1.3 水上乐器的科学和技术挑战
虽然水上乐器被视为 “可以改变我们的生活” 的关键食品生产技术之一（van Woensel 等人，2015 年），但在可持续和高效的食品生产方面，水上乐器可以简化并变得更加高效。 传统水生养系统中的一个关键问题是鱼类产生的污水中的营养物质与植物的最佳营养溶液不同。 分离水生物系统（DAPS）使用鱼类中的水，但在植物后不将水归还给鱼类，可以改进传统设计，方法是引入矿化成分和含有微生物的污泥生物反应器，将有机物转化为生物利用形式的关键矿物质，特别是缺乏典型鱼类污水的磷, 镁, 铁, 锰和硫. 与单循环系统中的矿化成分相反，DAPS 中的生物反应器废水仅被送入植物组件，而不是在整个系统中进行稀释。 因此，利用污泥消化器的分离系统可以优化鱼类有机废物的回收利用，作为植物生长的营养物质（Goddek 2017；Goddek 等人，2018 年）。 此类系统中的废物主要包括鱼类污泥 (即粪便和未食用的饲料不属于溶液)，因此不能直接在水培系统中输送。 因此，生物反应器（见 [第 10 章]（社区/文章/第 10 章-有氧和厌氧治疗用于水生-淤泥-还原和矿化））是一个重要组成部分，可以将本来无法使用的污泥转化为水培肥料或再利用植物茎和根部等有机废物生产部件转化为沼气用于发热和发电或 DAPS 设计，也可为每个单元提供独立控制的水循环，从而允许根据需要分离系统（RAS、水培和消化器），以控制营养物流。 水在能源和养分保护循环中的组成部分之间移动，因此可以监测和调节每个子系统中的养分负荷和流量，以便更好地满足下游的需求。 例如，磷 (P) 是一种基本但可耗尽的化石资源，用于化肥，但世界供应目前正在以惊人的速度消耗。 在分离水生系统中使用消化器可以使微生物将鱼类废物中的磷转化为可供植物使用的正磷酸盐，具有较高的回收率（Goddek 等人，2016 年，2018 年）。
虽然分离系统在回收养分方面非常有效，养分损失几乎为零，但每个单位的生产规模都很重要，因为养分来自系统一部分的流动需要与其他组成部分的下游生产潜力相匹配。 因此，建模软件和监督控制和数据采集系统对于分析和报告每个单位的流量、尺寸、质量平衡和公差变得十分重要，从而能够预测物理和经济参数（例如养分载荷、最佳鱼类）工厂配对，流速和成本，以维持具体的环境参数）。 在 [第 11 章]（/社区/文章/第 11 章-水壶-系统建模）中，我们将更详细地研究应用于水生系统的系统理论，并展示建模如何解决一些规模问题，同时创新的技术解决方案可以提高效率，从而这种系统的盈利能力。 规模比例不仅对预测经济可行性很重要，而且对于根据现有营养比率预测生产产出也很重要。
另一个需要进一步发展的重要问题是能源的使用和再利用。 Aquaponics 系统是能源和基础设施密集型的。 根据接收到的太阳辐射，太阳能光伏、太阳热热源和（太阳）海水淡化的使用在经济上可能仍然不可行，但都可能被纳入水生系统。 [第 1 章，我们介绍了有能力克服此类系统固有局限性的创新技术和操作可能性，包括在干旱地区实施水生物系统的令人振奋的新机会。
在 [第 2 章]（社区/文章/第 2 章-水壶-关闭有限的水土和营养资源的循环）中，我们还更详细地讨论了水上乐器可以帮助应对的一系列环境挑战。 例如，病原体控制非常重要，而且封闭的 RAS 系统对鱼类生产具有许多环境优势，分离水生系统的优点之一是能够在组件之间循环水，并利用独立控制，其中更容易在存在病原体威胁时检测、隔离和净化个别单位。 有益于鱼类养殖的益生菌也对植物生产有益，并且在封闭系统内循环时可以提高生产效率（Sirakov 等人，2016 年）。 第 5 章 进一步探讨了这些挑战，其中我们更详细地讨论了水产科技创新如何实现 (a) 提高空间利用效率 (降低成本和材料，最大限度地利用土地)；(b) 减少投入资源，例如鱼粉，减少负产出，例如废物排放；(c) 减少自足系统中抗生素和杀虫剂的使用。
为了充分利用这些系统的潜力，仍然有几个水生主题领域需要更多的研究。 从科学角度来看，氮循环 ([第 9 章](社区/文章/第 9 章-水生生物系统中的营养循环))、有氧和厌氧再矿化 (第 10 章。水和营养效率 ([第 8 章](社区/文章/第 8 章-解耦-水生鱼系统)), 优化的水生鱼类饮食 (第 13 章) 和植物病原体和控制战略 ([第 14 章](/社区/病原体-第 14 章/第 14 章/第 14 节/小组) 控制和控制战略-在水上乐器））都是高度优先事项。
总之，需要解决下列科学和技术挑战：
Nutrients：正如我们所讨论的那样，利用污泥消化器的系统可以优化将鱼类的有机废物回收成养分以促进植物生长，这种设计可以优化营养物质的回收和再循环，从而造成系统中近乎零的养分损失。
Water：温室营养耗尽的水的再利用也可以优化，以便利用冷凝器在鱼类成分中重复使用。
Energy：太阳能供电设计还可以节省能源，特别是在温室太阳能加热器的预热水可以再循环回收到鱼缸进行再利用的情况下。
回收水、养分和能源的能力使得水生动物成为解决传统农业面临的许多环境问题的潜在独特的解决方案。 [第 2 章] 对此进行了讨论（./2-水生生物：-封闭有限水的循环，土地和营养资源。md）。