6.5 الأدوار البكتيرية في دورة المغذيات والتوافر البيولوجي

وقد أجريت بحوث كثيرة لتوصيف البكتيريا غير الغذائية والبكتيريا الذاتية في نظم RAS ولتحسين فهم أدوارها في الحفاظ على نوعية المياه ودورة المغذيات (للاطلاع على الاستعراضات، انظر Blancheton et al. (2013)؛ Schreier et al. (2010). وتميل التغاير غير المسببة للأمراض، التي تهيمن عليها عادة Alphaproteobacteria و Gammaproteobacteria، إلى الازدهار في المرشحات الحيوية، ومساهماتها في تحولات النيتروجين مفهومة بشكل جيد إلى حد ما لأن دورة النيتروجين كانت ذات أهمية قصوى في تطوير ثقافة إعادة التدوير أنظمة (تيمونز وEbeling 2013). ومن المسلم به منذ فترة طويلة أن التحول البكتيري للأمونيا التي تفرزها الأسماك في نظام RAS يجب أن يقابل معدلات الإفراز، لأن الأمونيا الزائدة سرعان ما تصبح سامة بالنسبة للأسماك (انظر [الفصل 9](/المجتمع/المقالات/الفصل 9– نظم دورة المغذيات في الأكوابونيكس-systems)). ولذلك في المياه العذبة والبحرية RAS، حظيت الأدوار الوظيفية للمجتمعات الجرثومية في ديناميات NC - النتروية، وإزالة النتروتروية، والتكثيف، وأكسدة الأمونيوم اللاهوائي، والحد من نترات الإختلاف - باهتمام بحثي كبير وتم وصفها بشكل جيد في الاستعراضات الأخيرة (Rurangwa و Verdegem 2015; و Schreier et al. 2010). وهناك دراسات أقل بكثير عن تحولات النيتروجين في الأحياء المائية، ولكن مراجعة حديثة (Wongkiew et al. 2017) تقدم ملخصًا إلى جانب مناقشة كفاءة استخدام النيتروجين، وهو اعتبار رئيسي لنمو النباتات في الزراعة المائية.

بعد النيتروجين، ثاني أهم المغذيات الكبيرة الأساسية في الأحياء المائية هو الفوسفور، وهو ليس عاملا مقيدا للأسماك التي تحصل عليها من الأعلاف، ولكنه حاسم الأهمية للنباتات في الزراعة المائية. ومع ذلك، فإن أشكال الفوسفات في نفايات الأسماك ليست متاحة بيولوجياً على الفور للنباتات. يجب أن تحتوي النباتات على كميات كافية من أورثوفوسفات الأيونية غير العضوية (HSUB2/subposub4/subsup-/سوب و HPosub4/subsup2-/سوب = Pi) (Bequer et al. 2014)، لأن هذا هو الشكل الوحيد المتاح بيولوجياً للامتصاص والاستيعاب. يرتبط الفوسفات غير العضوي بالكالسيوم فوق الرقم الهيدروجيني 7.0، لذا يجب أن يكون نظام الأكوابونيكش حذراً للحفاظ على ظروف الأس الهيدروجيني بالقرب من الرقم الهيدروجيني 7.0. ومع ارتفاع قيم الأس الهيدروجيني فوق 7.0، يمكن أن ينتهي الأمر بأشكال مختلفة غير قابلة للذوبان من فوسفات الكالسيوم كرواسب في الحمأة (Bequer et al. 2014؛ Siebielec et al. 2014). ومن ثم، فإن خسائر رأس المال RAS من P هي في المقام الأول من خلال إزالة الحمأة من النظام (Van Rijn 2013). ومع ذلك، في مكان ما من النظام المائي، يجب التقاط المواد الجسيمية والسماح لها بالتمعدن من أجل توفير إمدادات كافية من المغذيات القابلة للاستخدام للمحاصيل في وحدة الزراعة المائية. وستؤدي خطوة التمعدن أيضا إلى إطلاق المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة الأخرى بحيث يكون هناك نقص أقل، مما يقلل من الحاجة إلى التكميل في مقصورة الزراعة المائية. وبالنظر إلى أن الإمدادات العالمية من الأسمدة الغنية بالفوسفات تتضاءل وأن التكميل باستخدام P أصبح مكلفاً بشكل متزايد، تُبذل جهود لتحقيق أقصى قدر من استعادة P من الحمأة RAS (Goddek et al. 2016b؛ Monsees et al. 2017).

إن التوافر البيولوجي للمغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة غير مفهومة في الوقت الراهن. وتشير البحوث السابقة (Cerozi وFitzsimmons 2016a) إلى أن توافر المغذيات يصبح عرضة للخطر مع انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى ما دون 7.0، وأدى إلى تشغيل نظام الزراعة المائية المقترن للخضر الورقية حول درجة الحموضة 6.0. ومع ذلك، فإن البحوث الحديثة التي تقارن الظروف المائية والأس الهيدروجيني 7.0 مع الظروف المائية للدرجة الحموضة 5.8 أظهرت عدم وجود فرق في الإنتاجية (أندرسون وآخرون 2017a، b). في هذه الدراسات، أدت الظروف المائية عند درجة الحموضة 7.0 إلى خفض الإنتاجية بنسبة\ ~ 22٪ مقارنة مع الرقم الهيدروبيني 5.8. في البداية، كانت الفرضية هي أن الاختلافات في الإنتاجية يمكن أن تعزى إلى ميكروبيوتا المياه المائية المائية، ولكن البحث اللاحق رفض هذه النظرية (Wielgosz et al. 2017).

في RAS حيث تزداد نسب C: N بسبب توافر المواد العضوية، تستخدم البكتيريا المسببة للتشويه، وخاصة Pseudomonas sp.، الكربون كمبرع للإلكترون في ظروف نقص الأكسجين، لإنتاج NSUB2/sub على حساب النترات (Schreier et al. 2010; Wongkiew et al. 2017). وتستخدم نظم بيوفلوك في بعض الأحيان لزيادة تغذية الأسماك (سرطان البحر وآخرون 2012؛ مارتينيز - كوردوفا وآخرون 2015)، ويستخدم بيوفلوك بشكل متزايد في نظام أكوابونيكش، وخاصة في آسيا (فنغ وآخرون 2016؛ كيم وآخرون 2017؛ لي وآخرون 2018). عندما يتم استخدام بيوفلوك في أكوابونيكش (دا روشا وآخرون 2017؛ بينهو وآخرون. 2017)، ودورة المغذيات يصبح أكثر تعقيدا بالنظر إلى أن DO، ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة تؤثر على ما إذا كانت المجتمعات الميكروبية غير الغذائية (التي تستخدم الكربون) تهيمن على المخلفات الذاتية الغذائية القادرة على تقليل الكبريتيد إلى كبريتات (شيريه وآخرون 2010). يميل التغاير إلى أن يكون معدل نمو أعلى من معدل النمو الذاتي في وجود مصادر كافية للكربون (Michaud et al. 2009)؛ وبالتالي، فإن التلاعب بنوع العلف أو أنظمته، أو إضافة مصدر للكربون العضوي مباشرة، مع رصد مستويات الأكسجين المذاب، يمكن أن يساعد في الحفاظ على توازن السكان في الوقت نفسه لا تزال توفر الزراعة المائية مع N في شكل قابل للاستخدام (فيلبرغسون وآخرون. 2016a).

في نظام الزراعة المائية، كانت دورة المغذيات أقل دراسة جيدة لأن المركبات غير العضوية التي تحتوي على التوازن المطلوب من العناصر الغذائية تضاف عادة من أجل ضمان النمو السليم للنباتات. ومع ذلك، فإن التركيزات العالية للمغذيات، خاصة في البيئات الرطبة الدافئة مثل البيوت المحمية، تسهل بسهولة نمو المجتمعات الميكروبية، وخاصة المواد النباتية مثل الفطريات (Fusarium) وOomycota (Phytophthora, Pythium sp.)، التي يمكن أن تتدفق بسرعة في المياه المتداولة وقد تؤدي إلى الموت قبالة (لي ولي 2015). وقد استخدمت الجهود الأخيرة الرامية إلى تحسين فهم الرهيزوباكتيريا المائية وآثارها المفيدة في تعزيز نمو النبات (ولكن أيضا في تثبيط انتشار العوامل المسببة للأمراض) تقنيات «الأوميك» المختلفة لتحليل المجتمعات الجرثومية وتفاعلاتها مع نظم الجذور (Lee and Lee 2015).

على سبيل المثال، عندما تكون بكتيريا بروبيوتيك مثل Bacillus موجودة، تبين أنها تعزز توفر P ويبدو أن لها تأثير مضاف على نمو النبات في نظام البلطي والخس (Cerozi and Fitzsimmons 2016b). في نظام الأحياء المائية، فإن إضافة البروبيوتيك إلى علف الأسماك ومياه RAS، وكذلك إلى إمدادات المياه المائية، تستحق المزيد من التجارب، لأن المجتمعات الميكروبية يمكن أن يكون لها تأثيرات معيارية متعددة على علم وظائف الأعضاء النباتية. فعلى سبيل المثال، تم تحليل المجتمعات الجرثومية (البكتيريا والفطريات والأويسيتس) لأربعة محاصيل غذائية عن طريق تسلسل الميتاجينومي عند الحفاظ عليها في نظام ثابت للهيدروبونيات المغذيات حيث سمح لتركيزات الأس الهيدروجيني والمغذيات بالتذبذب بشكل طبيعي طوال دورات حياة النباتات (Sheridan et al. 2017). وخلص المؤلفون إلى أن العلاج بمزيج تجاري من الميكروبات المعززة لنمو النبات، وفي هذه الحالة البكتيريا والميكورهيزاي والفطريات، قد أضفى على ما يبدو استقراراً وأوجه تشابه أكبر في تكوين المجتمع بعد 12 إلى 14 أسبوعاً مقارنة بالضوابط. ويقترحون أن هذا يمكن أن يعزى إلى الإفرازات الجذرية، التي يزعم أنها تفضل بل وتتحكم في تنمية المجتمعات الجرثومية المناسبة لمراحل نمو النباتات المتعاقبة. وبالنظر إلى الآثار المعروفة لمركبات PGPMs في إنتاج المحاصيل القائمة على التربة، والدراسات القليلة المتاحة للنظم الخالية من التربة، هناك ما يبرر إجراء المزيد من البحث لتحديد كيفية تعزيز PGPMs وتحسين آثارها في نظام الأحياء المائية (Bartelme et al. 2018). وإذا كانت الثقافات المائية أكثر استقراراً ونمو النبات أكثر قوة مع PGPMs، فيجب أن يكون الهدف هو توصيف المجتمعات الميكروبية في علم الأحياء المائية عن طريق metagenomics وربطها بالتوافر الأمثل للمغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة عن طريق الأيض والبروتيوميات.