6.6 Подвесные твердые вещества и осадки

Параметры эксплуатации аквапоники в заданном масштабе, включая объем воды, температуру, расход корма и расход воды, рН, возраст и плотность рыб и сельскохозяйственных культур, влияют на временное и пространственное распределение микробных сообществ, которые развиваются в ее отсеках, для обзора: RAS (Blancheton et al. 2013); гидропоника (Ли и Ли 2015).

Помимо контроля содержания растворенного кислорода, углекислого газа и pH в аквапонике, необходимо также контролировать накопление твердых веществ в системе RAS, поскольку мелкие взвешенные частицы могут прилипать жабры, вызывать истирание и респираторные расстройства и повышать восприимчивость к болезням (Yildiz et al. 2017) . Более важно, что органическое вещество твердых частиц (POM) должно быть быстро и эффективно удалено из систем RAS, иначе чрезмерный гетеротрофический рост приведет к сбою почти всех единичных процессов. Необходимо тщательно контролировать скорость подачи RAS, чтобы свести к минимуму нагрузку твердых веществ на систему (например, избежать чрезмерной кормления и свести к минимуму затраты на кормление). Биофизические свойства корма — размер частиц, содержание питательных веществ, усвояемость, сенсорная привлекательность, плотность и скорость оседания — определяют скорость приема и усвоения, что, в свою очередь, влияет на накопление твердых веществ и, следовательно, на качество воды. Хотя качество воды часто изучается в контексте циклического цикла питательных веществ (см. [главу 9](/community/articles/chapter-9 питательных веществ, цикличности в аквапонике)), важно также получить более четкое представление о составе микробных сообществ и изменениях в них в зависимости от состава корма, и как это влияет на рост гетеротрофных и автотрофных бактериальных сообществ.

Различные особенности конструкций систем RAS были разработаны специально для работы с твердыми веществами (Timmons and Ebeling 2013); см. также обзор: (Vilbergsson et al. 2016b). Например, некоторые биофильтры функционируют таким образом, чтобы удерживать значительную часть отходов в взвешенном состоянии, в то время как другие механически фильтруют через экраны или гранулированные среды. Остальные полагаются на осадки, чтобы просто собрать и удалить шлам. Однако такие методы не особенно эффективны для восстановления питательных веществ в осадке и обеспечения их биологической доступности для использования в растениях. Исторически сложилось так, что этот шлам обрабатывался в биореакторах для его метаногенной ценности или обезвоживался для использования в качестве удобрения для почвенных культур, но различные новые конструкции пытались улучшить рекуперацию для использования в гидропонном компоненте. Улучшение рекуперации этого осадка является важной областью исследований, учитывая, что значительная часть необходимых макро- и микроэлементов, необходимых для роста растений, связана с органическим веществом твердых частиц, которые, в случае выброса, теряются из системы. Добавив дополнительный цикл рециркуляции ила в систему аквапоники, твердые отходы могут быть преобразованы в растворенные питательные вещества для повторного использования растениями, а не выброшены (Goddek et al. 2018). Одним из способов достижения этой цели являются дайджесты или реминерализующие биореакторы, однако одна из ключевых областей, которая в настоящее время недостаточно развита, включает знания о том, как микробные сообщества в этих шламовых дигестаторах могут быть улучшены (например, путем добавления микробов) или лучше использованы (например, за счет улучшения инженерная конструкция связанных реакторов) для рекуперации питательных веществ в биодоступные формы растений. Несмотря на то, что фактические микробные сообщества в шламовых растворах не были хорошо изучены для аквапоники, существует значительная литература о микробиоте шламовых растворов для сточных вод и отходов животноводства в сельском хозяйстве, включая рыбные стоки, которая может дать дальнейшее представление об идеальных конструкциях для рекуперация осадка в системе аквапоники. Текущие исследования по инкорпорации ила в систему аквапоники включают реминерализацию в диджестерах, расположенных между РАС и гидропонным блоком (Goddek et al. 2016a, 2018). В аэробных или анаэробных биореакторах условия окружающей среды, благоприятные для деградации отходов, могут эффективно разрушить этот шлам на биодоступные питательные вещества, которые впоследствии могут быть доставлены в гидропонику системы без присутствия почвы (Monsees et al. 2017). Многие одноконтурные системы аквапоники уже включают в себя аэробные (Rakocy et al. 2004) и анаэробные (Yogev et al. 2016) дигесты, которые превращают питательные вещества, попадающие в рыбный шлам, и делают их биодоступными для растений. Способность разделить эти факторы имеет ряд преимуществ, которые более подробно обсуждаются в главе 8 и, как представляется, приводят к более высоким темпам роста (Goddek and Vermeulen 2018). Однако, несмотря на многочисленные достижения, реальная технология для достижения этой цели остается сложной задачей. Например, некоторые гетеротрофные денитрифицирующие бактерии, культивируемые в аноксических или даже аэробных условиях с илом из RAS, будут использовать нитрат в качестве рецептора электронов и источников окисленного углерода для получения энергии, сохраняя избыток P в виде полифосфата наряду с двувалентными ионами металлов, такими как Casup+2/SUP или CuP. При напряжении при щелочной рН эти бактерии разлагаются полифосфат и высвобождают ортофосфат, который является необходимой формой для усвоения фосфата растениями (Van Rijn et al. 2006). Установка реминерализационных биореакторных блоков, таких как в Goddek et al. (2018), может обеспечить способ более эффективного восстановления P для гидропоники. Аналогичные методы применялись, например, в отношении шлама форели из РСО, которые были обработаны на содержание нитратов и P, превышающее допустимые пределы удаления (Goddek et al. 2015). Однако микробные сообщества, участвующие в этих процессах, чувствительны к таким условиям культуры, как соотношение C:N, оксигенация, ионы металлов и рН, поэтому могут накапливаться нитриты и другие вредные промежуточные вещества. Несмотря на обширную литературу о дигестерах различных органических отходов, в первую очередь анаэробных для производства биогаза (Ibrahim et al. 2016), исследования по обработке отходов РАС проводятся гораздо меньше (Van Rijn 2013), а в случае системы аквапоники еще меньше исследований о взаимосвязи между питательными веществами биодоступность и рост сельскохозяйственных культур в системе гидропоники (Möller and Müller 2012). В настоящее время дополнительные исследования иловых биореакторов RAS могли бы дать важное представление о культурных условиях микробных популяций, которые дают положительные результаты, например, в области восстановления P и его внедрения в гидропоники.

Одна из современных проблем в работе по оценке восстановления P из осадка возникает при сравнении испытаний анаэробных и аэробных дигестов на предмет их эффективности (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). Хотя в обоих исследованиях изначально использовался аналогичный состав осадка, результаты были совершенно разными. В одном исследовании (Monsees et al. 2017) меры различных растворимых питательных веществ в аэробной обработке привели к увеличению концентрации P на 330% и снижению концентрации нитратов на 16% по сравнению с незначительным увеличением P и снижению нитратов на 97% в анаэробной обработке. В отличие от этого, результаты аналогичного исследования (Goddek et al. 2016b) показали, что рост растений салата в гидропонной установке превосходил при использовании анаэробного супернатанта, хотя и анаэробная, и аэробная обработка приводили лишь к несколько более высокому восстановлению нитратов от анаэробных условий и почти полной потере POSub4/sub из обоих методов лечения (Goddek et al. 2016b). Очевидно, что такие факторы, как состав и скорость корма, суспензия по сравнению с осаждением твердых веществ, рН (поддерживаемый на уровне 7 ± 1 с CaOhSub2/Sub в первом и переменная 8.2—8.65 в последнем), отбор проб и штаммы рыб различались в этих двух исследованиях. Тем не менее контрастные результаты для POSub4/sub и NOSub3/sub указывают на необходимость дальнейших исследований для оптимизации восстановления питательных веществ с добавлением метагеномического подхода для описания микробных сообществ, с тем чтобы лучше понять их роль в этих процессах.