Engrais aquaponiques, nutriments et carences en profondeur

Il faut approfondir la chimie pour comprendre comment le système aquaponique transforme les déchets de poisson en engrais végétal. Voici le formulaire court pour ceux qui ne sont pas intéressés par cela. 

Entrée = Sortie - Engrais aquaponique : 

Ce que vous donnez à vos poissons nourrira également vos plantes. Supposons que vous fournissiez des aliments riches en protéines à vos poissons. Dans ce cas, vos plantes dans le système aquaponique recevront beaucoup d’azote car les acides aminés sont constitués de beaucoup d’azote et les plantes peuvent même absorber directement les acides aminés. Les poissons carnivores cultivent donc bien les légumes-feuilles et les herbes. D’un autre côté, les poissons que vous nourrissez avec des herbivores produiront de superbes fleurs, fruits, graines et légumes dans votre lit de culture en raison de la surabondance de potassium et de phosphore excrétés. Les plantes utilisent principalement ces trois nutriments, outre le carbone, l’oxygène et l’hydrogène. On les appelle macronutriments.

Par rapport à eux, les micronutriments ne sont nécessaires qu’en petites quantités. Pourtant, ils sont essentiels, et il en existe plus de 20 pour créer des enzymes, la photosynthèse et de nombreux processus végétaux qui affecteront la santé, l’immunité, le goût et le parfum. Vous trouverez ci-dessous un tableau des macro et micronutriments les plus importants et comment identifier les symptômes d'une carence de votre plante ou peut-être que l'excès d'un nutriment bloque l'adsorption d'autres nutriments comme les oligo-éléments. 

Alors, comment garantir que vos plantes contiennent suffisamment de micronutriments s’il y en a autant ?

Maman nous a facilité la tâche. Elle a veillé à ce que tous les micronutriments essentiels soient mélangés dans le magma terrestre et que chaque fois qu'il y avait une éruption volcanique, les cendres volaient dans le monde entier et fertilisaient le monde entier. 

De nos jours, nous n’avons plus besoin d’attendre une épidémie pour obtenir des niveaux suffisants de micronutriments. Au lieu de cela, nous pouvons utiliser la poussière de roche pour obtenir des aliments savoureux et sains.

Poussière de roche comme engrais aquaponique

Au fil du temps, à mesure que les plantes absorbent les minéraux, elles les échangent contre des ions hydrogène (H+), réduisant naturellement de plus en plus les niveaux de pH dans les zones acides. C'est ce qu'on appelle l'acidification biogénique et peut être inversée en ajoutant des minéraux comme la poussière de roche.

La poussière de roche est essentiellement de la roche broyée, riche en oligo-éléments et micronutriments essentiels à la croissance des plantes . En aquaponie, elle peut constituer un atout précieux pour plusieurs raisons :

• Teneur minérale diversifiée : la poussière de roche contient de nombreux micronutriments, provenant notamment de sources volcaniques. Ceux-ci incluent, sans s'y limiter, le bore, le calcium, le chlore, le cobalt, le cuivre, le fer, le magnésium, le molybdène, l'azote, le phosphore, le potassium, le silicium, le sodium, le soufre, le zinc et bien d'autres. Chacun de ces éléments joue un rôle essentiel dans la santé des plantes.
• Santé du sol améliorée : Bien que les systèmes aquaponiques ne reposent pas sur le sol traditionnel, le substrat de culture peut toujours bénéficier de l'ajout de poussière de roche. Il peut améliorer la rétention d’eau, renforcer l’activité microbienne et libérer régulièrement des micronutriments.
• Croissance améliorée des plantes : avec une gamme plus diversifiée de nutriments disponibles, les plantes peuvent pousser plus vigoureusement, produire des rendements plus abondants et avoir une résistance accrue aux ravageurs et aux maladies.
• Des produits plus savoureux : Les plantes cultivées avec les bons micronutriments ont souvent meilleur goût. En effet, ils peuvent synthétiser plus efficacement les composés qui contribuent à la saveur.
• Utilisation simple : Ajoutez de la poussière de roche à l’eau ou au lit de culture. La bonne quantité de minéraux se dissoudra naturellement et fournira des micronutriments au fil du temps.
• La poussière de roche fournira également des micronutriments à vos poissons ou crevettes et constitue un excellent apport en micronutriments dans l’alimentation du bétail pour tous les vertébrés. Cela inclut théoriquement la consommation humaine, mais demandez d'abord conseil à votre médecin ou à votre nutritionniste.

Comment les plantes absorbent les nutriments en aquaponie

Les plantes absorbent principalement les nutriments du sol par leurs racines.

• Solution du sol : Lorsque les nutriments sont dissous dans l’eau, ils forment une solution du sol.
• Absorption des poils racinaires : Les poils fins des racines des plantes absorbent les nutriments de la solution du sol. Il s’agit avant tout d’un processus actif, c’est-à-dire qu’il nécessite de l’énergie.
• Transport vers d’autres parties : Une fois à l’intérieur des racines, les nutriments sont transportés vers le haut vers les tiges, les feuilles et d’autres parties de la plante à travers le xylème (un type de tissu vasculaire).

Facteurs garantissant une absorption efficace des nutriments par les plantes :

• pH du sol : Le niveau de pH du sol affecte la disponibilité des nutriments. La plupart des plantes préfèrent des niveaux de pH légèrement acides à neutres pour absorber efficacement les nutriments.
• Humidité du sol : Une eau adéquate est nécessaire pour dissoudre les nutriments et les rendre accessibles aux racines des plantes.
• Aération du sol : Les racines ont besoin d’oxygène pour respirer et générer l’énergie nécessaire à l’absorption active des nutriments.
• Texture du sol : La taille et la disposition des particules du sol (sable, limon, argile) peuvent affecter la rétention d’eau et la disponibilité des éléments nutritifs.
• Présence de micro-organismes bénéfiques : Certains microbes aident à décomposer la matière organique, rendant les nutriments plus accessibles aux plantes.
• Absence de contaminants du sol : Les polluants ou les contaminants peuvent interférer avec l'absorption des nutriments.
• Système racinaire sain : Un système racinaire robuste et étendu augmente la surface d’absorption.
• Nutriments équilibrés du sol : Un excès d’un nutriment peut inhiber l’absorption d’un autre en raison d’effets antagonistes.

Il est essentiel de maintenir un équilibre entre ces facteurs pour garantir que les plantes puissent absorber et utiliser efficacement les nutriments.

Un aperçu des composants clés de la fertilisation aquaponique :

• Transformer les déchets de poisson en une forme utilisable pour les plantes.
• Évaluation des niveaux énergétiques des engrais.
• Un environnement anaérobie (manque d'oxygène) fera baisser le pH car les bactéries consommeront tout l'oxygène et augmenteront le (CO2) ce qui créera de l'acide carbonique (H2CO3) dans l'eau. Lors de la réduction des nutriments, les bactéries élimineront les composés oxygénés des connexions chimiques oxydées pour obtenir de l'oxygène, les rendant ainsi plus facilement disponibles pour les plantes. 
• En revanche, les processus d’oxydation nécessitent que les plantes dépensent plus d’énergie pour accéder aux nutriments, ce qui correspond généralement à une augmentation du pH.
• Il est intéressant de noter que les conditions plus toxiques pour les poissons ont tendance à rendre les nutriments plus disponibles pour les plantes. Trouver un équilibre est crucial.
• Pour convertir un lit de culture en environnement anaérobie, envisagez d'utiliser des sandponics avec une couche de 2 à 4 pouces (5 à 10 cm) de sable. Incorporez des galets d'argile sur le dessus pour capturer les débris et introduisez des vers pour nettoyer le milieu et rendre plus de nutriments accessibles aux plantes.
• Ces vers possèdent un biome micro-intestinal, qui comprend des champignons et des bactéries bénéfiques, une partie essentielle du processus de libération des nutriments.

 Lorsque vous recherchez encore des plantes que vous pouvez cultiver en aquaponie, vous devriez consulter notre guide des plantes.

Chimie des nutriments et des engrais aquaponiques 

Que sont les niveaux de pH ?

Le niveau de pH mesure l'acidité et l'alcalinité d'une solution.

Les niveaux de pH de 0 à 7 sont acides.

Les niveaux de pH de 7 à 14 sont alcalins.

Plus le pH est bas, plus il y a d’ions hydrogène (H+).

Plus le pH est élevé, moins il y a d’ions hydrogène (H+).

Plus le pH est bas, moins il y a d’ions hydroxyde (OH-).

Plus le pH est élevé, plus il y a d’ions hydroxyde (OH-).

À pH 7, les (H+) et (OH-) sont identiques.

 Infographie de la disponibilité des éléments nutritifs des plantes par rapport au niveau de pH.

Le processus de décomposition de la matière organique entraînera une bioacidification où, au fil du temps, le niveau de pH diminuera progressivement à mesure que de petites quantités de minéraux seront nécessaires à la dégradation. Ce processus augmente également la vitesse d’acidification des océans et détruit les écosystèmes actuels comme les récifs coralliens en révoquant les structures calciques. L'ajout d'un mélange minéral comme de la poussière de roche peut augmenter les niveaux de pH de votre système aquaponique. Généralement, les acides réduisent le niveau de pH, tandis que les minéraux, les sels et les métaux augmentent le niveau de pH. Ces connaissances peuvent vous aider à stabiliser naturellement votre système. 

Comprendre les anions et les cations dans l'absorption des nutriments végétaux 

L'équilibre électrique des racines doit rester équilibré. Pour absorber les nutriments, les plantes doivent échanger des protons comme l’hydrogène (H+) pour absorber un cation comme le potassium (K+). L'augmentation de la concentration de protons réduit le pH à un niveau plus acide (0 à 7).

De la même manière, les plantes disposent également d’un moyen d’absorber les anions. Par exemple, pour absorber le nitrate (NO3-), les racines des plantes libèrent du bicarbonate (HCO3-), ce qui augmente le pH jusqu'à des niveaux plus alcalins (7 à 14).

Les plantes peuvent également absorber directement les acides aminés intacts et ainsi contourner la minéralisation microbienne de l'azote organique . Le recyclage des acides aminés explique la supériorité de l'aquaponie par rapport à la culture en terre : une petite quantité d'aliments pour poissons se dissout toujours lorsqu'ils s'en nourrissent. Au lieu de gaspiller ces acides aminés, les plantes peuvent les réutiliser comme éléments nutritifs.

L'ammoniac (NH₃), libéré par les poissons et les bactéries, capte les ions hydrogène (H⁺) libres présents dans l'eau et se transforme en ammonium (NH₄⁺) en milieu acide (pH inférieur à 7). À l'inverse, en milieu alcalin (pH supérieur à 7), la concentration élevée d'ions hydroxyde (OH⁻) entraîne la reconversion de l'ammonium (NH₄⁺) en ammoniac. Une variation brutale du pH, par exemple de 6.5 à plus de 8, peut convertir une grande quantité d'ammonium, moins toxique, en ammoniac, beaucoup plus toxique, pouvant être mortel pour les poissons. L'ammoniac (NH₃) peut diffuser à travers les racines des plantes car il est électriquement neutre. À l'intérieur de la plante, il se lie rapidement à un ion H⁺ libre pour former du NH₄⁺, que la plante peut ensuite utiliser et stocker.

Certains facteurs doivent être garantis pour que les plantes absorbent les nutriments, comme la disponibilité des minéraux, la température du sol, l'état énergétique des nutriments, les niveaux d'humidité, la photosynthèse, le pH des racines/du sol et la concentration relative de minéraux dans l'eau. 

Des niveaux élevés d’un cation empêcheront les autres cations d’être absorbés. Logiquement, des niveaux élevés d’anions empêcheront également l’absorption d’autres anions.

Anions :

Hydroxyde (OH-), bicarbonate (HCO3-), chlorure (Cl-), nitrite (NO2-), nitrate (NO3-), dihydrogénophosphate (H2PO4-), phosphate (PO4-), sulfate (SO4--), tétraborate (B4O7--), dioxido(dioxo)molybdène (MoO4--), hydrogénophosphate (HPO4--), phosphate (PO4---)

Cations :

Hydronium (H3O+), hydrogène (H+), ammonium (NH4+), potassium (K+), sodium (Na+), calcium (Ca++), manganèse (Mn++), zinc (Zn++), nickel(II) (Ni++), cobalteux ( Co++), magnésium (Mg++), fer(II) (Fe++), fer(III) (Fe+++)

De la même manière, de faibles niveaux de certains anions peuvent créer un excès de nutriments pour d’autres anions de la plante, et de faibles niveaux de cations produiront des nutriments supplémentaires pour d’autres cations.

Il est également important de savoir que les ions à charge unique sont plus facilement absorbés que les ions à double charge. Les ions triplement chargés nécessiteront donc le plus d’énergie.

Par exemple, cela signifie que des niveaux élevés de nitrate à charge unique (NO3-) bloqueront l'absorption du molybdène à double charge (MoO4--) et du bore (B4O7--).

Il en va de même pour des niveaux élevés de potassium (K+) qui entraîneront une carence en fer (Fe++, Fe+++), calcium (Ca++), magnésium (Mg++), manganèse (Mn++), etc.

Toutes les plantes peuvent absorber les nutriments des racines et des feuilles. Par conséquent, une pénurie de nutriments peut être explicitement appliquée à une plante sous forme de pulvérisation foliaire ou ajoutée aux racines.

Tableau des éléments essentiels à la croissance des plantes

Facteurs d’influence des nutriments aquaponiques

La disponibilité des nutriments pour les plantes peut être affectée par divers facteurs, notamment le pH, les niveaux d'oxygène, la température, l'équilibre des nutriments, d'autres plantes et d'autres conditions environnementales. Voici comment ces facteurs peuvent provoquer des carences en chaque nutriment :

• Hydrogène, carbone et oxygène :
• Généralement, ceux-ci ne sont pas déficients en raison de leur abondance dans l’eau et dans l’air. Cependant, une eau pauvre avec peu d’oxygène ou un air stagnant pourrait théoriquement avoir un impact sur leur disponibilité.
• Une densité élevée de poissons combinée à une faible capacité de filtration du lit de culture peut entraîner la présence de beaucoup de déchets de poissons dans l'aquarium, ce qui constitue des conditions de vie idéales pour les bactéries pathogènes qui consomment beaucoup d'oxygène.
• Azote:
• pH élevé : Une augmentation du pH favorise l'ammoniac non toxique (NH3), tandis qu'une diminution du pH augmente l'ammonium moins toxique (NH4+). 
• Réduit la disponibilité de l'azote car il affecte l'activité microbienne qui convertit l'ammoniac en nitrate.
• Faible teneur en oxygène : peut ralentir le processus de nitrification, essentiel à la disponibilité de l'azote.
• Phosphore:
• pH élevé : peut provoquer la précipitation du phosphore hors de la solution, le rendant indisponible pour les plantes.
• Une filtration excessive peut provoquer une précipitation du phosphore avec le fer et bloquer les deux nutriments.
• Températures froides : peuvent réduire la disponibilité du phosphore, en particulier dans les plates-bandes de culture en extérieur, car le métabolisme des plantes, des vers, des insectes, des bactéries et des champignons reste presque immobile.
• Potassium:
• pH élevé : la disponibilité du potassium peut être réduite.
• Compétition du sodium (Na) : Des niveaux élevés de sodium peuvent rivaliser avec l’absorption du potassium.
• Calcium:
• pH faible : réduit la disponibilité du calcium.
• La plupart du temps, ce minéral est en surplus si vous continuez à remplir le robinet ou la nappe phréatique.
• Peut être équilibré avec du magnésium en cas d'excès de calcium
• Conditions gorgées d'eau : Peut réduire l'absorption du calcium en raison des faibles niveaux d'oxygène.
• Magnésium:
• pH élevé : peut réduire la disponibilité du magnésium.
• Compétition calcique : des niveaux élevés de calcium peuvent interférer avec l’absorption du magnésium.
• Très probablement manquant s'il n'est pas ajouté en externe
• Soufre:
• pH élevé : le soufre devient moins disponible à mesure que le pH augmente.
• Carence commune
• Fer à repasser:
• pH élevé : Le fer devient moins disponible à mesure que le pH augmente.
• Aération élevée : peut entraîner une réduction de la disponibilité du fer.
• Bore:
• pH élevé : réduit la disponibilité du bore.
• Manganèse:
• pH élevé : réduit la disponibilité du manganèse.
• Conditions de sol sec : Peut provoquer une carence en manganèse.
• Zinc:
• pH élevé : le zinc devient moins disponible à mesure que le pH augmente.
• Compétition du phosphore : des niveaux élevés de phosphore peuvent interférer avec l'absorption du zinc.
• Molybdène:
• pH faible : réduit la disponibilité du molybdène.
• Cuivre:
• pH élevé : réduit la disponibilité du cuivre.
• Mauvaise aération : peut entraîner une réduction de la disponibilité du cuivre.
• Chlore:
• Généralement pas déficient mais un arrosage excessif peut lessiver le chlore du sol.
• Nickel:
• pH élevé : réduit la disponibilité du nickel.
• Cobalt:
• pH élevé : réduit la disponibilité du cobalt.
• Sodium:
• Généralement pas déficient, mais une compétition avec d’autres ions comme le potassium peut se produire.
• Silicium:
• Faible disponibilité dans le sol : La disponibilité du silicium peut varier considérablement selon le type de sol.
• Conditions gorgées d'eau : Peut réduire l'absorption du silicium en raison des faibles niveaux d'oxygène.

macronutriments

Hydrogène (H)

L'eau constitue la plus grande partie du contenu d'une cellule végétale, représentant environ 80 à 90 % de son poids total. Même un sol apparemment sec peut être une riche source d'eau pour les plantes terrestres. Les racines absorbent l'eau grâce à leurs poils absorbants et la transportent vers les feuilles par le xylème. Lorsque les feuilles libèrent de la vapeur d'eau (transpiration), ce phénomène, combiné aux propriétés moléculaires de l'eau, entraîne un transfert d'eau supplémentaire des racines vers les feuilles. L'eau est essentielle au maintien de l'intégrité cellulaire, aux activités métaboliques, au transport des nutriments et à la photosynthèse.

Carbone (C)

Les plantes ont besoin de diverses substances, appelées nutriments, pour vivre. Ces nutriments peuvent être organiques ou inorganiques. Les composés organiques sont des molécules contenant du carbone, comme le dioxyde de carbone de l'air. En fait, le carbone provenant du CO2 atmosphérique constitue la majeure partie du poids sec d’une plante. D’un autre côté, les composés inorganiques manquent de carbone et ne proviennent pas d’entités vivantes. Ces éléments inorganiques, présents principalement dans le sol, sont souvent appelés minéraux.

Environ 95 à 97 % du carbone est absorbé de l'atmosphère. Les 3 à 5 % restants proviennent de la matière organique du sol et des racines. Le carbone est un élément structurel essentiel et un composant de nombreux éléments constitutifs des plantes, tels que les glucides, les lipides, les protéines et la cellulose.

Oxygène (O)

L'hydrogène et l'oxygène, tous deux macronutriments, font partie intégrante de nombreuses substances organiques et se combinent pour former de l'eau. L'oxygène joue un rôle central dans la respiration cellulaire, permettant aux plantes de conserver l'énergie sous forme d'ATP. Même si les plantes sont connues pour produire de l’oxygène, elles ne peuvent le faire que lorsque le soleil brille. Les plantes ont besoin d'oxygène dans la zone racinaire et la nuit pour traiter leurs glucides.

Macronutriments primaires

Azote (N)

Même si près de 80 pour cent de l’atmosphère terrestre est constituée d’azote. Il se présente sous une forme chimiquement et biologiquement inutilisable. Il faut beaucoup d’énergie pour transformer cet azote sous une forme utilisable par les plantes. Seuls les algues et les micro-organismes particuliers peuvent fixer l'azote atmosphérique (N2) et le transformer en ammoniac (NH3).

Voici un excellent aperçu de la fixation biologique de l’azote.

Malheureusement, les engrais synthétiques tuent ces bactéries et libèrent de l’azote dans l’atmosphère.

Une différence importante entre l'aquaponie et l'agriculture moderne est que

aucun engrais synthétique, pesticide ou antibiotique n'est utilisé et tout l'azote est recyclé.

Cycle de l'azote

Les acides aminés contiennent de l'azote et lorsqu'ils sont consommés par les poissons, ils libèrent de l'ammoniac, qui est hautement toxique pour les poissons mais constitue le meilleur engrais pour les plantes car ils ont le niveau d'oxydation le plus bas.

Le nitrite (NO2-) est également toxique pour les poissons mais est déjà oxydé, il est donc plus difficile pour les plantes de le décomposer que l'ammoniac. Pour que les plantes utilisent le nitrate, elles doivent le réduire en nitrite ou en ammonium pour le convertir en acides aminés. 

L'azote intervient principalement dans la croissance des feuilles.

• Rôle de l'azote :
• L'azote est crucial pour les plantes car il est nécessaire à la fabrication d'acides aminés, de protéines et de chlorophylle (qui aide les plantes à photosynthétiser ou à produire de la nourriture à partir du soleil).
• Ammonium et Nitrate :
• Les plantes peuvent absorber l'azote sous de nombreuses formes : acides aminés, ammoniac (NH3), ammonium (NH4+),  nitrites (NO2-), et nitrate (NO3-). L'équilibre entre ceux-ci peut affecter la croissance des plantes car l'ammonium interfère avec les cations comme (Ca++) et (Mg++) tandis que les nitrites et les nitrates peuvent bloquer l'adsorption d'anions comme (SO4--) ou (MoO4--).
• Métabolisme de l'azote :
• Les plantes peuvent absorber les nitrates ou les nitrites du sol via leurs poils racinaires. Si le nitrate est absorbé, il est d'abord réduit en ions nitrite puis en ions ammonium, coûtant à la plante l’énergie nécessaire à son incorporation dans les acides aminés, les acides nucléiques et la chlorophylle.

• Ce processus peut se produire à la fois dans les racines et dans les feuilles, mais il est plus économe en énergie dans les feuilles car la lumière du soleil facilite le processus.
• C'est pourquoi l'aquaponie est supérieure à l'agriculture du sol, car les poissons expirent de l'ammoniac (NH3), qui provient de la dégradation naturelle du fumier et des matières organiques. Les poissons l'expirent naturellement (toxique à fortes doses) et il possède la plus grande disponibilité végétale. L'ammoniac est utilisé commercialement comme engrais azoté synthétique car les plantes n'ont pas besoin d'échanger des ions pour absorber l'ammoniac.
• dans les algues, l'azote est transformé en acides aminés tout en produisant également des oméga 3 à partir du carbone : filtre décentralisé idéal en combinaison avec des amphipodes comme éliminateur d'algues décentralisé qui n'est pas disponible pour les poissons, que ce soit sur place ou s'ils ne mangent pas d'algues.
• L'offre Amphipodes est productrice de protéines saines pour nourrir les poissons, d'oméga 3 essentiels et de chitine, riche en fibres. 

• Effet de la température :
• Les températures chaudes accélèrent les processus végétaux, consommant de l’énergie et de l’oxygène, ce qui peut avoir un impact sur la façon dont l’ammonium est métabolisé dans les racines. Les températures froides ralentissent le transport des nitrates vers les feuilles, ce qui peut retarder la croissance des plantes.
• Différentes plantes, différents besoins :
• Différentes plantes peuvent préférer différents ratios ammonium/nitrate en fonction de leur stade de croissance et des conditions du sol. Par exemple, les plantes à fleurs et à fruits pourraient mieux s’en sortir avec des quantités d’ammonium/nitrate faibles, voire inexistantes.
• Impact sur le pH du sol :
• Lorsque les plantes absorbent de l’ammonium, elles libèrent des protons comme l’hydrogène (H+) et l’hydronium (H3O+), rendant le sol plus acide. Lorsqu’ils absorbent du nitrate (NO3-), ils libèrent des électrons comme le bicarbonate (HCO3-) et l’hydroxyde (OH-), rendant le sol plus alcalin. Il est important de savoir cela pour gérer les niveaux de pH, en particulier dans les systèmes sans sol comme la culture hydroponique.
• Toxicité de l'ammonium :
• Trop d’ammonium peut nuire aux plantes, en particulier dans les sols anaérobies et humides où la conversion de l’ammonium en nitrate est lente. De faibles niveaux d’oxygène peuvent entraîner une accumulation d’ammonium, qui peut être toxique pour les plantes.
• Optimisation en culture hydroponique :
• Dans les systèmes hydroponiques, la gestion du rapport ammonium/nitrate est cruciale pour maintenir les niveaux de pH appropriés et garantir que les plantes peuvent accéder à d'autres nutriments nécessaires comme le potassium, le calcium et le magnésium. Une trop grande quantité d'ammonium pourrait interférer avec l'absorption de ces autres nutriments, ce qui pourrait être nocif dans certaines conditions, comme la culture de tomates et de poivrons dans des climats chauds et secs.
• Anaérobie : L'ammonium (NH4+) interfère avec d'autres cations comme le potassium (K+), le calcium (Ca++), l'hydrogène (H+), le sodium (Na+) et le magnésium (Mg++) 
• Aérobie : le nitrate (NO3-) interfère avec d'autres cations comme le chlore (Cl-), le sulfate (SO4--) et le phosphate (PO4---)  

Potassium (K)

Le potassium joue un rôle essentiel dans le transport de l'eau, des nutriments et des sucres au sein des plantes. Il est indispensable à l'activation de diverses enzymes, influençant ainsi la formation des protéines, de l'amidon et de la molécule énergétique, l'adénosine triphosphate (ATP). Ceci, à son tour, peut impacter l'efficacité de la photosynthèse.

De plus, le potassium contrôle les fonctions des stomates, qui gèrent l'échange d'humidité, d'oxygène et de dioxyde de carbone dans les plantes. Un manque de potassium adéquat peut entraver la croissance des plantes et entraîner une diminution des rendements.

Pour les plantes vivaces, comme la luzerne, le potassium contribue à leur survie pendant les mois les plus froids. Certaines autres fonctions vitales du potassium comprennent :

• Stimuler le développement des racines et améliorer la résilience contre la sécheresse.
• Préserver la pression cellulaire, minimiser la perte d’eau et prévenir le flétrissement.
• Faciliter la photosynthèse et la création de nutriments.
• Diminution de la respiration, conservation de l'énergie dans le processus.
• Aide au mouvement des sucres et à l’accumulation d’amidon.
• Il en résulte des grains riches en amidon.
• Élever les niveaux de protéines dans les plantes.
• Renforce les parois cellulaires végétales et empêche leur effondrement.
• Agir comme mécanisme de défense contre certaines maladies des plantes.

Le potassium (K) est hautement soluble dans l’eau et des niveaux élevés de calcium, de sel ou de magnésium peuvent inhiber l’apport en potassium. Les déchets alimentaires comme les légumes et les fruits contiennent de grandes quantités de potassium. Des niveaux suffisants de potassium aident à protéger les plantes du gel et des maladies. Le potassium est essentiel à la fructification, à la floraison et au développement des graines.

Phosphore (P)

Le phosphore (P) est le nutriment le plus limitant après l'eau, le carbone et l'azote (N). La matière organique, l'argile et les compositions minérales spécifiques contiennent du phosphore. La plupart du temps, suffisamment de phosphore est présent mais lié à d’autres cations et fixé sous une forme indisponible pour que les plantes puissent l’absorber. En agriculture, le ruissellement du phosphore provoque une pollution des eaux souterraines et une prolifération d’algues dans les plans d’eau. Le recyclage des nutriments d’un système aquaponique le rend supérieur aux aliments achetés en magasin.

Le phosphore peut se présenter sous trois formes :

• La forme disponible pour les plantes est dissoute dans l'eau et les plus facilement disponibles pour les plantes sont les ions orthophosphate (HPO4--) et (H2PO4-).
• Le phosphore sorbé est inorganique et fixé aux surfaces argileuses, aux oxydes de fer (Fe), d'aluminium (Al) et de calcium (Ca) et n'est pas disponible pour la plante. Pour libérer ces composés de phosphore, nous devons créer des environnements anaérobies comme dans les plates-bandes de culture en sandponics.
• Le phosphore minéral est extrêmement lent, dissolvant les minéraux phosphatés comme l'apatite, la strengite et la variscite. Les autres minéraux phosphatés comprennent les composés du phosphore liés au calcium, au fer et à l'aluminium. Comme le phosphore sorbé, nous avons besoin d’environnements anaérobies ou d’acides pour libérer le phosphore.

Macronutriments secondaires

Calcium (Ca)

Même si les plantes ont besoin de calcium pour construire leur paroi cellulaire et leur membrane. C'est un facteur essentiel pour assurer la stabilité et l'intégrité des tissus végétaux. Dans la nature, il s’agit rarement d’une carence. Un excès de calcium se produit souvent lorsque l’eau du robinet est utilisée, car elle contient généralement du calcium mais pas d’autres minéraux comme le magnésium. Ce qui aura pour conséquence le blocage du fer et du manganèse.

Magnésium (Mg)

Le magnésium (Mg) est essentiel à de nombreuses fonctions vitales et réactions chimiques chez les plantes. Il joue un rôle important dans la synthèse de la chlorophylle, la production et le transport de composés énergétiques, l'activation d'enzymes et la formation de protéines. Cependant, avec l'essor des cultures à haut rendement sensibles aux engrais, conjugué à des pratiques agricoles intensives sans apport de magnésium, à l'acidification croissante des sols et au lessivage du magnésium disponible, cet élément nutritif essentiel est devenu un facteur limitant l'obtention de rendements optimaux.

Soufre (S)

Le soufre est essentiel à la croissance et au bon fonctionnement des plantes. Il entre dans la composition des protéines, des acides aminés, des vitamines et d'autres molécules essentielles. Bien qu'une part importante du soufre présent dans le sol soit liée à la matière organique et donc inaccessible directement aux plantes, celles-ci l'absorbent principalement sous sa forme anionique (SO₄²⁻). Cependant, cette forme est soluble dans l'eau et peut facilement être lessivée du sol. Le soufre et ses composés jouent un rôle dans les fonctions métaboliques courantes et les réponses au stress chez les plantes. Ils interviennent également dans les réseaux de signalisation complexes des plantes. Les plantes absorbent le sulfate du sol grâce à des mécanismes de transport spécialisés. Elles peuvent également utiliser les systèmes de transport d'organismes symbiotiques comme les bactéries et les champignons, notamment lorsque la concentration de soufre dans le sol est faible. Compte tenu de son importance dans le métabolisme végétal, la compréhension du soufre est cruciale pour la santé des plantes, des animaux et des humains qui en dépendent. Un manque de soufre peut entraîner un retard de croissance chez les plantes et une baisse des rendements.

Micronutriments

Silicium (Si)

Bien que le silicium ne soit pas un nutriment essentiel pour les plantes, il favorise la croissance des racines, des tiges et des pousses, la teneur en sucre (degré Brix) et la résistance aux maladies (bactéries, champignons, insectes, sécheresse et stress thermique), tout en augmentant la teneur en protéines pour de meilleurs rendements. Un apport suffisant en silicium stimule également la ramification latérale, donnant des plantes plus touffues. L'utilisation d'acides monosiliciques peut être réduite jusqu'à 50 % car les maladies sont mieux détectées et les plantes réagissent mieux au stress lorsqu'elles sont infectées par des pathogènes comme la fusariose et l'oïdium. Le silicium protège également les plantes de l'absorption de métaux lourds tels que l'aluminium et le cadmium.

Bore (B)

Le bore (B) est un oligo-élément essentiel à la croissance et au bon fonctionnement des plantes. Une carence en bore peut perturber leur métabolisme et leur croissance. Cet élément joue un rôle crucial dans le maintien de la stabilité et de la fonctionnalité des parois et des membranes cellulaires. De plus, le bore est indispensable à la régulation du mouvement des ions (tels que H+, K+, PO43−, Rb+ et Ca2+) à travers les membranes cellulaires, favorisant ainsi la croissance et la division cellulaires, la gestion de l'azote et des glucides, et le transport des sucres. Il influence également divers composants et processus cellulaires, tels que les protéines du cytosquelette, les enzymes membranaires, les fonctions de l'ADN/ARN, ainsi que le métabolisme et le transport de composés spécifiques comme l'acide indoleacétique, les polyamines, l'acide ascorbique et les phénols.

Chlore (Cl)

Traditionnellement, le chlorure (Cl⁻) était considéré comme un nutriment mineur, largement ignoré par les plantes en raison de sa présence fréquente dans la nature, de son interaction avec le nitrate (NO₃⁻) et de sa toxicité potentielle à fortes concentrations. Cependant, les perspectives ont récemment évolué. Au lieu de percevoir le chlorure (Cl⁻) comme un ion néfaste absorbé involontairement par les plantes lors de l'absorption de nitrate (NO₃⁻), il est désormais considéré comme un macronutriment bénéfique que les plantes régulent et transportent avec précision. Présent en tant que macronutriment, le chlorure (Cl⁻) contribue à une croissance accrue des plantes, à des feuilles plus grandes, à des cellules foliaires et racinaires plus développées, à une meilleure gestion de l'eau, à une diffusion accrue du CO₂ dans les cellules foliaires et à une utilisation plus efficace de l'eau et de l'azote. Bien que les plantes se développent de manière optimale avec un apport équilibré de chlorure (Cl⁻) et de nitrate (NO₃⁻), leur préférence pour l'un ou l'autre peut varier selon l'espèce, la variété et des facteurs environnementaux tels que la rareté de l'eau ou la salinité du sol.

Fer (Fe)

Le fer joue un rôle crucial dans les processus de transfert d'énergie et constitue un composant essentiel de nombreuses enzymes vitales. Il est irremplaçable pour la plupart des bactéries, ce qui le rend indispensable à presque tous les organismes vivants. Chez les plantes, le fer est vital pour des processus tels que la photosynthèse et la synthèse de la chlorophylle. La quantité de fer disponible dans le sol détermine non seulement l'habitat naturel des plantes, mais influence également leur productivité et leur valeur nutritionnelle. Un manque de fer peut entraîner un ralentissement de la croissance, un jaunissement entre les nervures des feuilles et une diminution de la vigueur. Pour les cultures vivrières, le maintien de niveaux de fer adéquats est essentiel pour lutter contre l'anémie ferriprive, un problème nutritionnel répandu à l'échelle mondiale. Cependant, un excès de fer peut nuire aux cellules. C'est pourquoi les plantes ont développé des mécanismes pour optimiser l'absorption du fer en cas de carence et la limiter en cas d'excès.

Manganèse (Mn)

Le manganèse (Mn) joue un rôle essentiel dans diverses fonctions cellulaires végétales. Il est particulièrement crucial pour la production d'oxygène lors de la photosynthèse, en facilitant la photolyse de l'eau au niveau du photosystème II (PSII) . Bien que le rôle du Mn dans la photosynthèse et d'autres fonctions soit fondamental, l'importance de son absorption et de sa distribution dans les plantes n'a pas été suffisamment étudiée. Différentes protéines de transport, issues de diverses familles de gènes, contribuent au maintien des concentrations de Mn dans les différentes zones cellulaires végétales. Ces protéines interviennent dans diverses activités dépendantes du Mn, notamment l'incorporation de sucres dans les molécules, la protection contre les espèces réactives de l'oxygène et la photosynthèse. Cependant, l'équilibre du Mn peut être perturbé par une carence ou un excès. Les sols secs et aérés, riches en calcium ou en matière organique, peuvent entraîner une carence en Mn, un problème courant qui freine la croissance des plantes. À l'inverse, un excès de Mn est problématique dans les sols gorgés d'eau et acides, où le métal devient trop facilement assimilable. C'est pourquoi les plantes ont développé des systèmes précis pour gérer l'absorption, le transport et le stockage du Mn.

Molybdène (Mo)

Le molybdène joue un rôle crucial dans le métabolisme de l'azote chez les plantes. Chez les plantes non légumineuses, comme le chou-fleur, la tomate et le maïs, le molybdène leur permet d'utiliser les nitrates absorbés du sol. Si une plante manque de molybdène, elle accumule les nitrates dans ses feuilles sans les convertir en protéines. Cela entraîne un retard de croissance, semblable aux effets d'une carence en azote, et peut également provoquer des brûlures sur le bord des feuilles dues à l'excès de nitrates.

Pour les légumineuses, comme les haricots, les pois et les trèfles, le molybdène joue un double rôle. Il aide au traitement des nitrates du sol, comme les plantes non légumineuses. De plus, il aide à capturer l’azote atmosphérique grâce aux bactéries présentes dans les nodules racinaires. Pour ces légumineuses, les besoins en molybdène sont encore plus élevés pour fixer l’azote de l’air que pour traiter les nitrates du sol.

Le zinc (Zn)

Le zinc (Zn) est un micronutriment essentiel pour les plantes, indispensable à de nombreux processus cellulaires et biochimiques. Sa concentration est cruciale : un déficit ou un excès peut nuire à la santé des plantes. Ce métal intervient dans de nombreuses activités végétales, contribuant à leur croissance, leur maturation et leur rendement. De nombreuses protéines et enzymes végétales dépendent du zinc pour leur structure et leur fonction. Il est donc primordial de comprendre le comportement du zinc dans le sol, son absorption et son transport par les plantes, ainsi que leur réaction à une carence. De nombreuses cultures à travers le monde souffrent d'une carence en zinc, ce qui entraîne une baisse notable des rendements et affecte la valeur nutritionnelle des produits.

Cuivre (Cu)

Le cuivre (Cu) est un minéral essentiel à la croissance et au développement des plantes, intervenant dans de nombreuses fonctions physiques, chimiques et biologiques. Il constitue un élément clé de nombreuses enzymes, participant à des processus tels que la photosynthèse, la respiration et le transport d'électrons. De plus, le cuivre est un composant fondamental de certains gènes de défense. Bien qu'essentiel, un excès de cuivre peut s'avérer néfaste, entravant la croissance et le rendement des plantes. De nombreuses études ont mis en évidence les effets négatifs d'un excès de cuivre sur des processus végétaux comme la germination des graines, la croissance et la photosynthèse, ainsi que sur les mécanismes de défense des plantes. Cette surcharge peut également inhiber la synthèse de la chlorophylle et l'activité des enzymes antioxydantes.

Nickel (Ni)

Le nickel joue un rôle essentiel dans le fonctionnement de huit enzymes, notamment la Glx I (EC 4.4.1.5), l'ARD (EC 1.13.11.54), la Ni-SOD (EC 1.15.1.1), l'hydrogénase (EC 1.12.98.2), la MRC (EC 2.8.4.1), la CODH (EC 1.2.99.2), l'ACS (EC 2.3.1.169) et l'uréase (EC 3.5.1.5). Parmi celles-ci, l'uréase, qui dépend du nickel, est cruciale pour le métabolisme de l'azote chez les plantes. En tant que cofacteur, le nickel permet à l'uréase de transformer l'urée en ions ammonium, fournissant ainsi aux plantes une source d'azote assimilable. En l'absence de nickel, cette transformation de l'urée est impossible. De plus, le nickel est généralement stocké dans différentes parties des plantes, en particulier dans les feuilles.

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