Integrovaná ochrana proti škůdcům a chorobám v akvaponii

MSc. Ewumi Azeez Olatunji FOLORUNSO

Doctoral thesis

Integrated pest and disease management in aquaponics

Abstract:

Tato práce přináší zásadní znalosti pro vývoj ověřených přístupů řešení problematiky škůdců a chorob v akvaponii. Naše hodnocení rizik spojených s využitím integrované ochrany proti škůdcům a chorobám (IPM) v akvaponii pomohlo nejen při kustomizaci pyramidového schématu IPM pro akvaponii, ale také zavedlo zásadní postupy IPM v chovných částech akvaponického systému napomáhající akvaponickým farmářům, kteří často nejsou odborníky v chovu ryb. Kromě toho náš literární přehled identifikoval zamoření rostlinnými patogeny jako prioritní výzvu ve srovnání s infestací bezobratlými škůdci a chorobami v chovných jednotkách ryb, a tudíž naléhavou potřebu zavést bezpečné přístupy managementu fytopatogenů. Na tyto závěry navazoval výzkum bezpečných agens biologické kontroly, kde byla zkoumána účinnost entomopatogenních a mykoparazitických hub proti padlí okurkovému a byla prokázána jejich nízká šance na přežití ve vodě v recirkulačních akvakulturních systémech (RAS), což potvrdilo jejich vhodnost pro různé designy akvaponie (jednosmyčkové i dvousmyčkové). S nastalými otázkami o spolehlivosti biologické kontroly v akvaponii, jsme zkoumali potenciální možnosti chemické kontroly, které by mohly být využity v akvaponických systémech, přičemž jsme zkoumali jejich možné negativní dopady na akvaponický systém. Zkoumané přírodní (azadirachtin, lecitin a hřebíčkový olej), mikrobiální (spinosad) a syntetické (tebukonazol) pesticidy aplikované foliárně byly ve významných koncentracích detekovány v živném roztoku, a to v různých časových bodech po aplikaci. Jejich procentuální vyplavení v živném roztoku vztažené k aplikované dávce v postřiku se výrazně lišilo mezi fungicidy (0,1 - 2,3 %) v důsledku rozdílů v podílu účinných látek, doporučených dávkách a vlastnostech aktivní látky. Procentuální vyplavení azadirachtinu, eugenolu, spinosadu a tebukonazolu v živinovém roztoku se pohybovalo mezi 0,1 - 0,8 % aplikovaných účinných látek. Naproti tomu, lecitinu bylo v akvaponické vodě detekováno 2,3 % aplikované dávky. Protože eugenol a spinosad byly detekovány v koncentracích nižších než jejich odpovídající hodnoty NOEC a LC50, jsou tyto látky považovány za bezpečné pro všechny akvaponické systémy. Pyrethrum v živném roztoku zjištěno nebylo, což mohlo být způsobeno jeho nízkou perzistencí a rychlou degradací ve vodě. Jeho účinná látka (pyrethrin) je však vysoce toxická pro ryby a další vodní organismy a její použití by mělo být omezeno pouze na dvousmyčkové akvaponické systémy. Pokud jde o účinky těchto látek na ryby a biofiltr, měl tebukonazol významně přetrvávající účinky na hematologické ukazatele u ryb, ale také biochemické a antioxidační aktivity po 28denním semistatickém testu, což ukazuje na jeho nevhodnost pro všechny typy akvaponie. Tebukonazol však neměl významné účinky na nitrifikační procesy v biofiltru ani při maximální koncentraci naměřené v živném roztoku. Naproti tomu lecitin při maximální koncentraci zvýšil hladiny amoniaku a dusitanů v biofiltru, tzn. že tato látka není vhodná pro jednosmyčkové akvaponické systémy. Změny v nitrifikaci, hematologii ryb a biochemických parametrech po aplikaci azadirachtinu a eugenolu byly pouze nevýznamné, což ukazuje na jejich nízká rizika pro všechny typy akvaponie (při aplikaci podle pokynů výrobce). Nakonec jsme zkoumali vliv biologické ochrany a fungicidů na běžící akvaponické systémy. Mikrobiální přípravky s T. virens, I. fumosorosea a L. attenuatum potlačovaly rozvoj padlí v průběhu čtyřtýdenní kultivace. Navíc aplikace T. virens zlepšila růst rostlin. Naproti tomu fungicidy (hřebíčkový olej, lecitin a tebukonazol) neovlivnily růst bazalky, ale byly detekovány v akvapo

Abstract:

This thesis has laid an essential foundation for developing aquaponics-safe approaches to address pest and disease outbreaks in aquaponics. Our review on adopting integrated pest and disease management in aquaponics not only customized pyramid-flow IPDMs for aquaponics but also inclusively initiated essential fish management pathways for aquaponics farmers who are primarily not fish farm experts. Furthermore, our review identified pathogen infestation challenges as priorities over macro-pests and diseases in fish culture units and the urgent need to establish safe phytopathogen management options. These conclusions were followed up by investigating safe biological control agents, where the efficacy of entomopathogenic and mycoparasitic fungi was investigated against powdery mildew, and their low-survival chance in RAS water was determined to affirm their suitability for different aquaponics designs (coupled and decoupled). With raving questions on the reliability of biological control, we explored potentially safe chemical control options that could be adopted for aquaponics systems, and investigated their possible negative impacts on aquaponics. The natural (azadirachtin, lecithin, and clove oi), microbial (spinosad) and synthetic (tebuconazole) pesticides investigated, runoff into nutrient solutions after foliar application, and were detected in significant concentrations at different time points post applications. Their percentage runoff in regard to spray solution varies significantly (0.1-2.3 %), owing to differences in the proportion of the active ingredients, recommended dosages and the properties of the compound. The percentage runoff of azadirachtin, eugenol, spinosad and tebuconazole ranged between 0.1 and 0.8 % of the sprayed active ingredients. On the other hand, 2.3 % of the sprayed lecithin were detected in the aquaponics water. Since eugenol and spinosad were detected at concentrations lower than their corresponding NOEC and LC50, they are considered safe for all aquaponics systems. Pyrethrum, on the other hand, was not detected in the nutrient solution, which could be due to its non-persistence and fast degradation in water. However, its active ingredient (pyrethrin) is highly toxic to fish and other aquatic organisms, and its usage should only be limited to decoupled aquaponics systems. Regarding their effects on fish and biofilter, tebuconazole had a significantly persistent effects on fish hematology, biochemical and antioxidative activities over a 28 day semi-static period, indicating its unsuitability for coupled aquaponics designs. However, tebuconazole did not have significant effects on nitrification processes in the biofilter at the maximum runoff concentration. Lecithin, on the other hand, altered and spiked ammonium and nitrite levels in biofilter at its maximum runoff concentration, making the compound unsuitable for coupled aquaponics. In contrast, only mild non-significant effects of azadirachtin and eugenol were seen in biofilter nitrification, fish hematology, and biochemical parameters, indicating their low risks for all aquaponics systems (when applied according to the manufacturer's instruction). Lastly, we explored the influence of biological control and fungicides on running aquaponics systems. T. virens, I. fumosorosea and L. attenuatum, controlled and suppressed powdery mildew over a period of four weeks. In addition, T. virens was able to improve the growth of the plant. The fungicides (clove oil, lecithin, and tebuconazole), on the other hand, did not show any influence on the basil growth.

Abstract:

nické vodě.

Keywords

akvaponii, biologické kontroly, pesticidy, fungicidy, entomopatogenních hub, ryby

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 8. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Jan Mráz, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery