Aqu @teach: Биогеохимические циклы основных питательных веществ в аквапонике

3 сент. 2020 г. · Aqu@teach

Цикл азота

Азот является важным элементом для всех живых организмов и является основным питательным веществом, вызывающим озабоченность в аквапонике. Он встречается в аминокислотах (части белков), нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК), а также в молекуле переноса энергии аденозинтрифосфате (Pratt & Cornely 2014). Поскольку азот встречается во многих химических формах, азотный цикл является очень сложным (рис. 3).

)

Большая часть атмосферы Земли (78%) представляет собой атмосферный азотный газ, который является молекулярным динитрогеном (N₂). Газ азота очень нереактивен и не используется для большинства организмов. Фиксирование азота — это все процессы, которые преобразуют атмосферный азотный газ в соединения, которые можно назвать реактивным азотом (Nr). Nr включает в себя все биологически активные, фотохимически реактивные и радиационно активные N соединения в атмосфере и биосфере. Она включает неорганические восстановленные формы N (например, NH₃ и NH ⁺), неорганические окисленные формы (например, NO, HNO, N O и NO ^—) и органические соединения (например, мочевина, амины и белки) (Galloway et al. 2008).

Азотфиксация может происходить естественным образом при помощи молнии, так как очень горячий воздух разрывает связи N2, начав образование азотной кислоты. Его можно выполнить химически в реакции, называемой процессом Haber-Bosch. Биологическая фиксация азота происходит, когда N₂ преобразуется в аммиак ферментом, называемым азотгеназой. Микроорганизмы, которые фиксируют N₂ , в основном анаэробные. Большинство бобовых культур (фасоль, горох и т.д.) имеют конкреции в корневой системе, которые содержат симбиотические бактерии, называемые ризобией, которые помогают растению расти и конкурировать с другими растениями. Когда растение умирает, фиксированный азот высвобождается, что делает его доступным для других растений.

На рис. 4 показан азотный цикл в аквапонике. В аквапонике две части пищевой цепи (первичные производители и потребители), которые обычно встречаются вместе, пространственно разделены на аквакультуру и гидропоники. Синергетические эффекты, позволяющие эффективно использовать питательные вещества, опосредованы микроорганизмами.

Рис. 4: Цикл азота в аквапонике.

Азот поступает в аквапонную систему через корм для рыб, который проглатывается рыбой, а затем выводится в виде общего аммиачного азота (TAN, аммиак - NH₃ и аммоний - NH_⁴⁺ ) (Wongkiew et al. 2017). Азот преобразуется либо в аммоний (NH4+) при кислотных или нейтральных условиях pH, либо в аммиак (NH3) при более высоких уровнях pH. Концентрация аммиака зависит от содержания аммония, pH и температуры (рис. 5, таблица 3). Аммиак менее растворим в воде, чем NH4+; поэтому NH₃ быстро преобразуется в газообразную форму и выделяется из воды (Gay & Knowlton 2009).

Хотя аммоний (NH ⁺) не является токсичным, аммиак (NH) является. Поэтому ТАН следует удалить из системной воды и идеально преобразовать в нитрат по двум причинам: i) аммиак и нитрит, вторичный продукт нитрификации, вредны для рыб, в то время как нитрат переносится рыбой до 150-300 мг/л (Graber & Junge 2009); (ii) ТАН не является оптимальным для растений, для роста которых требуются преимущественно нитраты или смесь аммония и нитрата (Hu et al. 2015). Этот процесс биологического окисления аммиака или аммония до нитрита с последующим окислением нитрита до нитрата называется нитрификация и в основном происходит в биофильтре аквапонных систем (табл. 4). Нитрификация — это аэробный процесс, выполняемый малыми группами автотрофных бактерий и археи и обнаруженный российским микробиологом [Сергей Виноградский (1892)]. (https://www.worldcat.org/title/contributions-a-la-morphologie-des-organismes-de-la-nitrification/oclc/82793825)

Рис. 5: Равновесие аммония и аммония в зависимости от различных температур и pH (от [Cofie *et al., * 2016)](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 - 5520oq%23v%3Donepage&q=Олуфанке%20COFIE%2c%20Иосиан%20Никиема%2c%20Роберт%20Импрайм%2c%20Ноах%20ADAMTEY%2c&f=Ложь)

Таблица 3: Процентная доля (%) неионизированного аммиака в водном растворе при различных значениях pH и температурах. Для расчета количества присутствующего неионизированного аммиака суммарная концентрация аммиачного азота (TAN) должна быть умножена на соответствующий коэффициент, выбранный из этой таблицы с использованием pH и температуры из вашей пробы воды и разделена на 100. Если полученная концентрация превышает 0,05 мг/л, аммиак наносит вред рыбе (адаптирован после Francis-Floyd et al. 2009)

Таблица 4: Химические уравнения нитрификации. Нитрификация, как правило, представляет собой двухэтапный процесс, выполняемый специализированной группой бактерий, называемых нитрификаторами

Преобразование аммиака в нитрит обычно является шагом, ограничивающим скорость нитрификации. Это связано с тем, что AOB (бактерии рода Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio sp.*, * и т.д.) и NOB (бактерии рода *Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococccus и т.д.) имеют разные темпы роста, вызывая частичную нитрификацию, особенно в начальный период, приводящую к NO ^- накопление до тех пор, пока нитрификаторы не будут полностью установлены, что может занять до 4 недель (рис. 6).

** Денитрификация** (таблица 5) представляет собой преобразование нитратов (NO₃-) в нитриты (NO₂^-), оксида азота (NO), закиси азота (N₂O) и, наконец, в азотный газ (N₂) в аноксических и анаэробных условиях (очень низкий или нулевой уровень растворенного кислорода). Денитрификация осуществляется дентрификаторами, относящимися к таксономически разным группам археи и факультативным гетеротрофным бактериям. Поскольку N₂O является более мощным парниковым газом, чем CO₂, его производство должно быть сокращено до минимума (Zou et al. 2016), с тем чтобы максимально увеличить темпы внесения N в биомассу растений.

Рисунок 6: Запуск биофильтра: изменение концентрации аммиака, нитритов и нитратов с течением времени. (LECA обозначает легкий глинистый агрегат, который часто используется в гидропонике)

Таблица 5. Химические уравнения реакций денитрификации. Денитрификация, как правило, протекает через некоторое сочетание следующих полуреакций, с ферментом катализирующим реакцию в скобках

| Уравнения | Фермент катализатор реакции | | — | — | | $^−_3 + 2^+ 2 ^−→ ^−_2 + _2$ | Нитрат-редуктаза | | $_2^− + 2^+ ^− → + + _2$ | Нитрит-редуктаза | | $2 + 2 ^+ 2 ^− → _2+ _2$ | Оксид азота | | $_2+ 2 ^+ 2 ^− → _2 + _2$ | Закись азота редуктаза | | $2^−_3 + 12 ^+ 10 ^− → _2 + 6_2$ | Полный процесс может быть выражен в виде чистой сбалансированной окислительно-восстановительной реакции |

Анаэробное окисление аммония (анаммокс) . Бактерии, выступающие посредником этого процесса, были выявлены в 1999 году (Strous et al. 1999). Анаммокс может существовать в аквапонных системах, поскольку характеристики воды аналогичны характеристикам аквакультуры, где, как было показано, происходит процесс анаммокса (Wongkiew et al. 2017). Тем не менее, скорость анаммокса в 10 раз медленнее, чем скорость нитрификации. Как сообщается, процесс анаммокса способствует потере азота в различных экосистемах (Burgin & Hamilton 2007, Hu et al. 2010). Поскольку аммиак и нитрит имеются в аквапонных системах, азотный газ может образовываться с помощью процесса анаммокса в аноксических условиях в биофильтре (таблица 6).

Таблица 6: Химическое уравнение аннамоксной реакции

| Уравнение | Участвующие бактерии | | — | — | | $^+_4 + ^−_2 → _2 + 2 _2 + $ | анаммокс бактерии |

Цикл фосфора

Фосфор (P) является вторым по значимости макронутриентом для роста растений и требуется в относительно больших количествах. Он играет роль в дыхании и клеточном делении и используется в синтезе энергетических соединений. P поступает в аквапонную систему путем корма для рыб, водопроводной воды и добавления удобрений (если применимо). Химическая форма, в которой Р присутствует в питательном растворе, зависит от рН. PK (количественный показатель кислотности) для разделения H₃PO 4 на H₂PO_₄^- а затем на HPO₄^{2 -} соответственно 2,1 и 7,2 (Schachtman et al. 1998, цитируется в da Silva Серози и Фицсиммонс 2016). Таким образом, в диапазоне pH, поддерживаемом в аквапонных системах, P в основном присутствует в виде H₂PO₄^-и меньше, чем H₃PO₄или HPO₄^2-. Растения могут поглощать P только как свободные ортофосфатные ионы H₂PO₄^- и HPO₄^2- . Экспериментальные и имитационные исследования показали, что доступность Р снижается с увеличением рН аквапонной воды из-за осадков (рис. 7).

Если рН в аквапонном питательном растворе увеличивается, Р связывается с несколькими катионами, так что в растворе имеется меньше свободных ионов Р (PO₄), но есть более нерастворимые виды фосфатов кальция, которые оседают из раствора. Эти нерастворимые комплексы могут накапливаться либо в шламе рыбы (Schneider et al. 2005), либо в отложениях и перифитоне на стенках и трубопроводах аквапонной системы. Йогев et al. (2016) подсчитал, что этот убыток может составить до 85%. Одним из вариантов предотвращения такой массовой потери P через шлам является добавление пищеварения в систему аквапоники. Во время аэробного или анаэробного сбраживания Р высвобождается в дигестат и может быть повторно введен в циркулирующую воду (Goddek et al. 2016). da Silva Cerozi & Fitzsimmons (2016) также продемонстрировала важность органического вещества и щелочности в содержании свободных ионов фосфатов в растворе при высоких диапазонах рН. Однако рекомендуется поддерживать pH в аквапонных системах на уровне 5,5—7,2 для оптимальной доступности и поглощения растениями.

Рисунок 7: Спецификация основных форм Р в аквапонном растворе как функция pH, смоделированная в визуальном MINTEQ. Обратите внимание, что не все виды PO₄ описаны на диаграмме (из da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016)

Точная динамика фосфора в аквапонике до сих пор не понята. Основным источником фосфора в систему является корм для рыб, а в недополненных системах фосфор имеет тенденцию ограничивать (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998). Это также причина, по которой до 100% фосфора, присутствующего в рыбной воде, может быть переработано в растительной биомассе в зависимости от конструкции системы (Graber & Junge 2009).

*Авторское право © Партнеры проекта Aqu @teach. Aqu @teach является стратегическим партнерством Erasmus+ в области высшего образования (2017-2020), возглавляемым Университетом Гринвича, в сотрудничестве с Цюрихским университетом прикладных наук (Швейцария), Техническим университетом Мадрида (Испания), Люблянским университетом и Биотехническим центром Naklo (Словения) . *

Цикл азота

Цикл фосфора

Похожие статьи