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La composition chimique de l'eau du système en aquaponie est très complexe. Outre un large éventail d'ions dissous, il contient des substances organiques résultant de la libération de produits du métabolisme des poissons et de la digestion des aliments, ainsi que des substances excrétées par les plantes. Ces substances sont largement inconnues et leurs interactions peuvent influer davantage sur la composition chimique et le pH des solutions nutritives aquaponiques. Tout cela peut avoir des effets multiples, mais pour la plupart encore inconnus, sur l'absorption des nutriments par les plantes, sur la santé des poissons et sur l'activité microbienne.

Les nutriments pénètrent dans un système aquaponique par l'ajout d'eau et d'aliments pour poissons (Schmautz et al. 2016). En termes de composition élémentaire, les aliments pour poissons contiennent environ 7,5 % d'azote, 1,3 % de phosphore et 46 % de carbone (Schmautz, données inédites). En termes de composés organiques, les aliments pour poissons contiennent des protéines (farine de poisson ou à base de plantes), des graisses (huile de poisson, huiles végétales) et des hydrates de carbone (Boyd 2015). Les poissons herbivores (comme le tilapia) n'ont besoin que de 25 % de protéines dans leur alimentation, comparativement aux poissons carnivores qui ont besoin d'environ 55 % de protéines (Boyd 2015). Tant la farine de poisson que le soja ne sont pas durables (pour différentes raisons), il y a donc des recherches intenses en vue de trouver des substituts de farine de poisson appropriés et des régimes alimentaires à base de plantes (Boyd 2015 ; Davidson et al. 2013 ; Tacon & Metian 2008.

Si les rapports d'alimentation sont calculés correctement, tous les aliments ajoutés au système sont consommés, et seulement ce qui n'est pas utilisé pour la croissance et le métabolisme est excrété (figure 11). La proportion de nutriments excrétés dépend également de la qualité et de la digestibilité de l'alimentation (Buzby & Lin 2014). La digestibilité des aliments pour poissons, la taille des excréments et le taux de décantation sont tous très importants pour le fonctionnement du système (Yavuzcan Yildiz et al. 2017). Par conséquent, la composition nutritive de l'eau du système aquaponique, résultant de la qualité de l'eau ajoutée, des aliments pour poissons ajoutés et de l'ensemble des réactions métaboliques dans le système, est extrêmement complexe et ne correspond pas toujours aux exigences de la plante. Toutefois, le bien-être des poissons devrait être une préoccupation centrale, et les aliments pour poissons devraient être choisis en fonction des espèces de poissons à chaque stade de développement. La disponibilité des nutriments qui peuvent être assimilés par les plantes doit être régulée dans une deuxième étape.

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Figure 11 : Débit environnemental d'azote et de phosphore (en%) pour a) la production en cage de tilapia du Nil (après Montanhini Neto & Ostrensky 2015) ; b) la production de RAS (données de Strauch et al. 2018). « Inexpliquée » désigne la fraction de N et P qui n'a pu être attribuée à aucune catégorie

Les données du tableau 10 montrent que la plupart des nutriments végétaux, mais surtout le P et le Fe, étaient à des concentrations significativement plus faibles dans le système aquaponique étudié que dans les solutions hydroponiques standard. Cela semble être une situation typique dans l'exploitation aquaponique ; cependant, les taux de croissance des cultures aquaponiques sont dans la plupart des cas satisfaisants (Schmautz, données inédites). Examinons ce phénomène de plus près.

Malheureusement, l'interprétation de ces données est très difficile. La raison en est que très récemment, dans l'alimentation des plantes, la « loi de Liebig » vieille de près de deux siècles (la croissance des plantes est contrôlée par la ressource la plus rare) a été remplacée par des modèles mathématiques complexes qui tiennent compte des interactions entre les éléments nutritifs individuels, les composés et les ions (Baxter 2015. Ces méthodes ne permettent pas une évaluation simple des effets des changements dans les niveaux de nutriments dans un système hydroponique ou aquaponique. En outre, nous devons garder à l'esprit qu'il n'existe pas de formulation parfaite des besoins nutritionnels pour une culture particulière. Les besoins nutritionnels varient selon la variété, le stade du cycle de vie, la durée du jour et les conditions météorologiques (Bittszansky et al. 2016 ; Resh 2013 ; Sonneveld & Voogt 2009).

Très généralement, pour une bonne croissance des plantes dans les hydroponiques, la concentration d'azote devrait rester supérieure à 165 mg/l de N, le phosphore supérieur à 50 mg/l et le potassium supérieur à 210 mg/l (Resh 2013). En aquaponie, de telles concentrations élevées sont difficiles à atteindre pour plusieurs éléments pertinents pour trois raisons :

  1. Plus les concentrations dans l'eau sont élevées, plus la perte de nutriments par l'échange d'eau ou les boues est élevée. Cependant, même en système fermé, un certain niveau d'échange d'eau est nécessaire, afin de compenser les pertes d'évapotranspiration et de réduire l'accumulation de composants indésirables.

  2. Avec la concentration élevée de nutriments dans l'eau, des composants comme le sel ou les toxines s'accumulent également dans le système.

  3. Le phosphore réagit avec le calcium s'il est présent à des concentrations plus élevées et précipite sous forme de phosphate de calcium.

Les plantes qui poussent dans le compartiment hydroponique ont des exigences spécifiques qui dépendent de la variété végétale et du stade de croissance (Resh 2013). Les nutriments peuvent être complétés par l'eau du système (Schmautz et al. 2016) ou par application foliaire (Roosta & Hamidpour 2011).

Tableau 10 : Comparaison des concentrations de nutriments dans une solution hydroponique standard et dans l'eau provenant d'un système aquaponique fermé (Schmautz, données inédites)

Concentration [mg/l] Rapport de concentration(hydroponique/aquaponique) Aquaponics (Schmautz, inédit) Hydroponique (optimisé pour la laitue, Resh 2013) Macronutriments N (en tant que NO -) 3 147 165 1.1 N (en tant que NH +) 4 2.8 15 5.4 P (en tant que PO 3-) 4 5.1 50 10 K (en K+) 84 210 2.5 Mg (sous forme de Mg2+) 18 45 2.5 Ca (en tant que Ca2+) 180 190 1.1 S (en tant que SO 2-) 4 21 65 3.1 Micronutriments Fe (en tant que Fe2+) 0,2 4 20 Zn (Zn2+) 0,2 0,1 0,5 B (en tant que B [OH]-) 4 0,1 0,5 5 Mn (en tant que Mn2+) 1.4 0,5 0,4 Cu (en tant que Cu2+) 0,1 0,1 1 Mo (en tant que MoO 2-) 4 0,002 0,05 25

Habituellement, avec des taux d'ensemencement appropriés, les teneurs en *azote (N, sous forme de nitrate) * sont suffisantes pour une bonne croissance des plantes, alors que les niveaux de plusieurs autres nutriments, notamment le fer (Fe), le phosphore (P), le potassium (K) et le magnésium (Mg) ** sont généralement insuffisants pour une croissance maximale des plantes. Comme on le voit dans le tableau, d'autres micronutriments pourraient aussi être limitants. En aquaponique, il est particulièrement important de surveiller le pH, car à un pH supérieur à 7, plusieurs éléments nutritifs (voir figure 10) peuvent précipiter de l'eau et devenir ainsi indisponibles pour les plantes.

*Potassium (K) * n'est pas nécessaire pour les poissons, ce qui conduit à une faible composition en potassium des aliments pour poissons et à des niveaux encore plus faibles de potassium disponibles pour les plantes (Seawright et al. 1998). Pour fournir du potassium, le tampon de pH KOH est souvent utilisé, car le pH diminue souvent en aquaponie en raison de la nitrification (Graber & Junge 2009). Cela a l'avantage supplémentaire d'augmenter les taux de potassium, bien qu'il puisse être toxique pour les poissons. Dans les systèmes aquaponiques plantés à la tomate, le potassium s'accumule principalement dans les fruits (Schmautz et al. 2016).

*Le fer (Fe) * est également souvent un facteur limitant en aquaponie, il peut donc être ajouté à titre préventif avant que les carences ne deviennent apparentes. Des concentrations élevées de fer ne nuiront pas à un système aquaponique, bien qu'il puisse donner une légère couleur rouge à l'eau. Afin d'assurer une absorption facile par les plantes, le fer doit être ajouté sous forme de fer chélaté, autrement appelé fer séquestré. Il existe différents types de chélates de fer : Fe-edta, Fe-DTPA et Fe-eddha. Le fer peut être ajouté dans l'eau du système (par exemple 2 mg L−1 une fois toutes les deux semaines) ou pulvérisé directement sur les feuilles (application foliaire) de 0,5 g L−1 ) (Roosta & Hamidpour 2011).

La principale source de calcium (Ca), magnésium (Mg) ** et *soufre (S) * est l'eau du robinet, ce qui facilite l'absorption par les plantes car les nutriments sont déjà disponibles (Delaide et al. 2017). Néanmoins, ces éléments sont souvent à de faibles niveaux dans les systèmes aquaponiques (Graber & Junge 2009 ; Seawright et al. 1998, Schmautz, données inédites). Particulièrement **Ca est souvent un facteur limitant en aquaponie, car il ne peut être transporté que par transpiration active du xylème. Lorsque les conditions sont trop humides, le calcium peut être disponible mais bloqué parce que les plantes ne transpirent pas. Augmenter le débit d'air avec des évents ou des ventilateurs peut éviter ce problème. Sinon, le carbonate de calcium (CaCo3) ou l'hydroxyde de calcium (Ca (OH)2) devrait être complété.

*Zinc (Zn) * est utilisé dans le processus de galvanisation de certaines pièces métalliques, qui peuvent être utilisées dans la construction d'AP (réservoirs à poissons, boulons, etc.), et il se trouve dans les déchets de poisson. Bien que les carences en zinc soient rares, la toxicité du zinc peut poser un problème en aquaponie, car bien que les plantes puissent tolérer un excès, les poissons ne le peuvent pas. Les concentrations de zinc doivent être maintenues entre 0,03 et 0,05 mg/l. La plupart des poissons seront soumis à des contraintes de 0,1 à 1 mg/l et commenceront à mourir à 4-8 mg/l. La meilleure façon de maintenir les niveaux de zinc dans une plage inoffensive est d'éviter l'équipement galvanisé (Storey 2018). Néanmoins, dans certains systèmes, des carences en zinc peuvent se produire. La carence en zinc peut être atténuée par l'application foliaire de zinc chélaté (Treadwell et al. 2010).

La question se pose donc de savoir s'il est nécessaire et efficace d'ajouter des nutriments aux systèmes aquaponiques (Nozzi et al. 2018). Si le système est approvisionné en quantité suffisante de poissons et que le pH est à un niveau correct, il n'est pas nécessaire d'ajouter des éléments nutritifs pour les plantes dont le cycle de culture est court et qui ne produisent pas de fruits (par exemple, les légumes verts feuillus comme la laitue, Nozzi et al. 2018). En revanche, les légumes fruitiers (p. ex. tomates, aubergines) nécessitent une supplémentation en éléments nutritifs. La quantité d'engrais minéraux requis peut être calculée à l'aide du logiciel HydroBuddy (Fernandez 2016) (voir aussi l'exercice du module 6). En plus de notre expérience en matière de compléments minéraux, il faudrait à l'avenir tester les engrais hydroponiques organiques disponibles sur le marché afin de déterminer ceux qui ne nuisent pas à la vie des poissons. Récemment, le traitement des boues de poisson dans un digesteur et la réintroduction de ce digestat dans le système d'eau ont été suggérés pour augmenter l'approvisionnement en nutriments des plantes (Goddek et al. 2016). Un autre avantage possible de fournir au système aquaponique des nutriments organiques, au lieu de minéraux, pourrait être un effet positif sur la population microbienne.

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l'enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l'Université de Greenwich, en collaboration avec l'Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l'Université technique de Madrid (Espagne), l'Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *

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