Λειτουργικές αποκρίσεις φυτών που αναπτύσσονται υπό συνθήκες ενυδρειοπονίας (aquaponics)

Abstract

Aquaponics is an integrated crop and fish production system, which operates according to the circular economy concept to produce food. It combines hydroponics and fish farming, connecting the two sub-systems through the recirculating water and the diluted nutrients. Fish metabolism and uneaten feed enriches the water with essential nutrients for plant growth. The conversion of wastes to resources makes aquaponics a promising and environmentally friendly cultivation technique. However, the main disadvantage of aquaponics is that certain essential nutrients for plant growth are often at suboptimal concentrations. The aim of the present work was to thoroughly examine crop’s functional responses, including physiological, biochemical and growth parameters, as well as fish growth performance in lab-scale aquaponics systems, to capture the cultivations dynamics and identify system’s weak points and the limitations they impose. The doctoral thesis was developed in three axes/sections. The first section includes the study of the above-mentioned functional responses of three crops when grown with nutrient inputs following the "minimum nutrient supplementation" approach. In the 2nd and 3rd section, the effects of qualitative and quantitative changes in fish diets on plant functional responses were studied. In all cases, plants were grown until they reached the marketable size, in co-culture with red tilapia (Oreochromis sp.). During the growing season, gas exchange and photosynthetic responses to light, the status and efficiency of the photosynthetic apparatus through chlorophyll a fluorescence in vivo, photosynthetic pigment concentrations, leaf nutrient composition and antioxidant capacity of the plants, as well as physicochemical parameters and water quality, together with plant and fish growth parameters were studied at regular intervals. In the case of the aromatic plants, basil and mint, the effect of treatments on the yield and qualitative composition of essential oil was also evaluated. In the first section, three independent experiments were conducted with lettuce (Lactuca sativa var Romana), spinach (Spinacia oleracea var Virofly), and spiny chicory or stamnagathi (Cichorium spinosum). Three different nutrient solutions were studied, a) additional Fe, b) combined addition of Fe+K, and c) the Control, which refers to aquaponics water without further supplementation. In lettuce, Control plants showed reductions in photosynthesis and the efficiency of the photosynthetic apparatus as early as day 14 of the experiment. These early signs continued throughout the experiment, with corresponding decreases in photosynthetic pigment concentration, antioxidant capacity and growth, all of which were attributed to Fe, K and Mn deficiencies, as demonstrated by nutrient analysis of the leaves. The Fe group showed high rates of photosynthesis and functionality of the photosynthetic apparatus, sustained throughout the cultivation period without stress symptoms. However, supplementation of K is considered necessary to ensure maximum lettuce yield, since Fe+K plants significantly increased lettuce production by 41 and 54% compared to Fe and Control groups respectively. Moreover, nutrient supplementation increased the specific growth rate in tilapia.Spinach plants in the Control group showed extensive chlorosis and functional impairment already on day 10 of the experiment that were attributed to Fe deficiency and ultimately caused a significantly reduced growth. The latter appeared to be the result of a concerted reduction in light absorption and light use efficiency, along with a down-regulation of photochemistry and carboxylation processes, which together were associated with early chlorophyll loss and possibly structural problems in the photosynthetic apparatus. In contrast, spinach plants in the Fe group showed similar growth and function to plants in the Fe+K group but outperformed them in chlorophyll content, photosynthetic rate and photochemical efficiency, mainly due to higher quantum yield of electron transport. Fish growth was unaffected by further nutrient input into the system. Iron deficiency proved to be the major weak point for spinach cultivation in coupled aquaponics systems, and the results demonstrate that sole iron supplementation can significantly improve the function and performance of spinach. In stamnagathi plants, Fe deficiency was crucial in shaping the responses of Control group, which showed inferior performance in terms of photochemistry, chlorophyll content, light use efficiency, and, subsequently, photosynthetic activity. Fe and Fe+K-treated plants exhibited similarly high performance in all studied parameters and achieved 4.5- and 4-fold increased yields, respectively, compared to Control. Fish growth characteristics and survival rates remained unaffected. The results demonstrate that aquaponics is an advantageous cropping system for stamnagathi, and that sole Fe supplementation is adequate to promote excellent performance and yield of this oligotrophic native species. In the second section, the functional responses of broad-leaf basil (Ocimum basilicum) were studied when two feeds of tilapia were applied, which differed in quality and composition. The first one used nettle (Urtica dioica) as an alternative to totally replace soybean meal in commercial feeds, thus a nettle meal in proportion of 30% of the diet was included (Nettle) and was compared to the optimal diet of the species (Control). During the experiment, two successive cuts of the aboveground part of the plants were performed and, in addition to the measurements mentioned at the beginning, fish flesh quality parameters were included. The results showed that the Nettle diet significantly reduced fish production and specific growth rate by 20%, while the feed biomass conversion factor increased by 50% compared to the Control diet. Fish survival and the protein and fat content of fish flesh remained unaffected. Plant growth was not significantly affected by the different diets, with the only response being the 20% increase in the leaf number of the Nettle group. Similar levels of all measured physiological and biochemical parameters were recorded in both treatments, without any stress symptoms. The main effect of nettle application on fish feed was found in the essential oil analyses. Oil yield was reduced by 30% in the Nettle group compared to the Control. In the opposite direction was the effect of Nettle on oil quality composition as more substances were detected compared to the Control. Significant differences were also recorded in the contribution of different components, with 15 substances being at higher levels in the Nettle plants and only one being exceeded by the Control. The percentage of eucalyptol, which gives the characteristic strong aroma of basil, increased by 85% in the Nettle treatment. Overall, the presence of nettle in aquaponic fish feed is evaluated as positive if the objective is to produce basil biomass and to exploit specific components of its essential oil. In the third section of the thesis, the effects of different feeding frequencies of red tilapia on mint (Mentha piperita) cultivation were studied. The treatments were a) two (FF2, every six hours), b) three (FF3, every four hours) and c) five (FF5, every two hours) times during the day ad libitum. The experiment lasted 45 days and two successive cuts were performed in the aboveground part of the plants. The results showed that increasing meals during the day up to five times did not affect the growth and functional responses of mint as well as fish growth. The most important results were that FF5 caused an increase in Mn content of mint leaves and increased two substances in the essential oil. Feeding frequencies FF2 and FF3 were equally effective for high plant and fish performance. In conclusion, two meals every 6 h daily is a suitable and effective feeding frequency for red tilapia in the co-cultivation with mint in aquaponics to avoid feed waste and increase the productivity of the system. This PhD thesis is the first in Greece to study aquaponics as an alternative farming system. It has been shown that with a " minimum nutrient supplementation " approach, besides being sustainable and environmentally friendly, it is an effective system that can achieve high yields, with stamnagathi showing the highest yields compared to all other conventional farming systems. In addition to the above, the results demonstrate - irrespective of the plant species - the necessity of monitoring the functional responses of the plants. They can give an early indication of constraints originating from the aquaponic system itself, describe their effects on the mechanisms underlying plant growth, highlight weak points of the system and indicate target points for further improvement and successful management.

Η ενυδρειοπονία είναι ένα σύστημα ταυτόχρονης καλλιέργειας φυτών και ψαριών που παράγει τροφή στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας. Συνδυάζει την υδροπονία και την εκτροφή ψαριών συνδέοντας τα δύο υπο-συστήματα μέσω της ανακυκλοφορίας νερού και θρεπτικών. Τα προϊόντα του μεταβολισμού των ψαριών και η τροφή που δεν έχει καταναλωθεί εμπλουτίζουν το νερό με τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά για την ανάπτυξη των φυτών. Η μετατροπή των αποβλήτων σε πόρους κάνει την ενυδρειοπονία ένα πολλά υποσχόμενο και φιλικό προς το περιβάλλον σύστημα καλλιέργειας. Εντούτοις, σημαντικό μειονέκτημα της φαίνεται να είναι ότι κάποια από τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά για την ανάπτυξη των φυτών βρίσκονται σε ελλειμματικές συγκεντρώσεις. Ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να εξετάσει διεξοδικά τις λειτουργικές αποκρίσεις των φυτών, συμπεριλαμβάνοντας φυσιολογικές, βιοχημικές και αναπτυξιακές παραμέτρους, αλλά και την ανάπτυξη των ψαριών σε ενυδρειοπονικά συστήματα εργαστηριακής κλίμακας ώστε να αποτυπώσει τη δυναμική των καλλιεργειών και να διερευνήσει τα αδύνατα σημεία της ενυδρειοπονίας και τους περιορισμούς που αυτά θέτουν. Η διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε σε τρεις άξονες-ενότητες. Στην 1η ενότητα μελετήθηκαν οι προαναφερθείσες λειτουργικές αποκρίσεις τριών καλλιεργειών όταν αναπτύσσονται με προσθήκη θρεπτικών που ακολουθεί την προσέγγιση των «ελάχιστων δυνατών εισροών». Στην 2η και 3η ενότητα μελετήθηκαν οι επιπτώσεις ποιοτικών και ποσοτικών αλλαγών στα σιτηρέσια των ψαριών στις λειτουργικές αποκρίσεις των φυτών. Σε όλες τις περιπτώσεις τα φυτά αναπτύχθηκαν σε συγκαλλιέργεια με κόκκινη τιλάπια (Oreochromis sp.) και έφτασαν μέχρι το εμπορεύσιμο μέγεθός τους. Κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου μελετήθηκαν σε τακτά χρονικά διαστήματα οι ανταλλαγές αερίων και η εξάρτηση της φωτοσύνθεσης από το φως, η κατάσταση και αποδοτικότητα της φωτοσυνθετικής συσκευής μέσω του φθορισμού της χλωροφύλλης α in vivo, οι συγκεντρώσεις των φωτοσυνθετικών χρωστικών, η θρεπτική σύσταση των φύλλων και η αντιοξειδωτική ικανότητα των φυτών, όπως και φυσικοχημικές παράμετροι και η ποιότητα του νερού, μαζί με αναπτυξιακές παραμέτρους των φυτών και των ψαριών. Στις περιπτώσεις των αρωματικών φυτών, βασιλικού και μέντας, εκτιμήθηκε επίσης, η επίδραση των μεταχειρίσεων στην απόδοση και ποιοτική σύσταση του αιθέριου ελαίου. Στην 1η ενότητα πραγματοποιήθηκαν τρία ανεξάρτητα πειράματα με καλλιέργεια μαρουλιού (Lactuca sativa ποικιλίας Romana), σπανακιού (Spinacia oleracea ποικιλίας Virofly) και σταμναγκαθιού (Cichorium spinosum). Μελετήθηκαν τρία διαφορετικά θρεπτικά διαλύματα, α) επιπλέον Fe, β) συνδυασμός Fe+K, με μάρτυρα την γ) ομάδα Control, η οποία ήταν νερό ενυδρειοπονίας χωρίς επιπλέον εισροές. Στο μαρούλι, τα φυτά Control εμφάνισαν ήδη από την 14η ημέρα του πειράματος μειώσεις στη φωτοσύνθεση και την αποδοτικότητα της φωτοσυνθετικής συσκευής. Αυτές οι πρώιμες ενδείξεις συνεχίστηκαν και στην υπόλοιπη διάρκεια του πειράματος, με αντίστοιχες μειώσεις σε συγκέντρωση φωτοσυνθετικών χρωστικών, αντιοξειδωτική ικανότητα και ανάπτυξη, το σύνολο των οποίων αποδίδεται σε ανεπάρκεια Fe, K και Mn, όπως απέδειξε η θρεπτική ανάλυση των φύλλων. Η προσθήκη Fe οδήγησε στη διατήρηση υψηλών ρυθμών φωτοσύνθεσης και λειτουργικότητας της φωτοσυνθετικής συσκευής καθ’ όλη την αναπτυξιακή περίοδο, χωρίς συμπτώματα καταπόνησης. Εντούτοις, η συμπληρωματική προσθήκη Κ κρίνεται απαραίτητη για την εξασφάλιση της μέγιστης απόδοσης του μαρουλιού, καθώς στα φυτά Fe+K αυξήθηκε σημαντικά η παραγωγή κατά 41 και 54% συγκριτικά με τις ομάδες Fe και Control αντίστοιχα. Επιπλέον, η συμπλήρωση θρεπτικών συστατικών αύξησε τον ειδικό ρυθμό αύξησης στην τιλάπια. Τα φυτά σπανακιού στην ομάδα Control παρουσίασαν ήδη από την 10η ημέρα του πειράματος εκτεταμένη χλώρωση και λειτουργικές βλάβες που αποδόθηκαν σε τροφοπενία σιδήρου και εν τέλει προκάλεσαν μία σημαντικά μειωμένη ανάπτυξη. Η τελευταία φάνηκε να είναι το αποτέλεσμα μίας συντονισμένης μείωσης της απορρόφησης φωτός, της αποδοτικότητας της χρήσης του φωτός, της φωτοχημείας και των διαδικασιών καρβοξυλίωσης, τα οποία συνολικά συνδέονται με την πρώιμη απώλεια χλωροφυλλών και πιθανώς με δομικά προβλήματα στην φωτοσυνθετική συσκευή. Αντίθετα, τα φυτά σπανακιού στην ομάδα Fe παρουσίασαν παρόμοια ανάπτυξη και λειτουργία με τα φυτά της ομάδας Fe+K αλλά τα ξεπέρασαν στην περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη, φωτοσυνθετικό ρυθμό και φωτοχημική απόδοση, κυρίως λόγω της υψηλότερης ανά φωτόνιο απόδοσης στη ροή ηλεκτρονίων. Η ανάπτυξη των ψαριών έμεινε ανεπηρέαστη από την προσθήκη θρεπτικών συστατικών στο σύστημα. Η τροφοπενία σιδήρου αποδείχτηκε ως το σημαντικότερο αδύναμο σημείο για την καλλιέργεια σπανακιού σε συζευγμένα συστήματα ενυδρειοπονίας, και τα αποτελέσματα αποδεικνύουν πως μόνο η συμπλήρωση σιδήρου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη λειτουργία και την απόδοση στο σπανάκι.Η τροφοπενία σιδήρου ήταν καθοριστική και για την καλλιέργεια του σταμναγκαθιού όπως αποτυπώθηκε στην ομάδα Control, η οποία κατέγραψε κατώτερη απόδοση όσον αφορά τη φωτοχημεία, την περιεχόμενη χλωροφύλλη, την αποτελεσματικότητα χρήσης φωτός και τελικά τη φωτοσυνθετική δραστηριότητα. Τα φυτά σταμναγκαθιού στις μεταχειρίσεις Fe και Fe+K παρουσίασαν παρόμοια υψηλή απόδοση σε όλες τις παραμέτρους που μελετήθηκαν και επιτεύχθηκε 4,5 και 4,0 φορές υψηλότερη απόδοση σε σχέση με την ομάδα Control αντίστοιχα. Τα αναπτυξιακά χαρακτηριστικά των ψαριών και η επιβίωση παρέμειναν ανεπηρέαστα από τα διαφορετικά θρεπτικά διαλύματα. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η ενυδρειοπονία είναι ένα σύστημα καλλιέργειας με πολλά πλεονεκτήματα για την καλλιέργεια σταμναγκαθιού, με την προϋπόθεση να συμπληρώνεται σίδηρος ώστε να επιτυγχάνονται τα βέλτιστα αποτελέσματα στην απόδοση ολιγοτροφικών αυτοφυών ειδών. Στη 2η ενότητα μελετήθηκαν οι λειτουργικές αποκρίσεις του πλατύφυλλου βασιλικού (Ocimum basilicum) σε δύο διαφορετικά ως προς την ποιότητα και σύνθεσή τους σιτηρέσια της τιλάπιας, με χρήση της τσουκνίδας (Urtica dioica) ως εναλλακτική λύση στην αντικατάσταση του σογιάλευρου των εμπορικών τροφών. Μελετήθηκαν α) ολική αντικατάσταση του σογιάλευρου με άλευρο τσουκνίδας σε αναλογία 30% της τροφής (Nettle), σε σύγκριση με β) την βέλτιστη τροφή του είδους (Control). Στη διάρκεια του πειράματος πραγματοποιήθηκαν δύο διαδοχικές κοπές του υπέργειου μέρους των φυτών και εκτός από τις μετρήσεις που αναφέρθηκαν στην αρχή, εδώ συμπεριλήφθηκαν και παράμετροι ποιότητας της σάρκας των ψαριών. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως το σιτηρέσιο Nettle μείωσε σημαντικά την παραγωγή των ψαριών και τον ειδικό ρυθμό αύξησης κατά 20%, ενώ ο συντελεστής μετατρεψιμότητας της τροφής σε βιομάζα αυξήθηκε κατά 50% σε σχέση με την τροφή Control. Η επιβίωση των ψαριών και η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη και λίπος στην σάρκα τους παρέμεινε ανεπηρέαστη. Η ανάπτυξη των φυτών δεν επηρεάστηκε σημαντικά από τις διαφορετικές τροφές, με μόνη απόκριση στον αριθμό των φύλλων που αυξήθηκε κατά 20% στην ομάδα Nettle. Και στις δύο μεταχειρίσεις καταγράφηκαν παρόμοια επίπεδα στις μετρηθείσες φυσιολογικές και βιοχημικές παραμέτρους και απουσία καταπόνησης. Η κύρια επίδραση της εφαρμογής της τσουκνίδας στην τροφή των ψαριών αποτυπώθηκε στις αναλύσεις αιθέριων ελαίων. Η απόδοση ελαίου ήταν κατά 30% μειωμένη στην ομάδα Nettle σε σύγκριση με το Control. Αντίστροφης κατεύθυνσης ήταν η επίδραση του Nettle στην ποιοτική σύσταση του ελαίου καθώς ανιχνεύτηκαν περισσότερες ουσίες συγκριτικά με το Control. Επίσης, σημαντικές διαφοροποιήσεις καταγράφηκαν και στα ποσοστά παρουσίας των διαφόρων συστατικών, με 15 ουσίες να βρίσκονται σε υψηλότερα επίπεδα στα φυτά Nettle και μόλις σε μία να υπερτερεί το Control. Το ποσοστό ευκαλυπτόλης, που δίνει το χαρακτηριστικό έντονο άρωμα του βασιλικού αυξήθηκε κατά 85% στη μεταχείριση Nettle. Συνολικά, η παρουσία της τσουκνίδας στην ιχθυοτροφή ενυδρειοπονικής καλλιέργειας αξιολογείται ως θετική εάν ο στόχος είναι η παραγωγή βιομάζας βασιλικού και η εκμετάλλευση συγκεκριμένων συστατικών του αιθέριου ελαίου του. Στην 3η ενότητα της διατριβής μελετήθηκαν οι επιπτώσεις σε καλλιέργεια μέντας (Mentha piperita) τριών συχνοτήτων σίτισης της κόκκινης τιλάπιας: δύο (FF2, ανά έξι ώρες), τρεις (FF3, ανά τέσσερις ώρες) και πέντε (FF5, ανά δύο ώρες) φορές στην διάρκεια της ημέρας μέχρι κορεσμό. Η καλλιέργεια διήρκεσε 45 ημέρες και πραγματοποιήθηκαν δύο διαδοχικές κοπές στο υπέργειο τμήμα των φυτών. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η αύξηση των γευμάτων στην διάρκεια της ημέρας έως πέντε φορές δεν επηρέασε τις αναπτυξιακές και λειτουργικές αποκρίσεις της μέντας αλλά και την ανάπτυξη των ψαριών. Τα σημαντικότερα αποτελέσματα ήταν ότι η FF5 προκάλεσε αύξηση του Mn στο υπέργειο μέρος των φυτών και αύξησε δύο ουσίες στα αιθέρια έλαια της μέντας. Οι συχνότητες σίτισης FF2 και FF3 ήταν εξίσου αποτελεσματικές για την υψηλή απόδοση των φυτών και των ψαριών. Συμπερασματικά, τα δύο γεύματα ανά 6 ώρες σε ημερήσια βάση είναι κατάλληλη και αποτελεσματική συχνότητα σίτισης της κόκκινης τιλάπιας για την παράλληλη καλλιέργεια μέντας στην ενυδρειοπονία ώστε να εξοικονομείται τροφή και να αυξάνεται η παραγωγικότητα του συστήματος.Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η πρώτη στην Ελλάδα που μελετά την ενυδρειοπονία ως εναλλακτικό σύστημα καλλιέργειας. Αποδείχτηκε ότι με μία προσέγγιση «ελάχιστων δυνατών εισροών» είναι εκτός από βιώσιμο και περιβαλλοντικά φιλικό, ένα αποτελεσματικό σύστημα που μπορεί να επιτύχει και υψηλές αποδόσεις, με το σταμναγκάθι να εμφανίζει τις υψηλότερες από όλα τα υπόλοιπα συμβατικά συστήματα καλλιέργειας. Εκτός των παραπάνω, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν -ανεξάρτητα από το φυτικό είδος- την αναγκαιότητα παρακολούθησης των λειτουργικών αποκρίσεων των φυτών. Αυτό διότι μπορούν να δώσουν μία έγκαιρη ένδειξη για τους περιορισμούς που προέρχονται από το ίδιο το σύστημα ενυδρειοπονίας, να περιγράψουν τις επιπτώσεις τους στους μηχανισμούς που υποστηρίζουν την ανάπτυξη των φυτών, να καταδείξουν τα αδύναμα σημεία του συστήματος και να υποδείξουν τα σημεία-στόχους για περαιτέρω βελτίωση και επιτυχή διαχείριση.