Qu’est ce que l’aquaponie?

Principe de l’aquaponie

L’aquaponie peut se définir comme un couplage entre un compartiment aquacole en circuit recirculé et un compartiment de culture végétale hors-sol. Les déchets issus de l’aquaculture sont autant de source de nutriments facilement assimilables par les racines des végétaux, après une étape préalable de dégradation microbienne des composés ammoniacaux par des bactéries nitrifiantes, et d’élimination des matières particulaires par une filtration mécanique adéquate. Ces systèmes sont conçus pour s’affranchir au maximum de l’utilisation de la ressource aquatique tout en assurant la recirculation d’une eau recyclée, saine à la fois pour l’élevage de poisson, pour la culture de végétaux et pour le développement de colonies de bactéries nitrifiantes (Tyson et al, 2004 & 2008).

Cycle simplifié de l’aquaponie Crédit: Pierre Foucard, ITAVI

La fraction d’eau perdue par la transpiration foliaire, les purges et lavages des filtres mécaniques et biologiques est alors compensée par un apport d’eau neuve journalier (=taux d’ouverture du système = 1-taux de fermeture du système) de 0.5% à 5% du volume d’élevage, suivant les caractéristiques des systèmes mis en place et la qualité de l’eau en amont.

Intensité de recirculation des systèmes d’élevage piscicoles en fonction du renouvellement en eau neuve nécessaire/kg d’aliment Gaumé, 2015, ITAVI
Intensité de recirculation des systèmes d’élevage piscicoles en fonction du renouvellement en eau neuve nécessaire/kg d’aliment
Gaumé, 2015, ITAVI

————————————————————–

Bref historique de l’aquaponie

Les chinampas : Il y a environ 1000 ans, les aztèques cultivaient des jardins « flottants » en milieu lacustre, les chinampas,  des structures maintenues par un réseau  joncs, de roseaux et de feuillages, recouvertes en surface par des boues issues du fond des lacs – riches en débris organiques et en nutriments en décomposition – disposées en couches successives séparées par des débris végétaux en décomposition. Ces radeaux étaient de plus irrigués par des eaux enrichies en nutriments grâce aux déjections des poissons naturellement accumulées au fond des lacs.

Illustration : Reconstitution maquette de chinampas. Crédit: Te Papa
Reconstitution maquette de chinampas. Crédit: Te Papa

La rizipisciculture : Depuis aussi longtemps que l’apparition de la culture du riz, des systèmes intégrés de rizi-pisciculture se sont développés en Chine continentale, en Thaïlande, et Afrique, avec un couplage de production de riz et de carpes et/ou d’anguilles. Ce couplage permet l’apport d’un engrais naturel (déjections de poissons) et l’intégration de la lutte biologique contre les insectes ravageurs des plants de riz grâce à la présence de poissons qui s’en nourrissent. La rizipisciculture – bien que minoritaire aujourd’hui – a subsisté après des siècles d’existence dans certains pays asiatiques, avec notamment un renouveau dans les années 1980-1990 face aux problèmes liés à l’utilisation massive de produits phytosanitaires en mono-riziculture. Cette forme d’élevage offre ainsi à l’agriculteur une diversification de sa production et une source de protéines importantes dans une culture alimentaire basée sur le riz.

Illustration : Schématisation d’un système de rizipisciculture Crédit : http://www.ag.auburn.edu/fish/documents/International_Pubs/Water%20Harvesting/GT%208.pdf
Schématisation d’un système de rizipisciculture
Crédit : http://www.ag.auburn.edu

La modernisation du concept d’élevage intégré poissons/plantes : Suite à des recherches réalisées par le New Alchemy Institute en Caroline du Nord, il a été (re)découvert que l’eau issue d’aquaculture en étang constituait une source intéressante de nutriments pour des productions végétales en hydroponie. Cet institut n’existe plus aujourd’hui, mais les publications qui en sont issues font aujourd’hui encore figure de références. Pour en savoir plus : http://www.thegreencenter.net. Par la suite, Mark McMurtry – à l’Université de Caroline du Nord – a poursuivi ce travail en développant dans les années 1980 un système de culture de légumes associés à un élevage de tilapias et en introduisant les problématiques de conservation de l’eau, de production intensive de protéines de poisson et de réduction des coûts d’exploitation.

Inspirés par les succès de la New Alchemy Institute et de l’Université d’État de Caroline du Nord, d’autres instituts ont emboîté le pas, notamment avec les expérimentations du Docteur James Rakocy sur les systèmes « rafts » à l’Université des Îles Vierges (UVI), qui a fonctionné en continu depuis de nombreuses années pour faire office aujourd’hui de référence des systèmes aquaponiques commerciaux dans le monde. Le système UVI est surtout renommé pour avoir fourni des données de dimensionnement importantes, et pour avoir transféré un modèle reproductible, qui a d’ailleurs été adapté par divers producteurs (notamment Nelson & Pade aux USA) et reste encore très utilisé dans le cadre de projets de R&D (par exemple le système de Nick Savidov en Alberta qui a permis de produire plus de 60 différentes plantes en aquaponie). La technologie moderne (compartimentation des ateliers, utilisation de pompes, amélioration des procédés filtration…) offre des perspectives de développement de cette éco-technologie (Turcios, 2014 ; Irubetagoyena, 2013)

————————————————————–

 

Avantages de l’aquaponie

Cette méthode de culture permet d’assainir l’eau par la voie de la phytoépuration, pour ensuite la réutiliser dans le compartiment aquacole du système, avec un taux de renouvellement en eau en théorie encore plus faible qu’en aquaculture recirculée (Rakocy et al, 2006). Contrairement aux circuits aquacoles ouverts ou recirculés, ce système de production a l’avantage de valoriser les effluents chargés en composés dissous venant de la production aquacole, en les rendant utilisables en tant que nutriments pour la production de plantes hydroponiques (Rakocy et al, 2006 ; Diver, 2006 ; Klinger, 2012). Pour cela, une situation d’équilibre entre les différentes productions doit être obtenue: la production piscicole doit pouvoir s’accroître sans être perturbée par ses propres rejets, rejets qui doivent permettre une croissance optimisée des végétaux.

Les techniques hors-sol ont un rendement supérieur à la culture sur sol (Rakocy et al, 2006 ; Savidov, 2005), avec un gain de 20-25% de rendement végétal ; voire une productivité de 2 à 5 fois supérieure d’après certains experts (FAO, 2014). Certaines études montrent qu’il n’y a pas de différence significative de rendement entre l’hydroponie (Pantanella, 2011). D’autres montrent que l’aquaponie peut même parfois être plus efficace que l’hydroponie, lorsque tous les paramètres sont maitrisés et que la communauté bactérienne est totalement mature (Nichols & Lennard, 2011).

Alors que l’hydroponie nécessite l’ajout constant ou intermittent d’intrants minéraux dans l’eau de culture pour satisfaire aux exigences des plantes, un système aquaponique a pour objectif de s’en affranchir, tout en éliminant les besoins de vidanges régulières pratiquées par les systèmes hydroponiques les moins élaborés et ne maîtrisant pas le recyclage des solutions minérales. L’aquaponie pourrait avoir un potentiel pour être qualifiée de « culture biologique », si la culture hors-sol n’était pas une limite à cette labellisation (c’est le cas aux USA ou les plantes issues des systèmes aquaponiques sont qualifiées de biologiques). Un écolabel pourrait toutefois prochainement être défini pour les poissons élevés en aquaponie : en effet, une étude de faisabilité d’un « label écologique européen pour les produits de la pêche et de l’aquaculture » est actuellement en cours de discussion / consultation au sein de la Commission européenne   http://ec.europa.eu/dgs/maritimeaffairs_fisheries/consultations/ecolabel/index_fr.htm)

Que ce soit pour l’hydroponie ou l’aquaponie, la consommation d’eau est beaucoup plus faible que pour l’agriculture conventionnelle sur sol : 90% de consommation d’eau en moins (FAO, 2014).

                L’aquaponie est également intéressante en terme d’optimisation de certains coûts de production : partage des coûts des infrastructures et des structures de production, optimisation partagée de l’utilisation de l’espace, du sol et de la ressource aquatique grâce à la polyculture, baisse voire élimination des coûts des intrants pour les entreprises d’hydroponie, double valorisation de l’aliment aquacole qui sert indirectement d’engrais pour les plantes (Rakocy et al, 2006).

Une serre aquaponique peut être installée n’importe où, et notamment dans les zones urbaines et périurbaines, à proximité des lieux de consommation, ce qui favorise le développement d’une économie locale de circuits courts et de vente directe, limitant par là même les coûts et émissions de CO2  liés au transport (Diver, 2006), et pouvant faire apparaître un volet social autour de cette nouvelle activité (jardin partagés, spots de verdure…).

                Par ailleurs, étant donné que ce système est basé sur l’économie et la réutilisation de l’eau, l’aquaponie pourrait permettre la production de végétaux frais et de poissons dans des régions où le sol est pauvre et où l’accès à la ressource aquatique est limité, voire dans des régions arides et semi-arides (Diver, 2006 ; FAO, 2014).

Enfin, des études récentes montrent que les effluents de pisciculture peuvent entraver très efficacement le développement de certains champignons pathogènes des végétaux, notamment Pythium ultimum et Fusarium oxysporum (Gravel et al, 2014 ; Fujiwara et al, 2013).

Principaux avantages et inconvénients de l’aquaponie ; Foucard, 2015
Principaux avantages et inconvénients de l’aquaponie ; Foucard, 2015

Défis à relever pour développer l’aquaponie

                Fusionner deux systèmes de production double les possibilités d’apparition de problèmes. Cette technique a recours à de nombreux domaines de compétences techniques (aquaculture en recirculation, horticulture, chimie de l’eau) et implique donc une main d’œuvre compétente et formée pour faire face aux divers problèmes qui peuvent se poser.

                 Il est important de comprendre que de nombreux facteurs influent sur la dynamique du système, le rendant difficilement transposable d’un site à un autre sans travail en amont de modélisation et sans période d’adaptation sur un nouveau site. La qualité d’eau de la ressource, le climat, l’espèce de poisson, son stade de développement, l’espèce végétale et son stade phénologique*, la ration alimentaire appliquée, la composition de l’aliment, les aspects thermiques et énergétiques (mise en mouvement de l’eau, filtration, éclairage des plantes, thermorégulation des élevages et des cultures…) sont autant de paramètres susceptibles d’influer sur les performances des productions animales et végétales.

Il est important de préciser que l’utilisation de produits phytosanitaires – pour le compartiment végétal- et d’antibiotiques – pour le compartiment aquacole- sont déconseillés sans étude approfondie concernant les risques potentiels de toxicité sur les poissons et de bioaccumulation par les plantes (Rakocy, 2006). Le fait de ne pas pouvoir utiliser des pesticides est à la fois un avantage et un inconvénient. Il faut recourir à un contrôle purement biologique, dont l’efficacité réelle (en termes technique et économique) reste à être démontrée.  Par ailleurs, les antibiotiques pourraient avoir un effet inhibiteur sur le processus de biofiltration effectué par les bactéries nitrifiantes, indispensable au bon fonctionnement du système en recirculation (Rakocy et al, 2006 ; Diver, 2006 ; Klinger, 2012). Il est toutefois intéressant de signaler que cet effet d’inhibition n’a pas été observé lors d’expérimentations en circuit piscicole recirculé à la station PEIMA de l’INRA. Toujours est-il que ne pas recourir aux antibiotiques dans ce type de système implique une surveillance accrue de l’élevage piscicole, la difficulté de gérer de fortes densités d’élevage, et la nécessité de recourir à des mesures prophylaxiques et de type probiotiques/prébiotiques

L’aquaponie est apparue par l’intermédiaire de l’idéologie de la production alimentaire durable, et non pas par la demande du marché : les investissements en capitaux sont généralement importants pour concevoir ces systèmes, et l’investissement de temps à travers un long processus d’apprentissage (souvent spécifique à chaque système) est également à prendre en compte. La plupart des systèmes existants à l’heure actuel ne sont pas économiquement viables et ne pourraient pas survivre sans une certaine forme de subventions. Ceux qui ont néanmoins survécu, et qui peuvent être considérés comme des installations commerciales ont eu recours à des techniques de marketing de niche très efficaces et/ou à une diversification de l’activité dans la vente au détail, l’attraction touristique, la fourniture d’équipements, la formation, le conseil, tout en visant une échelle de production suffisamment grande.

L’aquaponie doit aujourd’hui lever des freins techniques, économiques et sociétaux et le démarrage d’une telle filière nécessite l’appui de producteurs d’aliments et d’alevins, ainsi que celui de structures de recherche et de formation. Dans le contexte actuel, « l’aquaponie n’est économiquement rentable qu’avec des espèces à haute valeur ajoutée », et ce à grande échelle, d’après le Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement (CIRAD). En effet, les coûts énergétiques (lumière, chauffage de l’eau en hiver pour la production en pays tempérés, fonctionnement des pompes, aération), souvent supérieurs à ceux existants en hydroponie, sont signalés comme étant une limite dans de nombreux systèmes. La mise au point d’un business plan détaillé appuyé par une étude de marché – sur les produits végétaux et aquacoles les plus appropriés dans le contexte d’une région donnée, en visant des produits à forte valeur ajoutée – n’est donc pas à négliger dans le cadre d’installations commerciales.

Les principaux défis restent l’appropriation des cycles naturels par les producteurs via la standardisation des protocoles d’élevage, la diminution du coût des investissements, le respect de la législation. Un des leviers important de développement de ces systèmes pourrait être les incitations financières (engagement dans une démarche proactive) : aides aux investissements (aides aux équipements, à la recherche et développement…), une TVA réduite, des crédits d’impôts….

————————————————————–

Différentes techniques de culture hors sol en aquaponie

Selon Morard (1995) les cultures hors sol se définissent comme « des cultures de végétaux effectuant leur cycle complet de production sans que leur système racinaire ait été en contact avec leur environnement naturel, le sol ». Les systèmes hors-sol n’offrent en général que des volumes réduits au développement des racines. Ils ne se prêtent pas à la culture de gros sujets ayant des systèmes racinaires importants (Irubetagoyena et al, 2013).
Principalement trois techniques sont décrites en couplage avec une activité aquacole dans les systèmes aquaponiques existants à travers le monde : la technique de culture sur « rafts », la technique NFT horizontale ou verticale (Nutrient Film Technique), et la technique de culture sur lit de substrats inertes (Media Filled Beds). Les éléments communs à tous ces systèmes de culture sont le réservoir de poissons et le lit de plantes hors-sol alors que les variables comprennent des composants de filtration et de plomberie, le type de lit de la plante et la quantité et la fréquence de recirculation de l’eau et l’aération (Connoly et Trebic, 2010 ; Nelson & Pade Inc).

Techniques aquaponiques
Crédit photos: Nelson & Pade Inc

1- La technique des rafts (DWC : Deep Water Culture)
C’est la technique la plus utilisée en aquaponie à grande échelle, car elle permet une rotation de culture et un plan de production facilités. Les plantes y sont cultivées sur des rafts, qui sont des plaques flottantes (la plupart du temps en polystyrène haute densité, de type extrudé, avec une épaisseur de 30 à 50 mm) directement posées sur l’eau (15 à 30 cm de profondeur). Les végétaux produits sont supportés par un substrat inerte dans des pots de culture fixés à travers les rafts troués au préalable. Cette technique fonctionne en flux continu, et les racines des plants sont en permanence irriguées dans une eau bien oxygénée. Une fois développées, les racines des plantes « trempent » littéralement dans l’eau. Contrairement à certaines idées reçues, il ne faut surtout pas intégrer les poissons directement dans l’eau située sous les rafts. Les poissons rejettent en effet de l’ammoniaque NH4+, une forme azotée toxique, pour eux et pour les plantes en trop forte proportion : les deux compartiments doivent donc bien être séparés, et l’eau qui retourne des plantes aux poissons doit passer par des structures de filtration mécanique et biologique, afin d’éliminer le maximum de particules solides et les formes dissoutes toxiques de l’azote (Connoly et Trebic, 2010). La surface sous les rafts et l’espace entre les racines des plantes constituent des habitats potentiels pour des bactéries nitrifiantes, mais ils ne sont en aucun cas suffisants, et un compartiment de filtration biologique précisément dimensionné est nécessaire.

Technique rafts
Technique « Rafts » ; Crédit photo: Nelson & Pade Inc

2- La technique de culture sur film nutritif (NFT : Nutrient Film Substrat)
Dans les systèmes de culture hors sol de type NFT, l’eau riche en nutriments est pompée dans de petites rigoles fermées. L’eau s’écoule en flux permanent dans le système, d’abord à travers des composants de filtration, puis sur des gouttières très légèrement inclinées sur lesquelles les plantes (en pots, dans du substrat inerte) captent les nutriments indispensables à leur croissance, avant de retourner dans le compartiment aquacole. Le film d’eau très fin s’écoule ainsi vers le bas de chaque canal des gouttières, inclinées d’une pente d’environ 1%. Un débit de 1 L/min est recommandé (Jones, 2005). L’oxygénation de la solution nutritive s’effectue en grande partie par son déplacement dans les gouttières et par la grande surface d’échange entre l’eau et l’air (Lennard, 2010).
Les défauts majeurs du NFT sont dans le risque d’appauvrissement de la solution nutritive en fin de circuit, et le risque de colmatage des circuits hydrauliques fins.

Technique « NFT »; Crédit photo: Nelson & Pade Inc

3- La technique de culture sur lit de substrats inertes (MFG : Media Filled Growbed)
Cette technique est le plus souvent utilisée dans le cadre d’une aquaponie de loisir, à petite échelle, et où la maximisation de l’espace de production n’est pas un objectif (Connoly et Trebic, 2010 ; Nelson & Pade Inc). Elle permet la culture d’une large gamme de végétaux et nécessite simplement un conteneur rempli d’un substrat neutre et inerte de type gravier / billes d’argiles etc. pour le compartiment végétal, qui sert à la fois de milieu de culture et de support pour les plantes. Ces médias sont irrigués régulièrement d’une solution nutritive qui apporte les sels minéraux indispensables à la croissance des plantes directement aux racines et ce en continu ou en discontinu. Ce système peut en effet être utilisé de deux manières différentes : avec un débit circulant continu de l’eau comme en raft ou NFT, ou par des inondations et drainages successifs du support de culture aussi appelé « ebb & flow », technique pour laquelle un siphon automatique ou « siphon cloche » est souvent utilisé pour le drainage de l’eau. Les déchets organiques dissous et solides en provenance de l’élevage piscicole sont en général directement décomposés au sein de ce substrat. Le défaut majeur de cette technique réside dans le risque d’accumulation d’éléments (surtout phosphore et calcium) dans les médias de culture, nuisant considérablement à la nutrition des plantes. Pour éliminer ces accumulations de sels, un lessivage complet du lit d’enracinement et du milieu de croissance est souvent nécessaire sur une base régulière (Jones, 2005 ; Morgan, 2003).

Technique « sur lit de médias » Crédit photo: https://aquaponicsusa.wordpress.com/2015/01/27/aquaponics-world-keeps-changing-everything/

Le tableau 1 ci-dessous liste les principaux avantages et inconvénients des trois techniques mentionnées.

Tableau
Etude comparative des trois principales techniques aquaponiques Sources : Foucard, 2015 ; basé sur Connoly et Trebic, 2010 ; Rakocy et al, 2006; Lennard W., 2010

-Lennard (2006) a réalisé une étude visant à réellement comparer l’efficacité de ces trois systèmes. Ses conclusions sont les suivantes : l’efficacité en termes de rendement en culture végétale est supérieure pour la méthode sur gravier ; vient ensuite la technique sur rafts et en dernière position la technique NFT. En ce qui concerne le rendement épuratoire, la technique NFT serait d’après cette étude sensiblement moins efficace que les deux autres. Cependant, cette étude a été réalisée sur 21 jours, ce qui semble insuffisant pour mesurer les effets des trois systèmes à long terme et l’évolution de tous les paramètres considérés (Lennard, 2006). La technique NFT est la moins adaptée à l’aquaponie commerciale : elle présente de nombreux inconvénients et risques sur le long terme (tableau 1). La technique sur substrat a montré son efficacité; cependant, une accumulation trop importante en MES – dans le cadre d’un système de production intensif – pourrait à long terme avoir un impact négatif sur ces structures, qui sont plus adaptées à des activités de loisir. Les grosses productions aquaponiques commerciales existantes à ce jour utilisent surtout la technique des rafts, qui présente de nombreux avantages et des inconvénients supportables.
-Love et al (2014) ont mené des études statistiques sur l’utilisation de ces différentes techniques (seules ou en simultanées) sur la base d’enquêtes menées auprès d’aquaponiculteurs à travers le monde : 86% utilisent des substrats inertes type gravier, fibre de coco, 46% utilisent la technique des rafts, 19% utilisent la technique du NFT, et 17% utilisent des tours verticales (technique NFT ou technique d’aspersion racinaire). La plupart des systèmes existants sont des systèmes de particuliers, de petite taille. Il existe encore très peu d’installations commerciales.

-Des systèmes de culture verticale existent, notamment les tours ZipGrow™, mises au point par l’entreprise BrightAgrotech, qui permettent une optimisation très importante de l’espace disponible, et de l’usage de l’eau, avec un fonctionnement en « goutte à goutte ». Une autre technique émergente est l’aéroponie, qui consiste en l’aspersion d’un fin brouillard de solutionnutritive directement sur les racines des plantes, ce qui permet une économie d’eau conséquente.


4 réflexions au sujet de « Qu’est ce que l’aquaponie? »

    Aquaponie a dit:
    11 septembre 2015 à 13 h 35 min

    L’aquaponie arrive petit à petit en France, une bien belle explication du concept.

    J'aime

    Delphine Roux-Paris a dit:
    2 mai 2016 à 9 h 22 min

    Bonjour,

    Votre site internet a été cité dans le dernier numéro des « 4 saisons du jardin bio » dans un article sur les pollinisateurs, serait-il possible de me communiquer une adresse postale pour pouvoir vous envoyer un exemplaire ?

    En vous en remerciant par avance, bien cordialement,

    Delphine Roux-Paris – 04 76 34 36 37
    Documentaliste

    Scop Terre vivante – Domaine de Raud – 38710 Mens – http://www.terrevivante.org

    J'aime

      APIVA a répondu:
      2 mai 2016 à 9 h 28 min

      Bonjour,

      Bien sûr, vous pouvez envoyer cet exemplaire à:
      Pierre Foucard,
      ITAVI Service Aquaculture,
      28 rampe Bouvreuil,
      76000, ROUEN

      Bien cordialement et merci d’avance.
      Pierre Foucard

      J'aime

    Thomas Lahiguera a dit:
    25 octobre 2016 à 20 h 14 min

    Bonjour,

    Je suis étudiant en 2ème année de Master en biologie marine au sein du master AquaCaen de l’université de Normandie. Je suis particulièrement intéressé par les systèmes d’aquaculture intégrées multi-trophiques. Par ailleurs je suis à la recherche d’un stage d’une durée de 6 mois (période du 03 avril au 29 septembre 2017) et j’aimerais ancrer mon stage au cœur d’un projet innovant en lien avec une aquaculture durable et innovante. Je suis plus orienté vers l’aquaculture en mer mais ces systèmes intégrés étant peu développés en France je m’intéresse de plus en plus à l’aquaponie. De ce fait, je me permet de vous contacter afin de savoir si des projets sont en cours et si ils sont en adéquation avec mon cursus.

    Dans l’attente d’une réponse, bien cordialement.

    J'aime

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s