Аквапоника:
объединение рыбоводства и гидропоники для устойчивого производства продовольствия читать ~23 мин.

Аквапоника – инновационную систему производства продуктов питания, которая соединяет аквакультуру (разведение водных организмов) с гидропоникой (выращивание растений без почвы). Этот метод создаёт замкнутую экосистему, где отходы рыб служат естественным удобрением для растений, а растения очищают воду, возвращая её обратно в резервуары для рыб. В условиях растущего населения планеты, изменения климата и истощения природных ресурсов аквапоника предлагает перспективный путь к созданию устойчивых систем продовольственного обеспечения.

Исторические корни и развитие технологии

Концепция интеграции рыбоводства с растениеводством имеет древние корни. Различные цивилизации применяли похожие методы на протяжении веков, хотя современная аквапоника значительно отличается от своих предшественников. Ацтеки создавали плавучие сады, известные как чинампас, где растения росли на плотах над водой, обогащённой органическими веществами. Азиатские фермеры традиционно выращивали рис на залитых водой полях, где также разводили рыбу.

Научные основы современной аквапоники были заложены в 1970-х и 1980-х годах. Профессор Марк МакМёрти и Дуглас Сандерс из Университета Северной Каролины создали первую успешную замкнутую аквапоническую систему в середине 1980-х годов. В их установке сточные воды из резервуаров с рыбами использовались для капельного орошения томатов и огурцов, выращиваемых в песчаных грядках, которые одновременно функционировали как биофильтры. Очищенная вода затем возвращалась к рыбам, замыкая цикл.

Первое крупномасштабное коммерческое аквапоническое предприятие Bioshelters было основано в Амхерсте, штат Массачусетс, в середине 1980-х годов и продолжает работать до настоящего времени. В начале 1990-х годов фермеры Том и Паула Сперанео представили концепцию «Биопоники», выращивая травы и овощи в гравийных грядках с системой приливов и отливов, орошаемых богатой питательными веществами водой из резервуара объёмом 2200 литров с тиляпией. В начале XXI века аквапоника приобрела особую популярность в Австралии и Канаде. Современные системы могут быть установлены в вертикальных конфигурациях, что делает их пригодными для вертикального фермерства и городского сельского хозяйства.

Биологические основы: азотный цикл и роль бактерий

Основу функционирования аквапонической системы составляет азотный цикл — биохимический процесс, в котором токсичные азотистые соединения преобразуются в формы, доступные для усвоения растениями. Рыбы выделяют аммиак (NH₃) как основной продукт метаболизма белков через жабры и с экскрементами. Высокие концентрации аммиака токсичны для рыб, вызывая стресс, повреждение тканей и даже гибель.

Нитрифицирующие бактерии выполняют центральную функцию в преобразовании аммиака. Процесс нитрификации происходит в два этапа. На первом этапе бактерии рода Nitrosomonas окисляют аммиак в нитриты (NO₂⁻). Нитриты также токсичны, хотя и в меньшей степени, чем аммиак. На втором этапе бактерии рода Nitrobacter преобразуют нитриты в нитраты (NO₃⁻). Нитраты служат основным источником азота для растений и относительно безопасны для рыб при умеренных концентрациях.

Эти бактерии колонизируют различные поверхности в системе: субстрат в грядках (керамзит, гравий, биошары), корни растений, стенки резервуаров. В системах с плавающими платформами (DWC) и техникой питательного слоя (NFT) требуется установка внешних биофильтров для обеспечения достаточной площади поверхности для роста бактериальных колоний. Созревание биофильтра — процесс установления стабильной популяции нитрифицирующих бактерий — может занимать от нескольких недель до двух месяцев в зависимости от условий.

Температура, pH, концентрация растворённого кислорода существенно влияют на активность нитрифицирующих бактерий. Оптимальная температура для нитрификации составляет 25-30°C, хотя процесс может протекать в диапазоне от 5 до 35°C. Значения pH между 7 и 8 считаются оптимальными для бактериальной активности. Нитрифицирующие бактерии являются аэробными организмами, поэтому им необходим постоянный доступ к кислороду.

Компоненты аквапонической системы

Все аквапонические установки содержат несколько общих элементов, которые обеспечивают функционирование интегрированной экосистемы.

Резервуары для рыб

Резервуар для рыб является отправной точкой системы. Объём резервуара должен соответствовать виду и количеству выращиваемых рыб, обеспечивая достаточное пространство для плавания и роста. Типичная плотность посадки варьируется от 10 до 20 кг рыбы на 1000 литров воды, хотя этот показатель зависит от вида рыбы, эффективности фильтрации и аэрации. Форма резервуара влияет на циркуляцию воды и удаление твёрдых отходов — круглые или конические резервуары обеспечивают лучшую циркуляцию по сравнению с прямоугольными.

Механические фильтры

Механические фильтры удаляют твёрдые частицы — несъеденный корм, рыбьи экскременты — из воды перед тем, как она поступает в биофильтр или к растениям. Это предотвращает засорение системы и улучшает эффективность биологической фильтрации. Механические фильтры могут представлять собой отстойники, барабанные фильтры, картриджные фильтры или простые сетчатые фильтры.

Биофильтры

Биофильтры обеспечивают среду для колонизации нитрифицирующих бактерий. В системах с заполненными субстратом грядками сами грядки выполняют функцию биофильтра. В системах NFT и DWC необходимы отдельные биофильтры. Материал биофильтра должен иметь большую площадь поверхности, хорошую проницаемость для воды и кислорода. Синтетические полимерные материалы, биошары, керамические кольца, щебень используются в качестве наполнителя биофильтров.

Гидропонические грядки

Гидропонические компоненты системы предоставляют пространство для выращивания растений. Растения могут выращиваться в грядках, заполненных субстратом, на плавающих платформах или в трубах и каналах. Выбор метода зависит от типа выращиваемых растений, масштаба системы, доступных ресурсов.

Насосы и система аэрации

Водяные насосы обеспечивают циркуляцию воды между компонентами системы. Производительность насоса должна обеспечивать полный оборот воды в системе несколько раз в час. Система аэрации подаёт кислород рыбам и бактериям в биофильтре. Концентрация растворённого кислорода должна поддерживаться на уровне не менее 6 мг/л для оптимального функционирования системы.

Типы аквапонических систем

Существуют три основных типа аквапонических установок, различающихся методом выращивания растений.

Системы с грядками на субстрате

Системы с грядками, заполненными субстратом (Media-Based или Flood and Drain), считаются наиболее распространёнными и простыми для начинающих. Растения высаживаются в грядки, заполненные керамзитом, гравием, перлитом или другим инертным материалом. Вода из резервуара с рыбами периодически затопляет грядки и затем сливается обратно.

Цикл затопления и осушения обеспечивает корням доступ к воде, питательным веществам и кислороду. Субстрат одновременно служит механическим и биологическим фильтром, задерживая твёрдые частицы и предоставляя поверхность для роста бактерий. Для автоматического слива воды часто используется колокольный сифон — устройство, создающее эффект сифона при достижении определённого уровня воды.

Эти системы подходят для широкого спектра растений, включая листовые овощи, травы, некоторые плодоносящие культуры. Они относительно просты в обслуживании и прощают небольшие ошибки в управлении. Недостатком является необходимость регулярной очистки субстрата от накопившихся твёрдых отходов.

Системы с глубоководными культурами

Системы с глубоководными культурами (Deep Water Culture, DWC) или плавающими платформами широко применяются в коммерческой аквапонике благодаря простоте масштабирования. Растения размещаются в сетчатых горшках на плавающих платформах из пенопласта или полистирола, которые располагаются на поверхности воды. Корни растений свободно свисают в воду глубиной обычно 20-30 см.

Вода из резервуаров с рыбами, обогащённая питательными веществами, непрерывно циркулирует через каналы или резервуары с растениями. Интенсивная аэрация воды обязательна — без достаточного количества кислорода корни могут загнивать. Системы DWC требуют установки отдельных механических и биологических фильтров, поскольку сами грядки не выполняют функцию фильтрации.

Этот тип системы особенно подходит для выращивания листовых овощей: салата, мангольда, капусты, шпината. Растения в DWC часто показывают быстрый рост благодаря постоянному доступу к воде и питательным веществам. Коммерческие производители ценят эти системы за эффективность использования пространства и простоту сбора урожая.

Системы с техникой питательного слоя

Техника питательного слоя (Nutrient Film Technique, NFT) представляет тонкую плёнку воды, которая течёт по наклонным каналам или трубам. Растения располагаются в сетчатых горшках с небольшим количеством субстрата (керамзит, гравий) в отверстиях каналов. Корни растений частично погружены в движущийся слой воды, а частично находятся в воздухе, получая кислород напрямую.

Вода самотёком стекает по каналам от более высокой точки к нижней, где собирается и возвращается насосом в систему. NFT требует меньшего объёма воды по сравнению с другими типами систем. Системы NFT нуждаются в отдельных биофильтрах и механических фильтрах.

NFT подходит для растений с небольшой и неглубокой корневой системой: салата, трав, шпината. Крупные растения с развитой корневой системой могут блокировать поток воды в каналах. Системы NFT популярны как в домашнем, так и в коммерческом применении благодаря эффективному использованию воды и пространства.

Виды рыб для аквапонических систем

Выбор вида рыбы зависит от климатических условий, доступности кормов, рыночного спроса, совместимости с системными параметрами.

Тиляпия

Тиляпия является наиболее популярным выбором для аквапонических систем. Эти теплолюбивые рыбы оптимально растут при температуре 25-30°C. Тиляпия демонстрирует быструю скорость роста, высокую конверсию корма, устойчивость к болезням. Рыба толерантна к широкому диапазону условий воды, включая колебания pH и растворённого кислорода.

Тиляпия производит значительное количество отходов, что обеспечивает хорошее снабжение растений питательными веществами. Нильская тиляпия (Oreochromis niloticus) и мозамбикская тиляпия (Oreochromis mossambicus) часто используются в аквапонике. Количество корма для тиляпии в аквапонических системах варьируется от 20,3 до 81,6 г корма на квадратный метр площади выращивания в день.

Форель

Форель предпочитает холодную воду с температурой 14-16°C. Радужная форель (Oncorhynchus mykiss) наиболее часто выращивается в аквапонике среди холодноводных видов. Форель требует высокого качества воды, хорошей аэрации, низких температур. Эти рыбы подходят для регионов с прохладным климатом или для систем с возможностью контроля температуры.

Форель обладает превосходными вкусовыми качествами, нежной текстурой мяса. Рыба достигает массы 1000 г за 14-16 месяцев. Форель демонстрирует хорошую устойчивость к болезням при поддержании надлежащего качества воды. Сточные воды от выращивания форели успешно используются для производства листовых овощей в декуплированных аквапонических системах.

Сом

Различные виды сомов используются в аквапонике, включая канального сома (Ictalurus punctatus) и африканского сома (Clarias gariepinus). Сомы являются теплолюбивыми рыбами, оптимально растущими при температуре 24-29°C. Они толерантны к различным условиям воды, включая низкие концентрации растворённого кислорода.

Сом демонстрирует хороший рост и конверсию корма. Производство рыбы в аквапонической системе оказалось на 29% эффективнее по сравнению с рециркуляционной системой аквакультуры и на 75% эффективнее по сравнению со статической системой. Количество корма для сома составляет 20-25 г корма на квадратный метр площади выращивания в день.

Другие виды

Карп (Cyprinus carpio) широко используется в аквапонике, особенно в Европе и Азии. Карпы толерантны к широкому диапазону температур, неприхотливы в содержании. Расход корма для карпа составляет 4,4-16,9 г корма на квадратный метр в день.

Декоративные рыбы, такие как кои и гуппи, также применяются в аквапонических системах, особенно в образовательных и декоративных установках. Окунь и угорь показывают перспективные результаты в экспериментальных системах. Выбор вида должен учитывать местные климатические условия, законодательные ограничения, рыночный спрос на конечную продукцию.

Растения в аквапонических системах

Аквапонические системы поддерживают выращивание широкого спектра растений с различными требованиями к питательным веществам.

Листовые овощи

Листовые овощи особенно хорошо подходят для аквапоники благодаря низким требованиям к питательным веществам и быстрому росту. Салат (Lactuca sativa) является наиболее рекомендуемым растением для начинающих. Различные сорта салата — ромэн, батавия, айсберг — успешно выращиваются во всех типах аквапонических систем. Салат имеет короткий цикл выращивания (30-45 дней), что позволяет получать частые урожаи.

Шпинат (Spinacia oleracea) предпочитает прохладные температуры и высокое содержание азота. Капуста (Brassica oleracea) является выносливым растением, богатым питательными веществами, подходящим для круглогодичного выращивания. Мангольд (Swiss chard) хорошо растёт на плавающих платформах и в грядках с субстратом. Листовая зелень демонстрирует отличную продуктивность в аквапонических системах, часто сравнимую или превосходящую гидропонику при правильном управлении питательными веществами.

Травы

Травы представляют высокую ценность для коммерческих аквапонических операций благодаря рыночной цене и относительной простоте выращивания. Базилик (Ocimum basilicum) является одним из наиболее популярных растений в аквапонике. Базилик генуэзский наиболее часто используется, хотя также выращиваются итальянский крупнолистовой и фиолетовый базилик. Около 38,7% исследований по выращиванию базилика использовали системы DWC, 31,1% — грядки с субстратом, 17,9% — NFT.

Мята (Mentha spp.) имеет низкие требования к воде и может выращиваться на небольшой площади. Петрушка, кинза (Coriandrum sativum), орегано хорошо адаптируются к аквапоническим условиям. Травы часто требуют минимального добавления питательных веществ, что снижает затраты на управление системой.

Плодоносящие культуры

Томаты (Solanum lycopersicum) популярны в аквапонике, хотя требуют больше питательных веществ по сравнению с листовыми овощами. Томаты нуждаются в хорошей аэрации, достаточном количестве фосфора и калия. Системы на основе томатов сохраняют более стабильные параметры качества воды, имеют более низкую электропроводность благодаря эффективному удалению питательных веществ. Товарный урожай томатов в аквапонике может быть сравним с гидропоникой при правильном управлении питательными веществами.

Перцы (Capsicum spp.) процветают в тёплых условиях, требуют сбалансированного снабжения питательными веществами. Огурцы успешно выращиваются в аквапонических системах с грядками на субстрате. Клубника показывает перспективные результаты в хорошо сбалансированных системах.

Требования растений к питательным веществам

Питательные вещества, полученные из рыбьего корма, могут не обеспечивать достаточные уровни всех элементов для оптимального роста растений. Железо, кальций, калий, фосфор часто находятся в дефиците в аквапонической воде по сравнению с гидропонными растворами. Добавление микроэлементов и железа улучшает рост мяты и грибной травы. Добавление макроэлементов (фосфор, калий) значительно ускоряет рост салата, позволяя превзойти показатели гидропоники.

Аквапоническая вода содержит почти в шесть раз больше натрия, чем гидропонный раствор, что приводит к трёхкратно более высокой концентрации натрия в съедобных частях растений. Товарный урожай базилика и салата в базовых аквапонических системах без добавок был снижен на 56% и 67% соответственно по сравнению с гидропоникой. Дополнение аквапонического раствора минеральными элементами до коммерческих гидропонных уровней значительно увеличивает урожайность.

Параметры качества воды

Мониторинг и контроль параметров качества воды критически важны для успешного функционирования аквапонических систем.

Температура

Температура воды влияет на метаболизм рыб, активность бактерий, рост растений. Большинство аквапонических систем функционируют в диапазоне 18-30°C. Теплолюбивые виды (тиляпия, сом) требуют температуры 25-30°C, тогда как холодноводные виды (форель) предпочитают 14-18°C. Нитрифицирующие бактерии наиболее активны при температуре 25-30°C. Температурные колебания следует минимизировать, поскольку резкие изменения создают стресс для рыб.

Водородный показатель (pH)

Значение pH представляет кислотность или щёлочность воды. Аквапонические системы требуют баланса между оптимальным pH для рыб (6,5-8,5), растений (5,5-6,5) и бактерий (7-8). Компромиссный диапазон pH 6,0-7,0 обычно приемлем для всех компонентов системы. Системы с плавающими платформами поддерживали pH в диапазоне 6-8. Регулярный мониторинг pH необходим, поскольку процесс нитрификации производит кислоту, постепенно снижая pH.

Растворённый кислород

Концентрация растворённого кислорода должна поддерживаться на уровне не менее 6 мг/л для оптимального функционирования аквапоники. Кислород необходим рыбам для дыхания, растениям для поглощения питательных веществ, бактериям для нитрификации. Уровень кислорода снижается с повышением температуры, увеличением биомассы рыб, накоплением органических веществ. Системы NFT поддерживали более высокие уровни растворённого кислорода (5,8 ± 0,6 мг/л) по сравнению с системами с субстратом.

Азотистые соединения

Концентрация аммиака должна поддерживаться ниже 1 мг/л, предпочтительно близко к нулю. Уровни нитритов также должны быть минимальными, ниже 1 мг/л. Нитраты являются конечным продуктом нитрификации и основным источником азота для растений. Концентрация нитратов обычно варьируется от 5 до 150 мг/л в зависимости от плотности посадки рыб, эффективности удаления растениями. Регулярное тестирование этих параметров необходимо для раннего обнаружения проблем в системе.

Другие параметры

Электропроводность (ЕС) и общее содержание растворённых твёрдых веществ (TDS) указывают на концентрацию растворённых минералов в воде. Системы на основе томатов и базилика имели более низкую электропроводность благодаря более эффективному удалению питательных веществ. Общая щёлочность и жёсткость воды влияют на буферную ёмкость системы — способность противостоять изменениям pH. Мутность воды указывает на присутствие взвешенных частиц. Системы должны поддерживать мутность ниже 10 NTU.

Преимущества аквапонических систем

Аквапоника предлагает многочисленные преимущества по сравнению с традиционными методами сельского хозяйства и отдельными системами аквакультуры или гидропоники.

Эффективность использования воды

Аквапоника использует до 90% меньше воды по сравнению с традиционным почвенным земледелием. Вода непрерывно рециркулирует в системе, потери происходят только через транспирацию растений и испарение. Это делает аквапонику особенно ценной для регионов с ограниченными водными ресурсами. Замкнутый характер системы предотвращает загрязнение водоёмов сточными водами аквакультуры.

Эффективность использования пространства

Аквапонические системы могут быть установлены вертикально, обеспечивая высокоплотное производство на ограниченной площади. Вертикальное фермерство может использовать в 28 раз меньше земли по сравнению с традиционным сельским хозяйством. Системы подходят для городских территорий, крыш зданий, теплиц, закрытых помещений. Одновременное производство рыбы и растений на одной площади увеличивает общую продуктивность системы.

Устойчивость и экологичность

Аквапоника минимизирует использование синтетических удобрений и пестицидов. Рыбьи отходы служат естественным источником питательных веществ, исключая необходимость минеральных удобрений. Интегрированная природа системы снижает выбросы парниковых газов по сравнению с традиционным производством. Декуплированные аквапонические системы демонстрируют существенное сокращение выбросов парниковых газов благодаря экономии неорганических удобрений.

Продуктивность

Растения в аквапонических системах часто растут быстрее, чем в традиционных почвенных садах, благодаря постоянной доступности питательных веществ и оптимальным условиям роста. Системы позволяют круглогодичное производство в контролируемых условиях. Одновременное производство белка животного происхождения (рыба) и растительной продукции диверсифицирует источники дохода.

Локальное производство продовольствия

Аквапоника обеспечивает локализованное производство свежих продуктов в течение всего года. Это сокращает транспортные расходы, выбросы от перевозок, зависимость от удалённых поставщиков. Городская аквапоника может повысить продовольственную безопасность городского населения. Системы предоставляют доступ к свежим овощам и рыбе в регионах с неблагоприятными климатическими условиями или ограниченными сельскохозяйственными землями.

Вызовы и ограничения

Несмотря на многочисленные преимущества, аквапоника сталкивается с рядом технических, экономических и практических ограничений.

Начальные инвестиции

Установка аквапонической системы требует умеренно высоких начальных капиталовложений. Стоимость включает резервуары, насосы, трубопроводы, системы аэрации, биофильтры, конструкции для выращивания растений. Небольшие домашние системы могут быть относительно доступными, но коммерческие установки требуют значительных финансовых ресурсов. Экономические барьеры, такие как операционные расходы и энергоёмкие компоненты, препятствуют жизнеспособности мелкомасштабной аквапоники.

Энергопотребление

Аквапонические системы требуют постоянного электроснабжения для работы насосов, аэраторов, систем контроля температуры, освещения. Энергозатраты, особенно на искусственное освещение в закрытых системах, представляют существенную часть операционных расходов. Перебои в электроснабжении могут быстро привести к гибели рыб из-за недостатка кислорода. Использование возобновляемых источников энергии может снизить углеродный след и операционные затраты.

Сложность управления

Аквапонические системы требуют понимания химии воды, физиологии рыб, потребностей растений, микробиологии. Балансирование потребностей рыб, растений и бактерий требует постоянного мониторинга и регулирования. Недостаток профессиональных знаний о химии воды и обслуживании системы создаёт трудности для практиков. Выбор подходящих видов рыб и растений, определение оптимальной плотности посадки имеют решающее значение.

Управление заболеваниями

Лечение болезней рыб в аквапонических системах осложнено присутствием растений и полезных бактерий. Многие лекарства, используемые в традиционной аквакультуре, токсичны для растений или нарушают функцию нитрифицирующих бактерий. Профилактика заболеваний через поддержание оптимального качества воды, правильное кормление, карантин новых рыб является предпочтительной стратегией. Растительные заболевания также требуют осторожного обращения из-за потенциального воздействия на рыб.

Доступность питательных веществ

Питательные вещества из рыбьего корма могут не обеспечивать все необходимые элементы в оптимальных количествах для всех растений. Дефицит железа, кальция, калия, фосфора распространён в базовых аквапонических системах. Добавление питательных веществ может быть необходимо для высокопродуктивных плодоносящих культур, но это увеличивает сложность и затраты. Декуплированные системы, где циклы рыб и растений частично разделены, предлагают большую гибкость в управлении питательными веществами.

Коммерческое применение и развитие рынка

Аквапоника постепенно переходит от экспериментальных и домашних систем к коммерческим операциям.

Размер и рост рынка

Мировой рынок аквапоники оценивался в 1250 миллионов долларов США в 2025 году. Прогнозируется рост рынка до 1370 миллионов долларов в 2026 году и до 2910 миллионов долларов к 2034 году. Рост обусловлен повышением осведомлённости о продовольственной безопасности, потребностью в устойчивых методах производства, урбанизацией.

Коммерческие операции

Коммерческие аквапонические фермы развиваются по всему миру, особенно в развитых странах с высокой плотностью населения и ограниченными сельскохозяйственными землями. Системы с плавающими платформами наиболее популярны в коммерческой аквапонике благодаря простоте масштабирования и высокой продуктивности. Вертикальные аквапонические системы интегрируются в городскую инфраструктуру, включая крыши зданий, парковочные структуры, специализированные вертикальные фермы.

Применение в образовании

Аквапоника признана эффективным инструментом обучения, демонстрирующим биологические циклы, экологические взаимосвязи, устойчивое сельское хозяйство. Школьные аквапонические системы служат платформой для интеграции STEM-образования и проблемно-ориентированного обучения. Системы повышают осознание учащимися климатического кризиса и необходимости альтернативных источников питания.

Применение в развивающихся странах

Аквапоника предлагает потенциальное решение для продовольственной безопасности в развивающихся странах. Системы могут производить питательную пищу на небольших площадях с минимальным использованием воды. Сельские общины сталкиваются с проблемами снижения продуктивности сельского хозяйства, отсутствия плодородия почв, ограниченного доступа к современным технологиям. Аквапоника позволяет общинам выращивать продукты питания с использованием минимальных земельных и водных ресурсов. Создание сообществ для обмена знаниями жизненно важно для непрерывного совершенствования мелкомасштабной аквапоники.

Технологическая интеграция

Интеграция технологий интернета вещей (IoT) в аквапонику обеспечивает автоматизацию и мониторинг параметров системы в реальном времени. Датчики отслеживают pH, температуру, уровень воды, мутность, растворённый кислород. Данные визуализируются через мобильные приложения, обеспечивая непрерывный мониторинг, обновление данных каждую секунду, автоматизированные уведомления при превышении пороговых значений. Применение искусственного интеллекта и автоматизации сигнализирует о фазе зрелости, где датчики и автоматизированные системы управления точно регулируют качество воды, освещение, доставку питательных веществ для оптимизации условий роста.

Декуплированные аквапонические системы

Декуплированные аквапонические системы (DAPS) представляют развитие традиционной аквапоники, где компоненты рыбоводства и растениеводства частично разделены. В классических системах вода циркулирует непрерывно между рыбами и растениями. В декуплированных системах циклы могут управляться независимо, что обеспечивает большую гибкость в оптимизации условий для каждого компонента.

Декуплированные системы имеют потенциал стать одними из наиболее эффективных устойчивых производственных систем для комбинированного производства животного белка и растительных культур. Рециркуляционные системы аквакультуры для производства рыбы объединяются с гидропоникой для выращивания растений без почвы, переработка растворённых питательных веществ, полученных из метаболизма рыб. Производство салата с использованием обычного питательного раствора в гидропонике сравнивалось с декуплированной аквапоникой, использующей богатую питательными веществами рыбью воду.

Урожайность и качество салата были сравнимы между системами, но декуплированная аквапоника демонстрировала существенное сокращение выбросов парниковых газов благодаря экономии неорганических удобрений. Системы позволяют независимо регулировать pH, температуру, концентрацию питательных веществ для рыб и растений. Выход аквакультурной воды зависит от скорости эвапотранспирации в гидропоническом компоненте.

Особенности сезонной динамики

Сезонные факторы, такие как температура, интенсивность ультрафиолетового излучения, продолжительность светового дня, могут вызывать изменения в свойствах качества воды и питательном составе растений. Сезонные сдвиги влияют на эффективность системы, физиологию культур, поглощение питательных веществ, операционные затраты даже в контролируемых условиях.

Листовые овощи и травы тёплого сезона, такие как базилик, амарант, мята, более устойчивы в летний период. Культуры, такие как салат, капуста, петрушка, процветают зимой или в активно охлаждаемых условиях. Декоративные культуры, такие как бархатцы, настурция, лилии, демонстрируют чёткие сезонные окна производительности на основе температуры и фотопериодизма.

Концентрации влаги, золы, клетчатки, углеводов, белка в красном перце чили, красных томатах, зелёном шпинате, зелёном салате из аквапонического хозяйства показали значительные различия между сезонами. Уровни антиоксидантной активности, общего содержания фенолов, флавоноидов также варьировались в зависимости от сезона. Отсутствие стандартизированных календарей выращивания, адаптированных к агроклиматическим зонам, затрудняет оптимизацию сезонного производства.

Микробиом аквапонических систем

Бактериальные и грибковые сообщества в аквапонических системах выходят за рамки нитрифицирующих бактерий. Микробиом включает разнообразные группы организмов, колонизирующих биофильтры, корни растений, питательный раствор. Экологическое исследование бактериального микробиома аквапоники в течение цикла роста салата показало стабильность преобладающих таксонов (Luteolibacter, Flavobacterium, Nitrospira) в биофильтре.

Результаты предоставляют доказательства сходства между сообществами корней салата, выращенного в аквапонике и в почве (Gammaproteobacteria, Flavobacterium, Pseudomonadaceae, Sphingomonadaceae). Это демонстрирует, что аквапоника может быть подобна почвенному производству с точки зрения микробной жизни. Состав бактериального и грибкового сообщества различается в разных местах обитания: листья, корни, субстрат, питательный раствор.

Факторы, такие как тип системы, возраст растений, параметры питательного раствора (pH, электропроводность, температура), условия окружающей среды (влажность), значительно влияют на изменение микробного сообщества. Практика постоянного переноса микробных сообществ из существующих систем может способствовать или препятствовать продуктивности аквапоники. Рост салата значительно снижался в системах, инокулированных бактериями из существующих аквапонических систем, по сравнению с коммерчески полученными бактериями в условиях ограничения азота.

Интегрированные мультитрофические системы

Интегрированные мультитрофические аквапонические системы (IMTA-aquaponics) представляют дальнейшее развитие концепции. Эти системы включают несколько трофических уровней, где отходы одного биологического компонента служат источником питательных веществ для другого. Системы IMTA могут включать рыб, моллюсков, водоросли, растения.

Исследование использовало систему на солнечной энергии для двух отдельных систем IMTA-аквапоники с техникой питательного слоя (NFT) и плавающими платформами (FRS). Использование FRS и NFT в качестве гидропонических систем увеличило диетическую эффективность азота и фосфора до 83,51% N и 96,82% P соответственно. Система IMTA-аквапоники как биоинтегрированная система производства продовольствия может преобразовывать большую часть остатков рыбьего корма в ценные продукты, пригодные для пустынных, сельских и городских районов в бедных и развивающихся странах.

Предварительное исследование влияния интеграции мидий на качественные изменения воды в аквапонической системе показало, что пресноводная мидия Unio crassus может выступать в роли биологического фильтра для удаления органических отходов и очистки воды. Системы с грядками на субстрате достигли значительно более низких концентраций взвешенных твёрдых веществ (14,2 ± 2,1 мг/л), тогда как системы NFT поддерживали более высокие уровни растворённого кислорода (5,8 ± 0,6 мг/л) и поддерживали больший рост растений.