Kemajuan Terbaru dalam Sistem Akuaponik: Tinjauan Kritis

ABSTRAK
Akuaponik, pertanian simbiotik tanaman dan ikan, merupakan solusi yang menjanjikan untuk mengatasi keamanan pangan global. Meskipun akuaponik berkontribusi pada pemulihan nutrisi, reklamasi air, dan pengurangan penggunaan lahan dan air tawar, mencapai produksi yang konsisten dan layak secara ekonomi tetap menjadi tantangan besar. Beberapa isu utama dalam akuaponik meliputi menjaga kualitas air dan konsentrasi oksigen terlarut yang optimal, memberikan profil nutrisi yang seimbang untuk tanaman, dan mengelola akumulasi padatan. Namun, kemajuan terkini dalam desain sistem baru, budidaya bersama alga, teknologi gelembung mikro-nano, media biofilter, serta otomatisasi sistem yang dipadukan dengan Internet of Things, Kecerdasan Buatan, dan robotika dapat meningkatkan kinerja sistem ini. Selain itu, pemahaman yang lebih baik tentang mikrobioma di berbagai komponen sistem akuaponik penting dalam meningkatkan hubungan simbiosis dan mendukung dinamika ekologi yang menguntungkan. Hal ini, pada gilirannya, mendorong peningkatan siklus nutrisi, pertumbuhan tanaman dan ikan, dan kinerja sistem secara keseluruhan. Tinjauan ini menyoroti beberapa kemajuan tersebut, menganalisis secara kritis tantangan yang dihadapi selama operasi, dan menawarkan arahan penelitian di masa mendatang. Melalui diskusi tentang kesenjangan pengetahuan saat ini dalam operasi sistem, integrasi teknologi, dan pemahaman mikrobioma, tinjauan ini bertujuan untuk menyediakan kerangka kerja yang komprehensif untuk memajukan sistem akuaponik dan menguraikan arah potensial untuk inovasi masa depan.

1 Pendahuluan
Keamanan pangan dan gizi tetap menjadi tantangan global yang kritis, didorong oleh pertumbuhan populasi, urbanisasi yang cepat, bencana terkait iklim (misalnya, panas ekstrem, kekeringan, banjir, dan badai), dan pandemi seperti COVID-19, di antara faktor-faktor lainnya. Tujuan Pembangunan Berkelanjutan Perserikatan Bangsa-Bangsa (SDG) Tujuan 2 (Tanpa Kelaparan) bertujuan untuk mengakhiri kelaparan global pada tahun 2030 melalui pertanian berkelanjutan dan peningkatan gizi [ 1 ]. Meskipun 150 negara mendukung SDG ini [ 2 ], sekitar 783 juta orang masih kekurangan gizi, mewakili 9,2% dari populasi global pada tahun 2022 [ 3 ]. Mencapai Tujuan SDG 2 melalui praktik pertanian konvensional merupakan tantangan karena mereka sangat bergantung pada air tawar, tanah subur, dan agrokimia sintetis (misalnya, pupuk, pestisida, dan herbisida). Saat ini, sektor pertanian menyumbang sekitar 70% dari penarikan air tawar global [ 4 ], dan proyeksi menunjukkan bahwa lebih dari 80% lahan pertanian dunia akan menghadapi kelangkaan air pada tahun 2050 [ 5 ]. Selain itu, 2 juta metrik ton pestisida digunakan di seluruh dunia setiap tahunnya [ 6 ]. Pada tahun 2022 saja, diperkirakan 108, 42, dan 35 juta ton pupuk nitrogen (N), fosfor (P 2 O 5 ), dan kalium (K 2 O) sintetis, masing-masing, digunakan di seluruh dunia [ 7 ]. Penggunaan sumber daya yang berlebihan ini menjadikan pertanian konvensional sebagai kontributor utama terhadap masalah lingkungan dan ekologi, termasuk degradasi tanah, emisi gas rumah kaca (GRK), hilangnya keanekaragaman hayati, dan eutrofikasi. Oleh karena itu, praktik pertanian yang memenuhi tiga pilar pertanian cerdas iklim—peningkatan produktivitas pangan, peningkatan ketahanan sistem, dan pengurangan jejak lingkungan—harus diadopsi untuk mencapai Tujuan SDG 2 secara berkelanjutan.

Secara global, konsumsi sayuran telah meningkat selama dua dekade terakhir, terlepas dari apakah diproduksi menggunakan metode pertanian berbasis tanah atau tanpa tanah. Antara tahun 2000 dan 2022, produksi sayuran global meningkat sebesar 71%, mencapai 1,17 miliar metrik ton [ 8 ]. Demikian pula, produksi akuakultur mengalami pertumbuhan pesat, menghasilkan output tahunan sebesar 94,4 juta metrik ton makanan laut pada tahun 2022 [ 9 ]. Tren ini didorong oleh berbagai faktor, seperti peningkatan populasi global, meningkatnya pendapatan, dan kesadaran yang lebih besar akan manfaat kesehatan dari sayuran hijau dan makanan laut. Namun, adopsi akuakultur secara luas dibatasi oleh ketersediaan lahan dan air, serta masalah lingkungan [ 9 ]. Dalam konteks ini, akuaponik menawarkan metode alternatif yang menggabungkan akuakultur dengan hidroponik untuk pemulihan nutrisi dari limbah akuakultur, sehingga mengurangi penggunaan air tawar dan pembuangan limbah kaya nutrisi [ 10 , 11 ]. Pertanian lingkungan terkendali berdasarkan hidroponik dan akuaponik membutuhkan lahan dan air yang lebih sedikit (hingga 90% lebih sedikit air) dibandingkan dengan praktik pertanian konvensional [ 12 – 14 ]. Selain itu, akuaponik menawarkan efisiensi penggunaan nutrisi yang tinggi karena produksi sayuran dan ikan secara bersamaan [ 10 ]. Dengan demikian, akuaponik memiliki potensi untuk berkontribusi secara berkelanjutan terhadap ketahanan pangan.

Bahasa Indonesia: Operasi akuaponik yang sukses memerlukan perhatian cermat terhadap beberapa faktor kunci: desain sistem, kualitas air, teknologi filtrasi dan aerasi, dan komunitas mikroba [ 15 – 17 ]. Sistem yang dirancang dengan baik berpotensi meningkatkan efisiensi penggunaan air, nitrogen, dan fosfor hingga masing-masing 99%, 78%, dan 95% [ 18 ]. Sistem filtrasi yang efektif diperlukan untuk menghilangkan zat-zat berbahaya (misalnya, amonia dan nitrit) dan untuk mencegah akumulasi bahan organik padat dan pencucian nutrisi, yang dapat menyebabkan eutrofikasi [ 17 ]. Sistem aerasi yang efektif juga diperlukan untuk mempertahankan konsentrasi oksigen terlarut (DO) yang cukup untuk kesehatan ikan dan aktivitas mikroba. Selain itu, komunitas mikroba yang seimbang mendukung nitrifikasi cepat dan proses siklus nutrisi lainnya [ 19 ]. Proses-proses ini memainkan peran penting dalam menjaga kualitas air dengan mengatur konversi nutrisi dan bahan organik. Pada akhirnya, nutrisi diasimilasi ke dalam biomassa tanaman, ikan, dan mikroba atau hilang ke lingkungan, yang berdampak pada keseimbangan ekologi.

Kemajuan terkini dalam desain dan pengelolaan sistem akuaponik telah menghasilkan beberapa inovasi. Inovasi ini meliputi desain sistem baru untuk meningkatkan efisiensi sistem, budidaya bersama alga dalam akuaponik untuk lebih memulihkan nutrisi dan mereklamasi air, serta penggunaan media filter terbarukan sebagai alternatif media plastik untuk mengurangi polusi mikroplastik dan mendukung pertumbuhan mikroba yang bermanfaat. Teknologi aerasi juga telah meningkat, seperti teknologi gelembung mikro nano (MNB), untuk meningkatkan konsentrasi DO. Selain itu, penerapan teknologi otomatisasi dan berbasis data (misalnya, Internet of Things (IoT), Kecerdasan Buatan (AI), dan robotika) memungkinkan pemantauan, pengendalian, dan pengoptimalan kualitas air dan parameter lingkungan lainnya. Lebih jauh lagi, kemajuan terkini dalam perangkat mikrobioma menawarkan wawasan baru tentang peran komunitas mikroba dalam daur ulang nutrisi, pemeliharaan kualitas air, dan peningkatan pertumbuhan tanaman. Dengan memahami dinamika komunitas mikroba, strategi dapat dikembangkan untuk mempromosikan struktur mikroba yang lebih diinginkan yang meningkatkan kinerja sistem.

Dalam beberapa tahun terakhir, ada minat yang semakin meningkat pada akuaponik, sebagaimana terbukti dari 578 publikasi jurnal dalam 5 tahun terakhir (2021–2025) dibandingkan dengan hanya 50 publikasi pada dekade sebelumnya (2005–2014) (Web of Science, diakses pada 18 Maret 2025, dengan kata kunci “akuaponik”). Beberapa tinjauan telah membahas aspek fundamental akuaponik, termasuk pengoperasiannya dan mekanisme transformasi nutrisi [ 20 – 22 ]. Kami juga menerbitkan salah satu tinjauan fundamental pertama tentang akuaponik hampir 7 tahun yang lalu [ 11 ]. Namun, ada kekurangan tinjauan terperinci tentang kemajuan teknologi terkini dan komunitas mikroba yang memengaruhi kinerja sistem akuaponik. Sementara penelitian sebelumnya telah menyoroti potensi akuaponik untuk produksi pangan berkelanjutan, kesenjangan pengetahuan kritis tetap ada dalam (i) memahami integrasi beberapa teknologi yang muncul; (ii) memahami dan memanfaatkan kompleksitas peran mikroba dalam daur ulang nutrisi, mineralisasi limbah, dan penekanan penyakit; dan (iii) memahami ekonomi sistem akuaponik dalam berbagai skala, kombinasi spesies, dan kondisi regional. Oleh karena itu, tujuan utama dari tinjauan ini adalah untuk mengatasi kesenjangan pengetahuan ini, memberikan perspektif baru, dan menguraikan tantangan serta arah penelitian di masa mendatang.

2 Jenis Sistem Akuaponik
Memahami jenis-jenis sistem akuaponik menjadi dasar untuk mengintegrasikan teknologi-teknologi yang baru muncul dan meningkatkan kinerja sistem. Sistem akuaponik secara umum terdiri dari tiga komponen: akuarium, unit filtrasi, dan bedengan hidroponik. Akuarium dapat dioperasikan dengan kepadatan tebar yang bervariasi, yang menampilkan spesies tunggal (monokultur), beberapa spesies (polikultur), atau akuakultur multitrofik terintegrasi air tawar [ 16 ]. Unit filtrasi terdiri dari unit filtrasi mekanis untuk pembuangan padatan, seperti tangki pengendapan, dan filter biologis (biofilter) untuk mineralisasi dan nitrifikasi [ 16 , 23 ]. Jenis bedengan hidroponik yang digunakan biasanya menentukan jenis sistem akuaponik. Berdasarkan bedengan yang digunakan, ada tiga jenis utama sistem akuaponik: media terisi (termasuk konfigurasi aliran tembus dan pasang surut), teknik film nutrisi (NFT), dan rakit apung (Gambar S1 ) [ 24 ].

Sistem yang diisi media menggunakan media di dalam bedengan hidroponik sebagai filter mekanis dan biologis [ 25 ]. Desain yang sederhana dan kemudahan fabrikasi sistem yang diisi media telah menyebabkan semakin banyaknya adopsi sistem ini [ 25 , 26 ]. Sistem ini dapat memanfaatkan media yang tersedia secara lokal, seperti manik-manik batu apung, kerikil, agregat tanah liat ringan yang mengembang (LECA), dan batu lempung, sehingga tidak memerlukan biofilter terpisah [ 27 – 29 ]. Media yang digunakan dalam sistem ini menyediakan luas permukaan spesifik yang tinggi untuk pertumbuhan mikroba dan menawarkan dukungan yang lebih baik untuk perkembangan akar. Misalnya, LECA dengan diameter 16 mm memiliki luas permukaan yang lebih tinggi (6,03 cm 2 /g) dibandingkan dengan kerikil yang tersedia secara komersial dengan diameter 24 mm (3,18 cm 2 /g) [ 23 , 30 ]. Sistem ini sangat cocok untuk tanaman seperti tomat ( Solanum lycopersicum ), mentimun ( Cucumis sativus ), dan paprika ( Capsicum spp.) [ 31 ]. Namun, media tanam ini memiliki tantangan jangka panjang, termasuk abrasi tanaman yang disebabkan oleh media, kecenderungan tinggi terjadinya penyumbatan akibat padatan yang dapat menciptakan zona anaerobik, dan tingginya tenaga kerja yang diperlukan untuk pembersihan dan penanganan [ 16 , 32 ].

Baik sistem akuaponik NFT maupun rakit apung biasanya memiliki unit penghilang padatan dan biofilter terpisah [ 27 ]. Sistem NFT mempertahankan lapisan tipis air kaya nutrisi atau limbah akuakultur yang terus bersirkulasi, sehingga akar terpapar udara dan meningkatkan ketersediaan oksigen [ 33 ]. Sistem ini paling cocok untuk sayuran berdaun (misalnya, selada ( Lactuca sativa ), pak choi ( Brassica rapa var. chinensis )) karena bedengan tanam (yaitu, saluran air) tidak dapat mendukung tanaman dengan sistem perakaran yang luas, yang dapat menghalangi atau menyumbat aliran air [ 24 ]. Untuk memastikan pengoperasian sistem NFT yang efisien, sangat penting untuk menghilangkan padatan guna mencegah penyumbatan. Dalam kasus seperti itu, sistem rakit apung berfungsi sebagai alternatif karena kelebihannya, termasuk persyaratan perawatan yang rendah, kontak akar-ke-air yang lebih tinggi, dan kemampuan untuk mendukung berbagai jenis tanaman (misalnya, sayuran berdaun hijau, herba, dan tanaman penghasil buah) [ 14 , 33 ]. Dalam sistem rakit apung, tanaman dapat bertahan hidup lebih lama selama pompa air rusak karena akarnya tetap terendam air. Sebaliknya, tanaman dalam sistem NFT dan sistem berisi media lebih rentan karena bergantung pada aliran air yang konstan, sehingga meningkatkan risiko pengeringan akar jika pompa air berhenti [ 34 ]. Karena sistem akuaponik sangat bergantung pada proses aerobik yang dimediasi mikroba, dan akar tanaman memerlukan oksigen untuk menyerap nutrisi, terdapat permintaan oksigen yang signifikan di bedengan [ 14 ]. Akibatnya, air di bedengan perlu diaerasi atau diberi oksigen, yang tetap menjadi tantangan utama untuk pengoperasian sebagian besar sistem akuaponik yang efisien. Rakit apung terkadang memiliki konsentrasi DO yang lebih rendah karena perpindahan massa gas-cair yang buruk, yang dapat diatasi dengan meningkatkan laju beban hidraulik, menambahkan lebih banyak aerator, atau menggunakan teknologi MNB. Lebih jauh, sistem ini memerlukan dukungan struktural yang kuat untuk menopang berat air dan tanaman dan rentan terhadap penumpukan sedimen di dasar bedengan, sehingga memerlukan pembersihan rutin. Keuntungan dan kerugian utama sistem akuaponik dirangkum dalam Tabel 1 .

3 Aliran Material dan Keseimbangan Massa
Pemahaman yang komprehensif tentang nutrisi, padatan, dan aliran air dalam sistem akuaponik sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja sistem. Limbah akuakultur biasanya kaya akan bahan organik dan anorganik terlarut dan tersuspensi, yang berasal dari kotoran ikan dan pakan yang tidak dimakan [ 37 ]. Melalui berbagai proses biologis seperti dekomposisi mikroba, mineralisasi, dan nitrifikasi, substrat ini memasok nutrisi penting, termasuk nitrogen dan fosfor. Biasanya, masukan utama nutrisi biasanya adalah pakan ikan. Dalam operasi yang umum, lebih dari 5% pakan ikan tidak dimakan, sedangkan 95% sisanya dikonsumsi dan dicerna [ 38 ]. Dari porsi ini, 30%–40% tertahan dalam biomassa ikan, sedangkan 60%–70% sisanya dikeluarkan sebagai feses, urin, dan amonia [ 39 ]. Pakan yang tidak termakan dan kotoran ikan mengalami transformasi mikroba baik untuk penyerapan nutrisi oleh tanaman, terakumulasi sebagai lumpur [ 40 ], atau hilang ke lingkungan melalui emisi gas seperti nitrogen oksida [ 41 ]. Akumulasi padatan memerlukan pemeliharaan dan pembuangan rutin; banyak operasi komersial membuang hingga 40% air limbah mereka setiap hari atau pada akhir siklus produksi [ 42 ]. Meskipun pembuangan tersebut membantu menjaga kualitas air, namun hal tersebut juga mengakibatkan hilangnya air dan nutrisi secara signifikan.

Nitrogen dan fosfor adalah nutrisi utama untuk produksi tanaman, dan manajemen yang efisien dalam akuaponik sangat penting untuk memaksimalkan pertumbuhan tanaman. Namun, mengintegrasikan komponen akuakultur dan hidroponik ke dalam satu sistem menciptakan tantangan dalam menyeimbangkan nutrisi yang dipasok dengan yang dibutuhkan oleh tanaman, terutama dalam operasi akuaponik skala besar. Studi menunjukkan bahwa kurang dari 30% nitrogen dalam pakan ikan diasimilasi dalam biomassa ikan, dengan sebagian besar nitrogen dilepaskan sebagai amonia [ 43 , 44 ]. Sementara nitrogen ini dapat mendukung pertumbuhan tanaman, daur ulang yang tidak efisien sering kali menyebabkan hilangnya nutrisi. Ikan dapat mengasimilasi hingga 15% fosfor dalam pakan, sementara hingga 100% fosfor dalam limbah akuakultur dapat didaur ulang menjadi biomassa tanaman, tergantung pada desain sistem [ 45 ]. Namun, hilangnya nutrisi tidak dapat dihindari karena berbagai faktor dalam sistem. Perkiraan menunjukkan bahwa 59%–70% dari total masukan nitrogen hilang melalui denitrifikasi (45%–50%), limbah akuakultur (14%–20%), dan limbah padat (0,7%–2%), sehingga hanya 30%–41% yang tertahan dalam biomassa tanaman (21%–24% pada ikan dan 9%–17% pada tanaman). Kehilangan fosfor berkisar antara 38%–54%, termasuk pembuangan limbah (22%–28%), presipitasi (8%–25%), dan limbah padat (2%–7%), dengan 46%–62% diasimilasi menjadi biomassa (35%–45% pada ikan dan 11%–25% pada tanaman) [ 44 ].

Efisiensi penggunaan nutrisi dalam akuaponik umumnya dinilai menggunakan indikator utama seperti efisiensi penggunaan nitrogen (NUE) dan efisiensi penggunaan fosfor (PUE). Metrik ini menentukan proporsi total nutrisi yang dimasukkan (terutama melalui pakan ikan) yang dimasukkan ke dalam biomassa ikan dan tanaman [ 37 , 43 , 44 ]. Misalnya, NUE mengukur rasio total masukan nitrogen terhadap nitrogen yang ditahan dalam biomassa ikan dan tanaman [ 46 ]. NUE seluruh sistem secara keseluruhan mewakili efisiensi asimilasi nitrogen gabungan dari komponen akuakultur dan hidroponik [ 43 ]. Perhitungan dan persamaan untuk menentukan NUE dan PUE sistem akuaponik dapat ditemukan di tempat lain [ 37 , 43 , 44 ]. Meskipun akuaponik memiliki potensi substansial untuk memulihkan nutrisi, mencapai efisiensi penggunaan nitrogen dan fosfor yang tinggi tetap menjadi tantangan [ 47 ].

Beberapa penelitian telah mengidentifikasi strategi untuk menyeimbangkan penyerapan tanaman dan keluaran nutrisi ikan, memulihkan nutrisi, dan mengurangi emisi nitrogen oksida [ 10 , 37 , 43 ]. Strategi ini bergantung pada desain sistem, parameter operasional, dan praktik manajemen. Misalnya, Wongkiew et al. [ 43 ] menunjukkan bahwa konsentrasi DO, laju beban hidrolik, dan laju pemberian pakan dapat memengaruhi NUE pada tanaman seperti pak choi dan selada. Menerapkan strategi pemberian pakan yang seragam di mana input nitrogen didistribusikan secara merata dari waktu ke waktu dapat meningkatkan kualitas air dan NUE hingga 30% [ 46 ]. Selain itu, waktu filtrasi yang diperpanjang dapat lebih meningkatkan pemulihan nutrisi, dengan peningkatan yang dilaporkan hingga 23% untuk nitrogen dan 62% untuk fosfor [ 48 ]. Efisiensi pemanfaatan nutrisi juga bervariasi di antara spesies tanaman dan ikan yang berbeda; sistem akuaponik berbasis tomat sering kali menunjukkan NUE dan PUE yang lebih tinggi daripada kemangi dan selada [ 44 ]. Namun, mempertahankan surplus input nitrogen dan fosfor yang berlebihan dapat berdampak negatif pada NUE dan PUE.

Secara keseluruhan, diperlukan pendekatan yang komprehensif untuk menyeimbangkan pasokan nutrisi dengan penyerapan tanaman dan ikan sekaligus meminimalkan kerugian akibat pembuangan limbah dan emisi gas. Selain meningkatkan pemulihan nutrisi, penggunaan air, konsumsi energi, dan pengelolaan lumpur juga harus dipertimbangkan secara cermat. Mengintegrasikan strategi yang ditargetkan ini dapat meningkatkan kinerja sistem secara keseluruhan dan mendorong keberlanjutan jangka panjang.

4 Pertimbangan Operasional dalam Sistem Akuaponik
Keberhasilan pengoperasian sistem akuaponik bergantung pada pengelolaan berbagai parameter kualitas air dan lingkungan, serta spesies biotik (ikan dan tanaman) yang digunakan. Parameter kualitas air saling terkait erat, dan menyeimbangkannya menghadirkan tantangan signifikan karena perbedaan kondisi optimal yang dibutuhkan oleh ikan, tanaman, dan mikroorganisme yang bermanfaat.

4.1 Kualitas Air dan Parameter Lingkungan
Mengoptimalkan kualitas air sangat penting untuk kesehatan ikan dan tanaman dalam akuaponik (Tabel 2 ). Di antara berbagai parameter, nitrogen, nutrisi penting untuk pertumbuhan tanaman, diproduksi saat ikan mengonsumsi pakan. Ikan terutama mengeluarkan amonia, zat yang sangat beracun, melalui insangnya dan dalam jumlah sedikit melalui urinnya [ 52 ]. Amonia ada dalam dua bentuk: amonia tak terionisasi (NH 3 ) dan amonium terionisasi (NH 4 + ), yang secara kolektif disebut sebagai nitrogen amonia total (TAN) [ 11 ]. Melalui nitrifikasi, TAN diubah menjadi nitrat yang kurang beracun (NO 3 − ) [ 10 , 11 ].

Singkatan: μS/cm: mikrosiemen per sentimeter; CaCO3 : kalsium karbonat; L/menit: liter per menit; mg/L: miligram per liter; PPFD: kerapatan fluks foton fotosintesis; ppm: bagian per juta; ppt: bagian per seribu.
a Hanya untuk ikan mas biasa.
b Hanya untuk sistem film nutrisi.

Sistem akuaponik sensitif terhadap fluktuasi parameter kualitas air, seperti pH, suhu, konsentrasi DO, dan konduktivitas listrik (EC). Parameter ini harus dipertahankan dalam kisaran optimal untuk mendukung pertumbuhan tanaman dan ikan, serta nitrifikasi. Namun, menentukan keseimbangan ini seringkali sulit karena kondisi ideal untuk setiap komponen tidak selaras. Misalnya, sementara sebagian besar tanaman lebih menyukai kisaran pH yang sedikit asam yaitu 5,0–7,0 [ 51 ], tingkat pH optimal bervariasi menurut spesies. Bakteri nitrifikasi, di sisi lain, bekerja secara optimal dalam kisaran pH netral hingga sedikit basa yaitu 7,5–8,0 [ 50 ]. Ikan dapat mentoleransi kisaran pH yang luas dari 6,5 hingga 9,5 [ 49 ], tetapi tingkat pH yang ekstrem dapat menyebabkan stres atau bahkan kematian. Akibatnya, sistem akuaponik umumnya beroperasi pada kisaran pH yang terganggu sekitar 6,8–7,0 [ 52 ].

Suhu dan konsentrasi DO adalah parameter penting, di mana penyeimbangan sangat penting namun menantang. Spesies ikan dan tanaman yang berbeda, serta mikroorganisme yang bermanfaat, memiliki rentang suhu optimal tertentu. Ikan tumbuh subur pada suhu antara 10°C dan 32°C tergantung pada spesiesnya; bakteri nitrifikasi berfungsi paling baik antara 14°C dan 34°C, dan tanaman umumnya lebih menyukai suhu antara 16°C dan 30°C [ 32 ]. Ketika suhu air meningkat, kelarutan oksigen dalam fase air menurun, yang berpotensi mengurangi ketersediaan oksigen [ 22 ]. Sebaliknya, suhu rendah memperlambat proses metabolisme pada ikan dan menghambat pertumbuhan tanaman. Konsentrasi DO terkait erat dengan suhu dan kebutuhan metabolisme ikan dan mikroorganisme. Ikan membutuhkan konsentrasi DO > 5,0 mg/L [ 53 ], sedangkan bakteri nitrifikasi membutuhkan konsentrasi DO 4,0–8,0 mg/L untuk secara efektif mengubah amonia menjadi nitrat [ 32 ]. Konsentrasi DO yang berkurang pada suhu tinggi dan aktivitas mikroba (aerobik) dapat mengakibatkan kondisi hipoksia, yang dapat merugikan ikan dan bakteri nitrifikasi.

Parameter lain yang umum dipantau, EC, mengukur kemampuan air untuk menghantarkan listrik. Itu dipengaruhi oleh konsentrasi ion terlarut dan secara tidak langsung menunjukkan jumlah nutrisi dalam air. Dalam akuaponik air tawar, EC biasanya berkisar dari 100 μS/cm hingga 2000 μS/cm [ 49 ], tergantung pada pengaturan sistem, kepadatan penebaran ikan, dan kebutuhan nutrisi tanaman. Namun, EC harus ditafsirkan dengan hati-hati, karena tidak memberikan informasi spesifik tentang konsentrasi atau rasio nutrisi individu. Misalnya, nilai EC yang tinggi dapat disebabkan oleh ion yang bermanfaat, seperti nitrat, kalsium, dan magnesium, yang mendukung pertumbuhan tanaman, atau natrium dan klorida, yang dapat berdampak negatif pada kesehatan ikan dan tanaman. Meskipun EC merupakan indikator yang berguna untuk jumlah total nutrisi, analisis tambahan sering kali diperlukan untuk menentukan komposisi ion yang tepat dalam air.

Laju resirkulasi air sangat penting karena memengaruhi efisiensi penyaringan biologis dan fisik. Pada laju resirkulasi air yang optimal, amonia dengan cepat diubah menjadi nitrat, mencegah akumulasi amonia beracun. Namun, berbagai jenis sistem memerlukan laju resirkulasi air yang berbeda, yang dapat memengaruhi waktu tinggal hidrolik di setiap komponen sistem [ 22 ]. Parameter kualitas air penting lainnya termasuk kesadahan air (ukuran ion kalsium dan magnesium), alkalinitas (ukuran kapasitas air untuk menetralkan asam, terutama karena ion bikarbonat dan karbonat), salinitas (ukuran konsentrasi garam total), dan total padatan terlarut (TDS) (ukuran semua zat anorganik dan organik yang terlarut dalam air) [ 22 , 55 , 56 ]. Kesadahan air yang tinggi dapat menyebabkan penumpukan kerak, sedangkan kadar sedang sangat penting untuk kesehatan tanaman dan ikan. Alkalinitas yang rendah dapat menyebabkan fluktuasi pH, membuat tanaman, ikan, dan mikroorganisme stres, sedangkan alkalinitas yang tinggi dapat menghambat ketersediaan nutrisi dengan mengendapkan nutrisi penting. Salinitas yang tinggi dapat membahayakan tanaman dan ikan, sedangkan TDS yang tinggi dapat mengindikasikan ketidakseimbangan nutrisi atau kontaminasi dari garam berlebih, residu kimia, limbah organik, atau zat terlarut berbahaya lainnya.

Parameter lingkungan, termasuk suhu udara, intensitas cahaya, kelembaban relatif, konsentrasi karbon dioksida (CO 2 ), dan kelembaban media (untuk sistem yang diisi media), memainkan peran penting dalam pertumbuhan tanaman [ 22 , 57 ]. Misalnya, suhu udara sekitar yang tinggi menyebabkan sayuran berdaun melengkung, yang berdampak negatif pada pertumbuhan dan kualitasnya [ 32 ]. Demikian pula, intensitas cahaya yang rendah mengurangi laju pertumbuhan tanaman [ 22 ]. Tanaman menggunakan spektrum cahaya tertentu, yang dikenal sebagai radiasi aktif fotosintesis (PAR), tetapi sensitivitas terhadap PAR bervariasi di antara spesies. Tanaman yang peka cahaya, seperti selada, salad hijau, dan kubis, dapat melengkung, berbiji, dan mengembangkan rasa pahit saat terkena tingkat PAR yang tinggi [ 32 ].

4.2 Komponen Biotik dan Pemilihan Spesies
Menyeimbangkan kepadatan ikan, kepadatan tanaman, dan populasi mikroba (melalui ukuran biofilter yang tepat) sangat penting untuk mengubah limbah ikan secara efisien menjadi nutrisi yang dapat dimanfaatkan tanaman sekaligus mencegah akumulasi TAN, nitrit, padatan organik, serta ketidakseimbangan nutrisi yang bersifat toksik. Kunci keberhasilan sistem akuaponik terletak pada pemilihan dan pengelolaan komponen biotiknya secara cermat: ikan, tanaman, dan mikroorganisme. Beberapa penelitian telah menunjukkan penggunaan berbagai spesies ikan dan tanaman dalam berbagai jenis sistem akuaponik (Tabel 3 ).

Banyak spesies tanaman yang dapat ditanam dalam akuaponik. Sayuran berdaun merupakan pilihan populer untuk sistem akuaponik karena tumbuh baik dalam air yang kaya nitrogen, cepat matang, membutuhkan nutrisi minimal, dan memiliki permintaan pasar yang tinggi [ 17 ]. Sebuah survei oleh Love et al. [ 71 ] menemukan bahwa sebagian besar petani akuaponik komersial membudidayakan kemangi ( Ocimum spp.) (81%), salad hijau (76%), herba non-kemangi (73%), tomat (68%), selada (68%), kangkung ( Brassica oleracea var. acephala ) (56%), lobak Swiss ( Beta vulgaris var. cicla ) (55%), pak choi (51%), paprika (48%), dan mentimun (45%). Sayuran lain yang layak ditanam termasuk labu ( Cucurbita pepo ) [ 28 ], peterseli ( Petroselinum crispum ) [ 72 ], dan okra ( Abelmoschus esculentus ) [ 73 ]. Pemilihan spesies ikan yang tepat sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja sistem akuaponik. Ikan nila ( Oreochromis spp.) adalah spesies ikan yang paling umum dibudidayakan karena kemampuannya untuk mentolerir berbagai kondisi kualitas air [ 17 , 74 ]. Ikan mas ( Cyprinus carpio ) dan ikan lele ( Ictalurus spp. dan Clarius spp.) juga populer karena kemampuan beradaptasi mereka terhadap kondisi kualitas air yang luas dan nilai komersial yang tinggi [ 17 ]. Spesies ikan lain yang digunakan dalam akuaponik meliputi ikan kod murray ( Maccullochella peelii ) [ 75 ], ikan trout ( Oncorhynchus spp. dan Salvelinus spp.) [ 76 ], ikan bass largemouth ( Micropterus salmoides ) [ 42 ], belut rawa Asia ( Monopterus albus ) [ 77 ], pikeperch ( Sander lucioperca ) [ 78 ], ikan sturgeon stellate ( Acipenser stellatus ) [ 79 ], ikan hias [ 80 ], dan krustasea [ 81 ].

Langkah pertama dalam merancang sistem akuaponik adalah membudidayakan spesies ikan dan tanaman yang tepat. Kunci dari proses ini adalah memahami bagaimana spesies yang dipilih berinteraksi satu sama lain dan dengan komunitas mikroba. Mikroorganisme mengubah limbah ikan dan sisa pakan menjadi makro dan mikronutrien esensial yang dapat diserap tanaman dengan mudah [ 73 ]. Ukuran bedengan, serta tangki ikan dan kepadatan penebaran, harus seimbang untuk memastikan bahwa nutrisi yang dihasilkan dari limbah ikan dan sisa pakan sesuai dengan tingkat penyerapan tanaman. Selain itu, persyaratan kualitas air ikan harus sesuai dengan persyaratan kualitas air tanaman yang dipilih untuk mencegah stres pada salah satu komponen sistem.

5 Komunitas Mikroba dalam Sistem Akuaponik
Dalam sistem akuaponik, komunitas mikroba berkembang dalam lingkungan mikro yang berbeda yang dibentuk oleh berbagai faktor lingkungan dan profil kualitas air [ 82 ]. Lingkungan mikro ini mendukung komunitas mikroorganisme autotrofik dan heterotrofik [ 83 , 84 ], yang penting untuk dekomposisi bahan organik, transformasi nutrisi, dan pengaturan alkalinitas air [ 85 ]. Bagian ini mengkaji jalur mikroba utama serta komposisi dan distribusi komunitas mikroba dalam sistem akuaponik.

5.1 Jalur Mikroba
Mikroorganisme dalam sistem akuaponik sangat penting untuk mengubah nutrisi dan menjaga kualitas air. Mereka berkontribusi pada proses ini melalui berbagai jalur, termasuk dekomposisi bahan organik, mineralisasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi. Dekomposisi bahan organik dan mineralisasi memecah sisa pakan dan ekskreta ikan menjadi makro dan mikronutrien, membuatnya tersedia untuk pertumbuhan mikroba dan tanaman [ 86 ]. Proporsi pakan yang diubah menjadi biomassa dan metabolisme ikan bervariasi tergantung pada pengaturan akuakultur, spesies ikan, dan pakan. Mineral seperti kalsium dan magnesium, serta elemen jejak, seperti besi, seng, tembaga, mangan, dan molibdenum, hanya ada dalam bentuk yang tidak larut dalam sisa pakan atau feses [ 87 ]. Dengan demikian, jenis dan komposisi pakan memengaruhi komunitas mikroba dengan memengaruhi ketersediaan nutrisi dan pemecahan limbah dalam sistem. Bakteri heterotrofik berkontribusi pada dekomposisi dan mineralisasi dengan memecah bahan organik dan melepaskan ion esensial untuk asimilasi tanaman [ 19 , 88 ]. Namun, tanaman dapat mengalami kekurangan beberapa mikronutrien, termasuk kalsium, zat besi, magnesium, natrium, dan silikon, akibat remineralisasi nutrisi yang lambat dan tidak lengkap, sehingga menyebabkan nutrisi terkunci (yaitu, nutrisi terikat dalam senyawa yang tidak larut atau kompleks organik) [ 89 ].

Sementara tanaman dapat menyerap ion amonium secara langsung, konsentrasi TAN di atas 1 mg/L dapat menjadi racun bagi ikan dan tanaman [ 52 ]. Dalam sistem yang ber-aerasi baik, mikroba nitrifikasi mengubah amonia menjadi nitrat melalui nitrifikasi, sebuah proses yang telah dipelajari secara ekstensif dalam sistem akuaponik. Tahap pertama nitrifikasi melibatkan bakteri pengoksidasi amonia (AOB) dan archaea pengoksidasi amonia (AOA), yang mengubah TAN menjadi nitrit [ 11 , 90 ]. Dalam lingkungan kaya nitrogen seperti akuaponik, laju nitrifikasi AOA diperkirakan tidak akan jauh lebih tinggi daripada AOB [ 11 , 27 ]. Akhirnya, nitrit dioksidasi menjadi nitrat oleh bakteri pengoksidasi nitrit (NOB).

Dalam sistem akuaponik, amonia biasanya diubah menjadi nitrat melalui nitrifikasi autotrofik aerobik, suatu proses yang dilakukan oleh mikroorganisme yang menggunakan amonia atau nitrit sebagai sumber energi dan CO2 sebagai sumber karbon [ 91 ]. Bakteri nitrifikasi autotrofik ini, seperti AOB dan NOB, sensitif terhadap konsentrasi amonia tinggi dan bahan organik, dan menghadapi persaingan dari heterotrof. Sebaliknya, nitrifikasi heterotrofik, yang dilakukan oleh mikroorganisme yang menggunakan karbohidrat, asam amino, peptida, dan lipid sebagai sumber karbon dan energi, terjadi dalam kondisi tertentu [ 82 ]. Proses nitrifikasi satu langkah, yang mengubah amonia langsung menjadi nitrat, dilaporkan lebih disukai tetapi tidak umum seperti proses dua langkah yang dilakukan oleh AOB dan NOB [ 17 , 90 ]. Sebuah studi baru-baru ini oleh Daims et al. [ 92 ] mengidentifikasi strain Nitrospira spp. dan Candidatus spp. yang dapat berfungsi sebagai pengoksidasi amonia lengkap (comammox), yang secara efektif mengubah amonia langsung menjadi nitrat. Dalam kasus tertentu, comammox Nitrospira spp. juga diamati berkontribusi terhadap penghilangan amonium dalam kondisi di mana konsentrasi amonia dipertahankan di bawah 23 μM dari waktu ke waktu, yang menunjukkan lingkungan yang stabil dan stabil dalam sistem akuaponik [ 93 ]. Efisiensi nitrifikasi bergantung pada DO yang memadai, dengan konsentrasi di bawah 5 mg/L menyebabkan penurunan laju oksidasi amonia dan nitrit. Lebih jauh, dalam kondisi anoksik, nitrat dapat bertindak sebagai akseptor elektron alternatif dan mengalami reduksi menjadi gas nitrogen melalui denitrifikasi. Proses ini pada akhirnya menyebabkan hilangnya nitrogen.

Denitrifikasi bergantung pada beberapa enzim kunci, seperti nitrit reduktase ( nir ), nitrogen oksida reduktase ( nos ), nitrat reduktase ( nar ), dan nitrat oksida reduktase ( nor ) [ 94 ]. Denitrifikasi dapat terjadi melalui dua jalur: heterotrofik atau autotrofik. Proses heterotrofik lebih umum diamati dan dilakukan oleh archaea, bakteri, dan jamur [ 90 , 95 ]. Mikroorganisme denitrifikasi heterotrofik menggunakan sumber karbon seperti metanol, glukosa, dan asetat untuk memenuhi kebutuhan energinya. Sebaliknya, mikroorganisme denitrifikasi autotrofik memperoleh energi dari karbon anorganik, sulfur, besi, dan hidrogen [ 90 ]. Meskipun proses denitrifikasi umumnya digunakan untuk menghilangkan nitrogen dalam pengolahan air limbah biologis, tujuan dalam sistem akuaponik adalah untuk meminimalkan kehilangan nitrogen. Denitrifikasi juga menyebabkan emisi nitrogen oksida, GRK yang kuat. Jika faktor emisi nitrogen oksida sebesar 1,8% dipertimbangkan [ 96 ], emisi dari spesies seperti nila ( Oreochromis niloticus ), ikan mas India ( Catla catla , Labeo rohita , dan Cirrhinus mrigala ), dan ikan lele belang ( Pangasianodon hypophthalmus ) dapat mencapai 23%–27% dari total emisi GRK dari sektor akuakultur [ 97 ]. Dalam akuaponik, kehilangan nitrogen dari pembuangan limbah akuakultur dapat dikelola melalui biofiltrasi, penyerapan tanaman, denitrifikasi, rezim pemberian pakan yang dioptimalkan, dan resirkulasi air. Namun, nitrogen gas—berkisar antara 20% – 60% nitrogen relatif terhadap masukan pakan ikan—tidak dapat dihindari, yang mengakibatkan pemulihan nitrogen yang tidak lengkap. NUE yang dilaporkan berkisar antara 40% – 60%, sementara emisi nitrogen oksida mencapai 0,6% – 2,0% nitrogen dalam masukan pakan ikan [ 41 ]. Oleh karena itu, intervensi apa pun (misalnya, menyesuaikan laju aliran air, menjaga pH dan suhu ideal untuk nitrifikasi, atau melengkapi dengan biofilter untuk meningkatkan aktivitas mikroba) yang meningkatkan nitrifikasi dan meningkatkan penyerapan nitrogen oleh tanaman—sehingga meningkatkan NUE—dapat membantu mencegah hilangnya nitrogen dan mengurangi jejak lingkungan dari sistem akuaponik dan akuakultur dengan meminimalkan emisi GRK yang kuat.

Selain itu, mikroorganisme tertentu mendukung pertumbuhan dan kesehatan tanaman dengan mendorong perkembangan akar dan bertindak sebagai agen pengendalian hayati alami [ 98 , 99 ]. Misalnya, Pseudomonas spp. dan anggota famili Comamonadaceae, yang ditemukan di akar tanaman, telah dilaporkan menghasilkan senyawa antimikroba dan meningkatkan resistensi yang diinduksi, yang secara efektif bertindak sebagai agen pengendalian hayati alami [ 19 , 74 , 99 ]. Ketika ditambahkan sebagai suplemen, Bacillus spp. tertentu telah terbukti mengatasi kekurangan nutrisi, meningkatkan kualitas air, dan mengubah komposisi komunitas bakteri dalam sistem akuaponik [ 100 ]. Dampak mikroorganisme ini pada kesehatan tanaman dan peran eksudat akar masih belum jelas dan merupakan area penelitian yang aktif.

5.2 Komposisi dan Distribusi Mikroba
Komponen-komponen yang berbeda dari sistem akuaponik—seperti akuarium ikan, unit pembuangan/pengendapan padatan, biofilter, dan tempat tumbuh hidroponik—memiliki kondisi lingkungan yang berbeda-beda. Akibatnya, komunitas mikroba yang unik berkembang dalam setiap komponen [ 66 , 84 , 101 , 102 ]. Karena komponen-komponen ini saling berhubungan, komunitas mikroba lokal dapat memengaruhi satu sama lain secara langsung atau tidak langsung melalui produksi metabolit [ 102 , 103 ].

Tabel 4 merangkum komposisi dan distribusi mikroba yang ditemukan dalam sistem akuaponik. Mikroorganisme terutama terkonsentrasi di biofilter [ 108 , 109 ]. Biofilter menyediakan lingkungan yang cocok untuk pertumbuhan mikroba, karena media menyediakan area permukaan yang tinggi dan sumber nutrisi dari sisa pakan dan kotoran ikan [ 109 ].

Dalam biofilter, bakteri nitrifikasi, termasuk AOB dan NOB, umumnya hadir. Mikroorganisme ini juga hadir dalam komponen lain dari sistem akuaponik. Mikroorganisme yang paling umum terlibat dalam nitrifikasi adalah AOB, seperti Nitrosococcus spp., Nitrosospira spp., dan Nitrosomonas spp., dan NOB, seperti Nitrobacter spp., Nitrospira spp., Nitrococcus spp., dan Nitrospina spp. [ 74 , 82 ]. Studi telah melaporkan bahwa Nitrospira spp. adalah bakteri nitrifikasi yang paling melimpah dalam biofilter, sementara Nitrobacter spp. jarang hadir atau hanya ditemukan dalam jumlah kecil [ 99 , 110 ]. AOB bergantung pada amonia sebagai sumber energi utamanya dan cenderung membentuk gugus padat; keberadaannya terkait dengan ketersediaan DO. Sebaliknya, NOB hadir dalam gugus lepas dan biofilm, dengan strain Nitrospira spp. tertentu. mampu hidup di bawah antarmuka oksik–anoksik, memanfaatkan oksigen secara efisien pada konsentrasi rendah [ 82 ]. Biofilter dalam sistem akuakultur air tawar dan sedimen asal laut, air tawar, dan pertanian telah dilaporkan mengandung bakteri oksidasi amonium anaerobik (Anammox) dan AOB heterotrofik [ 19 ]. Bakteri Anammox, yang sering ditemukan dalam biofilter, terutama termasuk dalam Planctomycetales dan Chloroflexi [ 94 ]. Bakteri ini membentuk hubungan simbiosis, terutama dengan bakteri heterotrofik, protozoa, dan mikrometazoa, yang terlibat dalam degradasi senyawa organik dalam biofilter.

Biasanya, bakteri autotrofik dan heterotrofik hadir dalam sistem akuakultur resirkulasi (RAS). Heterotrof cenderung tumbuh lebih cepat daripada autotrof dan sebagian besar ditemukan dalam biofilter [ 82 ]. Bakteri heterotrofik dipengaruhi oleh konsentrasi nutrisi dan kandungan karbon dalam air dan sering terkonsentrasi di dekat outlet tempat air dipompa dari tangki/kolam ikan dan di sedimen. Sebaliknya, bakteri autotrofik umumnya ditemukan dalam kelompok atau agregasi terbuka dalam biofilter [ 82 ]. Heterotrof tertentu, termasuk Alcaligenes spp., Rhodococcus spp., Pseudomonas spp., Sphingomonas spp., dan anggota famili Xanthomonadaceae, memiliki kemampuan unik untuk melakukan nitrifikasi dan denitrifikasi heterotrofik secara bersamaan dalam kondisi DO rendah [ 11 , 111 ]. Selain itu, berbagai archaea dan bakteri fakultatif, termasuk Achromobacter spp., Aerobacter spp., Acinetobacter spp., Bacillus spp., Brevibacterium spp., Flavobacterium spp., Pseudomonas spp., Proteus spp., dan Micrococcus spp., berkontribusi pada proses denitrifikasi [ 11 , 90 , 112 ]. Selain itu, metabolisme bakteri heterotrofik juga membantu dalam degradasi senyawa organik, melepaskan makro dan mikronutrien esensial yang dapat diserap tanaman. Bakteri dari genus Flavobacterium spp. dan Sphingobacterium spp. sangat penting untuk dekomposisi bahan organik dalam sistem akuaponik [ 74 , 84 ].

Lebih jauh lagi, berbagai mikroorganisme akar dapat merangsang pertumbuhan akar dan meningkatkan kesehatan tanaman. Banyak bakteri nitrifikasi juga ditemukan di zona akar tanaman. Hu et al. [ 10 ] menemukan bahwa kelimpahan AOB dan NOB di zona akar bervariasi tergantung pada spesies tanaman. Yang umum ditemukan di akar tanaman adalah spesies dalam Proteobacteria, Bacteroidetes, Microbacteriaceae, Comamonadaceae, Acidovorax spp., Sphingobium spp., Flavobacterium spp., dan Pseudomonas spp. [ 71 , 73 , 74 , 99 ]. Bartelme et al. [ 98 ] menyarankan bahwa spesies dalam Pseudomonas spp., Bacillus spp., Enterobacter spp., Streptomyces spp., Gliocladium spp., dan Trichoderma spp. dapat meningkatkan ketersediaan nutrisi tanaman. Kehadiran bakteri pemacu pertumbuhan tanaman, seperti Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, dan Lysobacteria, tidak hanya dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman tetapi juga memberikan perlindungan terhadap patogen [ 19 , 74 , 113 ]. Selain itu, beberapa spesies Comamonadaceae, Bacillus spp., dan Pseudomonas spp. memiliki gen yang menghasilkan siderofor dan antibiotik, yang menunjukkan pengendalian hayati yang efektif terhadap patogen jamur [ 19 , 74 , 99 ].

Secara keseluruhan, diperlukan lebih banyak penelitian untuk memahami mekanisme yang menyebabkan metabolit dan molekul sinyal yang diproduksi oleh satu komunitas mikroba memengaruhi komunitas lain dalam komponen sistem akuaponik yang saling terhubung. Selain itu, faktor-faktor yang mendorong perakitan dan suksesi komunitas mikroba sebagai respons terhadap kondisi pengoperasian sistem, seperti variasi dalam pemuatan nutrisi, pH, konsentrasi DO, dan suhu, belum sepenuhnya dipahami. Namun, pendekatan mutakhir terkini untuk mempelajari ekologi mikroba telah memfasilitasi pemahaman yang lebih mendalam tentang komunitas ini dan perannya dalam meningkatkan kinerja sistem akuaponik.

6 Pendekatan Inovatif dan Teknologi Baru
Mengoptimalkan sistem akuaponik untuk menghasilkan tanaman dan ikan berkualitas tinggi merupakan tantangan tersendiri. Hal ini memerlukan pemantauan dan pengendalian yang cermat terhadap berbagai parameter yang saling bergantung. Integrasi teknologi canggih dan strategi inovatif dapat meningkatkan kinerja sistem akuaponik secara substansial. Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa kemajuan dalam akuaponik telah dicapai, termasuk desain sistem inovatif yang sesuai dengan tujuan, budidaya bersama alga, teknologi MNB, otomatisasi sistem, media biofilter terbarukan, dan pendekatan mutakhir untuk memahami ekologi mikroba. Bagian ini membahas secara kritis penerapan pendekatan dan teknologi ini.

6.1 Munculnya Desain Sistem yang Sesuai Tujuan
Kemajuan dalam desain sistem akuaponik telah menghasilkan berbagai inovasi yang meningkatkan efisiensi proses dan memungkinkan budidaya berbagai jenis tanaman. Sistem baru, seperti aeroponik, maraponik (akuaponik laut), flokoponik, vermiponik, pertanian vertikal, dan sistem dinding hidup, menawarkan solusi yang sesuai dengan berbagai lingkungan dan kebutuhan tanaman. Sistem ini juga mengurangi penggunaan lahan, meningkatkan kemudahan pengoperasian, dan meningkatkan kinerja secara keseluruhan, sehingga membuat akuaponik lebih serbaguna dan mudah diakses.

Aeroponik adalah metode budidaya tanpa tanah di mana akar tanaman digantung di udara dan disemprotkan sebentar-sebentar dengan larutan kaya nutrisi [ 114 ]. Sistem ini menggunakan pompa, pengatur waktu, dan nosel semprot untuk secara berkala mengirimkan kabut air dan nutrisi yang kaya oksigen ke akar tanaman [ 115 ]. Pendekatan ini memasok tanaman dengan ketersediaan oksigen yang lebih tinggi di zona akar, yang mengarah pada pertumbuhan biomassa yang lebih cepat dan waktu perakaran yang lebih pendek [ 116 ]. Meskipun sistem aeroponik sering dioperasikan dengan larutan nutrisi yang diproduksi secara komersial, ada kekhawatiran tentang dampak lingkungan dari produksi dan pembuangan input sintetis ini. Menggunakan limbah akuakultur sebagai sumber nutrisi menghadirkan pendekatan sirkular yang lebih berkelanjutan, karena menggunakan kembali limbah kaya nutrisi dari operasi akuakultur dan mengurangi ketergantungan pada pupuk sintetis. Dalam sistem akuaponik decoupled terintegrasi aeroponik dengan kemangi, berat daun (> 40%) dan berat akar (> 30%) berkinerja secara signifikan lebih baik daripada unit hidroponik lainnya [ 117 ]. Selain itu, metode ini memungkinkan kepadatan penanaman yang lebih tinggi dengan meminimalkan persaingan antar tanaman untuk nutrisi dan air. Aeroponik telah berhasil digunakan untuk menanam berbagai macam tanaman, termasuk sayuran berdaun (selada) dan buah-buahan (stroberi ( Fragaria spp.)) [ 118 ], tanaman akar bernilai tinggi (burdock ( Arctium lappa )) [ 119 ], tanaman obat (ganja ( Cannabis sativa )) [ 120 ], dan umbi mini (kentang ( Solanum tuberosum )) [ 121 ].

Maraponik, sistem akuaponik yang menggabungkan ikan air asin dengan tanaman laut, telah menunjukkan potensi untuk membudidayakan spesies laut secara berkelanjutan sambil mengurangi stres pada sumber daya air tawar [ 122 – 125 ]. Memanfaatkan air asin atau payau dalam sistem maraponik memungkinkan pembudidayaan ikan air asin, halofit, dan tanaman euryhaline. Beberapa spesies tanaman yang cocok termasuk samphire ( Salicornia europaea ), quinoa ( Chenopodium quinoa ), orache merah ( Atriplex rosea ), okahijiki ( Salsola komarovii ), serta spesies ikan seperti udang whiteleg pasifik ( Litopenaeus vannamei ), drum merah ( Sciaenops ocellatus ), bass laut ( Centropristis striata ), dan ikan air laut ( Spondyliosoma cantharus ) [ 122 , 123 , 126 ]. Namun, ikan air asin memiliki persyaratan kualitas air yang ketat; Oleh karena itu, sistem ini memerlukan komponen tambahan, seperti filter pasir atau reaktor denitrifikasi aliran samping, untuk mengurangi konsentrasi padatan dan nitrat [ 80 , 124 , 127 ]. Penelitian telah menunjukkan bahwa mengintegrasikan spesies air payau dan laut dengan tanaman halofit dapat dilakukan, dan tanaman ini dapat berfungsi sebagai biofilter, menghilangkan nutrisi dan kontaminan melalui proses fitoremediasi dan mikroba [ 128 ].

Flokponik adalah jenis lain dari sistem akuaponik di mana sistem berbasis bioflok menggantikan RAS konvensional [ 129 ]. Pendekatan ini mengintegrasikan hidroponik dan akuakultur dengan teknologi bioflok, yang dapat menggantikan biofilter konvensional dengan meningkatkan pertumbuhan bioflok [ 130 ]. Bioflok ini dapat mencakup bakteri nitrifikasi, alga, dan protozoa yang membantu memecah limbah organik dan mendukung siklus nutrisi. Selain itu, bioflok dapat berfungsi sebagai sumber pakan in situ untuk ikan, dengan palatabilitasnya dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti jenis dan ukuran spesies ikan, kebutuhan pakan, dan ukuran serta kepadatan bioflok [ 131 ]. Sistem ini telah digunakan secara efektif pada nila [ 132 – 134 ] dan budidaya udang laut [ 135 , 136 ], yang menghasilkan pengurangan biaya pakan, produktivitas yang lebih tinggi, dan peningkatan biosafety. Teknologi bioflok dapat diterapkan pada sistem air tawar dan air asin, memungkinkan spesies untuk memanfaatkan bioflok untuk memenuhi kebutuhan nutrisi mereka sambil menurunkan biaya keseluruhan. Namun, bahkan sistem bioflok yang mapan terkadang dapat membatasi pertumbuhan tanaman karena akumulasi padatan di sekitar akar tanaman, yang dapat menghambat respirasi akar dan penyerapan nutrisi [ 137 ]. Konsentrasi padatan yang tinggi juga dapat berdampak negatif pada kinerja sistem dengan meningkatkan kebutuhan oksigen [ 129 ]. Oleh karena itu, mengelola padatan secara efektif dalam sistem ini sangat penting. Solusi potensial termasuk menggabungkan mekanisme filter baru untuk menghilangkan padatan, seperti ruang pengendapan, atau merancang sistem kompartemen yang memisahkan zona akuakultur dan akar tanaman, karena 65% sistem flokoponik menggunakan beberapa bentuk sistem filtrasi [ 129 ]. Strategi lain dapat melibatkan eksplorasi spesies tanaman yang lebih toleran terhadap akumulasi padatan atau merancang penyangga akar yang mengurangi paparan langsung terhadap partikel.

Vermiponik menggunakan kotoran cacing sebagai sumber nutrisi dalam sistem hidroponik [ 138 ]. Fitur uniknya terletak pada produksi produk sampingan vermikompos, seperti vermiwash dan lindi vermikompos, yang bertindak sebagai biofertilizer dan agen pengendalian hayati [ 139 ]. Mengintegrasikan vermikultur dan akuaponik meningkatkan pengelolaan limbah organik melalui pemanfaatan vermikompos yang kaya nutrisi. Misalnya, vermiwash ditemukan memiliki konsentrasi makronutrien (nitrogen, fosfor, dan kalium) yang jauh lebih tinggi daripada limbah akuakultur, yang mendorong pertumbuhan pigweed ( Amaranthus spp.) dan berdampak positif pada kandungan klorofil, karbohidrat, dan proteinnya [ 140 ]. Penambahan lindi vermikompos dalam bioponik berbasis limbah makanan juga telah meningkatkan efisiensi penggunaan nutrisi, terutama untuk nitrogen dan fosfor [ 141 ]. Vermiwash ditemukan tidak beracun dan bebas dari penghambat pertumbuhan, bahkan pada konsentrasi yang lebih tinggi [ 142 ]. Selain itu, penggunaan cacing tanah sebagai alternatif tepung ikan dalam akuakultur telah dieksplorasi dengan hasil yang menjanjikan untuk spesies seperti nila [ 143 ], ikan mas [ 144 ], dan ikan lele mentega ( Ompok bimaculatus ) [ 145 ]. Penggantian tepung ikan dengan tepung cacing tanah dalam pakan nila hingga 20% tidak menunjukkan efek negatif pada kinerja pertumbuhan, sedangkan penggantian 40% menyebabkan dampak merugikan pada histomorfologi usus, parameter darah, dan kesehatan hati [ 146 ]. Dengan demikian, mengoptimalkan campuran pakan sangat penting ketika menggunakan tepung cacing tanah sebagai alternatif tepung ikan.

Sistem penanaman yang terintegrasi secara vertikal, termasuk pertanian vertikal dan dinding hidup, dapat meningkatkan produktivitas tanaman secara signifikan. Dengan memungkinkan kepadatan penanaman sayuran yang lebih tinggi dibandingkan dengan sistem akuaponik bedengan horizontal tradisional [ 138 ], sistem ini meningkatkan efisiensi penggunaan ruang dan air [ 147 , 148 ]. Berbagai tanaman pangan, termasuk jagung pakan ternak ( Zea mays ), bayam ( Spinacia oleracea ), kemangi, sawi putih ( Cichorium intybus ), kacang asparagus ( Tetragonolobus purpureus ), selada, mint ( Mentha spp.), dan tomat, telah berhasil ditanam menggunakan pertanian vertikal, dengan hasil panen yang lebih baik dan kualitas nutrisi yang lebih baik [ 147 , 149 ]. Liu dkk. [ 150 ] menemukan bahwa pertanian vertikal meningkatkan hasil panen Gynura berdaun ( Gynura bicolor ) hingga 200% dan meningkatkan keuntungan hingga $5,5 per meter persegi, terutama karena berkurangnya penggunaan lahan dan peningkatan hasil panen dibandingkan dengan pertanian berbasis tanah konvensional. Selain itu, media seperti sabut kelapa dan wol mineral [ 147 ] dapat diintegrasikan dengan dinding hidup dan pertanian vertikal dalam akuaponik, sehingga mengurangi biaya dengan berfungsi sebagai media pertumbuhan dan penyaringan tanaman. Lebih jauh lagi, dengan menanam tanaman dalam lapisan bertumpuk atau sistem berorientasi vertikal, tanaman dapat diatur secara seragam, sehingga lebih mudah diakses oleh pemanen otomatis atau mekanis. Selain itu, kemajuan dalam teknologi pencahayaan LED telah memfasilitasi penelitian dan aplikasi yang difokuskan pada pengoptimalan kualitas cahaya untuk meningkatkan pertumbuhan, warna, rasa, dan kandungan fitonutrien dari sayuran berdaun hijau di pertanian vertikal dengan lingkungan terkendali [ 151 ].

Secara keseluruhan, inovasi lebih lanjut dalam sistem yang sesuai dengan tujuan ini telah menghasilkan peningkatan kinerja dan kemampuan beradaptasi. Sistem ini dapat disesuaikan untuk memenuhi kebutuhan pengguna tertentu, sehingga memungkinkan modifikasi di masa mendatang dalam desain sistem seiring munculnya inovasi.

6.2 Budidaya Bersama Alga dengan Tanaman
Inovasi dalam desain sistem telah memungkinkan integrasi mikro dan makroalga dengan tanaman dalam sistem akuaponik. Tujuan utama dari budidaya bersama alga adalah untuk meningkatkan kinerja sistem dengan mendukung pertumbuhan tanaman dan meningkatkan kualitas air, sekaligus menyediakan dua produk (tanaman dan alga). Integrasi tersebut dapat memberikan beberapa manfaat, termasuk peningkatan kualitas air, pengaturan pH, peningkatan konsentrasi DO, dan peningkatan hasil tanaman. Alga dapat tumbuh 20–30 kali lebih cepat daripada tanaman pangan terestrial tradisional [ 152 ] dan memiliki tingkat bioremediasi yang tinggi [ 153 ]. Akibatnya, integrasi alga ke dalam sistem akuaponik telah menunjukkan harapan besar untuk menghilangkan kelebihan nutrisi dari limbah akuakultur [ 154 – 156 ].

Tidak seperti kebanyakan tanaman akuaponik, yang terutama bergantung pada nitrat, spesies alga yang berbeda dapat memanfaatkan amonia dan nitrat [ 157 , 158 ]. Budidaya bersama mikroalga, seperti Chlorella spp., dengan tanaman dalam sistem rakit apung, telah terbukti efektif dalam mengendalikan konsentrasi amonia, mencapai efikasi dua kali lipat lebih tinggi dari sistem non-alga sambil meminimalkan persaingan untuk nitrat antara alga dan tanaman [ 154 ]. Lebih jauh lagi, budidaya bersama alga dan tanaman memfasilitasi penyerapan nutrisi yang cepat, karena alga menyerap nutrisi berlebih dan mendaur ulangnya menjadi bentuk yang dapat diserap secara biologis, melengkapi penyerapan nutrisi tanaman. Misalnya, memperkenalkan makroalga seperti Spirogyra spp. telah terbukti hampir menggandakan hasil tanaman dibandingkan dengan sistem akuaponik tradisional [ 156 ].

Alga dapat membantu mempertahankan tingkat pH optimal, yang penting untuk kesehatan ikan, tanaman, dan mikroorganisme yang bermanfaat. Melalui fotosintesis, alga menyerap CO 2 , membantu menstabilkan tingkat pH dan mengurangi fluktuasi yang terkait dengan nitrifikasi, yang menurunkan pH. Dalam operasi akuaponik, penambahan basa secara berkala seperti kalium hidroksida (KOH) dan kalsium hidroksida (Ca (OH) 2 ) adalah praktik umum untuk pengendalian pH. Alga secara alami meningkatkan tingkat pH dengan menggunakan bikarbonat (HCO 3 − ) selama fotosintesis, yang menghilangkan ion hidrogen [ 159 ]. Dengan demikian, mengintegrasikan komponen alga ke dalam sistem akuaponik dapat memberikan solusi alami untuk melawan pengasaman yang terkait dengan nitrifikasi, daripada bergantung pada aditif kimia.

Alga menghasilkan oksigen dalam kondisi fotoautotrofik, yang membantu mengurangi zona anaerobik di sekitar akar tanaman. Pengurangan dalam lingkungan anaerobik ini menurunkan produksi metabolit toksik [ 154 , 155 , 160 ] dan mencegah pembentukan sulfida, yang merupakan hasil dari reduksi sulfat disimilasi dalam lingkungan anaerobik [ 161 ]. Konsentrasi DO yang lebih tinggi meningkatkan laju respirasi tanaman, meningkatkan energi yang tersedia untuk pertumbuhan tanaman dengan meningkatkan produksi ATP melalui respirasi aerobik [ 162 ]. Misalnya, budidaya bersama tomat dengan Chlorella infusionum meningkatkan konsentrasi DO, meningkatkan laju respirasi akar, dan mendorong pertumbuhan tanaman [ 163 ]. Temuan ini memiliki implikasi signifikan untuk sistem akuaponik, di mana konsentrasi DO yang tinggi sangat penting. Namun, mempertahankan konsentrasi DO yang tinggi melalui aerasi yang konstan mahal dan membutuhkan banyak energi.

Pertumbuhan alga yang berlebihan dalam sistem akuaponik dapat menjadi masalah karena alga bersaing dengan tanaman untuk mendapatkan nutrisi, ruang, dan cahaya. Pada malam hari, alga beralih dari memproduksi oksigen melalui fotosintesis menjadi mengonsumsinya melalui respirasi, yang dapat menurunkan konsentrasi DO dalam sistem secara drastis. Masalah ini memburuk ketika biomassa alga membusuk dan terjadi degradasi mikroba, yang selanjutnya menguras DO. Dalam sistem dengan kepadatan alga yang tinggi, peningkatan kebutuhan oksigen ini dapat menyebabkan kondisi hipoksia, yang membuat lingkungan tidak cocok untuk ikan, tanaman, dan mikroorganisme yang bermanfaat [ 164 ]. Dalam kasus yang parah, kondisi ini dapat menyebabkan kegagalan sistem yang cepat dan kematian massal.

Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan pemanenan biomassa alga secara teratur. Biomassa alga yang dipanen dapat digunakan sebagai pakan akuatik atau diolah menjadi bioproduk bernilai tambah lainnya. Pengelolaan ledakan populasi alga yang efektif dalam sistem akuaponik dan akuakultur memerlukan pemahaman menyeluruh tentang dinamika sistem dan pemantauan konstan terhadap DO, pH, EC, dan konsentrasi nutrisi, di antara parameter kualitas air dan lingkungan lainnya.

6.3 Teknologi Mikro-Nanobubble
Mempertahankan konsentrasi DO yang memadai sangat penting untuk kualitas air dan kesehatan ikan, tanaman, dan mikroorganisme yang bermanfaat. Ikan memperoleh oksigen melalui insangnya, dan konsentrasi DO yang rendah dapat menyebabkan stres berat. Demikian pula, mikroorganisme aerobik, seperti bakteri nitrifikasi, membutuhkan oksigen untuk menjalankan proses metabolisme utama. DO juga penting untuk fungsi akar tanaman dan penyerapan nutrisi.

Teknologi MNB merupakan alternatif yang menjanjikan untuk metode aerasi konvensional untuk memberikan DO secara efektif dalam sistem akuaponik [ 66 , 165 – 167 ]. MNB mencakup gelembung mikro (1–100 μm) dan gelembung nano (< 1 μm), yang dicirikan oleh potensi zeta negatif yang tinggi dan laju perpindahan massa gas–cair yang tinggi [ 166 , 168 ]. Tidak seperti gelembung yang lebih besar, MNB bertahan dalam fase air untuk waktu yang lama, dari minggu hingga bulan [ 168 , 169 ]. MNB memfasilitasi berbagai fenomena, termasuk interaksi hidrofobik (yaitu, penyerapan molekul atau partikel hidrofobik, yang memusatkan zat-zat ini di dekat permukaan gelembung) dan pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS), yang dapat meningkatkan perkecambahan benih dan berpotensi pertumbuhan tanaman dalam sistem akuaponik [ 170 ]. Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa generator MNB mengungguli aerator konvensional dengan memberikan konsentrasi DO yang lebih tinggi untuk jangka waktu yang lebih lama [ 66 , 171 ]. Beberapa tinjauan telah membahas mekanisme dan aplikasi teknologi MNB di berbagai bidang, termasuk pertanian dan akuaponik [ 166 , 170 , 172 ].

Teknologi ini sangat adaptif untuk digunakan dalam sistem hidroponik, akuaponik, dan akuakultur, karena dapat dengan mudah dimasukkan ke dalam tangki reservoir nutrisi dan bedengan tanam. Dalam sistem MNB, udara sering kali lebih disukai karena dapat dipasok dengan mudah dan hemat biaya menggunakan kompresor sederhana. Namun, oksigen dapat meningkatkan konsentrasi DO hingga lima kali lipat dibandingkan dengan udara [ 173 ]. Untuk memanfaatkan oksigen-MNB, generator MNB sering kali menggunakan konsentrator oksigen portabel untuk mengekstraksi dan memurnikan oksigen dari udara sekitar. Pengaturan ini menghilangkan kebutuhan untuk pasokan udara terus-menerus, karena pasokan oksigen murni yang terputus-putus dapat memenuhi persyaratan DO sistem secara memadai.

Marcelino et al. [ 66 ] mempelajari penerapan teknologi MNB dalam sistem akuaponik rakit apung, dengan fokus pada konsentrasi DO, biomassa tanaman dan ikan, dan transformasi nitrogen. Dengan menggunakan metode pelarutan tekanan untuk menghasilkan MNB, konsentrasi DO di bedengan tumbuh meningkat hingga sekitar 10,0 mg/L, dibandingkan dengan 6,0 mg/L dengan diffuser konvensional. Aerasi MNB menghasilkan peningkatan 35% dalam total hasil selada butterhead, peningkatan 20% dalam biomassa akar tanaman, dan konsentrasi nitrat yang lebih tinggi. Namun, biomassa ikan tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan, kemungkinan karena dampak aerasi MNB pada konsentrasi DO terbatas pada bedengan tumbuh. Meskipun penerapan teknologi MNB dalam sistem akuaponik telah menunjukkan peningkatan yang menjanjikan dalam perpindahan massa oksigen, transformasi nutrisi, dan pertumbuhan tanaman, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk memahami bagaimana MNB memengaruhi pertumbuhan tanaman, kualitas tanaman, dan kesehatan ikan.

Penerapan teknologi MNB dalam akuaponik skala komersial memerlukan desain dan pertimbangan yang cermat. Optimalisasi aerasi dan oksigenasi sangat penting, karena sistem dengan teknologi MNB yang canggih dapat mempertahankan konsentrasi DO yang tinggi, sehingga mengurangi kebutuhan akan aerasi atau oksigenasi berkelanjutan. Pengguna dapat memanfaatkan sistem relai yang menyalurkan gas berdasarkan ambang batas DO yang telah ditetapkan, memastikan penyaluran oksigen yang efisien sekaligus menghemat energi listrik dan pasokan gas. Namun, penerapan yang berhasil memerlukan keahlian teknologi pengguna untuk menyiapkan dan mengelola sistem kontrol proses ini secara efektif.

6.4 Otomasi Sistem dan Teknologi Sensor Nirkabel
Otomatisasi sistem dan teknologi komunikasi nirkabel modern telah menjadi bagian integral dari pertanian, yang mencakup pendekatan pertanian berbasis tanah dan tanpa tanah. Otomatisasi menawarkan beberapa keuntungan, seperti mengurangi tenaga kerja manual dan memungkinkan pengambilan keputusan secara real-time [ 20 ]. IoT mengintegrasikan sensor, perangkat lunak, dan konektivitas internet ke dalam perangkat fisik (yaitu, komputer, tablet, dan telepon pintar), yang memungkinkan pemantauan, kontrol, dan otomatisasi jarak jauh. Pengumpulan dan transfer data berkelanjutan ini meningkatkan proses pengambilan keputusan dan efisiensi operasional. Dengan teknologi 4G dan 5G yang menyediakan akses internet yang andal, konektivitas IoT telah menjangkau banyak lokasi terpencil [ 22 ].

Dalam operasi sistem akuaponik, meter genggam umumnya digunakan untuk mengukur parameter, seperti pH, DO, EC, dan suhu. Nutrisi seperti amonia, nitrit, nitrat, dan fosfat biasanya ditentukan melalui analisis laboratorium basah [ 174 , 175 ]. Namun, kedua metode tersebut memerlukan keterlibatan manusia yang cukup besar dan memakan waktu. Untuk mengurangi waktu dan biaya tenaga kerja, teknologi IoT dan jaringan sensor nirkabel telah menunjukkan potensi yang menjanjikan untuk memantau dan mengendalikan sistem akuaponik [ 176 – 178 ]. Mikrokontroler, seperti yang dari Arduino AG dan Raspberry Pi Foundation, sering diintegrasikan dengan sensor untuk membangun sistem IoT. Misalnya, sistem akuaponik dengan mikrokontroler yang terhubung ke sistem pemantauan jarak jauh dan kontrol otomatis berbasis cloud IoT Ubuntu berhasil digunakan untuk memantau pH, ketinggian air, suhu air, dan pemberian makan ikan [ 179 ]. Mengintegrasikan sensor dengan sistem kontrol otomatis untuk mengatur kondisi lingkungan meminimalkan kesalahan manusia dan mencegah kekurangan nutrisi [ 115 ].

Aplikasi seluler (dapat diakses melalui telepon pintar, tablet, dan peramban web) telah dikembangkan untuk mengirimkan peringatan dini dan peringatan waktu nyata kepada pengguna, sehingga memungkinkan intervensi tepat waktu [ 180 , 181 ]. Pemilihan antara platform berbasis seluler dan berbasis web bergantung pada kebutuhan pemantauan dan kontrol spesifik pengguna. Selain itu, mengintegrasikan sistem IoT multi-sensor nirkabel melalui platform Arduino telah mengurangi biaya tenaga kerja dalam operasi akuaponik komersial [ 182 ].

Sistem bertenaga AI menggunakan algoritma logika kompleks, seperti jaringan saraf dalam untuk meningkatkan kemampuan prediksi dan pengambilan keputusan, yang telah diterapkan untuk mengoptimalkan kinerja sistem dalam pengaturan nutrisi, identifikasi penyakit, dan estimasi biomassa ikan [ 183 – 186 ]. Algoritma AI ini dapat memperkirakan parameter, seperti pH, kelembapan, intensitas cahaya, suhu, dan level air, berdasarkan data yang dikumpulkan. Dengan menganalisis data historis dan pembacaan sensor waktu nyata, algoritma ini dapat mengidentifikasi pola dan memprediksi potensi kerusakan atau malfungsi [ 187 ]. Misalnya, Taha et al. [ 186 ] menggunakan jaringan saraf dalam untuk mendiagnosis konsentrasi nutrisi dalam kultivar selada yang ditanam dalam sistem akuaponik, mencapai akurasi sekitar 96%. Dengan demikian, sistem pendukung keputusan bertenaga AI dapat menggabungkan dan menganalisis data dari sensor IoT [ 188 ], log kinerja sistem, dan tren pasar untuk memberikan wawasan yang dapat ditindaklanjuti bagi operator sistem akuaponik. Hal ini memungkinkan pengambilan keputusan berdasarkan data, mengoptimalkan operasi sistem, dan mengarah pada peningkatan pemanfaatan sumber daya dan penghematan biaya.

Sementara otomatisasi sistem melalui robotika merupakan solusi yang menjanjikan, hal itu masih relatif mahal [ 189 ]. Dalam akuaponik, robot otomatis yang diprogram dengan algoritma canggih dapat melakukan tugas-tugas seperti pemberian makan, pemantauan air, dan pemanenan tanaman. Perusahaan-perusahaan seperti Iron Ox (San Carlos, CA, AS), Bowery Farming (New York, NY, AS), Tortuga Automation (Denver, CO, AS), Harvest Automation (Billerica, ME, AS), dan AppHarvest (Burlington, MA, AS), antara lain, memanfaatkan robotika dan AI dalam sistem pangan. Jadi, dengan menggabungkan robotika ke dalam akuaponik, teknologi ini dapat mengurangi biaya tenaga kerja, meningkatkan keamanan pangan, dan mengoptimalkan penggunaan sumber daya, yang pada akhirnya mengarah pada sistem yang lebih otomatis dan efisien.

Penerapan teknologi IoT, AI, dan otomatisasi dalam sistem akuaponik tingkat lanjut akan membutuhkan tenaga kerja dengan keterampilan khusus. Investasi awal, biaya operasional, dan persyaratan konektivitas internet serta sistem manajemen data dapat menimbulkan beban finansial dan teknis bagi petani, khususnya mereka yang mengelola pertanian skala kecil atau dengan sumber daya terbatas. Namun, seiring dengan kemajuan teknologi ini, manfaatnya, termasuk peningkatan kinerja sistem, pengurangan kebutuhan tenaga kerja, dan penghematan biaya lainnya, kemungkinan besar akan lebih besar daripada tantangannya [ 190 – 193 ].

6.5 Media Biofilter
Dalam sistem akuaponik, biofilter sangat penting untuk menjaga kualitas air dan mendukung pertumbuhan tanaman dan ikan yang sehat. Sebagai tempat utama untuk transformasi nutrisi, biofilter biasanya menggunakan bahan ringan dan berpori (yaitu, media) untuk menyediakan area permukaan yang besar untuk kolonisasi mikroba. Komponen lain, seperti bedengan tumbuh yang diisi media, pipa, dan dinding tangki, juga dapat mendukung pembentukan biofilm dan memfasilitasi proses transformasi nutrisi [ 194 ]. Selain nitrifikasi, biofilter dapat membantu menghilangkan padatan organik. Akumulasi padatan organik yang berlebihan dapat menyebabkan zona anaerobik yang menghasilkan senyawa berbahaya, seperti amonia dan sulfida [ 195 ]. Dalam kasus seperti itu, biofilter dapat membantu dalam dekomposisi dan mineralisasi padatan [ 196 ]. Biofilter juga membantu dalam pengendalian penyakit dengan mengurangi patogen yang ditularkan melalui air dan meminimalkan penggunaan bahan kimia, meskipun perawatan tambahan seperti sterilisasi panas atau UV mungkin diperlukan untuk menghilangkan patogen sepenuhnya [ 194 ]. Mengingat pentingnya mereka, memilih media biofilter yang tepat sangat penting. Media biofilter yang ideal harus tersedia secara luas, hemat biaya, terbarukan, tahan lama, dan memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi. Berbagai media biofilter telah dieksplorasi berdasarkan ketersediaan, kinerja, dan kesesuaiannya, seperti yang dirangkum dalam Tabel 5 .

Media berbasis plastik dan polimer umumnya digunakan dalam akuaponik karena sifatnya yang ringan dan serbaguna dalam dibentuk menjadi berbagai bentuk dan ukuran. Salah satu jenis yang paling umum adalah manik-manik Kaldnes K1, yang dirancang untuk memiliki luas permukaan yang tinggi untuk perlekatan mikroba [ 41 , 66 ]. Namun, kekhawatiran utama yang muncul mengenai media plastik adalah potensinya untuk melepaskan mikroplastik ke dalam sistem. Pada biofilter alas bergerak, gaya geser dan gesekan yang tinggi dapat menyebabkan fragmentasi, yang menyebabkan pelepasan mikroplastik [ 209 ]. Hal ini menimbulkan masalah lingkungan dan kesehatan, khususnya untuk keamanan pangan dalam sistem akuaponik.

Media yang berasal dari alam, seperti pasir, batu, dan kerikil, memiliki beberapa keuntungan sebagai media biofilter, termasuk daya tahan (yaitu, tahan terhadap kerusakan fisik dan kimia) dan kemanjuran tinggi dalam menghilangkan padatan [ 201 , 210 ]. Kepadatannya yang tinggi meminimalkan perpindahannya di dalam biofilter, memastikan operasi yang stabil. Dalam sistem yang diisi media, kerikil telah terbukti meningkatkan hasil biomassa selada hingga 22% dibandingkan dengan sistem rakit apung dan NFT [ 30 ]. Sistem berbasis kerikil dapat mendukung kepadatan penebaran ikan yang tinggi, seperti 250 ikan/m 3 , membuatnya sangat cocok untuk sistem akuaponik intensif [ 200 ]. Namun, media ini memerlukan pembersihan yang sering untuk mencegah masalah, seperti pertumbuhan alga, penyumbatan, dan pengerasan media (yaitu, penumpukan mineral dan biofilm yang mengendap secara bertahap yang mengikat media), yang dapat memakan waktu dan tenaga kerja.

LECA umumnya digunakan dalam sistem akuaponik berisi media karena kepadatannya yang rendah, luas permukaan yang tinggi, dan kemampuan retensi air yang tinggi. Penelitian telah menunjukkan bahwa penggunaan LECA sebagai media dapat menghasilkan peningkatan dua kali lipat dalam hasil panen [ 29 ] dan penghilangan nutrisi yang lebih tinggi, termasuk amonia, nitrat, dan ortofosfat, dibandingkan dengan sistem akuaponik rakit apung [ 211 ]. Meskipun memiliki keunggulan ini, penggunaan LECA sebagai media bisa mahal, karena umumnya lebih mahal daripada media lain, seperti kerikil dan pasir. Selain itu, LECA rapuh dan dapat rusak karena tekanan mekanis, yang dapat mengurangi masa pakai dan efektivitasnya.

Media lignoselulosa, yang terbarukan dan biodegradable, juga telah digunakan karena kemampuan retensi air dan nutrisi yang tinggi. Cocopeat [ 203 , 204 ], sekam padi [ 204 ], cangkang tapak dara, cangkang inti sawit [ 28 ], dan jerami [ 206 ] adalah beberapa media lignoselulosa yang umum digunakan. Media ini sangat berpori dan mengandung mikro dan makronutrien, membuatnya cocok sebagai media biofilter dan media tempat tumbuh tanaman. Dalam sistem akuaponik, media lignoselulosa berfungsi sebagai penyangga pH alami, menyediakan nutrisi penting yang meningkatkan hasil panen. Misalnya, aplikasi sekam padi karbonisasi dan cocopeat telah menghasilkan peningkatan lima kali lipat dalam hasil panen dibandingkan dengan LECA [ 204 ]. Namun, media lignoselulosa memiliki umur pendek karena dekomposisi yang cepat. Saat terurai, media ini dapat menyumbat sistem, mengurangi efisiensi filtrasi, dan memerlukan penggantian yang sering. Dekomposisi juga dapat melepaskan tanin atau senyawa fenolik lainnya, yang dapat berdampak negatif pada kinerja sistem [ 212 ]. Selain itu, profil nutrisi bahan lignoselulosa sangat bervariasi tergantung pada sumbernya, yang berpotensi menyebabkan ketidakseimbangan atau kekurangan yang memerlukan pemantauan dan suplementasi yang cermat.

Biochar adalah media biofilter menjanjikan lainnya yang telah menunjukkan potensi untuk meningkatkan kualitas air dan meningkatkan hasil panen dalam sistem akuaponik [ 64 , 207 ]. Misalnya, Su et al. [ 64 ] melaporkan bahwa biochar yang berasal dari cangkang inti sawit secara signifikan meningkatkan kadar nitrat dalam sistem akuaponik dibandingkan dengan yang tanpa penambahan biochar. Hal ini kemungkinan karena kolonisasi NOB yang lebih besar pada biochar, seperti yang ditunjukkan oleh massa biofilm yang lebih tinggi di permukaannya. Selain mengurangi konsentrasi amonia beracun, sifat basa dari biochar juga menahan kadar pH, yang memastikan kelangsungan hidup ikan 100% [ 64 ]. Namun, sifat-sifat biochar, seperti porositasnya yang tinggi, kapasitas penyangga pH, dan kapasitas retensi nutrisi, bervariasi tergantung pada jenis bahan baku dan proses produksi [ 213 ]. Oleh karena itu, pengguna perlu hati-hati memilih biochar yang sesuai dengan kebutuhan dan tujuan spesifik mereka.

Secara keseluruhan, perancangan biofilter untuk sistem akuaponik melibatkan pencocokan media biofilter dengan kebutuhan fungsional tertentu. Ini dapat mencakup penyaringan fisik, media untuk pertumbuhan tanaman, transformasi nutrisi, atau pendukung mikroorganisme yang bermanfaat. Setiap fungsi memerlukan sifat media biofilter yang berbeda, sehingga sangat penting untuk menyelaraskan desain biofilter dengan hasil yang diharapkan dari sistem.

6.6 Pendekatan Mutakhir untuk Mikrobioma Akuaponik
Komunitas mikroba berbeda-beda di berbagai komponen sistem akuaponik, sehingga perlu untuk memantau komunitas mikroba yang beragam [ 11 , 19 , 82 ]. Untuk memantau komunitas mikroba ini secara efektif, diperlukan pendekatan metagenomik berthroughput tinggi. Bagian ini membahas kemajuan terkini dalam menganalisis dan memanipulasi komposisi komunitas mikroba dalam sistem akuaponik (Gambar 1 ).

6.6.1 Kemajuan dalam Karakterisasi Komunitas Mikroba
DNA mikroba dan total dari sistem akuaponik sering diekstraksi menggunakan kit yang tersedia secara komersial (misalnya, EZNA Soil DNA Kit (Omega, Georgia, AS) [ 214 ] dan DNeasy Powersoil Pro Kit (Qiagen, Hilden, Jerman) [ 66 ]). Pemrosesan DNA hilir melalui amplifikasi gen target melalui reaksi berantai polimerase (PCR) telah memungkinkan eksplorasi komunitas mikroba. Teknik berbasis PCR, termasuk sequencing 16S ribosomal RNA (rRNA) [ 66 , 106 , 215 ], adalah metode yang paling banyak digunakan untuk mengamplifikasi sekuens DNA mikroba. Teknologi sequencing generasi berikutnya, seperti MiSeq (Illumina, AS), telah berperan penting dalam mengidentifikasi bakteri yang sebelumnya tidak dikulturkan dan mengungkap gen fungsional yang terlibat dalam siklus nitrogen dan karbon dalam sistem akuaponik [ 216 ]. Platform ini menawarkan kapasitas throughput, panjang baca, dan aplikasi yang bervariasi, yang memungkinkan pemahaman menyeluruh tentang keragaman mikroba dan memfasilitasi deteksi patogen potensial [ 106 , 167 , 217 ]. Menggunakan amplifikasi PCR dan sequencing MiSeq, mikroba nitrifikasi (misalnya, Nitrosomonas spp. dan Nitrospira spp.), mikroba denitrifikasi (misalnya, Rhodobacter spp. dan Hydrogenophaga spp.), dan mikroba pemacu pertumbuhan tanaman (misalnya, Bacillus spp.) telah diidentifikasi sebagai mikroorganisme kunci untuk stabilitas jangka panjang sistem ini [ 106 ].

Teknik lain yang digunakan untuk mengkarakterisasi mikroorganisme meliputi shotgun metagenomics, metatranscriptomics, metaproteomik, dan metabolomik [ 19 ]. Shotgun metagenomics melibatkan pengurutan total DNA yang diekstraksi dari sampel lingkungan, menyediakan profil komprehensif dari semua gen yang ada dalam komunitas mikroba. Analisis metagenomik memberikan wawasan tentang bagaimana kelompok mikroba yang berbeda berinteraksi dalam suatu sistem, dan bagaimana mereka berkontribusi pada siklus nutrisi dan pertumbuhan tanaman [ 108 ]. Teknologi ini membantu menjelaskan komposisi genetik dan potensi fungsional populasi mikroba, membantu mengidentifikasi faktor mikroba yang bertanggung jawab atas masalah seperti wabah penyakit dalam sistem akuaponik [ 218 ]. Selain itu, metatranscriptomics, proteomik, dan metabolomik menawarkan wawasan fungsional ke dalam ekspresi gen, translasi protein, dan jaringan metabolit dalam komunitas mikroba [ 82 ]. Dalam sistem akuaponik, metatranscriptomics berguna untuk mengkarakterisasi gen yang terkait dengan degradasi bahan organik [ 19 ].

Teknologi lain yang berkembang pesat untuk menyelidiki mikrobioma mencakup metabolomik dan metaproteomik [ 219 ]. Meskipun belum banyak digunakan dalam sistem akuaponik, metabolomik memungkinkan pembuatan profil metabolit molekul kecil yang komprehensif dalam komunitas mikroba, menawarkan wawasan tentang komposisi mereka dalam kondisi tertentu (yaitu, respons metabolik nitrifikasi heterotrofik-denitrifikasi aerobik dalam berbagai konsentrasi amonium dan respons perkembangan akar dalam kondisi aliran hidrolik) [ 220 ]. Metabolomik telah diterapkan di berbagai bidang, termasuk studi aktivitas mikroba, analisis genetik, dan identifikasi gen, dan menunjukkan harapan untuk aplikasi serupa dalam sistem akuaponik [ 221 ]. Selain itu, metaproteomik melibatkan deteksi dan kuantifikasi polipeptida yang ditranskripsi oleh mikrobiota [ 222 , 223 ]. Dengan menganalisis protein yang diidentifikasi dan dikuantifikasi, teknik ini memungkinkan untuk memperkirakan enzim, hormon, dan biomassa fungsional spesies individu dalam komunitas mikroba [ 224 ].

Secara keseluruhan, pendekatan analitis tingkat lanjut ini memberikan peluang untuk mempelajari aktivitas metabolisme mikrobioma dalam sistem akuaponik. Pendekatan ini telah menghasilkan wawasan berharga tentang jalur metabolisme dan aktivitas enzim yang bertanggung jawab atas siklus nutrisi dan dekomposisi bahan organik. Pemahaman yang komprehensif tentang ekologi mikroba, termasuk fungsi spesifiknya dalam sistem akuaponik, sangat penting untuk memanipulasi komunitas mikroba secara efektif guna mencapai tujuan tertentu. Dengan mengeksplorasi hubungan rumit antara mikroorganisme dan lingkungannya, komunitas mikroba dapat dimanipulasi untuk meningkatkan siklus nutrisi dan dekomposisi bahan organik.

6.6.2 Kemajuan dalam Manipulasi Mikroba
Kemajuan dalam manipulasi komunitas mikroba menawarkan strategi yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja sistem akuaponik. Ada empat pendekatan utama untuk mengoptimalkan profil komunitas mikroba: (i) menambahkan probiotik [ 141 ], (ii) memperkenalkan prebiotik [ 225 ], (iii) menerapkan simbiosis [ 226 ], dan (iv) menjaga kualitas air yang optimal [ 227 ].

Aplikasi probiotik dalam sistem akuaponik melibatkan penambahan langsung mikroorganisme yang bermanfaat, seperti Bacillus mesentericus , Streptococcus faecalis , dan Clostridium butyricum [ 228 ]. Sebaliknya, penambahan prebiotik, seperti karbohidrat, asam humat, dan nutrisi lainnya, merangsang kelompok mikroba yang bermanfaat, termasuk Proteobacteria dan Bacteroidetes [ 217 , 229 ]. Penambahan probiotik dan/atau prebiotik telah terbukti meningkatkan fiksasi nitrogen, mineralisasi, dan manajemen penyakit, serta meningkatkan hasil panen dengan memperkenalkan atau merangsang mikroorganisme bermanfaat yang mendegradasi atau menetralkan polutan dan patogen [ 228 , 230 , 231 ].

Selain itu, simbiotik, yang menggabungkan probiotik dan prebiotik, memiliki efek menguntungkan pada ikan. Penelitian telah menunjukkan bahwa simbiotik meningkatkan keanekaragaman mikroorganisme usus pada ikan dengan memodifikasi komposisi dan fungsi mikrobiota usus [ 226 ]. Peningkatan tersebut telah dikaitkan dengan peningkatan efisiensi pencernaan, kemampuan antioksidan, dan kesehatan usus, yang menghasilkan peningkatan pertumbuhan ikan. Misalnya, suplementasi dengan Bacillus spp. sebagai probiotik [ 232 ] telah terbukti mengubah populasi mikroba secara positif dalam usus ikan, meningkatkan hasil ikan, kualitas air (dengan nitrat tinggi dan TDS rendah), dan enzim pencernaan seperti α-amilase (enzim hidrolitik). Selain itu, menjaga kualitas air yang optimal membantu membentuk komunitas mikroba [ 100 ]. Pemantauan dan kontrol rutin parameter kualitas air utama, termasuk konsentrasi pH dan DO [ 66 , 215 , 229 ], mendukung pertumbuhan dan pemeliharaan bakteri menguntungkan, seperti Nitrospira spp. dan Nitrosomonadales [ 215 ], Bacillus spp. [ 100 ], dan pengurai bahan organik lainnya.

Keseimbangan ekologi dan simbiosis di antara kelompok mikroba sangat penting untuk meningkatkan pemulihan nutrisi. Dengan menerapkan intervensi ini secara teratur [ 19 , 215 , 233 ], hal ini memungkinkan pengelolaan komunitas mikroba yang optimal, mencegah persaingan atau dominasi berlebihan oleh r-strategis yang tumbuh cepat, seperti pemanfaat karbon organik dan bakteri pengendali penyakit ikan. Untuk merestrukturisasi profil komunitas mikroba secara efektif, penting untuk memahami kelompok bakteri utama yang umum ditemukan dalam sistem akuaponik. Kelompok-kelompok ini, yang bervariasi dalam kelimpahan relatif di seluruh filum, meliputi Actinobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Nitrospirae, Fusobacteriia, Planctomycetes, dan Chloroflexi [ 19 ].

Meskipun mikrobioma dalam sistem akuaponik bersifat kompleks dan bervariasi secara signifikan di berbagai komponen [ 19 ], metode ini memungkinkan praktisi untuk secara sengaja membentuk komunitas mikroba yang diinginkan. Komunitas mikroba dalam beberapa komponen akuaponik dapat direstrukturisasi agar sesuai dengan fungsi spesifik setiap unit [ 102 ]. Komponen akuaponik tertentu mengandung mikroorganisme kunci yang sangat melimpah, yang terkait dengan sistem akuaponik berkinerja tinggi. Dengan mengidentifikasi dan menargetkan mikroorganisme kunci ini, kinerja sistem secara keseluruhan dapat ditingkatkan.

7 Kelayakan Ekonomi Sistem Akuaponik
Kelayakan ekonomi sistem akuaponik telah banyak dipelajari dalam beberapa tahun terakhir [ 234 – 237 ]. Meskipun pemerintah dan organisasi internasional, seperti Uni Eropa dan Perserikatan Bangsa-Bangsa, telah menunjukkan minat, adopsi sistem akuaponik skala komersial masih terbatas, dengan hanya beberapa operasi akuaponik yang menghasilkan laba hanya melalui penjualan tanaman [ 71 , 238 – 240 ]. Ketersediaan terbatas data ekonomi yang komprehensif dan metrik standar untuk menilai kelayakan ekonomi menciptakan ketidakpastian tentang profitabilitas operasi sistem akuaponik [ 24 ], yang menghambat adopsi dan komersialisasi mereka. Faktor-faktor lain yang membatasi kelayakan operasi akuaponik termasuk biaya modal yang tinggi untuk menyiapkan sistem, keahlian teknis yang diperlukan untuk mengelola produksi tanaman dan ikan, dan permintaan energi untuk menjaga kondisi air dan udara yang optimal. Tantangan regulasi, khususnya yang terkait dengan sertifikasi organik atau standar keamanan pangan, semakin mempersulit peningkatan skala operasi. Selain itu, persaingan dari produk pertanian dan produk akuakultur tradisional sering kali memengaruhi daya saing pasar dan kelayakan ekonomi sistem akuaponik.

Meskipun ada tantangan-tantangan ini, beberapa studi telah menilai kelayakan ekonomi sistem akuaponik [ 68 , 241 , 242 ]. Misalnya, Baganz et al. [ 236 ] menunjukkan bahwa sistem akuaponik dapat layak secara ekonomi, terutama jika parameter desain, seperti ruang budidaya, dioptimalkan. Quagrainie et al. [ 243 ] menemukan bahwa sistem akuaponik di Midwest AS lebih mahal daripada sistem hidroponik. Tingginya investasi, tenaga kerja, dan permintaan energi dari sistem akuaponik, dikombinasikan dengan prevalensi pertanian skala kecil [ 71 ], menyebabkan variabilitas substansial dalam margin keuntungan [ 244 ]. Selain itu, biaya operasional yang tinggi—seperti pakan ikan, tenaga kerja, energi, dan kebutuhan akan keahlian dalam akuakultur dan hortikultura—membuat keberhasilan komersial lebih sulit [ 245 , 246 ]. Namun, kemajuan teknologi, seperti otomatisasi sistem, dapat meringankan beberapa beban keuangan dengan meminimalkan kebutuhan untuk pemantauan manual [ 247 ]. Penggunaan alga sebagai pakan ikan juga dapat mengimbangi sebagian biaya pakan ikan sambil tetap menjaga kualitas nutrisinya [ 248 – 250 ]. Pada akhirnya, faktor-faktor ekonomi fundamental, termasuk biaya modal, biaya operasional, dan harga pasar untuk produk, tetap menjadi penentu penting profitabilitas [ 24 ].

Produk akuaponik telah diterima di beberapa negara, termasuk AS, Israel, dan Australia [ 68 , 238 ]. Meskipun adopsi meningkat, ada perdebatan yang sedang berlangsung tentang konsumsi produk yang ditanam secara akuaponik, khususnya berkenaan dengan implikasi kesehatannya, klasifikasinya sebagai “organik,” hambatan administratif, proses sertifikasi yang rumit, dan kerangka hukum khusus [ 251 , 252 ]. Kurangnya regulasi yang jelas dan hambatan birokrasi yang terkait dengan perizinan, otorisasi penjualan, dan izin semakin memperumit situasi. Sebagai tanggapan, beberapa produsen telah mengembangkan skema sertifikasi independen seperti sertifikasi Aquaculture Stewardship Council (ASC) untuk ikan dan sertifikasi bebas pestisida untuk sayuran sebagai solusi potensial untuk hambatan ini [ 252 ]. Namun, di AS, USDA baru-baru ini mengklasifikasikan produk akuaponik sebagai “organik,” yang telah meningkatkan penerimaannya [ 253 ]. Akibatnya, lebih banyak konsumen memilih produk yang ditanam secara akuaponik karena masalah kesehatan dan potensi manfaat ekonomi bagi petani [ 24 ]. Dalam akuaponik komersial, produksi sayuran sering diprioritaskan dibandingkan budidaya ikan karena penjualan sayuran dapat mencapai 90% dari keuntungan usaha akuaponik [ 32 , 244 ]. Meskipun produksi ikan dalam unit resirkulasi cenderung lebih mahal dibandingkan budidaya sayuran hidroponik, yang menyebabkan potensi kerugian keuntungan, spesies ikan bernilai tinggi dapat menawarkan margin keuntungan yang menjanjikan [ 32 ].

Secara keseluruhan, kinerja ekonomi setiap sistem akuaponik bervariasi tergantung pada berbagai faktor seperti lokasi, jenis produksi, spesies, dan sistem yang digunakan. Masa depan akuaponik, bahkan dalam menghadapi perubahan iklim, kemungkinan akan menjadi lebih mudah diakses seiring dengan peningkatan teknologi, yang meningkatkan kelangsungan hidupnya di wilayah dengan sumber daya terbatas. Selain itu, ketika dipasarkan sebagai produk alami atau organik, harga produk akuaponik dapat mencapai 18% lebih tinggi daripada produk konvensional, sehingga meningkatkan potensi ekonominya [ 243 ]. Namun, profitabilitas tetap rentan terhadap fluktuasi pasar dan risiko produksi, sehingga membuat peramalan keuangan yang akurat menjadi tantangan. Biaya tenaga kerja dan pengeluaran tambahan, seperti penggunaan listrik dan air, didorong oleh pemantauan kualitas air, pembuangan limbah padat, dan penyesuaian laju pemberian pakan [ 68 ]. Menggabungkan manfaat lingkungan dari akuaponik dapat meningkatkan daya saingnya secara signifikan. Dengan menghemat lahan, meningkatkan efisiensi nutrisi, mengurangi emisi GRK, dan menghemat air, akuaponik mengungguli akuakultur dan hidroponik tradisional. Keunggulan keberlanjutan ini tidak hanya menurunkan biaya operasional tetapi juga meningkatkan daya tarik pasar. Mengukur dampak ini dapat mengungkap peluang ekonomi yang belum dimanfaatkan. Namun, masalah kerahasiaan sering kali membatasi akses ke data ekonomi terperinci dari pertanian komersial, terutama dalam jangka waktu yang panjang, yang mempersulit upaya untuk mengoptimalkan operasi sistem akuaponik secara ekonomis. Oleh karena itu, pemahaman terperinci tentang biaya dan profitabilitas sangat penting untuk meningkatkan kinerja ekonomi sistem akuaponik.

8 Tantangan dan Perspektif
Keberhasilan akuaponik sangat bergantung pada produktivitas tanaman. Meskipun ada tantangan dalam mengoperasikan sistem akuaponik, para peneliti dan petani akuaponik secara aktif mencari cara untuk meningkatkan kinerja mereka secara keseluruhan. Tinjauan kritis ini meneliti (i) jenis sistem akuaponik, (ii) parameter operasional, (iii) aliran material air dan nutrisi, (iv) komunitas mikroba, dan (v) teknologi yang muncul untuk mengoptimalkan kinerja sistem dan meningkatkan hasil panen. Pendekatan tingkat lanjut, seperti aeroponik dan pertanian vertikal, serta teknologi terkini seperti budidaya bersama alga, teknologi MNB, otomatisasi sistem, dan kemajuan dalam karakterisasi mikroba, dapat secara substansial meningkatkan kinerja sistem. Integrasi budidaya bersama alga dan teknologi MNB meningkatkan konsentrasi DO dan ketersediaan nutrisi yang tinggi, sehingga meningkatkan pertumbuhan tanaman. Selain itu, biofilter terbarukan, yang berfungsi sebagai penyaringan fisik dan hub mikroba, meminimalkan biaya; dengan demikian, media biofilter harus dipilih dengan cermat berdasarkan luas permukaan, daya tahan, dan tuntutan perawatan. Mengotomatiskan sistem melalui IoT, AI, dan robotika memungkinkan pemantauan dan kontrol secara real-time, tetapi menimbulkan tantangan bagi pertanian skala kecil karena tingginya biaya dan tuntutan infrastruktur. Meskipun pengurutan dan metabolomik generasi berikutnya telah merevolusi pemahaman kita tentang keragaman dan interaksi mikroba, teknologi ini mahal dan tidak dapat diakses secara luas. Oleh karena itu, investasi awal dan biaya operasional yang tinggi sering kali menghalangi adopsi, menjadikan kelayakan ekonomi sebagai hambatan utama bagi implementasi komersial yang lebih luas dari sistem ini.

Untuk mengatasi kendala keuangan ini, model keseimbangan massa dan pembagian biaya, desain sistem modular, dan subsidi untuk mengurangi pengeluaran modal mungkin diperlukan. Meskipun demikian, manfaat jangka panjang, termasuk peningkatan hasil panen dan pengurangan tenaga kerja, dapat mengimbangi biaya modal, dengan pengembalian modal dipengaruhi oleh skala sistem, jenis tanaman, dan penggunaan teknologi serta model. Kolaborasi antara akademisi, industri, dan pembuat kebijakan sangat penting untuk adopsi yang meluas. Meskipun pengetahuan tentang interaksi mikroba di seluruh biofilter, tangki ikan, dan tempat tumbuh tanaman terus berkembang, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengoptimalkan kolonisasi mikroba, siklus nutrisi, dan penekanan penyakit. Insentif keuangan, analisis teknoekonomi yang terstandarisasi, dan integrasi ke dalam pertanian perkotaan diperlukan untuk memajukan bidang ini.

Terakhir, penilaian siklus hidup dan studi pasar dapat memperjelas jejak lingkungan dan ekonomi akuaponik, yang memungkinkan perbandingan dengan sistem pertanian konvensional dan menyoroti keuntungan keberlanjutan jangka panjang, seperti berkurangnya penggunaan air dan pupuk, yang membuat akuaponik lebih menarik dari perspektif biaya-manfaat. Penilaian siklus hidup juga membantu mengukur dampak lingkungan, yang dapat membentuk kebijakan untuk pertanian berkelanjutan. Selain itu, studi lebih lanjut tentang aliran material diperlukan, karena studi tersebut mengukur masukan, transformasi, dan kehilangan nutrisi, yang memberikan tolok ukur yang dapat diukur untuk mengevaluasi kinerja sistem dan efektivitas teknologi dan pendekatan baru. Dengan demikian, dengan secara sistematis mengatasi kendala ekonomi, teknologi, dan biologis, akuaponik dapat diposisikan sebagai kekuatan transformatif dalam sistem pangan global.