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9.4.1 Contexte

Le fonctionnement des systèmes aquaponiques repose sur un équilibre dynamique des cycles nutritifs (Somerville et al., 2014). Il est donc nécessaire de comprendre ces cycles afin d'optimiser la gestion des systèmes. Les plantes qui poussent en hydroponie ont des exigences spécifiques qui doivent être satisfaites à leurs différents stades de croissance (Resh, 2013). Par conséquent, les concentrations d'éléments nutritifs dans les différents compartiments du système doivent être surveillées de près, et les nutriments doivent être complétés pour prévenir les carences (Resh, 2013 ; Seawright et al., 1998), soit dans l'eau du système, soit par application foliaire (Roosta et Hamidpour, 2011).

Selon Delaide et al. (2016), dans certains cas, le complément d'une solution aquaponique avec des minéraux nutritifs afin d'atteindre les mêmes concentrations nutritives que dans l'hydroponie pourrait conduire à des rendements plus élevés que ceux obtenus en hydroponie. La première étape à franchir vers un système équilibré est la conception correcte et le dimensionnement relatif des compartiments (Buzby et Lin 2014). Si le compartiment hydroponique est trop petit par rapport aux bassins à poissons, les nutriments s'accumuleront dans l'eau et pourraient atteindre des niveaux toxiques. Le taux d'alimentation (c'est-à-dire la quantité d'aliments pour poissons dans le système en fonction de la surface de croissance et du type de plante) est souvent utilisé pour le premier dimensionnement du système (Rakocy et al., 2006 ; Somerville et al., 2014). Cependant, selon Seawright et al. (1998), il n'est pas possible d'atteindre un ratio plantes/poissons qui permettra une adéquation optimale des besoins des plantes si seulement les aliments pour poissons sont utilisés comme intrants. Pour s'assurer que le système est bien équilibré et fonctionne correctement, les méthodes de surveillance sont généralement basées sur le cycle de l'azote (Cerozi et Fitzsimmons 2017 ; Somerville et al. 2014), mais pour assurer un fonctionnement optimal du système, il est nécessaire de surveiller de plus près l'équilibre des autres macronutriments ( N, P, K, Ca, Mg, S) et micronutriments (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013 ; Somerville et al. 2014 ; Sonneveld et Voogt 2009). Des études récentes (Delaide et coll. (2017), Schmautz et coll. (2015, 2016)) ont commencé à aborder ce sujet. Schmautz et coll. (2015, 2016) ont comparé l'impact de trois configurations hydroponiques différentes (c.-à-d. la technique du film nutritif, le radeau flottant et l'irrigation au goutte à goutte) sur l'absorption des nutriments des tomates aquaponiques. L'irrigation goutte à goutte était le système qui produisait des rendements légèrement meilleurs avec les tomates. La teneur en minéraux des fruits (P, K, Ca, Mg) était équivalente aux valeurs conventionnelles même si les teneurs en fer et en zinc étaient plus élevées. Cependant, les feuilles présentaient des niveaux plus faibles de P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu et Zn que dans l'agriculture conventionnelle. Delaide et al. (2016) ont suivi les cycles des macro- et micronutriments dans un système aquaponique couplé. Ils ont observé que K, P, Fe, Cu, Zn, Mn et Mo manquaient dans leur solution aquaponique, alors que N, Ca, B et Na s'accumulaient rapidement. Graber et Junge (2009) ont noté que leur solution aquaponique contenait trois fois moins d'azote et dix fois moins de phosphore qu'une solution hydroponique. Quant au potassium (K), il était 45 fois inférieur à celui de l'hydroponie. Néanmoins, ils ont obtenu des rendements similaires, même si la qualité était plus faible en raison d'un manque de potassium (K).

Facteurs influençant les cycles nutritives

L'intensité lumineuse, la température de la zone racinaire, la température de l'air, la disponibilité des éléments nutritifs, le stade de croissance et le taux de croissance influent tous sur l'absorption des éléments nutritifs d'une plante (Buzby et Lin, 2014). Des expériences menées par Schmautz et al. (2016) et Lennard et Leonard (2006) ont montré que la méthode hydroponique pouvait également jouer un rôle dans la capacité d'absorption des nutriments d'une plante, et il est donc nécessaire de faire correspondre le système de culture au type de légumes cultivés. NFT et DWC (culture en eau profonde — radeau) conviennent donc aux légumes verts feuillus, tandis que l'irrigation goutte à goutte sur des dalles de laine de roche est plus appropriée pour les légumes fruités (Resh 2013).

9.4.2 Cycles de macronutriments

*Carbone (C) *

Le carbone est fourni aux poissons par l'intermédiaire de l'alimentation (Timmons et Ebeling 2013) et aux plantes par fixation COSub2/sub. Les poissons peuvent utiliser 22 % du carbone contenu dans les aliments pour poissons pour augmenter la biomasse et le métabolisme. Le reste du carbone ingéré est soit expiré sous la forme de COSub2/sub (52 %), soit excrété sous forme dissoute (0,7 à 3 %) et solide (25 %) (Timmons et Ebeling, 2013). Le COSub2/Sub expiré peut également être utilisé par les usines pour leur propre source de carbone (Körner et al., 2017). La partie non consommée du carbone d'alimentation est laissée à se décomposer dans le système. Le type de glucides présents dans les aliments pour poissons (p. ex., amidon ou polysaccharides non amidons) peut également influencer la digestibilité de l'aliment et la biodégradabilité des déchets dans un système aquaponique ou aquaponique (Meriac et al., 2014).

*Azote (N) *

L'azote est absorbé par les plantes sous forme de nitrate ou d'ammonium (Sonneveld et Voogt, 2009 ; Xu et al., 2012) selon la concentration et la physiologie de la plante (Fink et Feller, 1998, cité par Wongkiew et al., 2017). Les associations entre les plantes et les micro-organismes ne doivent pas être négligées, car les plantes affectent la présence des micro-organismes dans l'aquaponie, et les micro-organismes peuvent jouer un rôle important dans la capacité d'absorption d'azote des plantes (Wongkiew et al., 2017). L'absorption d'azote par les plantes est affectée par la concentration ambiante de dioxyde de carbone (Zhang et al. 2008 cité par Wongkiew et al. 2017).

*Phosphore (P) *

Le phosphore est l'un des éléments essentiels de la croissance des plantes et peut être absorbé sous sa forme d'orthophosphate ionique (Hsub2/subposub4/subsup-/SUP, HPOsub4/subsup2-/SUP, POsub4/subsup3-/SUP) (Prabhu et al. 2007 ; Resh 2013). On sait peu de choses sur la dynamique du phosphore dans l'aquaponie. Le principal apport de phosphore dans le système est l'alimentation des poissons (Cerozi et Fitzsimmons, 2017 ; Delaide et al., 2017 ; Schmautz et al., 2015), et dans les systèmes non complétés (Chap. 7), le phosphore tend à limiter et peut donc entraver la croissance des plantes (Graber et Junge, 2009 ; Seawright et al., 1998). Selon Rafiee et Saad (2005), les poissons peuvent utiliser jusqu'à 15 % du phosphore contenu dans les aliments. Dans un système de culture de la laitue, Cerozi et Fitzsimmons (2017) ont remarqué que la quantité de phosphore fournie par les aliments pour poissons peut être suffisante ou insuffisante selon le stade de croissance. Jusqu'à 100 % du phosphore présent dans l'eau du poisson peut être recyclé dans la biomasse végétale, selon la conception du système. Graber et Junge (2009) ont observé un recyclage de 50 %, tandis que Schmautz et al. (2015) ont signalé que 32 % du phosphore se trouvait dans les fruits et 28 % dans les feuilles. La solubilité du phosphore dépend du pH, et un pH plus élevé favorisera la précipitation du phosphore, ce qui le rend indisponible pour les plantes (Yildiz et al., 2017). Le phosphore peut précipiter sous forme de struvite (phosphate d'ammonium de magnésium) (Le Corre et al. 2005) et/ou d'hydroxyapatite (Cerozi et Fitzsimmons 2017 ; Goddek et al. 2015). Ces complexes insolubles sont éliminés par des boues de poisson solides du système. Schneider et coll. (2004) ont signalé que 30 à 65 % du phosphore contenu dans les aliments pour poissons reste indisponible pour les plantes car il est fixé dans les excrétions solides qui sont ensuite éliminées par filtration mécanique. Yogev et coll. (2016) ont estimé que cette perte peut atteindre 85 %. Une option pour éviter cette perte massive de P par le biais de boues solides consiste à ajouter un compartiment de digestion au système aquaponique. Pendant la digestion aérobie ou anaérobie, le P est libéré dans le digestat et pourrait être réintroduit dans l'eau circulante (Goddek et al., 2016).

*Potassium (K) *

Delaide et al. (2017) ont constaté que la principale source de K dans leur système était la nourriture pour poissons. Les poissons peuvent utiliser jusqu'à 7 % du K contenu dans les aliments pour poissons (Rafiee et Saad, 2005). Cependant, le potassium 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 (Graber et Junge, 2009 ; Seawright et al., 1998 ; Suhl et al., 2016). Pour fournir du potassium, un tampon de pH KOH est souvent utilisé car le pH diminue souvent en aquaponie en raison de la nitrification (Graber et Junge 2009). Dans un système aquaponique planté de tomates, le potassium s'accumule principalement dans les fruits (Schmautz et al., 2016).

*Magnésium (Mg), calcium (Ca) et soufre (S) *

La principale source de Mg, Ca et S est l'eau du robinet qui facilite l'absorption par les plantes car les nutriments sont déjà disponibles (Delaide et al., 2017). Le calcium est toutefois présent dans des concentrations insuffisantes en aquaponie (Schmautz et al., 2015 ; Seawright et al., 1998) et est ajouté sous forme d'hydroxyde de calcium Ca (OH) sub2/sub (Timmons et Ebeling, 2013). Selon Rafiee et Saad (2005), les poissons peuvent utiliser en moyenne 26,8 % du calcium et 20,3 % du magnésium présent dans l'aliment. Le soufre est souvent à de faibles concentrations dans les systèmes aquaponiques (Graber et Junge, 2009 ; Seawright et al., 1998).

9.4.3 Cycles de micronutriments

Le fer (Fe), le manganèse (Mn) et le zinc (Zn) proviennent principalement de l'alimentation des poissons, tandis que le bore (B) et le cuivre (Cu) proviennent de l'eau du robinet (Delaide et al., 2017). En aquaponie, les micronutriments clés sont souvent présents, mais à des niveaux trop faibles (Delaide et al., 2017), et une supplémentation à partir de sources externes de nutriments est alors nécessaire (Chap. 8). Les carences en fer se produisent très souvent en aquaponie (Schmautz et al., 2015 ; Seawright et al., 1998 ; Fitzsimmons et Posadas ; 1997 cité par Licamele, 2009), principalement en raison de l'indisponibilité de la forme d'ion ferrique. Cette carence peut être résolue par l'utilisation de sidérophore bactérien (c.-à-d. composés organiques chélatants du fer) produits par des genres tels que Bacillus ou Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) ou par une supplémentation en fer avec du fer chélaté chimique pour éviter les précipitations de fer.

9.4.4 Pertes d'éléments nutritifs

Réduire la perte d'éléments nutritifs est un défi constant pour les praticiens de l'aquaponie. La perte d'éléments nutritifs se produit de plusieurs façons, par exemple le dépeuplement des boues (37 % des matières fécales et 18 % des aliments non consommés) (Neto et Ostrensky, 2015), les pertes d'eau, la dénitrification, la volatilisation de l'ammoniac, etc. (Wongkiew et al., 2017). À titre d'exemple, Rafiee et Saad (2005) notent que 24% du fer, 86% du manganèse, 47% du zinc, 22% du cuivre, 16% du calcium, 89% du magnésium, 6% de l'azote, 6% du potassium et 18% du phosphore contenu dans les aliments pour poissons étaient contenus dans les boues. Les boues peuvent contenir jusqu'à 40 % des nutriments présents dans l'alimentation (Yogev et al., 2016).

La dénitrification peut entraîner une perte de 25 à 60 % de l'azote (Hu et al., 2015 ; Zou et al., 2016). La dénitrification est également liée aux conditions anoxiques (Madigan et Martinko 2007 ; van Lier et al. 2008) et aux faibles niveaux de carbone, et elle est responsable de la transformation du nitrate en nitrite, oxyde nitrique (NO), oxyde nitreux (NSub2/subo) et éventuellement en azote gazeux (NSub2/sub) avec des flux dans l'atmosphère (ibid. ). La dénitrification est réalisée par plusieurs bactéries hétérotrophes facultatives telles que Achromobacter, Aerobacter, Acinetobacter, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus et Micrococcus sp. (Gentile et coll. 2007 ; Michaud et coll. 2006 ; Wongkiew et coll. 2017). Certaines bactéries peuvent effectuer à la fois la nitrification et la dénitrification si les concentrations d'oxygène dissous sont inférieures à 0,3 mg/L (Fitzgerald et al., 2015 ; Wongkiew et al., 2017). La perte d'azote peut également se produire par oxydation anaérobie de l'ammonium (ANAMMOX), c'est-à-dire par oxydation de l'ammonium en gaz dinitrogène en présence de nitrite (Hu et al., 2011).

Une autre importante perte d'azote qui devrait être disponible pour les plantes est la consommation d'azote par les bactéries aérobies hétérotrophes présentes dans les systèmes aquaponiques. En effet, l'azote utilisé par ces bactéries est perdu par les bactéries nitrifiantes, ce qui empêche la nitrification (Blancheton et al., 2013). Ces bactéries sont particulièrement présentes lorsque le rapport C/N augmente, car elles sont plus compétitives et plus capables de coloniser le milieu que les bactéries nitrifiantes autotrophes (Blancheton et al., 2013 ; Wongkiew et al., 2017).

9.4.5 Dynamique des systèmes d'équilibre des éléments nutritifs

La concentration en éléments nutritifs des deux principaux sous-systèmes dans un système aquaponique, à savoir les bassins à poissons (aquaculture) et la solution hydroponique, doit être équilibrée pour chacun de leurs besoins. Dans les systèmes aquaponiques fermés, les nutriments sont transportés du poisson vers les plantes plus ou moins directement par des filtres (généralement un filtre à tambour ou un colon puis un biofiltre) pour la nitrification. Cependant, les besoins en nutriments des cultures et les nutriments fournis par le sous-système aquaponique ne sont pas équilibrés. Dans les systèmes multi-boucles et découplés (Chap. 8), il est plus facile de fournir des conditions optimales pour les sections de poissons et de plantes. Grâce à la modélisation des systèmes (Chap. 11), la taille optimale de la zone hydroponique pour les bassins à poissons, les biofiltres et autres équipements peut être calculée (Goddek et Körner 2019). Ceci est particulièrement important pour les systèmes découplés multi-boucles qui comprennent différents types d'équipements. Par exemple, l'UASB (couverture de boues anaérobies en amont) (Goddek et al. 2018) ou les unités de dessalement (Goddek et Keesman 2018) doivent être soigneusement dimensionnées, comme indiqué dans Chap. 8. L'inadéquation fondamentale entre les nutriments fournis par l'environnement des poissons et les besoins des cultures doit être corrigée et équilibrée. Aux fins de la concentration accrue des nutriments, Goddek et Keesman (2018) ont décrit une unité de dessalement appropriée (Chap. 8). Cependant, cette approche ne résout qu'une partie du problème, car le système parfaitement équilibré est guidé par un taux d'évaporation non dynamique que l'on ne peut atteindre que dans des chambres fermées et des installations parfaitement fonctionnelles. La réalité, cependant, est que l'évapotranspiration de la culture (ETsubC/sub) dans les systèmes aquaponiques à base de serre dépend fortement de multiples facteurs tels que le climat physique et les variables biologiques. ETsubc/sub est calculé par surface de la surface du sol couverte par la culture et est calculé pour différents niveaux dans la canopée (z) en intégrant les flux nets irradiatifs, la résistance de la couche limite, la résistance aux stomates et le déficit de pression de vapeur dans la canopée (Körner et al., 2007) à l'aide du Penman— L'équation de Monteith. Néanmoins, cette équation ne calcule que le flux d'eau à travers la culture. L'absorption des éléments nutritifs peut être calculée simplement en supposant que tous les nutriments dilués dans l'eau sont absorbés par la culture. En réalité, cependant, l'absorption des nutriments est une question très compliquée. Différents nutriments ont des états différents, changeant avec des paramètres tels que le pH. Pendant ce temps, la disponibilité des nutriments pour les plantes dépend fortement du pH et des relations entre les nutriments (p. ex. disponibilité K/Ca). De plus, le microbiome dans la zone racinaire joue un rôle important (Orozco-Mosque et al. 2018) qui n'est pas encore mis en œuvre dans les modèles, bien que certains modèles établissent une distinction entre les voies phloème et xylème. Ainsi, la grande quantité de nutriments n'est pas modélisée en détail pour l'équilibrage des nutriments aquaponiques et le dimensionnement des systèmes. La façon la plus simple d'estimer l'absorption des éléments nutritifs est l'hypothèse que les éléments nutritifs sont absorbés ou absorbés sous forme de dissous dans l'eau d'irrigation et qu'ils s'appliquent à l'approche de calcul de l'ETsubC/sous expliquée ci-dessus et en supposant qu'il n'existe aucune résistance chimique, biologique ou physique spécifique à un élément. Par conséquent, pour maintenir l'équilibre, tous les nutriments absorbés par la culture tels qu'ils sont contenus dans la solution nutritive doivent être ajoutés au système hydroponique.


Aquaponics Food Production Systems

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