Аквапоника, как это работает?

Аквапоника соединяет рыбоводство и беспочвенное выращивание растений в одном замкнутом цикле. Отходы жизнедеятельности рыбы бактерии превращают в удобрение для растений, а растения очищают воду перед её возвратом в бассейны. Принцип умещается в три строки, но ежедневное управление требует настоящей квалификации.

Ниже разбираем, как работает этот механизм, от азотного цикла до пути воды, и что он означает на практике для промышленной фермы вроде той, что мы строим в департаменте Moselle.

Три культуры в одном замкнутом цикле

Аквапоническая ферма на деле ведёт три культуры в одном замкнутом цикле: рыбу, бактерии и растения. Убрать любую из них нельзя, равновесие рухнет.

Рыбу кормят, и она насыщает воду аммиаком, как через отходы жизнедеятельности, так и через дыхание. Нитрифицирующие бактерии, закреплённые на носителях биофильтра, превращают этот аммиак в нитраты. Растения поглощают нитраты ровно так же, как поглощали бы удобрение, и снова делают воду чистой. Так контур образует настоящий замкнутый круг пользы.

То, что традиционное сельское хозяйство покупает в виде синтетических удобрений, мы производим в своих бассейнах за счёт корма для рыбы и отходов её жизнедеятельности.

Азотный цикл, двигатель системы

Аквапоническая система держится на азотном цикле. Аммиак, который выделяет рыба, токсичен для неё в очень малых дозах. В неионизированной форме, той, что проходит через жаберный барьер, безопасные пороги для радужной форели измеряются сотыми долями миллиграмма на литр. Запас на ошибку у хозяйства крайне мал.

Дальше идут две бактериальные стадии. Первая переводит аммиак в нитриты, тоже токсичные. Вторая превращает нитриты в нитраты, ту форму азота, которую растения усваивают лучше всего и которую рыба переносит в гораздо более высоких концентрациях. Потребляя нитраты, растения очищают воду и замыкают цикл.

Нитраты, нежелательные в рыбоводном бассейне, это именно та форма азота, которую растения усваивают лучше всего. Отход одного становится ресурсом для другого.

Что изменили генетические анализы

Учебники долго приписывали эти две стадии двум конкретным родам бактерий: Nitrosomonas, затем Nitrobacter. Молекулярные анализы, которые последние десять лет проводят на реальных биофильтрах аквакультуры, дают более сложную картину. Окисление нитритов чаще всего ведёт род Nitrospira, а Nitrobacter иногда отсутствует полностью. В работе 2017 года по биофильтру форелевого хозяйства не нашли ни одной его последовательности.

Те же исследования выявили археи, окисляющие аммиак, а также бактерии comammox, способные в одиночку выполнить обе последовательные реакции. Состав этого сообщества меняется от установки к установке в зависимости от температуры, pH, азотной нагрузки и солёности.

Для хозяйства практический вывод не меняется. Важно не назвать эти микроорганизмы, а дать им носитель, пригодный для заселения, насыщенную кислородом воду и достаточную щёлочность.

Путь воды, шаг за шагом

На промышленной установке вода идёт по точно заданному маршруту и возвращается к началу. Она выходит из рыбоводных бассейнов со взвешенными частицами, затем проходит механическую фильтрацию, чаще всего барабанный фильтр, который задерживает твёрдые частицы до того, как они разложатся и заберут кислород из контура.

Дальше вода поступает в биофильтр, где идёт описанное выше превращение азота. Затем её распределяют по зонам выращивания: плавающие плоты для листовых культур или лотки, в зависимости от сорта. Очищенная корнями, она возвращается в бассейны после контроля температуры, растворённого кислорода и pH.

Восполнять приходится только потери на испарение и транспирацию растений, порядка от 1 до 3 % общего объёма в сутки. Замкнутый цикл возвращает в оборот около 95 % воды, тогда как орошаемое поле теряет её почти полностью. Эта экономия воды, главное преимущество промышленной аквапоники в климате, где полив становится ограничением.

Циклирование, или почему ферма запускается медленно

Эти бактерии не заселяются по команде. В зависимости от условий на формирование устойчивой популяции уходит от трёх до восьми недель, этот этап практики называют циклированием. Организмы, окисляющие аммиак, заселяют биофильтр через пять, семь дней после первого внесения азота, те, что работают с нитритами, подключаются неделей позже, а зрелой систему считают только тогда, когда нитриты вернулись к нулю, а нитраты растут стабильно.

Сократить эту фазу помогают несколько приёмов. Самый действенный, засеять биофильтр носителем, взятым с уже работающей установки. Помогают также температура в верхней части благоприятного для бактерий диапазона, поддерживаемая щёлочность и регулярное поступление аммиака.

Именно из-за этой стартовой фазы аквапоническая ферма выходит на урожай позже гидропонной теплицы, которая даёт результат уже с первой посадки.

pH и железо, постоянный компромисс

pH, это параметр, по которому три составляющие расходятся сильнее всего. Растения предпочитают заметно кислую воду, примерно от 5,5 до 6,5. Нитрифицирующие бактерии лучше работают выше 7. Рыба принимает более широкий диапазон. Поэтому в аквапонике держатся компромисса между 6 и 7, где никто не выходит на свой оптимум, но каждый работает нормально.

Сам по себе этот pH не держится. Нитрификация, это подкисляющая реакция, а углекислый газ, выделяемый рыбой, образует слабую кислоту, поэтому система естественно уходит вниз. Хозяйство буферизует воду, чередуя карбонаты кальция и калия. Это выправляет кислотность и одновременно закрывает два структурных дефицита аквапоники, калий и кальций, которых не даёт рыбный корм.

Остаётся железо. Выше pH 7 оно выпадает в осадок в форме, недоступной корню, и на молодых листьях появляется хлороз. Поэтому в первые месяцы, а затем по потребности вносят хелатное железо, порядка 1 или 2 миллиграммов на литр. Эти добавки растворимы и безопасны для рыбы, а их стоимость остаётся незначительной на фоне полных удобрений, которых требует гидропоника.

Что производит ферма и как её рассчитывают

Аквапоническая ферма объединяет две профессии, рыбоводство и беспочвенное овощеводство. Выбор видов подчиняется прежде всего температурному ограничению: рыбы в одном контуре должны иметь общий температурный диапазон. В умеренном климате радужная форель и американский голец сходятся в диапазоне от 13 до 16 °C и без труда содержатся вместе. Судаку нужна заметно более тёплая вода, поэтому он идёт в отдельный участок. Отсюда и разделение рыбоводных залов на ферме, рассчитанной на несколько видов.

Из растений систему лучше всего используют культуры короткого цикла с высокой потребностью в азоте, это салаты и пряные травы. Из летних плодов можно выращивать томат, перец, баклажан, кабачок или клубнику, хотя для них чаще лучше подходит разделённая (несвязанная) аквапоника.

Наконец, расчёт системы ведут не в килограммах рыбы, а в количестве корма, выдаваемого за сутки. ФАО берёт от 40 до 50 граммов корма на квадратный метр посадок в сутки для листовых культур и от 50 до 80 граммов для плодовых. Объём рыбы затем выводят из этой нормы и кормового коэффициента, близкого к 1 у форели в современном хозяйстве. Уравновесить аквапоническую систему, значит рассуждать о потоке, а не о запасе.

Что система потребляет и что делает невозможным

По воде преимущество самое очевидное, по причинам, изложенным выше. А вот энергия, это настоящий вызов. Аквапоническая ферма очень энергоёмка, прежде всего по электричеству: насосы, аэрация и фильтрация работают непрерывно, к ним добавляются системы обогрева или охлаждения. Снизить эту статью помогают разные решения, от фотоэлектрических панелей на собственное потребление до тепловых насосов и утилизации сбросного тепла соседнего предприятия. Этим путём мы идём в своём проекте.

Земля, напротив, отходит на второй план. Выращивание идёт без почвы, поэтому пустырь, бедный участок или надел на городской окраине подходят полностью. Это позволяет размещать ферму вплотную к местам потребления.

Ещё одна черта резко отличает аквапонику от других беспочвенных технологий. В контуре, где рыба, бактерии и растения зависят друг от друга, никакая синтетическая обработка невозможна. Антибиотик, данный рыбе, стерилизовал бы биофильтр и тут же вызвал бы скачок аммиака. Инсектицид, внесённый на растения, попал бы обратно в бассейны. Поэтому защита растений строится на выпуске энтомофагов, управлении климатом в теплице и ежедневном наблюдении за популяциями. Аквапоническая продукция по самой конструкции системы получается без пестицидов и антибиотиков, что однозначно относит её к устойчивому сельскому хозяйству.

Наш подход в Vic-sur-Seille

Мы применяем эти принципы в своём проекте крупной аквапонической фермы в Vic-sur-Seille, департамент Moselle. Три рыбоводных зала, четыре производственные теплицы, исследовательская теплица и цех переработки будут выстроены вокруг единого водяного контура.

Целевой объём производства составляет около шестидесяти тонн рыбы и тридцати пяти тонн растительной продукции в год, то есть почти семьдесят пять тонн продуктов питания нетто. Этот масштаб выбран как разумное равновесие. Наша модель, это не мегаферма, а хозяйство соразмерное человеку: достаточно крупное, чтобы влиять на снабжение целого населённого района, и достаточно умеренное, чтобы каждый знал свои растения и свою рыбу и занимался ими каждый день. Продукция будет продаваться в радиусе ста километров вокруг фермы, и профессионалы региона, с которыми мы встречались, ждут это местное предложение с нетерпением.

Сегодня проект находится в стадии раунда финансирования, часть поддержки уже получена по линии плана France 2030 (национальная инвестиционная программа), и Вы тоже можете принять в нём участие, чтобы стройка началась в 2027 году. Эта первая ферма задумана как тиражируемая и станет образцом для следующих, в других населённых районах.

Так как же это работает на самом деле?

Принцип умещается в одну фразу. В контур поступает корм, он кормит рыбу, отходы рыбы бактерии превращают в удобрение, которое потребляют растения, а очищенная вода возвращается в бассейны.

Дальше всё решает ежедневное управление этим равновесием: правильное кормление рыбы, контроль параметров воды, наблюдение за состоянием поголовья и растений. Эту работу будет вести команда примерно из десяти человек, которой в повседневных задачах помогает набор проверенных автоматизированных систем.

Так наше хозяйство получит два взаимодополняющих производства на одной инфраструктуре, без всякой зависимости от синтетических удобрений и с расходом воды в пять раз меньше, чем в полевом земледелии. Именно поэтому аквапоника, один из самых осязаемых рычагов аграрного перехода и продовольственного суверенитета: она приближает местное и устойчивое производство к местам потребления, в логике коротких цепочек поставок. Подробно мы разобрали этот вопрос в статье Аквапоника, гидропоника, аэропоника: в чём разница?.

Подробно о ферме→

Частые вопросы