6.1 Введение
Рециркулирующая вода в аквакультуре системы аквапоники содержит как твердые частицы, так и растворенные органические вещества (POM, DOM), поступающие в систему главным образом через корм для рыб; часть корма, которая не употребляется или не метаболизируется рыбой, остается в качестве отходов в воде рециркулирующей системы аквакультуры (RAS) , либо в растворенной форме (например, аммиак), либо в виде взвешенных или оседлых твердых веществ (например, осадка). После того, как большая часть ила удаляется механическим разделением, оставшееся растворенное органическое вещество все равно должно быть удалено из системы RAS. Такие процессы опираются на микробиоту в различных биофильтрах, с тем чтобы поддерживать качество воды для рыб и превращать неорганические/органические отходы в формы биодоступных питательных веществ для растений. Микробные сообщества в системе аквапоники включают бактерии, археи, грибы, вирусы и протисты в ассемблерах, которые изменяются по составу в зависимости от приливов и потока питательных веществ и изменений в экологических условиях, таких как рН, свет и кислород. Микробные сообщества играют важную роль в процессах денитрификации и минерализации (см. [главу 10](/община/статьи /глава 10-аэробные и анаэробные обработки для аквапония-шламо-редукция-минерализация) и, таким образом, играют ключевую роль в общей производительности системы, включая рыбу благосостояние и здоровье растений.
Задачи в рамках любой системы аквапоники заключаются в контроле за вводимыми ресурсами — водой, пальцами, кормами, растениями — и связанной с ними микробиоты для получения максимальной отдачи от органического вещества и его разбивки на биологически доступные формы для целевых организмов. Учитывая, что оптимальные параметры роста окружающей среды и питательные вещества различаются для рыб и растений (см. главу 8), различные системы разделения и аэрации, а также биофильтры, содержащие соответствующие микробные сборки, должны располагаться в стратегических точках для поддержания уровня питательных веществ, рН и уровня растворенного кислорода (DO) в пределах желаемых диапазонов как для рыб, так и для растений. Действительно, параметры качества воды, включая температуру, DO, электропроводность, окислительный потенциал, уровень питательных веществ, углекислый газ, освещение, подачу и расход воды, влияют на поведение и состав микробных сообществ в системе аквапоники (Junge et al. 2017). В этой связи важно усовершенствовать установку и эксплуатацию, с тем чтобы каждая единица вносила адекватное количество биодоступных форм питательных веществ своему преемнику, а не обеспечивала распространение патогенов или оппортунистических микробов, которые могут потреблять основную часть макроэлементов, необходимых ниже по течению.
Различные методы анализа микробных сообществ могут дать важную информацию об изменениях в структуре и функционировании сообщества с течением времени в различных аквапонных конфигурациях. Сопоставляя эти изменения с биодоступностью питательных веществ и эксплуатационными параметрами, можно сократить чрезмерное или недостаточное производство основных питательных веществ или производство вредных побочных продуктов. Например, максимальное извлечение полезных растительных питательных веществ из отходов органического вещества в рыбном компоненте зависит прежде всего от способности микробиоты облегчить распад питательных веществ в рамках серии биофильтров и шламовых дигестаров, эффективность которых зависит от целого ряда эксплуатационных параметров такие как скорость потока, время пребывания и pH (Van Rijn 2013). Поскольку не все системы аквапоники включают шламовые дигесты, мы рассмотрим этот аспект более подробно во второй половине настоящего обзора, обращая внимание читателя на [главу 3](/community/articles/chapter-3-рециркулирующие технологии аквакультуры) для получения более подробной информации о методах разделения твердых веществ и главы [7](/ Сообщение/статьи/глава 7-пары аквапоники) и 8 для обсуждения связанных против развязанной системы аквапоники. Если рассматривать здесь только растворенные и взвешенные частицы в воде (а не осадки), то все системы аквапоники используют целый ряд различных биофильтров, которые подвергают прикрепленные микроорганизмы воздействию органического вещества, проходящего через фильтр, и обеспечивают соответствующую подложку и достаточную площадь поверхности для микробное прикрепление и образование биопленок. Деградация этого органического вещества обеспечивает энергию микробным сообществам, которые, в свою очередь, высвобождают макроэлементы (например, нитраты, ортофосфаты) и микроэлементы (например, железо, цинк, медь) обратно в систему в пригодных для использования формах (Blancheton et al. 2013; Schreier et al. 2010; Vilbergsson et al. 2016a).
Проводится значительное сельскохозяйственное исследование роли микробиоты в укоренении, росте и здоровье растений. Преобладание этих исследований сосредоточено на системах, основанных на почвах; однако исследования гидропоники также увеличились в последние годы (Bartelme et al. 2018). Микробиота в аквакультуре также была хорошо охарактеризована, где роль микробов в здоровье и пищеварении рыб получила значительное внимание, поскольку исследователи пытаются лучше охарактеризовать роль здоровья кишечника в усвоении питательных веществ. Учитывая важность биофильтрации в системах РАС, бактерии, участвующие в процессе нитрификации для РАС, также были сравнительно хорошо изучены и поэтому не рассматриваются в настоящем документе (см. главы [10](./10-аэробные и анаэробные методы лечения для аквапонического осадка-редукции-минерализации.md) и [12](/community /статьи/глава 12-аквапоники - альтернативные виды - и подходы)). Вместе с тем исследования микробов в системе аквапоники проводились сравнительно ограниченные, особенно в отношении важнейших взаимодействий микробиоты между различными элементами системы. Такое отсутствие исследований в настоящее время ограничивает масштабы и производительность таких систем, где существует значительный потенциал для улучшения с помощью пре- и пробиотиков, а также другие возможности для улучшения здоровья системы аквапоники за счет лучшего понимания и, следовательно, лучшей способности к контролю, набор нехарактерных микробиоты, влияющих на работоспособность и работоспособность системы.
В этой главе основное внимание уделяется недавним исследованиям, которые показывают, как и где микробные сообщества определяют продуктивность внутри отсеков, а также относительно небольшому числу исследований, увязывающих эти микробные сообщества с взаимодействием между компонентами и общей системой Производительность. Мы пытаемся выявить пробелы, в которых дополнительные знания о микробных сообществах могли бы решить оперативные проблемы и дать важные идеи для повышения эффективности и надежности.