6-6 المواد الصلبة والحمأة المعلقة

وتؤثر بارامترات تشغيل الأحياء المائية على نطاق معين - بما في ذلك حجم المياه، ودرجة الحرارة، ومعدلات الأعلاف والتدفق، ودرجة الحموضة، وأعمار الأسماك والمحاصيل وكثافتها - جميعها على التوزيع الزماني والمكاني للمجتمعات الميكروبية التي تتطور داخل مقصورها، لاستعراضاتها: RAS (Blancheton et al. 2013)؛ الزراعة المائية (لي ولي 2015).

بالإضافة إلى التحكم في الأكسجين المذاب، ومستويات ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة في أكوابونيكش، من الضروري أيضًا التحكم في تراكم المواد الصلبة في نظام راس حيث يمكن للجسيمات المعلقة الدقيقة أن تلتصق بالخياشيم وتسبب التآكل وضيق الجهاز التنفسي وتزيد من التعرض للأمراض (Yildiz et al. 2017) . والأكثر أهمية، يجب إزالة المادة العضوية الجسيمية (POM) بسرعة وفعالية من أنظمة RAS، وإلا فإن النمو المفرط المتغاير سيؤدي إلى فشل جميع عمليات الوحدة تقريبًا. يجب إدارة معدلات التغذية RAS بعناية لتقليل تحميل المواد الصلبة على النظام (على سبيل المثال تجنب الإفراط في التغذية وتقليل تكاليف التغذية). تحدد الخواص البيوفيزيائية للعلف - حجم الجسيمات، والمحتوى المغذي، وقابلية الهضم، والنداء الحسي، والكثافة ومعدل التسوية - معدلات الابتلاع والاستيعاب، والتي بدورها تؤثر على تراكم المواد الصلبة وبالتالي على جودة المياه. وعلى الرغم من أن نوعية المياه كثيرا ما تدرس في سياق دورة المغذيات (انظر [الفصل 9](/المجتمع/المقالات/الفصل 9 - نظم دورة المغذيات في المياه المائية)، فمن المهم أيضا الحصول على فهم أفضل لتكوين المجتمعات الجرثومية والتغيرات التي تطرأ عليها استنادا إلى تكوين الأعلاف، تحميل الجسيمات وكيف يؤثر ذلك على نمو المجتمعات البكتيرية المتغايرة والتغذية الذاتية.

وقد وضعت ميزات مختلفة من تصاميم نظام راس خصيصا للتعامل مع المواد الصلبة (تيمونز وEbeling 2013)؛ انظر أيضا استعراض: (فيلبرغسون وآخرون. 2016ب). فعلى سبيل المثال، تعمل بعض المرشحات البيولوجية على إبقاء أجزاء كبيرة من النفايات معلقة من أجل تيسير التحلل، بينما تقوم عوامل أخرى بتصفية ميكانيكية من خلال الشاشات أو الوسائط الحبيبية. لا يزال البعض الآخر يعتمد على الترسيب لمجرد جمع وإزالة الحمأة. ومع ذلك، فإن هذه الأساليب ليست فعالة بشكل خاص في استعادة المغذيات داخل الحمأة وجعلها متاحة بيولوجيا للاستخدام في النباتات. ومن الناحية التاريخية، تم التعامل مع هذه الحمأة في مفاعلات حيوية لقيمتها الميثانوجينية أو تجريد المياه لاستخدامها كسماد للمحاصيل القائمة على التربة، ولكن هناك تصميمات أحدث مختلفة حاولت تحسين الانتعاش لاستخدامها في المكون المائي. ويعد تحسين استعادة هذه الحمأة مجالاً هاماً من مجالات التحقيق بالنظر إلى أن جزءاً كبيراً من المغذيات الأساسية الكلية والمغذيات الدقيقة اللازمة لنمو النبات يرتبط بالمادة العضوية الجسيمية التي، إذا تم التخلص منها، تفقد من النظام. عن طريق إضافة حلقة إعادة تدوير الحمأة الإضافية إلى نظام أكوابونيكش، يمكن تحويل النفايات الصلبة إلى مغذيات مذابة لإعادة استخدامها من قبل النباتات بدلاً من التخلص منها (Goddek et al. 2018). إن أجهزة الهضم أو إعادة استخدام المفاعلات الحيوية هي إحدى الطرق لتحقيق ذلك، إلا أن أحد المجالات الرئيسية المتخلفة حالياً يشمل معرفة كيفية تعزيز المجتمعات الجرثومية داخل أجهزة هضم الحمأة هذه (على سبيل المثال من خلال إضافة الميكروبات) أو استخدامها بشكل أفضل (على سبيل المثال من خلال تحسين التصميم الهندسي لل مفاعلات المرتبطة) لاسترجاع المغذيات إلى أشكال متاحة بيولوجيا لل نباتات. وعلى الرغم من أن المجتمعات الجرثومية الفعلية داخل أجهزة هضم الحمأة لم يتم بحثها بشكل جيد عن علم الأحياء المائية، إلا أن هناك الكثير من المؤلفات عن ميكروبيوتا لهضمات الحمأة لمياه المجاري والنفايات الحيوانية في الزراعة، بما في ذلك النفايات السائلة السمكية، التي يمكن أن توفر المزيد من التبصر في التصاميم المثالية استعادة الحمأة في نظام أكوابونيكش. البحوث الحالية بشأن إدماج الحمأة في نظام أكوابونيكش ينطوي على إعادة التدوير في الهضمات الواقعة بين RAS والوحدة المائية (Goddek et al. 2016a, 2018). وفي إطار المفاعلات الحيوية الهوائية أو اللاهوائية، يمكن للظروف البيئية المواتية لتدهور النفايات أن تحطم هذه الحمأة بشكل فعال إلى مغذيات متاحة أحيائياً، يمكن تسليمها بعد ذلك إلى نظام الزراعة المائية دون وجود تربة (Monsees et al. 2017). العديد من أنظمة أكوابونيكش ذات الحلقة الواحدة تشمل بالفعل أجهزة هضم هوائية (Rakocy et al. 2004) واللاهوائية (Yogev et al. 2016) لتحويل العناصر الغذائية المحاصرة في حمأة الأسماك وجعلها متاحة بيولوجيا للنباتات. القدرة على فصل هذه لديها عدد من المزايا التي يتم مناقشتها بمزيد من التفصيل في [الفصل 8](/مجتمع/مقالات/الفصل 8-مفكوك - أكوابونيكس-أنظمة) ويبدو أنها تؤدي إلى ارتفاع معدلات النمو (Goddek وVermeulen 2018). ومع ذلك، وعلى الرغم من أوجه التقدم العديدة، فإن التكنولوجيا الفعلية لتحقيق ذلك لا تزال صعبة. على سبيل المثال، فإن بعض البكتيريا غير الغذائية المخفية المستزرعة في ظروف نقص الأكسجين أو حتى الهوائية مع الحمأة من RAS سوف تستخدم النترات كمستقبلات إلكترون ومصادر الكربون المؤكسدة للطاقة، مع تخزين فائض P كبوليفوسفات جنبا إلى جنب مع أيونات معدنية ثنائية التكافؤ مثل CasUP+2/سوب أو كوسوب+2/سوب. عندما يتم التشديد على درجة الحموضة القلوية، فإن هذه البكتيريا تتحلل بوليفوسفات وتطلق أورثوفوسفات، وهو الشكل الضروري لاستيعاب النباتات للفوسفات (Van Rijn et al. 2006). ومن شأن إدراج وحدات المفاعلات الحيوية لإعادة التمعدن، مثل تلك التي وردت في Goddek et al. (2018)، أن يوفر وسيلة لاسترداد P بشكل أفضل في مجال الزراعة المائية. وقد استخدمت أساليب مماثلة، على سبيل المثال، مع حمأة التراوت من مادة RAS التي عولجت من محتوى النترات والمحتوى P الذي يتجاوز حدود التخلص المسموح بها (Goddek et al. 2015). ومع ذلك، فإن المجتمعات الجرثومية المشاركة في هذه العمليات حساسة لظروف الاستزراع مثل نسب C: N، والأوكسجين، وأيونات المعادن، ودرجة الحموضة، وبالتالي يمكن أن تتراكم النتريت وغيرها من المواد الوسيطة الضارة. على الرغم من الأدبيات الواسعة حول هضم النفايات العضوية المختلفة، اللاهوائية في المقام الأول لإنتاج الغاز الحيوي (إبراهيم وآخرون 2016)، هناك أبحاث أقل بكثير حول معالجة نفايات RAS (Van Rijn 2013)، وفي حالة نظام aquaponics، حتى أقل البحوث المتاحة حول العلاقة بين المغذيات التوافر البيولوجي ونمو المحاصيل في نظام الزراعة المائية (Möller and Müller 2012). وفي هذا الوقت، يمكن أن يوفر المزيد من الدراسات للمفاعلات الحيوية للحمأة RAS رؤى هامة لظروف الاستزراع بالنسبة للمجموعات الميكروبية التي تحقق نتائج إيجابية، على سبيل المثال، فيما يتعلق باستعادة P، وإدخالها في وحدات الزراعة المائية.

أحد التحديات الحالية في الجهود المبذولة لتقييم انتعاش P من الحمأة ينشأ عند مقارنة تجارب الهضمات اللاهوائية والهوائية لفعاليتها (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). على الرغم من أن كلتا الدراستين استخدمتا تركيبة حمأة مماثلة في البداية، إلا أن النتائج كانت مختلفة تماما في إحدى الدراسات (Monsees et al. 2017)، أدت مقاييس العناصر الغذائية المختلفة القابلة للذوبان في العلاجات الهوائية إلى زيادة بنسبة 330٪ في تركيز P وانخفاض بنسبة 16٪ في تركيز النترات مقارنة بالزيادات الطفيفة في P وانخفاض بنسبة 97٪ في النترات في العلاجات اللاهوائية. وعلى النقيض من ذلك، أظهرت نتائج دراسة مماثلة (Goddek et al. 2016b) أن نمو نباتات الخس في وحدة مائية كان متفوقا باستخدام عامل خارق لاهوائي، على الرغم من أن كل من العلاجات اللاهوائية والهوائية لم تسفر إلا عن انتعاش أفضل قليلاً من النترات من الظروف اللاهوائية وفقدان شبه كامل من Posub4/sub من كل من العلاجات (Goddek وآخرون. 2016b). ومن الواضح أن عوامل مثل تكوين العلف ومعدله، والتعليق مقابل تسوية المواد الصلبة، ودرجة الحموضة (التي تم الحفاظ عليها عند 7 ± 1 مع CaohSub2/sub في السابق والمتغير 8.2-8.65 في الأخير)، وأخذ العينات وسلالات الأسماك اختلفت في هاتين الدراستين. ومع ذلك، فإن النتائج المتناقضة لPosub4/sub وNosub3/sub تشير إلى الحاجة إلى إجراء مزيد من البحوث لتحسين استعادة المغذيات، مع إضافة نهج ميتاجينوميكا لتوصيف المجتمعات الميكروبية من أجل فهم دورها بشكل أفضل في هذه العمليات.