Microécosystème aquaponique automatisé (MAA) – Première partie.

La naissance du projet

La Vitrine technologie-éducation (VTÉ) a pour mission de promouvoir et de soutenir l’intégration des technologies de l’information et des communications (TIC) dans l’enseignement. C’est en novembre 2018 que la VTÉ nous a proposé de faire un projet interdisciplinaire, visant à mettre en place un système aquaponique associé à des objets connectés, en faisant appel à notre expertise en informatique et en biologie.

Bien que les idées étaient au rendez-vous, nous avons rapidement identifié deux principales contraintes pour aller de l’avant : la disponibilité des enseignantes et les fonds nécessaires à l’achat du matériel requis. Nous avons alors exploré la possibilité de recourir à une aide financière offerte par le ministère de l’Économie et de l’Innovation du gouvernement du Québec : le Programme NovaScience, volet 2, Soutien aux projets. Pour être admissible à ce soutien, il est nécessaire de poursuivre un ou des objectifs du Programme. Notre projet a donc été développé en lien avec deux des thématiques, soient celles de l’Enrichissement des sciences et de la technologie au postsecondaire et le Développement des pratiques professionnelles en enseignement des sciences et de la technologie. Conséquemment, il a été intégré, dès l’hiver 2019, à un cours d’informatique du programme Sciences informatiques et mathématiques et à un cours de biologie du programme Sciences, lettres et arts. De plus, la mise en place du système aquaponique a permis à d’autres étudiants d’en faire leur sujet de recherche, dans le cadre du cours d’intégration du programme Sciences de la nature.

Notons que le soutien de partenaires est nécessaire pour être admissible au financement NovaScience. La VTÉ, avec ses 7000 visiteurs mensuels, était tout indiquée pour partager les réalisations relatives au projet et promouvoir des approches innovantes et technologiques en enseignement supérieur. Quant au professeur Olivier Henry, de Polytechnique Montréal, il a accepté de nous offrir un service de consultation afin de nous guider lors de l’optimisation du système et de contribuer au développement de modèles mathématiques visant à décrire la dynamique de notre système aquaponique.

Enfin, les objectifs spécifiques associés à la réalisation de ce projet sont :

1. Installer un microécosystème aquaponique (MA) fonctionnel;
2. Créer un système de capteurs pour le MA;
3. Optimiser un MA à capteurs intégrés;
4. Automatiser le MA à capteurs intégrés;
5. Développer des applications pédagogiques utilisant le microécosystème aquaponique automatisé (MAA).

Que représente un microécosystème aquaponique automatisé?

Il s’agit d’un système, conçu pour faire de l’aquaponie, qui utilise des sondes permettant la détection de variables dont les valeurs seront intégrées à une base de données. Ces valeurs seront ensuite analysées afin de comprendre la dynamique du système et de programmer des réponses automatiques aux changements perturbant l’équilibre de celui-ci.

Mais qu’est-ce que l’aquaponie?

« L’aquaponie est une technique de production organique de nourriture pour l’alimentation humaine » (Biton, 2017). Elle est permise grâce à une interrelation entre deux systèmes de production de biomasse (MAPAQ, 2018). L’un des systèmes vise une production animale, comme l’élevage de poissons, alors que l’autre vise une production végétale, comme la culture de fruits, de légumes ou de plantes aromatiques (Albors, 2016). Ce même système peut être également utilisé à d’autres fins que celle de l’alimentation humaine, tel que cultiver des plantes décoratives (Biton, 2017).

Comment ça fonctionne? Partons d’un système comprenant des poissons et des plantes (figure 1).

Une nourriture, contenant des protéines, est donnée aux poissons. Une fois ingérée, les protéines seront dégradées et absorbées par leur système digestif. Les nutriments n’ayant pas été absorbés formeront les déjections de ces poissons, source de composés ammoniacaux. Aussi, la métabolisation des nutriments absorbés entraînera la formation d’ammoniac (NH₃) qui sera principalement libéré dans le milieu, par leurs branchies, sous forme d’ions ammonium (NH₄⁺). Ces composés représentent des déchets métaboliques hautement toxiques pour ceux-ci (Campbell, Faucher & Lachaîne, 2012).

Des populations bactériennes nitrifiantes se développent naturellement dans le milieu aquatique. L’ammoniac, sous toutes ses formes, est oxydé en nitrite (NO₂) par les bactéries Nitromonas sp. Ensuite, le nitrite est oxydé en nitrate (NO₃) par les bactéries Nitrobacter sp. Bien que le NO₃ soit environ cent fois moins toxique pour les poissons que le NH₃, NH₄⁺ ou le NO₂ (Stalport & Lebeau, 2016), il peut entraîner leur mort à forte concentration (Jean-François Fortier, s. d., paragr.3). On vise donc des valeurs se situant entre 5 et 80 ppm, selon la tolérance de l’espèce de poisson utilisée (Biton, 2017).

Les plantes ont, pour leur part, besoin de divers éléments chimiques pour leur croissance et leur développement, dont l’azote, le phosphore et le potassium (N, P et K) (Biton, 2017). Les nitrates représentent la forme d’azote nutritionnelle la plus facilement assimilable par les Végétaux. Ils pourront alors être utilisés comme filtre biologique pour l’eau de l’aquarium.

Ainsi, en liant les deux systèmes, les poissons nourrissent les plantes par le biais de leurs déjections et de leurs déchets métaboliques, alors que les végétaux purifieront l’eau du milieu en absorbant les nitrates. Ceci dit, d’autres éléments présents dans ce système méritent également d’être soulignés, comme l’utilisation de l’eau et les besoins en oxygène.

En effet, l’eau est essentielle tant pour les végétaux que pour les poissons. Lors de l’élevage de poissons comestibles, la densité de la population peut être très élevée. Ainsi, il devient nécessaire d’effectuer le remplacement d’une partie de l’eau du bassin, par de l’eau propre, afin pallier à l’accumulation de nitrates. Cette pratique est réglementée, considérant les impacts environnementaux du rejet des eaux usées dans le milieu (MAPAQ, 2018). L’optimisation d’un système aquaponique permettrait de mieux définir l’adéquation entre la production et l’utilisation des nitrates, donc l’efficacité du biofiltre. Il serait alors possible de réduire considérablement la consommation d’eau potable et le rejet d’eau nitrifiée dans l’environnement.

Soulignons au passage qu’une quantité importante d’eau est aussi requise en agriculture traditionnelle, eau qui est en grande partie évaporée dans l’atmosphère. L’aquaponie permet de réduire considérablement, soit jusqu’à 90%, la consommation de cette ressource, en plus de permettre une densification de la culture végétale, grâce au renouvellement constant des nutriments (Biton, 2017).

Enfin, il faut savoir que la quantité d’oxygène disponible dans un milieu aquatique est très faible et que les bactéries nitrifiantes, de même que les racines végétales et les poissons, consomment cet oxygène pour assurer leur survie et leur bon fonctionnement (Petitet-Gosgnach, 2017). Parmi les différentes configurations de systèmes aquaponiques existantes, il apparaît important de choisir un système qui contribue à l’oxygénation de l’eau et en évite sa stagnation. L’ajout de bulleurs dans l’aquarium et l’utilisation d’un siphon cloche, lequel permet un mouvement de l’eau analogue à celui des marées dans le bac de culture végétale, peuvent répondre à ce besoin. Ainsi, le biofilm bactérien formé sur les racines, les billes d’argile et la surface du bac de culture est adéquatement oxygéné, de même que les racines et les poissons.

Les objectifs du projet réalisés à l’hiver 2019

Volet biologique

En janvier 2019, un groupe de 26 étudiants du programme Sciences, lettres et arts ont participé, dans le cadre de leur cours Biologie II (101-702-BB), à mettre en place un système aquaponique. Les étudiants ont été divisés en trois sous-groupes, chacun devenant expert dans l’un de ces domaines: les animaux du système, les végétaux du système et le système lui-même. Suivant une revue de la littérature récente, les équipes ont présenté en classe une synthèse des informations à considérer. Celles-ci ont été analysées par l’enseignante et discutées en grand groupe afin de définir le montage final.

Le service des ressources matérielles du Collège a été mis à contribution pour trouver des matériaux (chariot et bâche) et permettre la mise en place du système (installation du système d’éclairage avec minuterie, ajout de prises électriques et découpage du chariot et des bacs de culture).

Le système a donc pris l’allure d’un chariot à trois étages recouvert de bâches, imitant ainsi une chambre de croissance et limitant les fluctuations occasionnées par l’environnement. Bien que l’espace sur le chariot permettait de mettre en place deux montages identiques, un seul a été réalisé afin de s’assurer de son bon fonctionnement. Ainsi, nous avons placé à l’étage inférieur un aquarium de 33 litres auquel nous avons ajouté 12 poissons non comestibles de type Danio rerio. Le fond de l’aquarium a été recouvert de petites pierres. La pompe à eau submersible choisie (Lifegard aquatics, Quiet1One, modèle 400, R440465) permettait, grâce à ses caractéristiques (figure 2), de déplacer l’eau de l’aquarium vers le bac de culture végétale, lequel se trouvait à l’étage du centre. Ce bac a été rempli de billes d’argile ayant une surface poreuse. Les billes d’argile offraient un soutien physique aux plantules et aux plants, en plus de créer une surface importante nécessaire au développement du biofilm bactérien. Enfin, deux plafonniers DEL (Lithonia Lighting, Modèle FMLSL 14) ont été installés et étaient contrôlés par un interrupteur programmable (Aube Technologies, modèle TI072). Nous avons établi à huit heures la photopériode, soit la période d’exposition des plantes à la lumière.

Des semis d’échalotes à botteler (McKenzy, #140136), d’échalotes de gourmet (McKenzy, #104436), de menthe poivrée (McKenzy, #137135) et de persil frisé (McKenzy, #101467) ont été préparés dans de la laine de roche (Gro|Dan, A-Ok Starter Plugs, modèle GL56713025STRIP). Ce produit permet de donner un soutien aux plantules et de conserver une grande quantité d’eau au moment du transfert dans le système aquaponique.

Des paniers, contenant une plantule, de la laine de roche et des billes d’argile, ont été placés dans les billes d’argile du bac de culture. Ainsi, les plantules ont pu se développer et former un système racinaire qui est entré en contact avec l’eau riche en nutriments pompée de l’aquarium.

Enfin, un trou rectangulaire a été fait dans le plateau du deuxième étage afin que l’on puisse retourner l’eau filtrée par les plantes dans l’aquarium grâce à un siphon cloche  (figure 3).

Rappelons que le siphon cloche (figure 4) permet de reproduire un effet de marée, empêchant ainsi la stagnation de l’eau et contribuant à l’oxygénation du système. Les pièces le constituant ont d’abord été fabriquées à l’aide d’une imprimante 3D.  (https://www.thingiverse.com/thing:1191522)

Malheureusement, les composantes inférieures n’étaient pas assez solides pour résister à la tension exercée sur les pièces par le système, causant alors un problème d’étanchéité, malgré l’ajout d’anneaux d’étanchéité. Ainsi, les pièces inférieures du siphon ont été remplacées par des pièces commerciales. Seule la partie supérieure (non illustrée) a été conservée tel quel.

Différentes variables ont été mesurées. Des thermomètres ont été utilisés pour mesurer la température de l’eau de l’aquarium et de l’air de l’espace de culture. Le papier pH et le pH mètre n’ont pas permis d’obtenir des lectures fiables, c’est pourquoi un ensemble de détection de paramètres de l’eau (API Test de Qualité d’Eau pour Aquariophilie Freshwater Master Test Kit) a été utilisé pour mesurer le pH, l’ammoniac, le nitrite et le nitrate de l’eau de l’aquarium.

À la fin de la session d’hiver 2019, le système était fonctionnel et les variables mesurées (température, pH, ammoniac, nitrite et nitrate) étaient stables. Nous avons observé :

• une vitesse de croissance rapide pour les échalotes gourmets, moyenne pour les persils frisés et très faible pour les échalotes à botteler et la menthe;
• une réduction de la quantité de l’eau de l’aquarium causée par l’évapotranspiration des plantes et la vaporisation de l’eau au niveau du bac de culture végétale et de l’aquarium;
• une distance, entre le plateau central et le plateau supérieur du chariot, insuffisante pour permettre le développement en hauteur de certaines espèces végétales;
• une production en déchets azotés par les Danio rerio possiblement insuffisante pour répondre aux besoins des végétaux;
• une croissance d’algues au niveau des composantes exposées à une plus grande quantité de lumière (partie supérieure du tuyau de pompage de l’eau et bac de culture végétale).

De plus, les plantules, n’ayant pas été introduites dans le montage aquaponique, ont été placées à côté du bac de culture végétale et arrosées régulièrement avec de l’eau reposée à la température de la pièce. Puisque les plantules étaient dans de la laine de roche, elles avaient accès à une quantité d’eau suffisante pour survivre. Un mois plus tard, une différence notable a été observée entre les plants introduits dans le système aquaponique et ceux arrosés et conservés dans de la laine de roche (figure 5).

Ainsi, en plus de poursuivre l’optimisation du système à l’automne 2019, nous tenterons de répondre à la question suivante : « La différence notable de croissance des plants de persil (figure 5) pourrait-elle s’expliquer simplement par une accessibilité illimitée en eau, considérant que l’eau est une molécule impliquée dans la croissance végétale?

Volet informatique (capteurs, microcontrôleur et application mobile)

Le microsystème aquaponique (MA), tel que décrit dans le volet biologique, fût l’un des sujets proposés à l’hiver 2019, dans le cadre du cours Projet d’intégration en Sciences informatiques et mathématiques (420-204-RE) du programme Sciences informatiques et mathématiques. Les étudiants intéressés par ce projet devaient installer des capteurs sur le système pour mesurer le pH, la température et la luminosité. Pour ce faire, une analyse préliminaire a été réalisée et, de celle-ci, en sont découlés des choix de technologie et d’environnement de développement (Cervantes Caballero, 2017; Dimitrov, 2016; Robo India, s. d.; Harlaut, 2015; SM, 2019).

Soulignons que le système devait non seulement être capable de capter les informations, mais aussi de les afficher sur un appareil mobile (tablette ou téléphone) après les avoir entreposées dans une base de données sur un serveur distant. Ainsi, le projet comportait trois dimensions à réaliser dans différents environnements informatiques (figure 6) :

• Installer un système de capteurs pour les données mesurées (Arduino MKR 1010 ou ESP8266);
• Créer une base de données afin de sauvegarder les données du système aux trois minutes (un serveur de test XAMPP et une base de données MYSQL installée sur un serveur distant);
• Créer une plateforme de suivi des variables captées, accessibles à distance (application Android avec notifications et alertes).

Les capteurs qui ont été choisis et leurs caractéristiques sont présentés dans le tableau 1.

La justesse des données obtenues par la sonde de pH a été validée à l’aide de solutions tampons commerciales dont le pH était de 4, 7 ou 10. Ces solutions ont permis de produire une courbe d’étalonnage en mesurant le voltage de chacune d’elles à l’aide d’un voltmètre (tableau 2).

Une courbe d’étalonnage (graphique 1) a été ensuite tracée à partir de ces données et a permis de définir l’équation linéaire suivante :

pH = -3.5714 * volt + 21.607          

Ensuite, le pH des trois solutions tampon (pH 4, pH 7 et pH 10) a été mesuré à l’aide de la sonde. Les pH calculés, à l’aide de l’équation, correspondaient aux valeurs attendues.

Un modèle de microprocesseur Arduino a d’abord été testé, mais n’a pas été retenu. Notre choix s’est plutôt tourné vers le NodeMCU Esp8266 puisqu’il possédait une carte unique ayant la particularité d’offrir une plateforme « Open source »   (figure 7). Cette propriété est très prisée, car elle met à la disposition des développeurs le code source et les scripts de manipulation du microprocesseur.

Considérant qu’un système aquaponique implique l’utilisation d’eau, les étudiants ont décidé d’imprimer en 3D un boitier afin d’entreposer et de protéger le microprocesseur (figure 8).

Pour ce qui est de la base de données (BD), nous avons opté dans un premier temps pour un serveur local XAMPP (serveur Web Apache, base de données relationnelle MySQL et langage PHP). Ce choix a permis d’éviter, après plusieurs tests, les problèmes d’accès au serveur de base de données MySql distant et de blocage de port sur le serveur, ainsi que les problèmes de compatibilité avec le microcontrôleur. Ainsi, la base de données a permis de récolter les données, envoyées par le microprocesseur, en provenance des capteurs.