سیستم آکواپونیک-همزیستی گیاهان و آبزیان

 برخی از مزایای سیستم های آکواپونیک (APS) عبارتند از بازیابی مواد مغذی، به حداقل رساندن مصرف آب و افزایش سودآوری با تولید همزمان دو محصول می باشند. ناامنی در سیستم تغذیه، افزایش غیرقابل کنترل قیمت مواد غذایی، کمبود آب و فقر، به ویژه در کشورهای در حال توسعه، همراه با نگرانی از الگوی آب و هوا، منجر به چالش جهانی مهمی شد.

نیتروژن آمونیاکی به دو صورت نیترات و نیتریت در سیستم اکواپونیک:

نیتروژن یک عنصر ضروری برای همه موجودات زنده است زیرا جزء اصلی اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA)، اسید ریبونوکلئیک (RNA) اسیدهای آمینه، پروتئین و سایر اجزای سلولی است. منبع اصلی نیتروژن ورودی در تغذیه ماهیان سیستم آکواپونیک است که توسط ماهی به صورت نیتروژن آمونیاکی (90%) دفع می شود، بنابراین نیتروژن آمونیاکی دفع شده توسط ماهی منبع نیتروژن برای رشد گیاه را فراهم می کند.

هنگامی که پساب پرورش آبزیان به اجزای سیستم هیدروپونیک جریان می یابد، مواد مغذی با نیتریفیکاسیون بیولوژیکی و نیترات زدایی توسط گیاهان به شکل نیترات (NO3) و آمونیوم (NH4) جذب گیاهان می شوند.

مکانیزم تبدیل نیتروژن در سیستم‌های آکواپونیک چگونه است؟

اگرچه طیف گسترده‌ای از طرح‌های سیستم آکواپونیک، گونه‌های گیاهی و آبزی در دهه‌های گذشته مورد بررسی قرار گرفته‌اند، نتایجی با توجه به مکانیسم‌های مربوط به تبدیل نیتروژن در سیستم‌های آکواپونیک هنوز وجود ندارد. به منظور ارتقا و توسعه سیستم های آکواپونیک و به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی مرتبط با کاربرد گسترده آن، به بررسی و مطالعات بسیاری احتیاج است.

شناسایی مکانیسم های کلیدی تبدیل نیتروژن در سیستم های آکواپونیک بدون خاک:

مسیرهای تبدیل نیتروژن برای بهبود بازده استفاده از نیتروژن (NUE) در سیستم‌های آکواپونیک با ارزیابی فرآیندهای تبدیل زیستی و کاهش احتمالی نیتروژن قابل توجه و بررسی قرار گرفته است.

انواع سیستم های آکواپونیک

ماهی ها، گیاهان و باکتری ها در سیستم های آکواپونیک به سطوح کافی از اکسیژن محلول (DO) برای حداکثر سلامتی و رشد نیاز دارند. سطوح DO 5 میلی گرم در لیتر یا بالاتر باید در مخزن پرورش ماهی و در آب اطراف ریشه گیاهان حفظ شود. همچنین حفظ جمعیت های سالم از باکتری های نیتریت کننده که سطوح سمی آمونیاک و نیتریت را به یون های نیترات نسبتا غیر سمی تبدیل می کنند، ضروری است. آمونیاک توسط ماهی ها عمدتاً از طریق آبشش ترشح می شود.

اجزای سیستم آکواپونیک:

یک سیستم آکواپونیک معمولی از یک مخزن ماهی، یک بیوفیلتر (برای نیتریفیکاسیون: چرخه نیتروژن برای تبدیل امونیوم به نیترات توسط باکتری نیتروزوموناس و تبدیل به نیتریت توسط نیتروباکتر) و یک بستر کشت (هیدروپونیک) تشکیل شده است. سه نوع از متداول‌ترین سیستم‌های آکواپونیک (شکل 1) وجود دارد که بر اساس انواع بستر کشت طبقه‌بندی می‌شوند (یعنی تکنیک تغذیه (NFT)، کشت درون محلول (کشت آبی) و نوع بستر کشت). NFT اکسیژن بالایی به ریشه گیاه می دهد که باعث تسهیل عملکرد بالای نشا می شود. با این حال در NFT به دلیل کوچک بودن بستر رشد توانایی توسعه ریشه بیش از حد ندارد.

سیستم کشت NFT در آکواپونیک:

به دلیل انسداد احتمالی، جریان چرخشی نمی تواند مقدار زیادی از ریشه ها را پشتیبانی کند. بنابراین، حذف کارآمد مواد جامد برای NFT برای جلوگیری از گرفتگی در کانال بستر رشد واجب است. حالت شناور داشتن نشا معمولاً در سیستم آکواپونیک مورد استفاده قرار می گیرد زیرا به ریشه های گیاه اجازه می دهد تا مواد مغذی موجود در آب را آزادانه و بدون مسدود شدن آب جذب کنند. کانال آب سیستم‌های آکواپونیک به یک بیوفیلتر برای نیتریفیکاسیون و یک مخزن برای حذف مواد جامد نیاز دارند.

در بستر رشد برای نیتریفیکاسیون از فیلتر برای پر کردن و تخلیه آب به منظور تامین اکسیژن از طریق تماس مستقیم بین ریشه های گیاه و هوا استفاده می شود، با این حال، گرفتگی و سطح ناکافی اکسیژن در بستر رشد معمولاً در طول عملیات طولانی مدت سیستم های آکواپونیک مشاهده می شود.

مسیر بیوشیمیایی در سیستم آکواپونیک چگونه است؟

سیستم‌های آکواپونیک عموماً با استفاده از آب شیرین کار می‌کنند، زیرا رشد نشا و ریشه‌ها تحت فشار اسمزی قرار می‌گیرد و با شوری بالا مهار می‌شود. مسیرهای دفع آمونیاک در ماهیان آب شیرین با مسیرهای دفع آمونیاک در ماهیان دریایی به دلیل مکانیسم‌های مختلف تنظیم اسمزی متفاوت است. ماهی در آب شیرین، نیتروژن آمونیاکی را از طریق ادرار از طریق فرآیند ترانس آمیناسیون و دآمیناسیون پروتئین خوراک در کبد آزاد می کند. اسیدهای آمینه L اضافی مشتق شده از پروتئین ابتدا با واکنش کاتالیزوری با آلفا کتوگلوتارات به گلوتامات تبدیل می شوند. آنزیم گلوتامات دهیدروژناز سپس گلوتامات را به NH4 دآمینه می کند. این مسیر بیوشیمیایی آنزیم آلفا کتوگلوتارات را به عنوان محصولی که در همان چرخه استفاده مجدد می شود، بازسازی می کند. مجموع NH4 و NH3 به عنوان کل نیتروژن آمونیاکی (TAN) شناخته می شود و یک سیستم آکواپونیک و چرخه نیتروژن را در اجزای مختلف چرخه نشان می دهد.

عناصر غذایی مورد نیاز در سیستم آکواپونیک:

به طور طبیعی گیاهان به 17 عنصر تغذیه ضروری برای تکمیل چرخه زندگی خود نیاز دارند. کبالت فقط در محلول غذایی موراشیگ- اسکوگ ذکر شده است. از این عناصر غذایی اکسیژن (O)، هیدروژن (H) و کربن (C) معمولاً با عنوان عناصر غیر معدنی طبقه بندی می شوند. نیتروژن (N)، فسفر (p) و پتاسیم (K) به عنوان درشت مغذی های اولیه و کلسیم (Ca)، گوگرد (S) و منیزیم (Mg) به عنوان مواد ثانویه در نظر گرفته می شوند. بور (B)، کلر (Cl)، منگنز (Mn)، آهن (Fe)، روی (Zn)، مس (cu)، مولیبدن (Mo) و نیکل (Ni) به عنوان ریز مغذی‌ها یا مواد معدنی کمیاب طبقه‌بندی می‌شوند. همه گیاهان، به استثنای گیاهان انگلی و گوشتخوار، عناصر غذایی ضروری را از هوا یا محلول خاک جذب می کنند.

لازم به ذکر است که برخلاف گیاهان، تغذیه ماهی ها بسیار متفاوت است. ترکیب غذای ماهی بستگی به ماهیت ماهی (گوشتخوار، همه چیزخوار یا گیاهخوار) دارد. معمولا، خوراک ماهی حاوی یک منبع انرژی (کربوهیدرات و یا لیپیدها)، اسیدهای آمینه ضروری، ویتامین ها و سایر مواد ارگانیک سنتز کند.

آیا افزودن مواد مغذی به سیستم های آکواپونیک ضروری و موثر است؟

با توجه به تجربه در داده های منتشرشده ضرورت افزودن عناصر غذایی بستگی به مرحله رشد گیاه مورد نظر دارد. به شرط اینکه سیستم دارای ماهی کافی باشد، نیازی به افزودن مواد مغذی برای گیاهان با چرخه کشت کوتاه نیست. در مقابل، به عنوان مثال، کاهو و گوجه فرنگی که جزو محصولات میوه ده هستند به مواد مغذی مکمل احتیاج دارند. یکی دیگر از مزایای احتمالی تأمین سیستم آکواپونیک با مواد مغذی آلی به جای مواد معدنی می تواند تأثیر مثبت بر جمعیت میکروبی باشد.

تنظیم PH در محلول رشدی آکواپونیک:

گیاهان برای رشد حداقل به 13 ماده مغذی نیاز دارند و خوراک ماهی 10 ماده مغذی را در مقادیر کافی تامین می کند. با این حال، سطح کلسیم، پتاسیم و آهن در سیستم های آکواپونیک به طور کلی برای رشد خوب گیاه بسیار کم است و باید مکمل شود. در سیستم UVI (گندزدایی آب با اشعه ماورا بنفش)، کلسیم و پتاسیم با افزودن ترکیبات اساسی (هیدروکسید کلسیم و هیدروکسید پتاسیم) برای تنظیم pH تکمیل می‌شوند. آهن به عنوان یک ترکیب کلات اضافه می شود، ترکیبی که در آن آهن به یک ساختار آلی متصل است که از رسوب آن به خارج از محلول جلوگیری می کند.

اثر حذف مواد زائد در بستر رشد آکواپونیک:

تقریباً 25 درصد از خوراکی که به ماهی داده می شود، بر اساس وزن خشک به صورت مواد زائد جامد دفع می شود. با این حال، وزن مرطوب زباله جامد به طور قابل توجهی بیشتر است. توصیه می شود این ضایعات جامد را قبل از ورود به جزء هیدروپونیک از طریق فیلتر کردن یا ته نشینی از جریان خارج می شوند. در صورتی که این مواد جامد حذف نشوند، به ریشه گیاه می‌چسبند و پوسیدگی، سطح اکسیژن را کاهش داده و بر جذب آب و مواد مغذی تأثیر می گذارد (مواد جامد اضافی نیز اثر نامطلوبی بر نیتریف کننده باکتری ها خواهد داشت).

—

—

نتیجه گیری

آکواپونیک مجموعه ای از پرورش آبزیان و گیاهان در آب (تلفیق سیستم پرورش آبزیان و سیستم کشت هیدروپونیک) است. در واقع در سیستم اکواپونیک پساب و مواد زاید به عنوان کود الی در اختیار گیاهان قرار می گیرد و پس از تصفیه آب توسط گیاهان به استخر حاوی آبزیان جریان می یابند.

آب حاوی مقادیر قابل توجهی مواد آلی محلول است که باعث رشد باکتری ها و سایر موجودات می شود. رشد باکتری ها نیز در طول نیتریفیکاسیون ایجاد می شود. باکتری‌های زنده و مرده انباشته شده نیز می‌توانند محیط‌های تجمعی را مسدود کنند. در صورت استفاده از محیط کشت، به طور کلی میزان ذخیره ماهی و خوراک آلی آنها باید کاهش یابد. سنگدانه هایی مانند شن نخودی، شن و ماسه و پرلیت محیط های عالی برای رشد گیاهان در سیستم های هیدروپونیک هستند. با این حال، مواد آلی جامد تولید شده در سیستم های آکواپونیک می تواند بستر های کشت را مسدود کند و جریان آب را کانالیزه کند. در این مقاله به توضیح مختصری از آکواپونیک پرداختیم.

نویسنده:

خانم مهندس فائقه اصانلو – مدیریت گروه صنعتی تیداپارس

09904823436

09103218554

www.TIDAPARS.com