アクアポニックス、その仕組みとは？

アクアポニックスは、魚の養殖と土を使わない栽培を同じ閉鎖循環式の水系で両立させる技術です。魚の排せつ物はバクテリアに変換され、植物の肥料になります。植物は水を浄化し、その水が養殖槽に戻ります。原理は数行で言い表せますが、日々の運営には確かな専門性が要ります。

ここでは、窒素循環から水の流れまでこの仕組みを追い、それが私たちがMoselleに建設中のような商業農場で実際にどう形になるのかを見ていきます。

一つの閉鎖循環で営む三つの生産

アクアポニックス農場は実際には、一つの閉鎖循環式のなかで三つの生産を同時に営んでいます。魚、バクテリア、植物です。どれか一つを外せば均衡は崩れます。

魚は餌を与えられ、排せつ物と呼吸によって水にアンモニアを供給します。生物ろ過槽の担体に定着した硝化バクテリアが、このアンモニアを硝酸塩に変えます。植物は肥料とまったく同じようにこの硝酸塩を吸収し、水を再びきれいにします。この循環はまさに好循環を形づくります。

慣行農業が合成肥料として購入するものを、私たちは魚に与える餌とその排せつ物によって自分たちの養殖槽で生み出しています。

窒素循環、システムの原動力

アクアポニックスのシステムは窒素循環に支えられています。魚が排出するアンモニアは、ごく低い濃度でも魚に有毒です。えらの膜を通過する非イオン態では、ニジマスに用いられる安全基準は1リットルあたり100分の1ミリグラムの単位になります。運営者に許される誤差はきわめて小さいということです。

バクテリアによる二つの段階が続きます。第一段階はこのアンモニアを亜硝酸塩に変えますが、これも有毒です。第二段階は亜硝酸塩を硝酸塩に変えます。硝酸塩は植物が最もよく吸収できる窒素の形で、魚もはるかに高い濃度まで耐えられます。植物がこの硝酸塩を消費することで水は浄化され、循環が閉じます。

養殖槽では望ましくない硝酸塩は、まさに植物が最もよく吸収できる窒素の形です。一方の廃棄物が、もう一方の資源になります。

遺伝子解析が変えたこと

教科書は長らく、この二段階を二つの特定の細菌属、NitrosomonasとNitrobacterに帰してきました。ここ10年ほど、実際の養殖用生物ろ過槽で行われた分子解析は、もっと複雑な姿を描き出しています。亜硝酸の酸化ではNitrospira属が多くの場合に優勢で、Nitrobacterはまったく見つからないこともあります。2017年に発表されたマス養殖の生物ろ過槽の研究では、その配列は一つも検出されませんでした。

同じ研究は、アンモニアを酸化する古細菌や、二つの変換を単独で担えるcomammoxと呼ばれる細菌の存在も明らかにしました。この微生物群の構成は、水温、pH、窒素負荷、塩分によって施設ごとに異なります。

運営者にとって、実務上の結論は変わりません。大切なのはこれらの微生物に名前をつけることではなく、定着できる担体と、酸素を含んだ水、そして十分なアルカリ度を用意することです。

水の流れを順に追う

商業施設では、水は決まった経路をたどり、それ自体で閉じます。水は懸濁物を含んだまま養殖槽を出て、次に物理ろ過、多くはドラムフィルターを通ります。ここで固形物を捕らえ、それが分解して循環系の酸素を消費するのを防ぎます。

その後、水は生物ろ過槽に入り、先ほど述べた窒素の変換が行われます。次に栽培区画へ送られ、葉物野菜には浮体ベッド、品目によっては栽培樋が使われます。根によって浄化された水は、水温、溶存酸素、pHを確認したうえで養殖槽に戻ります。

補う必要があるのは蒸発と植物の蒸散による損失だけで、1日あたり全水量の1〜3%ほどです。閉鎖循環式は水の約95%を再利用します。灌漑された露地栽培では、その水はほぼすべて失われます。この節水は、灌漑が制約になりつつある気候のもとで商業アクアポニックスが持つ第一の強みです。

サイクリング、農場の立ち上がりが遅い理由

これらのバクテリアは命じて住みつくものではありません。条件にもよりますが、安定した個体群をつくるには3週間から8週間を見込む必要があります。実務家はこの工程をサイクリングと呼びます。アンモニアを酸化する微生物は、最初の窒素供給から5日から7日で生物ろ過槽に定着します。亜硝酸塩を処理する微生物はその1週間後に働き始めます。システムが成熟したと判断されるのは、亜硝酸塩がゼロに戻り、硝酸塩が着実に増えてからです。

この期間を短くする手立てはいくつかあります。すでに稼働している施設から採った担体で生物ろ過槽に種付けする方法が、群を抜いて効果的です。バクテリアの適温帯の上限寄りに水温を保つこと、アルカリ度を高めに維持すること、アンモニアを一定して供給することも効きます。

この立ち上げ期があるため、アクアポニックス農場の生産開始は水耕栽培の温室より遅くなります。水耕の温室は最初の作付けから収穫できます。

pHと鉄、絶え間ない折り合い

pHは、三つの区画の要求が最も鋭く対立する項目です。植物ははっきり酸性の水、5.5から6.5あたりを好みます。硝化バクテリアは7より上でよく働きます。魚はもっと広い範囲を受け入れます。そこでアクアポニックスでは、6から7のあいだで折り合いをつける運用をとります。誰も最適値には届きませんが、全員がきちんと機能します。

このpHはひとりでには保てません。硝化は酸性化する反応であり、魚が出す二酸化炭素も弱酸をつくるため、システムは自然に酸性へ傾きます。運営者は炭酸カルシウムと炭酸カリウムを交互に使って緩衝します。これで酸性度を補正すると同時に、魚の餌からは供給されないアクアポニックスの構造的な二つの不足、カリウムとカルシウムを同じ動作で補えます。

残るのは鉄です。pH7を超えると鉄は根が吸収できない形で沈殿し、若い葉に葉緑素の欠乏が現れます。そこで最初の数か月はキレート鉄を1リットルあたり1〜2ミリグラム程度加え、その後は必要に応じて補います。この補助資材は水に溶け、魚にも無害です。水耕栽培の運用が要求する完全肥料に比べれば、費用はごくわずかにとどまります。

農場が生み出すもの、そして規模の決め方

アクアポニックス農場は二つの職能、養殖と土を使わない野菜栽培を併せ持ちます。魚種の選択は、まず水温の制約に従います。同じ循環系に入る魚は同じ水温帯を共有しなければならないからです。温帯の気候では、ニジマスとカワマスが13〜16℃前後で重なり、無理なく一緒に飼育できます。パイクパーチははるかに高い水温を求めるため、別棟の扱いになります。複数の魚種を想定した農場が飼育棟を分けるのはこのためです。

植物側では、生育期間が短く窒素の要求が大きい作物がこのシステムを最も活かします。レタス類やハーブがそれにあたります。夏果菜では、トマト、パプリカ、ナス、ズッキーニ、イチゴも生産できます。ただしこうした品目には、分離型のアクアポニックスのほうが適していることが多くあります。

最後に規模の決め方です。設計は魚の重量ではなく、1日に与える餌の量で計算します。FAOは、葉物野菜で栽培面積1平方メートルあたり1日40〜50グラム、果菜で50〜80グラムの餌を目安としています。魚の生産量は、この給餌量と飼料要求率から導かれます。飼料要求率は現代の養殖のマスでおよそ1です。アクアポニックスの均衡をとるとは、在庫ではなく流量で考えることなのです。

システムが消費するもの、そして不可能にするもの

水は、先に述べた理由から優位性が最もはっきりする項目です。一方で本当の課題はエネルギーです。アクアポニックス農場はエネルギー、とりわけ電力を多く使います。ポンプ、曝気、ろ過が休みなく動き、場合によっては加温や冷却の設備も加わるためです。この負担を軽くする手立てはあります。自家消費型の太陽光発電、ヒートポンプ、隣接する事業所からの排熱の回収などです。私たちのプロジェクトはこの道をとっています。

逆に土地の条件は二の次になります。栽培に土を使わないため、遊休地、やせた土地、都市周辺の区画でも十分に適します。消費地のすぐ近くに立地できるということです。

最後の一点が、アクアポニックスを他の土を使わない栽培から決定的に分けます。魚、バクテリア、植物が互いに依存する循環系では、合成資材による処理は一切できません。魚に投与した抗生物質は生物ろ過槽を無菌化し、ただちにアンモニアの急上昇を招きます。作物に散布した殺虫剤は養殖槽に流れ込みます。したがって作物の防除は、天敵の導入、施設内の環境管理、日々の個体群の観察に頼ります。アクアポニックスの生産は構造上農薬も抗生物質も使いません。だからこそ議論の余地なく持続可能な農業の側に位置づけられます。

Vic-sur-Seilleでの私たちの取り組み

私たちはこれらの原則を、Moselle県Vic-sur-Seilleの大規模アクアポニックス農場のプロジェクトで実践しています。三つの養殖棟、四つの生産温室、一つの研究温室、そして加工場が、一つの水の循環を中心に配置されます。

生産目標は年間で魚がおよそ60トン、野菜が35トン、正味の食料でおよそ75トンです。この規模は適切な均衡として選びました。私たちのモデルは巨大農場のそれではなく、身の丈に合った経営です。一つの生活圏の供給に影響を与えられる程度には大きく、働く一人ひとりが自分の植物と魚を把握して毎日世話できる程度には抑えた規模です。生産物は農場から半径100キロメートルの範囲で販売します。私たちが会ってきた地域の事業者は、この地元の供給を心待ちにしています。

プロジェクトは現在資金調達ラウンドの段階にあり、France 2030（国の投資プログラム）の枠組みですでに助成を得ています。2027年の着工を可能にするため、皆さまにも参加していただけます。この最初の農場は複製できるよう設計されており、他の生活圏に続く農場の手本になります。

では、実際のところどう動いているのでしょうか？

原理は一文にまとまります。餌が循環系に入り、魚を養い、その排せつ物がバクテリアによって植物の使う肥料に変換され、こうして浄化された水が養殖槽に戻ります。

あとはすべて、この均衡の日々の運営にかかっています。適切な給餌、水質項目の管理、魚群と栽培植物の健康状態の観察です。この仕事は10名ほどのチームが担い、実績のある自動化システム一式が日常的に支えます。

こうして私たちの農場は、一つの設備で補い合う二つの生産を行います。合成肥料に一切依存せず、露地農業に比べて水の消費は5分の1です。だからこそアクアポニックスは、農業の転換と食料主権の最も具体的な手立ての一つになります。持続可能な地元での生産を消費地に近づけ、地産地消の考え方で届けるからです。この点は記事アクアポニックス、水耕栽培、エアロポニックスの違いとは？で詳しく述べています。

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