Λειτουργικές αποκρίσεις φυτών που αναπτύσσονται υπό συνθήκες ενυδρειοπονίας (aquaponics)
Authors: Τσουμαλάκου Ευαγγελία 
Published: October 2023

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