第 12 章水族学：替代类型和方法
12.8 维米培养学和水族学
在本章中，更不用提蚯蚓及其对水生动物的介绍，因此本章最后简要介绍了这些有害无脊椎动物及其将有机废物转化为肥料的能力。 据说，蠕虫和他们消化物质的方式是感兴趣的亚里士多德和查尔斯·达尔文，以及哲学家帕斯卡尔和索罗（Adhikary 2012），他们受到法律保护，根据埃及艳后。 蚯蚓在农业和园艺中受到重视，因为它们 ‘对土壤健康至关重要，因为它们通过废物将营养物质和矿物质从下方运送到地表，并且它们的隧道给地面充气’（国家地理）。 玛丽·阿佩尔霍夫（Mary Appelhof）在 1970 年代初和 1980 年代出版了许多关于蠕虫堆肥的出版物。 当代粉末倾倒在大规模和小规模上进行，目的是消除有机废弃物，以堆肥和 “蠕虫茶” 形式生产肥料。 蠕虫茶可以通过浸泡蠕虫铸件或通过湿润或从沉淀中浸出自然润湿浸滤液从堆肥中浸出的营养物质来产生。 Vermiponics 使用主要是红色的蠕虫，也称为虎蠕虫（Eisenia fetida）或（E.Foetida_）的蠕虫，在水培系统中提供营养物质。 当蠕虫被引入水生子系统时，我们建议将该系统称为 “维米-水壶”，以区分这些系统。 因此，它是将蠕虫引入水生系统的植物部分的生长床。 应该指出的是，蠕虫水生动物处于起步阶段，主要由业余爱好者和研究实验室实施。 蠕虫主要被引入植物生长介质，通常是碎石床，在那里它们可以帮助分解鱼类中的任何固体废物和植物中的任何碎屑，并为植物提供额外的营养物质，它们也可以被喂入食肉动物鱼。 在大多数情况下，床位属于洪水和排水类型，因此蠕虫不会经常在水下。 ** 感谢 ** 作者感谢国家科学技术发展委员会 (项目编号 455349/2012-6) 和圣卡塔琳娜州立发展中心科学技术研究基金会 (项目编号 2013TR3406 和 2015TR453)。
· Aquaponics Food Production Systems12.7 双重分子法
为沼气生产而对特定栽培的生物量以及农业活动中残留的植物材料进行厌氧处理是一种公认的方法。 细菌不可消化的消化区被返回田野作为肥料和建立腐殖质。 虽然这一过程在农业中普遍存在，但这一技术在园艺中的应用是相对较新的。 Stoknes 等人（2016 年）声称，在 “从食物到废物换食品”（F2W2F）项目中，首次开发了一种有效的方法来利用开发作为基材和肥料。 研究小组为这个圆形系统创造了 “双重子学” 一词。 与水产养殖相比，Digeponics 将水产养殖部分替换为厌氧消化器，或者，将其与含厌氧的三环水生养系统相比较时，水产养殖部分从系统中去除，留下两个主循环，即消化循环和园艺循环。 以鱼类食品形式向水生系统提供所需的有机投入被人类食品生产中的食物垃圾替代。 与鱼饲料所产生的众所周知的、恒定的和可能营养优化的养分流相比，输入流中的营养成分不同，很可能需要比水生养分析和管理制度更为严格。 生产的沼气主要含有甲烷和二氧化碳，可在设施内用于电力和热量生产。 由此产生的富含二氧化碳的废气可以直接用作温室中的肥料，与农业中使用的传统沼气厂相比，减少排放量。 由于 “厌氧液体泥浆（含有）植物有毒物质、非常高的导电率（EC）和化学需氧量（COD）”（Stoknes 等人，2016 年），因此必须对其进行处理，使其适合植物施肥。 在 F2W2F 项目中，已经审查了几种调节方法。 消化器具有相对较高的含量，加上低成本食物废物的消化器的操作灵活性，缓解了一些往往归因于水生耦合系统的紧密耦合问题（见 [第 7 章]（/社区/文章/第 7 章-耦合-水烟-系统））。 因此，在水产养殖部分代表着挑战的情况下，双培养可以作为一种有趣的替代水产养殖方法。 关于已经由厌氧消化器循环组成的三环水生系统，将食物垃圾流用于有机投入可能是一个有趣的未来方向。 水产养殖污泥的甲烷产量相当有限。 目标明确地列入残余农业生物量，以优化甲烷产量，可提高整体绩效。
· Aquaponics Food Production Systems12.6 生物氟氯化物技术（BFT）应用于水生物
12.6.1 导言 Biofloc 技术 (BFT) 被认为是水产养殖领域的新的 “蓝色革命” (Stokstad 2010)，因为养分可以在培养基中持续回收和再利用，受益于原位微生物生产以及最低或零水交换 (Avnimelech 2015)。 这些办法可能在该部门面临一些严重挑战，例如争夺土地和水以及排放到环境中的废水，其中含有过量的有机物质、氮化合物和其他有毒代谢物。 BFT 于 1970 年代初由法国海洋开发研究所法国海洋研究所（太平洋海洋中心）的 Aquacop 团队首次开发，其中有不同种类的虾，包括凡纳米龙虾、苯甲鱼和皮纳鱼（Emerenciano 等人，2011 年）。 在同一时期，Ralston Purina（一家美国私营公司）与 Aquacop 有关的技术应用于水晶河（美国）和塔希提岛，从而使人们更好地了解生物氟素对虾养殖的好处。 其他一些研究使得 BFT 的综合方法得以实现，并研究了水、动物和细菌之间的相互关系，将 BFT 与 “外部结肠” 进行比较，但现在应用于虾。 在 20 世纪 80 年代和 90 年代初，以色列和美国（瓦德尔海产养殖中心）分别在 BFT 开始与罗非鱼和太平洋白虾 L. vannamei 开展研发，其中环境问题、水资源限制和土地成本是促进研究的主要致病因素（埃梅伦恰诺等人，2013 年)。 ！ ** 图 12.5** Biofloc 技术 (BFT) 应用于巴西的海洋虾养殖 (a) 和墨西哥的罗非鱼养殖 (b) (资料来源：巴西 EMA-FURG 和毛里西奥 ·G· 埃梅伦恰诺) 第一个商业 BFT 业务开始于 1980 年代在法属波利尼西亚塔希提岛的 “Sopomer” 农场，2000 年代初在位于中美洲伯利兹的伯利兹水产养殖场（BAL）开始。 使用 1000 msup2/SUP 混凝土罐和 1.
· Aquaponics Food Production Systems12.5 垂直水上乐器
12.5.1 导言 虽然水生动物可以被视为以更可持续和生产性的方式提高粮食生产的全球解决方案的一部分，在城市地区种植更多的粮食现已被认为是解决粮食安全和全球粮食危机的一部分（Konig 等人，2016 年），但水生系统本身可以此可以成为通过采用替代种植技术，学习垂直耕作和生活墙等新兴技术，提高生产力和可持续性（Khandaker 和 Kotzen 2018）。 此外，通过节省空间，它们可以更好地融入城市地区。 在发达国家，大多数水生系统都放置在温室，以控制温度；例如，在北欧和北美，冬季气温过于寒冷，在西班牙、意大利、葡萄牙、希腊和以色列等地中海地区，夏季气温过于温暖。 当然，在受控温室种植食物还有许多额外的优势，例如能够调节相对湿度和控制空气流动，能够将鱼类和植物从疾病和害虫中隔离出来，并有可能添加 COSub2/Sub，以帮助植物生长。 然而，在温室中种植农产品可以很容易地通过以下方式提高成本：(a) 温室的资本成本（大致估计 2017 年美元/msup2/sup Arnold）和 (b) 包括供暖和冷却系统和照明在内的微气候控制等相关基础设施。 除了初始基础设施成本之外，还有具体的温室生产成本，其中包括供暖和冷却的能源/电力供应以及照明。 由詹姆斯·拉科奇博士及其同事设计的维尔京群岛大学（UVI）系统（图 12.1）等大多数水生系统都使用水平种植槽或床，仿效传统陆地耕种模式来生产蔬菜（Khandaker 和 Kotzen 2018）。 换句话说，该系统依赖于通常升高到腰部左右的水平行/植物阵列，以便能够随时完成与植物有关的管理任务。 生活墙和垂直耕作技术方面的平行发展几乎是在水生动物发展的同时发生的，同样处于青少年发展阶段。 同样，随着越来越多的人参与，系统和技术发展也随之增加，以提高生产力和降低成本。 垂直生长系统（垂直耕作系统和生活墙）而不是水平床与鱼类和过滤罐相结合，是提高生产力的一个关键方法，因为与典型的生产数量相比，应该有可能增加蔬菜种植的数量水平床水上乐器。 UVI 水生系统（图 12.2）每平方米生产大约 32 株植物（Al-Hafedh 等人，2008 年），具体取决于生长的物种和品种，但正如汉达克和 Kotzen（2018）所指出的，每平方米大约可以生长 96 株植物。密度为三倍以上的 LW 系统 ！ ** 图 12.2** 典型的 UVI 系统示意图，说明鱼缸/过滤器/植物种植罐的比率为 2:1:5。 这表明，最大的面积被植物包括在内，正是在这个区域可以考虑节省空间。 （汉达克和科岑 2018） 相比 UVI 横向增长系统 ‘. 保守的估计应至少将水平床生长的最大量增加一倍，达到 64 株植物 /msup2/sup。 在一个实验的生菜 (_L.CV. Touliatos 等人 (2016 年) 表明，“垂直耕作系统 (VFS) 提供了一个有吸引力的替代水平水培生长系统 (以及) 可以通过纳入人工照明在 VFS “。
· Aquaponics Food Production Systems12.4 马拉松子和卤素
虽然淡水水生鱼是最广泛描述和实践的水生技术，但用于粮食生产的淡水资源（农业和水产养殖）越来越有限，土壤盐度在世界许多地区逐步增加（Turcios 和 Papenbrock，2014 年）。 这导致人们越来越关注和/或转向替代水源（例如咸水至高盐水以及海水），以及使用欧西卤素或盐水鱼、盐生植物、海藻和低耐盐糖植物（Joation 等人，2016 年）。 值得注意的是，虽然地下水中的盐水含量估计仅占世界水资源总量的 0.93%，为 12,870 000 韩元/苏普，但这比占所有淡水储量的 30.1% 的地下淡水储量（10,530,000 千克素普/苏普）还多。（2016 年）。 在水生动物中使用盐水是一个相对较新的发展，与大多数新的发展一样，需要在坚实的基础上确定用于描述各种类型的范围/等级的术语。 在其短暂的历史中，马拉松学（即海洋水生物）一词被用于海水水生物（SA），换句话说，使用海水和咸水的系统（Gunning 等人，2016 年）。 这些系统主要位于陆地、沿海地区，而南澳大利亚则靠近海水源。 但也有鱼类和植物生长，并且可以用于水盐度不同的水生单位。 因此，虽然使用 “马拉松学” 这一术语来表达海水水生动物的词源学意义，但使用这个术语将咸水水鱼类术语称为没有意义。 因此，我们建议需要在水生词汇中添加一个新术语，这是 ‘卤素’，来自拉丁字晕 ‘，意思是盐，并将其与后缀 ponics 结合起来。 因此，Maraponics 是一个陆地综合多营养水产养殖系统，将海洋鱼类、海洋甲壳动物、海洋软体动物等的水产养殖与利用海洋生物（如海洋海藻、海藻和海水盐生植物）的水培生产相结合。强度海水 (约 35,000 分钟 [35 克/升]). 然而，在一系列盐度中利用海洋水平以下盐水的水生生态系统应称为卤素（略盐水-1000 至 3000 分钟 [1—3 克/升]、中度盐度 3000-10000 分钟 [3—10 克/升] 和高盐度 10,000—35 克/升]）。 这些系统也是陆地 IMTA 系统，将水产养殖生产与水生植物的水培生产相结合，但鱼类和植物都适应或在所谓咸水中生长良好。 虽然马拉波尼学的概念是非常新的，但在 1970 年代，人们对陆上海藻综合海水养殖的兴趣开始出现，从实验室规模开始，然后扩大到户外试点规模试验。 在一些最早的实验研究中，Langton 等人（1977 年）成功地证明了在含贝类养殖污水的罐中培养的红海藻 _Hypnea 海藻的生长情况。 或者，通常被归类为糖植物的作物，例如常见的番茄（_Lycopersicon 叶氏菌 _），樱桃番茄（_Lycopersicon 叶氏菌 _ 变种）。 Cerasiforme）和罗勒（_Ocimum Basilum _），可以在高达 4 g/L（4000 ppm）盐度的条件下实现非常成功的生产水平，并且通常被称为具有中等耐盐性（不要与抗高盐度的真正盐植物混淆）。 其他容忍低温盐度的作物包括萝卜、萝卜、生菜、甘薯、蚕豆、玉米、白菜、菠菜、芦笋、甜菜、南瓜、西兰花和黄瓜（Kotzen 和 Appelbaum 2010；Appelbaum 和 Kotzen 2016）。 例如，Dufault 等人（2001 年）和 Dulau 和 Korkmaz（2000 年）分别试验了虾废料（虾粪物和分解饲料），作为西兰花（斜体花）和甜椒（辣椒）生产的肥料。 虽然他们的研究没有使用马拉松技术，但它们涉及的植物通常使用水生（淡水）技术种植。 因此，由于其耐盐度水平，这些作物具有巨大潜力，可作为低至中盐度卤素卤素系统生产的候选品种。
· Aquaponics Food Production Systems12.3 藻类学
12.3.1 背景 微藻属于单细胞光自生物（从 0.2 微米到 100 微米），分为不同的分类组。 微藻可以在大多数环境中找到，但大多数存在于水生环境中。 浮游植物占世界初级产量的 45% 以上，并产生了 50% 以上的大气 OSub2/Sub。 一般来说，微藻和高等植物的光合作用没有重大差异（Depeler 等人，2018 年）。 然而，由于微藻体积较小，一些内部竞争性生理器的减少，微藻的生长速度可以比较高的植物快得多（Moheimani 等人，2015 年）。 微藻也可以在有限的营养条件下生长，并且能够适应更广泛的环境条件（Gordon 和 Polle 2007）。 最重要的是，微藻养殖在可耕地和淡水方面与粮食作物生产没有竞争（Moheimani 等人，2015 年）。 此外，微藻可以有效地利用废水中的无机养分（Ayre 等人，2017 年）。 一般来说，微藻生物量含有高达 50% 的碳，使其成为对大气 COSub2/Sub 进行生物修复的理想选择（Moheimani 等人，2012 年）。 由于世界范围广泛的农业和畜牧业的增加，进入陆地生物圈的生物可得性氮和磷显著增加（Galloway 等人，2004 年）。 作物和畜牧业以及污水处理系统造成了这些营养负荷的巨大贡献 (Schoumans 等人, 2014 年)。 这些营养物质渗入水流会造成巨大的环境问题，例如有害的藻类繁殖和大规模鱼类死亡率。 例如，在美国，农业造成的养分污染被认为是富营养化的主要来源之一 (Sharpley 等人, 2008 年)。 控制养分流入周围环境的技术和经济挑战，必须克服这些挑战，以减少这种影响。 已经开发出各种成功的工艺来处理高有机负荷的废物。 然而，几乎所有这些方法都不是很有效去除水中的无机元素。 此外，其中一些方法的操作费用相当昂贵。 一个简单的处理有机废物的方法是厌氧消化 (AD)。 AD 工艺被广泛了解，如果有效运行，它可以将 90% 以上的废水有机物转化为生物甲烷和 COSub2/Sub（帕金和欧文 1986 年）。 甲烷可用于发电，产生的热量可用于各种附加用途。 然而，AD 工艺会产生一种厌氧消化废水 (ADE)，其中含有非常丰富的无机磷酸盐和氮，以及高 COD（碳氧需求量）。 在某些地方，这种污水可以使用微藻和大藻进行处理（Ayre 等人，2017 年）。
· Aquaponics Food Production Systems12.2 有氧运动
背景 美国国家航空航天局（NASA）将空气运动描述为：生长悬浮在空气中的植物的过程，没有土壤或介质，提供清洁、高效和快速的食品生产。 美国航天局进一步指出，农作物可以全年不间断地种植和收获，而且不会受到土壤、农药和残留物的污染，气动系统还将用水量减少 98%，肥料使用量减少 60%，并完全消除农药使用。 在空气系统中生长的植物被证明吸收更多的矿物质和维生素，使植物更健康，更有潜在的营养 _（美国航空航天局的分离关系）。 有氧运动的其他优点被认为是： -生长环境可以保持清洁和无菌。 -这减少了植物疾病和感染传播的机会。 -幼苗在根形成过程中不会伸展或枯萎。 -幼苗很容易移植，没有移植休克。 -幼苗生长加速，从而导致作物周期增加，从而增加每年产量。 对于 “天气” 和 “Zobel（1992 年），空气系统被定义为：整个植物和/或组织的培养，或由空气/水雾喂养的整个组织（而不是浸泡在水、土壤、养分琼脂或其他基础上）。 对于他们来说，植物只有部分根源在空气中生长，部分是营养液中生长的，或者部分时间在空气和部分时间在营养溶液中生长的植物，是通过一个空气-水培过程而不是平面学生长的。 因此，航空系统通过喷洒或喷雾营养液的根区域而运作。 植物的根部因此悬浮在空气中，并经受连续或间歇性/周期性喷洒/喷雾，形式为液滴或极细雾，液滴尺寸为 5 微米至 50 微米（微米）。 通常可以找到喷雾液滴尺寸为 30—80 μm 的 “爱好/家用” 试剂盒。 超声波或干雾雾化器产生的液滴尺寸\ <5 μm，但这需要压缩空气和非常精细的喷嘴，或者可以使用超声波传感器来产生这些雾气。 在有氧运动中，与水培一样，可以优化营养素供应，并且在水培和空气运动之间进行比较，Hikosaka 等人（2014 年）指出，使用干雾有氧运动的生菜生长和收获质量之间没有任何差别。 然而，叶片的根部呼吸率和光合作用率都显著增加。 他们还注意到，该系统使用的水量也较少，而且比传统的水耕系统更有效、更易于管理（Hikosaka 等人，2014 年）。 Lakhiar 等人（2018 年）在一份关于受控环境下农业现代植物栽培技术的评论文中指出，空气运动 “被认为是实现粮食安全和可持续发展的最佳植物种植方法”。 #12.2.2 航空运动的起源 理查德 ·J· 斯托纳二世被认为是空气运动的父亲。 美国航天局对水生动物的审查（Clawson 等人，2000 年）指出，水生物的起源主要在于根形态学的研究，但起源于自然，例如植物，例如在热带地区生长的兰花，那里有雾天然发生的。 Clawson 等人（2000 年）注意到 B.T. Barker（“用喷雾成功地种植苹果树”）和 F. W. 去了，1957 年，他在薄雾中种植了西红柿和咖啡植物，并称之为 “空气飞行器” 的过程。 关于根部形态学的研究，卡特在 1942 年利用空气技术作为调查菠萝根源的一种方法，1944 年克洛茨调查了鳄梨和柑橘的根源，然后许多其他人包括哈比克和罗伯逊；巴拉克、索弗和汉堡；尤尔加列维奇和雅尼斯；以及杜托斯，韦特。和布里格斯都进行了各种航空飞行方面的实验 (详情请参阅克劳森等人 2000 年).
· Aquaponics Food Production Systems12.1 导言
本章讨论了一些关键的相关技术和替代技术，这些技术可以扩展或有可能扩大水生系统的功能/生产力，或者是可以与水生生产相关联的关联/独立技术。 这些系统的建立和发展具有增加生产、减少浪费和能源以及在大多数情况下减少用水量的能力。 与可能被视为处于中期/青少年发展阶段的水生动物不同，下面讨论的新方法还处于初期阶段。 然而，这并不意味着它们本身并不是有价值的技术，而且具有高效率和可持续地提供未来粮食的潜力。 下文讨论的方法包括空气运动、飞行水肺、海藻、生物浮动技术用于水上运动、马拉松式和卤素以及垂直水上运动。
· Aquaponics Food Production Systems