アクアポニックス
一般的な土中において植物は、光合成産物の一部をムシゲルなどの形で根から根圏土壌に排出し、その有機物を利用して根圏部の微生物が増殖し、その根圏微生物が排出する物質を根から吸収し利用するという共生を行っている。根圏微生物の多くは、光合成ができないため、植物の生産する光合成産物を利用しているのである。アクアポニックスのように、水中にアンモニアや硝酸のような窒素源がある場合、水中の微生物は植物の根の出す有機物と水中の窒素を利用してアミノ酸やタンパク質を合成して成長や増殖を繰り返している。このことによって、水中の窒素量が減少し、同時に、水中の微生物量が増加し、植物も水中の窒素を吸収し体内でタンパク質等を合成し成長に利用するという相乗作用が発生していると考えられる。また、根部周辺の微生物の代謝産物の一部も植物によって吸収され、さらに増殖した微生物の一部は、水棲生物の餌となって利用されていることが推測される。
このように、植物による水棲生物の糞尿や残滓分解物の吸収利用に加えて、根から排出される光合成産物と糞尿や残滓分解物由来窒素の水中微生物による利活用と植物-溶液中微生物間の相互作用、水中で増殖した微生物と水棲生物との相互作用という複数のメカニズムが働き、養魚(あるいは養殖)と植物栽培にブースター的に機能してると考えられる。
このため、アクアポニックスでは、必ずしも元素が十二分にあるわけではなく、魚、微生物、植物というそれぞれの段階の吸収量によって不足する元素があることを知ることが重要である。この不足する元素を十分に与えてることが、特に植物の健全な生育には必要である。こうしたバランスの調整の複雑さを解決する手法として、養殖水をワンウェイで栽培に使用する方法などいくつかの手法が開発されている。
一例として飯島、島田らが開発した根域制限メディアベッドでは、養殖魚及び微生物の生育環境と植物の生育環境を防根透水シートで2つに分けることで、栽培環境への養魚水の供給が毛管吸い上げによるワンウェイでの利用となっている為、栽培用培土の土壌pHの管理を養殖用の水のpH変化の影響を緩和しながら管理することができる。また培土への施肥が可能なため養魚水の成分変動の影響を少なくしながら不足するミネラルを簡便な方法で栽培植物に供給することができるようになっている。さらに、培土にもみ殻堆肥など有機物を施用できるため日照不足への耐性を高められる仕組みとなっている。さらに、もみ殻堆肥から供給されるケイ酸は、植物の光合性能を高める(茎葉を硬くすることで植物が高く空間を利用できるようになるため光合成がし易くなる。)と同時に植物の防疫性能(茎葉の表面を硬くすること害虫等が付きづらくなる。)を高めるためより健全でバランスの取れた成長が可能となっている。