Нитрифицирующие бактерии и биофильтр

6 июл. 2020 г. · Food and Agriculture Organization of the United Nations

В главе 2 обсуждается жизненно важная роль нитрифицирующих бактерий в общем аквапонном процессе. Нитрифицирующие бактерии превращают рыбные отходы, поступающие в систему главным образом в виде аммиака, в нитрат, который является удобрением для растений (рис. 5.1). Это двухэтапный процесс, и в нем участвуют две отдельные группы нитрифицирующих бактерий. Первым шагом является преобразование аммиака в нитрит, что делается аммиачно-окисляющими бактериями (AOB). На эти бактерии часто ссылаются название рода наиболее распространенной группы, Nitrosomonas. Второй шаг заключается в преобразовании нитрита в нитрат осуществляется нитритно-окисляющими бактериями (NOB). К ним обычно относится название рода наиболее распространенной группы, Nitrobacter. В этих группах много видов, но для целей данной публикации отдельные различия не имеют значения, и более целесообразно рассматривать группу в целом. Процесс нитрификации происходит следующим образом:

Бактерии AOB преобразуют аммиак (NH) в нитрит (NO₂^-)
Бактерии NOB затем преобразуют нитрит (NO₂^-) в нитрат (^NO-)

Нитрификация и, следовательно, здоровая бактериальная колония имеет важное значение для функционирования аквапонной системы. Нитрифицирующие бактерии относительно медленно воспроизводят и создают колонии, что требует дней, а иногда и недель, и поэтому терпение фермера является одним из важнейших параметров управления при создании новой аквапонной системы. Многие аквариумы и аквапонные системы потерпели неудачу, потому что слишком много рыбы было добавлено до того, как колония бактерий была полностью развита. Существует несколько других ключевых параметров для поддержки нитрифицирующих бактерий. Как правило, бактерии нуждаются в большом темном месте для колонизации с хорошим качеством воды, адекватной пищей и кислородом. Зачастую нитрифицирующие бактерии образуют слизистую, светло-коричневую или бежевую матрицу на биофильтре и имеют характерный запах, который трудно описать, но не пахнет особенно невольным, который может указывать на другие микроорганизмы.

Высокая площадь поверхности

Биофильтрационный материал с высокой удельной площадью поверхности (SSA) оптимален для развития обширных колоний нитрифицирующих бактерий. SSA представляет собой коэффициент, определяющий площадь поверхности, подвергаемую заданному объему среды, и выражается в квадратных метрах на кубический метр (м²/м³). В целом, чем меньше и более пористые частицы среды, тем больше поверхность, доступная для бактерий для колонизации. Это приводит к более эффективной биофильтрации. Существует множество таких материалов, используемых в аквапонике, либо в качестве растущей среды, либо для биофильтрации, например, вулканический гравий, керамзированная глина, коммерческие пластиковые биофильтры и корни растений. Вулканический туф и Bioballs®, рассмотренные в этом руководстве, имеют, соответственно, 300 м^2/м³и 600 м^2/м³, что является адекватным SSA, чтобы позволить бактериям процветать. Дополнительные характеристики и SSA различных сред, используемых в аквапонике, приведены в таблице 4.1 и добавлении 4. Если биофильтр не идеален и имеет меньшее соотношение площади поверхности к объему, то биофильтр должен быть больше. Негабаритный биофильтр не может нанести вред аквапонной системе, и хотя чрезмерно большие биофильтры добавят ненужные расходы, избыточная способность биофильтрации спасла многие системы от коллапса.

рН воды

Нитрифицирующие бактерии функционируют адекватно в диапазоне pH 6-8,5. Как правило, эти бактерии работают лучше при более высоком рН, при этом группа Nitrosomonas предпочитает pH 7,2-7,8, а группа Nitrobacter предпочитает pH 7,2-8,2. Однако целевой показатель pH для аквапоники составляет 6-7, что является компромиссом между всеми организмами в рамках этой экосистемы. Нитрифицирующие бактерии функционируют адекватно в этом диапазоне, и любое снижение бактериальной активности может быть компенсировано большим биофильтром.

Температура воды

Оптимальный температурный диапазон для нитрифицирующих бактерий составляет 17-34 °C, что способствует росту и продуктивности. Если температура воды опустится ниже этого диапазона, продуктивность бактерий будет снижаться. В частности, группа Nitrobacter менее устойчива к более низкой температуре, чем группа Nitrosomonas, и поэтому в более холодные периоды нитриты должны подвергаться более тщательному контролю, чтобы избежать вредных скоплений.

Растворенный кислород

Нитрифицирующие бактерии нуждаются в адекватном уровне DO в воде в любое время, чтобы расти здоровым образом и поддерживать высокий уровень продуктивности. Нитрификация представляет собой реакцию восстановления/окисления (окислитель), когда бактерии получают энергию, чтобы жить, когда кислород сочетается с азотом. Оптимальные уровни DO 4-8 мг/л, что также является уровнем, необходимым для рыб и растений. Нитрификация не происходит, если концентрация DO падает ниже 2 мг/л. Обеспечить адекватную биофильтрацию путем выделения аэрации для биофильтра либо через циклы наводнений и слива в почвах сред, воздушные камни во внешних биофильтрах или каскадные водоотводы в каналы и резервуары для отстойников.

УФ свет

Нитрифицирующие бактерии светочувствительны до тех пор, пока они полностью не установят колонию, а солнечный свет может нанести значительный вред биофильтру. Медиа-кровати уже защищают бактерии от солнечных лучей; но при использовании внешнего биофильтра обязательно держите его в тени от прямых солнечных лучей.

Мониторинг бактериальной активности

Если все эти пять параметров соблюдаются, можно с уверенностью предположить, что бактерии присутствуют и функционируют должным образом. Тем не менее, бактерии настолько важны для аквапоники, что стоит знать общее здоровье бактерий в любой момент времени. Тем не менее, бактерии являются микроскопическими организмами, и их невозможно увидеть без микроскопа. Существует простой метод контроля бактериальной функции; тестирование на аммиак, нитрит и нитрат дает информацию о состоянии бактериальной колонии. Аммиак и нитрит всегда должны составлять 0-1 мг/л в функционирующей и сбалансированной аквапонной установке. Если любой из них обнаруживается, это указывает на проблему с нитрифицирующими бактериями. Есть две возможные общие причины для этого. Во-первых, биофильтр слишком мал для количества рыбы и рыбного корма. Поэтому есть дисбаланс и рыбы слишком много. Чтобы исправить, либо увеличить размер биофильтра или уменьшить количество рыбы, либо режим кормления рыбы. Иногда эта проблема может возникать, когда система начиналась сбалансированно, когда рыба была меньше, но постепенно становилась несбалансированной, поскольку рыба росла и кормили больше биофильтром такого же размера. Во-вторых, если система сбалансирована по размеру, то сами бактерии могут работать неправильно. Это может указывать на проблему с качеством воды, и каждый из перечисленных выше параметров должен проверяться. Часто это может произойти в зимние сезоны, поскольку температура воды начинает падать и бактериальная активность замедляется.

Источник: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, 2014 год, Кристофер Сомервилл, Моти Коэн, Эдоардо Пантанелла, Остин Станкус и Алессандро Лователли, мелкомасштабное производство продуктов питания аквапоники, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Воспроизводится с разрешения. *