Aquaponie v moderním zemědělství

13. 12. 2024 Ing. Michal Netolický; Flenexa plus s.r.o. Technologie pěstování Zobrazeno 443x

Aquaponie je metoda produkce potravin, která spojuje akvakulturu (chov ryb) s hydroponií (pěstování rostlin bez půdy). Využívá jejich symbiózy a s pomocí bakterií dosahuje maximálního využití vstupů. Výsledkem jsou zdravé a chutné ryby a čerstvá zelenina po celý rok.

Role aquaponických technologií v zemědělství

Aquaponie představuje rychle se rozvíjející systém zemědělské výroby, kombinující akvakulturu s hydroponií, ve kterém je odpadní voda z chovu ryb využívána při pěstování zemědělských plodin v hydroponii. Aquaponickou farmu lze provozovat jako indoor nebo outdoor systém. Hlavním rozdílem je řešení osvětlení rostlinné části, kdy v indoor systému se využívá především umělé osvětlení formou LED pěstebních svítidel. V případě LED osvětlení se jedná o světla se speciálním pěstebním spektrem, tedy se spektrem, které působí na fotosyntézu a růst rostlin.

Schéma vazeb mezi rybami, bakteriemi a rostlinami v rámci systému aquaponického pěstování zeleniny a produkce ryb

Oproti jiným systémům technologického zemědělství mají aquaponické systémy mnoho výhod, patří mezi ně například:

• § efektivní využití vody (minimální nebo nulová výměna; ztráta vody jen v důsledku odpařování nebo odstraňování tuhých odpadů),
• § tuhý odpad (kal) může být využitý jako organické hnojivo,
• § vysoká produktivita a zisk.

Významným problémem při chovu ryb v samostatných akvakulturách je likvidace velkého množství odpadu bohatého na živiny. Ve standardním systému akvakultur jsou do životního prostředí vypouštěny odpadní vody se zvýšenou koncentrací živin a nerozpuštěných látek, vznikajících vylučováním ryb, z nadměrného množstvím krmiva a dalšími metabolity ryb. V závislosti na druhu a technologii chovu ryb se může do životního prostředí z akvakultury dostat až 85 % fosforu, 80–88 % uhlíkatých sloučenin a 52–95 % dusíku. Naopak aquaponie nejenže eliminuje problémy s vypouštěním odpadních vod z akvakultury, ale navíc umožňuje recyklaci až 98 % vody, čím značně redukuje množství odpadních vod vypouštěných do životního prostředí.

Hydroponicky pěstované rostliny se v aquaponickém systému chovají jako biofiltry a efektivně zabraňují akumulaci odpadních živin z chovu ryb. Tímto způsobem je možné dosáhnout vysoké efektivity využití vody při současném chovu ryb a pěstování plodin v aquaponickém systému. Pěstování rostlin v akvakultuře také předchází problémům s kontaminací a degradací zemědělských půd. Díky kontrolovanému prostředí, které poskytuje stabilní denní teplotu a osvětlení, je produkce zeleniny v aquaponickém systému vyšší než při pěstování na poli. Např. salát pěstovaný v aquaponii se může sklízet za cca 32–35 dní, zatímco v konvenčním zemědělství je salát sklízen po zhruba 45 dnech. Při správném nastavení aquaponického systému a dodržování ekologických postupů by se zelenina vyprodukovaná v aquaponii mohla prodávat jako organický produkt s příjmem o 50–100 % větším než běžné zemědělské produkty.

Aquaponie a urban farming

Aquaponie je díky několika klíčovým výhodám velmi vhodná pro městské zemědělství (tzv. urban farming), hlavní je efektivní využití prostoru. V městech, kde je prostor omezený a drahý, umožňuje aquaponie pěstování velkého množství rostlin a chov ryb na malé ploše. Systémy mohou být instalovány na střechách, v nevyužitých budovách nebo dokonce ve sklepích. Jen pro představu na ploše bytu 3+kk o velikosti 70 m² je možné provozovat farmu s 3 000 pěstebních pozic, tedy s produkcí např. 3 000 salátů měsíčně, a k tomu odpovídající chov ryb. Takovouto farmu je schopen obsloužit jediný pracovník na zkrácený úvazek.

Technologie indor aquaponie využívá pro pěstování rostlin umělé LED osvětlení se speciálním spektrem

Další důležitou výhodou je produkce čerstvých a zdravých potravin přímo ve městě. To snižuje závislost na dovozu potravin z venkovských oblastí, a tím nejen náklady na dopravu, ale také zajišťuje, že potraviny jsou čerstvé a mají vyšší nutriční hodnotu. Lokální produkce rovněž podporuje místní ekonomiku a vytváří pracovní místa v městských oblastech.

Vertikální pěstování v aquaponii znamená pěstování rostlin v patrech. Ve střední Evropě je půda velmi vzácná, je proto snadné pochopit úspory plynoucí z pěstování v patrech. Jinde ve světě, kde mají více hodin slunečního svitu a větší množství jinak nevyužitelných pozemků, dává smysl pěstovat plodiny v jedné úrovni. U nás máme půdu drahou a navíc kvalitní, takže ji nechceme zbytečně zastavovat. Vertikální způsob pěstování je proto v našich zeměpisných šířkách na místě, protože poskytuje dostupnější produkci a šetří životní prostředí.

Design aquaponických systémů

Design aquaponických systémů odpovídá návrhu recirkulačních systémů pro chov ryb s přidáním hydroponické složky a zařazením biofiltru a komponent na odstranění jemných a nerozpustných pevných látek. Základní prvky aquaponického systému tvoří nádrž s rybami, komponent na odstraňování usazených a nerozpuštěných pevných částic, biofiltr s bakteriemi a hydroponická pěstební část se zeleninou.

Z odpadní vody vzniklé při chovu ryb se nejprve odstraní pevné a nerozpustné částice. Dále ve vodě dochází díky nitrifikačním bakteriím k přeměně dusíkatých sloučenin na netoxické formy. Během tohoto procesu bakterie oxidují toxický amoniak (NH₃) a dusitan (NO₂) na relativně netoxický dusičnan (NO₃). Pěstované rostliny využívají živiny pro svůj růst z vody proudící hydroponickou jednotkou. Nakonec se voda shromažďuje v nádrži, odkud se vrací do chovné nádrže s rybami.

Pro koloběh dusíku v chovném systému, který probíhá stejně jako v přírodních nádržích a tocích, je důležitá přítomnost mikroorganizmů. Tyto mikroorganizmy mineralizují organické dusíkaté látky (např. výkaly ryb, nespotřebované krmivo, odumřelé rostliny atd.) deaminací na amoniakální dusík, uhlík a vodík. Oxidací amoniakálního a dusitanového dusíku za přítomnosti kyslíku získávají nitrifikační bakterie energii pro tvorbu nové biomasy a jako její stavební kámen využívají uhlík pocházející z oxidu uhličitého. Tato oxidace amoniakálního dusíku v aerobním prostředí probíhá ve dvou krocích a nazývá se nitrifikace. V prvním kroku nejprve oxiduje amoniak pomocí bakterií např. rodu Nitrosomonas na dusitany a v druhém kroku jinými bakteriemi, např. rodu Nitrobacter, dále na dusičnany.

Hydroponické systémy využívané v aquaponických technologiích se rozdělují do tří základních typů:

• NFT systém (Nutrient film technique) - slabý proud vody, který obsahuje živiny z nádrže s rybami, cirkuluje podél odhalených kořenů rostlin. Rostliny jsou umístěné do otvorů nad mělkými kanály s proudící vodou, kde jejich kořeny visí volně dolů a využívají živiny z vody pro svůj růst. Použití NFT techniky umožňuje pěstovat pouze malé druhy zeleniny a nutné je také odstranění pevných částic z vody, aby nedošlo k zablokování systému ucpáním pevnými částicemi.

Podoba venkovního, patrového NFT systému, kdy pomalu tekoucí voda se živinami cirkuluje kolem odhalených kořenů rostlin, rostoucích v pěstebních kanálech

• Systém plovoucích desek (Floating raft/deep water culture systém) - tento typ sestává z plovoucích desek (většinou polystyrenových), které plavou na hladině cirkulující odpadní vody. Díky tomu nedochází k ucpání systému pevnými částicemi jako v NFT systému. Voda z nádrže s rybami cirkuluje do nádrže s rostlinami (zelenina), které tak mají zabezpečený neustálý příjem živin. Podobně jako u NFT systému je nutné řešit i zde použití biofiltrů s bakteriemi. Nicméně, oproti jiným systémům je systém „plovoucích raftů“ z hlediska konstrukce a údržby levnější.

Michal Netolický prezentuje systém plovoucích desek, umístěných na hladině cirkulující odpadní vody

• Systém plněný pevným podpůrným materiálem (Media filled systém) - poslední typ představuje na konstrukci i implementaci nejjednodušší systém, v němž se k naplnění pěstebních ploch využívá drobný štěrk, kamínky nebo perlit. Rostliny jsou v tomto systému umístěny v „růstovém loži“, není proto nutné použití biofiltrů, protože podpůrný materiál poskytuje dostatečnou plochu pro růst bakterií a probíhající nitrifikaci. Voda z nádrže s rybami je pumpovaná do „růstového lože“, kde působením nitrifikačních bakterií, zachycených na podpůrném materiálu, dochází k přeměně organických látek na živiny přístupné rostlinám. Takový systém je díky konstrukci, která umožňuje zvýšenou stabilitu rostlin, vhodný pro produkci více druhů zeleniny.

Pokud je při hydroponickém pěstování rostlin využit jako podpůrný materiál štěrk, písek nebo perlit, může současně v hydroponické části aquaponie docházet také k biofiltraci, tedy působení bakterií a přeměně dusíkatých sloučenin na dusičnany. Štěrková růstová lože pro rostliny se používají zejména na malých pěstebních plochách. V závislosti na konkrétním použitém materiálu se mohou ze štěrku uvolňovat minerální látky podporující růst rostlin, např. vápník.

Cirkulace živin v aquaponickém systému

Kvalita vody je klíčový faktor pro přežití všech organizmů v aquaponickém systému. Hlavními parametry udávajícími kvalitu vody v aquaponii jsou teplota, pH, rozpuštěný kyslík (DO - dissolved oxygen) a koncentrace amoniaku. Teplota vody je důležitý faktor zodpovědný za optimální růst ryb, rostlin a činnost nitrifikačních bakterií v biofiltru.

Hodnota pH ve vodě je zásadní parametr, který je třeba brát v úvahu již při zakládání aquaponického systému. Důležité je správně upravené pH v každé složce systému, neboť jednotlivé složky (akvakultura, hydroponie, biofiltr) vyžadují různé hodnoty pH. Zatímco pro ryby a nitrifikační bakterie je ideální pH 7–9, doporučené pH pro optimální dostupnost živin v hydroponii se pohybuje v rozmezí 5,5–6,5. Při upravování pH v aquaponii je potřeba brát do úvahy i to, že zásadité pH zvyšuje toxicitu NH₃ a kyselé pH zvyšuje toxicitu NO₂, a zároveň, při nižším pH se amoniak mění na méně toxickou amonnou formu. Rozdílné požadavky na pH v rostlinné a rybí části se promítají také do designu okruhů v aquaponickém systému, a proto se moderní aquaponické vertikální farmy navrhují jako dvouokruhové.

Rostliny pěstované v aquaponickém systému potřebují pro svůj optimální růst dostatek živin, ty jsou do systému dodávány v podobě krmiva pro ryby. Látky v krmivu obsažené, a jejich transformace aquaponickou biotechnologií, dodávají rostlinám především dusík a fosfor. Ale pro dobré fungování rostlinné části je třeba kromě makroprvků dodat i mikroprvky. Obecně jsou tak do rostlinné části systému průběžně dodávány prvky jako vápník, draslík a železo.

Limitace léčiv a pesticidů

Aquaponický systém nás díky pěstování rostlin a souběžnému chovu ryb významně limituje v použití prostředků k hubení škůdců a choroboplodných zárodků. Např. pesticidy k ošetření rostlin a hubení hmyzu se nemohou používat z toho důvodu, že svou přítomností v systému působí toxicky na ryby, které dále kvůli obsahu těchto nežádoucích látek v těle nemohou být použity ke konzumaci. Naproti tomu léčiva podávaná rybám mohou poškodit prospěšné mikroorganizmy či se hromadit v pěstovaných rostlinách, které je zabudovávají do své biomasy. Používání takových látek je tedy v aquaponickém systému nežádoucí. Tyto zákonitosti nám ale garantují vysokou kvalitu produkce, vhodnou i pro farmaceutické využití.

Jako prevenci před případnými škůdci a choroboplodnými zárodky lze doporučit důsledné kontrolování chemizmu vody a v případě potřeby provedení vhodných opatření k nápravě. Dále je nutné do systému zavádět pouze zdravé ryby v dobré kondici, kterým budeme pro udržení vysokého stupně imunity podávat jen kvalitní krmivo.

Mezi chované ryby aquaponických technologií patří např. jeseter

Současný stav aquaponie v ČR

V České republice je aquaponie stále relativně novou technologií, která však rychle nabírá na popularitě. První komerční a komunitní projekty se začaly objevovat v posledních deseti letech, přičemž hlavními průkopníky jsou malé a středně velké farmy, stejně jako vzdělávací instituce. V tuto chvíli je nejdéle kontinuálně fungující komerční farmou Aquaponická farma Přáslavice (www.aquaponickafarma.cz), která se kromě provozu věnuje i výzkumu a vzdělávání v této oblasti. Dále zde působí několik dalších menších farem a projektů.

Navzdory aktuálním úspěchům čelí aquaponie v ČR několika výzvám. Mezi hlavní překážky patří nedostatečná legislativa a regulace, vysoké počáteční investice a potřeba specifických technických znalostí a dovedností. Tyto faktory mohou rozvoj a provoz aquaponických systémů komplikovat, a proto je nezbytné pokračovat ve vzdělávání a poskytování odborné podpory zájemcům o tuto technologii.

Budoucnost aquaponie v České republice je však slibná. Rostoucí zájem o udržitelné a ekologické zemědělství vytváří příznivé podmínky pro další rozvoj této technologie a pokračující výzkum i inovace mohou zlepšit efektivitu a snížit náklady na provoz aquaponických systémů. To následně přispěje k jejich širšímu rozšíření a adopci.

Závěrem lze říci, že aquaponie má potenciál významně přispět k řešení současných výzev v zemědělství, jako je nedostatek vody a potřeba udržitelných metod produkce potravin. Projekty jako aquaponická farma Flenexa v Přáslavicích (www.aquaponickafarma.cz) ukazují, že tato technologie může být úspěšně implementována i v českých podmínkách, přičemž poskytuje čerstvé a zdravé potraviny celoročně. S pokračující podporou a inovacemi má aquaponie v ČR perspektivu stát se klíčovým prvkem moderního a udržitelného zemědělství.

Aquaponické pěstování zeleniny může podpořit lokální pěstitele a využít je možné i prostory, které jiným účelům nevyhovují