Celá problematika biológie a chémie v akvaponických systémoch je značne rozsiahla a relatívne komplikovaná. V tejto časti sú popísané len základné mechanizmy tých najdôležitejších procesov, ktorých správne nastavenie a kontrola sú pre dobre fungujúci akvaponický systém nevyhnutné.

Dobrá znalosť biologických procesov je základom úspešného akvaponického pestovania. To každopádne vyžaduje od pestovateľa, alebo obsluhujúceho personálu na farme relatívne veľké množstvo znalostí, ktoré sa vyrovnajú profesionálnemu personálu veľkých rybích, prípadne hydroponických fariem. Obsluha akvaponického systému musí vlastne znalosti týchto dvoch profesií skĺbiť dohromady. Tento fakt je určite najväčším úskalím celej akvapónie a jej rozvoja.

Nitrifikácia

V akvapónií je treba spomenúť dva najdôležitejšie procesy. Prvým z nich je proces nitrifikácie, ktorý obstarávajú špeciálne nitrifikačné baktérie. Jedná sa o biologický proces premeny amoniaku (NH4+), ktorý vylučujú ryby prostredníctvom svojich žiabrí a jeho oxidáciu na dusitan (NO2-) a následne na dusičnan (NO3-), ktorý už rastliny vedia vstrebávať. Amoniak aj dusitan je pre ryby v relatívne malých koncentráciách toxický a pre rastliny nie sú tieto formy dusíka ľahko prístupné, zatiaľ čo dusičnan je ideálne hnojivo a ryby dokážu tolerovať jeho relatívne vysoké koncentrácie. Nitrifikácia najlepšie prebieha v tme a pri dostatku kyslíku, zároveň sú nitrifikačné baktérie náchylné na zmeny pH a v nestabilnom systéme nepracujú tak ako majú. Pokiaľ sa z nejakého dôvodu objaví v systéme nedostatok kyslíka, tento proces sa otočí na takzvanú denitrifikáciu. Baktérie začnú využívať dusičnan ako zdroj kyslíka a čistý dusík v plynnej forme začne zo systému unikať do okolia. Nitrifikačné baktérie nie sú pre človeka patogénne. Do nového akvaponického systému sa dostanú prirodzene zo vzduchu a pokiaľ majú vhodné podmienky, rýchle nové prostredie osídlia a behom niekoľko týždňov sa celý proces nitrifikácie v akvaponickom systéme rozbehne samovoľne. 

Biofilter

Pre dobré fungovanie mikrobiálnych procesov, a to najmä pre nitrifikáciu, je potrebné v akvaponickom systéme zaistiť dostatok povrchu pre bakteriálnu kolonizáciu. Nitrifikačné baktérie majú rady stabilné a temné prostredie. Ideálnym miestom v akvaponickom systéme je pre ne filtračný substrát. To je vo väčšine prípadov štrk, keramzit, zeolit, alebo špeciálne filtračné hmoty a náplne podobné tým z akváriových filtrov, ako je napríklad akvacit, prípadne tzv. plastic balls. Tieto materiály obsahujú veľké množstvo malých povrchov, v ktorých môžu nitrifikačné baktérie žiť. Množstvo použitého materiálu v systéme závisí predovšetkým na jeho póreznosti, celkovom objeme vody v systéme a množstve chovaných rýb. V prípade malých záhradných akvaponických systémov so štrkom alebo keramzitom, odporúčajú austrálski pestovatelia pomer objemu filtračného média k objemu nádrže s rybami 1:1. V malých akvaponických systémoch sa väčšinou potrebná veľkosť biofiltra výrazne prekročí, čo zvyšuje stabilitu takéhoto systému. Vo veľkých systémoch je už potrebné veľkosť a typ biofiltra, prípadne ich vhodnú kombináciu, starostlivo zvážiť.

Mineralizácia

Druhým dôležitým procesom je mineralizácia. Na tej sa podieľa široká škála baktérií a ďalších mikroorganizmov, ktoré rozkladajú organický odpad na jednoduché anorganické zlúčeniny rozpustné vo vode, ktoré sú následne opäť využité rastlinami. Aj tento proces je takzvane aeróbny, teda vyžaduje dostatok kyslíka pre svoj priebeh. V akvaponických systémoch sa často pevná časť odpadu separuje a v špeciálnej nádrži intenzívne prevzdušňuje. Vzniknutý roztok bohatý na živiny sa opäť vracia do akvaponického systému. V prípade nedostatku kyslíka vo vode sa proces mineralizácie kalu zmení na fermentáciu. Tá je v akvaponickom systéme nežiaduca, pretože dokáže veľmi silno meniť chemické vlastnosti vody, predovšetkým pH.

Kyslík

Kyslík je najdôležitejšou látkou v celej akvapónii, pretože umožňuje procesy premeny odpadu na živiny, a zároveň ho využívajú ryby a korene rastlín k svojmu dýchaniu. Pri kyslíku v akvapónii teda platí – čím viac, tým lepšie. Kyslík prirodzene prechádza z okolitého vzduchu do vody, pričom tento prechod je ovplyvnený predovšetkým teplotou (teplejšia voda dokáže prijať menej kyslíka, ako voda chladná) a plochou povrchu medzi vzduchom a vodou. Koncentrácia kyslíka sa veľmi zle stanovuje bez toho, aby sme mali špeciálne laboratórne vybavenie, preto sa v akvapónii väčšinou využívajú všetky možné spôsoby ako jeho množstvo vo vode udržať na čo najvyššej možnej úrovni. Najbežnejším, ale nie vždy najvhodnejším spôsobom, je využitie vzduchových kameňov ponorených do nádrže s rybami. Aj keď je to najefektívnejší spôsob ako dodávať do systému kyslík, jeho nevýhodou je silné mixovanie vody v nádrži s rybami, a tým aj rozbíjanie rybích exkrementov na veľmi malé častice. Tie potom ďaleko rýchlejšie zanášajú biofilter a prispievajú aj k tvorbe usadenín v rozvodnom potrubí systému. Jemné čiastočky kalu sa usádzajú na biofilme z vláknitých baktérií a môžu spôsobiť až celkové upchatie trubiek. Lepším umiestnením vzduchovacích kameňov sú nádrže s raftami, alebo sedimentačná nádrž, v ktorej sa zbiera voda z nádrží a prečerpáva späť k rybám. V správne navrhnutých akvaponických systémoch, ktoré majú dobrú hydrodynamiku, však často nie je ani potrebné dodatočne vzduchovať, pretože sa nevytvárajú slepé miesta v nádržiach, kde by voda stála po dlhú dobu a je zaistený častý styk vody s okolitým vzduchom.

Teplota

Teplota vody ovplyvňuje predovšetkým rýchlosť biologických procesov v systéme. Nitrifikačné baktérie pracujú najlepšie pri teplotách medzi 25 a 28°C. So znižujúcou teplotou ich aktivita klesá a pri 4°C sa zastavuje. Pokiaľ akvaponický systém zamrzne, nitrifikačné baktérie odumrú. Pri rozmrazení a obnovení prevádzky sa ale ich počet za nejaký čas vráti na pôvodné množstvo. Teplota vody v akvaponickom systéme sa reguluje predovšetkým podľa nárokov chovaných rýb. Tie sú na zmeny teploty najnáchylnejšie a v prípade prudkých výkyvov môžu zomrieť na teplotný šok. To platí predovšetkým v prípade vypúšťania nových rýb do nádrže a ich aklimatizácie. V akvapónii najčastejšie chovaná Tilapia nílska má pomerne vysoké nároky na teplotu (26 – 28°C) a pri teplotách pod 20°C nie je jej chov udržateľný. To kladie na chovateľa nároky na vykurovanie vody, a tým aj zvyšovanie prevádzkových nákladov. Výhodou vyššej teploty vody v systéme je jej schopnosť vykurovať akvaponický skleník počas zimných mesiacov a potreba dohrievať vzduch v skleníku sa tým o niečo znižuje (avšak neodpadáva, zvlášť vtedy ak má systém produkovať teplomilnú zeleninu, ako sú paradajky, aj v zimných mesiacoch). Aj pestované rastliny, resp. ich korene sú ovplyvnené teplotou vody. Pre veľa druhou zeleniny je teplotné optimum, v ktorom ich korene najlepšie rastú spravidla nižšie (18 – 24°C), ako pre niektoré druhy rýb (Tilapia). Neznamená to, že by rastliny v teplej vode nerástli, ale ich rast sa o niečo spomaľuje.

pH

Hodnoty pH sú po teplote najdôležitejším meraným parametrom. Stanovenie pH je veľmi jednoduché a slúži k tomu množstvo dostupných testov, či už vo forme papierového testu, alebo roztoku. Cieľom pestovateľa je zaistiť čo najstabilnejšie pH akvaponického prostredia, pretože na jeho hodnote závisí proces nitrifikácie, ale aj prístupnosť stopových prvkov pre korene rastlín a spokojnosť rýb. Vhodné pH sa môže líšiť od systému k systému. Ako najideálnejšie rozmedzie sa udáva interval medzi 6,5 – 7,5. Úplne najlepšia hodnota pH by mala 6,8, nie vždy je ale ľahké a žiaduce takúto hodnotu za každú cenu udržať. Každý systém môže mať odlišnú rovnovážnu hodnotu. Najširšie rozmedzie, ktoré by sa nemalo v akvaponickom systéme prekročiť je 6,0 – 8,0.

EC

Hodnota EC (electric coductivity) nám vyjadruje, koľko je v živnom roztoku anorganických zlúčenín, ktoré vedia rastliny prijať. Živiny v akvaponickom systéme pochádzajú prevažne z rybieho odpadu. Ako už ale vieme, tento odpad musí prejsť určitou premenou nitrifikácie, prípadne mineralizácie, aby bol prijateľný pre rastliny. To, čo sa pri týchto procesoch udeje je to, že sa jednotlivé živiny obsiahnuté v rybom odpade za pomoci baktérií menia na anorganické zlúčeniny. Tieto anorganické zlúčeniny sú vo vodnom roztoku obsiahnuté vo forme záporne nabitých iónov, ktorých množstvo je možné stanoviť práve pomocou hodnoty EC. Aj keď sa merače hodnôt EC v hydropónií používajú často, v akvaponických systémoch to až tak nie je. Je to preto, že hodnota EC nevyjadruje pomer jednotlivých zlúčenín, ale len nasýtenosť roztoku všetkými týmito zlúčeninami. Ideálne hodnoty EC pre jednotlivé plodiny sa menia podľa druhu približne od 0,8 (mladý šalát) až do 4,0 (kvitnúca fazuľa).

Doplňovanie stopových prvkov

Rybí organizmus potrebuje k svojmu životu menej železa, draslíka, vápnika, alebo horčíka, než rastliny k svojmu rastu. Preto sú tieto prvky v krmive pre ryby  často zastúpené v menšom pomere (voči dusíku), ako je ideálne pre rastliny. To často spôsobuje deficit, predovšetkým železa a vápnika, v akvaponickom roztoku a rastliny môžu trpieť ich nedostatkom. Ten sa prejavuje predovšetkým zlým rastom, prípadne aj rôznymi defektmi na listoch rastlín, ako vyblednutie, škvrny alebo ich zaschnuté časti. Najčastejšie doplňovaným prvkom v akvapónii je železo a jeho nedostatok sa prejavuje svetlými škvrnami na listoch pestovaných rastlín. Prvky sa dopĺňajú vo forme prášku, alebo roztoku. Tie sa dajú voľne kúpiť v chemicky čistej forme. Ich spotreba v akvaponickom systéme je pochopiteľne veľmi malá a nepredstavuje veľkú finančnú položku. Akvapóniu je možné prevádzkovať aj bez doplňovania týchto prvkov, to už ale vyžaduje väčší pomer rýb voči rastlinám tak, aby malé množstvo týchto prvkov v krmive pre ryby bolo dodávané do systému v nadbytku. To tiež vyžaduje začlenenie denitrifikačnej časti do akvaponického cyklu, kde sa dusík, ktorého je nadbytok, premieňa na plyn a uniká do okolia.

Svetlo

Rastliny na rozdiel od rýb vyžadujú veľké množstvo svetla pre svoj rast. Zaistenie dostatočného osvetlenia pestovaných rastlín je základným predpokladom pre úspešné pestovanie. To môže byť problém v interiérových akvaponických systémoch, ktoré majú nedostatok prirodzeného svetla a vyžadujú umelé osvetlenie. Prisvecovanie pestovaných rastlín, ktoré sú náročné na svetlo (šaláty, papriky, paradajky), je pre ich rozumnú produkciu počas zimných mesiacov v našich zemepisných šírkach nevyhnutné.  Alternatívou je pestovanie rastlín menej náročných na svetlo a teplo. Medzi takéto rastliny patrí napríklad špenát, brokolica, alebo kapusta. Vhodné osvetlenie je zhodné s tým, ktoré sa používa pri hydroponickom pestovaní rastlín. Pri výbere správnej varianty svetelných zdrojov rozhodujú predovšetkým dostupné finančné prostriedky a celková podoba akvaponického systému.

V skleníkových systémoch sú najlepším variantom napríklad sodíkové výbojky, ktoré majú dostatočný svetelný výkon a môžu osvetliť relatívne veľkú plochu. Ich nevýhodou ale je, že vytvárajú veľké množstvo tepla a nemôžu byť blízko pri rastlinách. Pre menšie systémy, ktoré sú umiestnené vo vnútorných priestoroch sú teda vhodnejšie žiarivkové svietidlá, prípadne aj LED panely, ktoré sú síce ešte stále veľmi drahé, poskytujú ale špecifickú časť svetelného spektra pre fotosyntézu a majú mnohonásobne dlhšiu životnosť než žiarivkové svietidlá. Tie je potreba zhruba po 12 mesiacoch prevádzky vymeniť, pretože časom klesá ich výkonnosť.

Zdroj: https://fishpoop.info/