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아쿠아포닉스

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목차

1. 개요

아쿠아포닉스는 물고기 양식과 수경 재배를 결합한 농업 방식으로, 물고기 배설물을 식물 영양분으로 활용하고 물을 재순환하여 물 사용량을 줄이는 지속 가능한 시스템이다. 고대 아즈텍과 중국에서 기원했으며, 1930년대부터 현대적인 형태로 발전했다. 현재는 미디어 베드, 부유 배드, 영양액 막 기법 등 다양한 시스템 유형이 존재하며, 물고기, 식물, 박테리아 간의 공생 관계를 통해 운영된다. 시스템 운영에는 물, 산소, 빛, 사료 등이 필요하며, 자동화, 모니터링, 제어 기술이 발전하면서 효율성이 향상되었다. 아쿠아포닉스는 에너지 절감, 물 사용량 감소, 살충제 미사용 등의 장점을 가지고 있으며, 경제적 생존 가능성은 시스템 설계, 기후 조건, 에너지 비용 등 여러 요인에 따라 달라진다.

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아쿠아포닉스
개요
정의수산 양식과 수경 재배를 결합한 복합 식량 생산 시스템
특징서로에게 유익한 공생 환경 조성
장점물과 영양소의 효율적인 사용
폐기물 감소
화학 비료 및 살충제 사용 감소
작동 원리
물고기물고기 배설물은 암모니아를 포함하고, 이는 식물에게 유독함
박테리아니트로소모나스와 니트로박터와 같은 질산화 박테리아는 암모니아를 아질산염으로, 아질산염을 질산염으로 변환시킴
식물식물은 질산염을 흡수하여 영양분으로 사용하고, 정화된 물은 다시 물고기 탱크로 순환됨
시스템 구성 요소
양어 탱크물고기를 키우는 용기
침전조고형 폐기물을 제거하는 장치
생물 여과기질산화 박테리아가 서식하는 장소
수경 재배 장치식물이 자라는 장소
물탱크시스템 전체의 수위를 유지하는 용기
시스템 종류
심층수 문화 (DWC)식물 뿌리가 영양액에 잠겨 있는 방식
영양 필름 기술 (NFT)식물 뿌리에 영양액이 얇은 막 형태로 흐르는 방식
미디어 베드자갈이나 점토 공과 같은 고체 배지를 사용하는 방식
장점
물 절약전통적인 농업에 비해 물 사용량 감소
토지 효율성단위 면적당 생산량 증가
지속 가능한 생산화학 비료 및 살충제 사용 감소
유기농 생산유기농 인증 가능
단점
초기 투자 비용시스템 구축 비용이 높을 수 있음
기술적 지식시스템 운영에 대한 이해 필요
에너지 소비펌프 및 조명에 에너지 필요
질병 관리물고기 및 식물 질병 발생 가능성
활용 분야
상업적 생산채소, 허브, 물고기 생산
가정용자가 소비용 식량 생산
교육 및 연구지속 가능한 농업 시스템 연구
도시 농업도시 지역의 식량 생산
관련 정보
관련 기술수경 재배
양식업
지속 가능성지속 가능한 식량 생산 시스템

2. 역사

13세기 중국 농업 서적인 《왕정농서》(王禎農書)에 실린 목판화로, 연못에서 뗏목 재배 시스템(架田, '틀이 있는 논'을 의미)으로 벼를 재배하는 모습


아쿠아포닉스는 고대부터 존재해 왔으며, 그 기원에 대해서는 여러 가지 설이 있다. "아쿠아포닉스"라는 용어는 수산 양식(수생 생물의 양식)과 수경 재배(토양 없이 식물을 재배하는 방식)를 결합한 것이다. 1970년대와 1980년대에는 "온실 내의 어류와 채소의 결합 생산" 또는 "재순환 수에서 어류와 식물의 결합 생산"과 같은 다양한 용어로 묘사되었으며, 1997년 아쿠아포닉스 저널이 발행된 이후 "아쿠아포닉스"라는 용어가 널리 사용되기 시작했다.

아쿠아포닉스의 기본 원리는 수생생물의 분뇨 및 남은 먹이에서 발생하는, 물고기에게 독성이 강한 암모니아와 아질산을 미생물에 의해 물고기 독성이 적은 질산까지 질산화하는 것이다. 이렇게 하여 폐쇄 환경에서 수생생물을 장기간 생존시키거나 증식시킨다.

시간이 지남에 따라 질산이 물 속에 축적되므로, 그 질산을 계에서 정기적으로 빼내는 것이 필요하다. 아쿠아포닉스는 이 빼내는 역할에 질산을 비료로 이용할 수 있는 과채를 이용하여 수산물과 농산물을 모두 생산하고자 하는 특징을 가진다.[31]

2. 1. 초기: 아즈텍과 중국 (6세기 - 13세기)



아쿠아포닉스는 고대에서 기원했지만, 그 기원에 대해서는 논쟁의 여지가 있다. 아쿠아포닉스는 어류 양식과 식물 생산을 통합하는 것과 관련된 비교적 고대 농업 관행, 특히 동남아시아의 논 경작 환경과 남아메리카의 치남파에서 발전했다고 한다.[7]

  • 아즈텍은 농업용으로 아쿠아포닉스의 초기 형태라고 여겨지는 시스템에서 ''치남파''로 알려진 농업 섬을 경작했는데,[8][9] 이 시스템에서는 호수 얕은 곳에 고정(또는 때로는 이동 가능한) 섬에 식물을 재배하고 치남파 운하와 주변 도시에서 준설한 폐기물을 사용하여 식물에 물을 대었다.[8][10]
  • 중국 남부와 동남아시아에서는 벼를 재배하고 어류와 함께 농업을 하는 방식이 아쿠아포닉스 시스템의 초기 사례로 인용되지만, 이 기술은 서기 5년경 운남에서 이주한 중국 정착민들에 의해 전파되었다.[11] 이러한 다중 재배 농업 시스템은 많은 극동 국가에서 존재했으며 미꾸라지(泥鳅),[12] 뱀장어(黄鳝, 田鰻), 잉어 및 붕어[13]와 같은 어류뿐만 아니라 논우렁이(田螺)를 논에서 길렀다.[14][15]
  • 13세기 중국 농업 매뉴얼인 ''왕정농서''(王禎農書)는 흙과 흙으로 쌓은 나무 부유 뗏목을 설명했으며, 이를 사용하여 벼, 야생 벼 및 사료를 재배했다. 이러한 부유 재배기는 장쑤, 저장, 푸젠의 현대적인 지방을 구성하는 지역에서 사용되었다. 이러한 부유 재배기는 각각 "틀로 된 논"과 "배추 논"으로 번역되는 jiatian|架田중국어 또는 fengtian|葑田중국어으로 알려져 있다. 이 농업 작업은 또한 중국 역사에서 당나라 (6세기)와 북송 (8세기) 시대부터 부유 뗏목 벼 재배가 사용되었음을 나타내는 이전의 중국 문헌을 언급하고 있다.[16]

2. 2. 현대적 발전 (1930년대-현재)

1930년대부터 말레이 반도 페락(Perak) 지역의 북케리안(North Kerian) 지역에서는 벼농사에 물고기를 함께 기르는 양식과 농업 통합 시스템이 활용되었으며, 인도네시아에서도 여러 벼-물고기 시스템이 오랜 역사를 가진 것으로 보고된다.[17]

1969년, 존 토드(John Todd), 낸시 토드(Nancy Todd) 부부와 윌리엄 맥라니(William McLarney)는 뉴 알케미 연구소(New Alchemy Institute)를 설립하고, 아즈텍의 아쿠아포닉스 시스템을 본떠 1년 내내 쉼터, 채소, 물고기를 제공하는 프로토타입을 제작했다.[24]

1970년대 후반, 미국령 버진 아일랜드 대학교의 제임스 라코시(James Rakocy)와 그의 동료들은 대규모 아쿠아포닉스 시스템에서 심층 수경 재배 방식을 채택하는 연구를 진행했다.[25]

1980년대, 노스캐롤라이나 주립 대학교의 마크 맥머트리(Mark McMurtry)와 연구진들은 통합 아쿠아-채소 재배 시스템을 구상했으며, 맥머트리의 연구 결과는 아쿠아포닉스의 기본 과학을 확인하고 시스템의 효율성을 입증했다.[14][25]

1990년대, 캐나다 앨버타주에서 닉 사비도프(Nick Savidov) 박사 팀은 최초의 완전 자동화된 제로 폐기물 아쿠아포닉스 시스템을 개발하여 아쿠아포닉스 운영의 지속 가능성과 효율성을 향상시켰다.

2009년에는 중국에 다문화 어류 연못에 부유식 아쿠아포닉스 시스템이 설치되었으며, 이 시스템은 벼, 밀, 홍초, 기타 작물을 재배하는 데 사용된다. 일부 설비는 넓은 면적에 설치되었다.[30]

현대에는 자동화, 모니터링 및 제어 기술이 발전하면서 아쿠아포닉스 시스템의 효율성이 크게 향상되었다.

3. 시스템 유형

아쿠아포닉스는 물고기 양식과 수경 재배를 결합한 시스템으로, 크게 세 가지 유형으로 나뉜다.


  • 미디어 베드 (Media Bed): 경석, 자갈 등 불활성 배지를 채운 수조에 식물을 심는 방식이다. 물고기 배설물 등이 포함된 물을 배지에 공급하여 식물에 영양분을 제공하고, 배지는 고형물 여과 및 미생물에 의한 암모니아 산화 작용을 돕는다.[6][53]
  • 부유 배드 (Deep Water Culture, DWC): 심층 수경 재배라고도 하며, 구멍이 뚫린 부유식 뗏목에 식물을 심어 뿌리를 물에 담가 키우는 방식이다.[53]
  • 영양액 막 기법 (Nutrient Film Technique, NFT): 좁고 경사진 파이프 채널에 얇은 영양액 막을 흘려보내 식물 뿌리에 영양분을 공급하는 방식이다.[53]


미디어 베드 방식은 다른 방식보다 미생물에게 더 넓은 표면적을 제공하여 질소 활용에 효율적이라고 알려져 있다.[24]

3. 1. 미디어 베드 (Media Bed)

미디어 베드는 수조에 경석, 자갈 등의 불활성 배지를 채우고, 여기에 식물을 심어 재배하는 방식이다. 물고기를 사육하는 물(양어수)을 펌프 등으로 직접 배지에 투입하여 식물에 영양분을 공급한다.[53] 재배 배지는 고형물을 여과하고 미생물에 의해 암모니아가 산화(질산화)되는 과정을 돕는 다기능 역할을 한다.[6] 또한, 오토 사이펀이라는 장치를 설치하여 배지에 공기를 순환시켜 식물 뿌리에 산소를 공급하고, 메탄 등 뿌리에 해로운 가스를 배출하며, 질산화에 필요한 산소를 공급하고, 배지 내 고형물을 중력 방향으로 이동시켜 자정 기능을 돕는다.

이러한 장점 덕분에 아쿠아포닉스에서 가장 대중적인 방법이지만, 다음과 같은 단점도 존재한다.

  • 장치 무게가 무거워진다.
  • 배지에 심은 식물을 이동할 수 없다.
  • 재배 후 배지에 뿌리가 남아 세척 또는 청소가 필요하다.
  • 오토 사이펀에 식물 뿌리가 얽혀 물이 넘치는 문제가 발생할 수 있어 정기적인 청소가 필요하다.


미디어 베드에서는 직접 배지에 심기 때문에 다양한 식물을 키울 수 있지만, 산업용 생산을 고려할 경우 배지 청소 빈도를 줄이기 위해 이식의 필요성이 적은 과채류 재배에 더 적합하다.
근역 제한 미디어 베드 (Root restricted media bed system, RRMBS)기존 미디어 베드의 단점을 개선하기 위해 2015년 이이지마 아키라와 시마다 사토시가 개발했다 (특허 JP6053088B1).[24] 식물 뿌리가 뻗는 영역(근역)을 방근 투수 시트로 분리하여 배지 막힘이나 오토 사이펀 막힘 등의 문제를 해결했다.

근역 제한을 통해 다음과 같은 추가적인 장점을 얻을 수 있다.

  • 물 스트레스를 조절하여 고당도 과채류 생산이 가능하다.
  • 모세관 현상을 이용한 급액으로 부족한 비료 성분을 시비할 수 있어 건강한 식물 생산이 가능하다.
  • 재배용 배지와 수질 정화 기능부의 배지를 분리하여 배양토 등 식물 재배에 적합한 배지를 이용할 수 있다.
  • 재배 부분만 교체 가능하여 식물 교체 시 수질 정화 기능 저하를 막을 수 있다.


또한, 왕겨퇴비를 사용한 배토 설계를 통해 다음과 같은 효과를 확인했다.

  • 규산 성분으로 미량 원소 안정화 및 배토 경량화
  • 순환형 자원 활용
  • 규산 작용에 의한 병충해 저항성 향상


이러한 개선을 통해 기존 미디어 베드의 문제점을 해결하고, 품질 개선, 병충해 예방, 유지보수 용이성, 수질 정화 기능 안정화 등 새로운 가능성을 제시하였다.

근역 제한 미디어 베드는 기존 미디어 베드, DWC, NFT의 3가지 기본 방식에 더해 4번째 기본 방식, 혹은 미디어 베드를 발전시킨 3.5번째 (제2세대 미디어 베드 방식)로 자리매김할 가능성이 있다.

3. 2. 부유 배드 (Deep Water Culture, DWC)

심층 수경 재배(DWC) 시스템은 구멍이 뚫린 부유식 뗏목이 들어 있는 대형 수조로 구성되며, 이 뗏목에는 그물망 화분이 놓인다. 이 시스템 내에서 이 화분들은 일반적으로 뿌리를 지지하는 배지(예: 락울, 코코, 부석)로 채워지며, 뿌리는 물탱크 내부에 지속적으로 잠기게 된다.[53]

1979년, 미국령 버진 아일랜드 대학교의 제임스 라코시와 그의 동료들은 아쿠아포닉스에서 배지 배드를 가지고 실험을 시작했다. 처음에는 식물 성장을 위해 자갈 배드를 사용했고, 큰 고형 폐기물을 수집하기 위한 원추형 필터 정화조와 물고기를 키우는 별도의 탱크를 사용했다.[26] 1986년에는 폴리스티렌으로 제작된 부유식 뗏목의 사용을 시험하기 시작했다.[18] 1997년까지 라코시의 연구는 대규모 아쿠아포닉스 시스템에서 심층 수경 재배 배드의 채택으로 이어졌다.[25]

아쿠아포닉스의 재배 방식에는 미디어 베드, 심층 수경 재배(DWC), 영양액 박막 기술(NFT)의 3가지 기본 방식이 사용된다.

3. 3. 영양액 막 기법 (Nutrient Film Technique, NFT)

영양액 막 기법(Nutrient Film Technique, NFT)은 구멍이 뚫린 좁은 사각 파이프 채널로 구성되어 있으며, 뿌리는 흐르는 얇은 층의 물에 부분적으로 잠겨 있다.[53]

4. 구성 요소

아쿠아포닉스는 크게 양식 (물고기 사육) 부분과 수경 재배 (식물 재배) 부분으로 구성된다.[32] 시스템 유형에 따라 고형물 제거, 생물 여과, 수경 재배를 위한 하위 시스템이 추가될 수 있으며,[32] 이러한 장치들은 시스템의 정교함과 비용에 따라 하나의 장치 또는 하위 시스템으로 결합될 수 있다.[32]

아쿠아포닉스의 기본 원리는 물고기 배설물과 남은 먹이에서 발생하는 독성 암모니아와 아질산을 미생물이 물고기에게 덜 해로운 질산염으로 바꾸는 것이다. 이 과정을 통해 수생 생물은 폐쇄된 환경에서 오랫동안 생존하거나 번식할 수 있다.

시간이 지나면서 질산염이 물속에 쌓이면 주기적으로 제거해야 하는데, 이때 질산염을 비료로 사용할 수 있는 과채류를 이용하면 수산물과 농산물을 동시에 생산할 수 있다는 점이 아쿠아포닉스의 특징 중 하나이다.

일반적으로 아쿠아포닉스는 암모니아를 아질산염에서 질산염으로 산화시키는 질산화 과정과 질산염이 식물이 쉽게 사용할 수 있는 질소 비료라는 점을 결합한 시스템으로 이해된다. 그러나 실제로는 더 복잡하고 유연한 시스템이라는 것을 이해하는 것이 아쿠아포닉스 시스템을 잘 활용하는 데 도움이 된다.

아쿠아포닉스는 양식(사육)과 재배를 동시에 진행하며, 수생 생물, 식물, 미생물뿐만 아니라 기온(수온), 빛, 공기, 물, 비료, 에너지 확보와 같은 환경 조건의 제어가 매우 중요하다.

5. 생물 구성 요소

아쿠아포닉스 시스템은 식물, 물고기(또는 다른 수생 동물), 박테리아라는 세 가지 주요 생물 구성 요소 간의 공생 관계에 의존한다. 일부 시스템에는 벌레와 같은 추가적인 생물 구성 요소도 포함된다.


  • 식물: 아쿠아포닉스 시스템의 주요 생산자로서, 태양광, 이산화 탄소, 그리고 영양분을 생물량으로 변환한다.
  • 물고기 (또는 다른 수생 동물): 어류 및 기타 수생 동물은 아쿠아포닉스 시스템의 주요 소비자로서 식물에 단백질과 영양분을 제공한다.
  • 박테리아: 아쿠아포닉스에서 세균은 중요한 역할을 한다. 물고기 배설물에서 나오는 암모니아를 식물이 영양분으로 사용할 수 있는 질산염으로 전환하기 때문이다.[31]
  • 조류: 특정 아쿠아포닉스 설계에서 유익한 구성 요소가 될 수 있다. 그러나 모든 아쿠아포닉스 시스템이 이런 방식으로 조류를 활용하는 것은 아니다. 다른 유형의 시스템에서는 어항 내 조류가 제어해야 할 대상으로 간주된다.


일반적인 토양에서 식물은 광합성 산물의 일부를 점액질 등의 형태로 뿌리에서 근권토양으로 배출하고, 그 유기물을 이용하여 근권부의 미생물이 증식하며, 그 근권 미생물이 배출하는 물질을 뿌리에서 흡수하여 이용하는 공생을 한다.

아쿠아포닉스와 같이 물속에 암모니아나 질산과 같은 질소원이 있는 경우, 수중 미생물은 식물의 뿌리가 내는 유기물과 수중의 질소를 이용하여 아미노산이나 단백질을 합성하여 성장과 증식을 반복한다. 이로 인해 수중의 질소량이 감소하고, 동시에 수중의 미생물량이 증가하며, 식물도 수중의 질소를 흡수하여 체내에서 단백질 등을 합성하여 성장에 이용하는 상호 작용이 발생한다고 여겨진다. 또한, 뿌리 주변의 미생물 대사 산물의 일부도 식물에 의해 흡수되며, 더욱 증식한 미생물의 일부는 수생 생물의 먹이가 되어 이용되는 것으로 추정된다.

아쿠아포닉스에서는 식물과 양식 어종의 조합으로 각각의 건전성을 확보하려는 시도가 이루어져 왔다. 예를 들어, 틸라피아는 낮은 pH의 양어 수에서도 안정적으로 사육할 수 있으며, 많은 재배 식물 또한 약 산성~중성의 토양에서 잘 생육할 수 있다는 것이 알려져 있다.

5. 1. 식물


  • 식물은 아쿠아포닉스 시스템의 주요 생산자로서, 태양광, 이산화 탄소, 그리고 영양분을 생물량으로 변환한다.
  • 잎채소, 허브, 과일, 그리고 채소를 포함하여 다양한 종류의 식물을 아쿠아포닉스 시스템에서 재배할 수 있다.
  • 식물은 과도한 영양분과 노폐물을 제거하여 물을 정화하는 데 도움이 된다.[33]
  • 다른 성장 단계의 식물은 서로 다른 양의 무기질과 영양분을 필요로 하기 때문에, 식물 수확은 묘목이 성숙한 식물과 동시에 자라도록 단계적으로 이루어진다. 이는 물에서 독소를 지속적으로 공생적으로 정화하기 때문에 물의 영양분 함량을 안정적으로 유지한다.[33]

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아쿠아포닉스로 5일 된 시금치 묘목

  • 건강한 식물 성장은 미생물 분해에 의해 생성되는 뿌리 환경 내 다양한 유기 화합물에 달려 있다. 여기에는 성장, 수확량, 풍미 및 병원체 저항성에 필수적인 비타민, 호르몬 및 효소가 포함된다. 휴믹산(humic acid)과 같은 유기물은 미량 영양소의 이용 가능성을 높이는 데 도움이 된다. 무기 영양소도 중요하지만, 식물은 최적의 발달을 위해 유기 대사 산물이 필요하다.[32]

호암모니아성 식물과 호질산성 식물:아쿠아포닉스는 암모니아를 아질산에서 질산까지 산화하는 질산화 과정과 질산이 식물이 이용하기 쉬운 질소비료라는 점을 조합한 시스템이다.

식물은 암모니아, 아질산, 질산을 각각 직접 비료 성분으로 이용할 수 있다. 작물 분류 중에는 [http://lib.ruralnet.or.jp/nrpd/#koumoku=11622 호암모니아성 식물], [http://lib.ruralnet.or.jp/nrpd/#koumoku=11692 호질산성 식물]이라는 분류가 있다.

상추는 분뇨에서 발생하는 암모니아를 직접 흡수한다. 따라서 호암모니아성 식물과 호질산성 식물을 알면 재배 작물 선정이나 수질 관리에 유용하다. 수온이 낮은 계절에는 질화 세균의 작용이 저하되므로 호암모니아성 식물을 이용하는 것이 특히 중요하며, 이러한 식물 분류를 아쿠아포닉스에 조합하는 개념은 이이지마 아키라와 시마다 사토시가 국내에서 처음 제창했다.

호암모니아성 식물과 호질산성 식물 개념을 도입한 아쿠아포닉스의 새로운 기본 모델.

5. 2. 물고기 (또는 다른 수생 동물)


  • 틸라피아, 금붕어, 잉어를 포함한 다양한 어종을 아쿠아포닉스 시스템에 사용할 수 있다.[31]
  • 물고기는 영양분이 풍부한 '폐기물'을 생산하여 식물을 비옥하게 하는 데 도움을 준다.[31]
  • 어류 및 기타 수생 동물은 아쿠아포닉스 시스템의 주요 소비자로서 식물에 단백질과 영양분을 제공한다.[31]

5. 3. 박테리아

아쿠아포닉스에서 세균은 중요한 역할을 한다. 물고기 배설물에서 나오는 암모니아를 식물이 영양분으로 사용할 수 있는 질산염으로 전환하기 때문이다.[31] 니트로소모나스와 니트로박터 같은 유익한 세균은 건강하고 균형 잡힌 생태계를 유지하는 데 필수적이다. 이러한 세균들은 과도한 암모니아 및 기타 폐기물을 제거하여 물을 정화하는 데 도움을 준다.

일반적으로 시스템이 안정화된 후 암모니아 수치는 0.25~0.50ppm, 아질산염 수치는 0.0~0.25ppm, 질산염 수치는 5~150ppm이다. 시스템 시작 시에는 질화 과정을 시작하는 데 몇 주가 걸리며, 이 때문에 암모니아(최대 6.0ppm)와 아질산염(최대 15ppm) 수치가 급증할 수 있다. 질산염 수치는 시스템이 질소 순환을 완료하고 건강한 바이오필터를 유지하며 이러한 박테리아가 성숙한 군집으로 성장함에 따라 시작 단계 후반에 최고조에 달한다.[36]

질화 과정에서 암모니아는 아질산염으로 산화되어 수소 이온을 물에 방출한다. 시간이 지남에 따라 물의 pH가 천천히 떨어지며, 수산화 칼륨이나 수산화 칼슘과 같은 비나트륨 염기를 사용하여 물의 pH를 중화할 수 있다.

5. 4. 조류 (Algae)

조류는 특정 아쿠아포닉스 설계에서 유익한 구성 요소가 될 수 있다. 통합 아쿠아-채소 재배 시스템과 같은 시스템에서 조류는 바이오필터의 표면층에서 의도적으로 배양된다. 이러한 시스템에서 조류는 과도한 영양분을 흡수하여 영양분 싱크 역할을 하며, 이는 최적의 수질을 유지하고 영양 불균형의 위험을 줄이는 데 도움이 된다.[34] 그러나 모든 아쿠아포닉스 시스템이 이런 방식으로 조류를 활용하는 것은 아니다. 다른 유형의 시스템에서는 어항 내 조류가 제어해야 할 대상으로 간주된다.

조류는 물고기, 기타 미생물 및 식물에 해로울 수 있는 물질을 방출할 수 있다. 예를 들어, 남세균으로도 알려진 녹조류는 물고기의 건강을 직접적으로 위협하는 독소를 생성할 수 있으며, 그 물리적인 존재는 물고기의 아가미를 손상시킬 수 있다.[4]

6. 운영

아쿠아포닉스 시스템의 주요 투입물은 물, 산소, 빛, 물고기 사료, 전기이다.[37] 물고기 사료는 대부분 어분으로 구성되지만, 야생 어류 개체수 감소로 인해 지속 불가능하다는 문제가 있다. 따라서 유기농 어류 사료, 개구리밥, 지렁이 양식 퇴비, 검은 병정파리 유충 등이 대안으로 제시된다.[38][39][40]

식물은 다양한 유기 및 무기 영양소를 필요로 한다. 특히 휴믹산(humic acid)과 같은 유기물은 미량 영양소 이용을 돕는다. 틸라피아와 같이 낮은 pH에서도 잘 자라는 물고기를 이용하면, 산성~중성 환경을 선호하는 식물과 함께 시스템을 구성하기 쉽다. 그러나 식물 성장에 필수적인 질소, 인산, 칼륨 외에도 다양한 미량 원소가 필요하며, 이는 세포 기능과 성장에 중요한 원재료가 된다. 아쿠아포닉스에서는 물고기 사료의 일부, 분뇨, 남은 먹이 등이 분해되어 식물 영양원으로 사용되지만, 모든 원소가 충분하지 않을 수 있으므로 부족한 원소는 추가로 공급해야 한다.

아쿠아포닉스는 물을 효율적으로 재순환하고 재사용하여 기존 관개 방식보다 물 사용량이 매우 적다.[41] 물은 식물이 흡수하거나 증산 작용, 증발 등으로 손실되는 만큼만 보충한다.[41] 이러한 효율성 덕분에 아쿠아포닉스는 기존 관개 방식에 필요한 물의 약 2%만 사용하며,[41] 물이나 비옥한 토지가 부족한 지역에 적합하다.

아쿠아포닉스 시스템이 경제적으로 성공하려면 수경 재배하는 식물과 물고기 양식 모두 최대 생산 능력을 유지해야 한다.[32] 물고기 생물량을 최대 수준으로 유지하기 위한 방법으로는 순차적 사육, 입식 분할, 다중 사육 장치 등이 있다.[32] 이상적인 물고기 생물량은 갤런당 0.5파운드를 넘지 않아야 한다.[32]

아쿠아포닉스 시스템에서는 화학적 방제 방법 사용이 제한적이므로,[44] 생물학적 방제가 주로 사용된다. 비화학적 예방 조치는 해충 및 질병 예방에 효과적이다.[44] 님 오일은 효과적인 유기 살충제이지만, 물고기에게 해를 끼치지 않도록 주의해야 한다. 아쿠아포닉스 식물은 다양한 미생물 덕분에 질병 저항력이 높을 수 있다.[32] 또한, 아쿠아포닉스에서는 식물 재배에 사용하는 약제 이용이 제한되는데, 양식에 사용하는 항생 물질이나 호르몬 등이 식물에 잔류할 수 있기 때문이다. 따라서 많은 경우 무농약 재배를 통해 식품의 안전성을 강조한다.

6. 1. 사료 공급원

대부분의 양식 기반 시스템과 마찬가지로, 아쿠아포닉스 시스템에서도 사료는 종종 가치가 낮은 어종에서 파생된 어분으로 구성된다.[37] 야생 어류 개체수의 지속적인 감소는 이러한 관행을 지속 불가능하게 만든다. 유기농 어류 사료는 이러한 우려를 덜어주는 실행 가능한 대안이 될 수 있다. 다른 대안으로는 개구리밥[38], 지렁이 양식 퇴비화로 재배된 과도한 지렁이, 준비된 주방 쓰레기를 사용하는 것,[39] 검은 병정파리 유충[40] 등이 있으며, 이들을 시스템에서 사육된 동일한 물고기에게 먹이로 줄 수 있다.

6. 2. 식물 영양소

식물은 미생물 분해로 생성되는 다양한 유기 화합물과 무기 영양소를 필요로 한다. 건강한 식물 성장은 뿌리 환경 내 다양한 유기 화합물에 달려 있는데, 여기에는 성장, 수확량, 풍미, 병원체 저항성에 필수적인 비타민, 호르몬, 효소가 포함된다.[32] 휴믹산(humic acid) 같은 유기물은 미량 영양소 이용 가능성을 높인다. 무기 영양소도 중요하지만, 식물은 최적 발달을 위해 유기 대사 산물이 필요하다.[32]

틸라피아처럼 낮은 pH에서도 안정적으로 사육할 수 있는 물고기를 사용하면, 약 산성~중성 환경을 선호하는 많은 식물과 함께 아쿠아포닉스 시스템을 구성하기 용이하다. 그러나 식물이 잘 자라려면 질소, 인산, 칼륨 같은 3대 요소뿐만 아니라 칼슘, 마그네슘, 몰리브덴, 구리, 아연, 망간, 철, 붕소, 염소 등 미량 원소도 필요하다. 이러한 미네랄은 세포가 정상 작동하도록 돕고 성장에 필수적인 원재료가 된다. 또한, 광합성으로 생산되는 당과 전분 등이 에너지원으로 사용되며, 물과 산소가 함께 공급되어야 식물이 정상적으로 자란다.

아쿠아포닉스에서는 물고기에게 공급된 사료 일부가 물고기 몸에 축적되고, 분뇨와 남은 먹이 등 분해 산물이 식물 영양원으로 사용된다. 이 분해 산물 일부는 활성 오니 같은 미생물 몸을 구성하는 데 사용되고, 남은 성분이 식물에 이용된다. 따라서 아쿠아포닉스에서는 모든 원소가 항상 충분한 것은 아니며, 어류, 미생물, 식물 각각의 흡수량에 따라 부족한 원소가 있을 수 있다는 점을 알아야 한다. 특히 식물이 튼튼하게 자라려면 부족한 원소를 충분히 공급해야 한다.

6. 3. 물 사용량

아쿠아포닉스 시스템은 물을 효율적으로 재순환하고 재사용하여 기존 관개 방식보다 물 사용량이 매우 적다.[41] 물은 식물이 흡수하거나 증산 작용, 증발, 비 등으로 넘치거나 고형 폐기물을 제거할 때 손실되는 만큼만 보충한다.[41]

이러한 효율성 덕분에 아쿠아포닉스는 같은 양의 채소를 생산할 때 기존 관개 방식에 필요한 물의 약 2%만 사용한다.[41] 따라서 물이나 비옥한 토지가 부족한 지역에서 작물과 물고기를 함께 기르는 데 유용하다. 일부 연구에서는 아쿠아포닉스가 기존의 상업적 어류 및 작물 생산 시스템보다 물 사용량을 90%까지 줄일 수 있다고 보고한다.[24]

전통적인 양식업은 정기적으로 물을 교환해야 한다. 쇠고기 1kg 생산에는 보통 5,000~20,000L의 물이 필요하며, 반집약적 및 광범위한 기존 양식업은 같은 양의 물고기를 생산하는 데 2,500~375,000L가 필요하다. 반면에 재순환 양식 시스템(RAS)은 물의 95~99%를 재활용하여 물고기 1kg당 100L 미만의 물을 사용한다.[53]

6. 4. 물고기 입식

아쿠아포닉스 시스템이 재정적으로 성공하여 운영비를 충당하고 수익을 창출하려면, 수경 재배 식물 구성 요소와 물고기 양식 구성 요소가 거의 지속적으로 최대 생산 능력을 유지해야 한다.[32] 시스템 내 물고기 생물량을 (물고기 성장을 제한하지 않으면서) 최대 수준으로 유지하는 데 도움이 되는 세 가지 주요 입식 방법은 다음과 같다.

  • '''순차적 사육:''' 여러 연령대의 물고기가 사육 탱크를 공유하며, 특정 연령대의 물고기가 시장 크기에 도달하면 선택적으로 수확하고 동일한 양의 치어로 교체한다.[32] 이 방법의 단점은 각 수확 시 전체 물고기 집단에 스트레스를 주고, 물고기를 놓쳐 사료와 공간을 낭비하며, 빈번한 수확으로 정확한 기록을 유지하기 어렵다는 점이다.[32]
  • '''입식 분할:''' 대량의 치어를 한 번에 입식한 다음, 탱크가 최대 용량에 도달하면 두 그룹으로 분할한다. 이 방법은 기록이 더 쉽고 물고기를 "잊어버리는" 상황을 방지한다. 이 작업을 스트레스 없이 수행하는 방법은 다양한 사육 탱크를 연결하는 "수영로(swimways)"와 물고기를 이동시키는 일련의 해치, 이동 스크린, 펌프를 이용하는 것이다.[32]
  • '''다중 사육 장치:''' 이러한 시스템은 일반적으로 여과 시스템을 공유하는 2~4개의 탱크를 가진다. 가장 큰 탱크에서 수확할 때 다른 물고기 그룹은 더 큰 탱크로 옮겨지고, 가장 작은 탱크에서 새로운 배치가 시작된다.[32] 여러 사육 탱크가 있지만 물고기를 서로 이동할 수 있는 방법이 없는 경우도 흔하다. 이는 물고기를 이동시키는 노동력을 없애고, 물고기가 치어일 때 공간 사용이 비효율적이더라도 수확 중에 각 탱크를 방해받지 않도록 할 수 있다.[32]


이상적으로는 사육 탱크 내 물고기 생물량이 갤런당 0.5파운드를 초과하지 않아야 한다. 이는 혼잡으로 인한 스트레스를 줄이고, 물고기에게 효율적으로 먹이를 공급하며, 건강한 성장을 촉진하기 위함이다.[32]

6. 5. 질병 및 해충 관리

아쿠아포닉스 시스템에서는 화학적 방제 방법의 사용이 매우 복잡하고 제한적이다.[44] 따라서 살충제와 제초제는 생물학적 방제 조치로 대체될 수 있지만, 살균제와 선충 구제제는 여전히 사용된다.[44] 해충 개체 수를 억제하기 위한 첫 번째 접근 방식은 모니터링 및 경작 관리이며, 일반적으로 생물학적 방제가 더 넓은 범위에 적용될 수 있다.[44] 비화학적 예방 조치는 해충 및 질병 예방에 매우 효과적이다.[44]

가장 효과적인 유기 살충제는 님 오일이지만, 물고기에게 해를 끼치지 않도록 소량만 사용해야 한다. 아쿠아포닉스에서 재배된 식물은 전통적인 수경재배 시스템에서 재배된 식물보다 질병에 대한 저항력이 더 높을 수 있는데, 이는 다양한 미생물이 식물 뿌리를 병원균으로부터 보호하는 데 도움을 줄 수 있기 때문이다.[32]

아쿠아포닉스에서는 식물 재배에 사용되는 약제의 이용이 크게 제한된다. 양식에 사용되는 항생 물질이나 호르몬 등이 생산되는 식물에 잔류할 가능성이 있기 때문이다. 따라서 많은 아쿠아포닉스 시도에서는 약제를 사용하지 않는 것을 장점으로 삼고, 무농약 재배를 통해 식품의 안전성을 어필한다.

병충해 방제법으로는 크게 두 가지를 고려할 수 있다.

  • 식물과 양식어의 건전성을 유지하여 식물과 양식어가 가진 방역 기능을 제대로 작동시킨다.
  • 식물과 양식어의 재배 및 양식 환경에 외부로부터 병과 해충이 침입하는 것을 최대한 배제한다.


실제로는 위의 두 가지 방법을 조합하여 관리해야 한다.

7. 자동화, 모니터링 및 제어

오늘날의 기술은 아쿠아포닉스 시스템을 크게 개선했다. 첨단 센서와 IoT 장치를 사용하여, 이러한 시스템은 이제 많은 자동화로 운영될 수 있다. 이는 영양소 수준, 물 사용량, 조명과 같은 중요한 요소를 면밀히 관리하는 것을 가능하게 한다. 이러한 과정을 자동화하면 아쿠아포닉스가 더 효율적으로 될 뿐만 아니라 더 나은 작물 수확량과 더 스마트한 자원 사용으로 이어질 수 있다.[2]

많은 사람들이 자동 제어 및 모니터링 시스템을 만들려고 시도했으며, 이 중 일부는 어느 정도 성공을 거두었다. 예를 들어, 연구원들은 소규모 아쿠아포닉스 시스템에 자동화를 도입하여 비용 효율적이고 지속 가능한 농업 시스템을 달성할 수 있었다.[45][46] 자동화 기술의 상업적 개발 또한 등장했다. 예를 들어, 한 회사는 반복적인 농업 작업을 자동화할 수 있는 시스템을 개발했으며, 아픈 식물이나 발육이 부진한 식물을 자동으로 감지하고 제거할 수 있는 머신 러닝 알고리즘을 갖추고 있다.[47] 미국 최초의 실내 연어 양식장이라고 주장하는 3.75acre 규모의 아쿠아포닉스 시설 또한 자동화 기술을 포함하고 있다.[48]

8. 경제성

아쿠아포닉스는 채소와 물고기를 동시에 기를 수 있는 혼합 재배 시스템으로, 두 가지 수익원을 통해 농가 소득 증대에 기여할 수 있다.[49] 일반 채소, 허브, 꽃, 수생 식물 등 다양한 작물을 재배하여 광범위한 소비자의 요구를 충족할 수 있으며, 배추, 상추, 바질, 장미, 토마토, 오크라, 멜론, 피망 등이 아쿠아포닉스 시스템에 적합한 수익성 있는 식물이다.[50]

환경 의식이 있는 소비자들에게 아쿠아포닉스 제품은 유기농이고 살충제가 없으며, 환경에 미치는 영향이 비교적 적다는 점에서 매력적이다. 아쿠아포닉스 시스템은 물 사용량이 적고, 영양 순환이 효율적이며, 토지 요구 사항이 적어 경제적이다. 토양 품질이 좋지 않거나 오염된 물이 있는 지역에 설치할 수 있으며, 소량의 물만 필요로 한다. 또한, 잡초, 해충 및 토양 매개 질병이 없어 고품질 작물을 지속적이고 빠르게 생산할 수 있다.[49]

아쿠아포닉스에 대한 연구는 주로 기술적인 측면에 초점을 맞추고 있으며, 상업적 맥락에서 경제적 생존 가능성을 다룬 연구는 제한적이다. 에너지 비용은 중요한 요소이며 국가별로 상당한 차이를 보여 수익성 평가를 복잡하게 만든다. 일부 연구자들은 아쿠아포닉스가 2년 후에 재정적 균형을 달성한다고 제안하는 반면, 다른 연구자들은 수익성을 평방 미터당 기준으로 측정해야 한다고 주장한다.[29]

아쿠아포닉스 시스템과 경제적 지속 가능성에 대한 기존 연구는 기존 수경재배 시스템의 연구에 비해 상당히 적다. 현재 연구를 바탕으로 아쿠아포닉스 사업의 경제적 생존 가능성은 개별적으로 평가해야 한다. 시스템 설계, 계절별 기후 조건, 지역 에너지 또는 토지 비용을 포함한 수많은 변수가 아쿠아포닉스 사업의 수익성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.[51]

아쿠아포닉스 시스템은 수경재배 시스템보다 비료를 14% 적게 사용할 수 있다.[52] 재배자는 양식업 유지 비용이 수경재배에서 추가 비료를 사용하는 것보다 저렴한지 결정해야 한다.

아쿠아포닉스 시스템의 경제적 성공에 걸림돌이 되는 요소로는 여러 분야에 걸친 높은 수준의 지식 요구, 자금 조달 기회 부족, 일반 대중의 이해 부족 등이 있다.[53] 아쿠아포닉스 사업은 미국에서 비교적 잘 알려진 기술인 수경재배에 비해 추가적인 브랜딩 전략이 필요할 수 있다.

사기업이 연구 결과를 대중과 공유하지 않아 상업적으로 실행 가능한 재정적 타당성이 부족하다는 점도 아쿠아포닉스 개발의 한계 중 하나이다.[29]

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