Aqu @teach: एक्वापोनिक्स में प्रमुख पोषक तत्वों के जैव रासायनिक चक्र

3 सित॰ 2020 · Aqu@teach

नाइट्रोजन चक्र

नाइट्रोजन सभी जीवित जीवों के लिए एक आवश्यक तत्व है और एक्वापोनिक्स में चिंता का मुख्य पोषक तत्व है। यह अमीनो एसिड (प्रोटीन के कुछ हिस्सों), न्यूक्लिक एसिड (डीएनए और आरएनए) में होता है, और ऊर्जा हस्तांतरण अणु एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट (प्रैट और कॉर्नेली 2014) में होता है। चूंकि नाइट्रोजन कई रासायनिक रूपों में होता है, नाइट्रोजन चक्र बहुत जटिल होता है (चित्रा 3)।

पृथ्वी के अधिकांश वातावरण (78%) वायुमंडलीय नाइट्रोजन गैस है, जो आणविक डाइनिट्रोजन (एन₂) है। नाइट्रोजन गैस बहुत गैर-सक्रिय है और अधिकांश जीवों के लिए कोई उपयोग नहीं है। नाइट्रोजन निर्धारण सभी प्रक्रियाएं हैं जो वायुमंडलीय नाइट्रोजन गैस को यौगिकों में परिवर्तित करती हैं जिन्हें प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन (एनआर) कहा जा सकता है। एन. आर. वातावरण और जीवमंडल में सभी जैविक रूप से सक्रिय, photochemically प्रतिक्रियाशील, और radiatively सक्रिय एन यौगिकों शामिल हैं। इसमें एन (उदाहरण के लिए, एनएच₃ और एनएच ⁺), अकार्बनिक ऑक्सीकरण रूप (उदाहरण के लिए, नहीं, एचएनओ, एन ओ, और सं ^-), और कार्बनिक यौगिकों (जैसे, यूरिया, एमाइंस, और प्रोटीन) (गैलोवे * एट al* 2008) के अकार्बनिक कम रूप शामिल हैं।

नाइट्रोजन निर्धारण स्वाभाविक रूप से बिजली से हो सकता है, क्योंकि बहुत गर्म हवा नाइट्रस एसिड के गठन से एन 2 के बंधन को तोड़ती है। यह हेबर-बॉश प्रक्रिया नामक प्रतिक्रिया में रासायनिक रूप से किया जा सकता है। जैविक नाइट्रोजन निर्धारण तब होता है जब एन₂ को नाइट्रोजन नामक एंजाइम द्वारा अमोनिया में परिवर्तित किया जाता है। एन₂ को ठीक करने वाले सूक्ष्मजीव ज्यादातर एनारोबिक होते हैं। अधिकांश फलियां (सेम, मटर आदि) में उनके रूट सिस्टम में नोड्यूल होते हैं जिनमें सिम्बियोटिक बैक्टीरिया होता है जिसे राइज़ोबिया कहा जाता है जो पौधे को बढ़ने और अन्य पौधों के साथ प्रतिस्पर्धा करने में मदद करता है। जब पौधे मर जाता है, तो निश्चित नाइट्रोजन जारी किया जाता है, जिससे इसे अन्य पौधों के लिए उपलब्ध कराया जाता है।

चित्रा 4 नाइट्रोजन चक्र को दिखाता है क्योंकि यह एक्वापोनिक्स में होता है। एक्वापोनिक्स में खाद्य श्रृंखला (प्राथमिक उत्पादक और उपभोक्ता) के दो हिस्सों जो आम तौर पर एक साथ होते हैं, वे स्थानिक रूप से जलीय कृषि और हाइड्रोपोनिक डिब्बों में अलग होते हैं। कुशल पोषक तत्व उपयोग के लिए अनुमति देने वाले सहक्रियात्मक प्रभाव सूक्ष्मजीवों द्वारा मध्यस्थता कर रहे हैं।

चित्रा 4: एक्वापोनिक्स में नाइट्रोजन चक्र

नाइट्रोजन मछली फ़ीड के माध्यम से एक्वापोनिक प्रणाली में प्रवेश करती है, जिसे मछली से लिया जाता है और बाद में कुल अमोनिया नाइट्रोजन (टैन, अमोनिया - एनएच₃ और अमोनियम - एनएच₄ ⁺) के रूप में उत्सर्जित किया जाता है (वोंगकीउ * एट अल। * 2017)। नाइट्रोजन को अम्लीय या तटस्थ पीएच स्थितियों के तहत या तो अमोनियम (एनएच 4 +) या उच्च पीएच स्तर पर अमोनिया (एनएच 3) में परिवर्तित किया जाता है। अमोनिया एकाग्रता अमोनियम सामग्री, पीएच और तापमान (चित्रा 5, तालिका 3) पर निर्भर है। अमोनिया एनएच 4+की तुलना में पानी में कम घुलनशील है; इसलिए, एनएच₃ तेजी से एक गैसीय रूप में परिवर्तित हो जाता है और पानी (समलैंगिक और नॉलटन 2009 से उत्सर्जित होता है।

जबकि अमोनियम (एनएच ⁺) विषाक्त नहीं है, अमोनिया (एनएच) है। इसलिए, टैन को सिस्टम पानी से हटा दिया जाना चाहिए और आदर्श रूप से दो कारणों से नाइट्रेट में परिवर्तित किया जाना चाहिए: (i) अमोनिया और नाइट्राइट, नाइट्रिफिकेशन का एक माध्यमिक उत्पाद, दोनों मछली के लिए हानिकारक हैं, जबकि नाइट्रेट को मछली द्वारा 150-300 मिलीग्राम/एल तक सहन किया जाता है (Graber & Junge 2009); (ii) टैन पौधों के लिए इष्टतम नहीं है, जिसके लिए मुख्य रूप से नाइट्रेट या विकास के लिए अमोनियम और नाइट्रेट का मिश्रण (हू * et al.* 2015 की आवश्यकता होती है। नाइट्रेट को नाइट्राइट के ऑक्सीकरण के बाद अमोनिया या अमोनियम के जैविक ऑक्सीकरण की यह प्रक्रिया को नाइट्राइट के ऑक्सीकरण के बाद कहा जाता है** नाइट्रिफिकेशन** और ज्यादातर एक्वापोनिक सिस्टम (तालिका 4) के बायोफिल्टर में होता है। नाइट्रिफिकेशन एक एरोबिक प्रक्रिया है जो ऑटोट्रॉफिक बैक्टीरिया और पुरातन के छोटे समूहों द्वारा की जाती है और रूसी सूक्ष्म जीवविज्ञानी सर्गेई विनोग्राडस्की (1892) द्वारा खोजी गई थी।

चित्रा 5: विभिन्न तापमान और पीएच ([कोफी * एट अल।, * 2016 से) के एक समारोह के रूप में अमोनिया-अमोनियम संतुलन](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 - 5520 ओक्यू% 23 वी% 3 डोनपेज और क्यू = ओलुफन% 20 कोफी% 2 सी% 20 जोसियान% 20 निकोमा% 2 सी% 20 रॉबर्ट% 20 इम्प्रिम% 2 सी% 20 नोआह% 20 एडमटेय% 2 सी और एफ = झूठी)

तालिका 3: विभिन्न पीएच मूल्यों और तापमान पर जलीय घोल में गैर-आयनित अमोनिया का प्रतिशत (%)। गैर-आयनित अमोनिया वर्तमान की मात्रा की गणना करने के लिए, कुल अमोनिया नाइट्रोजन (टीएएन) एकाग्रता को इस तालिका से चयनित उचित कारक से गुणा किया जाना चाहिए जो आपके पानी के नमूने से पीएच और तापमान का उपयोग करके 100 से विभाजित हो। जिसके परिणामस्वरूप एकाग्रता 0.05 मिलीग्राम/एल से बड़ा है, तो अमोनिया मछली को नुकसान पहुंचा रहा है (के बाद अनुकूलित फ्रांसिस-फ्लोयड * एट अल। * 2009)

तालिका 4: नाइट्रीफिकेशन के रासायनिक समीकरण नाइट्राइफिकेशन आमतौर पर एक दो-चरणीय प्रक्रिया होती है, जिसे बैक्टीरिया के एक विशेष समूह द्वारा किया जाता है, जिसे नाइट्राइफायर कहा जाता है

नाइट्राइट के लिए अमोनिया का परिवर्तन आमतौर पर नाइट्रीफिकेशन के चरण को सीमित करने की दर है। इसका कारण यह है कि एओबी (जीनस बैक्टीरिया * नाइट्रोसोमोनास, नाइट्रोसोस्पिरा, नाइट्रोसोविब्रियो* एसपी। *, * आदि) और एनओबी (जीनस बैक्टीरिया * नाइट्रोबैक्टर, नाइट्रोस्पिरा, नाइट्रोकोकस, * आदि) में अलग-अलग विकास दर होती है, जिससे आंशिक नाइट्रिफिकेशन होता है, विशेष रूप से स्टार्ट-अप अवधि के दौरान, जिससे नं ^- नाइट्राइफायर पूरी तरह से स्थापित होने तक संचय, जिसमें 4 सप्ताह तक लग सकते हैं (चित्रा 6)।

** Denitrification** (तालिका 5) नाइट्रेट का रूपांतरण है (नहीं₃-) नाइट्राइट (सं₂^-), नाइट्रिक ऑक्साइड (नहीं), नाइट्रस ऑक्साइड (एन₂ओ) और अंत में नाइट्रोजन गैस (एन₂) के लिए एनारोबिक शर्तों (भंग ऑक्सीजन के बहुत कम या शून्य स्तर) के तहत। Denitrification dentrifiers द्वारा किया जाता है, जो पुरातन और संकाय heterotrophic बैक्टीरिया के taxonomically विभिन्न समूहों से संबंधित है। चूंकि एन₂ओ सीओ₂की तुलना में अधिक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है, इसलिए इसका उत्पादन कम से कम (ज़ौ * एट अल। * 2016) को संयंत्र बायोमास में एन के निगमन की दर को अधिकतम करने के लिए कम किया जाना चाहिए।

चित्रा 6: बायोफिल्टर शुरू करना: समय के साथ अमोनिया, नाइट्राइट और नाइट्रेट सांद्रता का विकास। (LECA लाइट विस्तारित क्ले सकल को दर्शाता है, जो अक्सर हाइड्रोपोनिक्स में उपयोग किया जाता है)

तालिका 5: डेनिट्रिफिकेशन प्रतिक्रियाओं के रासायनिक समीकरण Denitrification आम तौर पर निम्नलिखित आधा प्रतिक्रियाओं के कुछ संयोजन के माध्यम से आगे बढ़ता है, एंजाइम कोष्ठक में प्रतिक्रिया उत्प्रेरित करता है

| समीकरण | प्रतिक्रिया उत्प्रेरित एंजाइम | | — | — | | $ ^ _3 + 2 ^ + 2 ^ → ^ _2 + _2 _2 $ | नाइट्रेट रिडक्टेस | | $ _2 ^ + 2 ^+ + ^ → + + _2$ | नाइट्राइट रिडक्टेज | | $2 + 2 ^+ 2 ^ → _2+ _2$ | नाइट्रिक ऑक्साइड रिडक्टेस | | $ _2+ 2 ^+ 2 ^ → _2 + _2 $ | नाइट्रस ऑक्साइड रिडक्टेज | | $2^ _3 + 12 ^+ 10 ^ → _2 + 6_2$ | पूरी प्रक्रिया को शुद्ध संतुलित रेडॉक्स प्रतिक्रिया के रूप में व्यक्त किया जा सकता है |

** एनारोबिक अमोनियम ऑक्सीकरण (एनामोक्स) .** इस प्रक्रिया में मध्यस्थता करने वाले बैक्टीरिया की पहचान 1999 (स्ट्रूस * et al.* 1999) में की गई थी। एनामोक्स एक्वापोनिक सिस्टम में मौजूद हो सकता है क्योंकि पानी की विशेषताओं जलीय कृषि प्रणालियों में समान होती है, जहां एनाममोक्स प्रक्रिया दिखाई गई है (वोंगकीए* एट अल। 2017)। हालांकि, एनाममोक्स दर नाइट्रिफिकेशन दर से 10 गुना धीमी है। एनाममोक्स प्रक्रिया को विभिन्न पारिस्थितिक प्रणालियों (बर्जिन और हैमिल्टन 2007, हू * et al.* 2010 में नाइट्रोजन हानि में योगदान देने के लिए सूचित किया गया है। चूंकि अमोनिया और नाइट्राइट एक्वापोनिक सिस्टम में उपलब्ध हैं, इसलिए नाइट्रोजन गैस को बायोफिल्टर (तालिका 6) में एनोक्सिक स्थितियों के तहत एनामोक्स प्रक्रिया के माध्यम से बनाया जा सकता है।

तालिका 6: एनामोक्स प्रतिक्रिया का रासायनिक समीकरण

| समीकरण | शामिल बैक्टीरिया | | — | — | | $ ^+_4 + ^ _2 → _2 + 2 _2 + $ | anammox बैक्टीरिया |

फास्फोरस चक्र

फास्फोरस (पी) पौधे के विकास के लिए दूसरा सबसे महत्वपूर्ण सूक्ष्म पोषक तत्व है और अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में इसकी आवश्यकता होती है। यह श्वसन और सेलुलर विभाजन में एक भूमिका निभाता है और ऊर्जा यौगिकों के संश्लेषण में प्रयोग किया जाता है। पी मछली फ़ीड, नल का पानी, और उर्वरक जोड़ों (यदि लागू हो) के माध्यम से एक्वापोनिक प्रणाली में प्रवेश करती है। पोषक तत्व समाधान में पी मौजूद रासायनिक रूप पीएच पर निर्भर करता है। पी के (अम्लता का मात्रात्मक उपाय) एच₃पीओ₄के पृथक्करण के लिए एच₂पीओ₄में ^- और फिर एचपीओ₄^2- क्रमशः 2.1 और 7.2 (शाचमैन * एट अल। * 1998 में उद्धृत, दा सिल्वा सेरोज़ी और फिट्सिमन्स 2016। इसलिए, एक्वापोनिक सिस्टम में बनाए रखा पीएच रेंज में, पी ज्यादातर एच₂पीओ₄के रूप में मौजूद है ^-, और एच₃पीओ_{4 या एचपीओ₄}^2-के रूप में कम। पौधों केवल मुक्त orthophosphate आयनों एच के रूप में पी अवशोषित कर सकते हैं₂पीओ₄^- और एचपीओ₄^2- । प्रायोगिक और सिमुलेशन अध्ययनों से पता चला है कि वर्षा (चित्रा 7) के कारण एक्वापोनिक पानी के पीएच में वृद्धि के साथ पी उपलब्धता घट जाती है।

यदि एक्वापोनिक पोषक तत्व समाधान में पीएच बढ़ता है, तो पी कई फैटायनों से बांधता है, ताकि समाधान में कम मुक्त पी आयन (पीओ₄) उपलब्ध हो, लेकिन अधिक अघुलनशील कैल्शियम फॉस्फेट प्रजातियां हैं, जो समाधान से निकलती हैं। ये अघुलनशील परिसरों या तो मछली कीचड़ में जमा कर सकते हैं (श्नाइडर* एट अल। * 2005) या दीवारों और एक्वापोनिक प्रणाली की पाइपिंग पर अवसादों और पेरिफाइटन में। योगेव* एट अल। * (2016) अनुमान लगाया गया कि यह नुकसान 85% तक हो सकता है। कीचड़ के माध्यम से पी के इस बड़े पैमाने पर नुकसान को रोकने का एक विकल्प एक्वापोनिक सिस्टम में एक पाचन डिब्बे जोड़ना है। एरोबिक या एनारोबिक पाचन के दौरान, पी को पचाने में जारी किया जाता है और इसे परिसंचारी पानी (Goddek* et al.* 2016 में फिर से पेश किया जा सकता है)। दा सिल्वा सेरोज़ी और फिट्सिमन्स (2016) ने उच्च पीएच श्रेणियों में समाधान में मुक्त फॉस्फेट आयनों को रखने में कार्बनिक पदार्थ और क्षारीयता के महत्व का भी प्रदर्शन किया। हालांकि यह अनुशंसा की जाती है कि पौधों द्वारा इष्टतम उपलब्धता और तेज के लिए एक्वापोनिक सिस्टम में पीएच 5.5-7.2 की सीमा पर बनाए रखा जाए।

चित्रा 7: दृश्य MINTEQ में अनुकरण के रूप में पीएच के एक समारोह के रूप में एक्वापोनिक समाधान में पी के प्रमुख रूपों की विशेषता। ध्यान दें कि चार्ट में सभी पीओ₄ प्रजातियों का वर्णन नहीं किया गया है (दा सिल्वा सेरोजी और फिट्सिमन्स 2016 से)

एक्वापोनिक्स में फास्फोरस की सटीक गतिशीलता अभी भी समझ में नहीं आई है। प्रणाली में फास्फोरस का मुख्य इनपुट मछली फ़ीड है, और संयुक्त राष्ट्र पूरक प्रणालियों में फास्फोरस सीमित हो जाता है (Graber & Junge 2009; Seawright* et al.* 1998)। यह भी कारण है कि मछली के पानी में मौजूद 100% फास्फोरस को संयंत्र बायोमास में पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है, सिस्टम के डिजाइन के आधार पर (Graber & Junge 2009)।

*कॉपीराइट © Aqu @teach परियोजना के भागीदार Aqu @teach एप्लाइड साइंसेज के ज्यूरिख विश्वविद्यालय (स्विट्जरलैंड), मैड्रिड के तकनीकी विश्वविद्यालय (स्पेन), जुब्लजाना विश्वविद्यालय और बायोटेक्निकल सेंटर नाक्लो (स्लोवेनिया) के सहयोग से ग्रीनविच विश्वविद्यालय के नेतृत्व में उच्च शिक्षा (2017-2020) में एक इरासम+सामरिक भागीदारी है। । *

नाइट्रोजन चक्र

फास्फोरस चक्र

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