Aquaponika (akwaponika)

Aquaponika odnosi się do każdego systemu łączącego konwencjonalną akwakulturę (hodowla zwierząt wodnych takich jak ślimaki, ryby, raki czy krewetki w zbiornikach) z hydroponiką (uprawa roślin w wodzie) w symbiotycznym środowisku. W zwykłej akwakulturze wydaliny z hodowanych zwierząt mogą gromadzić się w wodzie, zwiększając jej toksyczność. Akwaponika, czyli system aquaponiczny podaje wodę z systemu akwakultury do systemu hydroponicznego, gdzie produkty uboczne są rozkładane przez bakterie nitryfikacyjne początkowo na azotyny, a następnie na azotany, które są wykorzystywane przez rośliny jako składniki odżywcze. Następnie woda jest recyrkulowana z powrotem do systemu hydroponicznego.

Istniejące techniki hodowli w hydroponice i akwakulturze stanowią podstawę wszystkich systemów akwaponicznych, wielkość, złożoność i rodzaje żywności uprawianej w systemie aquaponicznym mogą się różnić tak bardzo, jak każdy inny system występujący w każdej z tych dziedzin hodowli.

Co to jest akwaponika?

Akwaponika to metoda uprawy zarówno ryb jak i roślin w obrębie tego samego systemu. Odpady wytwarzane przez ryby są wykorzystywane jako źródło składników odżywczych dla roślin, co pozwala na utrzymanie zdrowego środowiska dla ryb.

Aquaponika naprawdę naśladuje to, co naturalnie występuje w stawach, jeziorach i strumieniach. Wykorzystuje naturalny obieg azotu w celu maksymalizacji wydajności uprawy roślin i ryb, przy jednoczesnej minimalizacji odpadów z systemu.

System aquaponiczny – elementy

System aquaponiczny składa się z dwóch głównych elementów: część akwakultury przeznaczonej do hodowli zwierząt wodnych, a część hydroponiczna do hodowli roślin. Ścieki wodne, pochodzące z niezjedzonej paszy lub hodowli zwierząt takich jak ryby, gromadzą się w wodzie dzięki zamkniętemu systemowi recyrkulacji większości systemów akwakultury. Woda bogata w ścieki staje się toksyczna dla zwierząt wodnych w wysokich stężeniach, ale zawiera składniki odżywcze niezbędne dla wzrostu roślin.

Chociaż składają się one głównie z tych dwóch części, systemy wodne są zazwyczaj pogrupowane w kilka składników lub podsystemów odpowiedzialnych za skuteczne usuwanie odpadów stałych, dodawanie zasad w celu neutralizacji kwasów lub utrzymanie natlenienia wody. Typowe systemy obejmują:

• zbiornik do hodowli (zbiorniki do hodowli i karmienia ryb)
• zbiornik osadowy: jednostka do połowu niezjedzonego pokarmu i oddzielonych biofilmów oraz do odkładania drobnych cząstek stałych
• biofiltr: miejsce, w którym bakterie nitryfikacyjne mogą rosnąć i przekształcać amoniak w azotany, wykorzystywane później przez rośliny
• podsystem hydroponiczny: część systemu, gdzie rośliny są uprawiane poprzez pochłanianie nadmiaru składników odżywczych z wody
• pompa: najniżej umieszczony punkt w systemie, do którego przepływa woda i z którego jest ona pompowana z powrotem do zbiorników hodowlanych

W zależności od stopnia zaawansowania i kosztów systemu aquaponicznego, jednostki do usuwania ciał stałych, biofiltracji i/lub podsystemu hydroponicznego mogą być połączone w jedną jednostkę lub podsystem, co zapobiega przepływowi wody bezpośrednio z części systemu przeznaczonej dla akwakultury do części hydroponicznej. Poprzez wykorzystanie żwiru lub piasku jako podłoża dla roślin, substancje stałe są wychwytywane, a pożywka ma wystarczającą powierzchnię do nitryfikacji stałofilmowej. Możliwość łączenia biofiltracji i hydroponiki pozwala w wielu przypadkach wyeliminować konieczność stosowania kosztownych, oddzielnych biofiltrów.

Auqaponika – korzyści

• Zużywa 90% mniej wody niż tradycyjne uprawy glebowe
• Ryby dostarczają wszystkie nawozy, których rośliny potrzebują
• Zrównoważona i bardzo wydajna metoda uprawy żywności
• Nie wymaga stosowania pestycydów, herbicydów
• Ryby nie wymagają antybiotyków
• Żywność może być produkowana w sposób ciągły, z okresowym zbiorem
• Brak  chorób przenoszonych przez glebę
• Dzięki zastosowaniu uprawy indoor i dodatkowego oświetlenia można hodować rośliny i ryby przez cały rok
• Minimalne straty wody i składników odżywczych
• Zmniejszenie nakładów pracy fizycznej
• System aquaponiczny można zainstalować prawie wszędzie
• Skalowalność – systemy akwaponiczne mogą być zainstalowane w każdej konfiguracji
• Jednoczesna hodowla ryb i roślin. Domowy system aquaponiczny może zapewnić dużą ilość potrzebnego pokarmu.

Dlaczego aquaponika może być lepsza niż hydroponika?

• Systemy hydroponiczne wymagają dodawania składników odżywczych, które muszą być precyzyjnie obliczone stężenie i dodane do systemu w odpowiednim momencie. Systemy akwaponiczny wymaga jedynie karmienia ryb i monitorowania pH.
• Tradycyjne hydroponiczne uprawy muszą być często monitorowane pod kątem TDS (ilość rozpuszczonych substancji) i pH. W przypadku systemów aquaponicznych, kiedy masz już wszystko w równowadze, możesz monitorować je rzadziej.
• Typowa uprawa hydroponiczna wymaga częstej wymiany roztworu odżywczego. W przeciwnym razie, niepożądane poziomy składników odżywczych wzrosną do poziomu, który może uszkodzić rośliny. W systemie aquaponicznym, nie trzeba zmieniać wody. Wystarczy ją uzupełnić, gdy woda wyparuje.
• Proces gnicia korzeni jest bardzo rzadko obeserwowany w systemach aquaponicznych, podczas gdy w systemach hydroponicznych jest on bardziej problematyczny.

System akwaponiczny – żywe elementy

Działanie systemu aquaponicznego zależy od różnych elementów. Trzy główne żywe składniki to rośliny, ryby (lub inne stworzenia wodne) i bakterie. Niektóre systemy zawierają również dodatkowe żywe elementy, takie jak robaki.

Rośliny

System hydroponiczny Deep Water Culture, w którym rośliny rosną bezpośrednio w wodzie bogatej w ścieki bez podłoża glebowego. Rośliny mogą być rozmieszczone bliżej siebie, ponieważ korzenie nie muszą rozszerzać się na zewnątrz, aby utrzymać wagę rośliny.

Wiele roślin nadaje się do systemów akwaponicznych, jednak to zależy to od stopnia dojrzałości i zagęszczenia ryb. Czynniki te mają wpływ na koncentrację składników pokarmowych pochodzących ze ścieków rybnych oraz jak wiele z nich jest udostępnianych korzeniom roślin za pośrednictwem bakterii. Zielone warzywa liściaste o niskim i średnim zapotrzebowaniu na składniki odżywcze są w stanie dobrze przystosowane do systemów akwaponicznych, w tym kapusta pekińska, sałata, bazylia, szpinak, szczypiorek, zioła i rzeżucha wodna.

Inne rośliny, takie jak pomidory, ogórki i papryka, mają większe zapotrzebowanie na składniki odżywcze i sprawdzą się tylko w dojrzałych systemach akwaponicznych o dużej gęstości obsady ryb. Rośliny pospolite spotykane w sałatkach odnoszą jedne z największych sukcesów w akwaponice, w tym: ogórki, szalotki, pomidory, sałata, nutria, papryka, czerwona cebula sałatka i groszek śnieżny.

Do roślin przynoszących zyski w systemach akwaponicznych należą także: kapusta pekińska, sałata, bazylia, róże, pomidory, okra, kantalupa i papryka dzwonkowa.

Inne gatunki warzyw, które dobrze rosną w systemie wodnym, to: rzeżucha wodna, bazylia, kolendra, pietruszka, trawa cytrynowa, szałwia, fasola, groch, kalarepa, taro, rzodkiewki, truskawki, melony, cebula, rzepa, pasternak, słodki ziemniak, kalafior, kapusta, brokuły, bakłażan.

Ryby (lub inne stworzenia wodne)

Ryby słodkowodne są najczęstszym zwierzęciem wodnym hodowanym przy użyciu aquaponiki, ze względu na ich zdolność do tolerowania zatłoczenia, choć czasami używa się również raków i krewetek słodkowodnych. Istnieje gałąź aquaponiki wykorzystująca ryby słonowodne, znana aquaponika słonowodna. Wiele gatunków ryb ciepłowodnych i zimnowodnych dobrze przystosowuje się do systemów akwakultury.

W praktyce tilapia jest najpopularniejszą rybą do użytku domowego i komercyjnego, przeznaczoną do hodowania ryb jadalnych. To gatunek ryby ciepłowodnej tolerujący zatłoczenie i zmieniające się warunki wodne. Wykorzystuje się również okonia srebrzystego, suma węgorza lub sandacza, okonia jadeitowego i dorsza Murray’a. W klimacie umiarkowanym, gdy nie ma zdolności lub chęci do utrzymania temperatury wody, sumy są odpowiednimi gatunkami ryb do użytku domowego. Inne odpowiednie ryby to sum kanałowy, pstrąg tęczowy, okoń, karp, golec polarny, okoń grubodzioby i labraks.

Bakterie

Azotryfikacja, czyli tlenowa konwersja amoniaku w azotany, jest jedną z najważniejszych funkcji w systemie wodnym, ponieważ zmniejsza toksyczność wody dla ryb i pozwala na usunięcie powstałych związków azotanowych przez rośliny w celu odżywienia.

Amoniak jest stale uwalniany do wody poprzez odchody i skrzela ryb jako produkt ich metabolizmu, ale musi być odfiltrowany, ponieważ wyższe stężenia amoniaku mogą osłabiać wzrost, powodować rozległe uszkodzenia tkanek, zmniejszać odporność na choroby, a nawet zabijać ryby.

Chociaż rośliny mogą do pewnego stopnia wchłaniać amoniak z wody, azotany są łatwiej przyswajalne, tym samym skutecznie zmniejszając toksyczność wody dla ryb. Amoniak może zostać przekształcony w bezpieczniejsze związki azotowe dzięki połączeniu zdrowych populacji dwóch rodzajów bakterii: Nitrosomonas, które przekształcają amoniak w azotyny, oraz Nitrobacter, który następnie przekształca azotyny w azotany.

Podczas gdy azotany są nadal szkodliwe dla ryb ze względu na ich zdolność do tworzenia methemoglobiny, która nie może wiązać tlenu, poprzez przyłączenie do hemoglobiny, azotany są tolerowane przez ryby na wysokim poziomie. Duża powierzchnia zapewnia więcej miejsca dla rozwoju bakterii nitryfikacyjnych. Wybór materiału na podłoże hodowlane wymaga dokładnej analizy powierzchni, ceny i możliwości konserwacji.

Podsystem hydroponiczny

W akwaponice, rośliny uprawiane są tak jak w systemach hydroponicznych. Korzenie zanurzone są w bogatej w składniki odżywcze wodzie ściekowej. Dzięki temu mogą odfiltrować amoniak, który jest toksyczny dla zwierząt wodnych lub ich metabolity. Po przejściu wody przez system hydroponiczny, jest ona oczyszczana i natleniana, a następnie powraca do zbiorników akwakultury. Cykl ten jest ciągły. Powszechne zastosowania systemów hydroponicznych w akwakulturze obejmują:

• Akwaponika tratw głębinowych: tacki styropianowe unoszące się w stosunkowo głębokim basenie akwakultury w korytach. Zbiorniki tratwowe mogą być zbudowane tak, aby były dość duże i umożliwiały przesadzanie sadzonek na jednym końcu zbiornika, podczas gdy w pełni rozwinięte rośliny są zbierane na drugim, co zapewnia optymalne wykorzystanie powierzchni podłogi
• Akwaponika recyrkulacyjna: substancje stałe, takie jak żwir lub koraliki gliniane, przechowywane w zbiorniku zalewanym wodą z akwakultury. Ten rodzaj akwaponiki znany jest również jako akwaponika w obiegu zamkniętym.
• Wtórna aquaponika: media stałe w zbiorniku, który jest na przemian zalewany i odwadniany przy użyciu różnych typów syfonów. Ten rodzaj aquaponiki jest również znany jako aquaponika zalewowa i drenowa lub aquaponika przepływowo-odpływowa.
• Cienkowarstwowe kultury przepływowe (NFP): rośliny uprawiane są w długich, wąskich kanałach, z warstwą wody wypełnionej substancjami odżywczymi stale przepływającą przez korzenie rośliny. Ze względu na małą ilość wody i wąskie kanały, pomocne bakterie nie mogą tam żyć i dlatego do tej metody wymagany jest filtr biologiczny.
• Inne systemy wykorzystujące wieże zasilane z góry. Poziome rury PCV z otworami na donice, plastikowe beczki przecięte na pół z żwirem etc.

Rośliny w różnych fazach wzrostu wymagają różnych ilości minerałów i składników odżywczych, zbiór roślin jest rozłożony w czasie, a sadzonki rosną w tym samym czasie, co rośliny dojrzałe. Zapewnia to stabilną zawartość składników odżywczych w wodzie dzięki stałemu symbiotycznemu oczyszczaniu toksyn z wody.

Aquaponika – biofiltr

W systemie aquaponicznym, bakterie odpowiedzialne za konwersję amoniaku w użyteczne azotany dla roślin tworzą biofilm na wszystkich stałych powierzchniach w całym systemie, które mają stały kontakt z wodą. Zanurzone korzenie połączonych warzyw mają dużą powierzchnię, na której może gromadzić się wiele bakterii.

Wraz ze stężeniem amoniaku i azotynów w wodzie, powierzchnia ta decyduje o prędkości, z jaką następuje nitryfikacja. Opieka nad tymi koloniami bakteryjnymi jest ważna w celu uregulowania pełnej asymilacji amoniaku i azotynów. Dlatego też większość systemów aquaponicznych zawiera jednostkę biofiltrującą, która pomaga w rozwoju tych mikroorganizmów.

Zazwyczaj, po ustabilizowaniu się systemu, poziom amoniaku waha się od 0,25 do .50 ppm; poziom azotynów od 0,0 do 0,25 ppm, a poziom azotanów od 5 do 150 ppm. Podczas uruchamiania systemu, mogą wystąpić skoki poziomu amoniaku (do 6. 0 ppm) i azotynów (do 15 ppm), przy czym poziom azotanów wzrasta później w fazie rozruchu. W procesie nitryfikacji amoniak jest utleniany do azotynów, które uwalniają jony wodoru do wody.

Dobrym sposobem radzenia sobie z gromadzeniem się ciał stałych w akwaponice jest wykorzystanie robaków, które rozdrabniają stałą materię organiczną tak, że może ona być wykorzystana przez rośliny i/lub inne zwierzęta w systemie.

Jak działa aquaponika i jej ekosystem?

Pięć głównych elementów systemu to woda, tlen, światło, pasza dla zwierząt wodnych oraz energia elektryczna do pompowania, filtrowania i natleniania wody. Narybek może być dodawany w celu zastąpienia wyjętych z systemu dorosłych ryb, aby zachować stabilny system. Jeśli chodzi o wydajność, system aquaponiczny może stale dawać plony roślinom, takim jak warzywa uprawiane w hydroponice, oraz jadalnym gatunkom wodnym hodowanym w akwakulturze.

Dziesięć podstawowych zasad przewodnich dla tworzenia udanych systemów akwaponicznych zostało wydanych przez dr Jamesa Rakocy’ego, dyrektora zespołu badawczego ds. akwaponiki na Uniwersytecie Wysp Dziewiczych, na podstawie obszernych badań przeprowadzonych w ramach programu Rolniczej Stacji Doświadczalnej ds. akwakultury.

Do obliczeń projektowych należy stosować stosunek ilości podawanego pokarmu:

• Utrzymanie względnie stałej ilości podawanego materiału
• Suplement z wapniem, potasem i żelazem
• Dobre napowietrzanie
• Usuwanie ciał stałych
• Rury ponadwymiarowe
• Biologiczna kontrola szkodników
• Odpowiednia biofiltracja
• Kontrola pH

Źródło paszy

Podobnie jak w większości systemów opartych na akwakulturze, pokarm podstawowy często składa się z mączki rybnej pochodzącej od gatunków o niższej wartości. Wyczerpywanie się dzikich zasobów rybnych sprawia, że praktyka ta jest niezrównoważona. Ekologiczne pasze dla ryb mogą okazać się realną alternatywą, która rozwiązuje ten problem.

Roślinne składniki odżywcze

Podobnie jak w hydroponice, można dodać kilka minerałów i mikroelementów, aby poprawić wzrost roślin. Żelazo jest najbardziej deficytowym składnikiem odżywczym w aquaponice, może być dodawane poprzez zmieszanie proszku z żelaza z wodą. Potas może być dodany jako siarczan potasu poprzez opryskiwanie dolistne. Do mniej istotnych składników odżywczych należą sól, chlorek wapnia i bor.

Biologiczna filtracja odpadów z akwakultury daje wysokie stężenie azotanów, co jest korzystne dla zieleni liściowej. Dla roślin kwitnących o wysokich wymaganiach odżywczych zaleca się wprowadzenie dodatkowych składników odżywczych, takich jak magnez, wapń, potas i fosfor.

Powszechnie stosowanymi źródłami są siarczan potasu, wodorowęglan potasu, fosforan monoamonowy itp. Niedobór składników pokarmowych w ściekach ze składnika rybnego (RAS) może być całkowicie zamaskowany przy użyciu osadu surowego lub zmineralizowanego, zwykle zawierającego 3-17 razy większe stężenia składników pokarmowych.

Ścieki RAS (ścieki i osady ściekowe łącznie) zawierają odpowiednie ilości N, P, Mg, Ca, S, Fe, Zn, Cu, Ni, aby zaspokoić większość potrzeb upraw wodnych. Potas jest na ogół niedoborem wymagającym pełnowartościowego nawożenia.

Mikroelementy B, Mo są częściowo wystarczające i można je łatwo poprawić poprzez zwiększenie uwalniania osadów ściekowych. Należy ponownie rozważyć założenia dotyczące “określonego” fitotoksycznego poziomu sodu w ściekach RAS – dostępne są również praktyczne rozwiązania. Nie ma zagrożenia akumulacją metali ciężkich w pętli akwaponicznej.

Zużycie wody

Systemy akwaponiczne zazwyczaj nie odprowadzają i nie wymieniają wody podczas normalnej pracy, ale zamiast tego bardzo skutecznie recyrkulują i ponownie wykorzystują wodę. System opiera się na relacji pomiędzy zwierzętami i roślinami w celu utrzymania stabilnego środowiska wodnego, które doświadcza minimalnych wahań poziomu składników odżywczych i tlenu w otoczeniu.

Rośliny są w stanie odzyskać rozpuszczone składniki odżywcze z wody obiegowej, co oznacza, że mniej wody jest wypuszczane, a tempo wymiany wody może być zminimalizowane. Woda jest dodawana tylko w celu zastąpienia strat wody wynikających z absorpcji i transpiracji przez rośliny, parowania do powietrza z wód powierzchniowych, przelewania z systemu z opadów deszczu oraz usuwania z systemu biomasy, takiej jak osiadłe odpady stałe.

W rezultacie aquaponika zużywa około 2% wody, która jest potrzebna w konwencjonalnym gospodarstwie nawadnianym do tej samej produkcji roślinnej. Pozwala to na produkcję akwaponiczną zarówno roślin uprawnych, jak i ryb na obszarach, na których brakuje wody lub żyznej ziemi.

Systemy aquaponiczne mogą być również wykorzystywane do odtwarzania kontrolowanych warunków mokradłowych. Tereny podmokłe mogą być przydatne do biofiltracji i oczyszczania typowych ścieków bytowych. Wypełniona substancjami odżywczymi woda przelewowa może być gromadzona w zbiornikach zlewni i ponownie wykorzystywana do przyspieszenia wzrostu roślin posadzonych w glebie lub może być pompowana z powrotem do systemu aquaponicznego w celu uzupełnienia poziomu wody.

Zużycie energii

Instalacje akwaponiczne polegają w różnym stopniu na energii wytworzonej przez człowieka, rozwiązaniach technologicznych i kontroli środowiska w celu osiągnięcia recyrkulacji i temperatury wody/środowiska. Jeśli system jest zaprojektowany z myślą o oszczędności energii, wykorzystując energię alternatywną i zmniejszoną liczbę pomp poprzez umożliwienie przepływu wody w dół w jak największym stopniu, może on być bardzo energooszczędny. Podczas gdy staranny projekt może zminimalizować ryzyko, systemy aquaponiczne mogą mieć wiele “pojedynczych punktów awarii”, w których problemy takie jak awaria elektryczna lub zablokowanie rur mogą prowadzić do całkowitej utraty zasobów rybnych.

Zarybianie

Aby systemy akwaponiczne odniosły sukces finansowy i przyniosły zysk, pokrywając jednocześnie koszty operacyjne, hydroponiczne komponenty roślinne i komponenty do hodowli ryb muszą prawie stale mieć maksymalną zdolność produkcyjną. Aby utrzymać maksymalną masę biologiczną ryb w systemie (bez ograniczania wzrostu ryb), istnieją 3 główne metody zarybiania, które mogą pomóc w utrzymaniu tego maksimum.

Choroby i zwalczanie szkodników

Chociaż pestycydy mogą być normalnie stosowane do zwalczania owadów na uprawach roślinnych, w systemie akwaponicznym stosowanie pestycydów zagrażałoby ekosystemowi ryb. Z drugiej strony, jeśli ryby nabywają pasożyty lub choroby, nie można stosować środków leczniczych, ponieważ rośliny je wchłaniają. W celu utrzymania symbiotycznej relacji między roślinami i rybami, do zwalczania szkodników należy stosować metody niechemiczne, takie jak pułapki, bariery fizyczne i biologiczne. Najskuteczniejszym pestycydem organicznym jest olej Neem, ale tylko w małych ilościach, aby zminimalizować wyciek do wodę u ryb.

Automatyzacja, monitorowanie i kontrola

Wielu naukowców próbowało stworzyć automatyczne systemy kontroli i monitorowania, niektóre z nich okazały się sukcesem. Przedsiębiorstwa opracowały system zdolny do automatyzacji powtarzalnych zadań hodowlanych i wyposażony w algorytm uczenia się maszyn, który może automatycznie wykrywać i eliminować chore lub słabo rozwinięte rośliny. Inteligentna maszyna akwaponiczna poczyniła znaczne postępy w dokumentowaniu i gromadzeniu informacji dotyczących aquaponiki.

Wskaźnik rentowności

Aquaponika oferuje zróżnicowany i stabilny system polikultury, który pozwala hodowcom na jednoczesną uprawę warzyw i hodowlę ryb. Dzięki dwóm źródłom zysku, rolnicy mogą nadal zarabiać pieniądze, nawet jeśli rynek ryb lub roślin przechodzi przez niski cykl. Elastyczność systemu akwaponicznego pozwala na uprawę wielu różnych roślin, w tym zwykłych warzyw, ziół, kwiatów i roślin wodnych, aby zaspokoić szerokie spektrum konsumentów. Zioła, sałata, bazylia czy szpinak, szczególnie dobrze nadają się do systemów wodnych ze względu na ich niskie potrzeby żywieniowe. Dla rosnącej liczby świadomych ekologicznie konsumentów produkty z systemów wodnych są organiczne i wolne od pestycydów.

Systemy auqaponiczne są ponadto efektywne ekonomicznie ze względu na niskie zużycie wody, znakomity obieg składników odżywczych i niewielkie zapotrzebowanie na ziemię do ich eksploatacji. Systemy wodne mogą być zakładane na obszarach, na których jakość gleby jest niska lub woda jest zanieczyszczona. Co ważniejsze, systemy wodne są zazwyczaj wolne od chwastów, szkodników i chorób, które miałyby wpływ na glebę, co pozwala im na stałą i szybką produkcję wysokiej jakości upraw na sprzedaż.