Une bonne qualité de l’eau est indispensable à différentes étapes d’une production aquacole réussie : prise d’eau, utilisation de l’eau et rejets de déchets. Toutefois, des pratiques aquacoles non durables peuvent entraîner de faibles rendements et avoir des incidences négatives sur l’environnement et la communauté humaine. Cette étude fournit des évaluations de la qualité de l’eau dans différents systèmes d’aquaculture et de l’impact de leurs effluents sur les masses d’eau naturelles. Pour optimiser la production aquacole et minimiser son impact sur l’environnement, il est nécessaire de gérer efficacement la qualité de l’eau et les déchets de l’aquaculture. Il convient de surmonter les principaux obstacles au traitement adéquat des eaux usées de l’aquaculture, notamment les coûts d’investissement et de fonctionnement élevés des systèmes de traitement des déchets, le manque d’incitations au traitement des déchets et l’absence de législation et d’application concernant les rejets de déchets bruts de l’aquaculture. Parmi les solutions possibles figurent les innovations technologiques dans les systèmes de production et le traitement des eaux usées, l’augmentation du nombre de professionnels dans le contrôle de la qualité de l’eau et la gestion des déchets, l’amélioration de la législation, la certification, l’aide financière et les incitations aux agriculteurs tout au long des chaînes industrielles de l’aquaculture peuvent être appliquées pour un secteur aquacole durable. En Afrique en général, la connaissance limitée de la qualité de l’eau est l’un des principaux facteurs contribuant à la faible production. Si la gestion de la qualité de l’eau peut être mise en œuvre efficacement, elle aura un impact considérable à long terme sur le secteur de l’aquaculture.
Introduction
L’aquaculture est le secteur de production alimentaire qui connaît la croissance la plus rapide, et sa croissance durable est vitale pour la sécurité alimentaire, la santé des écosystèmes, l’utilisation ininterrompue des ressources naturelles, la conservation de la biodiversité et la résilience socio-économique. Face à la diminution des ressources de la pêche de capture et à la demande croissante de poissons et de produits de la pêche, l’aquaculture est devenue la principale source d’approvisionnement en aliments/protéines aquatiques et contribue à la sécurité alimentaire de la population mondiale. Toutefois, l’impact des activités aquacoles sur l’environnement et les ressources naturelles suscite des inquiétudes, notamment en ce qui concerne la destruction des habitats, l’exploitation des stocks de poissons sauvages, les besoins en farine et en huile de poisson et l’élimination des déchets. Les différents systèmes d’aquaculture (extensif, semi-intensif et intensif), les différents types de systèmes (fermés, semi-ouverts et ouverts), les différentes espèces cultivées et les différentes densités de peuplement peuvent avoir des impacts environnementaux différents (figure 1). Les impacts environnementaux peuvent se produire par le biais de trois processus différents, tels que la consommation de ressources naturelles, les procédures/pratiques de culture et la production de déchets. Chaque écosystème a sa propre capacité de charge, et il est essentiel de travailler dans les limites de cette capacité pour éviter les impacts négatifs. Le passage de pratiques culturelles traditionnelles à un système de culture intensifié implique une augmentation des déchets qui nécessitent un traitement approprié pour éviter la pollution et les effets délétères sur l’environnement. En raison de la forte demande de produits aquacoles, de plus en plus d’exploitations optent pour des systèmes de culture intensifs, qui ont tendance à affecter davantage l’environnement que les systèmes extensifs et semi-intensifs en raison des grandes quantités de déchets contenant des toxines, des médicaments et des produits chimiques dans le premier système. Ainsi, les activités aquacoles non durables pourraient entraîner une destruction généralisée de l’habitat, une perte de biodiversité, un déclin de la pêche et d’autres ressources aquatiques dans la zone environnante.
Dans les systèmes de production aquacole, la mauvaise qualité de l’eau due à l’accumulation de composés toxiques, notamment l’ammoniac, les nitrites et le sulfure d’hydrogène, ainsi que la faible teneur en oxygène dissous, les conditions hypoxiques, les efflorescences algales nuisibles (EAN) et les bactéries pathogènes peuvent grandement affecter la santé des poissons par le biais d’infections bactériennes, d’une croissance médiocre et d’un stress qui les rend moins tolérants à la manipulation. Les maladies dans les systèmes d’aquaculture sont étroitement liées à la santé de l’environnement. Les maladies non contrôlées peuvent rapidement décimer les exploitations et provoquer une forte mortalité dans les systèmes d’aquaculture. Lusiastuti et al. (2020) ont attribué les épidémies, la mortalité massive des poissons et la faible production aquacole à la mauvaise qualité de l’eau associée à la dégradation de l’environnement et au changement climatique. Le changement climatique peut affecter le secteur de l’aquaculture par des inondations (trop d’eau), des sécheresses (trop peu d’eau) et des changements dans la qualité de l’eau. La baisse du pH due à l’acidification des océans pourrait sérieusement affecter l’aquaculture, en particulier dans les zones côtières. Hassan et al. (2022) ont noté que l’amélioration de la qualité de l’eau, le maintien de facteurs environnementaux stables et le contrôle des échanges d’eau réduiraient l’apparition de maladies des poissons dans les systèmes de production aquacole. Les rejets aquacoles non traités ou mal traités, avec des concentrations élevées en nutriments, peuvent entraîner une eutrophisation et une détérioration de la qualité de l’eau, une hypoxie et des EAN dans les masses d’eau adjacentes. Les EAN peuvent être très préoccupants dans les eaux côtières et intérieures (rivières, lacs et réservoirs) qui reçoivent des effluents d’aquaculture. Lukassen et al. (2019) ont indiqué que les composés de mauvais goût produits par les EAN, en particulier la géosmine dans le tilapia produit en aquaculture en cage, augmentaient le risque de diminution de la qualité et de la valeur du poisson. Hu et al. (2022) ont indiqué que le lac Datong, un lac peu profond situé en Chine, est devenu eutrophique et que la qualité de son eau s’est détériorée après l’introduction de l’aquaculture.
L’extraction d’eau souterraine pour l’aquaculture peut entraîner l’intrusion d’eau salée et la salinisation des zones côtières. Tous ces changements environnementaux pourraient affecter les moyens de subsistance des communautés locales. Kim et al. (2022) ont rapporté qu’un nombre croissant d’exploitations dans la zone côtière entraînait le rejet de déchets organiques dérivés de l’excès d’aliments et de métabolites de poissons. Yang et al. (2021) et Chiquito-Contreras et al. (2022) ont indiqué qu’environ 27% à 49% des aliments fournis aux étangs de production aquacole sont convertis en produits piscicoles, tandis que le reste est transformé en déchets qui sont généralement rejetés dans les masses d’eau voisines et constituent finalement l’un des facteurs qui affectent négativement la chaîne de valeur de l’aquaculture.
Les technologies de traitement de l’eau qui sont techniquement réalisables, prometteuses sur le plan environnemental et financièrement rentables peuvent être intégrées dans différents systèmes d’aquaculture afin de faire de l’industrie aquacole un secteur durable et de contribuer à l’économie circulaire. Les déchets de l’aquaculture peuvent être récupérés et recyclés à l’aide de diverses technologies telles que la biorémédiation, l’aération, la biocoagulation et la biofiltration appliquées dans différents systèmes de production tels que les systèmes d’aquaculture en recirculation (SAR), l’aquaculture multitrophique intégrée (AMTI) et l’aquaponie (aquaculture et hydroponie). Dans ces activités économiques circulaires, les déchets de l’aquaculture peuvent générer des produits supplémentaires tels que des algues, des herbes, des légumes, des mollusques et d’autres produits dérivés, tout en générant une source d’eau propre qui peut être recyclée et utilisée pour la culture d’aliments (Figure 2). Des instruments juridiques et des interventions autoritaires sont également nécessaires pour réglementer les rejets de déchets aquacoles et garantir que les producteurs tiennent compte de l’impact environnemental et de la gestion de la qualité de l’eau dans leurs activités et leurs pratiques. Cette étude a évalué l’impact des différents systèmes de production sur la qualité de l’eau et a suggéré des approches possibles telles que l’utilisation d’innovations technologiques respectueuses de l’environnement et la bonne gouvernance pour améliorer la gestion de la qualité de l’eau en vue d’un secteur aquacole durable.
Pollution et menaces pour la qualité de l’eau dans les systèmes d’aquaculture
La plupart des systèmes d’aquaculture nécessitent une connaissance approfondie de la qualité de l’eau et de la gestion des déchets afin de prendre des décisions précises en matière de traitement pour garantir la santé des organismes cultivés et de bons rendements. Ssekyanzi et al. (2022) ont indiqué qu’en Afrique subsaharienne, la connaissance limitée de la qualité de l’eau est l’un des principaux facteurs contribuant à la faible production (<1% de la production mondiale) et à la croissance lente du secteur de l’aquaculture. Les principaux facteurs contribuant à la détérioration de l’environnement et de la qualité de l’eau dans le secteur de l’aquaculture sont les nutriments (17 %), les autres polluants, y compris les polluants émergents (12 %), la perte d’habitat (16 %), les EAN (9 %), le manque de technologies de traitement (8 %) et les facteurs socio-économiques (38 %). Les nutriments jouent un rôle majeur dans l’eutrophisation, entraînant une prolifération massive de EAN, tels que les cyanobactéries et les dinoflagellés, ainsi qu’une forte mortalité des organismes cultivés dans les systèmes de culture (tableau 1). Les efflorescences cyanobactériennes sont également couramment associées à des composés odorants toxiques tels que la géosmine et le 2-méthylisobornéol (2-MIB), qui confèrent un goût désagréable à l’eau et aux organismes cultivés. Marques et al. (2018) et Ryan et al. (2022) ont noté les impacts négatifs d’une ferme aquacole intensive sur la qualité de l’eau des effluents en raison d’un excès de nutriments, en particulier de phosphore et d’azote.
Les polluants émergents tels que les microplastiques peuvent avoir des répercussions sur la santé, telles que la réduction du taux d’alimentation, le dysfonctionnement des branchies, la réduction de la capacité de reproduction et la suppression immunitaire des animaux d’élevage. En aquaculture, les débris plastiques provenant des fermes aquacoles, des radeaux, des cages, des filets et d’autres structures de production connexes sont des sources de microplastiques. En outre, les biofilms formés sur les particules microplastiques sont des sources de bactéries pathogènes qui peuvent avoir un impact négatif sur l’aquaculture.
Contamination des sources d’eau pour la production aquacole
La disponibilité d’eau propre pour l’aquaculture est une considération importante dans la sélection du site pour l’exploitation aquacole. En fait, le choix d’un site approprié pour les activités aquacoles est essentiel pour atténuer les problèmes potentiels liés à la pollution et aux activités conflictuelles, et pour s’assurer que la masse d’eau sélectionnée constitue un environnement propice à la croissance sans mettre en péril les écosystèmes existants (tableau 1). Brigolin et al. (2015) et Jayanthi et al. (2021) ont utilisé la télédétection, des outils géospatiaux et des modèles mathématiques en combinaison avec des facteurs de qualité de l’eau, des caractéristiques environnementales et des données socio-économiques pour identifier les zones propices à l’aquaculture en cage dans les estuaires et les zones côtières. Vaz et al. (2021) et Arega et al. (2022) ont développé un modèle d’adéquation de l’habitat basé sur la qualité de l’eau, l’hydrodynamique et la biogéochimie pour la sélection des sites d’aquaculture.
Dans les systèmes d’aquaculture, les polluants peuvent provenir à la fois de sources allochtones (comme les aliments, les engrais et/ou les sources d’eau polluée) et de sources autochtones (biomasse du phytoplancton, métabolites). L’eau polluée provenant des rivières et des eaux côtières peut sérieusement affecter la santé et la croissance des espèces cultivées, entraînant une mortalité élevée et de faibles rendements. Dans les systèmes de culture fermés tels que les étangs et les réservoirs, la qualité de l’eau d’admission peut être contrôlée. Dans des circonstances limitées, l’eau de mauvaise qualité peut être traitée avant d’être utilisée, bien que la production soit toujours inférieure à celle des systèmes utilisant de l’eau propre. Dans les systèmes d’aquaculture situés en eaux libres, comme les lacs et les eaux côtières (figure 1), les rendements dépendent fortement de la qualité de l’eau sur place. Dans ces eaux naturelles où l’aquaculture en cage ou l’aquaculture d’extraction est courante, les polluants sont principalement associés aux activités anthropiques dans le bassin versant et les zones en amont.Kim et al.(2022a) ont utilisé des signatures isotopiques15-N pour montrer que les polluants organiques dans les estuaires et les zones côtières provenaient principalement de sources liées aux activités anthropiques, y compris les engrais organiques et les rejets de l’aquaculture exportés par les cours d’eau.
Pour assurer la durabilité de la production aquacole grâce à une bonne gestion de la qualité des eaux libres, Liuetal.(2023a) a proposé un cadre de gestion des bassins versants utilisant des stratégies de protection basées sur l’économie et la qualité de l’eau pour gérer les zones de captage en vue d’un développement durable. Pour prévenir la pollution diffuse, il convient d’évaluer et d’optimiser les interactions entre l’occupation des sols, la configuration et l’aménagement du paysage et la charge polluante.
Facteurs affectant la qualité de l’eau dans les systèmes de production aquacole
La qualité de l’eau dans les systèmes d’aquaculture est influencée par divers facteurs physiques, chimiques et biologiques tels que la température, la lumière, le pH, l’oxygène dissous, les matières organiques/nutriments, les micro-organismes et diverses interactions biologiques. Le changement climatique pourrait entraîner des fluctuations radicales de ces facteurs physiques et chimiques qui affecteraient la qualité de l’eau, augmenteraient l’incidence des maladies des poissons et provoqueraient une mortalité et une production élevées. Alam et al. (2021) ont rapporté que le tilapia du Nil, Oreochromis niloticus, produisait peu d’œufs sous des températures élevées associées au changement climatique, et ont suggéré des stratégies de gestion efficaces pour surmonter la faible production d’œufs dans les pêcheries commerciales. L’acidification des océans et la diminution du pH ont causé des problèmes dans la conchyliculture, comme les huîtres.L’élévation du niveau de la mer pourrait avoir des conséquences positives, comme la création de nouveaux habitats dans les eaux côtières, ou négatives, comme l’intrusion d’eau salée.L’augmentation de la vitesse des vents et des vagues a provoqué une suspension des sédiments et une turbidité élevée qui ont affecté la qualité de l’eau et les activités aquacoles (Shen et al… 2023).L’atténuation des effets du changement climatique est une priorité, Les mesures d’atténuation visant à surmonter les impacts des changements physicochimiques comprennent l’adaptation des systèmes de production, de bonnes stratégies de conservation telles que la diversification des espèces et l’utilisation de modèles prédictifs (tableau 2).Abishaetal.(2022)a suggéré le développement d’une aquaculture résiliente au climat en s’adaptant aux facteurs environnementaux qui ont des effets négatifs sur les organismes afin de minimiser les impacts du changement climatique. Shenetal (2023) a utilisé la télédétection par satellite pour évaluer les impacts de l’environnement et améliorer les réglementations écologiques et environnementales afin de soutenir le développement durable de la zone côtière.
La quantité élevée de déchets organiques dans les systèmes d’aquaculture, principalement due à l’excès d’aliments et de métabolites, a entraîné une dégradation de la qualité de l’eau caractérisée par des taux élevés d’ammoniac, de nitrates et de phosphore réactif soluble, une demande biologique en oxygène (DBO) élevée, une demande chimique en oxygène (DCO) élevée et un faible taux d’oxygène dissous (tableau 2). Le phosphore (P) peut être une source de contamination environnementale et d’eutrophisation dans les systèmes d’aquaculture s’il n’est pas correctement éliminé des eaux usées. En ce qui concerne l’azote, la proportion d’ammoniac unionisé toxique (NH3) dépend de la concentration totale d’ammoniac (ion ammonium ionisé) et de NH3 dans la colonne d’eau, qui est elle-même régie par la température et le pH de l’eau. Lorsque les concentrations d’ammoniac dans l’eau sont élevées, les poissons sont moins capables d’excréter l’ammoniac par diffusion branchiale, ce qui entraîne l’accumulation d’ammoniac dans les tissus des poissons, ce qui finit par affecter leur santé et leur croissance. Zhang et al. (2022) ont signalé que l’ammoniac toxique peut réduire la qualité et le rendement de la perche japonaise (Lateolabrax japonicus). En raison de ses effets néfastes sur les espèces aquacoles, les concentrations d’ammoniac dans les systèmes de production doivent être étroitement surveillées. Yu et al. (2021) ont utilisé une méthode hybride d’informatique douce pour prédire avec précision les concentrations d’ammoniac dans l’eau d’aquaculture en temps réel. La température, le carbone organique dissous et le potentiel d’oxydoréduction sont les principaux moteurs des flux chimiques dans les bassins d’aquaculture d’eau douce.
L’accumulation de matière organique au fond des bassins peut être la principale cause des conditions hypoxiques dans les bassins d’aquaculture enrichis. Dans des conditions anaérobies, une forte accumulation de matière organique peut produire du méthane (CH4), du sulfure d’hydrogène (H2S) et de l’oxyde nitreux (N2O), ce qui peut nuire à la qualité de l’eau (tableau 2). Le H2S toxique, que l’on trouve couramment dans les systèmes de production à faible teneur en oxygène, peut provoquer une mortalité massive et soudaine des poissons et des crevettes. Wu et al. (2018b) ont rapporté que les flux de CH4 et de N2O dans les bassins d’aquaculture intérieurs étaient positivement corrélés à la température et au carbone organique des sédiments, et négativement corrélés à la concentration d’oxygène dissous. Chen et al. (2016) et Yang et al. (2018) ont noté que des quantités substantielles de CH4 et de dioxyde de carbone étaient libérées par les étangs de mariculture. Dans les étangs d’aquaculture d’eau douce, Zhao et al. (2021) ont signalé que de fortes concentrations de CH4 étaient libérées et ont montré que le dragage du fond de l’étang dans le cadre de la préparation de l’étang était plus efficace pour réduire le CH4 que l’aération. Il est donc nécessaire d’éliminer immédiatement et en continu les composés toxiques tels que l’ammoniac, les nitrites, le H2S et le CH4 dans les systèmes d’aquaculture.
Les eaux riches en nutriments sont également associées à la prolifération de cyanobactéries susceptibles de produire des composés toxiques et odorants tels que la géosmine et le 2-MIB, qui donnent un goût désagréable à l’eau et aux organismes cultivés. Bien qu’une variété de bactéries et de champignons produisent de la géosmine, les cyanobactéries, y compris les espèces planctoniques et benthiques appartenant aux Nostocales, Oscillatoriales et Synechococcales, sont les principaux producteurs de géosmine. Les toxines cyanobactériennes constituent des menaces et des risques pour la santé humaine et animale. Les cyanobactéries prolifèrent rapidement dans les eaux eutrophes en raison de leur capacité à flotter et à surmonter les limitations de lumière (tableau 2). La géosmine s’est avérée être une cause de mauvais goût dans un large éventail d’environnements, y compris les SRA. Lukassen et al. (2019a) ont rapporté que des densités plus élevées de bactéries productrices de géosmine ont été trouvées dans la couche muqueuse intestinale et le système digestif du tilapia (O. niloticus) par rapport à la colonne d’eau, ce qui indique que les probiotiques peuvent être utilisés pour gérer la microflore intestinale afin d’améliorer la qualité des poissons. En raison des effets néfastes des EAN sur les systèmes de production aquacole, la santé environnementale et humaine et la socio-économie, la distribution et l’abondance des espèces microalgales toxiques doivent être étroitement surveillées afin de permettre une détection précoce et une action préventive. En fait, la réduction de la charge externe en nutriments est l’aspect le plus fondamental du contrôle des cyanobactéries (Kibuye et al., 2021). Derot et al. (2020) ont utilisé deux modèles d’apprentissage automatique avec une base à long terme pour prévoir les EAN. Pal et al. (2020) ont proposé des options biologiques telles que les bactéries, les virus, les champignons et le zooplancton pour contrôler les EAN. John et al. (2018) ont mis au point une nouvelle méthode de réaction en chaîne par polymérase ciblant le gène de la géosmine synthase (geoA) pour évaluer toutes les sources importantes de géosmine, tandis que Ma et al. (2018) ont montré qu’une solution aqueuse de chlore sous lumière ultraviolette pouvait éliminer efficacement la géosmine et le 2-MIB dans des conditions acides.
Outre les nutriments, les systèmes aquacoles peuvent également être soumis à d’autres polluants tels que les antibiotiques et les métaux lourds qui pourraient éventuellement affecter la qualité des produits (tableau 2). Le et al. (2022) ont noté une pollution par les métaux lourds dans la zone côtière de l’aquaculture et ont souligné la nécessité de bonnes pratiques de gestion si l’on veut que l’aquaculture durable persiste dans la zone côtière. L’utilisation d’antibiotiques et de produits chimiques en aquaculture peut également avoir des effets de grande portée sur les pyramides alimentaires écologiques. Fernanda et al. (2022) ont montré que les paramètres de qualité de l’eau dans les étangs d’aquaculture étaient significativement corrélés à l’abondance de gènes résistants aux antibiotiques (RA) qui étaient apportés par une rivière polluée par diverses sources provenant des terres cultivées et industrielles. Dans l’environnement, la répartition et la distribution des antibiotiques sont positivement corrélées à la salinité, aux solides en suspension, au pH, à l’ammoniac et au zinc, et négativement corrélées à la température, à l’oxygène dissous, au phosphate, à la DCO, au pétrole, au cuivre et au cadmium. Français Les risques écologiques et biologiques des antibiotiques sont élevés et peuvent être préjudiciables aux produits de l’aquaculture. Chen et al. (2022) ont développé un biomarqueur utilisant l’anhydrase carbonique cyanobactérienne pour surveiller les antibiotiques. Les produits chimiques utilisés en aquaculture doivent également être éliminés avant de rejeter les eaux usées dans le milieu environnant. Les sulfamides des eaux usées de l’aquaculture peuvent être dégradés à l’aide du système médiateur laccase-syringaldéhyde grâce à l’optimisation de la surface de réponse, à la cinétique de dégradation et aux voies de dégradation. Pandey et al. (2022) ont suggéré l’élimination du vert malachite, qui est couramment utilisé pour le traitement des maladies dans les étangs d’aquaculture, en utilisant du biochar immobilisé à la laccase. Yanuhar et al. (2022) ont rapporté que la qualité de l’eau dans les étangs en béton peut être améliorée par l’aération, la filtration et la réduction de la matière organique en optimisant l’alimentation.
Outre les paramètres physiques et chimiques, les agents pathogènes tels que les bactéries, les champignons et d’autres organismes pathogènes peuvent également affecter la qualité de l’eau et les performances de l’aquaculture (tableau 2). Les communautés microbiennes des systèmes aquacoles sont façonnées par les conditions environnementales qui sont à leur tour influencées par les rejets intérieurs, les changements climatiques et les pressions anthropiques. Swathi et al. (2021) ont signalé que les paramètres de qualité de l’eau étaient étroitement liés à l’apparition de la maladie des points blancs dans les bassins d’élevage de crevettes. Ainsi, une surveillance et une estimation régulières de la diversité microbienne permettraient aux éleveurs de relier les paramètres de qualité de l’eau aux performances ultérieures des poissons et d’évaluer la santé environnementale des systèmes aquacoles et des environs pour détecter précocement les conditions microbiennes qui pourraient entraîner une altération de la santé des poissons.
Gestion de la qualité de l’eau dans les systèmes de production aquacole et méthodes pour l’améliorer
Qualité de l’eau dans les systèmes de production aquacole
Les systèmes de production aquacole, notamment les systèmes S1R, AMTI, l’aquaponie (aquaculture et hydroponie) et les approches écosystémiques, ont été conçus et constamment améliorés pour améliorer la qualité de l’eau et la production (tableau 3). Ces systèmes de production intégrés, qui n’ont aucun échange d’eau et produisent des micro-organismes comme sources de nourriture, peuvent être intégrés à différents types de biofiltration, de biocoagulation, de biofloculation et d’interactions biologiques, notamment les bioflocs et la bioremédiation, pour améliorer leurs performances de traitement des eaux usées (tableau 4).
Aquaponie
L’aquaponie, l’intégration de l’aquaculture et de la culture hydroponique, est conceptuellement basée sur l’utilisation efficace de l’eau et le recyclage des nutriments organiques accumulés à l’aide de plantes, comme l’une des approches efficaces pour résoudre les problèmes de traitement des eaux usées de l’aquaculture, de pollution des eaux publiques, d’amélioration de la qualité de l’eau dans les systèmes de culture et de développement durable de l’aquaculture. Essentiellement, l’aquaponie utilise des processus bactériens et améliore l’absorption des nutriments par les plantes pour récupérer et recycler les nutriments des systèmes d’aquaculture. Sopawong et al. (2023) ont montré que l’intégration de la pisciculture et des plantes dans un système flottant bio-vert améliorait considérablement la qualité de l’eau, la santé des poissons et la production aquacole. De plus, l’aquaponie surmonte la pénurie de terres pour l’aquaculture car le système peut être construit et conçu pour s’adapter à n’importe quelle zone disponible, comme dans les zones urbaines et les zones pauvres en eau. Palm et al. (2018) et Obirikorang et al. (2021) ont démontré l’efficacité accrue de la production aquacole dans l’aquaponie improvisée pour la production aquacole commerciale et la sécurité alimentaire. Français Pour rendre l’aquaponie plus efficace, Calone et al. (2019) et Ekawati et al. (2021) l’ont combinée avec le RAS sous le nom de RAS aquaponique (A-RAS), qui s’est avéré efficace pour améliorer la qualité de l’eau, le taux de survie, le taux de conversion alimentaire (FCR) et le rendement dans l’aquaculture du poisson-chat (tableau 3). Sur la base du même principe, Goddek et Körner (2019) ont conçu un système aquaponique multi-boucles RAS-hydroponique pour une meilleure production de poissons et de plantes avec un dimensionnement flexible. Liu et al. (2019) ont introduit un système intégré d’écrevisses pour une utilisation efficace des déchets pour la production de riz. Il existe différentes combinaisons d’espèces nourries et extractives dans différents systèmes pour améliorer la qualité de l’eau, comme le poisson-chat, les plantes et les bactéries dans les systèmes hydroponiques-biofilm et NFT pour améliorer l’efficacité du biofiltre et de l’élimination de l’ammoniac. Addy et al. (2017) ont montré que les microalgues étaient plus efficaces dans l’élimination de l’ammoniac que les plantes en co-culture aquaponique. D’autres technologies telles que le système de panneaux de plantation supplémentés en biochar, l’ajout d’acide polylactique et les systèmes de détection intelligents ont été intégrés dans la conception de l’aquaponie pour améliorer la qualité de l’eau (tableau 3).
Aquaculture multitrophique intégrée
Le concept d’AMTI utilise des espèces aquacoles complémentaires tout au long de la chaîne alimentaire dans le processus de consommation et d’alimentation de telle sorte que les déchets soient entièrement recyclés et que des polluants minimes soient rejetés dans les eaux adjacentes. Dans le système AMTI, les espèces nourries d’importance commerciale (les principaux poissons ou invertébrés qui consomment les aliments donnés) sont cultivées avec des espèces extractives d’importance commerciale (espèces aquatiques telles que les algues ou les mollusques qui se nourrissent/utilisent les déchets d’autres espèces) afin que l’équilibre écologique et la qualité de l’eau du système puissent être maintenus (Figure 3). L’alimentation étant un facteur important dans un système AMTI, Flickinger et al. (2020) ont montré que la gestion de l’alimentation est importante pour déterminer la qualité de l’eau qui se traduit par la production de crevettes et de poissons dans l’AMTI.
La sélection des espèces de divers niveaux trophiques est basée sur leurs fonctions physiologiques et écologiques pour assurer un recyclage complet de la matière organique dans le système avec un minimum de déchets et une bonne qualité de l’eau, ce qui contribue à la durabilité de l’industrie aquacole. Français Largo et al. (2016) ont signalé l’utilisation d’ormeaux (oreille d’âne, Haliotis asinina) comme espèces nourricières et d’algues (Gracilaria hétéroclada et Eucheuma denticulatum) comme espèces extractives de nutriments inorganiques. Les algues ont fonctionné efficacement pour séquestrer les nutriments dans diverses cultures de poissons et de crustacés afin de minimiser les impacts de la pollution et d’améliorer la qualité de l’eau non seulement dans les systèmes d’aquaculture, mais aussi dans les plans d’eau associés. Des fermes d’algues brunes (Macrocystis pyifera) dans une AMTI à base de macroalgues ont été utilisées pour séquestrer les composés azotés des effluents de l’aquaculture du saumon, ce qui a entraîné de faibles concentrations de chlorophylle et une amélioration de la qualité de l’eau. Dans l’AMTI d’eau douce, Paolacci et al. (2022) ont montré que la lentille d’eau, Lemna spp., pouvait éliminer considérablement l’azote total et le phosphore total, maintenir une bonne qualité de l’eau et augmenter les rendements de l’aquaculture. En plus des macroalgues, des microalgues peuvent être introduites dans l’IMTA sous forme de périphyton et/ou de consortiums microalgues-bactéries pour réduire les nutriments et autres polluants, améliorer la qualité de l’eau et produire de la biomasse algale pour améliorer les rendements de culture dans le système.
Système d’Aquaculture en Recirculation
Le SAR est un système d’élevage d’animaux aquatiques à haute densité en circuit fermé dans lequel l’eau des bassins à poissons est recirculée pour éliminer les déchets solides et liquides, et l’eau purifiée est renvoyée dans les bassins d’aquaculture. Il est conçu pour fournir un système d’aquaculture plus contrôlé afin de réduire la consommation d’eau et de produire moins de déchets (liquides et solides), et il est donc plus efficace et économique que les systèmes d’aquaculture en cage et à flux continu conventionnels. Dans le SAR, le taux de renouvellement relatif de l’eau peut être optimisé, l’Indice de Conversion (IC) des poissons diminué et le taux de croissance augmenté. Comme les aliments en excès et de mauvaise qualité peuvent causer des problèmes de qualité de l’eau dans le SAR, Kamali et al. (2022) ont pris en compte les effets des régimes d’alimentation sur l’accumulation d’ammoniac et d’oxygène dissous lors de la conception d’un nouveau SAR pour améliorer la durabilité de l’aquaculture.
L’efficacité du SAR dans la gestion de la qualité de l’eau pourrait être améliorée en combinant le système avec d’autres composants fonctionnels tels qu’un système de dépuration pour éliminer les mauvaises saveurs, un système de microalgues pour améliorer l’élimination des nutriments et des communautés bactériennes comme dans la nitrification partielle simultanée, l’anammox et le système de dénitrification pour améliorer le recyclage des matières organiques et inorganiques. La biofiltration dans le SAR a pour fonction de convertir l’ammoniac en une forme moins toxique, le nitrate. Selon Santos et al. (2022), le nitrate est environ 100 à 200 fois moins toxique.
D’autres méthodes alternatives d’élimination des nutriments telles que l’oxydation directe ou indirecte, l’adsorption par les zéolites et le charbon actif, le stripping à l’air et l’osmose inverse ont leurs propres inconvénients en termes de faible efficacité et de coûts énergétiques élevés. Yogev et al. (2020) ont montré que le P du SAR peut être efficacement (> 99 %) éliminé par biominéralisation dans un réacteur anaérobie et réutilisé comme engrais. Pour d’autres composés toxiques, Bergstedt et al. (2022) ont proposé l’utilisation de peroxyde d’hydrogène pour éliminer le H2S d’un SAR d’eau salée. Le SAR est avantageux dans les zones où les terres et l’eau sont limitées. Dans les pays où les pénuries d’eau sont graves, comme les pays du Conseil de coopération du Golfe, le SAR est utile pour recycler les eaux usées afin de surmonter la pénurie d’eau pour l’aquaculture.
Intégration de systèmes de production utilisant des approches écosystémiques pour l’amélioration de la qualité de l’eau
Dans la plupart des systèmes d’aquaculture, des composés toxiques tels que l’ammoniac, les nitrites et le H2S peuvent détériorer la qualité de l’eau, augmenter la mortalité et réduire les rendements. Bien que l’aquaponie, l’AMTI et le RAS aient été conçus individuellement pour améliorer la qualité de l’eau et augmenter les rendements, l’intégration de ces systèmes de production pourrait augmenter l’efficacité et les performances des systèmes d’aquaculture. L’intégration de l’A-SAR (aquaponie et SAR) et de l’I-SAR (AMTI et SAR), soutenue par une variété de composants biologiques fonctionnels tels que les bactéries et les microalgues, peut rendre les systèmes de production aquacole plus productifs, rentables et efficaces avec une consommation d’eau moindre et des risques de maladies plus faibles.
Essentiellement, l’aquaponie, l’AMTI, le SAR et leurs combinaisons (A-SAR, I-SAR) sont conceptuellement basées sur des approches écosystémiques, où l’intégration et la gestion holistiques des différents composants de l’écosystème sont essentielles pour maintenir sa résilience et sa stabilité écologiques afin d’assurer une production optimale dans les systèmes d’aquaculture fermés. Cependant, un système d’aquaculture écosystémique peut également être réalisé dans un système ouvert, comme l’intégration de l’aquaculture et de la gestion des forêts de mangroves dans une approche éco-verte.
Méthodes d’amélioration de la qualité de l’eau
Différentes technologies (comme la biorestauration, le biofloc et l’internet des objets [IoT]) et procédés (réactions chimiques, filtrations, coagulations et floculations) peuvent être intégrés dans des systèmes d’aquaculture fermés comme l’aquaponie et le SAR, ou des systèmes ouverts comme les eaux côtières pour rendre le traitement et le recyclage des eaux usées plus efficaces, ce qui, à son tour, améliore la qualité de l’eau et augmente les rendements de l’aquaculture. Liu et al. (2021) ont intégré des filtres biofloc hétérotrophes et des filtres biofloc nitrifiants pour contrôler simultanément l’ammoniac, les nitrites, les nitrates, le phosphore réactif soluble et l’alcalinité avec des microbes fonctionnels pertinents tels que les bactéries oxydant l’ammoniac et les nitrites, les bactéries dénitrifiantes, les organismes accumulant le phosphore (OAP), les OAP dénitrifiants et les bactéries accumulant le glycogène.
Bioremédiation
La bioremédiation consiste à utiliser des micro-organismes respectueux de l’environnement pour atténuer la pollution, améliorer la qualité de l’eau et maintenir la santé écologique des systèmes d’aquaculture. Ces bactéries de bioremédiation décomposent les déchets organiques en composés inorganiques utiles qui sont recyclés pour maintenir un cycle nutritif sain dans divers systèmes de culture. La bioremédiation minimise l’utilisation d’antibiotiques et de médicaments et diminue ainsi les conséquences néfastes des agents chimiothérapeutiques couramment utilisés et produit des produits aquatiques sûrs pour la consommation humaine. De plus, ces bactéries respectueuses de l’environnement contribuent à améliorer l’état de santé des organismes d’élevage en les protégeant contre les maladies infectieuses, en délivrant des antigènes et en offrant plusieurs autres avantages pour la santé en aquaculture.
Méthodes physico-chimiques
Les méthodes physiques et chimiques telles que la filtration, la coagulation, la floculation et l’adsorption permettent d’éliminer les contaminants des eaux usées de l’aquaculture, tandis que l’oxydation électrochimique décompose les composés organiques persistants et l’aération augmente l’oxygène dissous dans l’eau. Ces méthodes peuvent être appliquées seules ou en combinaison dans divers systèmes d’aquaculture pour augmenter encore l’efficacité de l’amélioration de la qualité de l’eau et renforcer la production aquacole. Les biofiltres (supports avec des micro-organismes attachés tels que des bactéries, des champignons, des algues et des protozoaires) et les filtres à membrane éliminent les contaminants au fur et à mesure que les eaux usées les traversent. La coagulation (agglutination des particules), la floculation (décantation des matières coagulées) et l’adsorption (adhérence des substances) peuvent éliminer efficacement les solides en suspension et dissous des eaux usées de l’aquaculture. Yanuhar et al. (2022) ont rapporté que la qualité de l’eau dans les étangs en béton peut être améliorée par l’aération, la filtration et la réduction de la matière organique en optimisant l’alimentation. Différents types de biofiltration, de biocoagulation, de biofloculation et d’interactions biologiques peuvent être sélectionnés pour améliorer le traitement des eaux usées et les performances des systèmes d’aquaculture en fonction de leur fonctionnalité et de leurs coûts.
Technologies et modèles IoT
Traditionnellement, la surveillance de la qualité de l’eau dans les systèmes d’aquaculture nécessite un échantillonnage manuel qui demande beaucoup de temps et d’argent. Avec l’avènement des technologies, des systèmes de surveillance en temps réel et d’alerte précoce basés sur l’IoT et le système de surveillance intelligent (IMS) peuvent être conçus et développés pour rendre la surveillance et la gestion de la qualité de l’eau plus efficaces et efficientes. L’IoT, composé d’un réseau collectif d’appareils de communication intégrés à l’intelligence artificielle (IA) et à la modélisation, peut améliorer la surveillance et la gestion des paramètres essentiels de la qualité de l’eau tels que l’oxygène dissous, les valeurs de pH, la turbidité et la température dans un système d’aquaculture. Le réseau de capteurs sans fil a été largement utilisé pour la surveillance de la qualité de l’eau. Rana et al. (2021) ont utilisé l’approche de l’apprentissage automatique pour évaluer l’influence des paramètres de qualité de l’eau sur les performances de croissance de l’aquaculture en eau douce. Rahman et al. (2021) ont développé un cadre intégré pour la gestion des fermes aquacoles de crevettes en utilisant des capteurs, l’apprentissage automatique et des méthodes de visualisation basées sur la réalité augmentée via des interfaces interactives en temps réel. Ainsi, des modèles de prédiction précise des paramètres de qualité de l’eau, tels que le modèle de prédiction hybride et la méthode d’évaluation globale floue, peuvent être développés pour une meilleure gestion de la qualité de l’eau. Caballero et Navarro (2021) et Oiry et Barillé (2021) ont utilisé le satellite sentinel-2 pour surveiller la qualité de l’eau, le cyanoHAB et le microphytobenthos. Xiang et al. (2023) ont utilisé la télédétection par satellite pour surveiller la couleur et la transparence de l’eau, en relation avec les activités terrestres qui provoquent la turbidité de l’eau et une augmentation des polluants dans les écosystèmes aquatiques.
Politique et réglementation
Les politiques et réglementations sont importantes pour garantir la mise en œuvre de stratégies de gestion des effluents aquacoles, car l’expansion rapide de l’industrie aquacole offre non seulement des opportunités économiques, mais présente également des risques pour l’environnement et la société humaine. Dans leur évaluation de l’aquaculture mondiale durable, Davies et al. (2019) ont noté que de nombreux pays dotés d’un secteur aquacole actif disposent d’un certain niveau de gouvernance mais manquent de cadres clairs pour le développement durable de l’aquaculture. Bohnes et al. (2022) ont proposé un cadre par étapes pour évaluer les impacts environnementaux des industries aquacoles en tenant compte de la politique nationale existante associée à des modèles d’équilibre économique et à une évaluation du cycle de vie des activités aquacoles, en particulier celles liées à la production et à l’utilisation d’aliments pour l’aquaculture.
Conclusions
La qualité de l’eau est l’un des facteurs critiques à prendre en compte dans l’aquaculture car elle a des effets significatifs sur la croissance, la santé et les rendements des poissons. Un manque de connaissances et de pratiques en matière de gestion de la qualité de l’eau pourrait gravement entraver la croissance du secteur de l’aquaculture et compromettre l’utilisation des ressources en eau disponibles pour une industrie aquacole durable.
L’aquaculture nécessite une compréhension approfondie des facteurs et des problèmes affectant les systèmes de production, en plus d’améliorer les approches et les technologies de gestion de la qualité de l’eau. L’amélioration de la qualité de l’eau dans les systèmes de production tels que SAR, AMTI et aquaponie grâce à une intégration efficace des facteurs physiques, chimiques et biologiques permettrait d’augmenter l’IC et d’améliorer la santé des animaux d’élevage. Le recyclage des nutriments à l’aide de différents organismes le long de la chaîne alimentaire aquatique, tels que les bactéries, les microalgues, les algues et les poissons, peut améliorer la croissance, la survie et la production des espèces d’élevage ainsi qu’accumuler la biomasse des organismes de soutien. De plus, les technologies à base de microalgues sont une solution prometteuse pour le traitement des eaux usées de l’aquaculture et la biomasse de microalgues qui en résulte peut être valorisée. L’utilisation de ces technologies sous forme de biofloc, de bioremédiation, de technologies de coagulation-floculation-biofiltration et de diverses approches écosystémiques offre des options pour les meilleures pratiques d’aquaculture qui pourraient améliorer la qualité de l’eau, ce qui se traduirait par une meilleure production aquacole.
L’application de l’Intelligence Artificielle et de l’IoT dans les systèmes de production aquacole soutenus par des capteurs, des systèmes de transmission sans fil, des équipements sans pilote, l’automatisation et le big data permettrait une surveillance intelligente de la qualité de l’eau, des systèmes d’alimentation de précision, une surveillance de l’activité des poissons et une détection précoce des problèmes. L’intégration de systèmes de production intelligents et de processus avancés permettrait une alimentation de précision, une meilleure qualité de l’eau, des taux de survie accrus et une croissance accrue des espèces d’élevage. Dans l’ensemble, l’utilisation de ces technologies dans la gestion de la qualité de l’eau soutenue par une politique et une réglementation pertinentes faciliterait l’approche d’une production aquacole durable via une gestion efficace de l’environnement et de la santé des poissons.
Source : Yusoff FM, Umi WAD, Ramli NM, Harun R. Water quality management in aquaculture. Cambridge Prisms: Water. 2024;2:e8. doi:10.1017/wat.2024.6
