Aéroponie - Aeroponics

Laitue et blé cultivés dans un appareil aéroponique, NASA , 1998

L'aéroponie est le processus de croissance de plantes dans un environnement d' air ou de brouillard sans l'utilisation de sol ou d'un milieu agrégé . Le mot « aéroponique » est dérivé des significations grecques de aer (ἀήρ, « air ») et ponos (πόνος, « travail »). La culture aéroponique diffère à la fois de la culture hydroponique conventionnelle , de l' aquaponie et de la culture in vitro ( culture de tissus végétaux ). Contrairement à l'hydroponie, qui utilise une solution nutritive liquide comme milieu de culture et des minéraux essentiels pour soutenir la croissance des plantes, ou l'aquaponie, qui utilise de l'eau et des déchets de poisson, l'aéroponie est réalisée sans milieu de culture. Il est parfois considéré comme un type de culture hydroponique, car l'eau est utilisée en aéroponie pour transmettre les nutriments.

Méthodes

Le principe de base de la culture aéroponique est de faire pousser des plantes en suspension dans un environnement fermé ou semi-fermé en pulvérisant les racines pendantes et la tige inférieure de la plante avec une solution d'eau atomisée ou pulvérisée riche en nutriments . Les feuilles et la couronne , souvent appelées canopée , s'étendent au-dessus. Les racines de la plante sont séparées par la structure de support de la plante. Souvent, la mousse à cellules fermées est comprimée autour de la tige inférieure et insérée dans une ouverture de la chambre aéroponique, ce qui réduit le travail et les dépenses ; pour les plantes plus grandes, le palissage est utilisé pour suspendre le poids de la végétation et des fruits .

Idéalement, l'environnement est exempt de parasites et de maladies afin que les plantes puissent pousser plus sainement et plus rapidement que les plantes cultivées dans un milieu . Cependant, comme la plupart des environnements aéroponiques ne sont pas parfaitement fermés à l'extérieur, les parasites et les maladies peuvent toujours constituer une menace. Les environnements contrôlés font progresser le développement, la santé, la croissance, la floraison et la fructification des plantes pour toutes les espèces et cultivars de plantes .

En raison de la sensibilité des systèmes racinaires, l'aéroponie est souvent associée à la culture hydroponique conventionnelle , qui est utilisée comme un « économiseur de récolte » d'urgence – une alimentation de secours et un approvisionnement en eau – en cas de défaillance de l'appareil aéroponique.

L'aéroponie à haute pression est définie comme la fourniture de nutriments aux racines via des têtes de brumisation de 20 à 50 micromètres à l'aide d'une pompe à diaphragme à haute pression (80 livres par pouce carré (550 kPa)) .

Avantages et inconvénients

De nombreux types de plantes peuvent être cultivées en aéroponie.

Exposition accrue à l'air

Gros plan sur la première structure porteuse de plantes aéroponiques brevetée (1983). Son support illimité de la plante permet une croissance normale dans l'environnement air/humidité, et est toujours utilisé aujourd'hui.

Les cultures à l'air optimisent l'accès à l'air pour une croissance réussie des plantes. Les matériaux et dispositifs qui maintiennent et soutiennent les plantes cultivées en aéroponie doivent être exempts de maladies ou d'agents pathogènes. Une distinction d'une véritable culture et d'un appareil aéroponique est qu'elle fournit des caractéristiques de support des plantes qui sont minimes. Un contact minimal entre une plante et la structure de support permet à une quantité maximale d'air d'atteindre la plante. La culture aéroponique à long terme nécessite que les systèmes racinaires soient libres de contraintes entourant les systèmes de tiges et de racines. Le contact physique est minimisé afin qu'il n'entrave pas la croissance naturelle et l'expansion des racines ou l'accès à de l'eau pure, à l'échange d'air et à des conditions exemptes de maladies .

Avantages de l'oxygène dans la zone racinaire

L'oxygène (O 2 ) dans la rhizosphère (zone racinaire) est nécessaire à la croissance saine des plantes. Comme l'aéroponie se déroule dans l'air combiné avec des micro- gouttelettes d'eau, presque toutes les plantes peuvent pousser jusqu'à maturité dans l'air avec un apport abondant d'oxygène, d'eau et de nutriments.

Certains producteurs préfèrent les systèmes aéroponiques à d'autres méthodes de culture hydroponique, car l' aération accrue de la solution nutritive fournit plus d'oxygène aux racines des plantes, stimulant la croissance et aidant à prévenir la formation d' agents pathogènes .

L'air pur fournit de l'oxygène qui est un excellent purificateur pour les plantes et l'environnement aéroponique. Pour que la croissance naturelle se produise, la plante doit avoir un accès illimité à l'air. Les plantes doivent pouvoir pousser de manière naturelle pour un développement physiologique réussi. Si la croissance naturelle de la plante est limitée par la structure de support, le risque de dommages à la plante et donc de maladie augmente .

Certains chercheurs ont utilisé l'aéroponie pour étudier les effets de la composition des gaz de la zone racinaire sur les performances des plantes. Soffer et Burger [Soffer et al., 1988] ont étudié les effets des concentrations d'oxygène dissous sur la formation de racines adventives dans ce qu'ils ont appelé « l'aéro-hydroponie ». Ils ont utilisé un système hydroélectrique et aérodynamique à 3 niveaux, dans lequel trois zones distinctes ont été formées dans la zone des racines. Les extrémités des racines étaient immergées dans le réservoir de nutriments, tandis que le milieu de la section racinaire recevait un brouillard nutritif et la partie supérieure était au-dessus du brouillard. Leurs résultats ont montré que l'O 2 dissous est essentiel à la formation des racines, mais ont ensuite montré que pour les trois concentrations d' O 2 testées, le nombre de racines et la longueur des racines étaient toujours plus importants dans la section centrale brumisée que dans la section immergée ou dans l'un -section embrumée. Même à la concentration la plus faible, la section embrumée s'est enracinée avec succès.

Autres avantages de l'air (CO 2 )

L'aéroponie peut également impliquer la gestion du CO
2
niveaux dans l'air dans le système qui à son tour affecte le taux de photosynthèse dans les plantes.

La culture sous des lumières artificielles permet des taux de croissance et une fiabilité accrus par rapport à l'éclairage solaire et peut être utilisée en combinaison avec l'aéroponie.

Culture sans maladie

L'aéroponie peut limiter la transmission de la maladie car le contact plante à plante est réduit et chaque impulsion de pulvérisation peut être stérile. Dans le cas du sol, des agrégats ou d'autres milieux, la maladie peut se propager dans tout le milieu de croissance, infectant de nombreuses plantes. Dans la plupart des serres, ces milieux solides nécessitent une stérilisation après chaque culture et, dans de nombreux cas, ils sont simplement jetés et remplacés par des milieux frais et stériles.

Un avantage distinct de la technologie aéroponique est que si une plante particulière devient malade , elle peut être rapidement retirée de la structure de support de la plante sans perturber ou infecter les autres plantes.

Le basilic cultivé à partir de graines dans un système aéroponique situé à l'intérieur d'une serre moderne a été réalisé pour la première fois en 1986.

En raison de l'environnement exempt de maladies qui est propre à l'aéroponie, de nombreuses plantes peuvent pousser à une densité plus élevée (plantes par mètre carré) par rapport aux formes de culture plus traditionnelles ( hydroponie , sol et technique du film nutritif [NFT]). Les systèmes aéroponiques commerciaux intègrent des caractéristiques matérielles qui s'adaptent aux systèmes racinaires en expansion de la culture.

Les chercheurs ont décrit l'aéroponie comme une "méthode précieuse, simple et rapide pour le dépistage préliminaire des génotypes pour la résistance à la brûlure des semis ou à la pourriture des racines".

Le caractère isolant du système aéroponique leur a permis d'éviter les complications rencontrées lors de l'étude de ces infections en culture du sol.

Hydro-atomisation de l'eau et des nutriments

L'équipement aéroponique implique l'utilisation de pulvérisateurs, brumisateurs, brumisateurs ou autres dispositifs pour créer un fin brouillard de solution pour fournir des nutriments aux racines des plantes. Les systèmes aéroponiques sont normalement des systèmes en boucle fermée fournissant des macro et micro-environnements appropriés pour maintenir une culture de l'air fiable et constante. De nombreuses inventions ont été développées pour faciliter la pulvérisation et la brumisation aéroponiques. La clé du développement des racines dans un environnement aéroponique est la taille de la goutte d'eau. Dans les applications commerciales, un spray hydro-atomisant à 360 ° est utilisé pour couvrir de grandes surfaces de racines en utilisant une brumisation à pression d'air.

Une variante de la technique de brumisation, connue sous le nom de fogponics , utilise l'utilisation de brumisateurs à ultrasons pour vaporiser des solutions nutritives dans des dispositifs aéroponiques à basse pression.

La taille des gouttelettes d'eau est cruciale pour maintenir la croissance aéroponique. Une goutte d'eau trop grosse signifie que moins d'oxygène est disponible pour le système racinaire. Des gouttelettes d'eau trop fines, telles que celles générées par le brumisateur à ultrasons, produisent des poils absorbants excessifs sans développer un système racinaire latéral pour une croissance soutenue dans un système aéroponique.

La minéralisation des transducteurs à ultrasons nécessite un entretien et un risque de défaillance des composants. C'est aussi une lacune des jets et brumisateurs métalliques. L'accès restreint à l'eau fait perdre à la plante sa turgescence et son flétrissement.

Matériaux avancés

La NASA a financé la recherche et le développement de nouveaux matériaux avancés pour améliorer la fiabilité aéroponique et la réduction de la maintenance. Il a également déterminé qu'un brouillard hydro-atomisé à haute pression de micro-gouttelettes de 5 à 50 micromètres est nécessaire pour la croissance aéroponique à long terme.

Pour une croissance à long terme, le système de brume doit avoir une pression significative pour forcer la brume dans le ou les systèmes racinaires denses. La répétabilité est la clé de l'aéroponie et inclut la taille des gouttelettes hydro-atomisées. La dégradation de la pulvérisation due à la minéralisation des têtes de brouillard inhibe la distribution de la solution nutritive d'eau, conduisant à un déséquilibre environnemental dans l'environnement de culture de l'air.

Des matériaux polymères spéciaux à faible masse ont été développés et sont utilisés pour éliminer la minéralisation dans les jets de brumisation et de pulvérisation hydro-atomisants de nouvelle génération.

Consommation de nutriments

Gros plan sur des racines issues de graines de blé en aéroponie, 1998

La nature discrète de l'aéroponie d'intervalle et de durée permet la mesure de l'absorption des nutriments au fil du temps dans des conditions variables. Barak et al. ont utilisé un système aéroponique pour la mesure non destructive des taux d'absorption d'eau et d'ions pour les canneberges (Barak, Smith et al. 1996).

Dans leur étude, ces chercheurs ont constaté que , en mesurant les concentrations et les volumes d'entrée et de efflux solutions, ils pourraient calculer avec précision le taux d'absorption des nutriments (qui a été vérifiée en comparant les résultats avec N- isotopes mesures). Après vérification de leur méthode analytique, Barak et al. a ensuite généré des données supplémentaires spécifiques à la canneberge, telles que la variation diurne de l'absorption des nutriments, la corrélation entre l' absorption d' ammonium et l' efflux de protons , et la relation entre la concentration d'ions et l'absorption. Un tel travail montre non seulement la promesse de l'aéroponie en tant qu'outil de recherche pour l'absorption des nutriments, mais ouvre également des possibilités pour la surveillance de la santé des plantes et l'optimisation des cultures cultivées dans des environnements fermés.

L'atomisation (> 65 livres par pouce carré (450 kPa)), augmente la biodisponibilité des nutriments, par conséquent, la force des nutriments doit être considérablement réduite ou une brûlure des feuilles et des racines se développera. Remarquez les grosses gouttelettes d'eau sur la photo de droite. Cela est dû au cycle d'alimentation trop long ou au cycle de pause trop court ; soit décourage à la fois la croissance des racines latérales et le développement des poils absorbants. La croissance des plantes et les temps de fructification sont considérablement raccourcis lorsque les cycles d'alimentation sont aussi courts que possible. Idéalement, les racines ne doivent jamais être plus que légèrement humides ni trop sèches. Un cycle d'alimentation/pause typique dure < 2 secondes, suivi d'environ 1,5 à 2 minutes de pause - 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, cependant, lorsqu'un système d'accumulateur est intégré, les temps de cycle peuvent être encore réduits à < ~ 1 seconde, ~ 1 minute pause.

En tant qu'outil de recherche

Peu de temps après son développement, l'aéroponie s'est imposée comme un outil de recherche précieux. L'aéroponie a offert aux chercheurs un moyen non invasif d'examiner les racines en cours de développement. Cette nouvelle technologie a également permis aux chercheurs d'utiliser un plus grand nombre et une plus large gamme de paramètres expérimentaux dans leur travail.

La capacité de contrôler avec précision les niveaux d'humidité de la zone racinaire et la quantité d'eau délivrée rend l'aéroponie idéale pour l'étude du stress hydrique. K. Hubick a évalué l'aéroponie comme un moyen de produire des plantes cohérentes et peu stressées par l'eau à utiliser dans des expériences de physiologie de sécheresse ou d'inondation.

L'aéroponie est l'outil idéal pour l'étude de la morphologie des racines . L'absence d'agrégats offre aux chercheurs un accès facile à l'ensemble de la structure racinaire intacte sans les dommages pouvant être causés par l'élimination des racines des sols ou des agrégats. Il a été noté que l'aéroponie produit des systèmes racinaires plus normaux que la culture hydroponique.

Terminologie

La culture aéroponique fait référence à des plantes cultivées dans une culture aérienne qui peuvent se développer et pousser de manière normale et naturelle.

La croissance aéroponique fait référence à la croissance obtenue dans une culture à l'air.

Le système aéroponique fait référence au matériel et aux composants du système assemblés pour soutenir les plantes dans une culture à l'air.

La serre aéroponique fait référence à une structure en verre ou en plastique à température contrôlée avec un équipement pour faire pousser des plantes dans un environnement d' air / brouillard .

Les conditions aéroponiques font référence aux paramètres environnementaux de la culture de l'air pour soutenir la croissance des plantes pour une espèce végétale.

Les racines aéroponiques font référence à un système racinaire cultivé dans une culture à l'air.

Types d'aéroponie

Unités basse pression

Dans la plupart des jardins aéroponiques à basse pression, les racines des plantes sont suspendues au-dessus d'un réservoir de solution nutritive ou à l'intérieur d'un canal relié à un réservoir. Une pompe à basse pression délivre une solution nutritive via des jets ou des transducteurs à ultrasons, qui s'égoutte ou s'écoule ensuite dans le réservoir. Au fur et à mesure que les plantes atteignent la maturité dans ces unités, elles ont tendance à souffrir de sections sèches du système racinaire, ce qui empêche une absorption adéquate des nutriments. Ces unités, en raison du coût, manquent de fonctionnalités pour purifier la solution nutritive et éliminer de manière adéquate les discontinuités, les débris et les agents pathogènes indésirables . De telles unités conviennent généralement à la culture sur paillasse et à la démonstration des principes de l'aéroponie.

Appareils à haute pression

Racines à l'intérieur d'un système aéroponique à haute pression

Les techniques aéroponiques à haute pression, où le brouillard est généré par une ou des pompes à haute pression, sont généralement utilisées dans la culture de cultures et de spécimens de plantes de grande valeur qui peuvent compenser les coûts d'installation élevés associés à cette méthode d' horticulture .

Les systèmes aéroponiques à haute pression comprennent des technologies pour la purification de l' air et de l' eau , la stérilisation des nutriments , les polymères à faible masse et les systèmes de distribution de nutriments sous pression .

Systèmes commerciaux

Les systèmes aéroponiques commerciaux comprennent du matériel de dispositif à haute pression et des systèmes biologiques. La matrice des systèmes biologiques comprend des améliorations pour une durée de vie prolongée des plantes et la maturation des cultures.

Les sous-systèmes biologiques et les composants matériels comprennent les systèmes de contrôle des effluents , la prévention des maladies, les caractéristiques de résistance aux agents pathogènes, le minutage de précision et la pressurisation de la solution nutritive, les capteurs de chauffage et de refroidissement , le contrôle thermique des solutions, les matrices lumineuses à flux photoniques efficaces , la filtration spectrale, les capteurs à sécurité intégrée et protection, maintenance réduite et fonctionnalités d'économie de main-d'œuvre, et fonctionnalités d' ergonomie et de fiabilité à long terme.

Les systèmes aéroponiques commerciaux, comme les appareils à haute pression, sont utilisés pour la culture de cultures à haute valeur ajoutée où de multiples rotations de cultures sont réalisées sur une base commerciale continue.

Les systèmes commerciaux avancés comprennent la collecte de données, la surveillance, les commentaires analytiques et les connexions Internet à divers sous-systèmes.

Histoire

Schéma 3D du système aéroponique commercial autonome 2020

En 1911, VMArtsikhovski a publié dans la revue "Experienced Agronomy" un article "On Air Plant Cultures", qui parle de sa méthode d'études physiologiques des systèmes racinaires en pulvérisant diverses substances dans l'air ambiant - la méthode aéroponique. Il a conçu les premiers appareils aéroponiques et a démontré dans la pratique leur aptitude à la culture des plantes.

C'est W. Carter en 1942 qui a le premier fait des recherches sur la culture de l'air et décrit une méthode de culture des plantes dans la vapeur d'eau pour faciliter l'examen des racines. Depuis 2006, l'aéroponie est utilisée dans l'agriculture du monde entier.

En 1944, LJ Klotz a été le premier à découvrir des plantes d'agrumes vaporisées dans une recherche facilitée de ses études sur les maladies des racines d'agrumes et d'avocat. En 1952, GF Trowel a fait pousser des pommiers dans une culture par pulvérisation.

C'est FW Went en 1957 qui a le premier inventé le processus de culture à l'air sous le nom d'« aéroponie », faisant pousser des plants de café et des tomates avec des racines en suspension dans l'air et appliquant un brouillard nutritif sur la section des racines.

Machine de la Genèse, 1983

Système d'enracinement Genesis de GTi, 1983

Le premier appareil aéroponique disponible dans le commerce a été fabriqué et commercialisé par GTi en 1983. Il était alors connu sous le nom de Genesis Machine - tiré du film Star Trek II: The Wrath of Khan . La Genesis Machine a été commercialisée sous le nom de "Genesis Rooting System".

L'appareil de GTi incorporait un appareil à eau en boucle ouverte, contrôlé par une micropuce , et délivrait un spray nutritif hydro-atomisé à haute pression à l'intérieur d'une chambre aéroponique. La machine Genesis connectée à un robinet d'eau et à une prise électrique.

Propagation aéroponique (clonage)

L'appareil de GTi en coupe de bouture végétative propagée en aéroponie, réalisé en 1983

La culture aéroponique a révolutionné le clonage (propagation végétative) à partir de boutures de plantes. De nombreuses plantes qui étaient auparavant considérées comme difficiles, voire impossibles, sont devenues plus faciles à propager par bouturage de tiges en aéroponie, comme les feuillus délicats ou les cactus sensibles à l'infection bactérienne des boutures. Le succès global de la propagation avec l'utilisation de l'aéroponie est que le système crée un environnement hautement aéré autour de la racine, ce qui provoque un bon développement des poils absorbants (Soffer et Burger, 1988). Il y a aussi plus de développement des racines et de la croissance en raison des nutriments fournis aux plantes par le système aéroponique (Santos et Fisher 2009). Étant donné que les racines ne sont cultivées dans aucun milieu d'enracinement, cela minimise le risque que les plantes soient infectées par une maladie des racines (Mehandru et al. 2014).

L'utilisation de l'aéroponie est importante pour aider à propager des plantes à faible taux de réussite en multiplication végétative, des plantes qui ont d'importantes utilisations médicinales, des plantes très demandées et pour créer de nouveaux cultivars de certaines espèces végétales. Leptadenia reticulata est une plante importante utilisée dans les médicaments qui a également un faible taux de reproduction à la fois par graines et par boutures (Mehandru et al. 2014). L'aéroponie a facilité la propagation de certaines de ces plantes médicinales importantes (Mehandru et al. 2014). Ulmus Americana, qui a été presque complètement anéanti par la maladie hollandaise de l'orme, ainsi que d'autres cultivars de l'espèce ont également connu un certain succès grâce à la propagation avec l'aéroponie, permettant aux ormes d'être plus disponibles sur le marché (Oakes et al. 2012).

L'aéroponie est une alternative plus viable au processus traditionnellement utilisé des brumisateurs aériens (Peterson et al. 2018). Il y a un taux de réussite plus élevé avec l'utilisation de l'aéroponie par rapport aux brumisateurs aériens, et avec les brumisateurs aériens, il y a des inconvénients tels que la nécessité d'appliquer de grands volumes d'eau, des conditions potentiellement insalubres, une couverture de brumisation irrégulière et un lessivage potentiel des nutriments foliaires (Peterson et al. 2018). En bref, le clonage est devenu plus facile parce que l'appareil aéroponique a initié un développement racinaire plus rapide et plus propre dans un environnement stérile, riche en nutriments, hautement oxygéné et humide (Hughes, 1983).

Greffes enracinées dans l'air

Aéroponie clonée transplantée directement dans le sol

L'aéroponie a considérablement avancé la technologie de culture tissulaire. Il a cloné les plantes en moins de temps et réduit de nombreuses étapes de travail associées aux techniques de culture tissulaire. L'aéroponie pourrait éliminer les plantations de stade I et II dans le sol (le fléau de tous les producteurs de cultures tissulaires). Les plantes de culture tissulaire doivent être plantées dans un milieu stérile (stade-I) et étendues pour un transfert éventuel dans un sol stérile (stade-II). Une fois qu'ils sont assez forts, ils sont transplantés directement dans le sol du champ. En plus d'être laborieux, l'ensemble du processus de culture tissulaire est sujet à la maladie, à l'infection et à l'échec.

Avec l'utilisation de l'aéroponie, les producteurs ont cloné et transplanté des plantes à racines aériennes directement dans le sol du champ. Les racines aéroponiques n'étaient pas sensibles au flétrissement et à la perte de feuilles, ou à la perte due au choc de transplantation (ce que la culture hydroponique ne peut jamais surmonter). En raison de leur état de santé, les plantes à racines aériennes étaient moins susceptibles d'être infectées par des agents pathogènes. (Si l'HR de la chambre racinaire dépasse 70 degrés F, des mouches des champignons, des algues et des bactéries anaérobies sont susceptibles de se développer.)

Les efforts de GTi ont inauguré une nouvelle ère de support de vie artificiel pour les plantes capables de pousser naturellement sans l'utilisation de terre ou de culture hydroponique. GTi a reçu un brevet pour une méthode et un appareil aéroponique tout en plastique, contrôlés par un microprocesseur en 1985.

L'aéroponie est devenue connue comme une économie de temps et d'argent. Les facteurs économiques des contributions de l'aéroponie à l'agriculture prenaient forme.

Système de culture Genesis, 1985

Serre du système de culture aéroponique de GTi, 1985

En 1985, GTi a introduit le matériel aéroponique de deuxième génération, connu sous le nom de "Genesis Growing System". Cet appareil aéroponique de deuxième génération était un système en boucle fermée. Il utilisait des effluents recyclés contrôlés avec précision par un microprocesseur. L'aéroponie est devenue capable de soutenir la germination des graines, faisant ainsi de GTi le premier système aéroponique de plantes et de récolte au monde.

Bon nombre de ces unités à boucle ouverte et systèmes aéroponiques à boucle fermée sont encore en service aujourd'hui.

Commercialisation

L'aéroponie a finalement quitté les laboratoires et est entrée dans le domaine de la culture commerciale. En 1966, le pionnier de l'aéroponie commerciale B. Briggs a réussi à induire des racines sur des boutures de bois dur par enracinement aérien. Briggs a découvert que les boutures enracinées dans l'air étaient plus résistantes et plus durcies que celles formées dans le sol et a conclu que le principe de base de l'enracinement dans l'air est solide. Il a découvert que les arbres à racines aériennes pouvaient être transplantés dans le sol sans subir de choc de transplantation ou de retard de croissance normale. Un choc de transplantation est normalement observé dans les transplantations hydroponiques .

En Israël en 1982, L. Nir a développé un brevet pour un appareil aéroponique utilisant de l'air comprimé à basse pression pour fournir une solution nutritive aux plantes en suspension, maintenues par de la mousse de polystyrène , à l'intérieur de grands conteneurs métalliques.

À l'été 1976, le chercheur britannique John Prewer a mené une série d'expériences aéroponiques près de Newport, île de Wight , Royaume-Uni, dans lesquelles des laitues (variété Tom Thumb) ont été cultivées de la graine à la maturité en 22 jours dans des tubes de film de polyéthylène rendus rigides par de l'air sous pression. alimenté par des ventilateurs . L'équipement utilisé pour convertir l'eau-nutriment en gouttelettes de brouillard a été fourni par Mee Industries de Californie. "En 1984, en association avec John Prewer, un producteur commercial de l'île de Wight - Kings Nurseries - a utilisé une conception différente de système aéroponique pour faire pousser des plants de fraises . Les plants ont prospéré et ont produit une abondante récolte de fraises qui ont été cueillies par les clients de la pépinière. . Le système s'est avéré particulièrement populaire auprès des clients âgés qui appréciaient la propreté, la qualité et la saveur des fraises, et le fait qu'ils n'avaient pas à se baisser pour cueillir les fruits."

En 1983, R. Stoner a déposé un brevet pour la première interface de microprocesseur permettant de fournir de l'eau du robinet et des nutriments dans une chambre aéroponique fermée en plastique. Stoner a continué à développer de nombreuses entreprises recherchant et faisant progresser le matériel, les interfaces, les biocontrôles et les composants aéroponiques pour la production commerciale de cultures aéroponiques.

La première serre commerciale aéroponique pour la production alimentaire aéroponique – 1986

En 1985, la société de Stoner, GTi, a été la première société à fabriquer, commercialiser et appliquer des systèmes aéroponiques en boucle fermée à grande échelle dans des serres pour la production de cultures commerciales.

Dans les années 1990, GHE ou General Hydroponics [Europe] a pensé essayer d'introduire l'aéroponie sur le marché de la culture hydroponique de loisir et est finalement arrivé au système Aerogarden. Cependant, cela ne pouvait pas être classé comme une « vraie » aéroponie car l'Aerogarden produisait de minuscules gouttelettes de solution plutôt qu'un fin brouillard de solution ; la fine brume était censée reproduire la vraie pluie amazonienne. Dans tous les cas, un produit a été introduit sur le marché et le producteur pouvait largement prétendre cultiver ses produits hydroponiques de manière aéroponique. Une demande de culture aéroponique sur le marché des loisirs avait été établie et de plus, elle était considérée comme la technique de culture hydroponique ultime. La différence entre la véritable culture aéroponique de brouillard et la culture aéroponique de gouttelettes était devenue très floue aux yeux de beaucoup de gens. À la fin des années 90, une entreprise britannique, Nutriculture, a été suffisamment encouragée par les discours de l'industrie pour tester une véritable culture aéroponique ; bien que ces essais aient montré des résultats positifs par rapport aux techniques de culture plus traditionnelles telles que NFT et Ebb & Flood, il y avait des inconvénients, à savoir le coût et l'entretien. Pour réaliser une véritable aéroponie par brouillard, une pompe spéciale devait être utilisée, ce qui présentait également des problèmes d'évolutivité. L'aéroponie à gouttelettes était plus facile à fabriquer et, comme elle produisait des résultats comparables à ceux de l'aéroponie à brouillard, Nutriculture a commencé à développer un système aéroponique à gouttelettes évolutif et facile à utiliser. Grâce à des essais, ils ont découvert que l'aéroponie était idéale pour la propagation des plantes ; les plantes pouvaient être multipliées sans milieu et pouvaient même être cultivées. En fin de compte, Nutriculture a reconnu que de meilleurs résultats pourraient être obtenus si la plante était propagée dans son propagateur aéroponique X-stream de marque et passait à un système de culture aéroponique à gouttelettes spécialement conçu - l'Amazone.

Nourriture cultivée en aéroponie

En 1986, Stoner est devenu la première personne à commercialiser des aliments frais cultivés en aéroponie auprès d'une chaîne d'épicerie nationale. Il a été interviewé sur NPR et a discuté de l'importance des caractéristiques de conservation de l'eau de l'aéroponie pour l'agriculture moderne et l'espace.

L'aéroponie dans l'espace

Plantes spatiales

Technologie GAP de survie de la NASA avec des haricots non traités (tube gauche) et des haricots traités par biocontrôle (tube droit) renvoyés de la station spatiale Mir à bord de la navette spatiale – septembre 1997

Les plantes ont été placées pour la première fois sur l'orbite terrestre en 1960 lors de deux missions distinctes, Spoutnik 4 et Discoverer 17 (pour un examen des 30 premières années de croissance des plantes dans l'espace, voir Halstead et Scott 1990). Lors de la première mission, des graines de blé , de pois , de maïs , d' oignon de printemps et de Nigella damascena ont été transportées dans l'espace, et lors de la dernière mission, des cellules de Chlorella pyrenoidosa ont été mises en orbite.

Des expériences sur les plantes ont ensuite été réalisées sur diverses missions au Bangladesh , en Chine et conjointes soviéto-américaines, notamment Biosatellite II ( programme Biosatellite ), Skylab 3 et 4 , Apollo-Soyouz , Spoutnik , Vostok et Zond . Certains des premiers résultats de recherche ont montré l'effet d'une faible gravité sur l'orientation des racines et des pousses (Halstead et Scott 1990).

Des recherches ultérieures se sont poursuivies pour étudier l'effet de la faible gravité sur les plantes aux niveaux biologique, cellulaire et subcellulaire. Au niveau de l'organisme, par exemple, une variété d'espèces, y compris le pin , l' avoine , le haricot mungo , la laitue, le cresson et Arabidopsis thaliana , ont montré une diminution de la croissance des semis, des racines et des pousses à faible gravité, tandis que la laitue cultivée sur Cosmos a montré le contraire. effet de la croissance dans l'espace (Halstead et Scott 1990). L'absorption des minéraux semble également être affectée par les plantes cultivées dans l'espace. Par exemple, les pois cultivés dans l'espace présentaient des niveaux accrus de phosphore et de potassium et des niveaux réduits de cations divalents calcium , magnésium , manganèse , zinc et fer (Halstead et Scott 1990).

Les biocontrôles dans l'espace

En 1996, la NASA a financé les recherches de Richard Stoner pour développer un biocontrôle liquide naturel, connu alors sous le nom de contrôle des maladies organiques (ODC), pour prévenir les maladies des plantes et augmenter les rendements sans utiliser de pesticides pour les systèmes hydroponiques en boucle fermée. En 1997, les expériences de biocontrôle de Stoner ont été menées par la NASA. La technologie GAP (chambres de croissance miniatures) de BioServe Space Technologies a fourni la solution ODC aux graines de haricot. Des expériences ODC en triple ont été menées dans des GAP transportés vers le MIR par la navette spatiale ; au Centre spatial Kennedy ; et à l'Université d'État du Colorado (J. Linden). Tous les GAPS ont été logés dans l'obscurité totale pour éliminer la lumière comme variable d'expérience. L'expérience de la NASA consistait à étudier uniquement les bénéfices du biocontrôle.

Les expériences sur les haricots en environnement clos de la NASA à bord de la station spatiale et de la navette MIR ont confirmé que l'ODC entraînait un taux de germination accru, une meilleure germination, une croissance accrue et des mécanismes naturels de maladie des plantes. Bien que développé à l'origine avec la NASA, l'ODC n'est pas seulement pour l'espace. Les producteurs de sol et de culture hydroponique peuvent bénéficier de l'incorporation de l'ODC dans leurs techniques de plantation, car l'ODC répond aux normes USDA NOP pour les fermes biologiques.

Un exemple de l'expansion d'ODC dans l'agriculture est la gamme de produits ODC, qui s'adresse aux cultures agricoles émergentes, telles que le cannabis. Les ingrédients actifs de la gamme de cannabis ODC contiennent l'ingrédient actif d'origine chitosan à 0,25%, ainsi que 0,28% d'azote colloïdal et 0,05% de calcium.

Afin de rendre les systèmes hydroponiques et aéroponiques intrinsèquement plus résistants aux maladies des plantes et moins dépendants de la supplémentation chimique, la NASA étudie les biocontrôles environnementaux intégrés dans la conception du système. Par exemple, Advanced Plant Habitat (APA) de la NASA est opérationnel sur l'ISS depuis 2018. L'APA est équipé de plus de 180 capteurs qui permettent d'optimiser la croissance, la santé et la surveillance des plantes dans l'espace, tout en diminuant le recours aux produits chimiques. biocontrôles additifs. Ces contrôles et capteurs environnementaux comprennent l'éclairage (intensité, spectre et photopériode), la température, le CO 2 , l'humidité relative, l'irrigation, ainsi que l'épuration à l'éthylène d'origine végétale et aux composés organiques volatils (COV). De plus, APA est équipé de capteurs de température des feuilles, de température de la zone racinaire, de capteurs d'humidité de la zone racinaire, ainsi que de compteurs de concentration d'oxygène.

Ces contrôles environnementaux inhibent généralement les maladies des plantes par deux méthodes. La première méthode consiste à maintenir des conditions environnementales qui ont un impact direct et inhibent les maladies, les champignons et les ravageurs. Par exemple, en surveillant et en contrôlant les conditions environnementales telles que la température et l'humidité, le risque d'infection par le botrytis dans les feuilles est réduit car l'environnement n'est pas propice à la prolifération des maladies. La deuxième méthode consiste à fournir des conditions environnementales qui favorisent les mécanismes naturels de prévention des maladies de la plante, inhibant ainsi indirectement les effets des maladies des plantes. Cette méthode a été explorée à travers des expériences lumineuses avec des piments. Par exemple, les poivrons cultivés dans des conditions de lumière bleue ont montré une plus grande résistance à l'oïdium.

Aéroponie pour la Terre et l'espace

Germination des graines de laitue aéroponique de la NASA. Jour 30.

En 1998, Stoner a reçu un financement de la NASA pour développer un système aéroponique de haute performance à utiliser sur terre et dans l'espace. Stoner a démontré une augmentation significative des taux de croissance de la biomasse sèche dans les plants de laitue cultivés dans des systèmes aéroponiques par rapport à d'autres techniques de culture. La NASA a ensuite utilisé de nombreuses avancées aéroponiques développées par Stoner.

Des recherches ont été menées pour identifier et développer des technologies permettant une croissance rapide des plantes dans une variété d'environnements gravitationnels. Les environnements à faible gravité posent des problèmes tels que l'apport efficace d'eau et de nutriments aux plantes et la récupération des effluents. La production alimentaire dans l'espace est confrontée à d'autres défis, notamment la gestion de l'eau, la minimisation de l'utilisation de l'eau et la minimisation du poids des systèmes. La production alimentaire sur des corps planétaires comme la Lune et Mars nécessitera également de faire face à des environnements à gravité réduite. En raison des différentes dynamiques des fluides présentes à différents niveaux de gravité, un objectif majeur dans le développement de systèmes de croissance des plantes a été d'optimiser les systèmes de distribution de nutriments.

Il existe un certain nombre de méthodes d'apport de nutriments actuellement utilisées (à la fois sur Terre et en basse gravité). Les méthodes dépendantes du substrat comprennent la culture traditionnelle du sol, la zéoponie, la gélose et les résines échangeuses d'ions chargées de nutriments. En plus de la culture dépendante du substrat, de nombreuses méthodes qui n'utilisent pas le sol ont été développées, notamment la technique du film nutritif, le flux et le reflux, l'aéroponie et bien d'autres. En raison de leur débit élevé de solution nutritive, les systèmes hydroponiques peuvent produire une croissance rapide des plantes. Cela nécessite de grands volumes d'eau et un recyclage substantiel de la solution, ce qui rend le contrôle des solutions plus difficile dans des conditions de microgravité.

Pour fournir des nutriments, les systèmes aéroponiques utilisent des sprays hydro-atomisés qui minimisent l'utilisation d'eau, augmentent l'oxygénation des racines et produisent une excellente croissance des plantes. Le débit de solution nutritive des systèmes aéroponiques est plus élevé que dans d'autres systèmes développés pour fonctionner en basse gravité. L'élimination des substrats par l'aéroponie et le besoin de grands stocks de nutriments réduisent la quantité de déchets qui doivent être traités par d'autres systèmes de survie. La suppression du besoin d'un substrat simplifie également la plantation et la récolte (facilitant l'automatisation), diminue le poids et le volume des matériaux consommables et élimine une voie potentielle de transmission d'agents pathogènes. Ces avantages démontrent le potentiel de la production aéroponique en microgravité et la production efficace de nourriture dans l'espace.

Aéroponie gonflable NASA

En 1999, la NASA a financé le développement d'un système aéroponique gonflable de faible masse (AIS) pour la production alimentaire de haute performance dans l'espace et la Terre. L'AIS est un système de production agricole aéroponique autonome, autoportant et gonflable, capable de contrôler l'apport de nutriments/brouillard aux racines des plantes. Étant une structure gonflable, l'AIS est léger et peut être dégonflé pour prendre moins de volume pendant le transport et le stockage. L'itération actuelle de l'AIS a amélioré la conception précédente qui utilisait des structures rigides, plus coûteuses à fabriquer et à transporter.

Sur Terre, des matériaux et des transports coûteux peuvent entraver la faisabilité économique des systèmes aéroponiques pour les producteurs commerciaux. Cependant, ces obstacles deviennent amplifiés lorsque l'on considère la masse de la charge utile pour le transport spatial.

En raison des contraintes de masse et de volume, la NASA a développé des matériaux spécialisés pour les habitats et les structures gonflables afin de résister à l'environnement spatial. Ces matériaux de type aramide sont actuellement utilisés pour développer les habitats extensibles de Bigelow Aerospace. L'un des modules d'activités extensibles de Bigelow a été testé avec succès dans l'espace.

Avantages de l'aéroponie pour la terre et l'espace

Germination des graines de laitue aéroponique de la NASA - Jour 3

L'aéroponie possède de nombreuses caractéristiques qui en font un moyen efficace et efficient de faire pousser des plantes.

Moins de solution nutritive partout

Germination des graines de laitue aéroponique de la NASA - Jour 12

Les plantes cultivées en aéroponie passent 99,98 % de leur temps dans l'air et 0,02 % en contact direct avec une solution nutritive hydro-atomisée. Le temps passé sans eau permet aux racines de capter plus efficacement l'oxygène. De plus, la brume hydro-atomisée contribue également de manière significative à l'oxygénation efficace des racines. Par exemple, NFT a un débit de nutriments de 1 litre par minute par rapport au débit de l'aéroponie de 1,5 millilitres par minute.

Le volume réduit du débit d'éléments nutritifs se traduit par des quantités réduites d'éléments nutritifs nécessaires au développement des plantes.

Un autre avantage du débit réduit, d'une importance majeure pour une utilisation spatiale, est la réduction du volume d'eau utilisé. Cette réduction du débit de volume d'eau correspond à un volume tampon réduit, ce qui allège considérablement le poids nécessaire pour maintenir la croissance des plantes. De plus, le volume d'effluents des usines est également réduit grâce à l'aéroponie, réduisant ainsi la quantité d'eau à traiter avant réutilisation.

Les volumes de solution relativement faibles utilisés en aéroponie, associés à la durée minimale d'exposition des racines à la brume hydro-atomisée, minimisent le contact racine à racine et la propagation des agents pathogènes entre les plantes.

Un meilleur contrôle de l'environnement de la plante

Germination des graines de laitue aéroponique de la NASA (gros plan sur l'environnement de la zone racinaire) - Jour 19

L'aéroponie permet un meilleur contrôle de l'environnement autour de la zone racinaire, car, contrairement à d'autres systèmes de croissance des plantes, les racines des plantes ne sont pas constamment entourées d'un milieu (comme, par exemple, avec la culture hydroponique, où les racines sont constamment immergées dans l'eau).

Amélioration de l'alimentation en nutriments

Une variété de différentes solutions nutritives peut être administrée à la zone racinaire en utilisant l'aéroponie sans avoir besoin de rincer toute solution ou matrice dans laquelle les racines avaient été précédemment immergées. Ce niveau élevé de contrôle serait utile lors de la recherche de l'effet d'un régime varié d'application de nutriments aux racines d'une espèce végétale d'intérêt. De la même manière, l'aéroponie permet une plus grande gamme de conditions de croissance que les autres systèmes de distribution de nutriments. L'intervalle et la durée de la pulvérisation d'éléments nutritifs, par exemple, peuvent être très finement adaptés aux besoins d'une espèce végétale spécifique. Le tissu aérien peut être soumis à un environnement complètement différent de celui des racines.

Plus convivial

La conception d'un système aéroponique permet une facilité de travail avec les plantes. Cela résulte de la séparation des plantes les unes des autres et du fait que les plantes sont en suspension dans l'air et que les racines ne sont piégées dans aucune sorte de matrice. Par conséquent, la récolte de plantes individuelles est assez simple et directe. De même, l'élimination de toute plante susceptible d'être infectée par un type d'agent pathogène est facilement réalisée sans risque de déracinement ou de contamination des plantes voisines.

Plus rentable

Gros plan sur du maïs et des racines cultivés en aéroponie à l'intérieur d'un appareil aéroponique (culture aérienne), 2005

Les systèmes aéroponiques sont plus rentables que les autres systèmes. En raison du volume réduit de débit de solution (discuté ci-dessus), moins d'eau et moins de nutriments sont nécessaires dans le système à un moment donné par rapport aux autres systèmes de distribution de nutriments. Le besoin de substrats est également éliminé, tout comme le besoin de nombreuses pièces mobiles.

Utilisation des stocks de semences

Avec l'aéroponie, les effets délétères des stocks de semences infectés par des agents pathogènes peuvent être minimisés. Comme discuté ci-dessus, cela est dû à la séparation des plantes et au manque de matrice de croissance partagée. De plus, en raison de l'environnement clos et contrôlé, l'aéroponie peut être un système de croissance idéal pour faire pousser des stocks de semences exempts d'agents pathogènes. L'enceinte de la chambre de croissance, en plus de l'isolement des plantes les unes des autres discuté ci-dessus, aide à la fois à prévenir la contamination initiale par des agents pathogènes introduits de l'environnement extérieur et à minimiser la propagation d'une plante à d'autres de tout agent pathogène qui peut exister.

Aéroponie du 21ème siècle

L'aéroponie moderne permet la plantation d'accompagnement à haute densité de nombreuses cultures vivrières et horticoles sans l'utilisation de pesticides - en raison de découvertes uniques à bord de la navette spatiale

L'aéroponie est une amélioration du maintien de la vie artificielle pour un soutien des plantes non dommageable, la germination des graines, le contrôle de l'environnement et une croissance rapide et sans restriction par rapport à la culture hydroponique et aux techniques d'irrigation goutte à goutte utilisées depuis des décennies par les agriculteurs traditionnels.

Aéroponie contemporaine

Des techniques aéroponiques contemporaines ont été étudiées au centre de recherche et de commercialisation de la NASA BioServe Space Technologies ( archivé 2018-06-15 à la Wayback Machine ) situé sur le campus de l'Université du Colorado à Boulder, Colorado. D'autres recherches incluent la recherche sur les systèmes en boucle fermée au centre de recherche Ames , où les scientifiques étudiaient des méthodes de culture de cultures vivrières dans des situations de faible gravité pour une future colonisation spatiale .

En 2000, Stoner a obtenu un brevet pour une technologie de lutte biologique contre les maladies qui permet une croissance naturelle sans pesticides dans un système aéroponique.

En 2004, Ed Harwood, fondateur d' AeroFarms , a inventé un système aéroponique qui fait pousser des laitues sur un tissu en micro-polaire. AeroFarms, utilisant la technologie aéroponique brevetée de Harwood, exploite maintenant la plus grande ferme verticale intérieure au monde basée sur la capacité de croissance annuelle à Newark, New Jersey. En utilisant la technologie aéroponique, la ferme est en mesure de produire et de vendre jusqu'à deux millions de livres de légumes-feuilles sans pesticides par an.

Biopharmacie aéroponique

Maïs biopharmaceutique cultivé en aéroponie, 2005

La biopharmacie aéroponique est utilisée pour cultiver des médicaments pharmaceutiques à l'intérieur des plantes. La technologie permet un confinement complet des effluents autorisés et des sous-produits des cultures biopharmaceutiques pour rester à l'intérieur d'une installation en boucle fermée. Pas plus tard qu'en 2005, la recherche sur les OGM menée à l'Université d'État du Dakota du Sud par le Dr Neil Reese a appliqué l'aéroponie à la culture de maïs génétiquement modifié .

Selon Reese, c'est un exploit historique de cultiver du maïs dans un appareil aéroponique pour la biomasse . Les tentatives passées de l'université pour cultiver tous les types de maïs en utilisant la culture hydroponique se sont soldées par un échec.

En utilisant des techniques avancées d'aéroponie pour cultiver du maïs génétiquement modifié, Reese a récolté des épis de maïs entiers, tout en contenant le pollen de maïs et les eaux usées usées et en les empêchant de pénétrer dans l'environnement. Le confinement de ces sous-produits garantit que l'environnement reste à l'abri de la contamination par les OGM.

Reese dit que l'aéroponie offre la possibilité de rendre la biopharmacie économiquement pratique.

Intégration à grande échelle de l'aéroponie

En 2006, l'Institut de biotechnologie de l'Université nationale d'agriculture du Vietnam , en collaboration avec Stoner, a établi un programme de doctorat de troisième cycle en aéroponie. Le centre de recherche agrobiotechnologique de l'université, sous la direction du professeur Nguyen Quang Thach , utilise des laboratoires aéroponiques pour faire progresser la production vietnamienne de pommes de terre minituberculées pour la production de pommes de terre de semence certifiées.

Pomme de terre aéroponique explants au jour 3 après l' insertion dans le système aéroponique, Hanoi

L'importance historique pour l'aéroponie est que c'est la première fois qu'une nation a spécifiquement appelé à l'aéroponie pour promouvoir un secteur agricole, stimuler les objectifs économiques agricoles, répondre aux demandes accrues, améliorer la qualité des aliments et augmenter la production.

"Nous avons montré que l'aéroponie, plus que toute autre forme de technologie agricole, améliorera considérablement la production de pommes de terre au Vietnam. Nous avons très peu de terres cultivables, l'aéroponie a un sens économique complet pour nous", a attesté Thach.

Serre aéroponique pour produit de minitubercules de pomme de terre Hanoi 2006

Le Vietnam a adhéré à l' Organisation mondiale du commerce (OMC) en janvier 2007.

L'intégration aéroponique dans l'agriculture vietnamienne commence par la production de minitubercules biologiques certifiés sans maladie à faible coût, qui à leur tour approvisionnent les agriculteurs locaux pour leurs plantations de pommes de terre de semence et de pommes de terre commerciales. Les producteurs de pommes de terre bénéficieront de l'aéroponie car leurs pommes de terre de semence seront exemptes de maladies et cultivées sans pesticides. Plus important encore pour l'agriculteur vietnamien, cela réduira ses coûts d'exploitation et augmentera ses rendements, explique Thach.

Voir également

Les références

Liens externes