RAVINTEIDEN KIERTO AQUAPONICS-SYSTEEMISSÄ
Sanni Saramäki Ravinteiden kierto aquaponics-systeemissä Pro Gradu -tutkielma Ympäristötiede Itä-Suomen yliopisto, Ympäristö- ja biotieteiden laitos Tammikuu 2021
ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO, Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta Ympäristötiede
Sanni Saramäki: Ravinteiden kierto aquaponics-systeemissä Pro Gradu -tutkielma 68 sivua, 4 liitettä (7 sivua)
Tutkielman ohjaajat: Harri Kokko ja Japo Jussila Tammikuu 2021
___________________________________________________________________________
avainsanat: aquaponics, typpi, fosfori, suljettu vesikierto, Urtica dioica, Brassica rapa var.
japonica, Coregonus maraena
TIIVISTELMÄ
Aquaponics-viljely on kestävä ja ympäristöystävällinen ruuantuotantomuoto, joka yhdistää kasvien hydroponisen tuotannon kalojen kiertovesiviljelyyn. Systeemi hyödyntää nitrifikaatiobakteereita, jotka muuttavat kalojen tuottaman haitallisen ammoniakin kasveille käyttökelpoiseksi nitraatiksi. Aquaponics-viljely hyödyntää kalanrehusta peräisin olevia ravinteita ruokakasvien tuotantoon ja pienentää kalanviljelyn ravinnekuormaa ympäristöön. Tämän työn tavoitteena oli tutkia typen ja fosforin kiertoa aquaponics-systeemissä ja arvioida ravinteiden poistumista kasvien biomassojen mukana.
Vaellussiikaa viljeltiin yhdessä nokkosen ja mizunan kanssa kuudessa aquaponics-järjestelmässä.
Kokeen aikana vedestä analysoitiin nitriitin, nitraatin ja fosfaatin pitoisuuksia. Työssä määritettiin kasvien biomassojen kasvua eripituisilla kasvatusajoilla ja kasvien kokoomanäytteistä tehtiin ravinneanalyysit, joiden perusteella arvioitiin typen ja fosforin sitoutumista mizunan ja nokkosen biomassoihin. Nokkosten osalta arvioitiin, kuinka monta prosenttia kalanrehun typestä ja fosforista sitoutui kasvibiomassaan. Kasvien ravinnepuutoksia arvioitiin ulkoisten oireiden perusteella.
Veden nitriittipitoisuudet olivat korkeampia mizunakammioissa, mikä viittaa nitrifikaation heikkoon toimintaan. Mahdollisiksi syiksi epäiltiin joko kasvien vaihdon yhteydessä poistuvia nitrifikaatiobakteereita tai kasvien juurten erittämiä nitrifikaation inhibiittoreita.
Nitraattipitoisuudet olivat huomattavasti korkeampia nokkoskammioissa etenkin kokeen lopussa.
Kasvien välinen ero johtui siitä, että kalojen määrä oli vähäisempi mizunakammioissa, joten syötetyn kalanrehun määrä ei ollut riittävä kasvimäärään nähden. Typenpuutosoireita havaittiin molemmilla kasveilla ja matalat nitraattipitoisuudet näkyivät myös kasvien heikompana kasvuna.
Fosfaattipitoisuuksissa ei havaittu yhtä selvää eroa kasvien välillä. Fosfaatin määrä pysyi matalana, mutta kohtalaisen tasaisena lähes koko kokeen ajan eikä selviä fosforinpuutosoireita havaittu kasveissa. Biomassojen kasvussa tai ravinnepitoisuuksissa ei ollut selvää eroa nokkosen ja mizunan välillä. Kalanrehuna lisätyistä ravinteista nokkosbiomassaan arvioitiin sitoutuvan suhteessa enemmän fosforia kuin typpeä. Tämän tutkimuksen perusteella kalanviljelyn tuottama fosfori voidaan hyödyntää tehokkaasti nokkosten kasvuun. Lisätutkimusta aiheesta tarvitaan, koska maapallon fosforivarantojen pienentyessä on tärkeää löytää keinoja, joiden avulla fosforihävikki voidaan minimoida ja ympäristön rehevöitymistä saadaan hillittyä.
UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND, Faculty of Science and Forestry Environmental Science
Sanni Saramäki: Nutrient flows in an aquaponic system Master of Science thesis 68 pages, 4 appendixes (7 pages) Instructors of thesis: Harri Kokko and Japo Jussila
January 2021
___________________________________________________________________________
keywords: aquaponics, nitrogen, phosphorus, closed-loop, Urtica dioica, Brassica rapa var.
japonica, Coregonus maraena ABSTRACT
The aquaponics is a sustainable and environmentally friendly food production method that combines hydroponic production of plants with recirculating aquaculture system. The system utilizes nitrification bacteria which convert harmful ammonia produced by fish into nitrate that can be used by plants. The aquaponics utilizes nutrients from fish feed for food crop production and reduces the nutrient load of fish farming to the environment. The aim of this research was to study the nitrogen and phosphorus cycle in the aquaponic system and to assess nutrient removal with plant biomasses.
The maraena whitefish were farmed together with the stinging nettle and the mizuna in six aquaponic systems. The concentrations of total ammonia, nitrite, nitrate and phosphate were determined. The growth of plant biomasses at different growing times was determined and nutrient analyzes were made from plant samples, based on which the binding of nitrogen and phosphorus to plants was assessed. For nettles, it was estimated what percentage of nitrogen and phosphorus in the fish feed was assimilated by plants. Plant nutrient deficiencies were assessed based on visual symptoms.
The nitrite concentrations in water were higher in mizuna chambers, suggesting poor nitrification.
Possible causes were suspected to be either leaking nitrification bacteria during plant exchange or nitrification inhibitors secreted by plant roots. The nitrate concentrations were significantly higher in the nettle chambers, especially at the end of the experiment. The difference between the plants was because the number of fish was lower in the mizuna chambers, so the amount of fish feed fed was not sufficient in relation to the number of plants. Nitrogen deficiency symptoms were observed in both plants and low nitrate concentrations were also reflected in weaker growth. No equally clear difference in phosphate concentrations was observed between plants. The phosphate levels remained low but moderately constant throughout most of the experiment and clear phosphorus deficiency symptoms was not observed in the plants. There was no clear difference in biomass growth or nutrient concentrations between nettle and mizuna. Of the nutrients added as fish feed, it was estimated that proportionately more phosphorus than nitrogen was assimilated to nettle biomass. Based on this study, the phosphorus produced by fish farming can be effectively utilized for nettle growth. Further research is needed on this topic, as the world's phosphorus reserves are running out, it is important to find ways to minimize phosphorus loss and reduce environmental eutrophication.
ESIPUHE
Tässä Pro Gradu -tutkielmassa selvitettiin ravinteiden kiertoa aquaponics-systeemissä. Tutkielma tehtiin osana Biologisten ravinnesieppareiden käyttö kalojen kiertovesikasvatuksessa -hanketta, jonka rahoitti Pohjois-Savon ELY-keskus. Kyseessä on ensimmäinen suomalainen aquaponics- viljelyyn keskittyvä Pro Gradu -tutkielma. Työn kokeellinen osuus suoritettiin vuoden 2019 talvella Itä-Suomen yliopiston Ympäristö- ja biotieteiden laitoksella ja työ kirjoitettiin 2019–2020.
Haluan kiittää pääohjaajaani Harri Kokkoa lukuisista neuvoista ja opastuksesta työn teon aikana sekä työn toisena ohjaajana toiminutta Japo Jussilaa osaamisesta, neuvoista ja avusta työn kalapuoleen liittyen. Kiitos yliteknikko Timo Oksaselle teknisestä avusta sekä Terhontammi Oy:lle kalanpoikasten ja kalanrehun toimittamisesta. Kiitos myös Hannu Nykäselle, joka toimi työn toisena tarkastajana. Lopuksi haluan kiittää ystäviäni ja perhettäni, jotka ovat kannustaneet työn teossa ja olleet henkisenä tukena tämän prosessin aikana.
Kuopiossa 14.12.2020 Sanni Saramäki
LYHENTEET JA MÄÄRITELMÄT
ATP Adenosiinitrifosfaatti (adenosine triphosphate), toimii solussa energian välittäjänä.
BOD Biokemiallinen hapenkulutus (biochemical oxygen demand).
CAS Aquaponics-systeemi, jossa on yksi suljettu kierto (coupled aquaponic system).
DAS Aquaponics-systeemi, jossa on useita järjestelmän sisäisiä kiertoja ja vesi voi virrata useampaan kuin yhteen suuntaan systeemissä (decoupled aquaponic system).
DNA Deoksiribonukleiinihappo (Deoxyribonucleic acid), muodostaa solujen geneettisen materiaalin.
DWC Syvävesiviljely (deep-water culture/floating rafts).
FCR Rehukerroin (feed conversion ratio), kuvaa eläinten rehunkäytön tehokkuutta.
HLR Nestekuorma (hydraulic loading rate), nestemäinen virtausnopeus kasvupedin pinta-alayksikköä kohden.
MBBR Leijukerros-biosuodatin (moving bed bioreactor).
NFT Ravinnekalvotekniikka (nutrient film technique).
PAR Valon intensiteetti (photosynthetically active radiation), näkyvän valon aallonpituudet, joita kasvit pystyvät hyödyntämään.
RAS Kalojen kiertovesiviljely (recirculating aquaculture system).
RH Suhteellinen ilmankosteus (relative humidity).
SGR Spesifinen kasvunopeus (specific growth rate), kalojen kasvua kuvaava logaritminen muuttuja.
struviitti Fosfaattimineraali, joka koostuu pääasiassa fosfaatista, magnesiumista ja ammoniumtypestä.
TAN Kokonaisammoniakki (total ammonia nitrogen).
transpiraatio Kasvien kautta tapahtuva haihdunta.
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO
82. KIRJALLISUUSKATSAUS
102.1 AQUAPONICS-VILJELY 10
2.1.1 Aquaponics-viljelyn periaatteet 10
2.1.2 Kalojen vesiviljely ja aquaponics-tuotanto 11
2.1.3 Kasvien aquaponics-tuotanto 13
2.1.4 Kiertovesiviljelyjärjestelmä 14
2.1.4.1 Mekaaniset suodattimet 15
2.1.4.2 Biologiset suodattimet 16
2.2 RAVINTEET AQUAPONICS-SYSTEEMISSÄ 18
2.2.1 Kasveille tärkeät ravinteet 18
2.2.2 Ravinteiden kierto aquaponics-systeemissä 19 2.2.3 Rehun typen ja fosforin jakautuminen kalanviljelyssä 21 2.2.4 Rehun typen ja fosforin jakautuminen aquaponics-viljelyssä 22
2.2.5 Typen kierto 25
3. TYÖN TAVOITTEET
264. AINEISTO JA MENETELMÄT
274.1 AQUAPONICS-JÄRJESTELMÄ 27
4.1.1 Järjestelmän kuvaus 27
4.1.2 Koeasetelma 29
4.2 JÄRJESTELMÄN SEURANTA, HOITO JA YLLÄPITO 32
4.2.1 Vedenlaadun parametrit 32
4.2.2 Ravinteiden lisäys 33
4.2.3 Muut järjestelmän ylläpidon kannalta tärkeät toimenpiteet 34
4.3 NÄYTTEIDEN KÄSITTELY JA ANALYSOINTI 35
4.3.1 Kaloille määritetyt muuttujat 35
4.3.2 Vesinäytteiden ravinneanalyysit 35
4.3.3 Kiintoainesnäytteet 36
4.3.4 Kasvinäytteet ja ravinneanalyysit 36
5. TULOKSET
385.1 KALOJEN KASVU JA REHUKERROIN 38
5.2 VEDENLAADUN PARAMETRIT JA RAVINNEPITOISUUDET 38
5.3 POISTETTU KIINTOAINES 42
5.4 KASVIEN BIOMASSOJEN KASVU JA RAVINTEIDEN SITOUTUMINEN 43
6. TULOSTEN TARKASTELU
486.1 KALOJEN KASVU JA REHUKERROIN 48
6.2 VEDENLAATU 48
6.3 KIINTOAINES 55
6.4 KASVIEN KASVU JA RAVINTEIDEN SITOUTUMINEN 56
7. JOHTOPÄÄTÖKSET
61LÄHDELUETTELO
62LIITTEET
LIITE 1. Kammioihin pH:n muuttamiseksi tehdyt typpihappo (HNO3), kalsiumhydroksidi (Ca(OH)2) ja kaliumhydroksidi (KOH) -lisäykset.
LIITE 2. Kammioihin lisätyt Ferticare (F), kalsiumnitraatti (Ca(NO3)2) ja typpihappo (HNO3) lannoitteet.
LIITE 3. Kammioihin tehdyt vesien lisäykset (L), poistot (P) ja vaihdot (V).
LIITE 4. Kuvia kasvatetuista mizunoista (a–h) ja nokkosista (i–p).
1. JOHDANTO
Nopea väestönkasvu, viljelysmaiden laadun huonontuminen, pula puhtaasta vedestä ja ruokaturvan heikentyminen yhdistettynä ilmastonmuutokseen ovat aiheuttaneet valtavan globaalin ongelman, johon etsitään parhaillaan ratkaisuja. Uusia ruuantuotantomuotoja kaivataan etenkin kuiville alueille, jotka kärsivät vesipulasta sekä kaupunkialueille, joissa ruuan kysyntä on suurta ja viljelysmaata ei ole tai se on pilaantunutta. Aquaponics-viljely on yksi ratkaisu kohti kestävämpää ja ympäristöystävällisempää ruuantuotantoa. (Goddek ym. 2015.)
Aquaponics-viljely yhdistää kaksi perinteistä tuotantomuotoa: kalankasvatuksen ja kasvien vesiviljelyn samaan kiertovesijärjestelmään, jossa kasvit, kalat ja bakteerit elävät symbioottisessa suhteessa. Systeemi hyödyntää bakteerien luonnollista toimintaa, kun ne muuttavat kalojen jätteet kasveille käyttökelpoisiksi ravinteiksi. Kasvit ottavat vedestä ravinteita ja samalla vesi puhdistuu, ennen kuin se kierrätetään takaisin kala-altaaseen. Aquaponics-viljelyn tavoitteena on veden, ravinteiden ja energian käytön optimointi ehkäisten rehevöittävien ravinteiden ja orgaanisten jätteiden päästöjä ympäristöön. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
Kalanviljelyn ravinnerikkaat jätevedet ovat maailmanlaajuinen ongelma, koska ne sisältävät suuria määriä typpeä ja fosforia, jotka rehevöittävät vesistöjä. Manner-Suomessa kalanviljelyn aiheuttama ravinnekuormitus oli vuonna 2012 noin 1,1 % fosforin kokonaiskuormituksesta ja noin 0,6 % typen kokonaiskuormituksesta. Saaristomerellä kalankasvatuksen vastaavat osuudet olivat fosforin osalta noin 3 % ja typen osalta noin 2 %. Suomalaisen kalanviljelyn osuus ympäristön kokonaiskuormituksesta on siis verrattain vähäinen, mutta kalanviljely kuitenkin lisää ravinteiden kokonaiskuormaa ja voi aiheuttaa paikallisia rehevöitymisongelmia. (Maa- ja metsätalousministeriö 2014.) Riittävä fosforin tuotanto tulee olemaan suuri huolenaihe lähitulevaisuudessa, sillä maailman fosforivarannot hupenevat huolestuttavaa tahtia.
Fosforipäästöjen vähentäminen ja fosforirikkaiden jätevesien hyödyntäminen ovat välttämättömiä toimia maatalouden ja vesiviljelyn pitkän aikavälin kestävyyden varmistamiseksi. Aquaponics vähentää huomattavasti ympäristöön vapautuvien ravinteiden määrää hyödyntäen niitä ruokakasvien tuotannossa. (Cerozi ja Fitzsimmons 2017, Goddek ym. 2015.)
Kiinnostus aquaponics-viljelyä kohtaan on kasvanut viime vuosina merkittävästi, mikä näkyy myös aihetta koskevien tutkimusten määrässä. Useissa katsausartikkeleissa on käsitelty aquaponics-viljelyn kohtaamia ongelmia ja haasteita, jotka liittyvät muun muassa tuotannon taloudelliseen kannattavuuteen, pH:n stabilointiin, mikrobitoimintaan sekä ravinteiden kiertoihin ja optimointiin (Yep ja Zheng 2019, Palm ym. 2018 ja Goddek ym. 2015). Aquaponics-systeemi on monimutkainen kokonaisuus, jossa täytyy ottaa huomioon kaikkien kasvatettavien organismien eli kalojen, kasvien ja bakteerien erilaiset vaatimukset.
Tämän Pro Gradu -tutkielman tavoitteena oli tutkia typen ja fosforin kiertoa pienimuotoisessa aquaponics-systeemissä ja arvioida ravinteiden poistumista kiintoaineksen ja kasvien biomassojen mukana. Vaellussiikaa kasvatettiin suljetussa vesikierrossa nokkosen ja mizunan kanssa ja kokeen aikana määritettiin veden ravinnepitoisuuksien lisäksi tärkeimpiä vedenlaadun parametreja. Työn tavoitteena oli myös selvittää, kuinka hyvin vaellussiika soveltuu aquaponics-viljelyyn.
2. KIRJALLISUUSKATSAUS
2.1 AQUAPONICS-VILJELY 2.1.1 Aquaponics-viljelyn periaatteet
Aquaponics on hydroponisen kasvintuotannon eli kasvien vesiviljelyn yhdistämistä kalojen kiertovesiviljelyyn (RAS). Systeemien rakenteet voivat vaihdella, mutta pääsääntöisesti aquaponics-systeemi koostuu uppopumpusta, kala-altaasta, mekaanisesta ja biologisesta suodattimesta, hydroponisesta kasvipedistä ja ilmapumpusta, joka pitää veden hapekkaana (kuva 1). (Somerville ym. 2014, Thorarinsdottir ym. 2015.) Nykyaikaiset kaupalliset aquaponics- systeemit voidaan jakaa coupled (CAS) ja decoupled (DAS) aquaponics-systeemeihin. CAS- järjestelmissä on ainoastaan yksi suljettu vedenkierto ja vesi kiertää järjestelmässä ainoastaan yhteen suuntaan, kun taas DAS-järjestelmissä vesi voidaan kierrättää useampaa eri reittiä ja eri suuntiin järjestelmän sisällä. (Yep ja Zheng 2019.)
Kuva 1. Aquaponics-systeemin kuvaus, jossa kuvattu typen kierto. (Kuva muokattu Thorarinsdottir ym. 2015 s. 9 kuvasta.)
Vesi kiertää aquaponics-systeemissä virraten kala-altaan ja muiden komponenttien läpi.
Ensimmäisenä kala-altaan jälkeen on mekaaninen suodatin eli kiintoainesuodatin, jonka avulla vedestä poistetaan mekaanisesti isoimmat orgaanisen aineksen partikkelit, kuten ulosteet ja syömätön ruoka. Seuraavaksi vesi virtaa biologiseen suodattimeen eli biosuodattimeen, jonka toiminta perustuu luonnollisten bakteerien nitrifikaatioon. Kaksivaiheisessa nitrifikaatioprosessissa bakteerit muuttavat kalojen tuottaman ammoniumtypen (NH4+) ensin nitriitiksi (NO2-) ja edelleen nitraatiksi (NO3-), joka toimii hydroponisessa viljelyssä kasvien ravinteena. Vesi virtaa biosuodattimesta kasvipetiin, jossa kasvit ottavat juurillaan ravinteita ja samalla vesi puhdistuu. Puhdistunut vesi palautuu takaisin kala-altaaseen ja jatkaa kiertoaan tässä suljetun kierron systeemissä. (Medina ym. 2016a, Somerville ym. 2014, Thorarinsdottir ym. 2015.)
RAS-teknologian kehittyminen, tiukentuneet ympäristövaatimukset sekä tarve parantaa kannattavuutta ovat lisänneet kiinnostusta aquaponics-viljelyä kohtaan (Thorarinsdottir ym. 2015).
Aquaponics-viljelyn on katsottu olevan yksi tehokkaimmista ja kestävimmistä eläinproteiinin tuotantomuodoista. Yleisesti kalankasvatus vaatii vähemmän rehua kuin lihantuotanto, sillä kilo kalaa voidaan tuottaa pienemmällä rehumäärällä kuin kilo lihaa. (Joyce ym. 2019.) Rehun hyötysuhdetta kuvataan rehukertoimella (FCR), joka on sitä alhaisempi, mitä tehokkaampaa rehun hyödyntäminen on (Somerville ym. 2014). Lisäksi aquaponics-viljelyssä ylijäämärehu ja kalojen jätteet voidaan hyödyntää kasvibiomassan tuotantoon (Palm ym. 2018). Muita hyötyjä kasvintuotannon yhdistämisestä kalojen kiertovesiviljelyyn ovat jaetut aloitus-, toiminta- ja infrastruktuurikustannukset, säästöt veden käytössä, vähentyneet ravinteiden päästöt ympäristöön ja lisääntynyt liikevoittopotentiaali tuottamalla samanaikaisesti kahta kaupallista ruokatavaraa (Tyson ym. 2011). Aquaponics-viljelyn tavoitteena on matkia luonnollista systeemiä, jossa ravinteiden, veden ja energian käyttö on optimaalista. Aquaponicsissa ei käytetä tuholaismyrkkyjä, kasvimyrkkyjä, hormoneja tai lääkkeitä. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
2.1.2 Kalojen vesiviljely ja aquaponics-tuotanto
Aquaponics-systeemissä voidaan kasvattaa useita eri kalalajeja, mutta kaikissa tapauksissa ympäristöolosuhteet täytyy mukauttaa valitun lajin mukaan. Hyvä elinympäristö ja onnistunut
stressitekijöiden hallinta lisäävät kalojen kasvua ja vähentävät kuolleisuutta. (Thorarinsdottir ym.
2015.) Kaloilla on suuria lajikohtaisia eroja vedenlaadun ja elinympäristön suhteen. Kalat viihtyvät parhaiten neutraalissa tai lievästi emäksisessä vedessä (pH yli 6,5) ja lohikalojen hapentarve on yli 7 mg/l. (Suomen Kalankasvattajaliitto ry 2019.) Lohikalat hyötyvät suuresta vesitilavuudesta ja virtaavasta vedestä (Bregnballe 2015), koska ne uivat mielellään vastavirtaan (Arnekleiv ym.
2007). Kalojen ravinnontarve on 1–2 % niiden painosta vuorokaudessa ja kasvatustiheyden tulisi olla 10–20 kg/1000 litraa vettä (Somerville ym. 2014).
Aquaponics-viljelyssä kasvatetut kalalajit, kalojen kasvuvaiheet ja kalanrehun laatu vaihtelevat suuresti. Kalalajia valitessa tulisi ottaa huomioon paikallisten markkinoiden kysynnän ja kalalajin tuottoisuuden lisäksi systeemin kapasiteetti ylläpitää optimaalisia ympäristöolosuhteita, jotta kustannukset pysyvät hallinnassa. (Thorarinsdottir ym. 2015.) Vesiviljelyyn käytettyjen kalalajien tulee sopeutua suljettuun ympäristöön ja tuottaa runsaasti jälkeläisiä. Lisäksi lajeilta vaaditaan nopeakasvuisuutta, tehokasta rehun hyödyntämistä ja taudinkestävyyttä. (Suomen Kalankasvattajaliitto ry 2019.)
Yleisin aquaponics-systeemeissä viljelty kalalaji on niilintilapia (Oreochromis niloticus), joka lisääntyy helposti, kasvaa nopeasti, sietää monenlaisia ympäristöolosuhteita ja jolla on valkoinen laadukas liha. Tilapian optimilämpötila on 27–28 °C ja rehun tulisi sisältää noin 30 % proteiinia.
Oikeissa olosuhteissa tilapia voi saavuttaa keskimäärin 1 kg painon 8–9 kuukaudessa. Kirjolohi (Onchorhynchus mykiss) on kylmän veden laji ja sen takia hyvin suosittu Pohjoismaiden kalanviljelyssä. Kirjolohen optimilämpötila on 17–18 °C. Veden lämpötila tulisi pitää jatkuvasti alle 20 °C:ssa, koska korkeammat lämpötilat aiheuttavat stressiä kirjolohelle ja voivat jopa tappaa.
Rehun proteiinipitoisuuden tulisi olla 45–50 % ja korkeampi poikasille. Keskimäärin kirjolohen kasvattaminen RAS-järjestelmässä 20 grammasta 300 grammaan vie 7–8 kuukautta.
(Thorarinsdottir ym. 2015.) Muita yleisimpiä maailmanlaajuisesti aquaponics-viljeltyjä kaloja ovat muun muassa koristekalat, monnit (Siluriformes lahko), ahvenet (Perca spp.) isoaurinkoahven (Lepomis macrochirus), taimenet (Oncorhynchus spp., Salmo spp., Salvenlius spp.) ja bassit (Micropterus spp., Morone spp.) (Love ym. 2015).
Dalsgaasd ym. (2013) mukaan kirjolohen ja niilintilapian lisäksi Pohjoismaiden yleisimpiä kiertovesiviljeltyjä kalalajeja ovat lohi (Salmo salar), ankerias (Anguilla anguilla), kuha (Stizostedion lucioperca), nieriä (Salvelinus alpinus) ja sampikalat (Acipenseriformes lahko).
Suomessa tuotetaan vesiviljelyssä eniten kirjolohta (n. 95 %) ja toiseksi eniten siikaa (Coregonus lavaretus). Muita viljeltyjä lajeja ovat kuha, taimen (Salmo trutta), nieriä ja sampi (Acipenser sturio). (Suomen Kalankasvattajaliitto ry 2019.) Suomalainen Sybimar Oy on yhdistänyt samaan kiertotalousjärjestelmään kalankasvattamon, kasvihuoneen, biokaasulaitoksen ja bioöljyn tuotannon. Kalankasvattamolla on tuotettu kaupallisesti sekä kirjolohta että siikaa. (Varsinais- Suomen liitto 2018).
2.1.3 Kasvien aquaponics-tuotanto
Kasvien vesiviljely eli hydroviljely on viljelykasvien kasvatusmenetelmä, jossa ei käytetä multaa.
Vesiviljelyssä vesi ja ravinteet ovat jatkuvasti kasvien saatavilla, mikä helpottaa kasvien ravinteiden ottoa ja voi nopeuttaa niiden kasvua. (Somerville ym. 2014.) Vesiviljelyjärjestelmiä on useita erilaisia ja ne palvelevat eri tarkoitusperiä (Thorarinsdottir ym. 2015).
Vesiviljelyjärjestelmät voidaan luokitella sen mukaan, millä menetelmällä ravinneliuos toimitetaan kasvien juurille. Ne voidaan jakaa kahteen pääryhmään: i) ilman substraattia toimivat viljelyjärjestelmät, joihin kuuluvat ravinnekalvo- eli NFT-tekniikka ja erityyppiset kelluvat lauttajärjestelmät; ii) väliainetta sisältävät järjestelmät, joissa substraatti varmistaa juurten kiinnittymisen ja toimii bakteerien kasvualustana. Jälkimmäiset voidaan erotella edelleen sen perusteella, onko käytettävä väliaine orgaanista, epäorgaanista vai synteettistä. Aquaponics- systeemin hydroviljely vaikuttaa suoraan vedenlaatuun ja sitä kautta kalojen kasvuun ja terveyteen sekä haihdunnan kautta systeemin vedenkulutukseen. (Maucieri ym. 2018.)
Kolme yleisintä aquaponics-viljelyssä maailmanlaajuisesti käytettävää vesiviljelytekniikkaa ovat NFT-tekniikka, syvävesiviljely eli DWC-tekniikka ja kasvupedit. NFT-systeemissä vettä pumpataan jatkuvasti ohuen muovisen putken läpi, jossa kasvit kasvavat. NFT-systeemi vaatii hyvän mekaanisen suodatuksen, jotta kiintoainekset eivät akkumuloidu juuriin. DWC- järjestelmässä on yleensä 30 cm syviä altaita, joissa kasvit kelluvat muovialustassa kiinni. Kasvien
juuret kasvavat suoraan hapetetussa vedessä ja vesi vaihtuu jatkuvasti kasvialtaan ja kala-altaan välillä. Kasvupedit ovat yksinkertaisin ja eniten käytetyin tekniikka pienen mittakaavan systeemeissä. Siinä kasvialtaat on täytetty kiinteällä väliaineella, kuten soralla, paisutetulla savella tai hohkakivellä, joka tarjoaa lisäpinnan biosuodatukseen ja siten tehokkaaseen kasvien kasvuun.
Pienen mittakaavan systeemeissä, joissa kalatiheydet ovat alhaisia, kasvupedit toimivat myös mekaanisina ja biologisina suodattimina, jolloin erillistä suodatusta ei välttämättä tarvita.
(Thorarinsdottir ym. 2015.)
Pienet kasvit, kuten salaatit, lehtivihannekset ja yrtit soveltuvat parhaiten NFT- ja DWC- systeemeihin, mutta myös isompia kasveja voidaan käyttää. Suuremmat hedelmäkasvit, kuten tomaatit ja kurkut soveltuvat parhaiten kasvupeteihin, koska kasvien juuret saavat väliaineesta mekaanista tukea. Salaatintuotannon optimilämpötila on 15–19 °C, joten se sopii hyvin viileässä vedessä viihtyvän kirjolohen kanssa viljeltäväksi. (Thorarinsdottir ym. 2015.) Yleisimmät aquaponics-systeemeissä viljellyt kasvit ovat lehtisalaatti (Lactuca sativa), pinaattielämänlanka (Ipomoea aquatica) ja tomaatti (Lycopersicum esculentum). Muita yleisiä kasveja ovat basilika (Ocimum basilicum), kurkku (Cucumis sativus), ruokajuurikas eli juurikas (Beta vulgaris), pinaatti (Spinacia oleracea) ja kaalikasvit (Brassica). (Maucieri ym. 2018.) Ruotsalainen yritys Peckas Tomater tuottaa aquaponics-systeemissä kaupallisesti tomaattia yhdessä kirjolohen kanssa (Peckas Tomater 2020). Suomalainen Sybimar Oy tekee yhteistyötä Kotipellon puutarha yrityksen kanssa, jonka kasvihuoneessa hyödynnetään kalankasvattamon ravinnepitoiset vedet ja syntynyt hiilidioksidi erilaisten versojen ja syötävien kukkien viljelyyn (Kiertotalouden Varsinais-Suomi 2017).
2.1.4 Kiertovesiviljelyjärjestelmä
Kiertovesiviljelyjärjestelmä voidaan määrittää vesiviljelymenetelmäksi, joka sisältää veden puhdistusta ja uudelleen käyttöä siten, että koko vesitilavuudesta vaihdetaan korkeintaan 10 % päivässä (Blidariu ja Grozea 2011). Nykyaikaisissa järjestelmissä vedestä voidaan käyttää uudelleen 95–99 % (Thorarinsdottir ym. 2015). Vettä kierrätetään jatkuvan puhdistuskäsittelyn läpi ja palautetaan takaisin kasvatetuille organismeille. Kiertovesiviljelyssä käytettyjen
vedenkäsittelykomponenttien on mukauduttava suureen syötettyyn rehumäärään, jotta nopeaa kasvua ja eläintiheyttä voidaan ylläpitää, jota yleensä vaaditaan taloudellisten tulosten saavuttamiseksi. Yleensä kiertovesiviljelyjärjestelmä koostuu mekaanisista ja biologisista suodatinkomponenteista, pumpuista ja kalojen kasvatusaltaista, joiden lisäksi se voi sisältää myös muita vedenkäsittelyelementtejä, jotka parantavat veden laatua ja torjuvat tauteja järjestelmässä.
(Blidariu ja Grozea 2011.)
Yleisimmät vedenlaatuun liittyvät ongelmat kiertovesiviljelyssä ovat hapen puute sekä orgaanisen aineksen, epäorgaanisen typen (etenkin ammoniumtypen) ja hiilidioksidin kertyminen systeemiin.
Näitä ongelmia on vähennetty kalanviljelyssä perinteisesti säännöllisellä vedenvaihdolla.
Aquaponics-systeemissä hyvä vedenlaatu pyritään saavuttamaan mekaanisten ja biologisten suodattimien avulla. Lisäksi liuenneen hapen määrä, pH ja lämpötila täytyy pitää turvallisilla tasoilla jatkuvasti. (Blidariu ja Grozea 2011, Thorarinsdottir ym. 2015.)
2.1.4.1 Mekaaniset suodattimet
Kalojen ruuasta ja ulosteista koostuvan kiintoaineksen poistaminen aquaponics-systeemistä on erittäin tärkeä vaihe, jotta hyvä vedenlaatu voidaan ylläpitää. Kiintoainesten kertyminen systeemiin lisää kalatautien ja kidusvaurioiden riskiä sekä ammoniumtypen määrää vedessä. Lisäksi happipitoisuus vähenee korkeamman biokemiallisen hapenkulutuksen (BOD) vuoksi, biosuodattimen tehokkuus heikkenee suodatinmateriaaliin kertyvien heterotrofisten bakteerien takia ja tukkeutumia syntyy helpommin systeemiin. Tukkeutumat johtavat anaerobisten alueiden muodostumiseen, joista vapautuu kaloille ja nitrifikaatiobakteereille myrkyllistä rikkivetyä.
Kiintoaineksella on negatiivinen vaikutus myös kasveihin, sillä se tukkii niiden juuria ja heikentää ravinteiden ottoa. Kiintoainesten poiston ensimmäinen tavoite on lyhentää kiinteiden jätteiden viipymää systeemissä niin paljon kuin mahdollista. Mitä nopeammin kiintoainekset poistetaan systeemistä sitä vähemmän ne pilkkoutuvat pienemmiksi partikkeleiksi, jotka voivat kuluttaa systeemin happea. Tämän takia mekaaniset suodattimet sijoitetaan yleensä kala-altaiden ja biosuodattimien väliin siten, että vesi virtaa kaloilta mekaanisen suodattimen kautta biosuodattimeen. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
Mekaaninen suodatus voidaan toteuttaa monella eri tavalla. Tavallisesti suodatusmenetelmät perustuvat painovoimaan (sedimentaatio ja pyörreselkeytin), seulontaan (rumpusuodatin, hiekkasuodatin ja petisuodatin), hapetukseen (otsonikäsittely) tai vaahtoerotukseen. Painovoimaan perustuvat suodatusmenetelmät vaativat suuren pinta-alan ja manuaalisen puhdistuksen. Ne ovat tehokkaita ainoastaan suurien partikkeleiden (>100 µm) poistossa, mutta ovat yleensä yksinkertaisia ja halpoja rakentaa. Seulontaan perustuvat suodatusmenetelmät vaativat usein monimutkaisempaa kalustoa ja voivat olla kalliimpia, mutta vaativat vähemmän lattiatilaa ja ovat yleensä itsepuhdistuvia. Valinta passiivisen sedimentaation ja mekaanisen suodatuksen välillä riippuu siitä, kuinka suuri tuotantotila on kyseessä. Pienen mittakaavan tuotannossa käsiteltävän veden määrä on vähäinen ja voi olla sopivampaa käyttää sedimentaatiovaihtoehtoja halvempien kustannusten ja vähäisemmän huollon takia kuitenkin edellyttäen, että veden viipymä laskeutumissäiliössä on riittävä. Erittäin tärkeää on varmistaa suodattimien jatkuva toiminta sekä poistaa liete viipymättä järjestelmästä ja huolehtia sen jatkokäsittelystä. (Thorarinsdottir ym.
2015.) Kiinteistä jätteistä koostuva liete voidaan käyttää biokaasun tuottamiseen tai kompostoida ja käyttää lannoitteena (Medina ym. 2016a).
2.1.4.2 Biologiset suodattimet
Kiintoainesten poiston jälkeen vesi virtaa aquaponics-systeemissä biologisen suodattimen eli biosuodattimen läpi. Biosuodatin on erittäin tärkeässä roolissa koko systeemin toimivuuden kannalta ja se koostuu suodatinmateriaalista sekä hyödyllisistä luonnossa esiintyvistä nitrifikaatiobakteereista. Kaksivaiheisen nitrifikaatioprosessin aikana bakteerit muuttavat kalojen tuottaman haitallisen ammoniumtypen ensin nitriitiksi ja edelleen haitattomaksi nitraatiksi.
(Somerville ym. 2014.) Aquaponics-systeemissä saavutettava merkittävä vedensäästö on tämän prosessin ansiota, koska vettä ei tarvitse vaihtaa niin kuin perinteisissä systeemeissä ja ammoniumtypen pitoisuus pysyy silti turvallisella tasolla (Thorarinsdottir ym. 2015).
Nitrifikaatiobakteerit tarvitsevat jonkin kasvualustan, joten biosuodattimen pinta-alaa lisätään huomattavasti täyttämällä sen tilavuus huokoisella suodatinmateriaalilla, kuten soralla, hohkakivellä tai muovilla. (Thorarinsdottir ym. 2015.) Suodatinmateriaaleina käytettävien vulkaanisen soran ja hohkakiven suositeltava partikkelikoko on halkaisijaltaan 8–20 mm
(Somerville ym. 2014). Oikealla partikkelikoolla voidaan maksimoida kasvualustan pinta-ala kuitenkaan veden virtausta hidastamatta (Medina ym. 2016a). Biosuodattimen sopiva koko riippuu monesta tekijästä. Näitä ovat veden lämpötila, suolaisuus ja happipitoisuus, suodatinmateriaalin pinta-ala, veden kiertonopeus biosuodattimessa, kalojen populaatiotiheys ja ruokintajärjestelmä sekä rehun proteiinipitoisuus. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
Aquaponics-systeemeihin käytettävistä biosuodattimista on useita vaihtoehtoja. Yleisimpiä biosuodattimia ovat petisuodattimet, hiekkasuodattimet, tihkusuodattimet (trickling filters) ja leijukerros-biosuodattimet (moving bed bioreactors, MBBR). Petisuodattimissa suodatinmateriaali on eristetty painekammioon ja sitä sekoitetaan säännöllisin väliajoin, jotta kertynyt kiintoaines poistuu systeemistä. Hiekkasuodattimissa suodatinmateriaali on myös painekammiossa ja sitä sekoitetaan. Hiekan suuri ominaispinta-ala mahdollistaa erittäin korkeat nitrifikaationopeudet.
Tihkusuodattimia voidaan käyttää erilaisten suodatinmateriaalien kanssa, joita ovat esimerkiksi muovihelmet, sora tai savipallot. Vettä tihkutetaan suodatinmateriaalin päälle, jolloin nitrifikaatiobakteerit kasvavat suodatinmateriaalin vesi-ilma-rajapinnalla. Tihkusuodattimet tarjoavat passiivisen hapetuksen ja hiilidioksidin poiston. Leijukerros-biosuodattimien kelluvaa suodatinmateriaalia sekoitetaan veteen ilmastuksen tai sekoittamisen avulla. Ilmastus pitää veden hapettuneena ja poistaa hiilidioksidin vedestä. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
Nitrifikaatiobakteerit lisääntyvät ja muodostavat yhdyskuntia suhteellisen hitaasti, joten riittävän bakteerikannan muodostuminen voi vaatia useita viikkoja (Somerville ym. 2014). Yanong (2003) mukaan toimivan bakteerikalvon kehittyminen uuteen biosuodattimeen kestää ympäristöolosuhteista riippuen kolmesta kahdeksaan viikkoa. Käynnistysvaiheen kesto riippuu kalamäärästä, syötetyn rehun laadusta ja määrästä sekä veden pH:sta, alkaliniteetista eli puskurikyvystä ja lämpötilasta (Yanong 2003). Tärkeimmät tekijät, jotka ylläpitävät tervettä bakteeristoa systeemissä ja näin vaikuttavat nitrifikaatioon, ovat veden lämpötila, pH ja liuenneen hapen määrä, riittävä kasvupinta-ala bakteereille ja niiden suojaaminen suoralta auringonvalolta (Somerville ym. 2014) sekä ammoniakin ja nitriitin pitoisuudet, hiili-typpisuhde ja nestekuorma (hydraulic loading rate, HLR) (Wongkiew ym. 2017a).
Jos nitrifikaatio ei ole systeemissä riittävän tehokasta, ammoniakki akkumuloituu vedessä ja voi saavuttaa kaloille myrkyllisiä pitoisuuksia. Liian korkeat ammoniakkipitoisuudet voivat aiheuttaa laajoja kudosvaurioita etenkin munuaisiin ja kiduksiin, kasvun ja immuniteettijärjestelmän heikentymistä sekä kalojen kuolemia. (Blidariu ja Grozea 2011.) NH3-muodossa oleva ammoniakki on ammoniumtyppeä haitallisempaa kaloille. Voimakkaasti emäksisessä vedessä (pH yli 9) ammoniummuotoinen typpi muuttuu myrkyllisemmäksi ammoniakiksi. Toimivassa ja terveellisessä systeemissä ammoniakin ja ammoniumtypen pitoisuudet ovat aina alle myrkyllisen tason. Nitrifikaation ensimmäinen tuote nitriitti on myös myrkyllistä kaloille. Molempien bakteeriyhdyskuntien täytyy toimia, jotta kokonaisammoniakin ja nitriitin pitoisuudet eivät nouse liian korkealle. Paras tapa määrittää nitrifikaatioketjun toimivuutta on tarkkailla säännöllisesti kokonaisammoniakin, nitriitin ja nitraatin pitoisuuksia vedessä. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
2.2 RAVINTEET AQUAPONICS-SYSTEEMISSÄ 2.2.1 Kasveille tärkeät ravinteet
Aquaponics-viljelyn kasvit tarvitsevat useita ravinteita, jotka helpottavat sekä kasvuun että lisääntymiseen tarvittavaa fotosynteesiä. Kasviravinteet jaetaan kahteen luokkaan; makro- ja mikroravinteisiin. Vaikka makroravinteet ovatkin kasveille välttämättömämpiä, myös mikroravinteiden tarve tulee ottaa huomioon. Makroravinteita ovat typpi (N), fosfori (P), kalium (K), kalsium (Ca), magnesium (Mg) ja rikki (S). Mikroravinteiden määrä on paljon suurempi, mutta niitä tarvitaan vain vähäisiä määriä. Tärkeitä mikroravinteita ovat rauta (Fe), kupari (Cu), boori (B), mangaani (Mn), molybdeeni (Mo) ja sinkki (Zn). (Somerville ym. 2014, Thorarinsdottir ym. 2015). Kasvien ravintoaineiden tarve vaihtelee kasvityypin mukaan. Hedelmäkasvien ravinteiden kokonaistarve on suurempi kuin lehtivihannesten, koska ravinteita tarvitaan kukkien ja hedelmien muodostamiseen. Hedelmäkasvit tarvitsevat erityisen paljon kaliumia ja fosforia, kun taas lehtivihannekset tarvitsevat enemmän kalsiumia. (Somerville ym. 2014.)
Typpi on kaikkien kasvien tärkein epäorgaaninen ravinne. Typpeä esiintyy kaikissa aminohapoissa, jotka taas muodostavat monille biologisille prosesseille välttämättömät proteiinit.
Tämän takia typpi on avaintekijä aquaponics-systeemeissä. (Somerville ym. 2014.) Kasvit ottavat
ja käyttävät kasvuunsa sekä ammonium- (NH4+) että nitraattimuodossa (NO3-) olevaa typpeä (Tyson ym. 2011), mutta nitraatin talteenotto on helpompaa (Somerville ym. 2014). Typen tarve on erityisen suuri kasvin vegetatiivisen kasvun (kasvullinen vaihe) aikana ja ennen hedelmän muodostamista, mutta tarve vähenee täysikasvuisena, jotta vältytään kukinnan ongelmilta, raakojen hedelmien putoamiselta ja tuotteen laadun heikkenemiseltä. Liiallinen typpilannoitus tekee kasveista myös alttiimpia tuholaisille ja taudeille. Typen puutosoireet ovat hyvin selkeitä ja näkyvät etenkin vanhojen lehtien kellastumisena. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
Fosfori on välttämätöntä kasvien DNA:lle, fosfolipidikalvoille ja adenosiinitrifosfaatille (ATP).
Fosforia tarvitaan sekä fotosynteesiin että sokerien ja öljyjen muodostamiseen. (Thorarinsdottir ym. 2015.) Kasvit käyttävät fosforia sen fosfaatti-ioni muodoissa eli divetyfosfaattina (H2PO4−), monovetyfosfaattina (HPO42−) ja fosfaattina (PO43−). Fosfori on tärkeää kasvien kasvulle vegetatiivisen kasvun aikana ja kukintavaiheessa. (Goddek ym. 2015.) Kasvien juurten kasvu voi olla vesiviljelyssä hyvin voimakasta, jos fosforin määrä on optimaalinen (Somerville ym. 2014).
Fosforin puutos voi johtaa juurien heikkoon kasvuun, koska energiaa ei voida kuljettaa kasvin läpi oikealla tavalla. Puutosoireita ovat myös lehtien punoitus, kitukasvuisuus, viivästynyt kypsyminen ja lehtien kärkien ruskeat laikut. Fosforin on havaittu olevan yksi kasvien kasvua rajoittavista ravinteista aquaponics-systeemissä. (Thorarinsdottir ym. 2015.)
2.2.2 Ravinteiden kierto aquaponics-systeemissä
Aquaponics määritellään akvaattisten eliöiden ja kasvien tuotantojärjestelmäksi, jossa suurin osa (> 50 %) kasvien optimaalista kasvua ylläpitävistä ravinteista on peräisin jätteistä, jotka syntyvät akvaattisten eliöiden ruokinnasta (Palm ym. 2018). Suurin osa aquaponics-viljelyn tutkimuksista on keskittynyt viljelysatojen parantamiseen (Hu ym. 2015). Ravinteiden kierroista aquaponics- systeemeissä on tehty myös paljon tutkimuksia, jotka keskittyvät yleensä typen ja fosforin kiertoihin. Typen ja fosforin optimointi on välttämätöntä aquaponics-viljelyn onnistumisen kannalta, mutta hyvän kasvisadon varmistamiseksi täytyy kasveille antaa riittävästi kaikkia tärkeitä ravinteita. Typen ja fosforin kiertoihin voivat vaikuttaa useat tekijät, kuten viljellyt kala- ja kasvilajit, kalatiheys, veden lämpötila ja mikrobiyhdyskunta. Ravinteiden saatavuuteen ja kasvien
ravinteiden ottoon vaikuttavat myös monet tekijät, kuten pH, lämpötila, valon intensiteetti sekä kasvien kasvuvaihe ja kasvunopeus. (Eck ym. 2019.)
Osa aquaponics-systeemeistä on täydellisiä kierrätysjärjestelmiä, jotka käyttävät ainoastaan kalanrehua ravinteiden lähteenä. Kuitenkin usein aquaponics-viljelyyn tarvitaan keinolannoitteita täydentämään kasvien tarvitsemia ravinteita, jotka puuttuvat kalanrehusta. (Palm ym. 2018.) Pellettimäinen kalanrehu on täydellistä ravintoa kalalle, koska se sisältää kaiken, mitä kala tarvitsee kasvaakseen, mutta ei välttämättä kaikkea, mitä kasvi tarvitsee kasvaakseen. Kalat eivät tarvitse yhtä paljon rautaa, kaliumia ja kalsiumia kuin kasvit, joten kasvit voivat kärsiä näiden ravinteiden puutoksista, jos niitä ei lisätä systeemiin. (Somerville ym. 2014.) Graber ja Junge (2009) havaitsivat tutkimuksessaan, että heidän aquaponics-systeeminsä kasvua rajoittavia ravinteita olivat fosfori ja etenkin kalium, jonka puute heikensi viljellyn tomaatin laatua.
Toimivassa aquaponics-systeemissä kalojen biomassa on sopiva kasvien määrään nähden eli kalanrehun suhde kasvien ravintoaineiden tarpeeseen on tasapainossa. Systeemin tasapainotuksessa voidaan käyttää apuna optimoitua ruokintamäärää (feed rate ratio), jossa otetaan huomioon kolme tärkeintä muuttujaa: tarvittava kalanrehun määrä grammoina vuorokaudessa, kasvityyppi (lehtivihannekset vs. hedelmäkasvit) ja kasvien kasvatusala neliömetreinä. Tämä luku ilmoittaa päivittäisen kalanrehun määrän jokaista neliömetriä kohden. Keskimäärin optimaaliset ruokintamäärät ovat lehtivihanneksille 40–50 g/m2/vrk ja hedelmäkasveille 50–80 g/m2/vrk.
(Somerville ym. 2014.)
Kalanrehua on kahta päätyyppiä: kalajauhopohjaista ja kasvipohjaista rehua (Eck ym. 2019).
Yleensä kalanrehu koostuu 6–8 pääraaka-aineesta ja sisältää 6–8 % typpeä ja 1.2 % fosforia (Timmons ja Ebeling 2007 mukaan Eck ym. 2019). Kotimainen Raisioaqua Oy valmistaa kalanrehuja, jotka sisältävät pääosin kasviöljyä, kasvivalkuaista, kalaöljyä, kalajauhoa sekä vitamiineja ja hivenaineita. Rehun koostumus vaihtelee kalalajin ja eri ikävaiheen mukaan.
Poikasrehujen fosforipitoisuus on korkea, koska pienpoikasten fosforin tarve on luuston kehittyessä isoa kalaa suurempi. (Raisioaqua 2018.) Siikarehujen ravinnekoostumukset ovat
pienpoikasten rehussa 1,35 % fosforia ja 9,92 % typpeä ja isojen kalojen rehussa 0,70 % fosforia ja 6,08 % typpeä. Rehulaatuja on useita ja ne luokitellaan kalan painon mukaan. Siikarehujen ravinnekoostumukset vaihtelevat edellä mainittujen lukujen välillä. (Raisioaqua 2019.)
Kalat syövät huomattavan osan rehusta, joka joko käytetään kasvuun ja aineenvaihduntaan tai eritetään liukoisina ja kiinteinä ulosteina. Loppu syömätön rehu hajoaa systeemissä ja vaikuttaa veden ravinnekuormaan. Kalojen liukoiset eritteet ovat helposti kasvien saatavilla, kun taas kiinteät ulosteet täytyy mineralisoida mikro-organismien avulla, jotta niiden ravinnesisältö tulee kasvien käytettäviin. Tämän takia käytettävissä olevien ravinnepitoisuuksien kontrolloiminen on haastavampaa aquaponics-viljelyssä kuin perinteisessä kasvien vesiviljelyssä. (Eck ym. 2019.) Kalojen ulosteiden typpipitoisuus vaihtelee 10–40 % välillä riippuen kalanrehun typpipitoisuudesta ja kalalajista (Wongkiew ym. 2017a). Aquaponics-systeemistä poistettu kiintoaines koostuu pääasiassa kalojen jätöksistä ja pienistä määristä (yleensä alle 5 %) syömätöntä rehua. Poistettu liete voi sisältää jopa 40 % systeemiin lisätyn rehun ravinteista (Yogev ym. 2016). Ravinteiden hävikki on jatkuva ongelma aquaponics-viljelyssä. Ravinteita häviää systeemistä kiintoaineksen poiston lisäksi muun muassa vesihävikin, denitrifikaatiossa muodostuneen typpikaasun ja ammoniakin haihtumisen mukana. (Wongkiew ym. 2017a.)
2.2.3 Rehun typen ja fosforin jakautuminen kalanviljelyssä
Taulukkoon 1 on koottu tutkimustuloksia kalanrehun sisältämän typen ja fosforin jakautumisesta kaloihin ja ympäristöön kalanviljelyssä. Asmala ja Saikku (2010) tutkivat typen ja fosforin virtauksia Suomen kirjolohen viljelyssä. Tutkijoiden mukaan kalanrehun typestä 34 % ja fosforista 31 % käytetään kirjolohen kasvuun ja loput lähes 70 % rehun ravinteista vapautuu veteen syömättömän rehun ja kalojen eritteiden mukana (Asmala ja Saikku 2010). Hargreaves (1998) kokosi katsausartikkeliin tuloksia typen jakautumisesta erilaisissa kalojen viljelyjärjestelmissä.
Järjestelmiin kalanrehuna tai muuna ravinnelisäyksenä lisätystä typestä keskimäärin 25 % päätyy kaloihin ja ympäristöön vapautuu loput 75 %, josta liuenneessa muodossa on keskimäärin 62 % ja kiinteässä muodossa on keskimäärin 13 % (Hargreaves 1998). Schneider ym. (2005) kokosivat myös useita tutkimuksia kalanrehun typen ja fosforin jakautumisesta kalanviljelyssä. Tutkijoiden
koostamien tulosten perusteella kalanrehun typestä 20–50 % ja fosforista 15–65 % sitoutui kaloihin. Ulosteisiin kiinnittyneenä oli typestä 10–30 % ja fosforista 30–65 %. (Schneider ym.
2005.) Yogev ym. (2017) raportoivat, että heidän RAS-järjestelmäänsä lisätyn kalanrehun typestä keskimäärin 29 % varastoitui kalaan, 37 % kiinnittyi lietteeseen ja 34 % eritettiin kalojen kautta veteen lähinnä ammoniumtyppenä. Rafiee ja Saad (2005) raportoivat huomattavasti pienemmästä lietteeseen päätyneestä typen osuudesta, sillä tutkijoiden mukaan RAS-järjestelmän kalanrehun typestä 2–3 % ja fosforista 3–4 % päätyi lietteeseen. Tutkijoiden mukaan kalat kuluttavat kalanrehun ravinteista keskimäärin 33 % typpeä ja 16 % fosforia (Rafiee ja Saad 2005). Strauch ym. (2018) tutkivat fosforin jakautumista RAS-järjestelmässä ja tutkijat raportoivat kalanrehun fosforista päätyvän kaloihin 58–64 %, kiintoainekseen 11–22 % ja veteen 10–15 %.
2.2.4 Rehun typen ja fosforin jakautuminen aquaponics-viljelyssä
Taulukkoon 1 on koottu tutkimustuloksia kalanrehun sisältämän typen ja fosforin jakautumisesta kaloihin, kasveihin ja ympäristöön aquaponics-viljelyssä. Wongkiew ym. (2017b) kasvattivat aquaponics-systeemissä tilapiaa ja kahta eri lehtivihannesta: pak choita eli pinaattikiinankaalia ja salaattia. Kahden eri rehukertoimen, liuenneen hapen pitoisuuksien ja erilaisten nestekuormien vaikutuksia rehun typen jakautumiseen tutkittiin. Systeemeissä, joissa kasvatettiin pinaattikiinankaalia, rehun typestä päätyi kaloihin 18–28 %, kasveihin 18–30 %, akkumuloituneena veteen 7–25 %, sedimenttiin 5–8 % ja hävikkiin typpikaasun mukana 20–46 %.
Systeemeissä, joissa kasvatettiin salaattia, rehun typestä päätyi kaloihin 35–49 %, kasveihin 7–10
%, veteen 15 %, sedimenttiin 2–3 % ja hävikkiin 22–41 %. Tutkijoiden mukaan rehukertoimella oli suuri vaikutus typpihävikin määrään, sillä hävikki oli huomattavasti suurempaa 50 g/vrk kuin 35 g/vrk syötetyllä rehumäärällä. (Wongkiew ym. 2017b.) Zou ym. (2016a) kasvattivat tutkimuksessaan karppia yhdessä pinaattikiinankaalin kanssa ja tutkivat nitrifioivien bakteerien ja lisätyn suodatinmateriaalin vaikutuksia typen kiertoon. Kalanrehun typestä päätyi kaloihin 19,1–
19,6 %, kasveihin 29,8–37,0 %, veteen 12,6–17,1 %, % ja loput 29,7–34,0 % hävikkinä lähinnä kaasumaisissa muodoissa. Rehun typen hyödyntäminen kalojen ja kasvien tuottoon oli suurempaa bakteeri- ja suodatinmateriaalikäsitellyissä systeemeissä kuin verrokkisysteemissä. (Zou ym.
2016a.) Hu ym. (2015) havaitsivat tutkimuksessaan, että aquaponics-systeemissä, jossa kasvatettiin tomaattia, systeemiin lisätystä typestä päätyi kaloihin 24,3 %, kasveihin 17 % ja hävikkiin 51,2 %.
Systeemissä, jossa kasvatettiin pinaattikiinankaalia, typestä päätyi kaloihin 19,4 %, kasveihin 15
% ja hävikkiin 57,3 %. Pieniä määriä typestä päätyi veteen ja mikrobeihin. (Hu ym. 2015.) Ru ym.
(2017) kasvattivat tilapiaa ja pinaattikiinankaalia aquaponics-systeemissä ja tutkivat mikro- ja makroravinteiden lisäyksen vaikutuksia biomassojen tuotantoon ja ravinteiden jakautumiseen.
Kalanrehu oli ainoa typen ja fosforin lähde molemmissa systeemeissä (käsittely ja verrokki).
Käsittely-systeemiin lisätystä kalanrehun typestä päätyi kaloihin 33 %, kasveihin 18 %, veteen 22
%, mikrobeihin 4 % ja hävikkiin typen kaasuina 23 %. Verrokki-systeemin typestä päätyi kaloihin 28 %, kasveihin 12 %, veteen 34 %, mikrobeihin 4 % ja hävikkiin 22 %. Ravinteiden lisäys nosti typen hyödyntämisasteen 40,42 %:sta 50,64 %:iin. Käsittely lisäsi huomattavasti kalojen ja kasvien biomassojen kasvua ja myös rehun kulutus oli suurempaa käsittely-systeemissä. Lisäksi käsittely- systeemissä havaittiin olevan merkittävästi vähemmän fosforia, mikä tutkijoiden mukaan johtui fosforin saostumisesta struviitiksi magnesiumlisäyksen takia. (Ru ym. 2017.)
Fosforin dynamiikasta aquaponics-viljelyssä tiedetään melko vähän (Eck ym. 2019). RAS- systeemeissä suurin osa kalojen tuottamasta typestä (60–90 %) on liuenneessa muodossa (pääasiassa ammoniumtyppenä), kun taas fosforista iso osa (25–85 %) eritetään kiinteiden ulosteiden mukana (van Rijn 2013). Fosforin liukoisuus riippuu pH:sta, sillä korkeampi pH edistää fosforin saostumista ja siten muuttaa sitä kasveille käyttökelvottomaan muotoon (Yildiz ym. 2017).
Yang ja Kim (2020) vertailivat typen ja fosforin jakautumista aquaponics-järjestelmissä, joissa kasvatettiin kirsikkatomaattia, basilikaa ja salaattia. Kalanrehuna lisätystä typestä sitoutui biomassoihin 30–41 % (21–24 % kaloihin ja 9–17 % kasveihin) ja vapautui loput 59–70 % denitrifikaation (45–50 %), jäteveden (14–20 %) ja kiintoaineksen (0.7–2 %) mukana. Fosforista sitoutui biomassoihin 38–54 % (35–45 % kaloihin ja 11–25 % kasveihin) ja vapautui loput 38–54
% saostumisen (8–25 %), jäteveden (22–28 %) ja kiintoaineksen (2–8 %) mukana. Cerozi ja Fitzsimmons (2017) mukaan kalanrehusta peräisin olevan fosforin määrä aquaponics-systeemissä voi olla joko riittävä tai riittämätön riippuen kasvien kasvuvaiheesta. Kalanrehun fosforista sitoutui kaloihin 42,3 % ja kasveihin 29,4 %. Rehun fosforista 13,1 % esiintyi käyttökelvottomassa muodossa pidättyneenä kiintoainekseen ja lietteeseen, 2,5 % kertyi kasvien juuriin, 2,2 % oli liuenneena vedessä ja loppuja 10,7 % ei pystytty määrittämään. (Cerozi ja Fitzsimmons 2017.)
Taulukko 1. Kalanrehun typen ja fosforin jakautuminen kalanviljelyssä (sinisellä pohjalla) ja aquaponics-viljelyssä (vihreällä pohjalla).
K = käsittely (kalanrehu + lisätyt ravinteet) ja V = verrokki.
Viljeltävät lajit Rehun ravinteista sitoutuu
Rehun ravinteista vapautuu
Kalat Kasvit Ravinne Kalat
(%)
Kasvit (%)
Kiintoaines (%)
Vesi (%)
Hävikki (%)
Kok.
(%) Lähde
Kirjolohi Typpi
Fosfori
34 31
66 69
Asmala ja Saikku 2010
Useita Typpi 11–36 7–30 49–74 64–89 Hargreaves 1998 (review)
Useita Typpi
Fosfori
20–50 15–65
10–30 30–65
50–80 35–85
Schneider ym. 2005 (review)
Jättikonnamonni Typpi 29 37 34 Yogev ym. 2017
Tilapia Typpi
Fosfori
28–37 7–20
2–3 3–4
3–10 19–33
Rafiee ja Saad 2005
Jättikonnamonni Fosfori 58–64 11–22 10–15 Strauch ym. 2018
Tilapia Pak choi
Salaatti Typpi 18–28
35–49 18–30
7–10 5–8
2–3 7–25
15 20–46
22–41 Wongkiew ym. 2017b * Karppi Pak choi Typpi 19,1–19,6 29,8–37,0 12,6–17,1 29,7–34,0 Zou ym. 2016a
Tilapia Tomaatti Pak choi
Typpi 24,3 19,4
17,0 15,0
51,2 57,3
Hu ym. 2015 Tilapia Pak choi Typpi 33 (K)
28 (V)
18 (K) 12 (V)
22 (K) 34 (V)
23 (K) 22 (V)
Ru ym. 2017 * Tilapia 3 lajia a Typpi
Fosfori
21–24 35–45
9–17 11–25
0,7–2 2–7
14–20 22–28
45–50 8–25
Yang ja Kim 2020
Tilapia Salaatti Fosfori 42,3 29,4 13,1 2,2 Cerozi ja Fitzsimmons
2017
* = luvut arvioitu kuvaajista
a = kirsikkatomaatti, basilika ja salaatti
2.2.5 Typen kierto
Aquaponics-viljelyn tärkein biologinen prosessi on nitrifikaatio, joka on olennainen osa luonnossa tapahtuvaa typen kiertoa (Somerville ym. 2014). Aquaponics-systeemissä veteen muodostuu ammoniakkia kalojen kasvun metabolisissa prosesseissa ja kalanrehun hajotessa (Blidariu ja Grozea 2011). Ammoniakki esiintyy vedessä kahdessa eri muodossa: ei-ionisoituneena NH3- muodossa ja ionisoituneena ammoniumioneiksi eli NH4+-muodossa, josta käytetään myös nimitystä ammoniumtyppi. Yhdessä näistä käytetään nimitystä kokonaisammoniakki (TAN).
Aquaponics-systeemeissä ammoniakki esiintyy vedessä pääasiassa ammoniumtyppenä.
Esiintymismuoto riippuu kuitenkin veden pH-arvosta: mitä korkeampi pH, sitä suurempi osuus ammoniakista esiintyy NH3-muodossa. (Wongkiew ym. 2017a, Thorarinsdottir ym. 2015.)
Nitrifikaatiobakteerit muuttavat ammoniumtypen nitraatiksi, jota kasvit käyttävät ravinteenaan.
Nitrifikaatio on kaksivaiheinen prosessi, johon osallistuu kaksi erillistä ryhmää nitrifikaatiobakteereita. Ensimmäinen vaihe on ammoniumionien hapettuminen nitriitti-ioneiksi (yhtälö 1). Tämä tapahtuu ammoniakkia hapettavien bakteerien avulla, joista yleisimpiä ovat nitrosomonas-bakteerit. Toinen vaihe on nitriitti-ionien hapettuminen nitraatti-ioneiksi (yhtälö 2), joka tapahtuu nitriittiä hapettavien bakteerien avulla. Tämän ryhmän bakteereista yleisimpiä ovat nitrobacter-bakteerit. Kokonaisreaktio on kuvattu yhtälössä 3. (Thorarinsdottir ym. 2015, Somerville ym. 2014.)
2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O (yhtälö 1)
2 NO2- + O2 → 2 NO3- (yhtälö 2)
NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2 H+ + H2O (yhtälö 3)
3. TYÖN TAVOITTEET
Tämän työn tarkoituksena oli testata kalojen (vaellussiika) ja kahden ruokakasvin (nokkonen ja mizuna) yhteistuotantomenetelmää ja selvittää kasvien biomassojen kasvua eripituisilla kasvatusajoilla. Työn tavoitteena oli tutkia typen ja fosforin kiertoa pienimuotoisessa suljetun vesikierron aquaponics-systeemissä ja arvioida ravinteiden poistumista kiintoaineksen ja kasvien biomassojen mukana. Kokeen aikana määritettiin veden ravinnepitoisuuksien lisäksi aquaponics- viljelyn tärkeimpiä vedenlaadun parametreja. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, soveltuuko vaellussiika aquaponics-viljelyyn.
4. AINEISTO JA MENETELMÄT
4.1 AQUAPONICS-JÄRJESTELMÄ 4.1.1 Järjestelmän kuvaus
Tämän tutkielman kasvatuskokeet suoritettiin Itä-Suomen yliopiston Ympäristö- ja biotieteiden laitoksen Snellmania-rakennuksen kasvatuskammioissa. Aquaponics-järjestelmiä oli yhteensä kuusi ja niistä jokaiseen kuului kasvipeti, kala-allas, pyörreselkeytin, biologinen suodatin, kaksi vesipumppua, kaksi ilmastinkiveä ja vesiletkua. Muut komponentit olivat kasvatuskammiossa (kuva 2) paitsi pyörreselkeytin, joka oli kammion ulkopuolella (kuva 3).
Kuva 2. Kasvatuskammiossa oli aquaponics-järjestelmän kasvipeti, kala-allas ja biologinen suodatin. Kala-altaassa ja biologisessa suodattimessa oli käytössä ilmastus.
Kuva 3. Kammion ulkopuolella oli aquaponics-järjestelmän pyörreselkeytin, josta vesi pumpattiin ylös biologiseen suodattimeen.
Kasvipetinä käytettiin muovista allasta, jonka pohjan pinta-ala oli 0,41 m2. Kasvipedin keskellä oli lapposysteemi, jonka kautta vesi johdettiin kala-altaaseen kasvipedin täyttyessä vedellä tiettyyn korkeuteen. Lapon toimivuuden kanssa oli välillä ongelmia, joten järjestelmien lappojen toiminta oli ajoittain käsikäytön varassa. Kala-altaan tilavuus oli 80 litraa ja veden määrä vaihteli keskimäärin 60 ja 65 litran välillä. Jokaisen kala-altaan pohjalla oli pieni ilmastinkivi, jonka avulla vettä ilmastettiin riittävän happipitoisuuden varmistamiseksi. Kaikissa kala-altaissa oli myös vesipumppu (Eheim 600 l/h, nostokorkeus max 1 m), jolla saatiin vesi pyörimään altaissa, jotta kalat pystyivät uimaan vastavirtaan. Pyörreselkeytin oli lieriön mallinen ja sen alaosa oli sisältä suppilomainen. Mekaaninen kiintoaineksen poisto tapahtui pohjassa olevan letkun kautta.
Pyörreselkeyttimen kokonaistilavuus oli noin 30 litraa ja veden määrä selkeyttimessä oli noin 24 litraa. Eheim (600 l/h, nostokorkeus max 1,3 m) akvaariopumppu pumppasi selkeyttimestä vettä ylös vanerista rakennettuun biologiseen suodattimeen. Veden nostokorkeus oli 1 metri ja veden
virtausnopeus systeemeissä oli 120–240 l/h. Biologisen suodattimen kokonaistilavuus oli noin 140 litraa, josta suodatinmateriaalilla ja vedellä täyttyi noin 120 litraa. Suodatinmateriaalina käytettiin polypropyleeni sorvilastua, jota oli noin 50 g/l eli noin 6 kg jokaisessa suodattimessa. Biologisessa suodattimessa oli neljä lokeroa ja vesi pumpattiin sen yläosaan lokeroon nro 1, jonka pohjalta vesi kulki lokeroon nro 2, josta vesi taas virtasi yläkautta lokeroon nro 3 ja siitä taas pohjalta lokeroon nro 4. Lokeroiden 1 ja 2 pohjalla oli halkaisijaltaan 22 cm kokoinen litteä ilmastinkivi, jolla hapetettiin vettä. Viimeisestä lokerosta (nro 4) vesi virtasi lokeron yläosaan kiinnitetyn letkun kautta kasvipetiin. Suodatinmateriaalin sekaan lisättiin kalkkikivisäkit (tilavuus 1 litra) kokeen alussa. Yhden järjestelmän vesimäärä oli yhteensä noin 180–200 litraa. Järjestelmän läpinäkyvät letkut päällystettiin foliolla ja biosuodatin peitettiin vanerilla levien kasvun ehkäisemiseksi.
4.1.2 Koeasetelma
Kokeen alussa oli noin kahden viikon pituinen käynnistysvaihe (päivät 0–15), jonka aikana järjestelmiin pyrittiin muodostamaan riittävät nitrifikaatiobakteerikannat. Varsinainen koe suoritettiin päivinä 16–66. Kasvatuskammioista kolmessa kasvatettiin nokkosta eli isonokkosta (Urtica dioica) ja kolmessa kasvatettiin mizunaa eli japaninkaalia (Brassica rapa var. japonica).
Nokkosia esikasvatettiin juurruttamalla pistokkaita lannoitevedessä noin kahden viikon ajan, jonka jälkeen ne siirrettiin ruukkuihin suoraan lekasoraan kasvamaan. Nokkosten esikasvatusaika pistokkaiden leikkaamisesta kammioihin siirtämiseen oli 20 vuorokautta. Jokaiseen ruukkuun (0,9 l) laitettiin yksi pistokas ja kaikki ruukut merkittiin sattumanvaraisesti kammioittain kirjaimella A (kammio 4), B (kammio 5) tai C (kammio 6) ja numerolla 1–28 ennen kasvatuskammioihin siirtoa.
Jokaisen kammion kasvipedissä oli siis 28 ruukkua, joista jokaisessa oli yksi kasvi.
Mizunat kylvettiin turpeeseen (Kekkilän Puutarhaturve), esikasvatettiin erillisessä tilassa 22 °C lämpötilassa ja kasteltiin vedellä ja lannoiteliuoksella noin 1:1 suhteessa. Osa mizunan taimista kasvoi kylvämisestä asti suoraan pienissä kasvatusruukuissa (noin 0,15 l) ja osa koulittiin erillisestä isommasta astiasta kasvatusruukkuihin ennen kammioihin siirtoa. Jokaisessa kasvatusruukussa oli kaksi taimea ja taimet tuettiin puutikulla ja narulla, jotta varmistettiin taimien pystyssä pysyminen.
Ennen kasvatuskammioihin siirtoa kasvatusruukut laitettiin isompiin ruukkuihin (0,9 l) lekasoran keskelle ja kaikki ruukut merkittiin sattumanvaraisesti kammioittain kirjaimella D (kammio 1), E (kammio 2) tai F (kammio 3) ja numerolla 1–28. Jokaisen kammion kasvipedissä oli siis 28 ruukkua, joista jokaisessa oli kaksi kasvia. Ensimmäisten kammioissa kasvatettujen mizunoiden (28 kpl) esikasvatusaika oli noin kuukauden. Varsinaisen kokeen aikana kammioihin lisättyjen mizunoiden esikasvatusaika oli 11–13 vuorokautta.
Kaikissa kammioissa oli samanlaiset LED-valaisimet (Valoya Oy, B100-sarja, G2 ja NS1 – spektreillä varustetut valaisimet) ja valospektrin suhde G2:NS1 oli 50:50. Kammioissa oli täysi valaistus klo 6.00–18.00. Klo 18 jälkeen valaistus lähti laskemaan lineaarisesti siten, että klo 23.00 oli 0 % valaistus ja valot olivat pois päältä klo 1.00 asti, jonka jälkeen valaistus alkoi taas nousemaan lineaarisesti. Valon intensiteetti (PAR) oli kasvien korkeudella 150–250 µmol m-2 s-1 siten, että pienimpien kasvien ylälehtien korkeudella PAR oli noin 150 µmol m-2 s-1 ja isoimpien kasvien ylälehtien korkeudella PAR oli noin 250 µmol m-2 s-1. Ilman suhteellinen kosteus (RH) oli kammioissa 80 % klo 00.00–4.00, jonka jälkeen sitä laskettiin klo 10.00 asti. RH oli 54 % klo 10.00–18.00, jonka jälkeen sitä lähdettiin taas nostamaan 80 %:iin. Lämpötila oli kammioissa 14
℃ klo 00.00–3.00, jonka jälkeen sitä lähdettiin nostamaan klo 6.00 asti. Lämpötila oli 18 ℃ klo 6.00–18.00, jonka jälkeen sitä lähdettiin taas laskemaan 14 ℃:een.
Kontrolli-mizunoita esikasvatettiin samalla tavalla kuin kokeessa kasvatettuja mizunoita, jonka jälkeen ne siirrettiin isompiin ruukkuihin (0,9 l) turpeeseen (Kekkilän Puutarhaturve) kasvamaan.
Lämpötila oli yöllä 16 °C ja päivällä 19 °C. Valojen himmeneminen alkoi illalla klo 22.00, valot olivat yöllä pois päältä 4 tuntia klo 00.00–4.00 ja aamulla kirkastuminen tapahtui klo 4.00–6.00.
RH vaihteli 20–40 %, mutta oli pääsääntöisesti yli 30 %. Kastelu suoritettiin altakasteluna lannoiteliuoksella. Nokkosten ja mizunoiden esikasvatukseen ja kontrolli-mizunoiden kasvatukseen käytetty lannoiteliuos tehtiin itse lisäämällä 20 g Ferticare™ 7-9-32 (NPK 7-4-27) lannoitetta ja 5 g kalsiumnitraattia (Ca(NO3)2 25 litraan vettä.
Yksittäisen kammion olosuhteet (valo, kosteus, lämpötila, ilman liike) saattoivat olla hieman erilaiset eri puolilla kammiota, joten kasviruukkujen sijaintia kammion sisällä satunnaistettiin kokeen aikana, jotta kasvit saivat mahdollisimman samanlaiset kasvuolosuhteet. Kasvien sijaintia muutettiin jokaisessa kammiossa samalla kaavalla kahdesti viikossa tai mahdollisuuksien mukaan.
Osa siirroista jäi välistä, silloin kun kasvit olivat niin suuria, että ylimääräinen siirtely olisi vaurioittanut niitä. Yksi kasvien siirto jäi välistä viikko varsinaisen kokeen alun jälkeen (päivä 23) ja viimeinen siirto tehtiin kokeen 55 päivänä, jonka jälkeen kasveja siirretty, koska ne olivat niin suuria. Kasveja siirrettiin neljän ruukun ryhmissä myötäpäivään kasvipedissä. Jokainen yksittäinen ruukku kierrätettiin kasvipedin keskiosan ympäri siten, että ruukun sijainti vaihteli 7 eri pisteen välillä ja osa pisteistä oli kasvipedin reunoilla ja osa keskemmällä petiä.
Kasvien biomassamittaukset tehtiin taulukon 2 mukaan. Nokkosia esikasvatettiin ainoastaan ennen kokeen alkua, sillä ne kasvattivat aina samasta yksilöstä uudet silmut alasleikkauksen jälkeen.
Tämän takia poistettujen nokkosten tilalle ei tarvinnut lisätä uusia yksilöitä. Mizunoita lisättiin kammioihin aina sama määrä kuin mitä poistettiin, joten uusia yksilöitä esikasvatettiin koko kokeen ajan. Mizunoilta jätettiin yksi kasvien vaihto välistä päivänä 36 kasvien heikon kasvun vuoksi, minkä takia mizunoiden osalta ei ole 30 vrk kasvatuserää kokeen lopussa vaan 40 vrk kasvaneita kasveja on enemmän. Poistettavat kasvit valittiin sattumanvaraisesti arpomalla, siten että kasvit oli arvottu neljään ryhmään ja kerralla poistettiin aina yksi tai kaksi kasviryhmää.
Taulukko 2. Kasvien biomassamittaukset poistopäivän mukaan. Nokkosten ja mizunoiden kaikkien kasvatuserien kasvatusajat (vrk) ja suluissa poistettavien kasvien määrä (kpl, 1 ruukku = 1 kpl).
16 26 36 46 56 66 66 66 66
Nokkonen 12 (14) 22 (14) 20 (7) 30 (7) 30 (7) 10 (7) 20 (7) 30 (7) 40 (7) Mizuna 12 (14) 22 (14) − 30 (7) 40 (7) 10 (7) 20 (7) − 40 (14)
Kaikissa kammioissa kasvatettiin vaellussiikaa (Coregonus maraena). Kaloja lisättiin kokeen alussa (päivä 17) noin 500 grammaa (450–600 g) jokaiseen kala-altaaseen. Kokeen alkuvaiheen suuren kuolleisuuden takia kaloja jouduttiin lisäämään järjestelmään vielä kahdesti kokeen aikana (päivinä 23 ja 28), jotta kalamäärä pysyi lähellä puolta kiloa. Kalojen määrä tasattiin päivänä 37
siten, että kalamäärät olivat mizunakammioissa (kammiot 1–3) 210–250 grammaa ja nokkoskammioissa (kammiot 4–6) 450–620 grammaa. Kammioissa 2 ja 4 tapahtui kokeen aikana vuotoja, joiden seurauksena kalat menetettiin (kuvattu tarkemmin kappaleessa 4.2.3). Päivänä 52 kammioista 5 ja 6 poistettiin kaloja siten, että niihin jäävä kalamäärä oli noin 450 grammaa.
Kalojen koko lisättäessä järjestelmiin oli noin 20 grammaa (punnituserien keskiarvot olivat 16,6–
28,7 g).
4.2 JÄRJESTELMÄN SEURANTA, HOITO JA YLLÄPITO 4.2.1 Vedenlaadun parametrit
Järjestelmän vedenlaatua tarkkailtiin mittaamalla kala-altaiden veden pH, lämpötila ja johtokyky eli sähkönjohtavuus päivittäin. Liuenneen hapen määrä ja pitoisuus mitattiin noin kerran viikossa ja kokeen alussa tiheämmin. Mittauksiin käytettiin WTW Multi 3430 mittaria pH-, johtokyky- ja happiantureilla.
Kala-altaiden veden pH pyrittiin pitämään 6,8–7,0. Kokeen aikana kammioiden 1–3 kala-altaiden veden pH-arvot olivat liian korkeat (lähes 7,5), joten niitä pyrittiin laskemaan lisäämällä typpihappoa (HNO3, 10 % liuos). Typpihappolisäysten tavoitteena oli myös nostaa veden typpipitoisuutta ja edistää bakteerikannan muodostumista. Kammioissa 1–3 oli kokeen aikana keskimäärin vähemmän kaloja kuin kammioissa 4–6, joten myös ruokintamäärä ja ruokinnasta aiheutuva ravinteiden lisäys oli vähäisempää. Kammioihin 1–3 lisättiin koko kokeen aikana 65,5 ml typpihappoa jokaiseen kammioon. Kokeen käynnistysvaiheen jälkeen kammioiden 4–6 pH- arvot lähtivät laskemaan, joten niitä pyrittiin nostamaan lisäämällä kalsiumhydroksidia (Ca(OH)2, jauhe) ja kaliumhydroksidia (KOH, 5 % liuos). 50 vuorokautta kestäneen kokeen aikana kalsiumhydroksidia lisättiin kammioon 5 yhteensä 10,5 g eli keskimäärin 0,21 g/vrk ja kammioon 6 yhteensä 13 g eli keskimäärin 0,26 g/vrk. Kalsiumhydroksidilisäykset tehtiin pieninä lisäyksinä kasvipedin vesitilavuuteen joko ripottelemalla Ca(OH)2 -jauhetta suoraan veteen tai liuottamalla jauhe ensin pieneen vesimäärään ennen kasvipetiin lisäämistä. Kaliumhydroksidia lisättiin 5 ja 10 ml lisäyksinä kammioiden 5 ja 6 vesitilavuuteen koko kokeen aikana yhteensä 85 ml kumpaankin
kammioon. Kammion 4 lisäyksiä ei käsitellä noin puolessa välissä koetta tapahtuneen vuodon takia. Kaikki pH-arvojen muuttamiseksi tehdyt lisäykset kokeen aikana on esitetty liitteessä 1.
Nitrifikaatioprosessin käynnistymistä ja toimivuutta tarkkailtiin mittaamalla veden kokonaisammoniakin, nitriitin ja nitraatin pitoisuuksia. Karkeat pitoisuudet arvioitiin pikatesteillä kokonaisammoniakille (Tetra Test NH3/NH4+) sekä nitriitille ja nitraatille (JBL Proaquatest Easy 7in1 liuskatesti). Pikatestejä käytettiin käynnistysvaiheessa ja kokeen alkupuolella nopean tilannearvion saamiseksi. Tarkemmat mittaukset kokonaisammoniakin, nitriitin, nitraatin ja fosfaatin osalta on kuvattu kappaleessa 4.3.1.
4.2.2 Ravinteiden lisäys
Kalojen ruokinta oli yhdistelmä käsinruokintaa ja automaattista ruokintaa. Kaloja ruokittiin päivittäin ja rehun määrä suhteutettiin kalamassan mukaan siten, että rehua syötettiin noin 1–2 % kalojen painosta päivässä. Kokeessa kalanrehuna käytettiin erityisrehua, jota lähes vastaava kaupallinen rehu on Raisioaqua Oy:n Silver Opti 1,7 S. Kyseinen rehu sisältää 7,84 % typpeä ja 0,9 % fosforia (Raisioaqua 2019). Käytetyn kalanrehun mitattu kosteuspitoisuus oli noin 10 %.
Mizunakammioissa 1–3 oli suurempi kalakuolleisuus kuin nokkoskammioissa 4–6, jonka takia niissä oli huomattavasti vähemmän kaloja ja siten myös vähemmän ruokintaa. Kammioihin 1 ja 3 syötettiin kalanrehua kumpaankin yhteensä 80 g. Kammioiden 2 ja 4 ruokinta lopetettiin kesken kokeen kammioissa tapahtuneiden vuotojen takia, joten näiden kammioiden rehuruokinta ja ravinteiden lisäys ei ole verrannollista muihin kammioihin. Kammioihin 5 ja 6 lisättiin kumpaankin yhteensä 266 g kalanrehua kokeen aikana. Kammioihin 5 ja 6 ei syötetty kalanrehua aivan kokeen alussa (päivät 16–21.), päivinä 22–42 kammioihin lisättiin 5–6 g rehua vuorokaudessa ja päivän 43 jälkeen 7 g/vrk.
Kasvien ravinteiden saannin turvaamiseksi systeemeihin lisättiin kasvilannoitteita.
Käynnistysvaiheen jälkeen tehdyt lannoitelisäykset on esitetty liitteessä 2. Käytetyt lannoitteet
