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Des recherches considérables ont été menées pour caractériser les bactéries hétérotrophes et autotrophes dans les systèmes RAS et pour mieux comprendre leur rôle dans le maintien de la qualité de l'eau et le cycle des nutriments (voir Blancheton et coll. (2013) ; Schreier et coll. (2010). Les hétérotrophes non pathogènes, généralement dominés par Alphaproteobacteria et Gammaproteobacteria, ont tendance à prospérer dans les biofiltres, et leurs contributions aux transformations de l'azote sont assez bien comprises parce que le cycle de l'azote (NC) a été d'une importance primordiale dans le développement de la culture en recirculation (Timmons et Ebeling 2013). On reconnaît depuis longtemps que la transformation bactérienne de l'ammoniac excrété par les poissons dans un système RAS doit correspondre aux taux d'excrétion, car l'excès d'ammoniac devient rapidement toxique pour les poissons (voir Chap. 9). Par conséquent, en eau douce et en mer, les rôles fonctionnels des communautés microbiennes dans la dynamique des NC — nitrification, dénitrification, ammonification, oxydation anaérobie de l'ammonium et réduction des nitrates dissimilatoires — ont fait l'objet d'une attention considérable et sont bien décrits dans des revues récentes (Rurangwa et Verdegem 2015 ; Schreier et coll. 2010). Il y a beaucoup moins d'études sur les transformations de l'azote en aquaponie, mais une étude récente (Wongkiew et al., 2017) fournit un résumé ainsi que des discussions sur l'efficacité de l'utilisation de l'azote, qui est une considération primordiale pour la croissance des plantes en hydroponie.

Après l'azote, le deuxième macronutriments essentiel en aquaponie est le phosphore, qui n'est pas un facteur limitatif pour les poissons qui l'acquièrent à partir d'aliments, mais qui est crucial pour les plantes en hydroponie. Cependant, les formes de phosphate présentes dans les déchets de poisson ne sont pas immédiatement biodisponibles pour les plantes. Les plantes doivent avoir des quantités suffisantes d'orthophosphate ionique inorganique (Hsub2/subposub4/subsup-/SUP et HPOsub4/subsup2-/SUP = Pi) (Becquer et al., 2014), car il s'agit de la seule forme biodisponible pour l'absorption et l'assimilation. Le phosphate inorganique se lie au calcium au-dessus du pH 7,0, de sorte que le système aquaponique doit être prudent pour maintenir des conditions de pH proches du pH 7,0. À mesure que les valeurs de pH augmentent au-dessus de 7,0, diverses formes insolubles de phosphate de calcium peuvent se retrouver sous forme de précipités dans les boues (Becquer et al., 2014 ; Siebielec et al., 2014). Par conséquent, les pertes de P du RAS sont principalement dues à l'élimination des boues du système (Van Rijn, 2013). Cependant, quelque part dans le système aquaponique, les particules doivent être capturées et minéralisées afin de fournir suffisamment de nutriments utilisables pour les cultures de l'unité hydroponique. L'étape de minéralisation libérera également d'autres macro- et micronutriments, ce qui réduira le besoin de supplémentation dans le compartiment hydroponique. Étant donné que les approvisionnements mondiaux d'engrais riches en phosphates diminuent et que la supplémentation en P est de plus en plus coûteuse, des efforts sont déployés pour maximiser la récupération du P dans les boues RAS (Goddek et al. 2016b ; Monsees et al., 2017).

La biodisponibilité des macro-éléments et des micronutriments est actuellement mal comprise. Des recherches antérieures (Cerozi et Fitzsimmons 2016a) suggèrent que la disponibilité des nutriments devient compromise à mesure que le pH est réduit en dessous de 7,0 et a entraîné l'utilisation d'un système hydroponique couplé pour les verts feuillus autour du pH 6,0. Cependant, des recherches récentes comparant les conditions aquaponiques et le pH 7,0 à des conditions hydroponiques de pH 5,8 n'ont révélé aucune différence de productivité (Anderson et al., 2017a, b). Dans ces études, les conditions hydroponiques à pH 7,0 ont réduit la productivité de \ ~ 22% par rapport au pH hydroponique de 5,8. Au départ, l'hypothèse était que les différences de productivité pouvaient être attribuées au microbiote de l'eau aquaponique, mais des recherches subséquentes ont rejeté cette théorie (Wielgosz et al., 2017).

Dans la RAS où les rapports C:N augmentent en raison de la disponibilité de matière organique, les bactéries dénitrifiantes, en particulier Pseudomonas sp., utilisent le carbone comme donneur d'électrons dans des conditions anoxiques, pour produire du NSub2/sub au détriment du nitrate (Schreier et al. 2010 ; Wongkiew et al. 2017). Les systèmes biofloc sont parfois utilisés pour augmenter l'alimentation des poissons (Crab et al. 2012 ; Martínez-Córdova et al. 2015), et le biofloc est de plus en plus utilisé dans le système aquaponique, surtout en Asie (Feng et al. 2016 ; Kim et al. 2017 ; Li et al. 2018). Lorsque le biofloc est utilisé en aquaponie (da Rocha et al. 2017 ; Pinho et al. 2017), le cycle des nutriments devient encore plus complexe étant donné que l'OD, la température et le pH influent sur la prédominance des communautés microbiennes hétérotrophes (utilisant du carbone) par rapport aux dénitrificateurs autotrophes capables de réduire les sulfures sulfate (Schreier et al. 2010). Les hétérotrophes ont tendance à avoir un taux de croissance plus élevé que les autotrophes en présence de sources adéquates de carbone (Michaud et al., 2009) ; par conséquent, la manipulation du type ou des régimes alimentaires, ou l'ajout direct d'une source de carbone organique, tout en surveillant les niveaux d'oxygène dissous, peuvent aider à maintenir l'équilibre des populations alors que fournissant toujours de l'azote hydroponique sous une forme utilisable (Vilbergsson et al. 2016a).

Dans le système hydroponique, le cycle des nutriments a été moins bien étudié puisque des composés inorganiques contenant l'équilibre requis des nutriments sont généralement ajoutés afin d'assurer une bonne croissance des plantes. Cependant, les concentrations élevées d'éléments nutritifs, en particulier dans les environnements chauds et humides comme les serres, facilitent facilement la croissance des communautés microbiennes, en particulier des phytopathogènes tels que les champignons (Fusarium) et les oomycota (Phytophthora, Pythium sp.), qui peuvent rapidement s'infiltrer dans l'eau circulante et entraîner la mort. offs (Lee et Lee 2015). Des efforts récents pour mieux comprendre les rhizobactéries hydroponiques et leurs effets bénéfiques sur la croissance des plantes (mais aussi pour inhiber la prolifération des agents pathogènes) ont utilisé diverses techniques « omiques » pour analyser les communautés microbiennes et leurs interactions avec les systèmes racinaires (Lee et Lee, 2015).

Par exemple, lorsque des bactéries probiotiques telles que Bacillus sont présentes, elles améliorent la disponibilité du P et semblent également avoir un effet de croissance supplémentaire dans un système tilapia-laitue (Cerozi et Fitzsimmons 2016b). Dans le système aquaponique, l'ajout de probiotiques à l'alimentation des poissons et à l'eau RAS, ainsi qu'à l'approvisionnement en eau hydroponique, mérite d'être expérimenté davantage, puisque les communautés microbiennes peuvent avoir de multiples effets modulateurs sur la physiologie des plantes. Par exemple, les communautés microbiennes (bactéries, champignons, oomycètes) de quatre cultures vivrières ont été analysées par séquençage métagénomique lorsqu'elles sont maintenues dans un système hydroponique à film nutritif constant où le pH et les concentrations en éléments nutritifs pouvaient fluctuer naturellement tout au long des cycles de vie des plantes (Sheridan et al. 2017). Les auteurs ont conclu que le traitement à l'aide d'un mélange commercial de microbes favorisant la croissance des plantes (MPGP), dans ce cas, des bactéries, des mycorhizes et des champignons, semblait conférer une plus grande stabilité et des similitudes dans la composition de la communauté après 12 à 14 semaines que chez les témoins. Ils suggèrent que cela pourrait être attribué aux exsudats racinaires, qui sont censés favoriser et même contrôler le développement de communautés microbiennes appropriées aux stades successifs de développement des plantes. Compte tenu des effets connus des PGPM sur la production agricole basée sur le sol et des quelques études disponibles pour les systèmes sans sol, il est nécessaire d'approfondir les recherches afin de déterminer comment améliorer les PGPM et améliorer leurs effets dans le système aquaponique (Bartelme et al., 2018). Si les cultures hydroponiques sont plus stables et que la croissance des plantes est plus robuste avec les PGPM, l'objectif devrait être de caractériser les communautés microbiennes en aquaponie par métagénomique et de les mettre en corrélation avec la disponibilité optimale des macro- et des micronutriments via la métabolomique et la protéomique.


Aquaponics Food Production Systems

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