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Les paramètres de fonctionnement de l'aquaponie à une échelle donnée — y compris le volume d'eau, la température, les débits d'alimentation et de débit, le pH, l'âge et la densité des poissons et des cultures — influent tous sur la distribution temporelle et spatiale des communautés microbiennes qui se développent dans ses compartiments, pour examen : RAS (Blancheton et al., 2013) ; hydroponique (Lee et Lee 2015).

En plus de contrôler l'oxygène dissous, les niveaux de dioxyde de carbone et le pH en aquaponie, il est également essentiel de contrôler l'accumulation de solides dans le système RAS, car de fines particules en suspension peuvent adhérer aux branchies, provoquer une abrasion et une détresse respiratoire et augmenter la susceptibilité aux maladies (Yildiz et al., 2017) . Plus pertinent encore, la matière organique particulaire (POM) doit être rapidement et efficacement éliminée des systèmes RAS, sinon une croissance hétérotrophe excessive entraînera l'échec de presque tous les processus unitaires. Les taux d'alimentation du RAS doivent être soigneusement gérés afin de minimiser la charge de solides sur le système (p. ex. éviter une suralimentation et minimiser les coûts d'alimentation). Les propriétés biophysiques des aliments pour animaux — taille des particules, teneur en nutriments, digestibilité, attrait sensoriel, densité et taux de décantation — déterminent les taux d'ingestion et d'assimilation, qui, à leur tour, ont un impact sur l'accumulation de solides et donc sur la qualité de l'eau. Bien que la qualité de l'eau soit fréquemment étudiée dans le contexte du cycle des éléments nutritifs (voir Chap. 9), il est également important de mieux comprendre la composition des communautés microbiennes et les changements dans ces communautés en fonction de la composition des aliments, la charge de particules et la façon dont cela influence la croissance des communautés bactériennes hétérotrophes et autotrophes.

Diverses caractéristiques des systèmes RAS ont été développées spécifiquement pour traiter les matières solides (Timmons et Ebeling, 2013) ; voir aussi l'examen (Vilbergsson et al., 2016b). Par exemple, certains biofiltres fonctionnent pour maintenir en suspension des portions importantes de déchets afin de faciliter la dégradation, tandis que d'autres filtrent mécaniquement à travers des écrans ou des milieux granulaires. D'autres encore comptent sur la sédimentation pour simplement recueillir et enlever les boues. Cependant, de telles méthodes ne sont pas particulièrement efficaces pour récupérer les nutriments dans les boues et les rendre biodisponibles pour utilisation végétale. Historiquement, cette boue a été manipulée dans des bioréacteurs pour sa valeur méthanogène ou déshydratée pour être utilisée comme engrais pour les cultures à base de sol, mais divers modèles plus récents ont tenté d'améliorer la récupération en vue de son utilisation dans la composante hydroponique. L'amélioration de la récupération de ces boues est un domaine important d'étude étant donné qu'une partie importante des macro-éléments et micronutriments essentiels nécessaires à la croissance des plantes sont liés à la matière organique particulaire qui, si elle est rejetée, est perdue du système. En ajoutant une boucle supplémentaire de recyclage des boues au système aquaponique, les déchets solides peuvent être convertis en éléments nutritifs dissous pour être réutilisés par les plantes plutôt que d'être jetés (Goddek et al., 2018). Les digesteurs ou les bioréacteurs reminéralisants sont une façon d'y parvenir, mais l'un des principaux domaines actuellement sous-développés comprend la connaissance de la façon dont les communautés microbiennes dans ces digesteurs de boues peuvent être améliorées (p. ex. par l'ajout de microbes) ou mieux utilisées (p. ex. par une meilleure conception technique de réacteurs reliés) pour récupérer les éléments nutritifs sous forme biodisponible pour les plantes. Même si les communautés microbiennes réelles dans les digesteurs de boues n'ont pas été bien étudiées pour l'aquaponie, il existe de nombreux ouvrages sur le microbiote des digesteurs de boues pour les eaux usées et les déchets animaux en agriculture, y compris les effluents de poisson, qui peuvent fournir des renseignements supplémentaires sur les conceptions idéales pour les récupération des boues dans le système aquaponique. Les recherches actuelles sur l'incorporation des boues dans le système aquaponique portent sur la reminéralisation dans les digesteurs situés entre le RAS et l'unité hydroponique (Goddek et al. 2016a, 2018). Dans les bioréacteurs aérobies ou anaérobies, des conditions environnementales favorables à la dégradation des déchets peuvent effectivement décomposer cette boue en éléments nutritifs biodisponibles, qui peuvent ensuite être acheminés dans le système hydroponique sans la présence de sol (Monsees et al., 2017). De nombreux systèmes aquaponiques à une boucle comprennent déjà des digesteurs aérobies (Rakocy et al., 2004) et anaérobies (Yogev et al., 2016) pour transformer les nutriments qui sont piégés dans les boues de poisson et les rendre biodisponibles pour les plantes. La possibilité de découpler ces éléments présente un certain nombre d'avantages qui sont discutés plus en détail dans Chap. 8 et semble conduire à des taux de croissance plus élevés (Goddek et Vermeulen 2018). Cependant, malgré les nombreuses avancées, la technologie actuelle pour y parvenir reste difficile. Par exemple, certaines bactéries dénitrifiantes hétérotrophes cultivées dans des conditions anoxiques ou même aérobies avec des boues de RAS utiliseront le nitrate comme récepteur d'électrons et les sources de carbone oxydé pour l'énergie, tout en stockant l'excès de P sous forme de polyphosphate avec des ions métalliques divalents tels que CASUP+2/SUP ou CUSUP. Lorsqu'elles sont stressées à pH alcalin, ces bactéries dégradent le polyphosphate et libèrent l'orthophosphate, forme nécessaire à l'assimilation du phosphate par les plantes (Van Rijn et al. 2006). L'insertion d'unités de bioréacteur de reminéralisation, comme celles de Goddek et al. (2018), pourrait fournir un moyen de mieux récupérer le P pour l'hydroponie. Des méthodes semblables ont, par exemple, été utilisées avec des boues de truite provenant d'un RAS qui ont été traitées pour déterminer la teneur en nitrate et en P excédant les limites d'élimination autorisées (Goddek et al., 2015). Cependant, les communautés microbiennes impliquées dans ces processus sont sensibles aux conditions de culture telles que les rapports C:N, l'oxygénation, les ions métalliques et le pH, de sorte que les nitrites et autres intermédiaires nocifs peuvent s'accumuler. Malgré une vaste documentation sur les digesteurs de divers déchets organiques, principalement anaérobies pour la production de biogaz (Ibrahim et al. 2016), il y a beaucoup moins de recherches sur le traitement des déchets RAS (Van Rijn 2013), et dans le cas du système aquaponique, encore moins de recherches disponibles sur la relation entre les éléments nutritifs biodisponibilité et croissance des cultures dans le système hydroponique (Möller et Müller 2012). À l'heure actuelle, d'autres études sur les bioréacteurs de boues RAS pourraient fournir des informations importantes sur les conditions de culture des populations microbiennes qui produisent des résultats favorables, par exemple sur la récupération du P et son introduction dans les unités hydroponiques.

L'un des défis actuels dans les efforts visant à évaluer la récupération du P dans les boues se pose lorsque l'on compare les essais de digesteurs anaérobies et aérobies pour déterminer leur efficacité (Goddek et al. 2016b ; Monsees et al., 2017). Bien que les deux études aient utilisé initialement une composition similaire des boues, les résultats étaient très différents. Dans une étude (Monsees et al., 2017), les mesures de divers nutriments solubles dans les traitements aérobies ont entraîné une augmentation de 330% de la concentration de P et une diminution de 16% de la concentration de nitrate par rapport à des augmentations mineures de P et une diminution de 97% du nitrate dans les traitements anaérobies. En revanche, les résultats d'une étude similaire (Goddek et al. 2016b) ont montré que la croissance des plants de laitue dans une unité hydroponique était supérieure à l'aide d'un surnageant anaérobie, même si les traitements anaérobies et aérobies n'ont entraîné qu'une récupération légèrement meilleure du nitrate dans des conditions anaérobies et une perte presque complète de POSub4/sub provenant des deux traitements (Goddek et al. 2016b). De toute évidence, des facteurs tels que la composition et la vitesse des aliments, la suspension par rapport à la décantation des solides, le pH (maintenu à 7 ± 1 avec CaoHsub2/sub dans le premier et la variable 8.2—8.65 dans le second), l'échantillonnage et les souches de poissons différaient dans ces deux études. Néanmoins, les résultats contrastés pour POSub4/Sub et NOSub3/Sub indiquent la nécessité de poursuivre les recherches pour optimiser la récupération des éléments nutritifs, avec l'ajout d'une approche métagénomique pour caractériser les communautés microbiennes afin de mieux comprendre leur rôle dans ces processus.


Aquaponics Food Production Systems

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