimea kama ni fasta katika excretions imara ambayo ni kisha kuondolewa kwa njia ya filtration mitambo. Yogev et al. (2016) inakadiriwa kuwa hasara hii inaweza kuwa hadi 85%. Chaguo moja la kuzuia hasara hii kubwa ya P kupitia sludge imara ni kuongeza compartment digestion kwa mfumo wa aquaponic. Wakati wa digestion ya aerobic au anaerobic, P hutolewa ndani ya digestate na inaweza kuletwa tena ndani ya maji yanayozunguka (Goddek et al. 2016).

**Potasiamu (K) **

Delaide et al. (2017) iligundua kuwa chanzo kikubwa cha K katika mfumo wao ilikuwa kulisha samaki. Samaki wanaweza kutumia hadi asilimia 7 ya K zilizomo katika malisho ya samaki (Rafiee na Saad 2005). Hata hivyo, potassium si lazima kwa ajili ya samaki ambayo inaongoza kwa chini potassium utungaji wa kulisha samaki na hata ngazi ya chini ya potassium inapatikana kwa mimea (Graber na Junge 2009; Seawright et al. 1998; Suhl et al. 2016). Ili kusambaza potasiamu, buffer ya KOH pH mara nyingi hutumiwa kama pH mara nyingi hupungua katika aquaponics kutokana na nitrification (Graber na Junge 2009). Katika mfumo wa aquaponic uliopandwa na nyanya, potasiamu iliyokusanywa hasa katika matunda (Schmautz et al. 2016).

**Magnesiamu (Mg), Calcium (Ca) na Sulphur (S) **

Chanzo kikuu cha Mg, Ca na S ni maji ya bomba ambayo inawezesha kunyonya na mimea kama virutubisho tayari inapatikana (Delaide et al. 2017). Calcium hata hivyo iko katika viwango vya kutosha katika aquaponics (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998) na imeongezwa chini ya mfumo wa hidroksidi kalsiamu Ca (OH) sub2/sub (Timmons na Ebeling 2013). Kulingana na Rafiee na Saad (2005), samaki wanaweza kutumia kwa wastani 26.8% ya kalsiamu na 20.3% ya magnesiamu iliyopo katika malisho. Sulphur mara nyingi katika viwango vya chini katika mifumo ya aquaponic (Graber na Junge 2009; Seawright et al. 1998).

9.4.3 Mzunguko wa Micronutrient

Iron (Fe), manganese (Mn) na zinki (Zn) hupata hasa kutokana na malisho ya samaki, wakati boroni (B) na shaba (Cu) hutoka kwenye maji ya bomba (Delaide et al. 2017). Katika aquaponics, micronutrients muhimu mara nyingi hupo lakini kwa viwango vya chini sana (Delaide et al. 2017), na nyongeza kutoka vyanzo vya nje vya virutubisho ni muhimu (Chap. 8). Upungufu wa chuma hutokea mara nyingi sana katika aquaponics (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998; Fitzsimmons na Posadas; 1997 iliyotajwa na Licamele 2009), hasa kwa sababu ya kutokuwepo kwa fomu ya ion ya feri. Upungufu huu unaweza kutatuliwa kwa matumizi ya bakteria siderophore (yaani misombo ya kikaboni ya chuma-chelating) iliyotengenezwa na genera kama vile Bacillus au Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) au kwa nyongeza ya chuma na chuma chelated kemikali ili kuepuka mvua ya chuma.

9.4.4 Hasara ya virutubisho

Kupunguza hasara ya virutubisho ni changamoto ya mara kwa mara inakabiliwa na watendaji wa maji. Hasara ya virutubisho hutokea kwa njia kadhaa, k.m. makazi ya sludge (37% ya nyasi na 18% ya malisho yasiyotumiwa) (Neto na Ostrensky 2015), hasara ya maji, denitrification, volatilisation ya amonia, nk (Wongkiew et al. 2017). Kwa mfano, Rafiee na Saad (2005) alibainisha kuwa 24% ya chuma, 86% ya manganese, 47% ya zinki, 22% ya shaba, 16% ya kalsiamu, 89% ya magnesiamu, 6% ya nitrojeni, 6% ya potasiamu na 18% ya fosforasi zilizomo katika kulisha samaki zilikuwa katika sludge. Sludge inaweza kushikilia hadi 40% ya virutubisho zilizopo katika pembejeo ya kulisha (Yogev et al. 2016).

Denitrification inaweza kusababisha hasara ya 25— 60% ya nitrojeni (Hu et al. 2015; Zou et al. 2016). Denitrification pia inahusishwa na hali ya anoxic (Madigan na Martinko 2007; van Lier et al. 2008) na viwango vya chini vya kaboni na inawajibika kwa mabadiliko ya nitrati katika nitriti, oksidi ya nitriki (Nsub2/subo) na hatimaye gesi ya nitrojeni (Nsub2/sub) na mtiririko katika anga (id. ). Denitrification inafanywa na bakteria kadhaa za heterotrophic kama vile Achromobacter, Aerobacter, Acinetobacter, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus na Micrococcus sp. (Mataifa et al. 2007; Michaud et al. 2006; Wongkiew et al. 2017). Baadhi ya bakteria wanaweza kufanya nitrification zote mbili na denitrification ikiwa viwango vya oksijeni vilivyoyeyushwa viko chini ya 0.3 mg/L (Fitzgerald et al. 2015; Wongkiew et al. 2017). Kupoteza kwa nitrojeni pia kunaweza kutokea kupitia oxidation ya amonia ya anaerobic (ANAMMOX), k.m. oxidation ya amonia katika gesi ya dinitrojeni mbele ya nitriti (Hu et al. 2011).

Hasara nyingine muhimu ya nitrojeni ambayo inapaswa kupatikana kwa mimea ni matumizi ya nitrojeni na bakteria ya aerobic ya heterotrophic iliyopo katika mifumo ya aquaponic. Hakika, nitrojeni inayotumiwa na bakteria hizi hupotea kwa bakteria ya nitrifying, na nitrification ni hivyo kuzuia (Blancheton et al. 2013). Bakteria hizi zipo hasa wakati uwiano wa C/N unapoongezeka kwani zina ushindani zaidi na zina uwezo zaidi wa kutawala vyombo vya habari kuliko bakteria ya nitrifying autotrophic (Blancheton et al. 2013; Wongkiew et al. 2017).

9.4.5 Nguvu za Mfumo wa usawa wa virutubisho

Mkusanyiko wa virutubisho wa mifumo miwili mikubwa katika mfumo wa aquaponic, yaani. mizinga ya samaki (aquaculture) na ufumbuzi wa hydroponic, inahitaji kuwa na usawa kwa kila mahitaji yao. Katika mifumo ya aquaponic iliyofungwa, virutubisho husafirishwa kutoka samaki hadi mimea zaidi au chini moja kwa moja kupitia filters (kwa kawaida chujio cha ngoma au mgeni na kisha biofilter) kwa nitrification. Hata hivyo, mahitaji ya virutubisho ya mazao na virutubisho vinavyotolewa kutoka kwenye mfumo wa aquaponic sio sawa. Katika mifumo mbalimbali ya kitanzi na iliyopigwa (Chap. 8, ni rahisi kutoa hali bora kwa sehemu zote mbili, samaki na mimea. Kwa njia ya modeling ya mifumo (Chap. 11), ukubwa bora wa eneo la hydroponic kwa mizinga ya samaki, biofilters na vifaa vingine vinaweza kuhesabiwa (Goddek na Körner 2019). Hii ni muhimu hasa kwa decoupled mifumo mbalimbali kitanzi ambayo wanaunda aina mbalimbali ya vifaa vya. Kwa mfano, UASB (upflow anaerobic sludge blanketi) (Goddek et al. 2018) au vitengo vya desalination (Goddek na Keesman 2018) vinahitaji ukubwa kwa makini kama ilivyojadiliwa katika Chap. 8. Ukosefu wa msingi wa virutubisho unaotolewa na mazingira ya samaki na mahitaji ya mazao yanahitaji kurekebishwa na usawa. Kwa madhumuni ya up-kuzingatia virutubisho, Goddek na Keesman (2018) wameelezea kitengo kinachofaa cha kutengeneza maji (Chap. 8). Njia hii, hata hivyo, hutatua tu sehemu ya tatizo, kama mfumo wa uwiano kikamilifu unaendeshwa na kiwango cha uvukizi usio na nguvu kinachoweza kufikia tu katika vyumba vilivyofungwa na mimea inayofanya kazi kikamilifu. Ukweli, hata hivyo, ni kwamba evapotranspiration ya mazao (etsubc/Sub) katika mifumo ya aquaponics yenye makao ya kijani inategemea sana mambo mbalimbali kama vile hali ya hewa ya kimwili na vigezo vya kibaiolojia. etsubc/sub ni mahesabu kwa kila eneo la uso ardhi kufunikwa na mazao na ni mahesabu kwa ngazi mbalimbali katika dari (z) kwa kuunganisha irradiative fluxes wavu, upinzani wa safu, upinzani wa stomata na upungufu wa shinikizo la mvuke, /ndogo katika dari (Körner et al. 2007) kwa kutumia Penman— Monteith equation. Ulinganisho huu, hata hivyo, huhesabu tu maji ya maji kupitia mazao. Matumizi ya virutubisho yanaweza kuhesabiwa tu kwa kudhani kwamba virutubisho vyote vilivyotumiwa katika maji vinachukuliwa na mazao. Katika hali halisi ingawa, matumizi ya virutubisho ni jambo ngumu sana. Virutubisho tofauti vina majimbo tofauti, kubadilisha na vigezo kama vile pH. Wakati huo huo upatikanaji wa virutubisho kwa mimea unategemea sana pH na uhusiano wa virutubisho kwa kila mmoja (kwa mfano upatikanaji wa K/Ca). Aidha, microbiome katika ukanda wa mizizi ina jukumu muhimu (Orozco-Msikiti et al. 2018) ambayo bado haijatekelezwa katika mifano ingawa baadhi ya mifano hutofautisha kati ya phloem na xylem pathways. Kwa hiyo, kiasi kikubwa cha virutubisho hazielekezwi kwa undani kwa kusawazisha virutubisho vya maji na ukubwa wa mifumo. Njia rahisi zaidi ya kukadiria matumizi ya virutubisho ni dhana kwamba virutubisho huchukuliwa/kufyonzwa kama kufutwa katika maji ya umwagiliaji na kuomba mbinu ya juu ya etsubc/ndogo ya hesabu na kudhani kwamba hakuna kemikali maalum, kibaiolojia au kimwili kuwepo. Matokeo yake, ili kudumisha usawa, virutubisho vyote vilivyochukuliwa na mazao kama yaliyomo katika suluhisho la virutubisho vinahitaji kuongezwa kwenye mfumo wa hydroponic.