Aqu @teach: الدورات البيوجيوكيميائية للمغذيات الرئيسية في أكوابونيكش

دورة النيتروجين

النيتروجين هو عنصر أساسي لجميع الكائنات الحية، وهو المغذيات الرئيسية المثيرة للقلق في الأحياء المائية. يحدث ذلك في الأحماض الأمينية (أجزاء من البروتينات)، والأحماض النووية (DNA و RNA)، وفي جزيء نقل الطاقة الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (برات & Cornely 2014). كما يحدث النيتروجين في العديد من الأشكال الكيميائية، دورة النيتروجين معقدة جدا (الشكل 3).

)

غالبية الغلاف الجوي للأرض (78٪) هو غاز النيتروجين في الغلاف الجوي، وهو الدينتروجين الجزيئي (N₂). غاز النيتروجين غير نشط للغاية ولا يستخدم لمعظم الكائنات الحية. تثبيت النيتروجين هي جميع العمليات التي تحول غاز النيتروجين في الغلاف الجوي إلى مركبات يمكن تسميتها بالنيتروجين التفاعلي (Nr). Nr تشمل جميع المركبات النشيطة بيولوجيا، التفاعلية كيميائيا، والنشطة إشعاعيا N في الغلاف الجوي والمحيط الحيوي. وهي تشمل الأشكال غير العضوية المخفضة للN (على سبيل المثال، NH₃ و NH ⁺)، والأشكال المؤكسدة غير العضوية (على سبيل المثال، NO، NO، NO، NO ^-)، والمركبات العضوية (مثل اليوريا، الأمينات، والبروتينات) (Galloway et al. 2008).

يمكن أن يحدث تثبيت النيتروجين بشكل طبيعي عن طريق البرق، حيث أن الهواء الساخن جدا يكسر روابط N2 بدءا من تشكيل حمض النيتروز. ويمكن أن يؤديها كيميائيا في رد فعل يسمى عملية هابر بوش. يحدث تثبيت النيتروجين البيولوجي عندما يتم تحويل N₂ إلى الأمونيا بواسطة إنزيم يسمى النتروجيناز. الكائنات الحية الدقيقة التي إصلاح N₂ هي في الغالب اللاهوائية. معظم البقوليات (الفاصوليا والبازلاء وغيرها) لديها عقيدات في أنظمتها الجذرية التي تحتوي على بكتيريا تكافلية تسمى ريزوبيا التي تساعد النبات على النمو والتنافس مع النباتات الأخرى. عندما يموت النبات، يتم تحرير النيتروجين الثابت، مما يجعله متاحًا للنباتات الأخرى.

ويبين الشكل 4 دورة النيتروجين كما تحدث في أكوابونيكش. وفي علم الأحياء المائية، ينقسم جزءان من السلسلة الغذائية (المنتجون والمستهلكون الأساسيون) التي تحدث معاً عادة إلى مقصورات الاستزراع المائي والمائي. يتم توسط التأثيرات التآزرية التي تسمح باستخدام المغذيات بكفاءة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة.

#

الشكل 4: دورة النيتروجين في أكوابونيكش.

يدخل النيتروجين النظام المائي عن طريق تغذية الأسماك، والتي يتم تناولها بواسطة الأسماك وتفرز فيما بعد كمجموع النتروجين الأمونيا (TAN، الأمونيا - NH₃ والأمونيوم - NH₄ ⁺) (Wongkiew et al. 2017). ويتم تحويل النيتروجين إما إلى الأمونيوم (NH4 +) تحت ظروف الأس الهيدروجيني الحمضية أو المحايدة، أو الأمونيا (NH3) عند مستويات أعلى من الأس الهيدروجيني. يعتمد تركيز الأمونيا على محتوى الأمونيوم ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة (الشكل 5، الجدول 3). الأمونيا أقل قابلية للذوبان في الماء من NH4 +؛ وبالتالي، يتم تحويل NH₃ بسرعة إلى شكل غازي وتنبعث من الماء (Gay & Knowlton 2009).

في حين أن الأمونيوم (NH ⁺) ليست سامة، الأمونيا (NH) هي. لذلك، يجب إزالة TAN من مياه النظام وتحويلها بشكل مثالي إلى نترات لسببين: (1) الأمونيا والنتريت، وهما منتج ثانوي من النتريت، كلاهما ضار بالأسماك، في حين يتم تحمل النترات من قبل الأسماك حتى 150-300 ملغ/لتر (Graber & Junge 2009)؛ ‘2` لا يعتبر TAN مثاليا للنباتات، التي تتطلب في الغالب نترات أو مزيجا من الأمونيوم والنترات من أجل النمو (Hu et al. 2015). هذه العملية من الأكسدة البيولوجية من الأمونيا أو الأمونيوم إلى النتريت تليها أكسدة النتريت إلى نترات يسمى النتريفيكات ومعظمها يحدث في المرشح الحيوي للأنظمة أكوابونية (الجدول 4). النتريفيكاتيون هي عملية هوائية تقوم بها مجموعات صغيرة من البكتيريا الذاتية التغذية والأقوايا واكتشفها عالم الأحياء الدقيقة الروسي سيرجي وينوغرادسكي (1892).

#

الشكل 5: توازن الأمونيا والأمونيوم كدالة لدرجات حرارة مختلفة ودرجة الحموضة (من [Cofie *et al., * 2016)](https://books.google.ch/books?hl=de&lr&id=QrukDQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA4&dq=Olufunke%2BCofie%2C%2BJosiane%2BNikiema%2C%2BRobert%2BImpraim%2C%2BNoah%2BAdamtey%2C&ots=HAbGMAi2ez&sig=_dLKbnyjWbY1UuhW2e3N - 5520oq%23V%3دونيباج&Q=أولفونك%20كوفي%2c%20جوزيان%20نيكيما%2c%20روبرت%20إبريم%2c%20نواه%20أدامتي%2C&F = خطأ)

الجدول 3: النسبة المئوية (%) من الأمونيا غير المؤينة في المحلول المائي عند مختلف قيم الأس الهيدروجيني ودرجات الحرارة. لحساب كمية الأمونيا غير المؤينة الموجودة، يجب ضرب إجمالي تركيز النيتروجين الأمونيا (TAN) في العامل المناسب المحدد من هذا الجدول باستخدام الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة من عينة المياه الخاصة بك ومقسوماً على 100. وإذا كان التركيز الناتج أكبر من 0.05 ملغم/لتر، فإن الأمونيا تضر الأسماك (تم تكييفها بعد Francis-Floyd et al. 2009)

الجدول 4: المعادلات الكيميائية للنترجة. النتريفيتيون عادة ما تكون عملية من خطوتين، تقوم بها مجموعة متخصصة من البكتيريا، تسمى النتريفيرز

| المعادلة | البكتيريا المعنية | | — | — | | $NH_4 ^ + 1.5 O_2 → NO_2 ^ - +2H ^ + H_2O + الطاقة $ | النتريتيون؛ بكتيريا الأمونيا المؤكسدة (AOB) | | $HO_2 ^ - +0.5O_2 → NO_3 ^ -+ الطاقة $ | النترات؛ البكتيريا المؤكسدة النتريت (NOB) | | $NH_4 ^ + 2.0O_2 → NO_3 ^ -+2H ^ +H_2O+الطاقة $ | النتريفيرات |

عادة ما يكون تحويل الأمونيا إلى النتريت هو خطوة الحد من معدل النتريفيكاتيون. وذلك لأن AOB (البكتيريا من جنس * نيتروسوموناس، النيتروسوسبيرا، النيتروسوفيبريو* SP.*، * الخ) و NOB (البكتيريا من جنس * نيتروباكتر، نيتروسبيرا، النيتروكوكوس، * الخ) لديها معدلات نمو مختلفة، مما تسبب في النتريكتيون الجزئي، وخاصة خلال فترة البدء، مما يؤدي إلى NO ^- تراكم حتى يتم تأسيس النتريفير بالكامل، والتي يمكن أن تستغرق ما يصل إلى 4 أسابيع (الشكل 6).

التشققة (الجدول 5) هو تحويل النترات (NO₃-) إلى النتريت (NO₂^-)، وأكسيد النيتريك (NO)، وأكسيد النيتروز (N₂O) وأخيرا إلى غاز النيتروجين (N₂) تحت ظروف نقص الأكسجة واللاهوائية (مستويات منخفضة جدا أو صفر من الأكسجين المذاب). يتم إزالة النيتريفيكاتيون من قبل المسكنات، الذين ينتمون إلى مجموعات مختلفة تصنيفيا من archaea والبكتيريا متغايرة الاختيارية. وبما أن_أكسيدالنيتروز هو غاز دفيئة أقوى من ثاني_أكسيدالكربون، فإنه يتعين تخفيض إنتاجه إلى أدنى حد ممكن (Zou et al. 2016) من أجل زيادة معدلات إدماج النيتروز في الكتلة الأحيائية النباتية إلى أقصى حد ممكن.

الشكل 6: بدء الفلتر الحيوي: تطوير تركيزات الأمونيا والنتريت والنترات بمرور الوقت. (LECA يدل على الركام الطيني الموسع الخفيف، وهو وسيط غالباً ما يستخدم في الزراعة المائية)

الجدول 5: المعادلات الكيميائية لتفاعلات إزالة النيتريفيكاتيون. تتم إزالة النيتريفيكاتيون بشكل عام من خلال مزيج من التفاعلات النصفية التالية، حيث يحفز الإنزيم التفاعل بين قوسين

| المعادلات | انزيم تحفيز التفاعل | | — | — | | $^−_3 + 2^ + 2 ^−→ ^_2 + _2$ | اختزال النترات | | $_2 ^ - + 2^ + ^ - → + _2$ | اختزال النتريت | | $2 + 2 ^ + 2 ^ − → _2+ _2$ | اختزال أكسيد النيتريك | | $_2+ 2 ^ + 2 ^ - → _2 + _2$ | اختزال أكسيد النيتروز | | 2^ −_3 + 12 ^ + 10 ^ − → _2 + 6_2$ | يمكن التعبير عن العملية الكاملة كرد فعل اكسدة متوازن صافي |

** أكسدة الأمونيوم اللاهوائي (أناموكس) .** تم تحديد البكتيريا التي تتوسط في هذه العملية في عام 1999 (Strous et al. 1999). يمكن أن توجد Anammox في النظم المائية لأن خصائص المياه مماثلة لتلك الموجودة في نظم الاستزراع المائي، حيث تبين أن عملية الأناموك تحدث (Wongkiew et al. 2017). ومع ذلك، فإن معدل أناموك هو 10 أضعاف أبطأ من معدل النتريكاتيون. وقد أُبلغ عن أن عملية أناموك تسهم في فقدان النيتروجين في النظم الإيكولوجية المختلفة (Burgin & Hamilton 2007، Hu et al. 2010). وبما أن الأمونيا والنتريت متوافران في النظم المائية، يمكن تشكيل غاز النيتروجين عن طريق عملية أناموك في ظل ظروف نقص الأكسجين في المرشح الأحيائي (الجدول 6).

الجدول 6: المعادلة الكيميائية لتفاعل Annamox

| المعادلة | البكتيريا المعنية | | — | — | | $^+_4 + ^−_2 → _2 + 2 _2 + $ | بكتيريا الأناموك |

دورة الفوسفور

الفوسفور (P) هو ثاني أهم المغذيات الكبيرة لنمو النبات وهو مطلوب بكميات كبيرة نسبيا. يلعب دورا في التنفس والانقسام الخلوي ويستخدم في تركيب مركبات الطاقة. P يدخل النظام المائي عن طريق تغذية الأسماك، ومياه الصنبور، والإضافات الأسمدة (إن وجدت). الشكل الكيميائي الذي P موجود في محلول المغذيات يعتمد على الرقم الهيدروجيني. PKs (القياس الكمي للحموضة) لتفكيك H₃PO₄إلى H₂PO₄^- ثم إلى HPO₄^2- هي 2.1 و 7.2 على التوالي (Schachtman et al. 1998، المذكورة في دا سيلفا سيروزي وفيتزسيمونز 2016). لذلك، في نطاق الرقم الهيدروجيني المحفوظة في أنظمة أكوابونك، P موجود في الغالب في شكل H₂PO₄^-، وأقل كما H₃PO₄أو HPO₄^2-. النباتات يمكن أن تمتص فقط P كما أيونات أورثوفوسفات الحرة H₂PO₄^- وHPO₄^2- . وقد أظهرت الدراسات التجريبية والمحاكاة أن توافر P ينخفض مع زيادة الرقم الهيدروجيني للمياه المائية بسبب هطول الأمطار (الشكل 7).

إذا زاد الرقم الهيدروجيني في محلول المغذيات aquaponic، P يربط إلى العديد من الكاتيونات، بحيث يتوفر في المحلول عدد أقل من أيونات P الحرة (PO₄)، ولكن هناك أنواع فوسفات الكالسيوم أكثر غير قابلة للذوبان، والتي تترسب من المحلول. ويمكن أن تتراكم هذه المجمعات غير القابلة للذوبان إما في حمأة الأسماك (شنايدر * وآخرون 2005) أو في الرواسب والبيفيتون على جدران وأنابيب النظام المائي. يوغيف * وآخرون. (2016) يقدر أن هذه الخسارة يمكن أن تصل إلى 85٪. أحد الخيارات لمنع هذا الفقدان الهائل من P عن طريق الحمأة هو إضافة حجرة الهضم إلى نظام أكوابونك. أثناء الهضم الهوائي أو اللاهوائي، يتم تحرير P في الهضم ويمكن إعادة إدخاله في المياه المتداولة (Goddek et al. 2016). كما أظهر Da Silva Cerozi & Fitzsimmons (2016](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085241631207X)) أهمية المادة العضوية والقلوية في الحفاظ على أيونات الفوسفات الحرة في المحلول في نطاقات عالية من الأس الهيدروجيني. على الرغم من أنه من المستحسن الحفاظ على درجة الحموضة في الأنظمة المائية في نطاق يتراوح بين 5.5-7.2 للحصول على التوافر الأمثل وامتصاص النباتات.

الشكل 7: أنواع الأشكال الرئيسية من P في حل أكوابونك كدالة من الرقم الهيدروجيني كما محاكاة في MINTEQ البصرية. لاحظ أن ليس كل أنواع PO₄ موصوفة في الرسم البياني (من دا سيلفا سيروزي & فيتزسيمونز 2016)

ديناميات دقيقة من الفوسفور في أكوابونيكش لا تزال غير مفهومة. المدخلات الرئيسية للفوسفور في النظام هي تغذية الأسماك، وفي النظم غير المكملة يميل الفوسفور إلى الحد (Graber & Junge 2009؛ Seawright et al. 1998). وهذا هو السبب أيضاً في إمكانية إعادة تدوير ما يصل إلى 100% من الفوسفور الموجود في مياه الأسماك في الكتلة الحيوية النباتية، اعتماداً على تصميم النظام (Graber & Junge 2009).

*حقوق الطبع والنشر © شركاء مشروع Aqu @teach. Aqu @teach هي شراكة استراتيجية إيراسموس في التعليم العالي (2017-2020) بقيادة جامعة غرينتش، بالتعاون مع جامعة زيوريخ للعلوم التطبيقية (سويسرا)، والجامعة التقنية في مدريد (إسبانيا)، وجامعة ليوبليانا ومركز ناكلو التقني الحيوي (سلوفينيا) . *