Effect of alternative fish feed and electricity independent oxygenation in decoupled aquaponic systems

Abstract

Aquaponic systems combine Recirculating Aquaculture Systems (RAS) and hydroponic systems, combining the production of animal protein and plants. RAS wastewater enriched in nutrients is used by plants in hydroponic units. RAS rely on fishmeal and fish oil, which are finite resources as aquafeed ingredients, but alternative and more sustainable ingredients have been developed; black soldier fly (Hermetia Illucens) meal is one of the most promising alternatives. Therefore, the aim of experiment 1 was to investigate if using a fishmeal based diet (FIM) or, alternatively, a black solider fly meal based diet (BSF) has different effects on lettuce growth in decoupled aquaponic systems. Three different treatments were applied: one hydroponic treatment (control treatment); and two aquaponic treatments. The nutrient solution was made with fish wastewater from a RAS fed either with fishmeal based diet (FIM treatment) or black soldier fly meal based diet (BSF treatment). Abiotic parameters of the nutrient solutions were monitored (temperature, electrical conductivity, dissolved oxygen), air temperature, relative humidity, as well as micro- and macronutrients in the nutrient solutions; and fresh weight (FW), dry weight (DW), number of leaves, water consumption and SPAD values of the lettuce. Similar lettuce yields were observed between the treatments. However, in FIM treatment, higher sodium concentrations were seen in the nutrient solution. This is the first study showing the benefits of using alternative fish diets in decoupled aquaponic systems, to avoid potentially harmful sodium levels in aquaponic nutrient solutions. Aquaponics and hydroponics can be unsustainable in areas where electricity is unavailable, expensive or unstable; thus, the experiment 2 was carried out to test an alternative method of oxygenating nutrient solutions without electricity using H2O2, and its potential effects on lettuce growth in hydroponic and aquaponic systems. Three treatments were applied: hydroponic control treatment with compressed air (H air); and two other treatments with nutrient solutions provided with a passive H2O2-supply instead of compressed air: a hydroponic treatment (H H2O2) and an aquaponic treatment (RAS H2O2). The same parameters as in experiment 1 were examined and no significant differences in terms of growth or yield were observed. Hence, it shows that this method of oxygenation is a valid alternative for setups in areas where the electrical grid is a limitation.

RESUMO - Sistemas aquapónicos combinam os sistemas de recirculação em aquacultura (RAS) e sistemas hidropónicos, combinando a produção de proteína animal e plantas. A água residual do RAS rica em nutrientes é usada por plantas nas unidades hidropónicas. RAS depende da farinha e óleo de peixe, que são recursos finitos, como ingredientes para a ração dos peixes mas, ingredientes alternativos foram desenvolvidos; a farinha de mosca soldado negra (Hermetia Illucens) é das mais promissoras. Assim, o objetivo da experiência 1 foi investigar se o uso da ração baseada em farinha de peixe (FIM) ou alternativamente, a ração baseada em farinha de mosca soldado negra (BSF), produz diferentes efeitos no crescimento da alface em sistemas aquapónicos desacoplados. Usou-se três tratamentos, um tratamento hidropónico (controlo) e dois tratamentos aquapónicos, com solução nutritiva preparada com água residual de um RAS alimentado com ração baseada em farinha de peixe, tratamento FIM, ou baseada em farinha de mosca soldado negra, tratamento BSF. Parâmetros abióticos das soluções nutritivas foram monitorizados (temperatura, condutividade elétrica, oxigénio dissolvido), temperatura do ar, humidade relativa, tal como os micro- e macronutrientes; e massa fresca, massa seca, número de folhas, consumo de água e valores SPAD das alfaces. Observou-se semelhantes produções de alface entre os tratamentos. Porém, no tratamento FIM, maiores concentrações de sódio foram encontradas na solução nutritiva. Este é o primeiro estudo que mostra os benefícios do uso de rações alternativas em sistemas aquapónicos desacoplados. A aquaponia e hidroponia podem ser insustentáveis em áeras onde a eletricidade está indisponível, cara ou instável; assim, a experiência 2 foi realizada para testar um método alternativo de oxigenação das soluções nutritivas sem uso de electricidade usando H2O2. Usou-se três tratamentos: tratamento hidropónico controlo com ar comprimido (H air); e dois tratamentos com soluções nutritivas com fornecimento passivo de H2O2 em vez de ar comprimido: um tratamento hidropónico (H H2O2) e um tratamento aquapónico (RAS H2O2). Os mesmos parâmetros da experiência 1 foram obtidos e não se observou diferenças significativas em termos de crescimento ou rendimento. Assim, demonstra que este método de oxigenação é uma alternativa válida em áreas onde a rede elétrica é instável.