第 9 章水生物系统中的营养循环
9.5 结论
#9.5.1 当前水生养分循环的缺点 在水培学中，精确测定营养液，并且对系统中的营养素输入进行了充分的理解和控制。 这使得相对容易适应每个植物种类和每个生长阶段的营养解决方案。 在水生鱼类中，根据定义（Palm 等人，2018 年），营养物质必须至少有 50% 来自未食用的鱼饲料、鱼固体粪便和鱼可溶性排泄物，从而使监测可供植物摄取的营养物浓度变得更加困难。 第二个缺点是通过多种途径，例如污泥去除、水更新或脱硝化，营养物质的流失。 污泥去除会导致营养物质的流失，因为磷等若干关键营养物质经常沉淀，然后被困在抽出的固体污泥中。 即使在很小的比例也必须进行的水更新，也增加了水生循环营养物质的损失。 最后，脱硝化的发生是因为存在脱硝细菌和有利于其新陈代谢的条件。 ##9.5.2 如何改善营养循环？ 总而言之，仍需改善营养循环，以便优化水生植物的植物生长。 因此，目前在 [第 8 章] 中探讨了若干备选办法 (社区/文章/第 8 章解耦-水瓶-系统)。 为了避免失去污泥中捕获的营养物质，制定了污泥再矿化单元（[第 10 章]（社区/文章/第 10 章-有氧和厌氧治疗-用于水磷-淤泥-还原和矿化））。 这些单元的目的是提取污泥中以固体形式捕获的营养物质，并以植物可以吸收的形式将其重新输入系统（Deleide 2017）。 减少养分损失的另一种技术是通过浓度水生溶液来促进植物吸收 (即去除一小部分水以保持相同数量的营养物质，但水量较少)。 这种浓度可以通过添加一个海水淡化装置作为水生系统的一部分来实现（戈德克和科尔纳 2019；戈德克和基斯曼 2018）。 最后，使用解耦/多循环系统可为所有鱼类、植物和微生物提供最佳的生活和生长条件。 虽然在这一领域进行了一些研究，但应进行更多的研究，以便更好地了解水生养殖中的营养循环。 事实上，更多关于每种营养素的确切周期（何种形式、如何通过微生物转化或不被微生物转化、植物如何被水生物吸收）或植物和鱼类种类以及水参数对营养循环的影响，可大大有助于理解水上乐园系统
· Aquaponics Food Production Systems9.4 质量平衡：营养物进入水生系统后会发生什么情况？
9.4.1 上下文 水生系统的运作基于营养循环的动态平衡（Somerville 等人，2014 年）。 因此，有必要了解这些周期，以便优化系统的管理。 以水培方式生长的植物有特定的要求，这些要求应在其不同的生长阶段得到满足（Resh 2013）。 因此，必须密切监测系统不同隔间的营养素浓度，并补充营养素，以防止系统水或叶面施用中的缺陷（Resh 2013；Seawlight 等人，1998 年）。 根据 Dellaide 等人（2016 年），在某些情况下，为了达到与水培学相同的营养浓度，用矿物养分补充水生溶液可能会导致比水培学中获得更高的产量。 实现平衡系统的第一步是正确的设计和相对尺寸的隔间（Buzby 和 Lin 2014）。 如果与鱼缸相比，水培室太小，那么营养物质将积累在水中，并可能达到毒性水平。 饲料速率比（即系统中根据植物生长表面和植物类型确定的鱼饲料量）通常用于该系统的第一个尺寸（Rakocy 等人，2006 年；Somerville 等人，2014 年）。 然而，根据 Seawlight 等人（1998 年），如果只使用鱼类饲料作为投入，就不可能达到植物/鱼比例，这样才能最佳匹配植物的需求。 为了确保系统的平衡和正常运行，监测方法通常基于氮循环（Cerozi 和 Fitzsimmons 2017；Somerville 等人，2014 年），但为了确保系统的最佳运作，有必要更密切地监测其他大量营养素的平衡（N、P、K、钙、镁、S）和微量营养素（铁、锌、B、锰、钼、铜）（瑞希 2013 年；萨默维尔等人，2014 年；索纳费尔德和沃格特 2009 年）。 最近的研究（德莱德等人（2017 年），施毛茨等人（2015 年，2016 年））已经开始解决这一问题。 Schmautz 等人（2015 年，2016 年）比较了三种不同水培布局（即营养膜技术（NFT）、浮筏和滴灌）对水生番茄营养素吸收的影响。 滴灌是用西红柿产量略高的系统。 水果中的矿物含量 (P, K, Ca, Mg) 与常规值相当, 尽管铁和锌含量较高. 然而，叶片的磷、钾、S、钙、镁、铁、铜和锌含量低于传统农业。 Delide 等人（2016 年）遵循了水生耦合系统中宏观营养素和微量营养素的循环。 他们观察到水生溶液中缺乏钾、P、铁、铜、锌、锰和钼，而氮、钙、B 和 Na 则迅速积累。 Graber 和 Junge（2009 年）指出，他们的水生生物溶液含有比水培溶液少三倍的氮和十倍的磷。 至于钾 (K)，与水培相比，它低 45 倍。 尽管如此，它们的产量与产量相似，尽管由于缺乏钾（K），质量较差。
· Aquaponics Food Production Systems9.3 微生物过程
9.3.1 溶解化 溶解包括分解构成鱼类废物的复杂有机分子，并以离子矿物的形式将剩余的食物喂入养分，植物可以吸收（Goddek 等人，2015 年；Somerville 等人，2014 年）。 在水产养殖（杉田等人，2005 年；Turcios 和 Papenbrock 2014）和水产养殖中，溶解主要是由尚未完全识别的异养细菌（van Rijn 2013；第 6 章）进行的（Goddek 等人，2015 年）。 一些研究已经开始破译这些细菌群落的复杂性（Schmautz 等人，2017 年）。 在目前的水产养殖中，观察到的最常见的细菌有：根茎菌、黄细菌、狮面杆菌 _ SP、_ 科马莫纳菌 _ SP、_ 不动杆菌 _ sp.、_ 气单胞菌 _ sp. 和 _ 假单胞菌。 (蒙吉亚-弗拉戈佐等人, 2015 年; 杉田等人, 2005 年). 细菌在水生物中的主要作用的一个例子是，通过生产植物特别存在于 _γ-蛋白细菌 _ 中，不溶性植物酸盐转化为磷（P），供植物吸收（Jorquera 等人，2008 年）。 (在这一领域需要进行更多的研究). 除 P 以外的其他营养物质也可以作为固体被捕，并与污泥一起从系统中抽出。 因此，正在努力使用 UASB-EGSB 反应堆将这种污泥再矿化，以便将养分重新输入水生体系（Delide 2017；Goddek 等人，2016 年；第 10 章。 此外，根据饲料的成分，不同矿物质不会以相同的速度释放（Leteliergordo 等人，2015 年），从而导致对其在水生溶液中的浓度进行更为复杂的监测（Seawit 等人，1998 年）。 #9.3.2 硝化 水生系统中的主要氮源是鱼饲料及其中含有的蛋白质（Goddek 等人，2015 年；Ru 等人，2017 年；翁基等人，2017 年；Yildiz 等人，2017 年）。 理想情况下，这种饲料的 100％ 应该被鱼吃掉。 然而，据观察到，鱼类仅使用给定饲料中含有的大约 30% 的氮（Rafiee 和 Saad，2005 年）。 摄入的饲料部分用于同化和新陈代谢（Wongkiew 等人，2017 年），其余部分则通过鳃或尿液和粪便排泄（Ru 等人，2017 年）。 通过鳃排出的氮主要是氨，NHSub3/Sub（旺基等人，2017 年；Yildiz 等人，2017 年），而尿液和粪便则由有机氮组成（Wongkiew 等人，2017 年），后者通过蛋白酶和脱氨酶转化为氨（2005 年等）。 一般来说，鱼类以 TAN 的形式排放氮，即 NHSub3/Sub 和 NHSub4/Sub+/SUP。 NHSub3/Sub 和 NHSub4/Sub+/SUP 之间的平衡主要取决于 pH 值和温度。 氨是饲料蛋白质的鱼类分解代谢产生的主要废物（Yildiz 等人，2017 年）。
· Aquaponics Food Production Systems9.2 营养成分的来源
水生养殖系统中的主要营养来源是鱼饲料和添加的水（含镁、钙、S）（见 [Sect.9.3.2）。 （社区/物品 /9-3-微生物过程 #932-硝化））纳入系统（Delide 等人，2017 年；施毛茨等人，2016 年），详见 [第 13 章]（社区/文章/第三部分-可持续发展观点）。 关于鱼类饲料，主要有两种类型：鱼类饲料和植物饲料。 鱼粉是水产养殖中使用的经典饲料类型，其中脂质和蛋白质依赖鱼粉和鱼油（Geay 等人，2011 年）。 然而，一段时间以来，人们对这种饲料的可持续性提出了关注，并引起了人们对植物性饮食的关注（Boyd 2015；戴维森等人，2013 年；华和局 2012；塔肯和梅田 2008）。 华和局进行的一项元分析（2012 年）显示，在鱼饲料中使用植物蛋白质可以对鱼类生长产生影响。 事实上，植物蛋白质会对饲料的消化率和抗营养因素水平产生影响。 特别是，磷源自植物，因此在植物的形式不受益，例如，鲑鱼、鳟鱼和其他几种鱼类物种 (Timmons 和 Ebeling 2013)。 这并不奇怪，这种观察是高度依赖于鱼种和成分的质量 (华和局 2012). 然而，人们对不同鱼类饲料成分对作物产量的影响所知甚少（Yildiz 等人，2017 年）。 经典鱼饲料由 6—8 种宏观成分组成，含有 6—8% 的有机氮、1.2% 的有机磷和 40—45% 的有机碳（蒂蒙斯和 Ebeling 2013），含有约 25% 的食草或杂食鱼蛋白质，约 55% 的食肉鱼类蛋白质（Boyd 2015）。 脂类也可以是鱼类或植物为基础（博伊德 2015 年）。 ！ 图片-3 ** 图 9.1** 尼罗河 _ 罗非鱼 _ 笼生产 (尼托和奥斯特兰斯基 2015 年之后) 和 (b) RAS 生产 (来自各种来源) 中氮和磷的环境流量百分比
· Aquaponics Food Production Systems9.1 导言
当涉及到以创新和可持续的方式生产食品时，Aquaponic 系统具有各种优势。 除了温室作物空中 COSub2/Sub 浓度增加以及在同一空间种植鱼类和作物时减少总热能消耗的协同效应（Körner 等人，2017 年），水生生物在营养循环方面具有两个主要优势。 首先，再循环水产养殖系统与水培生产相结合，可避免将富含溶解氮和磷的水产养殖废水排放到已经受到污染的地下水中（布兹比和林 2014；广治 2001；van Rijn 2013）；第二，它允许对水产养殖的施肥无土作物与可视为有机解决方案（Goddek 等人，2015 年；Schneider 等人，2004 年；Yogev 等人，2016 年），而不是使用由耗尽自然资源制成的矿物来源化肥（施毛茨等人，2016 年；[第 2 章]（/社区/文章/第 2 章，第 2 章，第 2 章 — — — — — — — — — — — — — — — — — —有限的水土地和营养资源））。 此外，尽管水产养殖水中大多数营养物质的浓度较低，但水产养殖的生长率与传统水培相比较（Graber 和 Junge，2009 年；Bittsanszky 等人，2016 年；Delide 等人，2016 年），产量可能比土壤更好（Rakocy 等人，2004 年）。 大气环境中 COSub2/Sub 浓度增加以及根带生物群落的变化被认为是造成这种情况的主要原因。 此外，据报告，水生番茄的矿物含量和营养质量相当于或优于传统种植的番茄的矿物含量（Schmautz 等人，2016 年）。 尽管拥有两项有吸引力的资产 (即水产养殖废水的回收和使用有机肥料)，但水产养殖污水的使用增加了监测溶液中营养成分的挑战。 事实上，控制营养物源自有机物生物降解的溶液的组成比跟踪基于矿物化合物的精确剂量水培溶液中养分浓度的演变更困难（Bittsanszky 等人，2016 年；Timmons 和 Ebeling(2013 年)。 此外，植物在生长期间的营养需求随着生理阶段的不同而变化，有必要满足这些需求，以最大限度地提高产量（Bugbee 2004；Zekki 等人，1996 年；[第 4 章]（/社区/物品/第 4 章-水培技术））。
· Aquaponics Food Production Systems