Akwaponika, jak to działa?

Akwaponika polega na połączeniu hodowli ryb i uprawy bezglebowej w jednym obiegu zamkniętym. Odchody ryb, przetworzone przez bakterie, stają się nawozem dla roślin, a te oczyszczają wodę, zanim wróci ona do basenów. Zasadę da się streścić w trzech zdaniach, ale codzienne prowadzenie takiego systemu wymaga prawdziwej wiedzy.

Oto jak ten mechanizm działa, od cyklu azotowego po obieg wody, a następnie jak przekłada się to na profesjonalne gospodarstwo, takie jak to, które budujemy w departamencie Moselle, na północnym wschodzie Francji.

Trzy hodowle w jednym obiegu zamkniętym

Gospodarstwo akwaponiczne prowadzi w rzeczywistości trzy hodowle w jednym obiegu zamkniętym: ryby, bakterie i rośliny. Żadnej z nich nie da się usunąć, nie burząc całej równowagi.

Ryby są karmione i wzbogacają wodę w amoniak, zarówno przez odchody, jak i przez oddychanie. Nitryfikacyjne bakterie, osadzone na złożu biofiltra, przekształcają ten amoniak w azotany. Rośliny pobierają azotany dokładnie tak, jak pobierałyby nawóz, i oddają wodę znów czystą. Ten obieg tworzy więc prawdziwy samopodtrzymujący się cykl.

To, co rolnictwo konwencjonalne kupuje w postaci nawozów syntetycznych, my wytwarzamy w naszych basenach, dzięki paszy podawanej rybom i ich odchodom.

Cykl azotowy, motor całego systemu

System akwaponiczny opiera się na cyklu azotowym. Amoniak wydalany przez ryby jest dla nich toksyczny już w bardzo małych dawkach. W formie niezjonizowanej, tej, która przenika przez skrzela, progi bezpieczeństwa przyjmowane dla pstrąga tęczowego liczy się w setnych częściach miligrama na litr, co pozostawia hodowcy wyjątkowo wąski margines błędu.

Następują po sobie dwa etapy bakteryjne. Pierwszy przekształca amoniak w azotyny, także toksyczne. Drugi zamienia azotyny w azotany, czyli formę azotu, którą rośliny przyswajają najlepiej, a ryby znoszą w znacznie wyższych stężeniach. Pobierając azotany, rośliny oczyszczają wodę i domykają cykl.

Azotany, niepożądane w basenie hodowlanym, to dokładnie ta forma azotu, którą rośliny przyswajają najlepiej. Odpad jednego staje się zasobem drugiego.

Co zmieniły analizy genetyczne

Podręczniki przez długi czas przypisywały te dwa etapy dwóm konkretnym rodzajom bakterii: Nitrosomonas, a następnie Nitrobacter. Analizy molekularne prowadzone od kilkunastu lat na rzeczywistych biofiltrach akwakultury pokazują obraz bogatszy. Rodzaj Nitrospira najczęściej dominuje w utlenianiu azotynów, a Nitrobacter bywa całkowicie nieobecny. W badaniach opublikowanych w 2017 roku na biofiltrze hodowli pstrąga nie wykryto ani jednej jego sekwencji.

Te same badania wykazały obecność archeonów utleniających amoniak, a także bakterii określanych jako comammox, zdolnych samodzielnie przeprowadzić obie kolejne przemiany. Skład takiego konsorcjum bywa inny w każdej instalacji i zależy od temperatury, pH, ładunku azotu oraz zasolenia.

Dla hodowcy praktyczny wniosek pozostaje ten sam. Liczy się nie nazwanie tych mikroorganizmów, lecz zapewnienie im podłoża do zasiedlenia, natlenionej wody i wystarczającej zasadowości.

Obieg wody, krok po kroku

W instalacji profesjonalnej woda pokonuje ściśle określoną drogę i wraca do punktu wyjścia. Opuszcza baseny hodowlane obciążona zawiesiną, po czym przechodzi przez filtrację mechaniczną, najczęściej filtr bębnowy, który zatrzymuje cząstki stałe, zanim zaczną się rozkładać i zużywać tlen w obiegu.

Następnie trafia do biofiltra, gdzie zachodzi opisana wyżej przemiana azotu. Stamtąd rozprowadza się ją do stref uprawy: pływających tratw dla warzyw liściowych albo rynien, zależnie od odmian. Oczyszczona przez korzenie, wraca wreszcie do basenów, po kontroli temperatury, tlenu rozpuszczonego i pH.

Uzupełniać trzeba wyłącznie straty przez parowanie i transpirację roślin, co odpowiada mniej więcej 1 do 3% całkowitej objętości dziennie. Obieg zamknięty odzyskuje więc około 95% wody, podczas gdy nawadniana uprawa polowa traci ją niemal w całości. Ta oszczędność wody to pierwszy atut profesjonalnej akwaponiki w klimacie, w którym nawadnianie staje się ograniczeniem.

Dojrzewanie biofiltra, czyli dlaczego gospodarstwo rusza powoli

Bakterie nie zasiedlają układu na zawołanie. Zależnie od warunków trzeba liczyć od trzech do ośmiu tygodni na zbudowanie stabilnej populacji. Ten etap praktycy nazywają dojrzewaniem biofiltra. Organizmy utleniające amoniak zasiedlają złoże pięć do siedmiu dni po pierwszej dawce azotu, te przetwarzające azotyny przejmują pałeczkę tydzień później, a system uznaje się za dojrzały dopiero wtedy, gdy azotyny wrócą do zera, a azotany rosną systematycznie.

Kilka rzeczy skraca tę fazę. Zaszczepienie biofiltra złożem pobranym z instalacji już działającej pozostaje zdecydowanie najskuteczniejsze. Pomagają również temperatura utrzymywana w górnej części zakresu odpowiadającego bakteriom, wysoka zasadowość i regularne dawki amoniaku.

To właśnie ta faza rozruchu sprawia, że gospodarstwo akwaponiczne zaczyna produkować później niż szklarnia hydroponiczna, która daje plon już przy pierwszej uprawie.

pH i żelazo, stały kompromis

pH to parametr, przy którym trzy części systemu rozchodzą się najwyraźniej. Rośliny wolą wodę wyraźnie kwaśną, w okolicach 5,5 do 6,5. Bakterie nitryfikacyjne pracują lepiej powyżej 7. Ryby znoszą szerszy zakres. Praktyka akwaponiczna polega więc na ustawieniu się w kompromisie między 6 a 7, gdzie nikt nie osiąga swojego optimum, ale każdy funkcjonuje poprawnie.

To pH nie utrzymuje się samo. Nitryfikacja jest reakcją zakwaszającą, a dwutlenek węgla wydzielany przez ryby tworzy słaby kwas, więc system w naturalny sposób dryfuje w dół. Hodowca buforuje wodę, stosując na przemian węglan wapnia i węglan potasu, co koryguje kwasowość i przy okazji uzupełnia dwa strukturalne niedobory akwaponiki, potas i wapń, których pasza dla ryb nie dostarcza.

Zostaje żelazo. Powyżej pH 7 wytrąca się ono w formie, której korzeń nie potrafi już pobrać, a na młodych liściach pojawia się chloroza. Dlatego przez pierwsze miesiące, a potem w miarę potrzeb, podaje się żelazo schelatowane, rzędu 1 do 2 miligramów na litr. Te dodatki są rozpuszczalne i nieszkodliwe dla ryb, a ich koszt pozostaje marginalny wobec pełnych nawozów, jakich wymaga uprawa hydroponiczna.

Co produkuje gospodarstwo i jak dobiera się jego wielkość

Gospodarstwo akwaponiczne łączy dwa zawody: hodowlę ryb i warzywnictwo bezglebowe. Dobór gatunków wynika przede wszystkim z ograniczenia termicznego, ponieważ ryby zebrane w jednym obiegu muszą dzielić ten sam zakres temperatury. W klimacie umiarkowanym pstrąg tęczowy i pstrąg źródlany spotykają się w okolicach 13 do 16 °C i bez trudu daje się je prowadzić razem. Sandacz, który wymaga wody wyraźnie cieplejszej, należy do osobnego działu, dlatego gospodarstwo pomyślane dla kilku gatunków rozdziela hale hodowlane.

Po stronie roślinnej system najlepiej wykorzystują uprawy o krótkim cyklu i dużym zapotrzebowaniu na azot, czyli sałaty i zioła. Wśród letnich owoców można również produkować pomidora, paprykę, bakłażana, cukinię czy truskawkę, choć do tych upraw często lepiej nadaje się akwaponika rozdzielona.

Wielkość systemu wylicza się wreszcie nie w kilogramach ryby, lecz w ilości paszy podawanej każdego dnia. FAO przyjmuje od 40 do 50 gramów paszy na metr kwadratowy uprawy dziennie dla warzyw liściowych i od 50 do 80 gramów dla warzyw owocowych. Produkcję rybną wylicza się następnie z tej dawki oraz ze współczynnika konwersji paszy, bliskiego 1 u pstrąga w nowoczesnej hodowli. Zrównoważenie systemu akwaponicznego sprowadza się więc do myślenia w kategoriach przepływu, a nie zapasu.

Co system zużywa i czego nie pozwala robić

Woda to obszar, w którym przewaga jest najwyraźniejsza, z powodów opisanych wyżej. Prawdziwym wyzwaniem jest natomiast energia. Gospodarstwo akwaponiczne jest bardzo energochłonne, zwłaszcza jeśli chodzi o prąd, ponieważ pompy, napowietrzanie i filtracja pracują bez przerwy, a do tego dochodzą układy ogrzewania lub chłodzenia, zależnie od przypadku. Istnieją rozwiązania, które odciążają tę pozycję: fotowoltaika na własne potrzeby, pompy ciepła, aż po odzysk ciepła odpadowego z sąsiedniego zakładu. Tę drogę wybraliśmy w naszym projekcie.

Grunt traci natomiast na znaczeniu. Uprawa obywa się bez gleby, więc nieużytek, uboga ziemia albo działka na obrzeżach miasta nadają się doskonale, co pozwala ulokować produkcję jak najbliżej miejsc konsumpcji.

Jeszcze jedno odróżnia akwaponikę od pozostałych upraw bezglebowych. W obiegu, w którym ryby, bakterie i rośliny zależą od siebie nawzajem, żaden syntetyczny zabieg nie wchodzi w grę. Antybiotyk podany rybom wyjałowiłby biofiltr i natychmiast wywołał skok amoniaku. Insektycyd zastosowany na uprawach trafiłby z powrotem do basenów. Ochrona roślin opiera się więc na wprowadzaniu owadów pożytecznych, na sterowaniu klimatem pod osłonami i na codziennej obserwacji populacji. Produkcja akwaponiczna jest w ten sposób z założenia wolna od pestycydów i antybiotyków, co bez dyskusji stawia ją po stronie rolnictwa zrównoważonego.

Nasze podejście w Vic-sur-Seille

Stosujemy te zasady w naszym projekcie gospodarstwa akwaponicznego na dużą skalę w Vic-sur-Seille, w departamencie Moselle. Trzy hale rybne, cztery szklarnie produkcyjne, szklarnia badawcza i zakład przetwórstwa zostaną zorganizowane wokół jednego obiegu wody.

Cel produkcyjny to około sześćdziesiąt ton ryb i trzydzieści pięć ton warzyw rocznie, czyli blisko siedemdziesiąt pięć ton żywności netto. Ta skala została wybrana jako właściwa równowaga. Naszym modelem nie są megagospodarstwa, lecz gospodarstwo na ludzką miarę: dość duże, by realnie zaważyć na zaopatrzeniu jednego obszaru, i dość wyważone, by każdy znał swoje rośliny i swoje ryby i zajmował się nimi każdego dnia. Nasza produkcja będzie sprzedawana w promieniu stu kilometrów od gospodarstwa, a spotkani przez nas lokalni profesjonaliści czekają na tę ofertę z niecierpliwością.

Projekt jest dziś w fazie rundy finansowania, ze wsparciem uzyskanym już w ramach planu France 2030, francuskiego państwowego programu inwestycyjnego, a Państwo także mogą wziąć w niej udział i umożliwić rozpoczęcie budowy w 2027 roku. Pomyślane tak, by dało się je powtórzyć, to pierwsze gospodarstwo posłuży za wzór kolejnym, na innych obszarach.

Jak to więc naprawdę działa?

Zasadę da się streścić w jednym zdaniu. Do obiegu trafia pasza, karmi ryby, których odchody bakterie zamieniają w nawóz pobierany przez rośliny, a oczyszczona w ten sposób woda wraca do basenów.

Cała reszta rozgrywa się w codziennym prowadzeniu tej równowagi: właściwym karmieniu ryb, monitorowaniu parametrów wody, obserwacji zdrowia stada i uprawianych roślin. Tę pracę wykona zespół około dziesięciu osób, wspierany przez zestaw sprawdzonych systemów automatyki, które pomagają mu na co dzień.

Nasze gospodarstwo będzie więc dysponować dwiema uzupełniającymi się produkcjami na jednej infrastrukturze, bez zależności od jakiegokolwiek nawozu syntetycznego i przy zużyciu pięć razy mniejszej ilości wody niż rolnictwo polowe. To sprawia, że akwaponika jest jednym z najbardziej konkretnych narzędzi transformacji rolnictwa i suwerenności żywnościowej, ponieważ zbliża produkcję lokalną i zrównoważoną do miejsc konsumpcji, w logice krótkich łańcuchów dostaw. Rozwinęliśmy ten wątek w artykule Akwaponika, hydroponika, aeroponika: jakie są różnice?.

Poznaj gospodarstwo w szczegółach→

Często zadawane pytania