Аквапоника – способ ведения сельского хозяйства, цель которого – симбиотическое выращивание растений и рыб. Рыбы поедают растения и выделяют отходы, которые затем перерабатываются бактериями, после чего переработанные продукты оседают в грунте и питают растения. Аквапоника подходит для регионов, испытывающих нехватку плодородной почвы и воды, поскольку таким способом можно добиться шестикратного увеличения урожая овощных культур по сравнению с традиционной аквакультурой (Resh 2004), при этом затраты водных ресурсов составляют не более 1% от количества, употребляемого при выращивании традиционными методами (Rakocy 1989).

Введение

Первое описание установки для аквапоники было опубликовано в 1975 году. Вода с отходами жизнедеятельности рыб направлялась в лотки с растениями. Принцип работы системы заключался в том, чтобы питательные элементы, содержащиеся в сточной воде, играли роль удобрения. Отработанная вода подвергалась очистке и выпускалась в окружающую среду. В течение месяца у растений обнаружились признаки недостатка питательных веществ. Это происходило по нескольким причинам. Выяснилось, что в 1970-х годах концентрация азота в азотных удобрениях была в 150 раз ниже, чем в современных препаратах. Примерно в то же время, доктор наук Джон Тодд и Нэнси Джек Тодд провели похожее исследование в институте New Alchemy Institute и разработали систему очистки сточных вод под названием “живая машина”.

В 1978 г., группа исследователей во главе с Льюисом сосредоточились на решении проблемы недостатка азота. Они работали с первой системой аквапоники плотного зарыбления. Хотя идея была правильная, концентрация азота оставалась низкой (6-10 мг/л), поэтому для поддержания роста томатов приходилось использовать дополнительное удобрение. Согласно общепринятому правилу, содержание нитратов в системе должно составлять около 46 мг/л. Низкое содержание нитратов при плотном зарыблении приводило к выраженному азотному голоданию растений, при этом значительная часть азота испарялась в окружающую среду.

В 1986 году, Цвейг разработал простую и эффективную аквапонную установку, определив, с одной стороны, соотношение между количеством потребляемого рыбой корма и биомассы рыбы, а с другой — объём азота, потребляемого растительностью. Недостаток железа устранялся путём замены 20% корма для рыб кормом для кроликов. Хотя этот шаг и стал важной вехой в развитии технологии аквапоники, его роль осталась незамеченной.

В 1985 году, учёные Университета Виргинских островов во главе с Нэйром (назовём ее «системой УВО»), разработали рециркуляционную аквапонную систему. Как и система Льюиса (1978), она имела довольно сложную структуру, и работа с ней требовала немалых вложений: выращивание 1 кг тиляпии обходилось в 3,18$ (по ценам 1985 г.). Несмотря на то, что объём азота, производимого рыбой, в десять раз превышал объём, необходимый для нормального роста томатов, они по-прежнему росли плохо. К сожалению, в то время мало что было известно о способах предотвращения денитрификации. В системе происходило накопление солей, которые препятствовали росту некоторых растений (Jones 2005). Средний уровень содержания железа составлял 0,1 мг/л при минимально допустимом уровне 1-2 мг/л (Jones 2005). Учёные Государственного Университета Северной Каролины – Марк Макмёртри, Дуглас Нельсон и Пол Нельсон, разработали собственную систему аквапоники. Они высаживали растения в гравиевый наполнитель, который играл роль внутреннего биофильтра.

В 1993 году Ракоши и Харгривс, изучив доступные научные данные по аквапонике, пришли к выводу, что для выработки критериев построения системы необходимо проанализировать объёмы потребляемых растениями питательных веществ и отследить их круговорот в системе. Группа исследователей во главе с Ракоши (1993 г.) попыталась отследить движение питательных элементов в системах, созданных в Университете Виргинских Островов (усл. назв УВО), и сравнить показатели, полученные при хорошем или плохом росте культуры растений. К сожалению, все системы дали разные результаты, и каких-либо общих тенденций выявить не удалось.

В дальнейшем было проведено исследование с целью определения оптимального соотношения между количеством рыб и площадью, занимаемой растениями. Сегодня можно предположить, что количество питательных веществ, произведённых рыбой, превышало показатели, необходимые для нормального роста растений во всех экспериментах. Все выращенные головки салата имели одинаковую массу, независимо от количества рыб в системе. Овощи, выросшие на аквапонике, имели меньший размер, чем овощи, выращенные на гидропонике (172-248 г, Kratky 2005), что свидетельствует о недостатке питательных веществ. После усовершенствования удалось вырастить головки несколько большей массы (181-344 г, Rakocy et. al. 1997). Через несколько лет система УВО доказала свою эффективность и долговечность (Rakocy et. al. 2004). К тому времени она состояла из четырёх бассейнов с рыбой, шести лотков для растений, очистной емкости, емкостей с фильтрами-экранами, ёмкости для очистки воды от газов, сборника сточных вод, ёмкости с грунтом, водяного насоса, двух компрессоров и более 200 аэраторов. Управлять такой системой могли только квалифицированные специалисты. Ракоши был первым, кому удалось разработать многофункциональную систему, поэтому его называют «крёстным отцом» аквапоники.

Как правило, овощи выращивались в воде на плавающих пластмассовых поддонах (Rakocy 1989). Вода тщательно аэрировалась, чтобы корни растений питались кислородом, к тому же требовалось поддерживать необходимый азотный баланс. Kratky (2005) использовал систему, в которой корни растений не погружались в воду, а обдавались насыщенным влагой воздухом. Такой метод назывался «питательная плёнка». Леннард и Леонард (2006) протестировали системы трёх типов, некоторые из которых нашли применение в дальнейшем. Были проверены следующие способы: заливка гравиевого грунта водой, техника «питательной плёнки», при которой корни не погружались в воду, а обдавались влажным воздухом, и только кончики корней слегка касались поверхности воды; а также системы с плавающими поддонами. Системы, в которых использовался залитый водой гравий, оказались наиболее эффективными. Ако протестировал следующие способы: капельно-гравийное орошение, систему «прилив-отлив», позволявшую заливать и обнажать  поверхность гравиевого слоя, выращивание растений на плавающих поддонах с отверстиями, а также обычные поддоны. Первые два метода он оценил как лучшие, при этом первый, по его мнению, оказался наименее затратным.

С тех пор как Ракоши усовершенствовал эту технологию, прошло уже более 20 лет, однако на данный момент нет ни одного примера успешного использования аквапонных систем на основе его метода. Данная статья была написана и опубликована с целью исправить это положение. Однако, справедливости ради стоит отметить, что с экономической точки зрения аквапоника довольно трудноосуществима, так как ввиду низких цен на овощи, сравнительно небольшой отдачи, высоких капиталовложений и эксплуатационных расходов, заниматься ей не слишком выгодно (Tokunaga et. al.). Поскольку овощи, выращенные в некоторых регионах Океании, транспортируются в основном по воздуху, они имеют очень высокую себестоимость. Преимущество аквапоники заключается в том, что она даёт уникальные по вкусовым качествам продукты, так как они выращиваются исключительно на органических материалах без использования пестицидов. Исходя из вышесказанного, задача исследователей – представить систему, которая не требовала бы больших капитальных вложений, и в основе работы и управления которой лежали бы сугубо биологические и химические факторы. Работа аквапоники должна определяться устойчивым круговоротом химических веществ, и на случай возникновения химического дисбаланса под рукой необходимо постоянно иметь средства его предотвращения.

Конструкция

Современные системы аквапоники смоделированы на основе очень дешёвых систем Kratky (2005). Он использовал простые деревянные ящики. В роли лотков для овощей (Рис. 1) выступают неглубокие деревянные ящики, дно которых изготовлено из фанеры (толщиной 1,9 см, длиной 121,92 см  и шириной 243,84 см), крепящейся на двух боковых планках (5,8×10,16х253,84 см), а также передней и задней планках (5,8×10,16х121,92см). Изготовить такой лоток можно очень быстро и без значительных финансовых затрат (около $84). В каждом лотке можно вырастить по 48 головок салата. Некоторые овощи, например китайская капуста (пак-чой или Brassica juncea), уже через 5 недель весят более 2 кг.

Отметьте места отверстий для шурупов по периметру днища на расстоянии примерно 41 см друг от друга. Используйте шурупы из нержавеющей стали 5,1 см/0,44 см или 5,1 см/0,52 см (Рис. 2). На фото (Рис. 3) – днище лотка для овощей и стенки готовые к стяжке. Собирать ящики рекомендуется в перевёрнутом положении.

Застелите дно и внутренние стенки ящика полиэтиленовой плёнкой и закрепите её (Рис. 4).

Как правило, лотки крепятся друг к другу таким образом, что их днища находились на одном уровне. На рис. 5 показаны соединённые между собой лотки для овощей. Как правило, канал состоит из 8 лотков, исходя из того, что стандартная длина рулона полиэтиленовой плёнки составляет 30,48 м. Очень важно, чтобы днище лотков занимали строго горизонтальное положение, иначе вода от рыб будет стекаться в лужи. Лотки устанавливаются на силикатных блоках с двумя отверстиями (Рис. 5).

На фото изображена первая аквапонная ферма, в которой используется система Ако и Бэйкера (2009 г.). Лотки эксплуатируются уже около 5 лет и до сих пор находятся в отличном состоянии, поскольку конструкция исключает контакт ящиков с водой.

Крышки лотков

Растения помещаются в небольшие сетчатые горшочки, устанавливаемые на пенопластовых поддонах, как показано на рис. 6. Лотки наполняются водой до тех пор, пока поверхность воды не коснётся низа сетчатых горшочков, таким образом, чтобы корни были в воде и могли получать питательные вещества. Между поддоном и поверхностью воды остаётся зазор шириной около 5 см, что способствует хорошему проветриванию грунта.

Недавно исследователи обнаружили, что выращивание растений на вулканическом пепле, находящемся под слоем воды толщиной в 1,5 см, даёт устойчивый и очень хороший урожай. Эту конструкцию назвали системой капельно-гравийного орошения (используются капельные фильтры). Система «прилив-отлив», в которой задействованы колокольные сифоны, также эффективна, но авторы работы предпочли использовать капельные системы, поскольку они создают хорошие условия для червей, которые перерабатывают отходы жизнедеятельности рыб. На снимке ниже (Рис. 7) показана система «прилив-отлив».

Вода перекачивается из бассейна с рыбой и питает растения, после чего, по специальному стояку с перемычкой, возвращается в резервуар с рыбой.

В процессе развития проекта появилась идея установить поддоны для рассады. Они похожи на пенопластовые поддоны, только имеют гораздо больше отверстий и вмещают 98 небольших ростков (до тех пор, пока позволяет размер растений). Поддоны для рассады ставятся на стенки лотков, и, чтобы не допустить провисания поддонов, в каждый лоток можно поместить по три 10-сантиметровых пластиковых цветочных горшка. Большинство аквапонистов используют ящики для семенной рассады, состоящие из нескольких изолированных ячеек, наполняемых грунтом. Грунт служит источником органического материала в системе. В течение примерно трёх недель в ящиках для семенной рассады необходимо поддерживать высокую влажность, после чего культуру можно высаживать в большие лотки. Большинство растений дают урожай, который можно реализовывать уже через три недели после высадки в лотки.

Значительная часть фермеров предпочитают автоматизировать посадку семян, поскольку закладка семян в ячейки вручную – очень нудный и долгий процесс. Аквапоника – крайне трудоёмкий вид деятельности, поэтому без автоматизации здесь не обойтись.

При выращивании салатов в тропических регионах, например на Гавайях или островах Океании, необходимо обеспечить частичное затенение (Wolff and Coltman 1990).  Во время исследований в Гавайском Университете Маноа салат демонстрировал рост при 50% затенении. На рис. 5 показаны системы с затенением.

Изначально аквапонный метод был применён при выращивании краснолистного салата. Обнаружилось, что он хорошо приживается. То же можно сказать и о других видах салата, например Manoa или рыхлокачанном «ромейне», капусте пак-чой и бок-чой (Brassica juncea), а также базилике. Другие фермеры помимо салатов выращивают свёклу, огурцы, помидоры, бруснику, клубнику и водяной кресс.

Одной из наиболее распространённых проблем, с которыми сталкиваются специалисты, использующие системы с плавающими поддонами, являются комары, поскольку вода нередко застаивается в лотках. Популяцию комаров можно контролировать, если держать в каждом лотке по три самца гуппи,  так как они питаются личинками комаров. Не следует держать в лотках разнополые особи, поскольку они начинают размножаться и поедают корни растений.

Оптимальные соотношения системы

Авторы работы рекомендуют схему циркуляции питательных веществ, в которой сбалансировано количество потребляемого корма (гранулы Silver Cup в объёме 42 гр в день с 42% содержанием белка) и количество поступающих в систему метаболитов. Эти метаболиты необходимо восстанавливать и очищать при посредничестве гравийного ложа или 16-литрового глубинного биофильтра при объёме емкости с рыбой 321 л (Рис. 8).  Фильтр представляет собой сетчатый цилиндр размером 25х32см, изготовленный из экструдированного пластика и наполненный фрагментами из ПВХ. Для аэрации можно использовать насос мощностью 25 Ватт и три распылителя воздуха (15,24 см). Объём воды в емкости должен составлять около 200 л. Первоначальная плотность посадки — 2,5 кг. Для предотвращения разрастания микроводорослей рекомендуется затенять емкости с рыбой.

Начинать кормление необходимо с небольших порций, постепенно увеличивая количество, чтобы через две недели ежедневная порция составляла 6,5 столовых ложек (42 г) корма ежедневно. Это лишь приблизительный объём, так как рыба сама определяет приемлемое для себя количество пищи. Постепенное увеличение порций способствует размножению бактерий, которые заносятся в систему из окружающей среды и участвуют в процессе очищения воды от вредных примесей.

Кормление следует проводить два раза в день: утром, когда вода только начинает прогреваться, и вечером. Определять требуемое количество корма лучше всего, поместив в ёмкость рекомендуемую порцию, затем выждать 10 минут и посчитать количество оставшегося корма. Если через 10 минут от порции останется 5-10% корма, можно сохранить текущую дозу. Если остаётся более 10% корма от первоначальной дозы, порцию необходимо уменьшить. Если остаток менее 5%, увеличьте порцию. Каждую неделю необходимо добавлять в лотки удобрение — хелатное железо.

Два раза в неделю необходимо проверять качество воды. Эта процедура позволяет отслеживать содержание ядовитых веществ, таких как аммиак и нитриты, и следить за тем, чтобы их уровень снижался по мере роста микрофлоры биофильтра. Авторы работы используют измеритель кислорода YSI 55. Несмотря на дороговизну, этот прибор необходим для аквапоники. Для полноценного питания рыбы необходимо поддерживать уровень растворенного кислорода в бассейне с ней не ниже 5 мг/л и не ниже 2 мг/л в других ёмкостях, чтобы не допустить денитрификации.  Исследователи используют портативные pH-метры для измерения концентрации ионов водорода (Pinpoint, American Marine Inc, Ridgefield, CT, USA) и стараются поддерживать уровень не ниже 6.0. Если рН падает ниже допустимого уровня, для восстановления оптимального уровня в воду вносится карбонат калия в соотношении 1 чайная ложка на 80 чайных ложек корма. Снижение рН приводит к ухудшению или исчезновению аппетита у рыб. Уровень аммиака и нитритов можно измерить с помощью недорогих систем Tetra или API, хотя Hach и LaMotte являются более точными и соответствуют золотым стандартам качества. Преобразование общего аммиака в деионизированый аммиак выражается с помощью уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

pH = pKa + log (деионизированный аммиак/общий аммиак)

Уровень рН измеряется прибором, при этом уровень pKa для аммиака составляет 9,25. Уровень общего аммиака (или общего аммиачного азота) измеряется с помощью приборов. После подсчёта уровня неионизированного аммиака следует учитывать, что концентрация 1,46 мг/л смертельна для тиляпии (Evans et. al. 2006). Чтобы подсчитать уровень нитритного азота, нужно умножить текущий показатель уровня нитритов на 0,31. Концентрация нитритного азота 16 мг/л смертельна для тиляпии (Lewis et. al, 1986). Её можно измерить с помощью приборов Salifert, хотя приборы Lamotte имеют большую точность, но менее надёжны. Показатель в 47 мг/л является оптимальным, однако промывка системы приводит к его снижению. Авторы работы провели успешное испытание системы для аквапоники при концентрации нитратного азота 15 мг/л. Популяция восстанавливающей микрофлоры и оптимальная концентрация питательных веществ стабилизируются примерно через месяц. Содержание токсинов должно быть минимальным.

1. Растения находятся на солнце? Растениям требуется освещение 30000 люкс. Авторы работы использовали фотометр.
2. Затемнен ли бассейн с рыбой? Если бассейн не затемнен, начнут расти водоросли
3. Рыба питается до насыщения? Проверка поедания корма за 10 минут позволит определить насыщение рыб. Если корма мало, уровень нитрата для растений будет низким.
4. Какой уровень нитрата? Если концентрация низкая <15мг/л, будет наблюдаться незначительная денитрификация. В этих условиях авторы используют DO-метр для определения точек понижения концентрации растворенного кислорода.
5. Капельно-гравийное орошение наиболее эффективно.
——
Harry Ako, Ph.D. How to Build and Operate a Simple Small — to — Large Scale Aquaponics System. College of Tropical Agriculture and Human Resources (CTAHR) University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaii. CTSAю
www.ctsa.org/files/publications/CTSA_aquaponicsHowTo.pdf