水质差表现为有毒化合物（如氨（NH3）、亚硝酸盐和硫化氢（H2S））的积累，以及溶解氧（DO）低、缺氧状态、有害藻华（HABs）和致病菌的存在，导致鱼类生长不良和压力增加，使其对理化变化的耐受性降低，更易感染疾病并面临更高的死亡风险。因此，养殖户应实施良好的养殖管理，并采用有效的水质参数监测系统。
由欧盟地平线计划资助的“东非农业生态实践潜力及循环水-能源-养分系统（PrAEctiCe）项目”已在东非建立了三个Living Lab，以促进可持续的水产-农业实践。这些实验室结合了本地知识与科学专长，采用农业生态学原理，为当地社区提供示范和培训场所。在这些系统中，养鱼单元的水用于灌溉和施肥蔬菜地，而畜禽粪便则用于为鱼塘和蔬菜地施肥（图1）。
图1：坦桑尼亚莫罗戈罗可持续农业Living Lab的一部分。家禽舍旁边的鱼塘。电力由普通光伏板和浮动太阳能板提供。
这三个Living Lab采用了三种不同的农业-水产养殖一体化（IAA）方法进行设计和建设：
- 位于肯尼亚基苏木的Living Lab 1结合了鱼池和间作。来自城市污水处理厂的水经过过滤（使用膜生物反应器），用于供应鱼池。鱼池产生的废水随后用于灌溉农作物和植物，同时一个小型温室利用生活垃圾生产黑水虻幼虫，为鱼类提供饲料。
- Living Lab 2 是位于乌干达卡贾恩西的一个水培设施，鱼池中养殖有罗非鱼（尼罗罗非鱼）和非洲鲶鱼（非洲胡子鲶），其废水被用于灌溉番茄、草莓、生菜等作物。部分植物生长的介质床反过来对废水进行过滤，去除固体杂质，同时植物本身吸收养分（氮、磷、钾等），从而提供更洁净的水，再被泵送回鱼池。
- Living Lab 3 在坦桑尼亚莫洛戈罗将鱼类、家禽和植物进行整合。养殖鸡产生的粪便被用于邻近的鱼塘，以产生鱼类可食用的小型生物。粪便还用于为靠近禽舍的植物和农作物施肥。这些植物和作物同样使用从鱼塘抽取的水进行灌溉。
这三个示范农场系统除了IAA特性、电力供应系统和监测系统外，还有两个共同点：
• 所有操作所需的电力均由光伏系统提供，从而避免对不可靠的主电网的依赖。在莫洛戈罗实验室，由于鱼塘足够大，安装了额外的浮动光伏板，以便为蔬菜留出尽可能多的可用土地。
• 永久性监测系统用于土壤健康、水质和气象监测。PrAEctiCe联盟合作伙伴AquaBioTech的任务之一，是为三个Living Lab的鱼塘和鱼池设计并安装质量监测系统。所选定监测的水质参数包括温度（T）、溶解氧（DO）、pH值和氨（NH3）浓度，均通过专用探头进行监测。这些传感器持续采集数据，可实时处理并显示在中央控制单元上（图2）。此外，系统操作员还会通过电子邮件在手机上接收警报。
图2：某个Living Lab中监测系统主控制单元的显示屏。在拍摄时，屏幕上显示的是DO和T的数值。
来自撒哈拉以南非洲其他项目的经验表明，东非地区常常经历长时间的极端高温、高湿度以及雨季的强降雨。所有这些因素，加上灰尘，会为控制单元或其他设备创造恶劣的环境。因此，设计并集成坚固耐用的组件至关重要。由于撒哈拉以南非洲的电网并不总是可靠，频繁的停电可能会损坏系统，甚至导致其永久性故障。因此，制造商的售后支持以及备件在当地的可获得性，是选择过程中的关键考虑因素。所有组件的选择都在有限的预算范围内进行。
每个Living Lab都拥有针对其特定农业系统和需求量身定制的独特监测设计。不过，它们都采用了同一种类型的主控制单元容器（机柜）。为避免机柜内部积尘，安装了一个小风扇，每五分钟运行一次，以确保湿气和灰尘不会沉积，从而延长控制单元的使用寿命。还安装了Wi-Fi调制解调器，以保持警报通知的可靠信号。为了进一步防护恶劣天气，所有Living Lab的控制单元都设置了小型屋顶遮盖。
通常，一个制造商的探头只能与其自有的控制系统兼容。然而，所选的主控制单元可集成来自不同制造商的传感器，从而实现更广泛的数据采集。氨离子探头是专门为其与其他制造商的控制单元兼容性而选用的（图3）。此外，这些头配有一个小型自动刷，每30分钟清洁一次电极尖端，以确保读数准确。 探头测量氨离子浓度时，控制单元会利用佛罗里达州环境保护局的专用公式将其转换为氨气浓度。
图3：位于乌干达卡詹西国家农业研究组织“Living Lab”中的深水培（DWC）水箱内的一个氨离子探头。这些 DWC 水箱上漂浮着聚苯乙烯板，用于固定生菜，使其根系悬挂在水中。鱼缸中的水经过筛选和介质床水箱，介质床中种植着种在砾石中的番茄，可以进一步过滤悬浮固体。水随后进入DWC水池，生菜的根部在其中吸收养分。有时，水会被抽回鱼池。
所选的DO探头与控制单元来自同一制造商，因其在非洲和亚洲其他项目中表现出的可靠性以及一年书面质保而被选用。探头的配置和数量会根据每个农业系统的具体设计而有所不同。DO和氨离子探头通过长电缆安装在Living Lab 1的鱼池中，使一个探头可以监测多个鱼池，从而降低成本和人工。不过，所有由同一DO或氨离子探头监测的鱼池都共用同一条供水管道，以维持生物安全。电缆的另一端连接到接线盒，再通过专用电缆连接到机柜。同样，在Living Lab 2中，共用同一供水管道的鱼池也共用带长电缆的DO探头。但在这种情况下，氨离子探头被安装在用于蔬菜种植的水池中。一个氨离子探头可以测量多个水培池，但需遵循相同的生物安全原则：共用同一供水管道的水池也共用同一个氨离子探头。
在Living Lab 3（坦桑尼亚），两个鱼塘位于禽舍和蔬菜地旁边。每个鱼塘都配备了一个通过电缆连接到主控制单元的DO探头。该实验室仅使用一个氨离子探头，且仅用于接收鸡粪的鱼塘。由于该鱼塘接收有机废弃物，更容易出现高氨浓度，导致水质恶化。
三家合作机构的员工接受了以下方面的培训：控制单元操作、氨离子传感器校准、系统维护和应急程序。
还提供了备用监测系统，只要有电源，随时都可以使用。该系统最初为水族馆开发，结构紧凑且用户友好。其高效性促使开发了适用于更大水箱的更大型号。该系统由以下部件组成：一个带有 USB 电缆连接到主机的传感器；主机或“服务器”；以及一根以太网电缆连接到本地网络，同时也可以选择通过 Wi-Fi 将“服务器”连接到本地网络。
所有监测系统的设计都专门考虑了效率、可靠性和耐用性，并结合了东非的实际条件。此外，这些系统还被设计为价格实惠且易于复制，使其适用于各种应用场景。水质监测提高了生产系统的效率，降低了损失（动物存量和资金）的风险，并为未来提供了有用的参数数据库。因此，农户只需较小的资本投入，就能确保农场的顺利和安全运行，避免不愉快的情况发生。
该任务属于名为“东非农业生态实践潜力，重点关注循环水-能源-养分系统（PrAEctiCe）”的项目，由欧盟委员会根据 HORIZON-CL6-2022-FARM2FORK-01-12 号招标和101084248 号资助支持。
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