3-3 التطورات في رأس الخيمة
شهدت السنوات القليلة الماضية زيادة في عدد وأحجام مزارع الاستزراع المائي المعاد تدويرها، وخاصة في أوروبا. ومع تزايد قبول التكنولوجيا، لا تزال هناك تحسينات على النهج الهندسية التقليدية والابتكارات والتحديات التقنية الجديدة آخذة في الظهور. ويصف القسم التالي اتجاهات التصميم والهندسة الرئيسية والتحديات الجديدة التي تواجه إعادة تدوير تكنولوجيا الاستزراع المائي.
3.3.1 أكسجين التدفق الرئيسي
يهدف التحكم في الأكسجين المذاب في RAS الحديث إلى زيادة كفاءة نقل الأكسجين وتقليل متطلبات الطاقة لهذه العملية. ويمكن تحقيق زيادة كفاءة نقل الأكسجين عن طريق ابتكار أنظمة تحتفظ بغاز الأكسجين في اتصال مع الماء لفترة أطول، في حين يمكن تحقيق انخفاض في الاحتياجات من الطاقة باستخدام أنظمة نقل الأكسجين ذات الرأس المنخفض أو باستخدام أنظمة لا تستخدم الكهرباء على الإطلاق، مثل الأكسجين السائل أنظمة متصلة الناشرون الأكسجين تعمل فقط عن طريق الضغط. و العامل المحدد لل أكسجين المنخفض الرأس هو التركيز المذاب المنخفض نسبيا الذي يمكن تحقيقه مقارنة بنظم الضغط العالي. وللتغلب على هذا القيد، يتم وضع أجهزة الأوكسجين ذات الرأس المنخفض بشكل استراتيجي لمعالجة التدفق الكامل لإعادة الدوران بدلاً من استخدام تجاوز أصغر للمياه شديدة التشبع، مما يضمن نقل الأوكسجين بكميات كافية. ويؤدي استخدام أجهزة الأوكسجين المثبتة في التدفق الرئيسي لإعادة الدوران إلى تحقيق وفورات في استهلاك الكهرباء لأن استخدام أنظمة الضغط العالي الكثيفة الاستخدام للطاقة والتي تكون ضرورية لتحقيق تركيزات عالية من DO في التدفقات الصغيرة يتم تجنبها. كما أن أنظمة الأوكسجين ذات الرأس المنخفض قد تقلل من كمية أنظمة الضخ اللازمة، حيث أن أنظمة الأوكسجين ذات الضغط العالي توضع عادة على طريق جانبي في خطوط الأنابيب المتجهة إلى صهاريج الأسماك. و على النقيض من ذلك, تميل أجهزة الأوكسجين المنخفضة الرأس إلى أن تكون أكبر نسبيا بسبب حاجتها إلى التعامل مع تدفقات أكبر, و بالتالي فإن تكلفتها الأولية قد تكون أعلى. ومن الأمثلة على الأجهزة التي يمكن أن تعالج مجمل التدفق المؤكسج المنخفض الرأس (LHO) (Wagner et al. 1995)، الذي تشغله الجاذبية حيث يتم ضخ المياه أولاً إلى فلتر أحيائي وعمود معبأ (Summerfelt et al. 2004)، ومخاريط الأكسجين المنخفضة الرأس، ومختلفات مخروط Speece (Ashley et al. 2008؛ Timmons et al. Losordo 1994) تحت ضغط منخفض، ومخاريط العمود العميق (كروجر كالدنيس، النرويج)، وهو أيضا نوع من مخروط Speece مصمم للوصول إلى ضغوط تشغيل أعلى عن طريق زيادة الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن وضع الأجهزة أقل من خزانات الأسماك ومستودعات المضخات، والأوكسجين الأنبوبي U- متغيرات تصميمها مثل أنبوب فاريل أو نظام تذويب الأكسجين الحاصل على براءة اختراع (AquamaOf, إسرائيل) و استخدام الأوكسجين المنتشر في خزانات الأسماك العميقة (الشكل 3.5).
الشكل 3-5 بدائل نقل الغاز لإعادة تدوير المياه العائدة إلى خزانات الأسماك. إذا كانت الوعاء المتصل بالغاز تسمح بالضغط، يمكن نقل الأكسجين بتركيزات عالية في تيارات صغيرة نسبيا ذات ضغط عال (a، b). ومع ذلك، يمكن نقل الأكسجين بتركيزات أقل إلى حلقة إعادة الدوران الرئيسية، ولكن لهذا، يجب أن يكون جهاز نقل الأكسجين أكبر بكثير للتعامل مع التدفق الكامل للنظام (c)
3-2 بدائل الترشيح الحيوي النتروي
وعلى الرغم من أن المرشحات الحيوية النتريمية لا تزال هي الطريقة الرئيسية المقبولة تجاريا لإزالة الأمونيا في المياه المعدنية الزراعية (RAS) التجارية، فقد تم تطوير تكنولوجيات جديدة لإزالة النيتروجين خلال السنوات الأخيرة. وتنظر بعض هذه التكنولوجيات في مسارات بيولوجية بديلة لإزالة الأمونيا من مياه الاستزراع، في حين تهدف تكنولوجيات أخرى إلى استبدال المرشحات البيولوجية النتروية أو العمل بالتوازي معها من أجل الحد من القيود المتأصلة. وتشمل هذه الأحجام الكبيرة للمفاعلات، والقابلية للتحطم، وأوقات بدء التشغيل الطويلة، والأداء الأضعف في كل من المياه الباردة والنظم البحرية.
العمليات القائمة على أناموكس
ومن الطرق البديلة لإزالة الأمونيا البيولوجية التي تم النظر فيها بالنسبة لمادة RAS عملية أناموك (Tal et al. 2006)، التي تحدث في ظروف لاهوائية. أكسدة الأمونيا اللاهوائية هي عملية تقضي على النيتروجين من خلال الجمع بين الأمونيا والنتريت لإنتاج غاز النيتروجين (van Rijn et al. 2006). وتتسم عملية أناموك باهتمام RAS لأنها تسمح بإزالة النيتروجين التلقائي بالكامل، على النقيض من التركيبات التقليدية للمرشحات الحيوية النتريفينغ مع أنظمة إزالة النتروجين غير الغذائية التي تتطلب إضافة الكربون العضوي (van Rijn et al. 2006). وعلاوة على ذلك، في مسار anammox، إلا نصف الأمونيا الصادرة عن الأسماك تتأكسد هوائيا إلى النتريت (التي تتطلب الأكسجين)، في حين أن النصف الآخر يتم تحويله اللاهوائي إلى غاز النيتروجين جنبا إلى جنب مع النتريت المنتج. وقد يؤدي ذلك إلى تحقيق وفورات في استخدام الأكسجين والطاقة في RAS (van Rijn et al. 2006).
وقد تم بنجاح عرض النماذج الأولية لمفاعل Anammox (Tal et al. 2006، 2009)، بينما يُشتبه في أن نشاط الأناموك يحدث في نظم إزالة النتروات البحرية (Klas et al. 2006). كما نجح المشروع الأوروبي FP7 DEAMNRECIRC في إنشاء نماذج أولية لمفاعلات أناموك لتطبيقات الاستزراع المائي في المياه الباردة ومياه البحر. بيد أن المؤلفين لم يحددوا حتى الآن التطبيقات التجارية لل تكنولوجيا.
إزالة الأمونيا كيميائية**
و يجري اقتراح نظم لإزالة الأمونيا تستند إلى عمليات التبادل الأيوني و الأكسدة الكهروكيميائية كبدائل لل مرشحات البيولوجية النتريفيجية. وتعتمد عمليات التبادل الأيوني على استخدام المواد الممتزة مثل الزيوليت أو الراتنجات الانتقائية الأيونية لاستخراج الأمونيا المذابة من الماء (Lekang 2013)، في حين أن عمليات الأكسدة الكهروكيميائية تحول الأمونيا إلى غاز النيتروجين من خلال عدد من تفاعلات الأكسدة المعقدة (Lahav et al. 2015). وبالمقارنة، فإن عمليات التبادل الأيوني مناسبة للمياه ذات التركيزات المنخفضة من الأيونات (أي المياه العذبة)، في حين تستفيد عمليات الأكسدة الكهروكيميائية من أيونات الكلوريد الموجودة في الماء لإنتاج أنواع الكلور النشطة التي تتفاعل بسهولة مع الأمونيا (Lahav et al. 2015) وبالتالي فهي مناسبة للمياه ذات تركيزات أعلى من أيونات الكلوريد (أي المياه المالحة والبحرية).
وعلى الرغم من أن عمليات التبادل الأيوني ليست جديدة، إلا أن تطبيقها في RAS كان محدودا بقدرتها على الحفاظ على الأداء مع مرور الوقت: فمادة الترشيح تصبح في نهاية المطاف «مشبعة»، مما يفقد قدرتها على الامتزاز، وبالتالي يجب تجديدها. اقترح جيندل ولاهاف (2013) نهجا جديدا لعملية الأمونيا القائمة على التبادل الأيوني جنبا إلى جنب مع عملية تجديد مبتكرة للامتزاز باستخدام الأكسدة الكهروكيميائية. والأكسدة الكهروكيميائية للأمونيا هي عملية حظيت باهتمام أكبر في السنوات الأخيرة، وتم بحث العديد من المفاهيم وتم إطلاقها تجارياً، على سبيل المثال، Eloxiras في إسبانيا.
ومن بين العوامل التي تحد من تطبيق هذه التكنولوجيات في عمليات التبادل الأيوني، ضعف الأداء الاقتصادي، وصعوبة تجديد كميات كبيرة من المواد الممتزة عند الطلب (Lekang 2013)، وتعقيد النظام الذي يتطلب إضافة الكواشف الكيميائية، استهلاك الكهرباء ودرجة عالية من إزالة المواد الصلبة المعلقة (Lahav et al. 2015)، والتي غالبا ما تكون غير عملية في RAS على نطاق واسع. وفي حالة العمليات الكهربائية للأمونيا، فإن إنتاج الأنواع السامة المتفاعلة التي تتطلب إزالة نشطة هو أهم قيود عليها، على الرغم من أن متطلبات التحكم العالية في المواد الصلبة، التي لا يمكن في كثير من الأحيان إلا باستخدام مرشحات ميكانيكية مضغوطة، يشكل أيضاً تحدياً في نظام RAS الذي يعمل بتدفقات كبيرة و الضغط المنخفض.
3-3 التحكم في المواد الصلبة الدقيقة
المواد الصلبة الدقيقة هي جزء المواد الصلبة المهيمن في RAS حيث تشكل الجسيمات\ 30 ميكرومتر أكثر من 90% من مجموع المواد الصلبة المعلقة في مياه الاستزراع. وقد خلصت التحقيقات الأخيرة إلى أن أكثر من 94% من المواد الصلبة الموجودة في مياه الاستزراع في مادة RAS هي\ أقل من 20 ميكرومتر في الحجم أو «غرامة» (Fernandes et al. 2015). يحدث تراكم المواد الصلبة الدقيقة بشكل رئيسي مع تجاوز المواد الصلبة الأكبر للمرشحات الميكانيكية (التي ليست فعالة بنسبة 100%) ويتم تقسيمها في نهاية المطاف بواسطة المضخات والاحتكاك بالأسطح والنشاط البكتيري. بمجرد تقليل أحجام المواد الصلبة، تصبح تقنيات الترشيح الميكانيكي التقليدية عديمة الفائدة.
وفي السنوات الأخيرة، يستمر استكشاف آثار إنتاج المواد الصلبة الدقيقة ومراقبتها ورفاهها وتأثيرات أداء النظام. وقد تم التحقيق في آثار المواد الصلبة الدقيقة على رفاه الأسماك في البداية من خلال بحوث مصايد الأسماك (Chen et al. 1994). ومع ذلك، فإن الآثار المباشرة للمواد الصلبة الدقيقة في RAS على رفاه الأسماك لم يتم التحقيق فيها بدقة حتى وقت قريب. والمثير للدهشة أن العمل المنفصل على تراوت قوس قزح الذي أجراه بيكي وآخرون (2016) وفرنانديز وآخرون (2015) لم يظهر أي آثار سلبية على الرفاه في النظم ذات تركيزات المواد الصلبة المعلقة تصل إلى 30 ملغم/لتر في تجارب التعرض التي استمرت 4 أسابيع و6 أسابيع على التوالي. وعلى الرغم من هذه النتائج، فإن الآثار غير المباشرة لتراكم المواد الصلبة الدقيقة في RAS معروفة (Pedersen et al. 2017) وتفيد التقارير بأنها مرتبطة في الغالب بانتشار الكائنات الدقيقة الانتهازية (Vadstein et al. 2004؛ Attramadal et al. 2014؛ Pedersen et al. 2017) لأن المواد الصلبة الدقيقة توفر طبقة عالية السطح الركيزة منطقة للبكتيريا لاستعمار. ومن الآثار السلبية الهامة الأخرى لتراكم المواد الصلبة الدقيقة الزيادة في التعكر، مما يجعل الفحص البصري للأسماك أمراً صعباً وقد يعوق استراتيجيات التحكم في الفوتوبريود التي تتطلب حدوث اختراق خفيف في عمود الماء. وتشمل استراتيجيات التحكم في المواد الصلبة الدقيقة المستخدمة في RAS الحديثة إزالة الأوزون، والقشط البروتين، والتعويم، وترشيح الخرطوشة والترشيح بالغشاء (Couturier et al. 2009؛ Cripps وBergheim 2000؛ Summerfelt وHochheimer 1997؛ Wold et al. 2014). كما أن كاشطات البروتين، والمعروفة أيضًا بمجزئات الرغوة، هي أيضًا أجهزة مراقبة المواد الصلبة الدقيقة شائعة نسبيًا، خاصة في الأنظمة البحرية (Badiola et al. 2012).
3-3-4 الأوزون
وقد و جدت المعرفة بتطبيق الأوزون (O<sub3/sub) في RAS منذ السبعينات و الثمانينات (Summerfelt و Hochheimer 1997). ومع ذلك، لم يكن تطبيقه واسع الانتشار مثل العمليات الأخرى مثل المرشحات الحيوية النتريفيج أو المرشحات الميكانيكية (Badiola et al. 2012). وبصرف النظر عن معالجة المواد الصلبة الدقيقة، يمكن استخدام الأوزون، كمؤكسد قوي، في RAS للقضاء على الكائنات الحية الدقيقة والنتريت والمواد الدبوطية (Gonçalves وGagnon 2011). وقد شهدت السنوات الأخيرة زيادة في المعرفة بإمكانات و قيود الأوزون المطبقة في كل من المياه العذبة و المياه الجوفية البحرية. والأهم من ذلك أن جرعات الأوزون التي يمكن تحقيقها بأمان لتحسين نوعية المياه في كل من شبكات المياه العذبة ومياه البحر قد تم تأكيدها في عدة منشورات (لي وآخرون 2015؛ بارك وآخرون 2013، 2015؛ شرودر وآخرون 2011؛ سمرفيلت 2003؛ تيمونز وإيبلينغ 2010)، مع استنتاج مفاده أن جرعات الأوزون على الحدود الموصى بها (1) لا تزيد من تحسين نوعية المياه و (2) قد تتسبب في آثار سلبية على الرفاه, لا سيما في نظم مياه البحر حيث يؤدي الإفراط في الأوزون إلى تكوين مؤكسدات متبقية سامة. وفي المياه الباردة، تم تحديد متطلبات الأوزون لتحقيق التطهير الكامل لتدفق العملية (Summerfelt et al. 2009).
يحسن الأوزون أداء مرشح الميكروسكرين ويقلل من تراكم المادة الذائبة التي تؤثر على لون الماء (Summerfelt et al. 2009).
ومع ذلك، فإن الإفراط في الأوزون قد يؤثر بشدة على الأسماك المستزرعة من خلال التسبب في آثار ضارة بما في ذلك تلف الأنسجة المرضية للأنسجة (Richardson et al. 1983؛ Reiser et al. 2010) والتغييرات في سلوك التغذية (Reiser et al. 2010) وكذلك الإجهاد التأكسدي (Ritola et al. 2000، 2002؛ Livingstone 2003). بالإضافة إلى ذلك، قد تكون المنتجات الثانوية للأوزون ضارة. بروميت هو واحد من هذه ويحتمل أن تكون سامة. و أظهر التانغو و غانون (2003) أن كميات المياه المعدنية من المواد المستنفدة لل أوزون تحتوي على تركيزات من البرومات يحتمل أن تضر بصحة الأسماك. وقامت شركة Reiser et al. (2011) بالتحقيق في سمية المواد المؤكسدة المزمنة شبه القاتلة المنتجة بالأوزون (OPO) في التوربوت الصغير، في حين تم تقييم صحة تراوت قوس قزح ورفاهه في RAS المعالج بالأوزون وغير المعالج بالأوزون بواسطة شركة Good et al. (2011). أدى رفع تراوت قوس قزح إلى حجم السوق في RAS المعالج بالأوزون إلى تحسين أداء الأسماك دون التأثير بشكل كبير على صحتهم ورفاههم، بينما تؤثر جرعات OPO العالية على رفاه صغار التوربوت.
3-3-5 إزالة النقابة
وفي معظم أنظمة الاستزراع المائي المعاد تدويرها، يميل النترات، وهو المنتج النهائي للنترات، إلى التراكم. يتم التحكم في هذا التراكم عادة عن طريق التخفيف (إدخال مياه جديدة في النظام). وقد يكون التحكم في النترات عن طريق التخفيف عاملاً مقيداً لعملية RAS بسبب اللوائح البيئية، أو قلة توافر المياه الجديدة، أو تكلفة معالجة مجاري المياه الواردة أو السائلة، أو التكاليف المرتبطة بتهدئة المياه الجديدة أو تسخينها.
ويمكن تحقيق إزالة النترات البيولوجية في RAS عن طريق البكتيريا اللاهوائية الاختيارية باستخدام مسار غير متماثل لتحويل النترات إلى غاز النيتروجين في وجود الكربون والنترات كمبرعين للإلكترون (van Rijn et al. 2006). وبالتالي فإن مفاعلات إزالة النيترينغ هي مفاعلات بيولوجية تعمل عادة في ظروف لاهوائية وتتلقى عموما جرعات من نوع ما من مصادر الكربون مثل الإيثانول والميثانول والجلوكوز ودبس السكر وما إلى ذلك. (فان ريجن وريفييرا 1990)، ولكن تكنولوجيا إزالة النيتريفييرا فإن شعبيتها بين صناعة الاستزراع المائي المعاد تدويرها لم تزد إلا على مدى السنوات الماضية, حيث قدمت حلولا مبتكرة لمفاعلات إزالة النتروات.
ومن أبرز تطبيقات نظم إزالة النتريك في الاستزراع المائي هو «التبادل الصفري» RAS (Yogev et al. 2016)، الذي يستخدم الهضم اللاهوائي للمواد الصلبة الحيوية المنتجة في النظام لإنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) التي تستخدم بعد ذلك من قبل أجهزة إزالة الانبعاثات كمصدر للكربون. وضعت Klas at al. (2006) نظام إزالة النيتريفيكاتيون «singlesludge»، حيث يحدث إنتاج VFA من المواد الصلبة الحيوية وإزالة النيترية في مفاعل واحد مختلط. طور Suhr et al. (2014) مفهوم singlesludge أكثر من ذلك، وتكييفه لمعالجة النفايات السائلة المستزرعة في نهاية الأنبوب وإضافة خطوة إضافية تفصل إنتاج FA عن مفاعل إزالة النيتريفيكاتيون في خزان التحلل المائي. وقد وفرت هذه الأعمال معلومات قيمة عن إمكانيات استخدام المواد الصلبة الحيوية المستزرعة بدلا من مصادر الكربون غير العضوية الباهظة الثمن لإزالة النيترينغ. وعلاوة على ذلك، درس كريستيانسون وآخرون (2015) فعالية مفاعلات إزالة النتروتروتروفيكية ذاتية التغذية القائمة على الكبريت كبديل لمفاعلات إزالة النيترية التقليدية غير الغذائية. وتنتج المفاعلات الذاتية التغذية كميات أقل من الكتلة الحيوية (المواد الصلبة) ويمكن تزويدها بجسيمات الكبريت، وهي أرخص من مصادر الكربون غير العضوية التقليدية.
وتشكل هذه المواد أيضاً عنصر السلائف في إنتاج البوليمرات الحيوية مثل بوليهيدروالكانويات (PHA)، المستخدم في إنتاج مواد بلاستيكية قابلة للتحلل البيولوجي (Pittmann وSteinmetz 2013). وقد ينطوي ذلك على إمكانية أن تكون المزارع السمكية التي تستخدم عمليات الحمأة النشطة اللاهوائية جزءا من مفهوم «المصفاة الحيوية» المطبق على محطات معالجة مياه الصرف الصحي.
3.6 التحكم الميكروبي
تعتبر المجتمعات الجرثومية مكونات هامة للنظام البيئي المائي. وفي أنظمة إنتاج الاستزراع المائي، تقوم هذه المراكز بأدوار هامة في إعادة تدوير المغذيات، وتدهور المواد العضوية، ومعالجة الأمراض ومكافحتها (Zeng et al. 2017). يتطلب تطوير RAS الفعالة والإنتاجية والآمنة بيولوجيا والخالية من الأمراض فهمًا شاملاً لجميع عمليات دعم الحياة بدءًا من العمليات الفيزيائية والكيميائية (نقل الغاز، والمعالجة الحرارية، والأوزون، والتشعيع فوق البنفسجي، وتعديل درجة الحموضة والملوحة) والعمليات البيولوجية (النتروية، وإزالة النتروية) والنشاط غير الغذائي الهوائي). وفي حين أنه يمكن التحكم في العمليات الفيزيائية والكيميائية، فإن نظم الترشيح البيولوجي تعتمد على تفاعل المجتمعات الجرثومية مع بعضها البعض وبيئتها نتيجة لمدخلات المغذيات (ناتج نفايات الأسماك)، وبالتالي لا يمكن التحكم فيها بسهولة (Schreier et al. 2010). ولم تسمح الدراسات الحديثة التي استخدمت الأدوات الجزيئية بتقييم التنوع الميكروبي في RAS فحسب، بل وفرت أيضا بعض الأفكار الثاقبة عن أنشطتها التي ينبغي أن تؤدي إلى فهم أفضل للتفاعلات بين المجتمعات الجرثومية. ومن المؤكد أن هذه النهوج ستوفر ترتيبات جديدة لعملية إدارة الموارد المتجددة وكذلك نظرة ثاقبة على العمليات والأدوات الجديدة لتعزيز هذه النظم ورصدها (Schreier et al. 2010). ويستند الفهم الحالي للتنوع الجرثومي للمرشح الأحيائي في كل من نظم المياه العذبة والبحرية إلى دراسات تستخدم RRNA 16S والمسابير الوظيفية الخاصة بالجينات أو مكتبات الجينات RRNA 16S بدلاً من التقنيات القائمة على الثقافة (الجدول 3-1).
كما لا تزال الرؤى المتعلقة بالديناميات الزمنية والمكانية للميكروبيوتا في RAS محدودة (Schreier et al. 2010)، ولا توجد حلول محتملة للحفاظ على المجتمعات الميكروبية المفيدة أو استعادتها في Rurangwa وVerdegem 2015). وبالإضافة إلى مجتمع الميكروبات الذي يعمل على تنقية المياه، يمكن للميكروبيوتا في RAS أيضا أن تؤوي مسببات الأمراض أو تنتج مركبات غير مسببة للنكهة (Guttman وvan Rijn 2008). ونظرا لصعوبة علاج المرض أثناء العملية دون التأثير سلبا على الميكروبيوتا المفيدة، فإن المعالجة الميكروبية في RAS هي بالأحرى ضرورة من البداية وحتى عملية الإنتاج بأكملها. يتم إدخال الكائنات الحية الدقيقة إلى RAS من خلال مسارات مختلفة: المياه المكياج، والهواء، وناقلات الحيوانات، والأعلاف، وتخزين الأسماك، والمعدات القذرة وعن طريق الموظفين أو الزوار (Sharrer et al. 2005؛ Blancheton et al. 2013). ومن ناحية أخرى، يمكن استخدام ميكروبات محددة عن عمد لتوجيه الاستعمار الميكروبي لتحسين أداء النظام أو صحة الحيوان (Rurangwa and Verdegem 2015).
** الجدول 3-1** الأنشطة الأولية المرتبطة بوحدات الترشيح الأحيائي لل مياه المعدنية و الكائنات الحية الدقيقة المشاركة. (من شرير وآخرون 2010)
الجدول ثياد tr class = «رأس» ثيروسيس/ث ثلاثة/ث ال colspan = “2"الكائنات الدقيقة /ث /tr tr TD/td TD/td TDFreshwater/TD TDMarine/TD /tr /thead tbody tr class = «حتى» TDnitrification/TD TD/td TD/td TD/td /tr tr class = «غريب» التدامونيوم الأكسدة TD NHSub4/subsup+/سوب + 1.5OSUB2/الفرعية → OSUB2/الفرعية + 2HSUP+/سوب + HSUB2/الفرعية /td تدينيتروسوموناس أوليغوتروفا/I/تد تدينيتروسوموناس س. /i/td /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تدينيتروسوموناس كريوتريانس/I/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td تدينيتروسوموناس يوروباي/I/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تدينيتروسوموناس سينيبوس/نيتروسا/ث/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td TDinitrosococcus موبايليس/i/TD /tr tr class = «حتى» TDnitrite الأكسدة /تد TD O2sup-/سوب + H2O → NO3sup-/سوب + 2HSUP+/سوب + 2esup -/سوب
/td تدينيتروسبيرا سبب. /i/td TD/td /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td تدينيتروسبيرا مارينا/ايسوبا/سوب/تد تدينيتروسبيرا مارينا/ايسوبا/سوب/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td تدينيتروسبيرا موسكوفينسيس/إيسوبا/سوب/تد تدينيتروسبيرا موسكوفينسيس/إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «غريب» TDDenitrification/TD TD/td TD/td TD/td /tr tr class = «حتى» TDautotrophic/TD TD SSub2/subsup-/سوب + 1.6nosub3/subsup-/سوب + 1.6Hsup +/سوب
→ /td TD/td ديثيومكروسبوريا دينتريفيكانس/ط/تد /tr tr class = «غريب» تد (تعتمد على الكبريتيد) /تد TD SOSUB4/subsup2-/سوب + 0.8nsub2/الفرعية (ز) + 0.8HSub2/الفرعية /td TD/td تديثيوثريكس/إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تديرهودوباكتر ليتوراليس/إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td تديهيدروجينوفاغا س. /i/td /tr tr class = «حتى» Tdheterotrophic/TD TD 5chsub3/subcosup-/سوب + 8nosub3/subsup-/سوب + 3Hsup +/سوب
→ /td TD/td تديبسيودوموناس فلوريسنس/I/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD 10Hcosub3/subsup-/سوب + 4nsub2/الفرعية (ز) + 4HSUB2/الفرعية /td تديبسيودوموناس س. /i/td تديبسيودوموناس ستوتزيري/I/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td تديكوماموناس س. /i/td تديبسيودوموناس س. /i/td /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td ديباراكوكوس دينيتريفيكانس/ط/تد /tr tr class = «حتى» TDDissimilatory نترات TD Nosub3/subsup-/سوب + 2HSUP+/سوب + 4HSUB2/الفرعية → NHSub4/subsup+/سوب + 3HSUB2/الفرعية /td TD/td TDIVarious بروتيوباكتيريا و firmicutes/I/TD /tr tr class = «غريب» TDReduction إلى الأمونيا (DNRA) /TD TD/td TD/td TD/td /tr tr class = «حتى» Tdanaerobic الأمونيوم /تد TD NHSUB4/subsup+/سوب + nosub2/subsup-/سوب → NSUB2/الفرعية (ز) + 2HSUB2/الفرعية /td TD/td تيديبلانكتوميسيتس سب. /i/td /tr tr class = «غريب» tdoxidation (Anammox) /TD TD/td TD/td تديبروكاديا س. /إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «حتى» تدسلفات تخفيض/تد TD SO4Sup2-/سوب + CHSUB3/سوبكوسوب-/سوب + 3HSUP+/سوب → /td TD/td تدديسولفوفيبريو س. , /i/td /tr tr class = «غريب» TD/td تدهسوب-/سوب + 2هكوسوب3/سوب-/سوب + 3هسوب+/سوب/تد TD/td تديديثيوسولفوفيبريو س. , /i/td /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تديفوسيباكتير/أنا س.، إيباكتيرويدس س. /i/td /tr tr class = «غريب» TDSulfide الأكسدة TD هسوب-/سوب + 2OSUB2/الفرعية → SOSUB4/subsup2-/سوب + هسوب+/سوب /td TD/td تديثيوميكروسبيرا س. /i/td /tr tr class = «حتى» TDMethanogenesis/TD TD 4HSUB2/الفرعية + هسوب+/سوب + هكوسوب3/سوب-/سوب → CHSUB4/الفرعية (ز) + 3Hsub2/subo /td TD/td TDMethanogenic الأثرية [ميرزويان وغروس، غير منشورة] /td /tr /tbody /الجدول
تم التعرف على سوبا/سوبالكائنات الحية الدقيقة فقط على أساس الجينات RRNA الجزئية 16S أو تسلسل الجينات الوظيفية
ويتمثل أحد النهج المتبعة في تثبيط استعمار العوامل المسببة للأمراض في استخدام البكتيريا البروبيوتيك التي قد تتنافس على المغذيات، أو تنتج مثبطات النمو، أو إخماد الاتصال الخلوي (استشعار النصاب القانوني) الذي يسمح بالاستقرار داخل الأفلام الحيوية (Defoirdt et al. 2007, 2008; Kesarcocod-Watson et al. 2008). وتشمل البكتيريا البروبيوتيك Bacillus، Pseudomonas (كيساركود-واتسون وآخرون 2008) و_Roseobacter_ spp. (Bruhn et al. 2005), كما تم تحديد البكتيريا ذات الصلة بها في المرشحات الحيوية لمادة RAS (Schreier et al. 2010) (الجدول 3-1). للحصول على المعلومات اللازمة لإدارة الاستقرار الميكروبي في RAS، حددت Rojas-Tirado وآخرون (2017) العوامل التي تؤثر على التغيرات في الديناميات البكتيرية من حيث وفرة ونشاط هذه العوامل. وتبين دراساتهم أن النشاط البكتيري لم يكن معلماً واضحاً يمكن التنبؤ به في مرحلة المياه، حيث أظهرت مستويات النترات في RAS المتطابقة تغييرات/تقلبات مفاجئة غير متوقعة داخل أحد النظم. توفر الجسيمات المعلقة في RAS مساحة سطحية يمكن استعمارها بواسطة البكتيريا. تتراكم المزيد من الجسيمات مع زيادة كثافة إعادة الدوران، مما قد يؤدي إلى زيادة القدرة الاستيعابية البكتيرية للأنظمة. استكشف بيدرسن وآخرون (2017) العلاقة بين المساحة الكلية لسطح الجسيمات (TSA) والنشاط البكتيري في المياه العذبة RAS. وأشاروا إلى وجود ارتباط خطي قوي وإيجابي بين TSA والنشاط البكتيري في جميع الأنظمة ذات كثافة إعادة تدوير منخفضة إلى معتدلة. ومع ذلك، يبدو أن العلاقة توقفت عن الوجود في النظم ذات أعلى كثافة إعادة تدوير. ويرجع ذلك على الأرجح إلى تراكم المغذيات المذابة التي تحافظ على المجموعات البكتيرية الحرة، و/أو تراكم الغرويات المعلقة والجسيمات الدقيقة التي يقل قطرها عن 5 ميكرومتر، والتي لم يتم تمييزها في دراستها ولكنها قد توفر مساحة سطحية كبيرة.
في RAS، تتراكم مركبات كيميائية مختلفة (أساسا النترات والكربون العضوي) في مياه التربية. وتنظم هذه الطبقات الكيميائية البيولوجيا الإيكولوجية للمجتمعات البكتيرية على المرشح الحيوي ولها تأثير على كفاءتها وموثوقيتها. بحث ميشود وآخرون (2014) التحول في بنية المجتمع الجرثومي والوفرة النسبية الرئيسية في مرشحين بيولوجيين مختلفين، وخلص إلى أن ديناميات ومرونة المجتمع الجرثومي في التكيف مع التغيرات المائية المؤثرة يبدو أنها مرتبطة بأداء المرشحات البيولوجية. ويتمثل أحد الجوانب الرئيسية لتحسين موثوقية واستدامة نظام RAS في الإدارة المناسبة للمجموعات البكتيرية للمرشحات البيولوجية، التي ترتبط مباشرة بتوافر C (الكربون) (Avnimelech 1999). وتجدر الإشارة إلى أن RAS لها خصائص قد تسهم بالفعل في تثبيت الميكروبات، بما في ذلك فترة الاحتفاظ بالماء الطويلة ومساحة سطح كبيرة من المرشحات الحيوية للنمو البكتيري، والتي يمكن أن تحد من فرص انتشار الميكروبات الانتهازية في المياه التربوية ( أترامادال وآخرون 2012 (أ).
قارن Attramadal et al. (2012a) تطور المجتمع الميكروبي في RAS مع أوزون معتدل (إلى 350 mV) مع تطور نظام التدفق التقليدي (FTS) لنفس المجموعة من سمك القد الأطلسي، Gadus morhua. ووجدوا تقلباً أقل في التركيب البكتيري بين خزانات الأسماك المكررة في RAS مقارنة بين خزانات FTS. و كان لهذا النظام هيكل مجتمعي أكثر جرثومية مع تنوع أكبر في الأنواع و بشكل دوري نسبة أقل من الانتهازيين. وكان أداء الأسماك في RAS أفضل من مكافحتها في FTS، على الرغم من تعرضها لنوعية مياه فيزيائية كيميائية أقل شأنا ظاهريا. وبينما كان Attramadal et al. (2012ب) يبحث في آثار الأشعة فوق البنفسجية المعتدلة أو التشعيع العالي الكثافة على البيئة الميكروبية في RAS بالنسبة ليرقات الأسماك البحرية، أكد على أن مادة RAS لهذه اليرقات ربما لا ينبغي أن تتضمن عملية تطهير قوية لأنها تؤدي إلى انخفاض في الأعداد البكتيرية، الأمر الذي يرجح أن يؤدي إلى زعزعة استقرار المجتمع الجرثومي. وعلاوة على ذلك، فإن نتائجها تدعم فرضية RAS باعتبارها استراتيجية لمكافحة الميكروبات أثناء التغذية الأولى لليرقات السمكية.
كان RAS والنضج الميكروبي كأدوات لاختيار K للمجتمعات الميكروبية موضوع الدراسة التي أجراها Attramadal وآخرون (2014) والتي افترضوا فيها أن يرقات الأسماك التي يتم تربيتها في المياه التي يسيطر عليها خبراء الاستراتيجيون (المجتمعات الميكروبية الناضجة) سوف تؤدي بشكل أفضل، لأنها أقل احتمالا لمواجهة الميكروبات الانتهازية (المختارة R) وتطوير تفاعلات مضرة بين المضيفين والميكروبات. وأظهرت نتائج تجربتهم إمكانية عالية لزيادة بقاء الأسماك على قيد الحياة باستخدام مجموعة من البكتيريا، وهي طريقة رخيصة وسهلة يمكن استخدامها في جميع أنواع أنظمة الاستزراع المائي الجديدة أو القائمة. التغييرات الصغيرة في إدارة معالجة المياه (الحمل العضوي ونضوج المياه) تعطي ميكروبيوتا مختلفة بشكل كبير في خزانات الأسماك (Attramadal et al. 2016). من ناحية أخرى، المواد الدبوالية (HS) هي مركبات عضوية طبيعية، تتألف من مجموعة واسعة من البوليمرات المصطبغة ذات الوزن العضوي العالي. وهي منتجات نهائية في تحلل المركبات العضوية المعقدة، وعندما تكون وفيرة، تنتج لوناً نمطياً من البني إلى البني الداكن للتربة والمياه (ستيفنسون 1994). وفي نظام الاستزراع المائي الصفري، تم الكشف عن مواد شبيهة بـ HS في مياه الاستزراع وكذلك في دم الأسماك (Yamin et al. 2017a). وأُبلغ عن تأثير وقائي لهذا النظام في الأسماك المعرضة للمعادن السامة (Peuranen et al. 1994؛ Hammock et al. 2003) وتركيزات الأمونيا والنتريت السامة (Meinelt et al. 2010). وعلاوة على ذلك، قُدمت أدلة على تأثيرها الفطري على العامل الممرض للأسماك، _Saprolengia الطفيلي (Meinelt et al. 2007). في الكارب الشائع (Cyprinus carpio) الذي يتعرض لـ (أ) المياه الغنية بالكبار والحمأة من نظام إعادة الدوران، (ب) حمض الدمويك الصناعي، (ج) مستخلص غني بالدموك مشتق من ليوناردي، انخفضت معدلات العدوى إلى 14.9% و 17.0% و 18.8%، على التوالي، مقارنة بمعدل عدوى بنسبة 46.8% في المكافحة العلاج (يامين وآخرون. 2017ب). وبالمثل، أدى تعرض أسماك غابي (Poecilia reticulata)، المصابة بمادة Monogenia Gyrodactylus turnbulli و Dactylogyrus sp. إلى المياه والأعلاف الغنية بالعدوى (% من الأسماك المصابة) وكثافة العدوى (الطفيليات لكل سمكة) في الطفيليات (يامين وآخرون آل. 2017ج).
ويعتقد أن البحوث اﻷساسية في مجال اﻹيكولوجيا الميكروبية لنظم مفاعلات النتريفيكات/إزالة النتريتريتريفيك/في نظام الطاقة المتجددة يمكن أن توفر ابتكارات قد تغير و/أو تحسن أداء المفاعل في نظام المفاعل RAS جذريا. وحتى الآن، لا يزال من الصعب السيطرة على مجتمع الميكروبات في المفاعلات (ليونارد وآخرون 2000، 2002؛ ميشود وآخرون 2006، 2009؛ شرييه وآخرون 2010؛ روخاس - تيرادو وآخرون 2017) والعديد من أوجه القصور في النظام تنشأ من هذا (مارتينز وآخرون 2010 ب).
3.7 كفاءة استخدام الطاقة
وتعتمد السلامة الاقتصادية لإنتاج الأسماك في نظام إعادة تدوير الاستزراع المائي، جزئياً، على التقليل إلى أدنى حد من متطلبات الطاقة اللازمة لتشغيل هذه المرافق. ويقتضي هذا النظام بنية تحتية تقنية أعلى من النظم المفتوحة، وبالتالي فإن تكاليف الطاقة في نظام RAS قد صُنفت بالفعل على أنها قيود رئيسية قد تحول دون تطبيق هذه التكنولوجيا على نطاق واسع (Singh and Marsh 1996). من بين جميع التكاليف المرتبطة باستخدام الكهرباء في راس، التهوية وتبريد المياه هي الأكثر أهمية عموما. في RAS الداخلي، تهوية المباني مهمة للتحكم في مستويات الرطوبة وثاني أكسيد الكربون. وقد يؤدي سوء التحكم في الرطوبة إلى تدهور سريع في هياكل المباني، في حين أن تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي سيؤثر على عمليات تجريد ثاني أكسيد الكربون التي تعمل في RAS ويسبب دوخة في العمال. من أجل الحفاظ على جو مقبول داخل المرافق، تعمل محطات التهوية أو تكييف الهواء على نطاق واسع (Gehlert et al. 2018). وقد تكون أنظمة التهوية هذه مزودة بتدابير للحد من استخدام الطاقة. و علاوة على ذلك, و بغية تطوير نظام مستدام بيئيا لل طاقة, يمكن اعتبار الطاقة أحد البارامترات الدافعة الرئيسية, و على وجه الخصوص, يمكن اعتبار الطاقة مؤشرا هاما. وقد أجرى Kucuk et al. (2010) تحليلاً نشطاً للأداء في نظام RAS للمساهمة في إدارة الطاقة في RAS. ومن أجل تحسين الأداء النشط لل نظام, أوصوا بضرورة تحسين ظروف تشغيل المكونات, لا سيما المضخات و تحسينها استنادا إلى قدرة النظام على إنتاج الأسماك.
ولزيادة الكفاءة، يحتاج مديرو RAS إلى إرشادات وأدوات لتحسين الإنتاج. يمكن أن توفر عمليات تدقيق الطاقة بيانات حقيقية يمكن استخدامها لصنع القرار. قام باديولا وآخرون (2014) بالتحقيق في إجمالي استهلاك الطاقة (kWh) لنظام سمك القد RAS بشكل مستمر لمدة 14 شهراً وحدد المضخة الحرارية كأعلى مستهلك للطاقة في تربية الأسماك التي تتطلب معالجة حرارية عالية في المياه. وخلص Gehlert et al. (2018) إلى أن وحدات التهوية توفر إمكانات كبيرة لتحقيق وفورات في الطاقة في RAS. في معظم الأحيان، عندما تبقى بارامترات المناخ في المرفق ضمن النطاق المرغوب، يمكن الحفاظ على معدلات تدفق الهواء عند مستويات منخفضة لتوفير الطاقة. وبالإضافة إلى ذلك، قد تشمل تدابير توفير الطاقة في النظام ما يلي: برامج حاسوبية مزودة ببيانات أداء الطاقة، ومصادر طاقة بديلة لتسخين المياه، واستخدام محولات التردد (Badiola et al. 2014).