3.6 РАН и Аквапоника
Системы Aquaponic представляют собой отрасль рециркулирующей технологии аквакультуры, в которую входят растительные культуры, чтобы либо диверсифицировать производство предприятия, обеспечить дополнительную пропускную способность воды, либо комбинацию этих двух культур.
Будучи филиалом РАН, аквапонные системы связаны с теми же физическими, химическими и биологическими явлениями, которые происходят в РАН. Таким образом, одни и те же основы экологии воды, механики жидкостей, газопереноса, удаления воды и т.д. применяются в более или менее равных условиях к аквапонике, за исключением контроля качества воды, поскольку растения и рыба могут предъявлять особые и разные требования.
Также связаны фундаментальные экономические реалии РАН и аквапоники. Обе технологии являются капиталоемкими и высокотехническими и зависят от эффекта масштаба, надлежащей конструкции компонентов, зависимости от рыночной конъюнктуры и опыта операторов.
3.6.1 Социальное обеспечение
В аквапонных системах необходимо максимально увеличить потребление питательных веществ для здорового производства биомассы растений, но не пренебрегая наилучшими условиями благосостояния рыб с точки зрения качества воды (Yildiz et al. 2017). Важное значение имеют также меры по снижению рисков, связанных с введением или распространением заболеваний или инфекций, а также по повышению биозащищенности аквапоники. Следует также учитывать возможное воздействие аллелохимических веществ, т.е. химических веществ, высвобождаемых растениями. Кроме того, следует тщательно изучить влияние усвояемости рациона, размера частиц фекалий и коэффициента оседания на качество воды. По-прежнему ощущается нехватка знаний о взаимосвязи между соответствующими уровнями минералов, необходимыми растениям, и метаболизмом рыб, здоровьем и благополучием (Yildiz et al. 2017), что требует дальнейших исследований.
3.6.2 Микробное разнообразие и контроль
Как упоминалось ранее в этой главе, аквапоника сочетает в себе рециркуляционную систему аквакультуры с гидропонным агрегатом. Одной из его наиболее важных особенностей является зависимость от бактерий и продуктов их обмена. Кроме того, [Sect. 3.2.6](/сообщество/статьи/3-2-обзор качества воды-control-in-ras #326 -Nitrate) обсудили важность микробных сообществ и контроля над ними в РАС. Бактерии служат мостом, который соединяет рыбные экскременты, которые имеют высокую концентрацию аммония, с удобрением растений, которые должны быть комбинацией низкого аммония и высокой нитрата (Somerville et al. 2014). Поскольку аквапонные системы могут иметь различные субъединицы, т.е. резервуары для рыбы, биофильтр, барабанный фильтр, резервуары для отстойников и гидропоники, каждая из которых имеет различные возможные конструкции и различные оптимальные условия, микробные сообщества в этих компонентах могут существенно отличаться. Это представляет собой интересную тему исследования с конечной целью совершенствования процессов управления системой. Schmautz et al. (2017) попытались охарактеризовать микробное сообщество в различных районах аквапонных систем. Они пришли к выводу, что рыбные фекалии содержат отдельное сообщество, в котором доминируют бактерии рода Cetobacterium_, в то время как образцы из корней растений, биофильтра и перифитона были более похожи друг на друга, с более разнообразными бактериальными сообществами. Образцы биофильтра содержали большое количество Nitrospira (3,9% от общего сообщества), которые были обнаружены только в низких количествах в перифитоне или корнях растений. С другой стороны, в одних и тех же образцах были обнаружены лишь небольшие процентные показатели _нитросомонадалов (0,64%) и _нитробактерии (0,11%). Эта вторая группа организмов обычно проверяется на их присутствие в системах аквапоники, поскольку они в основном отвечают за нитрификацию (Rurangwa and Verdegem 2015; Zou et al. 2016); Nitrospira только недавно был описан как общий нитрификатор (Daims et al. 2015), способный напрямую конвертировать аммония к нитрату в системе. Таким образом, доминирование Nitrospira является новизной в таких системах и может быть коррелировано с разницей в базовой настройке (Graber et al. 2014).
Schmautz et al. (2017) также подчеркнули, что увеличение присутствия Nitrospira не обязательно коррелирует с большей активностью этих организмов в системе, так как его метаболическая активность не измерялась. Кроме того, многие виды бактерий и колиформ по своей сути присутствуют в аквапонных рециркулирующих биофильтрах, проводящих превращения органического вещества и рыбных отходов. Это подразумевает наличие многих микроорганизмов, которые могут быть патогенами для растений и рыб, а также для людей. Для этого некоторые микроорганизмы были признаны показателями безопасности продуктов и качества воды в системе (Fox et al. 2012). Некоторые из этих показателей безопасности являются Escherichia coli и Salmonella spp. Таким образом, недавно были проведены столь необходимые исследования для определения микробной безопасности аквапонных продуктов (Fox et al. 2012; Sirsat and Neal 2013). Одно из будущих направлений анализа микробной активности в аквапонике было определено Munguia-Fragozo et al. (2015), которые рассмотрели технологии Omic для анализа микробных сообществ. Они пришли к выводу, что анализ метагеномики и метаранскриптомики будет иметь решающее значение для будущих исследований микробного разнообразия в аквапонных биосистемах.
От периода технологической консолидации до новой эры промышленного внедрения технологии РАС за последние два десятилетия значительно развились. За последние несколько лет наблюдалось увеличение числа и масштабов рециркулирующих рыбохозяйственных хозяйств. С ростом признания технологии появляются улучшения по сравнению с традиционными инженерными подходами, инновациями и новыми техническими проблемами.
Aquaponics сочетает в себе рециркуляционную систему аквакультуры с гидропонным блоком. RAS представляют собой сложные водные системы производства, которые включают в себя целый ряд физических, химических и биологических взаимодействий.
Растворенный кислород (DO), как правило, является наиболее важным параметром качества воды в интенсивных водных системах. Однако добавление достаточного количества кислорода в подпитывающую воду может быть достигнуто относительно просто, и, таким образом, контроль других параметров воды становится более сложным.
Высокие концентрации растворенного углекислого газа (COSub2/Sub) оказывают негативное влияние на рост рыб. Удаление COSub2/sub из воды до концентраций ниже 15 мг/л сопряжено с трудностями из-за высокой растворимости и ограниченной эффективности оборудования для дегазации.
Аммиак традиционно обрабатывается в системах рециркуляции нитрифицирующими биофильтрами. В настоящее время изучаются некоторые новые технологии в качестве альтернатив удалению аммиака.
Биотвердые вещества в РАС происходят из кормов для рыб, фекалии и биопленки и являются одним из наиболее важных и сложных параметров качества воды для контроля. Наиболее распространенным подходом является многоступенчатая система обработки, в которой твердые частицы разного размера удаляются с помощью различных механизмов.
Озон, как мощный окислитель, может использоваться в РАС для устранения микроорганизмов, нитритов и гуминовых веществ. Озонация улучшает производительность микрофильтра и минимизирует накопление растворенного вещества, влияющего на цвет воды.
Денитрификационные реакторы представляют собой биологические реакторы, которые, как правило, работают в анаэробных условиях и, как правило, дозируются с использованием определенного типа источников углерода, таких как этанол, метанол, глюкоза и меласса. Одним из наиболее заметных видов применения денитрификационных систем в аквакультуре является «нулевой обмен» РАН.
В системах производства аквакультуры микробные сообщества играют важную роль в рециркуляции питательных веществ, деградации органических веществ и лечении заболеваний и борьбе с ними. Роль дезинфекции воды в РАС оспаривается идеей использования микробно-зрелой воды для контроля оппортунистических патогенов.
В интенсивных РАС благосостояние животных тесно связано с работой систем. Основной целью исследований в области охраны здоровья животных в РАН было создание и эксплуатация систем, обеспечивающих максимальную производительность и минимизацию стресса и смертности.