Aquaponics منهجية إنتاج غذائي تدمج تربية الأحياء المائية، بما في ذلك زراعة الكائنات المائية مثل الأسماك أو جراد البحر أو القواقع أو القريدس في بيئات خاضعة للرقابة، مع الزراعة المائية، والتي تستلزم زراعة النباتات في الماء. في هذا النظام التكافلي، يتم توفير المياه الغنية بالمغذيات من عنصر تربية الأحياء المائية إلى النباتات المزروعة مائيًا.
في أنظمة الزراعة المائية، تتم زراعة النباتات مع غمر هياكلها الجذرية في النفايات السائلة الغنية بالمغذيات. ويسهل هذا الترتيب على النباتات امتصاص وترشيح الأمونيا أو مشتقاتها الأيضية الضارة بالحياة المائية. بعد مرورها عبر النظام الفرعي للاستزراع المائي، تخضع المياه للتنقية والأكسجين قبل إعادة تدويرها إلى خزانات تربية الأحياء المائية.
تظهر أنظمة Aquaponic تباينًا كبيرًا من حيث حجمها وتعقيدها وتنوع المنتجات الغذائية المزروعة، مما يعكس النطاق الملحوظ في تربية الأحياء المائية التقليدية أو ممارسات الزراعة المائية. تشمل أنواع الأسماك المستزرعة بشكل شائع في نظام aquaponics البلطي، والكوي، والسمكة الذهبية، والكارب، وسمك السلور، والباراموندي، وأسماك الزينة المختلفة. تشمل المحاصيل النباتية الأولية الخس، والباك تشوي، واللفت، والريحان، والنعناع، والجرجير، والطماطم، والفلفل، والخيار، والفاصوليا، والبازلاء، والقرع، والقرنبيط، والقرنبيط، والملفوف.
المكونات الأساسية لنظام aquaponics هي الأسماك والنباتات والكائنات الحية الدقيقة، حيث تؤدي الأخيرة وظيفة وسيطة حاسمة عن طريق تحويل نفايات الأسماك إلى مغذيات نباتية متاحة بيولوجيًا. يتم تصنيف تصميمات aquaponic المعاصرة في الغالب إلى ثلاثة أنواع رئيسية: ثقافة المياه العميقة (المعروفة أيضًا باسم أنظمة "الطوف")، وتكنولوجيا الأفلام المغذية، والأنظمة القائمة على الوسائط أو الأنظمة الترددية.
تصنيفات النظام
يتم تصنيف أنظمة Aquaponics على نطاق واسع إلى ثلاثة تكوينات أساسية: الأسرة القائمة على الوسائط، وأنظمة الطوافة العائمة، وتقنية الأفلام المغذية. غالبًا ما يُعتبر النظام القائم على الوسائط أكثر فعالية في استخدام النيتروجين نظرًا لنسبة الحجم إلى المساحة السطحية الفائقة، مما يعزز النشاط الميكروبي مقارنة بالتصميمين الآخرين.
ثقافة المياه العميقة
يتميز نظام الاستزراع في المياه العميقة بوجود أحواض كبيرة تحتوي على أطواف عائمة مثقوبة، حيث يتم وضع أوعية شبكية تحتوي على نباتات. عادة ما تمتلئ أوعية النباتات هذه بوسائط خاملة، مثل الصوف الصخري أو جوز الهند أو الخفاف، والتي توفر الدعم الهيكلي للجذور. وتبقى الجذور مغمورة بشكل مستمر داخل خزان المياه.
تقنية الفيلم المغذي
تستخدم تقنية الغشاء المغذي قنوات ضيقة، غالبًا ما يتم إنشاؤها من أنابيب مربعة مثقوبة، حيث يتم غمر جذور النباتات جزئيًا في تيار ماء ضحل يتدفق باستمرار.
سرير النمو المعتمد على الوسائط
يشكل سرير النمو القائم على الوسائط تصميمًا لنظام الزراعة المائية الذي يتميز بحوض مملوء بركيزة خاملة، مما يدعم جذور النباتات ويعزز تكاثر الكائنات الحية الدقيقة المفيدة. يتم توصيل المياه عادةً عبر دورة مد وجزر، مما يضمن توفير كل من العناصر الغذائية والأكسجين للنباتات.
يؤدي استخدام الحصى أو الرمل كوسيط داعم للنبات إلى تسهيل التقاط النفايات الصلبة وتوفير مساحة سطحية واسعة لنترجة الطبقة الثابتة. هذه القدرة المتأصلة لدمج الترشيح الحيوي مع الزراعة المائية غالبًا ما تُغني عن الحاجة إلى مرشح حيوي مستقل ومكلف في أنظمة aquaponic.
تُعتبر الأنظمة القائمة على الوسائط بشكل عام أكثر كفاءة في استخدام النيتروجين، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أنها توفر نسبة مساحة متفوقة من الحجم إلى السطح للاستعمار الميكروبي مقارنة بطوف المياه العميقة أو أنظمة تقنية الأفلام المغذية.
السياق التاريخي
تعود أصول نظام aquaponics إلى الممارسات القديمة، على الرغم من أن التوقيت الدقيق لظهورها الأولي لا يزال موضوعًا للمناقشة العلمية.
السوابق المبكرة: الحضارات الأزتيكية والصينية (القرن السادس - القرن الثالث عشر)
من المفترض أن نظام الزراعة المائية (أكوابونيك) تطور من الأساليب الزراعية القديمة التي دمجت زراعة الأسماك مع إنتاج النباتات، لا سيما تلك التي لوحظت في زراعة الأرز التي غمرتها الفيضانات في جنوب شرق آسيا والنظم الزراعية في تشينامبا (الجزيرة العائمة) في أمريكا الجنوبية (كوميفيس ويونج 2015). ومع ذلك، تشير الأدلة التاريخية إلى أنه نادرًا ما تم إدخال الأسماك عمدًا إلى حقول الأرز قبل القرن التاسع عشر (Halwart and Gupta 2004)، وكانت أعدادها في العادة قليلة للغاية بحيث لا توفر فوائد غذائية كبيرة للنباتات. من المحتمل أن تشينامباس، التي تم بناؤها تقليديًا على البحيرات المكسيكية، استمدت مزاياها الغذائية من رواسب البحيرات المغذية أو شبه المغذية، وليس من نظام إنتاج الأسماك المصمم بشكل متعمد أو المتكامل بنشاط (Morehart 2016; Baquedano 1993).
- طوّرت حضارة الأزتك جزرًا زراعية، أطلق عليها اسم تشينامباس، والتي يعتبرها بعض العلماء شكلاً مبكرًا من أشكال الزراعة المائية. يتضمن هذا النظام زراعة النباتات على جزر ثابتة أو متحركة أحيانًا داخل مناطق البحيرات الضحلة، وذلك باستخدام مواد النفايات المجروفة من قنوات تشينامبا والمراكز الحضرية المجاورة للري اليدوي.
- تتجلى أنظمة الزراعة المائية المبكرة في الممارسات في جنوب الصين وفي جميع أنحاء جنوب شرق آسيا، حيث تمت زراعة الأرز في حقول الأرز إلى جانب الأسماك. تم تقديم هذه التكنولوجيا من قبل المستوطنين الصينيين الذين هاجروا من يوننان حوالي عام 5 بعد الميلاد. كانت أنظمة الزراعة متعددة الثقافات سائدة في العديد من دول الشرق الأقصى، حيث دمجت زراعة أنواع الأسماك مثل اللوش الشرقي (泥鳅، ドジョウ)، ثعبان المستنقع (黄鳝، 田鰻)، الكارب الشائع (鯉魚، コイ)، وكارب الدوع (鯽魚)، وكذلك حلزونات الأحواض. (田螺)، داخل حقول الأرز.
- تتناول الأطروحة الزراعية الصينية التي تعود إلى القرن الثالث عشر، كتاب وانغ تشن عن الزراعة (王禎農書)، تفاصيل استخدام الأطواف الخشبية العائمة المحملة بالطين والتربة لزراعة الأرز والأرز البري والأعلاف. تم استخدام هذه المزارع العائمة في المناطق المقابلة للمقاطعات المعاصرة مثل جيانغسو وتشجيانغ وفوجيان. تم تحديدهم على أنهم إما jiatian (架田) أو fengtian (葑田)، ويُترجمان إلى "الأرز المؤطر" و"الأرز النحاسي" على التوالي. يستشهد هذا النص الزراعي أيضًا بوثائق صينية سابقة، مما يشير إلى أن زراعة الأرز العائم كانت تمارس في وقت مبكر من عهد أسرة تانغ (القرن السادس) وسلالة سونغ الشمالية (القرن الثامن).
التطورات الحديثة (ثلاثينيات القرن العشرين حتى الوقت الحاضر)
منذ الثلاثينيات من القرن الماضي، تم تنفيذ نظام متكامل لتربية الأحياء المائية والزراعة، يتضمن تربية الأسماك في حقول الأرز، في منطقة شمال كيريان في بيراك، شبه جزيرة ماليزيا. بالإضافة إلى ذلك، تم توثيق العديد من أنظمة أسماك الأرز على أنها تتمتع بحضور تاريخي طويل في إندونيسيا.
في عام 1965، كان سينجبوش ومعاونوه رائدين في الجهود المبذولة لاستزراع الكارب الشائع في الخزانات باستخدام نظام إعادة تدوير المياه الذي يتضمن الحمأة المنشطة لمعالجة المياه. وبعد ذلك، في عام 1971، نشر شيرب وبراون بحثًا أكثر شمولاً حول استخدام نظام مماثل لتربية تراوت قوس قزح. في محطة التجارب الزراعية بكارولينا الجنوبية في كليمسون، قام لوياكانو وجروسفينور (1973) بدراسة تنقية أحواض الأسماك التي تحتوي على سمك السلور من خلال استخدام نباتات الكستناء المائية لامتصاص العناصر الغذائية الزائدة.
في عام 1977، اكتشف العالم الألماني لودفيج سي.أ. قام نايجل بتطوير مجال الزراعة المائية من خلال منشوره "الإنتاج المشترك للأسماك والنباتات في إعادة تدوير المياه". يقدم هذا العمل تفاصيل تجارب حول الزراعة المشتركة للبلطي والطماطم، مما يدل على جدوى نظام إعادة التدوير القادر على دعم الإنتاج السمكي والإنتاج النباتي. تشكل هذه المساهمة جزءًا من مسعى بحثي عالمي أوسع يركز على تطوير أنظمة aquaponics المعاصرة.
قام بالارين وهالر بالتحقيق في الديناميكيات الحرارية لأنظمة aquaponic، وتحليل تأثير تقلب درجات حرارة الماء على معدلات نمو كل من الأسماك والنباتات.
ساهم موير وبالير ولويس في تطوير تقنيات الترشيح الحيوي في نظام aquaponics من خلال إدخال المرشحات الحيوية الترددية (RBFs). أدت هذه المرشحات الحيوية إلى تحسين كفاءة استيعاب العناصر الغذائية بواسطة النباتات بشكل كبير والتخفيف من تراكم المستقلبات الضارة في البيئة المائية.
عزز واتن وبوش فهم ديناميكيات المغذيات داخل أنظمة aquaponic. أوضحت أبحاثهم حول دمج النباتات الوعائية في أنظمة تربية الأحياء المائية المعاد تدويرها (RAS) فعالية النباتات في استخلاص المغذيات الفائضة من الماء.
قبل التقدم التكنولوجي في الثمانينيات، لم تسفر معظم المساعي لدمج الزراعة المائية وتربية الأحياء المائية إلا عن نجاح محدود. يُنسب جزء كبير من التطورات والاكتشافات المعاصرة في مجال الزراعة المائية إلى معهد الكيمياء الجديد وجامعة ولاية كارولينا الشمالية.
معهد الكيمياء الجديد
في عام 1969، قام جون ونانسي تود، جنبًا إلى جنب مع ويليام ماكلارني، بتأسيس معهد الكيمياء الجديد، حيث قاما ببناء نموذج أولي، تم تعديله من نظام aquaponic الأزتيكي، المصمم لتوفير المأوى والخضروات والأسماك على مدار العام. وفي وقت لاحق، في عام 1984، ابتكر رونالد زفايج، المنتسب أيضًا إلى معهد الكيمياء الجديد، نظامًا يسمى "بركة تربية الأحياء المائية المائية" أو "بركة الطاقة الشمسية المائية". وقد دمج هذا الابتكار عنصرًا مائيًا عائمًا داخل البركة الشمسية الموجودة مسبقًا بالمعهد، وبالتالي وضع الأساس لما سيُعرف لاحقًا باسم ثقافة المياه العميقة.
جامعة ولاية كارولينا الشمالية
قام مارك ماكمورتري ومعاونوه في جامعة ولاية كارولينا الشمالية بتطوير النظام المتكامل للزراعة النباتية المائية. ويعتبر هذا النظام، الذي يتميز بدمج تربية الأحياء المائية مع أحواض النمو القائمة على الرمال، مثالاً مبكرًا لمنهجية aquaponic ذات الحلقة المغلقة. قدمت أبحاث ماكمورتري اللاحقة إثباتًا جوهريًا للمبادئ العلمية الأساسية التي تقوم عليها الزراعة المائية، مما يدل بشكل قاطع على الفعالية التشغيلية للنظام.
جامعة جزر فيرجن
في عام 1979، بدأ جيمس راكوسي وفريقه البحثي في جامعة جزر فيرجن العمل التجريبي باستخدام أسرة الوسائط داخل أنظمة aquaponic. يشتمل التكوين الأولي على سرير من الحصى لزراعة النباتات، وخزان تصفية مخروطي الشكل لجمع النفايات الصلبة الأكبر حجمًا، وخزان مميز لاحتواء الأسماك. وبحلول عام 1986، توسعت تحقيقاتهم لتشمل تجارب باستخدام أطواف عائمة مصنوعة من البوليسترين. في نهاية المطاف، توجت أبحاث راكوسي المكثفة في عام 1997 بالتنفيذ واسع النطاق لأحواض النمو المائية في المياه العميقة في عمليات الزراعة المائية على نطاق تجاري.
أنظمة أخرى
وركزت مؤسسات بحثية أخرى جهودها على الأنظمة المسماة بمنهجيات "المد والجزر" أو "الفيضان والاستنزاف". تستخدم هذه الأنظمة الوسائط الخشنة، مثل الحصى أو الطين الممتد، وتدمج شفاطات الجرس لتنظيم دورة الري. في بعض الأحيان، يُطلق على هذه الأنظمة اسم "أنظمة سبيرانيو"، وهي تسمية مشتقة من توم وباولا سبيرانيو، اللذين قاما بتأليف وتوزيع دليل تعليمي في التسعينيات وقاما بتكييف نظام جامعة ولاية كارولينا الشمالية لتطوير دفيئة شمسية تجارية واسعة النطاق.
بدأت الأبحاث الأولية للأكوابونيك في كندا بنظام متواضع مدمج في دراسات تربية الأحياء المائية في منشأة في ليثبريدج، ألبرتا. خلال التسعينيات، تسارع انتشار منشآت الزراعة المائية التجارية، واستهدفت في المقام الأول السلع ذات القيمة العالية مثل سمك السلمون المرقط والخس. وقد ظهر تقدم كبير في بروكس، ألبرتا، حيث أجرى الدكتور نيك سافيدوف وفريقه من مركز التميز في تربية الأحياء المائية (ACE) في كلية ليثبريدج تحقيقات شاملة. أشارت النتائج التي توصلوا إليها إلى تسارع نمو الجذور داخل أنظمة aquaponics وحددت استراتيجيات فعالة لتحقيق حلقة مغلقة من النفايات الصلبة. علاوة على ذلك، تأكدوا من أن هذه الأنظمة يمكن أن تعمل بفعالية عند مستويات الحموضة المنخفضة، وهي حالة مفيدة لنمو النبات ولكنها ضارة بشكل عام بصحة الأسماك. وقد توج هذا البحث الرائد بتطوير أول نظام aquaponics مؤتمت بالكامل وخالي من النفايات، وبالتالي تحسين الاستدامة والكفاءة التشغيلية للزراعة المائية بشكل كبير.
وفي عام 2009، نفذت الصين أنظمة aquaponics العائمة على أحواض الأسماك متعددة الثقافات. تُستخدم هذه الأنظمة لزراعة محاصيل مختلفة، بما في ذلك الأرز والقمح وزنبق القنا، مع تغطية بعض المنشآت لمساحات أكبر من 2.5 فدان (10000 متر مربع2).
المصطلحات
إن تسمية "aquaponics" هي عبارة عن كلمة مشتقة من "تربية الأحياء المائية"، والتي تشير إلى زراعة الكائنات المائية، و"الزراعة المائية"، في إشارة إلى المنهجية بدون تربة لزراعة النباتات.
خلال سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين، اتسمت أنظمة aquaponics بمصطلحات متنوعة، مثل "الإنتاج المشترك للأسماك والخضروات في البيوت الزجاجية" أو "الإنتاج المشترك للأسماك والنباتات" في إعادة تدوير المياه. حقق مصطلح "aquaponics" قبولًا أوسع بعد النشر الافتتاحي لمجلة Aquaponics في عام 1997، على الرغم من الاستخدام المستمر للتسميات البديلة مثل "نظام الاستزراع المشترك المتكامل للأسماك والخضروات".
تظهر تعريفات "aquaponics" التباين؛ يحصر بعض المتخصصين تطبيقه على زراعة النباتات باستخدام طرق الزراعة المائية، بينما يتبنى آخرون تفسيرًا أكثر اتساعًا. اللاحقة "ponics"، الموجودة في كل من "الزراعة المائية" و"aquaponics"، تنبع من المصطلح اليوناني "ponos"، الذي يعني "العمل". وبالتالي، يمكن ترجمة "الأكوابونيك" حرفيًا إلى "العمل المائي"، على الرغم من أن هذه الترجمة قد لا تلخص بشكل شامل الوظيفة التشغيلية للنظام والهدف الشامل.
تعد التعريفات الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية للخطاب المتعلق بإصدار الشهادات البيئية. في الوقت الحاضر، يتم استبعاد نظام aquaponics من إطار اعتماد الزراعة العضوية في الاتحاد الأوروبي بسبب اعتماده على تقنيات الزراعة المائية. ومع ذلك، فإن المظاهر البديلة لنظام aquaponics التي تتضمن أنظمة إنتاج الأغذية العضوية القائمة على التربة تمتلك القدرة على الحصول على الشهادات العضوية.
مكونات نظام Aquaponic
يتكون نظام الزراعة المائية بشكل أساسي من قسمين رئيسيين: مكون تربية الأحياء المائية المخصص لتربية الحيوانات المائية ومكون الزراعة المائية لزراعة النباتات. في حين أن هذين العنصرين يشكلان الجوهر، يتم تصنيف أنظمة aquaponics عادةً إلى مكونات أو أنظمة فرعية مختلفة بناءً على تصميمها المحدد. يمكن أن يختلف دمج وحدات إزالة المواد الصلبة، والترشيح الحيوي، و/أو النظام الفرعي للزراعة المائية في وحدة واحدة أو نظام فرعي اعتمادًا على مدى تعقيد النظام والاستثمار المالي.
خزان التربية
هذه الخزانات مخصصة لتربية وتغذية الأسماك.
النظام الفرعي للزراعة المائية
يسهل هذا الجزء من النظام نمو النبات من خلال امتصاص العناصر الغذائية الفائضة من المياه المنتشرة.
مضخة مياه
تُستخدم لتدوير المياه.
حوض الترسيب (اختياري)
تم تصميم هذه الوحدة، والتي يشار إليها أيضًا باسم جهاز التنقية، لالتقاط الأعلاف غير المأكولة، والأغشية الحيوية المنفصلة، وتسهيل ترسيب الجسيمات الدقيقة.
مرشح حيوي (اختياري)
يوفر هذا المكون بيئة مناسبة لبكتيريا النتروجين لتتكاثر وتحول الأمونيا إلى نترات، والتي تكون متاحة بعد ذلك لامتصاص النبات. يعد إدراج الفلتر الحيوي أمرًا تقديريًا.
الحوض (اختياري)
تشتمل بعض أنظمة aquaponic على حوض، والذي يتميز عادةً بمضخة أو مدخل مضخة لإعادة تدوير مياه الاستزراع المعالجة إلى خزانات التربية.
المكونات البيولوجية
تعتمد أنظمة Aquaponic بشكل أساسي على التفاعل التكافلي بين ثلاثة مكونات بيولوجية أساسية: النباتات والأسماك (أو الحيوانات المائية الأخرى) والبكتيريا. قد تقوم بعض الأنظمة أيضًا بدمج الكائنات الحية التكميلية، مثل الديدان.
النباتات
- في نظام aquaponic، تعمل النباتات كمنتجين أساسيين، حيث تقوم بتحويل الطاقة الشمسية وثاني أكسيد الكربون والمواد المغذية المتاحة إلى كتلة حيوية.
- يمكن زراعة أنواع نباتية متنوعة، تشمل الخضروات الورقية الخضراء والأعشاب والفواكه والعديد من الخضروات الأخرى، بنجاح في بيئات aquaponic.
- تساهم النباتات في تنقية المياه عن طريق استيعاب العناصر الغذائية الفائضة والمنتجات الأيضية الثانوية.
نظرًا لأن النباتات تظهر متطلبات معدنية وعناصر مغذية مختلفة عبر مراحل النمو المختلفة، غالبًا ما يكون الحصاد متدرجًا، مما يسمح للشتلات بالنمو بالتزامن مع النباتات الناضجة. تضمن هذه الممارسة وجود عناصر غذائية متسقة في الماء، ويتم تسهيل ذلك من خلال الإزالة التكافلية المستمرة للسموم.
الأسماك (والكائنات المائية الأخرى)
- تعمل الأسماك والحيوانات المائية الأخرى كمستهلكين أساسيين في نظام aquaponic، حيث توفر البروتين والمواد المغذية الأساسية لتغذية النباتات.
- تعتبر العديد من أنواع الأسماك مناسبة لأنظمة aquaponic، مثل البلطي، والسمكة الذهبية، وسمك الكوي.
- تساهم الأسماك في تخصيب النباتات عن طريق إنتاج نفايات غنية بالمغذيات.
البكتيريا
- تؤدي البكتيريا وظيفة حيوية في أنظمة aquaponic عن طريق تحويل الأمونيا، المشتقة من مخلفات الأسماك، إلى نترات، وهي مادة مغذية تستوعبها النباتات بسهولة.
- لا غنى عن الأنواع البكتيرية المفيدة، بما في ذلك Nitrosomonas وNitrobacter، للحفاظ على نظام بيئي مثالي ومستقر.
- تساعد البكتيريا في تنقية المياه من خلال التخلص من فائض الأمونيا والمنتجات الثانوية الأيضية الأخرى.
الطحالب
على الرغم من أنه يُنظر إليها في كثير من الأحيان على أنها ضارة في تربية الأحياء المائية التقليدية، إلا أن الطحالب يمكن أن تكون بمثابة عنصر مفيد في تكوينات aquaponic محددة. على سبيل المثال، في أنظمة مثل نظام الزراعة المائية المتكامل، يتم نشر الطحالب عمدًا داخل الطبقة السطحية للمرشح الحيوي. في مثل هذه الإعدادات، تعمل الطحالب كمغسلة للمغذيات، حيث تعزل العناصر الغذائية الفائضة، وبالتالي تساهم في الحفاظ على جودة المياه بشكل مثالي وتخفيف احتمالية حدوث اختلالات في المغذيات. ومع ذلك، فإن هذا التطبيق المحدد للطحالب ليس عالميًا في جميع أنظمة aquaponic؛ وفي تصميمات أخرى، تعتبر الطحالب الموجودة في حوض السمك مصدر إزعاج إشكالي يتطلب الإدارة.
الطحالب قادرة على إطلاق مركبات ضارة بالأسماك والكائنات الحية الدقيقة الأخرى والنباتات. على سبيل المثال، يمكن للطحالب الخضراء المزرقة، أو البكتيريا الزرقاء، توليد السموم التي تشكل تهديدًا مباشرًا لصحة الأسماك، ويمكن أن يؤدي تراكمها المادي إلى تلف الخياشيم في الأسماك.
الفلتر الحيوي
تتراكم النفايات السائلة المائية، التي تنشأ من الأعلاف غير المأكولة أو تربية الحيوانات مثل الأسماك، داخل الماء بسبب خاصية إعادة التدوير ذات الحلقة المغلقة التي تتميز بها معظم أنظمة تربية الأحياء المائية. في حين أن التركيزات العالية من هذه المياه الغنية بالنفايات السائلة يمكن أن تصبح ضارة بالحيوانات المائية، إلا أنها تحتوي في الوقت نفسه على عناصر غذائية حيوية لنمو النباتات.
بمجرد أن يحقق نظام aquaponic الاستقرار، تتراوح تركيزات الأمونيا النموذجية من 0.25 إلى 0.50 جزء في المليون، ومستويات النتريت من 0.0 إلى 0.25 جزء في المليون، ومستويات النترات من 5 إلى 150 جزء في المليون. ومع ذلك، خلال مرحلة بدء التشغيل الأولية، تتطلب عملية النترجة عدة أسابيع حتى يتم تأسيسها. وبالتالي، يمكن أن ترتفع مستويات الأمونيا إلى 6.0 جزء في المليون ومستويات النتريت إلى 15 جزء في المليون، نظرًا لأن التجمعات البكتيرية الأساسية *Nitrosomonas* و *Nitrobacter* لم يتم تطويرها بشكل كامل بعد داخل النظام. عادةً ما تصل تركيزات النترات إلى ذروتها لاحقًا في مرحلة بدء التشغيل، بالتزامن مع اكتمال النظام لدورات النيتروجين، ونضج الفلتر الحيوي، وإنشاء مستعمرات بكتيرية قوية. أثناء النترجة، تخضع الأمونيا للأكسدة إلى النتريت، وهو تفاعل يحرر أيونات الهيدروجين في الماء. تعمل هذه العملية على خفض درجة حموضة الماء تدريجيًا؛ لذلك، يمكن إدخال قواعد غير صوديوم مثل هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الكالسيوم لتحييد الرقم الهيدروجيني إذا كانت عوامل التخزين الطبيعية غير كافية لمواجهة التحمض. علاوة على ذلك، يمكن تكملة المعادن أو العناصر الغذائية المحددة، مثل الحديد، مما يزيد من إمدادات المغذيات الأولية المستمدة من مخلفات الأسماك لنمو النبات.
العملية
المدخلات الأساسية الخمسة المطلوبة لنظام aquaponic هي الماء والأكسجين والضوء وعلف الحيوانات المائية والكهرباء لتشغيل عمليات الضخ والترشيح والأكسجين. وللحفاظ على استقرار النظام، يمكن إدخال البيض أو الزريعة لتحل محل الأسماك الناضجة التي يتم حصادها من النظام. وفيما يتعلق بالمخرجات، يمكن لنظام aquaponic إنتاج النباتات بشكل مستمر، مثل الخضروات المزروعة في الماء، والأنواع المائية الصالحة للأكل المزروعة من خلال تربية الأحياء المائية. تخصص نسب البناء القياسية عادة 0.5 إلى 1 قدم مربع من مساحة نمو النباتات لكل 1 جالون أمريكي (3.8 لتر) من مياه تربية الأحياء المائية داخل النظام. يستطيع جالون أمريكي واحد (3.8 لتر) من الماء دعم ما بين 0.5 رطل (0.23 كجم) و1 رطل (0.45 كجم) من مخزون الأسماك، ويعتمد ذلك على كفاءة النظام في التهوية والترشيح.
مصدر الخلاصة
في العديد من الأنظمة القائمة على تربية الأحياء المائية، غالبًا ما تشتمل العلف الأولي للمخزونات المائية على مسحوق السمك الذي يتم الحصول عليه من الأنواع البحرية ذات القيمة المنخفضة. ومع ذلك، فإن الاستنزاف المستمر لمجموعات الأسماك البرية يجعل ممارسة التغذية هذه غير مستدامة بيئيًا. تمثل أعلاف الأسماك العضوية بديلاً قابلاً للتطبيق للتخفيف من هذا القلق البيئي. تشمل البدائل المستدامة الإضافية زراعة طحلب البط داخل نظام aquaponics نفسه لتغذية الأسماك المقيمة، واستخدام الديدان الفائضة من سماد زراعة الديدان، ودمج فضلات المطبخ المعدة، وتربية يرقات ذبابة الجندي الأسود كتغذية للأسماك من خلال مزارعي اليرقات.
المغذيات النباتية
يعتمد النمو الأمثل للنبات على مجموعة متنوعة من المركبات العضوية الموجودة في بيئة الجذر، والتي يتم إنشاؤها من خلال التحلل الميكروبي. وتشمل هذه المركبات الفيتامينات والهرمونات والإنزيمات، وكلها ضرورية لتعزيز النمو والمحصول والنكهة ومقاومة مسببات الأمراض. علاوة على ذلك، فإن المواد العضوية، مثل حمض الهيوميك، تسهل التوافر الحيوي للمغذيات الدقيقة. على الرغم من أن العناصر الغذائية غير العضوية لا غنى عنها، إلا أن النباتات تحتاج أيضًا إلى مستقلبات عضوية لتحقيق إمكاناتها التنموية الكاملة.
استخدام المياه
تم تصميم أنظمة Aquaponic لإعادة تدوير المياه وإعادة استخدامها بكفاءة، وبالتالي تقليل الحاجة إلى التفريغ أو الاستبدال أثناء التشغيل القياسي. يعتمد استقرار النظام على التفاعل التكافلي بين الحيوانات والنباتات المائية، والتي تحافظ بشكل جماعي على مستويات ثابتة من المغذيات والأكسجين داخل البيئة المائية. تستوعب النباتات العناصر الغذائية الذائبة من المياه المتداولة، مما يقلل بالتالي من ضرورة تصريف المياه وخفض معدل تبادل المياه الإجمالي. تشير الأبحاث إلى أن نظام aquaponics يمكن أن يقلل من استهلاك المياه بنسبة تصل إلى 90% مقارنة بطرق إنتاج الأسماك والمحاصيل التجارية التقليدية.
إن تجديد المياه في النظام أمر ضروري في المقام الأول بسبب الخسائر التي تعزى إلى امتصاص النبات والنتح، والتبخر، وفيضان الأمطار، وإزالة النفايات الصلبة. ونتيجة لذلك، يستهلك نظام aquaponics عادة ما يقرب من 2% من حجم المياه الذي يتطلبه الري التقليدي للحصول على محصول مكافئ من الخضروات. تتيح هذه الكفاءة الرائعة زراعة المحاصيل والأسماك في المناطق التي تتميز بندرة موارد المياه أو الأراضي غير الخصبة.
علاوة على ذلك، فإن أنظمة aquaponic قادرة على محاكاة بيئات الأراضي الرطبة الخاضعة للرقابة، مما يجعلها فعالة للترشيح الحيوي ومعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية. يمكن جمع أي مياه فائضة غنية بالمغذيات في خزانات مستجمعات المياه ومن ثم إعادة استخدامها لتعزيز نمو المحاصيل المزروعة بالتربة أو إعادة تدويرها في نظام aquaponic للحفاظ على مستويات المياه المثلى.
تتطلب تربية الأحياء المائية التقليدية تبادلًا متكررًا للمياه، وهي ممارسة غير مطلوبة في نظام aquaponics. ويستهلك إنتاج كيلوغرام واحد من لحم البقر عادة ما بين 5000 و20000 لتر من الماء. وبالمثل، تتطلب أنظمة تربية الأحياء المائية التقليدية شبه المكثفة والموسعة ما بين 2500 إلى 375000 لتر لإنتاج كمية مساوية من الأسماك. وعلى العكس من ذلك، تُظهر أنظمة تربية الأحياء المائية المعاد تدويرها (RAS) كفاءة ملحوظة، حيث تقوم بإعادة تدوير 95% إلى 99% من المياه وتستخدم أقل من 100 لتر لكل كيلوغرام من الأسماك المنتجة.
استراتيجيات تخزين الأسماك
لكي تحقق أنظمة aquaponic الجدوى المالية والربحية، مع تغطية النفقات التشغيلية في نفس الوقت، يجب أن يعمل كل من مصنع الزراعة المائية ومكونات تربية الأسماك بالقرب من طاقتها الإنتاجية القصوى باستمرار. للحفاظ على الكتلة الحيوية السمكية عند مستواها الأمثل داخل النظام، وبالتالي تجنب قيود النمو، يتم استخدام ثلاث منهجيات تخزين أساسية بشكل شائع.
- التربية التسلسلية: تتضمن هذه الطريقة إيواء مجموعات عمرية متعددة من الأسماك داخل حوض تربية واحد؛ وعند الوصول إلى حجم السوق، يتم حصاد فئة عمرية معينة بشكل انتقائي ثم استبدالها بعدد مماثل من الإصبعيات. تشمل عيوب هذا النهج التسبب في التوتر بين جميع مجموعات الأسماك خلال كل عملية حصاد، واحتمال عدم صيد الأسماك مما يؤدي إلى إهدار العلف ومساحة الخزان، والتحديات في الاحتفاظ بسجلات دقيقة بسبب تكرار عمليات الصيد.
- تقسيم المخزون: في هذه التقنية، يتم تخزين عدد كبير من الإصبعيات في وقت واحد في البداية. بمجرد وصول الخزان إلى سعته القصوى، يتم تقسيم السكان إلى مجموعتين متميزتين، وهي عملية تبسط عملية حفظ السجلات وتخفف من مخاطر الأفراد الذين يتم تجاهلهم. تتضمن إحدى طرق تنفيذ هذه العملية بأقل قدر من الضغط استخدام "ممرات السباحة" التي تربط بين خزانات التربية المختلفة، والتي يتم تسهيلها بواسطة نظام من البوابات، أو الحواجز المتحركة، أو المضخات المصممة لنقل الأسماك.
- وحدات تربية متعددة: تتكون هذه الأنظمة عادةً من 2 إلى 4 خزانات تتشارك في بنية أساسية مشتركة للترشيح. عندما يتم حصاد أكبر حوض، يتم نقل مجموعات الأسماك المتبقية إلى حوض أكبر، بينما يتم إدخال مجموعة جديدة إلى أصغر حوض. وبدلاً من ذلك، تتميز بعض التكوينات بخزانات تربية متعددة بدون آليات نقل بين الخزانات. هذا التصميم يلغي العمل المرتبط بنقل الأسماك ويضمن بقاء كل حوض دون إزعاج أثناء الحصاد، على الرغم من أن ذلك قد يؤدي إلى استخدام غير فعال للمساحة أثناء مرحلة الإصبعيات.
على النحو الأمثل، يجب ألا تتجاوز الكتلة الحيوية للأسماك داخل خزانات التربية 0.5 رطل للغالون الواحد. يعد هذا الحد أمرًا بالغ الأهمية لتخفيف الضغط الناجم عن الاكتظاظ، وضمان تحويل الأعلاف بكفاءة، وتعزيز النمو القوي.
استراتيجيات إدارة الأمراض والآفات
يُعرف زيت النيم بأنه مبيد حشري عضوي عالي الفعالية، على الرغم من أن استخدامه يجب أن يقتصر بشكل صارم على كميات صغيرة لمنع تلوث مياه الأسماك. يواجه تسويق نظام aquaponics في كثير من الأحيان عوائق بسبب التحديات في الإدارة الفعالة للآفات والأمراض. يمثل استخدام طرق التحكم الكيميائي تعقيدات كبيرة في جميع أنظمة aquaponic. على الرغم من أنه يمكن في كثير من الأحيان استبدال المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب بعوامل المكافحة الحيوية التجارية القائمة، إلا أن مبيدات الفطريات ومبيدات النيماتودا تحتفظ بأهميتها في سياقات الزراعة المائية. تتضمن الاستراتيجيات الأولية لاحتواء أعداد الآفات الرصد الدؤوب وتنفيذ ممارسات المكافحة الثقافية. تظهر طرق المكافحة البيولوجية بشكل عام قدرة أكبر على التكيف. علاوة على ذلك، أثبتت التدابير الوقائية غير الكيميائية فعاليتها العالية في الوقاية من الآفات والأمراض عبر تصميمات الأنظمة المتنوعة.
قد تظهر النباتات المزروعة ضمن أنظمة aquaponic مقاومة معززة للأمراض بالمقارنة مع تلك المزروعة في أنظمة الزراعة المائية التقليدية. تعزز هذه البيئة الفريدة مجتمعًا ميكروبيًا متنوعًا، يُعتقد أن بعض أعضائه يمنحون الحماية لجذور النباتات ضد الكائنات المسببة للأمراض.
الأتمتة والمراقبة والتحكم في النظام
لقد عززت التطورات التكنولوجية المعاصرة بشكل كبير قدرات أنظمة aquaponic. يتيح الآن تكامل أجهزة الاستشعار المتقدمة وأجهزة إنترنت الأشياء (IoT) درجة عالية من الأتمتة داخل هذه الأنظمة. تسهل هذه الأتمتة الإدارة الدقيقة للمعلمات الحرجة، بما في ذلك تركيزات العناصر الغذائية، واستهلاك المياه، والإضاءة. إن أتمتة هذه العمليات لا يؤدي فقط إلى تعزيز الكفاءة التشغيلية لنظام aquaponics، بل يساهم أيضًا في تحسين إنتاجية المحاصيل واستخدام الموارد بشكل أكثر حكمة.
لقد حققت الجهود المبذولة لتطوير أنظمة التحكم والمراقبة الأوتوماتيكية للزراعة المائية درجات متفاوتة من النجاح. على سبيل المثال، نجح الباحثون في دمج الأتمتة في نظام aquaponic صغير الحجم لإنشاء نموذج زراعي مستدام وفعال من حيث التكلفة. وفي الوقت نفسه، تطورت تقنيات الأتمتة التجارية. وينطوي أحد هذه الابتكارات التجارية على نظام مصمم لأتمتة العمليات الزراعية الروتينية، ويتضمن خوارزمية التعلم الآلي لتحديد وإزالة النباتات المريضة أو المتقزمة بشكل مستقل. علاوة على ذلك، فإن منشأة aquaponics التي تبلغ مساحتها 3.75 فدان، والتي يُزعم أنها أول مزرعة سلمون داخلية في الولايات المتحدة، تدمج التكنولوجيا الآلية. وقد أدى هذا التقدم التكنولوجي إلى تعزيز عمليات التوثيق وجمع البيانات بشكل كبير في مجال الزراعة المائية.
الجدوى الاقتصادية
يقدم نظام Aquaponics نظامًا متنوعًا ومرنًا للزراعة المتعددة، مما يتيح زراعة المحاصيل وتربية الأحياء المائية في وقت واحد. ويعمل هذا التدفق المزدوج للإيرادات على تخفيف تقلبات السوق، مما يسمح للمنتجين بالحفاظ على دخلهم على الرغم من الانكماش في قطاعي الأسماك أو النباتات. إن القدرة على التكيف المتأصلة في أنظمة aquaponic تسهل زراعة مجموعة واسعة من المنتجات، بما في ذلك الخضروات الشائعة والأعشاب والزهور والنباتات المائية، وبالتالي تلبية متطلبات المستهلكين المتنوعة. تشمل أمثلة المحاصيل المفيدة اقتصاديًا لزراعة نظام aquaponic الملفوف الصيني، والخس، والريحان، والورد، والطماطم، والبامية، والشمام، والفلفل الحلو.
تجذب منتجات aquaponic المستهلكين المهتمين بالبيئة نظرًا لطبيعتها العضوية والخالية من المبيدات الحشرية، إلى جانب التأثير البيئي البسيط نسبيًا للأنظمة. علاوة على ذلك، تُظهر أنظمة aquaponic كفاءة اقتصادية، تتميز بانخفاض استهلاك المياه، وإعادة تدوير المغذيات على النحو الأمثل، والطلب المتواضع على مساحة الأرض. ويمكن نشر هذه الأنظمة في المناطق ذات ظروف التربة دون المستوى الأمثل أو مصادر المياه المعرضة للخطر، مما يستلزم كميات محدودة فقط من المياه. علاوة على ذلك، فإن بيئات الزراعة المائية تكون عمومًا خالية من الأعشاب الضارة والآفات ومسببات الأمراض التي تنتقل عن طريق التربة، مما يتيح الإنتاج المستمر والمتسارع لمحاصيل عالية الجودة.
لقد ركز البحث الأكاديمي في نظام aquaponics في الغالب على الجوانب الفنية، مع وجود مجموعة محدودة نسبيًا من المؤلفات التي تدرس جدواها الاقتصادية، وخاصة في التطبيقات التجارية. على الرغم من أن نظام aquaponics يعتبر على نطاق واسع مربحًا ومستدامًا، إلا أن الحساب الدقيق لتكاليف التشغيل والتحليل المقارن للأنظمة المختلفة معقد بسبب ظروف الموقع غير المتجانسة، والتقلب المناخي، وتسعير السوق الديناميكي. تمثل نفقات الطاقة عنصرًا كبيرًا من عناصر التكلفة، مما يظهر تباينًا كبيرًا بين البلدان، مما يزيد من عرقلة تقييمات الربحية الدقيقة. يقترح بعض الباحثين أن نظام aquaponic يحقق التعادل المالي خلال فترة عامين، بينما يدعو آخرون إلى تقييم الربحية بناءً على مقياس لكل متر مربع.
إن الأدبيات الأكاديمية الحالية حول الاستدامة الاقتصادية لأنظمة aquaponic أقل شمولاً بشكل ملحوظ من تلك المتاحة لأنظمة الزراعة المائية التقليدية. وبالتالي، فإن الجدوى الاقتصادية لمشاريع aquaponic تتطلب تقييم كل حالة على حدة. هناك العديد من العوامل، مثل بنية النظام، والتغيرات المناخية الموسمية، والطاقة المحلية أو نفقات الأراضي، تؤثر بشكل حاسم على ربحية عمليات الزراعة المائية.
وتشير الدراسات الإضافية إلى أن أنظمة الزراعة المائية يمكن أن تستخدم سمادًا أقل بنسبة 14٪ مقارنة بأنظمة الزراعة المائية. على الرغم من هذا التخفيض، يجب على المزارعين التأكد مما إذا كانت النفقات المرتبطة بصيانة تربية الأحياء المائية أكثر فعالية من حيث التكلفة من متطلبات الأسمدة الإضافية للزراعة المائية.
تشمل العوائق غير النظامية أمام النجاح الاقتصادي لأنظمة aquaponic الخبرة المتعددة التخصصات المطلوبة، ومحدودية الوصول إلى التمويل، وعدم كفاية الوعي العام فيما يتعلق بالزراعة المائية. وبالتالي، قد تتطلب مؤسسات الزراعة المائية المائية مبادرات علامات تجارية أكثر شمولاً من الزراعة المائية، وهي تقنية راسخة نسبيًا في الولايات المتحدة.
ينبع أحد القيود الكبيرة أمام تطوير الزراعة المائية المائية من ندرة البيانات المتاحة للجمهور حول الجدوى المالية القابلة للتطبيق تجاريًا، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى إحجام الشركات الخاصة عن الكشف عن دراسات الملكية.
الأمثلة الحالية
أوروبا
- تأسست الجمعية الأوروبية للزراعة المائية في مارس 2018، لتوفير إطار عمل تعاوني للدول الأوروبية لتعزيز أبحاث الزراعة المائية وتنفيذ الممارسات المستدامة.
آسيا
- بنجلاديش، وهي دولة ذات أعلى كثافة سكانية على مستوى العالم، تستخدم في كثير من الأحيان المواد الكيميائية الزراعية لتعزيز إنتاج الغذاء وإطالة العمر الافتراضي، على الرغم من عدم كفاية الرقابة التنظيمية فيما يتعلق بالمستويات الكيميائية الآمنة في الغذاء للاستهلاك البشري. ولمواجهة هذا التحدي، قام فريق بحثي بقيادة محمد سلام من قسم الاستزراع المائي في جامعة بنجلاديش الزراعية بابتكار نظام aquaponics منخفض التكلفة. ويهدف هذا النظام إلى توفير المنتجات العضوية والأسماك للمجتمعات المقيمة في المناطق المناخية الصعبة، بما في ذلك المناطق الجنوبية المتضررة من الملوحة ومناطق الهاور المعرضة للفيضانات في الشرق. تقدم مبادرة سلام نهجًا مبتكرًا لزراعة الكفاف، تستهدف الإنتاج الصغير على مستوى المجتمع والمستوى الفردي.
- تم تطوير نظام البستنة المائية لتنفيذه على أسطح المنازل في مدينة غزة.
أمريكا الشمالية
- تقدم كلية داكوتا في بوتينو، الواقعة في بوتينو، داكوتا الشمالية، برنامجًا للزراعة المائية يمكّن الطلاب من الحصول على شهادة أو درجة مشارك في العلوم التطبيقية (AAS) في هذا المجال.
- بدأت منشأة طريق سميث في دنفر برنامجًا للزراعة المائية مصممًا لتوفير الطعام لعدد يتراوح بين 800 إلى 1000 نزيل في سجن دنفر، بالإضافة إلى 1500 نزيل و700 ضابط في منشأة قريبة بوسط المدينة.
- في نيكاراغوا، تدير المنظمة التطوعية "أصدقاء المسيح" مزرعة تستخدم أساليب الزراعة المائية لتوفير القوت لأكثر من 900 من تلاميذ المدارس الفقراء.
- هناك اتجاه ملحوظ يتضمن التكامل المجتمعي لنظام aquaponics، والذي يتمثل في المنظمة غير الربحية Growing Power. توفر هذه المؤسسة فرص عمل وتدريبًا لشباب ميلووكي أثناء زراعة الطعام لمجتمعهم المحلي. وقد ألهم هذا النموذج الناجح العديد من المبادرات الفضائية في المراكز الحضرية الأخرى، بما في ذلك نيو أورليانز، حيث تأثر مجتمع صيد الأسماك الفيتنامي بتسرب النفط في ديب ووتر هورايزون، وفي جنوب برونكس بمدينة نيويورك.
- تقدم منظمة Whispering Roots، وهي منظمة غير ربحية مقرها في أوماها، نبراسكا، أغذية طازجة ومزروعة محليًا ومغذية للمجتمعات المحرومة اجتماعيًا واقتصاديًا من خلال تطبيق نظام aquaponics، والزراعة المائية، وتقنيات الزراعة الحضرية.
- تشير التطورات الأخيرة إلى تحول في نظام aquaponics نحو أنظمة الإنتاج الداخلي. وفي المراكز الحضرية مثل شيكاغو، يستخدم رواد الأعمال تصميمات رأسية لتسهيل زراعة الغذاء على مدار العام. تتيح هذه الأنظمة الإنتاج الغذائي المستمر مع الحد الأدنى من توليد النفايات.
البحر الكاريبي
- أطلقت جزيرة بربادوس الكاريبية مبادرة لإنشاء أنظمة aquaponic منزلية، أطلق عليها اسم "آلة aquaponic". ويهدف هذا البرنامج إلى تحقيق الإيرادات عن طريق بيع المنتجات للسياح، وبالتالي التخفيف من اعتماد الجزيرة المتزايد على الأغذية المستوردة.
يتقارب ممارسون الزراعة المائية على مستوى العالم في منصات ومنتديات مجتمعية عبر الإنترنت لتبادل الخبرات، وتعزيز تقدم طريقة الزراعة هذه، وتطوير موارد شاملة لبناء أنظمة منزلية.
تتوفر أنظمة معيارية متنوعة للجمهور، تستخدم مبادئ الزراعة المائية والنباتية لزراعة الخضروات والأعشاب العضوية بينما تعمل في نفس الوقت كعناصر ديكور داخلية. توفر هذه الأنظمة مصدرًا داخليًا للمنتجات الطازجة. تدعم الجامعات بنشاط الأبحاث المتعلقة بهذه الأنظمة المعيارية، نظرًا لشعبيتها المتزايدة بين سكان المناطق الحضرية.
نظام الأرز والأسماك
- نظام الأرز والأسماك
- الاستزراع المائي المتكامل متعدد العناصر الغذائية
- الزراعة العمودية