Aqu @teach: Mzunguko wa biogeochemical wa virutubisho kuu katika aquaponics

Mzunguko wa nitrojeni

Nitrojeni ni kipengele muhimu kwa viumbe vyote vilivyo hai na ni virutubisho kuu ya wasiwasi katika aquaponics. Inatokea katika asidi amino (sehemu za protini), asidi nucleic (DNA na RNA), na katika uhamisho wa nishati molekuli adenosine triphosphate (Pratt & Cornely 2014). Kama nitrojeni hutokea katika aina nyingi za kemikali, mzunguko wa nitrojeni ni ngumu sana (Kielelezo 3).

)

Anga nyingi za dunia (78%) ni gesi ya nitrojeni ya angahewa ambayo ni dinitrojeni ya masi (N₂). Gesi ya nitrojeni ni nonreactive sana na haina matumizi kwa viumbe wengi. Nitrojeni naitrojeni ni michakato yote kubadilisha anga nitrojeni gesi katika misombo ambayo inaweza kuitwa tendaji nitrojeni (Nr). Nr ni pamoja na kila ur kazi, photochemically tendaji, na radiatively kazi N misombo katika anga na biosphere. Inajumuisha aina zisizo za kawaida za N (kwa mfano, NH₃ na NH ⁺), aina zisizo za kikaboni (kwa mfano, NO, HNO, N O, na NO ^—), na misombo ya kikaboni (kwa mfano, urea, amini, na protini) (Galloway et al. 2008).

Nitrojeni fixation inaweza kutokea kwa kawaida kwa umeme, kama hewa ya moto sana huvunja vifungo vya N2 kuanzia malezi ya asidi ya nitrous. Inaweza kufanywa kemikali katika mmenyuko unaoitwa mchakato wa Haber-Bosch. Nitrojeni ya kibiolojia hutokea wakati N₂ inabadilishwa kuwa amonia na enzyme inayoitwa nitrogenase. Microorganisms ambazo zinatengeneza N₂ ni zaidi anaerobic. Makunde mengi (maharagwe, mbaazi n.k) yana vinundu katika mifumo yao ya mizizi ambayo yana bakteria ya symbiotic inayoitwa rhizobia inayosaidia mmea kukua na kushindana na mimea mingine. Wakati mmea unapofariki, nitrojeni iliyowekwa hutolewa, na kuifanya inapatikana kwa mimea mingine.

Kielelezo cha 4 kinaonyesha mzunguko wa nitrojeni kama unatokea katika aquaponics. Katika aquaponics sehemu mbili za mlolongo wa chakula (wazalishaji wa msingi na watumiaji) ambazo hutokea kwa pamoja zinajitenga kwa nafasi katika vyumba vya maji na hydroponic. Madhara ya synergistic ambayo inaruhusu matumizi mazuri ya virutubisho yanapatanishwa na microorganisms.

#

Kielelezo cha 4: Mzunguko wa nitrojeni katika aquaponics.

Nitrojeni inaingia mfumo wa aquaponic kupitia malisho ya samaki, ambayo huingizwa na samaki na baadaye hutolewa kama jumla ya nitrojeni ya amonia (TAN, amonia - NH₃ na amonia — NH₄ ⁺) (Wongkiew et al. 2017). Nitrojeni inabadilishwa kuwa ama amonia (NH4 +) chini ya hali tindikali au neutral pH, au amonia (NH3) kwenye viwango vya juu vya pH. Mkusanyiko wa amonia unategemea maudhui ya amonia, pH na joto (Kielelezo 5, Jedwali 3). Amonia ni chini ya mumunyifu katika maji kuliko NH4 +; kwa hiyo, NH₃ inabadilishwa kwa kasi kuwa fomu ya gesi na imetolewa kutoka kwenye maji ([Gay & Knowlton 2009).

Wakati amonia (NH ⁺) si sumu, amonia (NH) ni. Kwa hiyo, TAN wanapaswa kuondolewa kutoka mfumo wa maji na walau kubadilishwa kuwa nitrate kwa sababu mbili: (i) amonia na nitriti, bidhaa ya sekondari ya nitrification, wote ni hatari kwa samaki, wakati nitrate ni kuvumiliwa na samaki hadi 150-300 mg/L (Graber & Junge 2009); (ii) TAN sio bora kwa mimea, ambayo inahitaji sana nitrati au mchanganyiko wa amonia na nitrati kwa ukuaji (Hu et al. 2015). Utaratibu huu wa oxidation ya kibiolojia ya amonia au amonia kwa nitriti ikifuatiwa na oxidation ya nitriti kwa nitrati inaitwa nitrification na hasa hufanyika katika biofilter ya mifumo ya aquaponic (Jedwali 4). Nitrification ni mchakato wa aerobic uliofanywa na makundi madogo ya bakteria ya autotrophic na archaea na iligunduliwa na microbiologist Kirusi Sergei Winogradsky (1892).

#

Kielelezo cha 5: Msawazo wa amonia na amonia kama kazi ya joto tofauti na pH (kutoka [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=OLUFUNKE%20COFIE%2c%20JOSIANE%20Nikiema%2c%20Robert%20impraim%2c%20Noah%20adamtey%2C&F=uongo)

Jedwali 3: Asilimia (%) ya amonia isiyo na ionized katika suluhisho la maji kwa maadili tofauti ya pH na joto. Ili kuhesabu kiasi cha amonia isiyo na ionized sasa, mkusanyiko wa jumla wa Amonia Nitrojeni (TAN) lazima uongezwe na sababu inayofaa iliyochaguliwa kutoka meza hii kwa kutumia pH na joto kutoka sampuli yako ya maji na kugawanywa na 100. Ikiwa mkusanyiko unaosababisha ni mkubwa kuliko 0.05 mg/L amonia inadhuru samaki (ilichukuliwa baada ya [Francis-Floyd et al. 2009)

Jedwali 4: equations kemikali ya nitrification. Nitrification kawaida ni mchakato wa hatua mbili, uliofanywa na kundi maalumu la bakteria, aitwaye nitrifiers

Mabadiliko ya amonia kwa nitriti ni kawaida kiwango cha kupunguza hatua ya nitrification. Hii ni kwa sababu AOB (bakteria ya jenasi Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio sp.*, * nk) na NOB (bakteria ya jenasi *Nitrobacter, Nitrococcus, * nk) wana viwango vya ukuaji tofauti, na kusababisha nitrification sehemu, hasa wakati wa kuanza, na kusababisha NO ^- mkusanyiko mpaka nitrifiers imara kikamilifu, ambayo inaweza kuchukua hadi wiki 4 (Mchoro 6).

Denitrification (Jedwali 5) ni kubadilishwa kwa nitrati (NO₃-) kwa nitriti (NO₂^-), oksidi ya nitriki (NO), oksidi ya nitrojeni (N₂O) na hatimaye kwa gesi ya nitrojeni (N₂) chini ya hali ya anaerobic na anaerobic (viwango vya chini sana au sifuri vya oksijeni iliyoyeyushwa oksijeni). Denitrification hufanyika na dentrifiers, ambao ni wa makundi tofauti ya archaea na bakteria ya heterotrophic ya acultative. Kama N₂O ni gesi ya chafu yenye nguvu zaidi kuliko CO₂, uzalishaji wake unapaswa kupunguzwa hadi kiwango cha chini (Zou et al. 2016) ili kuongeza viwango vya kuingizwa kwa N katika mimea ya mimea.

Kielelezo 6: Kuanzia biofilter: maendeleo ya amonia, nitriti, na viwango vya nitrati kwa muda. (LECA inaashiria Mwanga Kupanuliwa Clay jumla, kati mara nyingi hutumiwa katika hydroponics)

Jedwali 5: equations kemikali ya athari denitrification. Denitrification kwa ujumla inaendelea kupitia mchanganyiko wa athari za nusu zifuatazo, na enzyme ikichochea majibu katika mabano

Anaerobic amonia oxidation (anammox) . Bakteria kupatanisha mchakato huu walikuwa kutambuliwa katika 1999 (Strous et al. 1999). Anammox inaweza kuwepo katika mifumo ya aquaponic kwa sababu sifa za maji zinafanana na zile za mifumo ya ufugaji wa maji, ambapo mchakato wa anammox umeonyeshwa kutokea ([Wongkiew et al. 2017). Hata hivyo, kiwango cha anammox ni polepole mara 10 kuliko kiwango cha nitrification. Mchakato wa anammox umeripotiwa kuchangia hasara ya nitrojeni katika mazingira tofauti (Burgin & Hamilton 2007, Hu et al. 2010). Kwa kuwa amonia na nitriti zinapatikana katika mifumo ya aquaponic, gesi ya nitrojeni inaweza kuundwa kupitia mchakato wa anammox chini ya hali ya anoxic katika biofilter (Jedwali 6).

Jedwali 6: Equation ya kemikali ya majibu ya annamox

mzunguko wa phosphorus

Phosphorus (P) ni macronutrient ya pili muhimu kwa ukuaji wa mimea na inahitajika kwa kiasi kikubwa. Ina jukumu katika kupumua na mgawanyiko wa seli na hutumiwa katika awali ya misombo ya nishati. P inaingia mfumo wa aquaponic kwa njia ya kulisha samaki, maji ya bomba, na nyongeza za mbolea (ikiwa zinatumika). Fomu ya kemikali ambayo P iko katika suluhisho la virutubisho inategemea pH. PK (kipimo cha kiasi cha acidity) kwa dissociation ya H₃PO₄katika H₂PO₄^- na kisha katika HPO₄^2- ni 2.1 na 7.2 kwa mtiririko huo (Schachtman et al. 1998, iliyotajwa katika da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016). Kwa hiyo, katika aina ya pH iliyohifadhiwa katika mifumo ya aquaponic, P ni zaidi ya sasa katika fomu H₂PO₄^-, na chini ya H₃PO₄au HPO₄^2-. Mimea inaweza tu kunyonya P kama bure orthophosphate ions H₂PO₄^- na HPO₄^2- . Uchunguzi wa majaribio na simulation umeonyesha kuwa upatikanaji wa P hupungua kwa kuongezeka kwa pH ya maji ya maji kutokana na mvua (Kielelezo 7).

Ikiwa pH katika ufumbuzi wa virutubisho wa maji huongezeka, P hufunga kwa cations kadhaa, ili ions chache za bure za P (PO₄) zinapatikana katika suluhisho, lakini kuna aina nyingi za phosphate za kalsiamu, ambazo huzuia kutoka kwa suluhisho. Hizi complexes hakuna inaweza kujilimbikiza ama katika sludge samaki (Schneider et al. 2005) au katika sediments na periphyton juu ya kuta na mabomba ya mfumo wa aquaponic. Yogev et al. (2016) inakadiriwa kuwa hasara hii inaweza kuwa hadi 85%. Chaguo moja la kuzuia hasara hii kubwa ya P kupitia sludge ni kuongeza compartment digestion kwa mfumo wa aquaponic. Wakati wa digestion aerobic au anaerobic, P hutolewa ndani ya digestate na inaweza kuletwa tena ndani ya maji yanayozunguka (Goddek et al. 2016). da Silva Cerozi & Fitzsimmons (2016) pia ilionyesha umuhimu wa viumbehai na alkalinity katika kutunza ioni za phosphate za bure katika suluhisho kwenye viwango vya juu vya pH. Inapendekezwa ingawa pH katika mifumo ya aquaponic inasimamiwa kwa aina mbalimbali ya 5.5—7.2 kwa upatikanaji bora na matumizi ya mimea.

Kielelezo 7: Speciation ya aina kuu ya P katika ufumbuzi aquaponic kama kazi ya pH kama simulated katika Visual MINTEQ. Kumbuka kuwa si aina zote za PO₄ zinazoelezwa kwenye chati (kutoka da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016)

Mienendo sahihi ya fosforasi katika aquaponics bado haijulikani. Pembejeo kuu ya fosforasi katika mfumo ni kulisha samaki, na katika mifumo isiyoongezewa fosforasi huelekea kuwa kikwazo (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998). Hii pia ni sababu kwa nini hadi 100% ya fosforasi iliyopo katika maji ya samaki inaweza kurekebishwa katika mimea ya mimea, kulingana na muundo wa mfumo (Graber & Junge 2009).

*Hakimiliki © Washirika wa Mradi wa Aqu @teach. Aqu @teach ni Ushirikiano wa Kimkakati wa Erasmus+katika Elimu ya Juu (2017-2020) unaongozwa na Chuo Kikuu cha Greenwich, kwa kushirikiana na Chuo Kikuu cha Zurich cha Sayansi Applied (Uswisi), Chuo Kikuu cha Ljubljana na Kituo cha Biotechnical Naklo (Slovenia) . *