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5.5 水质要求

2 years ago

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Aquaponics 代表着控制水质的努力,以便在尽可能接近理想的水化学条件下培养目前所有的生命形式(鱼类、植物和微生物)(Goddek 等人,2015 年)。 如果水化学能够满足这三种重要生命形式的要求,那么就可以提高生长和健康的效率和优化(Lennard 2017)。

优化对于商业水生产非常重要,因为只有通过优化才能实现商业成功(即金融盈利)。 因此,水生系统中的水化学和水质要求对于企业取得最终商业和经济成功至关重要(Goddek 等人,2015 年)。

目前,在更广泛的水生产业和社区内部,对于水生系统内的良好或可接受的水质,存在着分歧。 人们普遍认为,个体生命构成子集(鱼类、植物和微生物)的天然水化学要求已得到广泛的一致认可(拉科奇和哈格雷夫斯 1993 年;Rakocy 等人,2006 年;Goddek 等人,2015 年;Delide 等人,2016 年;伦纳德 2017 年)。 然而,由于存在广泛的方法、方法和技术选择,而且再循环水产养殖系统 (RAS) 和水培植物培养 (包括基材培养) 相关的独立技术的背景或历史,似乎导致运营商,科学家和设计师之间的分歧。 例如,只考虑一个单一的水化学参数 pH 值,有些人认为水培养植物的 pH 要求与 RAS 养殖淡水鱼种的 pH 要求有很大的不同(Suhl 等人,2016 年)。 水培产业通常应用 4.5 到 6.0 之间的 pH 值设置(Resh 2013 年),而 RAS 行业通常应用 7.0 和 8.0 之间的 pH 值设置(Timmons 等人,2002 年),以满足鱼类和微生物的要求(这些微生物具有重要作用)潜在有毒的鱼废物代谢物转化为毒性较小的形式)。 因此,论点是,任何 pH 值设定点都是植物、鱼类和微生物的要求之间的折衷,因此无法实现所有生命形式的最佳 pH 值,从而导致植物生产不理想(Suhl 等人,2016 年)。 然而,其他人则认为,对植物营养素摄取的养分动态的复杂性进行更仔细的审查可能会表明不同的意见(Lennard 2017)。

水培(和基质培养)系统通过向水中添加营养盐,从而释放可用的营养离子,以基础离子形式向植物提供营养物质(Resh 2013)。 研究表明,这些离子营养形式存在于一个窗口的可用性植物,基于可用的系统水 pH 值。 因此,在标准的水培背景下,没有微生物菌群(即灭菌 — 与大多数水培系统一样),重要的是将系统水的 pH 值设置为尽可能使植物所需的离子营养混合物的水平(Resh 2013)。 在任何水培系统中,这本身都是一种妥协,因为正如任何离子营养素可用性图表(见图 5.4)所示,在不同的 PHS 中,不同的离子营养素形式是最多的(Resh 2013)。 水培工业使用这种标准的离子营养可用性关联作为其 pH 设定点的引物,并解释了为什么在灭菌的水培和基材培养系统中所需的水培操作 pH 值在 4.5 到 6.0 之间(酸性环境)。

另外,RAS 根据养殖的鱼类以及处理和转化鱼类废物产品的微生物,应用水 pH 值设定点

图片-3

** 图 5.4** 水产养殖植物的标准 pH 介导养分可用性图表示例。 红线表示水培系统的正常工作 pH 值;蓝线表示水培系统

(蒂蒙斯等人,2002 年;戈德克等人,2015 年;苏尔等人,2016 年)。 在自然淡水环境中,大多数鱼类需要与鱼类内部 pH 值密切匹配的环境 pH 值(即水 pH 值),通常接近 7.4 的 pH 值(伦纳德 2017 年)。 此外,与 RAS 培养中溶解代谢物转化相关的主要微生物(几种物种的硝化细菌)也需要在 7.5 左右的 pH 值以最佳的氨转化为硝酸盐(Goddek 等人,2015 年;Suhl 等人,2016 年)。 因此,RAS 操作员对 RAS 淡水鱼类养殖施加 pH 设定点约为 7.5。

pH 值为 5.5(标准、消毒、水培植物培养的平均值)和 7.5(RAS 鱼类养殖的平均标准)之间存在明显的差异。 因此,人们广泛认为,pH 值是水生科学中最大的水质妥协之一(Goddek 等人,2015 年;Suhl 等人,2016 年)。 分离式水生设计的倡导者经常将最佳 pH 值要求的差异作为解耦设计方法的论据,并指出,当分离设计可以将不同的水 pH 值设定点应用于鱼类和植物时,完全循环设计必须找到 pH 值妥协组件(苏尔等人,2016 年;戈德克等人,2016 年)。 然而,这一论点忽略的是,与水培系统相比,水生系统并不是无菌的,而是采用生态水生技术,鼓励在水生系统中存在多样化的微生物群落(Ek 2017; Lennard 2017)。 由此产生了种类繁多的现有微生物,其中许多与水生系统中的植物,尤其是植物根部形成复杂而复杂的关联(Lennard 2017)。 众所周知,在植物生理学中,许多与土壤介质和基质相关的微生物与植物根系密切相关,其中许多微生物有助于植物获取和吸收重要的营养素(Vimal 等人,2017 年)。 众所周知,其中一些微生物产生的有机分子可直接进一步促进植物生长,协助植物免疫力发展,并帮助超越植物(特别是根)病原体(Vimal 等人,2017 年;Srivastava 等人,2017 年)。 从本质上讲,这些微生物以许多方式协助植物,这些方式根本不存在于标准水培养中的灭菌环境中。

由于存在这些多样化的微生物,植物可以通过许多方式获得养分,这些方式在仅依赖水生 pH 值设置来实现植物养分获取的系统中是不可能的(例如标准的水培和基质培养)。 其中许多微生物的 pH 值很广,就像其他土壤微生物一样,例如硝化细菌(pH 值 6.5-8.0,Timmons 等人,2002 年)。 因此,在水生系统中存在这些微生物的情况下,pH 设定点可能会提高到水培或基材培养技术中通常应用的水培或基质培养技术(即 pH 值为 4.5—6.0),同时仍然存在先进和高效的植物生长(Lennard 2017)。 这一点证明在一些水生研究人员的工作中,他们已经表现出了比标准水培学更好的植物生长率(Nichols 和 Lennard,2010 年)。

水生系统中的其他水质要求涉及物理/化学参数,更具体地说,涉及植物养分需求参数。 在物理/化学要求方面,植物、鱼类和微生物有许多共同点。 溶解氧对鱼类、植物根系和微生物群落至关重要,必须在水生系统中保持(Rakocy 和 Hargreaves 1993 年;Rakocy 等人,2006 年)。 与大多数鱼类相比,植物根系和微生物所要求的溶解剂浓度通常相对较低;植物根系和微生物的溶解剂可以生存低于 3 毫克/升(Goto 等人,1996 年),而大多数鱼类需要高于 5 毫克/升(Timmons 等人,2002 年)。 因此,如果根据鱼类需求设置并保持水生系统内的溶氧浓度,则还满足了植物和微生物的要求(Lennard 2017)。 不同的鱼类需要不同的溶氧浓度:温水鱼(例如 _罗非鱼 _ spp.、尖吻鲈)通常可以比冷水鱼种更低的溶氧浓度(例如虹鳟鱼和北极炭等鲑鱼类)容忍;因为鱼类溶伤剂的要求几乎总是高于植物根和微花的要求,应为正在养殖的特定鱼种设定 DO(伦纳德 2017)。

水二氧化碳 (COSub2/Sub) 浓度与溶氧化物一样,通常由鱼类设定,因为植物根系和微生物可以耐受比鱼更高的浓度。 二氧化碳浓度对于最佳鱼类健康和生长至关重要,在水生设计中常常被忽视。 COSub2/Sub 浓度的参数和设定点应与仅在鱼类、RAS 系统中培养的相同鱼类种类相同,一般而言,应保持在 20 毫克/升以下(Masser 等人,1992 年)。

水温对于水生系统中的所有现有生命形式都很重要。 鱼类和植物物种应尽可能匹配水温要求(例如,鱼类类如 25℃ 以上的 Tilapia spp.,而罗勒等植物在这个相对较高的水温下生长;生菜品种如冷水,因此,更好匹配的鱼类候选品种是彩虹鳟鱼)(伦纳德 2017 年)。 然而,至于其他水的物理和化学参数,满足鱼类对水温的要求至关重要,因为微生物有能力根据环境条件进行特定物种选择(例如,硝化细菌物种分化在不同的水温和最符合特定水温的物种将占据系统硝化细菌生物量的主导地位),许多植物可以在更广泛的水温范围内生长得很好(Lennard 2017)。 匹配水温,并将水温保持在正负 2˚C(即高温控制)与鱼类相比是一个重要的要求,因为当水温正确且没有偏离理想平均值时,鱼类可以实现高效且优化的新陈代谢,有效地食用和转换饲料, 从而提高鱼类生长率和稳定和可预测的废物排放量, 这有助于植物培养 (Timmons 等人, 2002 年).

保持水分净度(低浊度)是水生培养中的另一个重要参数(Rakocy 等人,2006 年)。 大多数水浊度是由于悬浮固体载荷没有得到充分过滤,这些固体物质可能会通过附着鱼的鳃来影响鱼类,从而降低潜在的氧转移率和氨释放率(Timmons 等人,2002 年)。 对于水生养殖的鱼类,建议悬浮固体载荷小于 30 毫克/升(Masser 等人,1992 年;Timmons 等人,2002 年)。 高悬浮固体载荷也会影响植物根系,因为它们有能力粘附根部,这可能导致营养素摄取低效率,但更常见的情况是增加病原生物体殖殖的可能性,从而导致根系健康不佳和最终植物死亡(Rakocy 等人,2006 年)。 这些悬浮固体也助长了异养细菌 (分解和代谢有机碳的物种) 的流行,如果允许这些物种占主导地位,可能超过其他所需物种,例如硝化细菌。

导电率 (EC) 是一种常用于水培学的措施,以便了解水中的总营养物质含量。 然而,它无法提供关于营养素组合、是否存在单个营养物种或存在的个别营养物种数量的信息 (Resh 2013)。 它不经常应用于水生动物,因为它只测量离子(带电)营养物的存在,并且有人认为水生养素是一种有机营养物供应方法,因此,EC 不是一个相关的措施(Hallam 2017)。 然而,植物通常只能源离子形式的营养物质,因此,EC 可以作为水生系统中植物可用营养物总量的一般工具或指导(Lennard 2017)。

对于完全循环的水生系统,在物理和化学参数方面,鱼类的要求更加严格,因此,如果管理系统以维持鱼类的要求,植物和微生物的要求就会超过满足(Lennard)(2017 年)。 然而,在植物方面的不同之处在于,它们需要正确的混合物和营养强度,以便优化营养素的获取和吸收(无论是独立的还是微生物辅助的),从而实现高效和快速的生长。 因此,解耦水生子系统可能更具吸引力,因为人们认为它们可以更严格地向植物输送营养素(Goddek 等人,2016 年)。 鱼类饲料,因此鱼类废物不含有符合植物要求的正确营养物质混合物(Rakocy 等人,2006 年)。 因此,水生系统的设计必须考虑到那些缺少的营养物质并补充它们。 完全循环的水生系统通常通过将营养素添加到用于管理日常 pH 缓冲方法的盐种中来补充营养物质;盐的基本部分调整 pH 值,盐的正部分可以补充缺失的植物养分(例如钾、钙、镁 (拉科奇等人, 2006 年). 分离式水生设计从鱼类成分中获取废水和相关固体废物,并通过添加不同形式的养分来调整水分,以包含植物生产所需的养分(Goddek 等人,2016 年)。 这些营养添加通常基于使用标准的水培盐物种,这些盐不一定能提供任何 pH 调整结果(例如磷酸钙、硫酸钙、磷酸钾等)。

在水生系统中实现植物高效生长的途径是提供水生养分分布,提供植物所需的所有营养物质(混合物),达到所需的强度(浓度)(Lennard 2017)。 在完全循环的水生设计中,或者不采用灭菌方法的分离式水生设计中,满足标准水耕中应用的营养浓度或强度的要求似乎较少,因为该系统的生态性质将许多不同的与植物根系的微生物群落和这些微生物群有助于植物养分获取(伦纳德 2017 年)。 对于对植物成分进行灭菌并遵循标准水培模拟方法的分离式或其他水生子设计,似乎需要尝试接近标准的水培养分浓度(Suhl 等人,2016 年;Karimanzira 等人,2016 年)。 然而,采用分离方法的折衷方法是,它会导致外部补充比率远远超过完全循环水生设计;欧洲分离设计目前平均增加 50% 或更高的外部营养素(COST FA1305 2017;Goddek 和 Keesman 2018),而 UVI方法供应量低于 20%,其他系统可能提供不到 10% 的外部营养补充(伦纳德 2017 年)。

无论采用何种方法,所有水生系统都应努力为工厂提供优化增长所需的营养,从而为企业提供最大的财务活力机会。 在这方面,输送到植物的水的营养含量和强度非常重要,应定期对水进行营养素测试,以保持和管理营养混合物和强度,作为一项非常重要的水质要求。


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