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L'aquaponie représente un effort pour contrôler la qualité de l'eau afin que toutes les formes de vie actuelles (poissons, plantes et microbes) soient cultivées dans des conditions chimiques de l'eau aussi proches que possible (Goddek et al., 2015). Si la chimie de l'eau peut être adaptée aux exigences de ces trois ensembles de formes de vie importantes, l'efficacité et l'optimisation de la croissance et de la santé de tous peuvent être recherchées (Lennard 2017).

L'optimisation est importante pour la production aquaponique commerciale car ce n'est que par l'optimisation que le succès commercial (c'est-à-dire la rentabilité financière) peut être réalisé. Par conséquent, les exigences en matière de chimie de l'eau et de qualité de l'eau dans le système aquaponique sont essentielles au succès commercial et économique ultime de l'entreprise (Goddek et al., 2015).

Il existe actuellement un désaccord au sein de l'industrie et de la communauté aquaponique au sujet de ce qui représente une qualité de l'eau bonne ou acceptable dans les systèmes aquaponiques. Il semble qu'il soit universellement accepté que les exigences en matière de chimie naturelle de l'eau des sous-ensembles individuels de formes de vie (poissons, plantes et microbes) soient largement acceptées (Rakocy et Hargreaves 1993 ; Rakocy et al. 2006 ; Goddek et al. 2015 ; Delaide et al. 2016 ; Lennard 2017). Cependant, la présence d'un large éventail d'approches, de méthodes et de choix technologiques appelés aquaponiques et le contexte ou l'historique des technologies autonomes associées des systèmes aquacoles recirculants (RAS) et de la culture végétale hydroponique (y compris la culture de substrats) semblent conduire à désaccords entre les opérateurs, les scientifiques et les concepteurs. Par exemple, en tenant compte d'un seul paramètre chimique de l'eau, le pH, certains soutiennent que les exigences en matière de pH des plantes d'élevage hydroponique sont très différentes des exigences en pH des espèces de poissons d'eau douce d'élevage de Ras (Suhl et al., 2016). L'industrie hydroponique applique généralement des paramètres de pH compris entre 4,5 et 6,0 pour la culture végétale à base d'eau (Resh, 2013), alors que l'industrie du RAS applique généralement des paramètres de pH compris entre 7,0 et 8,0 (Timmons et al., 2002) pour répondre aux besoins des poissons et des microbes présents (qui produisent des résultats importants transformations de métabolites de déchets de poisson potentiellement toxiques en formes moins toxiques). Par conséquent, l'argument est que tout point de fixation du pH constitue un compromis entre les exigences des plantes, des poissons et des microbes et que, par conséquent, un pH optimal pour toutes les formes de vie n'est pas réalisable, ce qui conduit à une production végétale sous-optimale (Suhl et al., 2016). D'autres soutiennent toutefois qu'un examen plus approfondi des complexités de la dynamique des nutriments de l'absorption des nutriments chez les plantes pourrait élucider une opinion différente (Lennard, 2017).

Les systèmes hydroponiques (et de culture de substrat) alimentent les plantes sous leurs formes ioniques basales en ajoutant des sels nutritifs à l'eau qui se dissocient pour libérer les ions nutritifs disponibles (Resh, 2013). La recherche a démontré que ces formes d'éléments nutritifs ioniques existent dans une fenêtre de disponibilité pour la plante, en fonction du pH de l'eau du système disponible. Par conséquent, dans un contexte hydroponique standard, sans flore microbienne actuelle (c.-à-d. stérilisée — comme le sont la plupart des systèmes hydroponiques), il est important de fixer le pH de l'eau du système à un niveau qui rend le mélange de nutriments ioniques dont la plante a besoin le plus possible (Resh 2013). Dans n'importe quel système hydroponique, il s'agit d'un compromis en soi, car, comme le démontre toute carte de disponibilité des nutriments ioniques (voir fig. 5.4), différentes formes d'éléments nutritifs ioniques sont les plus disponibles à différents pH (Resh, 2013). C'est cette association standard de disponibilité des nutriments ioniques que l'industrie hydroponique utilise comme amorce pour les points de fixation du pH et explique pourquoi le pH opérationnel hydroponique souhaité se situe entre 4,5 et 6,0 (environnement acide) dans les systèmes de culture hydroponique et de substrat stérilisés.

Alternativement, le RAS applique un point de consigne du pH de l'eau en fonction de ce qui est naturel pour le poisson en culture et des microbes qui traitent et convertissent les déchets de poisson

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Fig. 5.4 Exemple de tableau standard de la disponibilité des nutriments par le pH pour les plantes en culture aquatique. La ligne rouge représente un pH de fonctionnement normal pour un système hydroponique ; la ligne bleue pour un système aquaponique

(Timmons et coll. 2002 ; Goddek et coll. 2015 ; Suhl et coll. 2016). Dans les milieux naturels d'eau douce, la plupart des espèces de poissons ont besoin d'un pH environnemental (c.-à-d. le pH de l'eau) qui correspond étroitement au pH interne du poisson, qui est souvent proche d'un pH de 7,4 (Lennard, 2017). De plus, les principaux microbes associés à la transformation du métabolite dissous en culture RAS (bactéries de nitrification de plusieurs espèces) nécessitent également un pH d'environ 7,5 pour une transformation optimale de l'ammoniac en nitrate (Goddek et al., 2015 ; Suhl et al., 2016). Par conséquent, les exploitants du SAR appliquent un point de consigne de pH d'environ 7,5 à la pisciculture d'eau douce du SAR.

Il existe une différence évidente entre un pH de 5,5 (une moyenne pour la culture végétale standard, stérilisée et hydroponique) et un pH de 7,5 (une norme moyenne pour la pisciculture RAS). Par conséquent, on soutient généralement que le pH représente l'un des plus grands compromis sur la qualité de l'eau en science aquaponique (Goddek et al., 2015 ; Suhl et al., 2016). Les partisans des conceptions aquaponiques découplées citent souvent cette différence dans l'exigence de pH optimal comme argument de l'approche de conception découplée, affirmant que les conceptions en pleine recirculation doivent trouver un compromis sur le pH lorsque les conceptions découplées ont le luxe d'appliquer différents points de consigne de pH de l'eau au poisson et à la plante composants (Suhl et coll. 2016 ; Goddek et coll. 2016). Cependant, ce que cet argument ignore, c'est que les systèmes aquaponiques, contrairement aux systèmes hydroponiques, ne sont pas stériles et utilisent des techniques aquatiques écologiques qui encouragent la présence d'une population diversifiée de microflore dans le système aquaponique (Eck 2017 ; Lennard 2017). Il en résulte une grande variété de microbes présents, dont beaucoup forment des associations complexes et complexes avec les plantes, en particulier les racines des plantes, dans le système aquaponique (Lennard, 2017). Il est bien connu et établi en physiologie végétale que de nombreux microbes, associés au milieu et à la matrice du sol, s'associent étroitement aux racines des plantes et que bon nombre de ces microbes aident les plantes à accéder aux nutriments vitaux et à les absorber (Vimal et al., 2017). Il est également connu que certains de ces microbes produisent des molécules organiques qui contribuent directement à la croissance des plantes, favorisent le développement de l'immunité des plantes et aident à surpasser les agents pathogènes des plantes (en particulier les racines) (Vimal et al., 2017 ; Srivastava et al., 2017). Essentiellement, ces microbes aident les plantes de plusieurs façons qui ne sont tout simplement pas présentes dans l'environnement stérilisé appliqué en culture hydroponique standard.

Avec la présence de ces microbes divers, les plantes ont accès à des nutriments de bien des façons qui ne sont pas possibles dans les systèmes qui dépendent uniquement des paramètres du pH aquatique pour permettre l'accès aux nutriments des plantes (p. ex. hydroponiques standard et culture de substrats). Bon nombre de ces microbes opèrent à de larges niveaux de pH, tout comme d'autres microbes du sol, comme les bactéries de nitrification (pH de 6,5—8,0, Timmons et al., 2002). Par conséquent, avec ces microbes présents dans les systèmes aquaponiques, le point de consigne du pH peut être élevé au-dessus de ce qui est normalement appliqué dans les techniques de culture hydroponique ou de substrat (c.-à-d. pH de 4,5—6,0) alors que la croissance végétale avancée et efficace est encore présente (Lennard, 2017). Cela est démontré par les travaux de plusieurs chercheurs aquaponiques qui ont démontré de meilleurs taux de croissance des plantes en aquaponie que dans l'hydroponie standard (Nichols et Lennard, 2010).

D'autres exigences en matière de qualité de l'eau dans les systèmes aquaponiques concernent les paramètres physiques/chimiques et, plus précisément, les paramètres des besoins en éléments nutritifs des plantes. En ce qui concerne les besoins physico-chimiques, les plantes, les poissons et les microbes partagent de nombreux points communs. L'oxygène dissous (OD) est vital pour les poissons, les racines des plantes et la microflore et doit être conservé dans les systèmes aquaponiques (Rakocy et Hargreaves, 1993 ; Rakocy et al., 2006). Les racines et la microflore des plantes exigent généralement des concentrations d'OD relativement plus faibles que la plupart des poissons ; les racines et les microbes des plantes peuvent survivre avec une OD inférieure à 3 mg/L (Goto et al., 1996), alors que la plupart des poissons ont besoin de plus de 5 mg/L (Timmons et al., 2002). Par conséquent, si la concentration d'OD dans le système aquaponique est établie et maintenue pour répondre aux besoins en poisson, l'exigence relative aux végétaux et aux microbes est également satisfaite (Lennard, 2017). Différentes espèces de poissons exigent des concentrations d'OD différentes : les poissons d'eau chaude (p. ex., Tilapia spp., barramundi) peuvent généralement tolérer des concentrations d'OD plus faibles que les espèces de poissons d'eau froide (p. ex. les salmonidés comme la truite arc-en-ciel et l'omble chevalier) ; parce que les besoins en OD du poisson sont presque toujours plus élevés que la plante les racines et les besoins microfloraux, l'OD devrait être fixé pour les espèces de poissons spécifiques cultivées (Lennard, 2017).

Les concentrations de dioxyde de carbone dans l'eau (COsub2/sub), comme celle de l'OD, sont généralement fixées par les poissons parce que les racines et les microbes des plantes peuvent tolérer des concentrations plus élevées que les poissons. Les concentrations de dioxyde de carbone sont importantes pour la santé et la croissance optimales des poissons et sont souvent ignorées dans les conceptions aquaponiques. Les paramètres et les points de consigne pour les concentrations de COSub2/sous devraient être les mêmes que pour les mêmes espèces de poissons cultivées uniquement dans des systèmes SAR et, en général, devraient être maintenus en dessous de 20 mg/L (Masser et al., 1992).

La température de l'eau est importante pour toutes les formes de vie actuelles dans un système aquaponique. Les espèces de poissons et de plantes devraient être appariées aussi étroitement que possible pour les besoins en température de l'eau (p. ex. Tilapia spp. de poissons comme 25 ˚C plus, et les plantes comme le basilic prospèrent à cette température relativement élevée de l'eau ; les variétés de laitues comme l'eau froide, et par conséquent, un candidat de poisson mieux adapté est l'arc-en-ciel truite) (Lennard 2017). Cependant, comme pour les autres paramètres physiques et chimiques de l'eau, il est primordial de satisfaire aux exigences des poissons en matière de température de l'eau parce que les microbes ont la capacité de faire l'objet d'une sélection spécifique d'espèces en fonction des conditions ambiantes (p. ex., la différenciation des espèces bactériennes de nitrification se produit à différents les températures de l'eau et les espèces qui correspondent le mieux à la température particulière de l'eau domineront la biomasse bactérienne de nitrification du système) et de nombreuses plantes peuvent se développer très bien à une gamme plus large de températures de l'eau (Lennard, 2017). L'adaptation de la température de l'eau et la maintenir à une température de plus ou moins 2˚C (c'est-à-dire un contrôle de la température de haut niveau) au poisson est une exigence importante en aquaponie car lorsque la température de l'eau est correcte et ne s'écarte pas de la moyenne idéale, le poisson obtient un métabolisme efficace et optimisé et consommer et convertir efficacement les aliments pour animaux, ce qui entraîne de meilleurs taux de croissance des poissons et des rejets de charges résiduelles stables et prévisibles, ce qui contribue à la culture végétale (Timmons et al., 2002).

Le maintien de la clarté de l'eau (faible turbidité) est un autre paramètre important dans la culture aquaponique (Rakocy et al., 2006). La majeure partie de la turbidité de l'eau est due à des charges de solides en suspension qui n'ont pas été filtrées adéquatement, et ces solides peuvent affecter les poissons en adhérant à leurs branchies, ce qui peut réduire les taux de transfert d'oxygène et les taux de libération d'ammoniac (Timmons et al., 2002). Des charges de matières solides en suspension inférieures à 30 mg/L sont recommandées pour les poissons d'élevage aquaponique (Masser et al., 1992 ; Timmons et al., 2002). Des charges élevées de solides en suspension affectent également les racines des plantes parce qu'elles ont la capacité d'adhérer aux racines, ce qui peut causer une inefficacité de l'absorption des nutriments, mais elles offrent plus souvent un potentiel accru de colonisation des organismes pathogènes, ce qui entraîne une mauvaise santé des racines et la mort ultime des plantes (Rakocy et al., 2006). Ces solides en suspension encouragent également la prévalence de bactéries hétérotrophes (espèces qui se décomposent et métabolisent le carbone organique) qui, si elles sont autorisées à dominer les systèmes, peuvent surpasser d'autres espèces requises, comme les bactéries de nitrification.

La conductivité électrique (EC) est une mesure souvent appliquée en hydroponie pour mieux comprendre la quantité de nutriments totaux présents dans l'eau. Toutefois, il ne peut fournir de renseignements sur le mélange d'éléments nutritifs, la présence ou l'absence d'espèces d'éléments nutritifs individuelles ou la quantité d'espèces d'éléments nutritifs présentes (Resh, 2013). Il n'est pas souvent appliqué en aquaponie parce qu'il ne mesure que la présence de formes ioniques (chargées) d'éléments nutritifs, et il a été soutenu que l'aquaponie est une méthode d'approvisionnement en nutriments organiques et que, par conséquent, EC n'est pas une mesure pertinente (Hallam 2017). Cependant, les plantes ne fournissent généralement que des formes ioniques de nutriments et, par conséquent, EC peut être utilisé comme outil général ou guide de la quantité totale d'éléments nutritifs disponibles pour les plantes dans un système aquaponique (Lennard, 2017).

Pour les systèmes aquaponiques en pleine recirculation, en termes de paramètres physiques et chimiques, ce sont les poissons qui sont les plus exigeants dans leurs besoins. Par conséquent, si les systèmes sont gérés de manière à maintenir les besoins du poisson, les plantes et les microbes ont plus que satisfait à leurs besoins (Lennard 2017). La différence en ce qui concerne les plantes, cependant, réside dans leur exigence de présence du mélange correct et de la force des nutriments afin de permettre un accès et une absorption optimisés des nutriments (autonomes ou assistés par microbes), ce qui conduit à une croissance efficace et rapide. Les systèmes aquaponiques découplés peuvent donc être plus attrayants en raison de la perception qu'ils permettent un apport plus exigeant d'éléments nutritifs aux plantes (Goddek et al., 2016). Les aliments pour poissons et, par conséquent, les déchets de poisson ne contiennent pas le bon mélange de nutriments pour satisfaire aux exigences de la plante (Rakocy et al., 2006). Par conséquent, la conception du système aquaponique doit tenir compte des éléments nutritifs manquants et les compléter. Les systèmes aquaponiques entièrement recirculants complètent généralement les nutriments en les ajoutant dans les espèces de sel utilisées pour gérer le régime quotidien de tampons du pH ; la portion de base du sel ajuste le pH et la partie positive du sel permet la supplémentation des nutriments végétaux manquants (p. ex. potassium, calcium, magnésium) (Rakocy et al. 2006). Les conceptions aquaponiques découplées retirent les eaux usées et les déchets solides associés de la composante poisson et ajustent l'eau pour contenir les nutriments nécessaires à la production végétale en ajoutant des éléments nutritifs sous différentes formes (Goddek et al., 2016). Ces ajouts nutritifs sont généralement fondés sur l'utilisation d'espèces de sel hydroponique standard qui ne fournissent pas nécessairement de résultat d'ajustement du pH (p. ex. phosphate de calcium, sulfate de calcium, phosphate de potassium, etc.).

La voie vers une croissance efficace des plantes dans les systèmes aquaponiques consiste à fournir un profil nutritif aquatique qui fournit tous les nutriments dont la plante a besoin (mélange) aux concentrations requises (concentration) (Lennard, 2017). Dans les conceptions aquaponiques entièrement recirculées, ou dans les conceptions aquaponiques découplées qui n'appliquent pas de méthodes de stérilisation, il semble y avoir moins de nécessité de respecter les concentrations ou les teneurs en éléments nutritifs appliquées dans l'hydroponie standard, parce que la nature écologique du système associe de nombreuses microflore avec les racines des plantes et ces microflore facilitent l'accès aux nutriments des plantes (Lennard 2017). Dans le cas des conceptions aquaponiques découplées ou autres qui appliquent la stérilisation à la composante végétale et qui suivent une approche analogue hydroponique standard, il semble être nécessaire d'essayer d'approcher les concentrations d'éléments nutritifs hydroponiques standard (Suhl et al., 2016 ; Karimanzira et al., 2016). Cependant, le compromis avec l'approche découplée est qu'elle conduit à des ratios de supplémentation externe bien au-delà de ceux des modèles aquaponiques entièrement recirculants ; les modèles découplés européens en moyenne actuellement 50 % ou plus d'ajouts de nutriments externes (COST FA1305 2017 ; Goddek et Keesman 2018), tandis que les UVI fournit moins de 20 %, et d'autres systèmes peuvent fournir moins de 10 % de suppléments nutritifs externes (Lennard, 2017).

Quelle que soit la méthode utilisée, tous les systèmes aquaponiques doivent s'efforcer de fournir aux plantes la nutrition nécessaire à une croissance optimisée afin d'offrir à l'entreprise la plus grande chance de viabilité financière. Dans ce contexte, la teneur en éléments nutritifs et la force de l'eau distribuée aux plantes sont très importantes et des analyses régulières des éléments nutritifs devraient être effectuées afin que le mélange et la teneur en éléments nutritifs puissent être maintenus et gérés comme une exigence très importante en matière de qualité de l'eau.


Aquaponics Food Production Systems

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