9.3 Микробиологические процессы

9.3.1 Солибилизация

Солибилизация состоит в разрушении сложных органических молекул, образующих отходы рыб и кормящих остатки в питательные вещества в виде ионных минералов, которые могут поглощать растения (Goddek et al. 2015; Somerville et al. 2014). Как в аквакультуре (Sugita et al. 2005; Turcios and Papenbrock 2014), так и в аквапонике собилизация проводится в основном гетеротрофными бактериями (van Rijn 2013; Chap. 6), которые еще не полностью идентифицированы (Goddek et al. 2015). Некоторые исследования начали расшифровать сложность этих бактериальных сообществ (Schmautz et al. 2017). В современной аквакультуре наиболее часто наблюдаемыми бактериями являются Rhizobium sp., Flavobacterium sp., _Sp., Comamonas sp., Acinetobacterium sp., Aeromonas sp. и Pseudomonas sp. (Мунгия-Фрагозо и др., 2015 год; Сугита и др., 2005 год). Примером важной роли бактерий в аквапонике может служить превращение нерастворимых фитатов в фосфор (P), доступный для поглощения растений путем производства фитасов, которые особенно присутствуют в γ-proteobacteria (Jorquera et al. 2008). (В этой области необходимо провести дополнительные исследования). Другие питательные вещества, кроме P, также могут быть улавливаны в виде твердых веществ и выведены из системы с помощью осадка. Таким образом, предпринимаются усилия по реминерализации этого осадка реакторами UASB-EGSB с целью повторного внесения питательных веществ в аквапонную систему (Delaide 2017; Goddek et al. 2016; [глава 10](/community/articles/chapter-10-аэробные и анаэробные методы лечения для аквапонического шлама-восстановления и минерализации))). Кроме того, различные минералы не выделяются одинаковыми темпами в зависимости от состава корма (LetelierGordo et al. 2015), что приводит к более сложному мониторингу их концентрации в аквапонном растворе (Seawright et al. 1998).

9.3.2 Нитрификация

Основным источником азота в аквапонной системе является корм для рыб и содержащиеся в нем белки (Goddek et al. 2015; Ru et al. 2017; Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017). В идеале, 100% этого корма должна быть съедена рыбой. Тем не менее, было отмечено, что рыба использует только около 30% азота, содержащегося в данном корме (Rafiee and Saad 2005). Поглощенный корм частично используется для усвоения и обмена веществ (Wongkiew et al. 2017), в то время как остальная часть выводится либо через жабры, либо в виде мочи и фекалии (Ru et al. 2017). Азот, который выводится через жабры, в основном в виде аммиака, NHSub3/Sub (Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017), в то время как моча и фекалии состоят из органического азота (Wongkiew et al. 2017), который превращается в аммиак протеазами и деаминазами (Sugita et al. 2005). Как правило, рыба выделяет азот в виде TAN, т.е. NHSub3/sub и NHSub4/sub+/SUP. Баланс между NHSub3/Sub и NHSub4/SubSup+/SUP в основном зависит от pH и температуры. Аммиак является основным отходом, образуемым рыбой катаболизма кормовых белков (Yildiz et al. 2017).

Нитрификация представляет собой двухэтапный процесс, в ходе которого аммиак NHSub3/Sub или аммоний NHSub4/Subsup+/SUP, выделяемый рыбой, преобразуется сначала в нитрит NOSub2/Subsup-/SUP, а затем в нитрат NOSub3/Subsup-/SUP специфическими аэробными химическими автотрофическими бактериями. Необходима высокая доступность растворенного кислорода, поскольку нитрификация потребляет кислород (Carsiotis and Khanna 1989; Madigan and Martinko 2007; Shoda 2014). Первым шагом этого преобразования являются аммиокисляющие бактерии (AOB), такие как Nitrosomonas, Nitrosoccus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio. Второй этап проводится нитритно-окисляющими бактериями (NOB), такими как Nitrobacter, Nitrococus, Nitrospira и Nitrospina (Rurangwa and Verdegem 2013; Timmons and Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Nitrospira в настоящее время считается полным нитрификатором, т.е. участвует в производстве как нитрита, так и нитрата (Daims et al. 2015). Такие же бактерии можно обнаружить как в аквакультуре, так и в аквапонных системах (Wongkiew et al. 2017). Эти бактерии в основном встречаются в биопленках, прикрепленных к средам, составляющим биофильтр, но также могут наблюдаться в других отсеках системы (Timmons and Ebeling 2013).

Нитрификация имеет первостепенное значение в аквапонике, поскольку аммиак и нитрит являются достаточно токсичными для рыб: 0,02—0,07 мг/л аммиазота достаточно для наблюдения за повреждениями в теплой воде рыб, а нитрит-азот должен содержать менее 1 мг/л (Losordo et al. 1998; Timmons and Ebeling 2013). Аммиак поражает центральную нервную систему рыб (Randall and Tsui 2002; Timmons and Ebeling 2013), в то время как нитрит вызывает проблемы с фиксацией кислорода (Losordo et al. 1998). Однако нитрат — азот переносится рыбой до 150—300 мг/л (Goddek et al. 2015; Graber and Junge 2009; Yildiz et al. 2017).

Нитрификация происходит главным образом в биофильтрах (Losordo et al. 1998; Timmons and Ebeling 2013). Поэтому при запуске системы рекомендуется запускать систему без рыбы, чтобы позволить медленно растущей популяции нитрифицирующих бактерий установить (Timmons and Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Также необходимо избегать, насколько это возможно, присутствия органического вещества в биофильтрах, чтобы предотвратить рост высококонкурентных гетеротрофных бактерий (Timmons and Ebeling 2013). В качестве альтернативы, коммерческие смеси нитрифицирующих бактерий могут быть добавлены в систему, чтобы ускорить процесс колонизации (Kuhn et al. 2010). Тем не менее, небольшие аквапонные системы без биофильтра также существуют. В этих системах нитрифицирующие бактерии образуют биопленки доступных поверхностей (например, стенки гидропонного отсека, инертные среды при использовании технологии слоя сред) (Somerville et al. 2014).