common:navbar-cta
Загрузить приложениеблогфункцииЦеныПоддержкаВойти
EnglishEspañolعربىFrançaisPortuguêsItalianoहिन्दीKiswahili中文русский

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).

! изображение-20210212133431271Figure 3: Общая форма азотного цикла (Энциклопедия Британика)

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.

! изображение-20210212133456250

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 - NH4+ ) (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)

! изображение-20210212133510758

Рис. 5: Равновесие аммония и аммония в зависимости от различных температур и pH (от Cofie *et al., * 2016)

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)

! изображение-20210212133525153

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

| Уравнение | Участвующие бактерии | | — | — | | $NH4^+ +1,5 O2 → NO2^- +2H^+ +H2O + энергия $ | нитритация; аммиак окисляющие бактерии (AOB) | | $HO2^- +0.5O2→NO3^-+ energy$ | нитратация; нитритные окисляющие бактерии (NOB) | | $NH4^+ 2,0O2 →NO3^-+2H^+H_2O+энергия $ | нитрификаторы |

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.

! изображение-20210212134308927

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 | | $2^−3 + 12 ^+ 10 ^− → 2 + 62$ | 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 H2PO4- а затем на HPO42 - 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 HPO42-. Растения могут поглощать P только как свободные ортофосфатные ионы H2PO4- и HPO42- . 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.

! изображение-20210212135335557

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) . *

Дополнительные темы см. в оглавлении.


[email protected]

https://aquateach.wordpress.com/
Loading...

Будьте в курсе новейших технологий Aquaponic

Компания

Авторское право © 2019 Аквапоника AI. Все права защищены.