Source material

الفصل الثالث إعادة تدوير تكنولوجيات الاستزراع المائي

1. 3-1 مقدمة

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   تصف أنظمة إعادة تدوير الاستزراع المائي أنظمة الإنتاج المكثف للأسماك التي تستخدم سلسلة من خطوات معالجة المياه لتطهير مياه تربية الأسماك وتسهيل إعادة استخدامها. وسيشمل هذا النظام بوجه عام (1) أجهزة لإزالة الجسيمات الصلبة من الماء التي تتكون من براز الأسماك، والأعلاف غير المأكل، والفلوكات البكتيرية (Chen et al. 1994؛ Couturier et al. 2009)، (2) المرشحات الحيوية النتروية لتأكسد الأمونيا التي تفرزها الأسماك إلى نترات (Gutierrez Wing and Malone 2006)، (3) رقم من أجهزة تبادل الغاز لإزالة ثاني أكسيد الكربون المذاب الذي طردته الأسماك وكذلك إضافة الأوكسجين الذي تتطلبه الأسماك والبكتيريا النترينية (Colt and Watten 1988؛ Moran 2010؛ Summerfelt 2003؛ Wagner et al. 1995). وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يستخدم RAS أيضاً التشعيع فوق البنفسجي لتطهير المياه (Sharrer et al. 2005؛ Summerfelt et al. 2009)، وقشط الأوزون والبروتين للمواد الصلبة الدقيقة والتحكم الميكروبي (Attramadal et al. 2012a؛ Gonçalves وGagnon 2011؛ Summerfelt وHochheimer 1997) ونظم إزالة النترات لإزالة النترات (فان رين و آخرون 2006).

   وما فتئت التكنولوجيا الحديثة لإعادة تدوير الاستزراع المائي تتطور منذ أكثر من 40 عامًا، إلا أن التقنيات الجديدة تقدم طرقًا متزايدة لتغيير نماذج RAS التقليدية بما في ذلك إدخال تحسينات على العمليات التقليدية مثل التقاط المواد الصلبة والترشيح الحيوي وتبادل الغاز. وشهدت هذه النظم أيضاً تطورات هامة من حيث الحجم والقدرات الإنتاجية وقبول السوق، حيث أصبحت النظم أكبر وأكثر قوة تدريجياً.

   يناقش هذا الفصل كيف تطورت تكنولوجيا RAS على مدى العقدين الماضيين من فترة من التوحيد التكنولوجي إلى عهد جديد من التنفيذ الصناعي.

   3.1.1 تاريخ راس

   وركز البحث العلمي الأول الذي أجري في اليابان في الخمسينات على تصميم المرشحات البيولوجية لإنتاج الكارب بدافع الحاجة إلى استخدام موارد المياه المحدودة محلياً بطريقة أكثر إنتاجية (Murray et al. 2014). وفي أوروبا والولايات المتحدة، حاول العلماء بالمثل تكييف التكنولوجيات المستحدثة لمعالجة المياه المستعملة المنزلية من أجل إعادة استخدام المياه على نحو أفضل في نظم إعادة تدوير المياه (مثل عمليات الحمأة المنشطة لمعالجة مياه المجارير، والصب، والمرشحات الحيوية المغمورة والتدفق السفلي، والعديد من الفلاتر الميكانيكية أنظمة الترشيح). و شملت هذه الجهود المبكرة أساسا العمل المتعلق بالنظم البحرية لإنتاج الأسماك و القشريات, ول كنها سرعان ما اعتمدت في المناطق القاحلة التي يقيد فيها قطاع الزراعة إمدادات المياه. وفي الاستزراع المائي، تم تصميم حلول مختلفة لزيادة استخدام المياه إلى أقصى حد، بما في ذلك أنظمة إعادة تدوير مكثفة للغاية تتضمن أنظمة تنقية المياه مثل مرشحات الأسطوانات والمرشحات البيولوجية وكاشطات البروتين وأنظمة حقن الأكسجين (Hulata and Simon 2011). وعلى الرغم من الاقتناع القوي من جانب رواد الصناعة بشأن الجدوى التجارية لعملهم، فقد ركزت معظم الدراسات المبكرة بشكل حصري على أكسدة نفايات النيتروجين غير العضوية السامة المستمدة من استقلاب البروتين. وقد تعززت الثقة في التكنولوجيا بفضل التشغيل الناجح لل أحواض المائية العامة و المحلية, التي تتميز عموما بوحدات معالجة كبيرة الحجم لضمان المياه النقية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن كثافات التخزين المنخفضة للغاية وما يرتبط بها من مدخلات تغذية تعني أن هذه الهندسة المفرطة لا تزال تسهم إسهاما ضئيلا نسبيا في التكاليف الرأسمالية والتشغيلية للنظام بالمقارنة مع نظام RAS المكثف. ونتيجة لذلك، لم يتم حساب التغيرات في ديناميات العمليات المرتبطة بتغيير الحجم، مما أدى إلى تقليص حجم وحدات المعالجة من أجل تقليل التكاليف الرأسمالية إلى أدنى حد ممكن. ونتيجة لذلك، كانت هوامش الأمان ضيقة للغاية أو معدومة (Murray et al. 2014). و نظرا لأن العديد من العلماء الرواد لديهم خلفيات بيولوجية لا هندسية, فإن التحسينات التقنية كانت مقيدة أيضا بسبب سوء الاتصالات بين العلماء و المصممين و موظفي البناء و المشغلين. و ساعد وضع مصطلحات موحدة و وحدات لل قياس و أشكال لل إبلاغ في عام 1980 (EFACC/ICES 1980) على معالجة هذه الحالة, وإن كانت الاختلافات الإقليمية لا تزال قائمة. ولم يعترف جيدا ببارامترات جودة المياه الدورية حتى منتصف الثمانينات باعتبارها هامة في إنتاج الأحواض، مثل القياس الدوري لتركيزات الأس الهيدروجيني والأكسجين وTAN (مجموع النتروجين الأمونيا) وNO2 (النترات) وBOD (الطلب على الأكسجين البيوكيميائي) وCOD (الطلب على الأوكسجين الكيميائي).

   في الجزء الأخير من القرن الماضي، تم نشر العديد من المقالات حول التطوير المبكر لـ RAS. وشرح روزنتال (1980) حالة نظم إعادة الدوران في أوروبا الغربية، في حين قام بوفيندور وآخرون (1987) بتطوير نظام لإعادة تدوير المياه لاستزراع سمك السلور الأفريقي فيما يتعلق بالحركية لإنتاج النفايات وإزالة النفايات (تم تقديم تصميم لنظام لمعالجة المياه يتألف من و مفاعل هوائي ذو أغشية ثابتة أظهر نتائج مرضية بالنسبة لاستزراع سمك السلور الأفريقي عالي الكثافة). وكان هذا العمل جزءا من التطور السريع في نظم الاستزراع السمكي حتى منتصف التسعينات في شمال وغرب أوروبا (روزنتال والأسود 1993)، وكذلك في أمريكا الشمالية (كولت 1991). وقدمت التصنيفات الجديدة، مثل التصنيف وفقا لكيفية تدفق المياه من خلال نظام الاستزراع المائي، رؤى أساسية فيما يتعلق بعمليات جودة المياه الهامة لإنتاج الأسماك (كروم وفان ريجن 1989). وفي العمل اللاحق الذي قام به فان ريجن (1996), أدخلت مفاهيم تركز على العمليات البيولوجية التي تقوم عليها نظم المعالجة. و كانت الاستنتاجات التي خلص إليها هذا العمل هي أن إدراج أساليب للحد من تراكم الحمأة و النترات أدى إلى ظروف أكثر استقرارا لنوعية المياه داخل و حدات الاستزراع. وخلال هذه الفترة، زاد إنتاج هذا النظام زيادة كبيرة من حيث الحجم وتنوع الأنواع (روزنتال 1980؛ فيريث وإيدينغ 1993؛ مارتينز وآخرون 2005). واليوم، يتم إنتاج أكثر من 10 أنواع في أسماك السلور والأنقليس والتراوت الأفريقية كأنواع رئيسية من المياه العذبة، والتوربوت، والقاروص الوحيد كأنواع بحرية رئيسية) (مارتينز وآخرون 2010ب)، وأصبح هذا النظام أيضاً عنصراً حاسماً في إنتاج اليرقات والأحداث من الأنواع المتنوعة.

   وفي حين تم الوصول إلى الحد الأقصى من الغلة المستدامة للعديد من أنواع الأرصدة البرية المائية، أو سيتم الوصول إليها قريبا، كما أن العديد من الأنواع قد تم بالفعل الصيد المفرط، فإن هذه الأنواع تعتبر تقنية رئيسية ستساعد قطاع الاستزراع المائي على تلبية احتياجات الأنواع المائية خلال العقود القادمة (Ebeling and Timmons 2012).

   3.1.2 تاريخ قصير من أكوابونيكش في سياق راس

   

   الشكل 3.1 Chinampas (الحدائق العائمة) في أمريكا الوسطى - بناء الجزيرة الاصطناعية كسابقة للتكنولوجيا المائية. (من مارزولينو/ ShutterStock.com)

   Aquaponics هو مصطلح تم «صياغته» في السبعينيات، ولكن من الناحية العملية له جذور قديمة - على الرغم من أنه لا تزال هناك مناقشات حول حدوثه الأول. الجزر الزراعية المزروعة بالأزتيك والمعروفة باسم chinampas (أقرب 1150-1350CE)، في نظام يعتبره البعض أول شكل من أشكال الزراعة المائية للاستخدام الزراعي (الشكل 3.1). وفي مثل هذه النظم، ترعرعت النباتات على جزر مستقرة، أو منقولة وعائمة في بعض الأحيان وضعت في ضحلة البحيرة حيث يمكن تجريف الطين الغني بالمغذيات من قنوات تشينامبا ووضعها في الجزر لدعم نمو النباتات (Crossley 2004).

   وقد بدأ مثال سابق على الأحياء المائية على الجانب الآخر من العالم في جنوب الصين ويعتقد أنه انتشر داخل جنوب شرق آسيا حيث استقر المستوطنون الصينيون من يوننان في حوالي 5 م. و يزرع المزارعون الأرز و يزرعونه في حقول الأرز بالاشتراك مع الأسماك (منظمة الأغذية و الزراعة 2001). وتوجد هذه النظم الزراعية المتعددة الثقافات في العديد من بلدان الشرق الأقصى لتربية الأسماك مثل اللوتش الشرقي (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009)، وثعبان البحر المستنقعات (fam). Synbranchidae), و الكارب الشائع (Cyprinus carpio_), و الكارب الكروسي (كاراسيوس) (منظمة الأغذية و الزراعة 2004). غير أن هذه النظم لم تكن في جوهرها أنظمة مائية ولكن يمكن وصفها على أفضل وجه بأنها أمثلة مبكرة على النظم المتكاملة للاستزراع المائي (Gomez 2011). وفي القرن العشرين، بذلت المحاولات الأولى لإنشاء نظم عملية وفعالة ومتكاملة لإنتاج الأسماك إلى جانب الخضروات في السبعينات من خلال عمل لويس ونايجل (لويس وهر 1976؛ نايجل 1977؛ لويس وآخرون 1978). تم تصميم أنظمة مبكرة أخرى من قبل Waten and Busch في عام 1984 وراكوسي في عام 1989 (Palm et al. 2018).

2. 3-2 استعراض مراقبة جودة المياه في راس

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   RAS هي أنظمة إنتاج مائية معقدة تنطوي على مجموعة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية (Timmons and Ebeling 2010). إن فهم هذه التفاعلات والعلاقات بين الأسماك في النظام والمعدات المستخدمة أمر بالغ الأهمية للتنبؤ بأي تغييرات في نوعية المياه وأداء النظام. وهناك أكثر من 40 معيار جودة المياه يمكن استخدامها لتحديد نوعية المياه في الاستزراع المائي (تيمونز وEbeling 2010). ومن بين هذه الحالات، لا يوجد سوى عدد قليل منها (كما هو موضح في الأقسام [3-2-1](#321 -الذائب - الأوكسجين - دو)، [3.2.2](#322 -الأمونيا)، [3.2.3](#323 -المواد الصلبة الحيوية)، 3.2.4، 3.2.5، 3-2.6 و 3.2.7) يتم التحكم فيها تقليديا في إعادة تدوير الرئيسية #324 #325 #326 #327 بالنظر إلى أن هذه العمليات يمكن أن تؤثر بسرعة على بقاء الأسماك وتكون عرضة للتغيير مع إضافة الأعلاف إلى النظام. ولا يتم عادة رصد العديد من بارامترات نوعية المياه الأخرى أو التحكم فيها لأن (1) تحليلات نوعية المياه قد تكون باهظة الثمن، (2) يمكن تخفيف الملوثات التي يتعين تحليلها عن طريق التبادل اليومي للمياه، (3) مصادر المياه المحتملة المحتوية عليها مستبعدة للاستخدام، أو (4) لأن سلبيتها المحتملة لم يلاحظ الآثار في الممارسة العملية. ولذلك، يتم مراقبة معايير جودة المياه التالية عادة في راس.

   3.2.1 الأكسجين المذاب (DO)

   الأكسجين المذاب (DO) هو عموما أهم معلمة نوعية المياه في النظم المائية المكثفة، حيث أن انخفاض مستويات DO قد يؤدي بسرعة إلى إجهاد مرتفع في الأسماك، وعطل في الترشيح الحيوي النتريفيج، وفي الواقع خسائر كبيرة في الأسماك. عادة، فإن كثافات التخزين، إضافة الأعلاف، درجة الحرارة والتسامح من أنواع الأسماك إلى نقص الأكسجة سوف تحدد متطلبات الأكسجين للنظام. وبما أنه يمكن نقل الأكسجين إلى الماء بتركيزات أعلى من تركيزه التشبع في الظروف الجوية (وهذا ما يسمى التشبع الفائق)، توجد مجموعة من الأجهزة والتصاميم لضمان تزويد الأسماك بالأكسجين الكافي.

   في راس، دو يمكن السيطرة عليها عن طريق التهوية، إضافة الأكسجين النقي، أو مزيج من هذه. وبما أن التهوية قادرة فقط على رفع تركيزات الإنفلونزا إلى نقطة التشبع في الغلاف الجوي، فإن هذه التقنية محجوزة بشكل عام للأنظمة أو الأنظمة ذات الأنواع المتسامحة مثل Tilapia أو سمك السلور. ومع ذلك، فإن أجهزة التهوية هي أيضا عنصر هام من مكونات RAS التجارية حيث يتم تقليل استخدام الأكسجين التقني الباهظ الثمن عن طريق تهوية المياه ذات المحتوى المنخفض من الأكسجين المذاب إلى نقطة التشبع قبل تشبع الماء بالأكسجين التقني.

   

   ** الشكل 3.2** مخططات لمثالين لنقل الغاز إلى السائل: التهوية المنتشرة وحقنات/الشافطات فنتوري

   وهناك عدة أنواع من أجهزة التهوية والأكسجين التي يمكن استخدامها في RAS وتندرج في فئتين عريضتين هما: أنظمة الغاز إلى السائل والسائل إلى الغاز (Lekang 2013). وتشمل مهواة التهوية من الغاز إلى السائل في الغالب أنظمة تهوية منتشرة حيث يتم نقل الغاز (الهواء أو الأكسجين) إلى الماء، مما يخلق فقاعات تتبادل الغازات مع الوسط السائل (الشكل 3.2). وتشمل الأنظمة الأخرى من الغاز إلى السائل تمرير الغازات من خلال الناشرات، أو الأنابيب المثقبة أو الألواح المثقبة لخلق فقاعات باستخدام الحقن فينتوري التي تخلق كتل من الفقاعات الصغيرة أو الأجهزة التي تحبس فقاعات الغاز في مجرى المياه مثل مخروط Speece وOxygenator أنبوب U.

   

   ** الشكل 3.3** رسوم بيانية لمثالين لنقل السوائل إلى الغاز: جهاز تهوية العمود المعبأ والرشاشات السطحية في خزان مغلق. يسمح جهاز تهوية العمود المعبأ للمياه بتدفق وعاء مغلق، معبأ عادة بوسائط مهيكلة، حيث يتم إجبار الهواء من خلال استخدام مروحة أو منفاخ. ويمكن أيضا استخدام الرشاشات السطحية الموجودة في الاستزراع المائي في الأحواض في الأجواء المغلقة المخصبة بالغازات - عادة الأكسجين - لنقل الغاز

   وتستند مهواة الغاز السائل إلى الغاز على نشر الماء إلى قطرات صغيرة لزيادة مساحة السطح المتاحة للاتصال مع الهواء، أو خلق جو المخصب مع خليط من الغازات (الشكل 3.3). ويعد جهاز تهوية العمود المعبأ (Colt and Bouck 1984) وأجهزة الأوكسجين المنخفضة الرأس (Wagner et al. 1995) مثالين على النظم السائلة إلى الغازية المستخدمة في إعادة تدوير الاستزراع المائي. ومع ذلك، فإن أنظمة أخرى سائلة إلى غاز شائعة في الأحواض والمزارع الخارجية مثل أجهزة تهوية عجلات المجداف (Fast et al. 1999) تستخدم أيضا في RAS.

   وهناك الكثير من المؤلفات المتاحة حول نظرية تبادل الغاز وأساسيات نقل الغاز في المياه، ويشجع القارئ ليس فقط على الرجوع إلى النصوص الهندسية للاستزراع المائي والاستزراع المائي، ولكن أيضا للإشارة إلى هندسة العمليات ومواد معالجة مياه الصرف الصحي من أجل فهم أفضل لهذه المواد. العمليات.

   3.2.2 الأمونيا

   وفي وسط مائي، توجد الأمونيا في شكلين: شكل غير مؤين (NHSub3/sub) سام للأسماك وشكل مؤين (NHSub4/subsup+/SuP) له سمية منخفضة للأسماك. هذان يشكلان مجموع النيتروجين الأمونيا (TAN)، حيث يتم التحكم في النسبة بين الشكلين بواسطة الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة والملوحة. تتراكم الأمونيا في مياه التربية كمنتج لعملية التمثيل الغذائي للبروتين في الأسماك (Altinok and Grizzle 2004) ويمكن أن تحقق تركيزات سامة إذا تركت دون معالجة. ومن بين 35 نوعا مختلفا من أسماك المياه العذبة التي تمت دراستها، يبلغ متوسط قيمة السمية الحادة للأمونيا 2.79 ملغم نيوتن هيث/لتر (راندال وتسوي 2002).

   وقد عولجت الأمونيا تقليديا في نظم إعادة تدوير مع مرشحات بيولوجية نتريفينغ، وهي أجهزة مصممة لتعزيز المجتمعات الميكروبية التي يمكن أن تؤكسد الأمونيا إلى نترات (Nosub3/sub). على الرغم من أن استخدام الفلاتر الحيوية النتريفيج ليس جديدًا، إلا أن RAS المعاصرة شهدت تبسيطًا لتصميمات المرشحات الحيوية، مع وجود عدد قليل فقط من التصاميم المدروسة بعناية تحظى بقبول واسع النطاق. وقد استحدثت خلال السنوات القليلة الماضية تقنيات أخرى عالية الابتكار لمعالجة الأمونيا، ولكنها لم تطبق تجاريا على نطاق واسع (الأمثلة المذكورة أدناه).

   تتأكسد الأمونيا في الفلاتر الحيوية من قبل مجتمعات البكتيريا النتريفينغ. البكتريا النيتريفينغ هي كائنات كيميائية تشمل أنواع الأجناس - نيتروسوموناس_، _نيتروسوكوكوس _، نيتروسبيرا، نيتروباكتر و _نيتروكوكوس _ (بروسر 1989). هذه البكتيريا الحصول على طاقتها من أكسدة مركبات النيتروجين غير العضوية (Mancinelli 1996) وتنمو ببطء (يحدث النسخ المتماثل 40 مرة أبطأ من البكتيريا المتغايرة) لذلك يتم تجاوزها بسهولة من قبل البكتيريا المتغايرة إذا الكربون العضوي، ومعظمها موجود في المواد الصلبة الحيوية المعلقة في الثقافة المياه، ويسمح لتتراكم (غرادي وليم 1980). أثناء تشغيل RAS، تعتمد الإدارة الجيدة للنظام بشكل كبير على تقليل المواد الصلبة المعلقة إلى أدنى حد من خلال تقنيات إزالة المواد الصلبة الكافية (الشكل 3-4).

   وقد صنفت المرشحات الحيوية النتروية أو مفاعلات الترشيح الأحيائي تقريبا إلى فئتين رئيسيتين: النمو المعلق ونظم النمو الملحقة (Malone and Pfeiffer 2006). في أنظمة النمو المعلقة، تنمو المجتمعات البكتيرية النتروية بحرية في الماء، مما يشكل فلوكا بكتيرية تأوي أيضا النظم الإيكولوجية الغنية حيث توجد البروتوزوا، مهدبات، الديدان الخيطية والطحالب (مانان وآخرون 2017). مع الخلط والتهوية المناسبين، تبقى الطحالب والبكتيريا والعوالق الحيوانية وجزيئات الأعلاف والمواد البرازية معلقة في عمود الماء وتتلاشى بشكل طبيعي معا، وتشكيل الجسيمات التي تعطي نظم الاستزراع الحيوي اسمها (Browdy et al. 2012). والعيب الرئيسي لنظم النمو المعلقة هو ميلها إلى فقدان كتلتها الحيوية البكتيرية عندما تتدفق مياه العمليات من المفاعل، مما يتطلب وسيلة لالتقاطها وإعادتها إلى النظام. في أنظمة النمو المرفقة، يتم استخدام الأشكال الصلبة (الحبوب الرملية والحجارة والعناصر البلاستيكية) كركائز للاحتفاظ بالبكتيريا داخل المفاعل وبالتالي، لا تحتاج إلى خطوة التقاط المواد الصلبة بعد المعالجة. بشكل عام، توفر أنظمة النمو المرفقة مساحة سطحية أكبر للارتباط البكتيري من أنظمة النمو المعلقة، ولا تنتج مواد صلبة كبيرة في تدفقها، وهو أحد الأسباب الرئيسية التي أدت إلى استخدام المرشحات الحيوية المرتبطة بالنمو بشكل شائع في RAS.

   

   التين 3-4 البكتيريا النتروية Nitrosomonas (يسار)، و_Nitrobacter_ (يمين). (الصورة اليسرى: بوك وآخرون 1983. الصورة اليمنى: موراي واتسون 1965)

   وبُذلت جهود لتصنيف المرشحات البيولوجية وتوثيق أدائها من أجل مساعدة المزارعين والمصممين على تحديد نظم تتسم بدرجة أفضل من الموثوقية (Drennan et al. 2006؛ Gutierrez Wing and Malone 2006). في السنوات الأخيرة، اختارت صناعة الاستزراع المائي تصاميم المرشحات الحيوية التي تمت دراستها على نطاق واسع وبالتالي يمكن أن تقدم أداءً يمكن التنبؤ به. والمفاعل الحيوي القاعي المتحرك (Rusten et al. 2006) والمفاعل الحيوي لتصفية الرمال المميعة (Summerfelt 2006) والمفاعل الحيوي ذو القاعدة الثابتة (Emparanza 2009؛ Zhu and Chen 2002) أمثلة على تصميمات الترشيح الأحيائي المرتبطة بالنمو التي أصبحت معيارية في RAS التجارية الحديثة. شهدت مرشحات الصهريج (Díaz et al. 2012)، وهي تصميم شعبي آخر، انخفاض شعبيتها بسبب متطلبات الضخ العالية نسبيًا وأحجامها الكبيرة نسبيًا.

   3-2-3 المواد الصلبة الحيوية

   وتنشأ المواد الصلبة الحيوية في RAS من علف الأسماك والبراز والأفلام الحيوية (Timmons and Ebeling 2010) وهي واحدة من أكثر معايير جودة المياه أهمية وصعوبة التحكم فيها. وبما أن المواد الصلبة الحيوية تعمل كركيزة للنمو البكتيري المتغاير، فإن زيادة تركيزها قد تؤدي في نهاية المطاف إلى زيادة استهلاك الأوكسجين، وضعف أداء المرشحات الحيوية (Michaud et al. 2006)، وزيادة تعكر المياه وحتى انسداد ميكانيكي لأجزاء من النظام (Beke et al. 2016; Chen وآخرون، 1994؛ كوتورييه وآخرون 2009).

   و تصنف المواد الصلبة الحيوية عموما في كل من حجمها و قدرتها على إزالتها بواسطة تقنيات معينة. ومن مجموع جزء المواد الصلبة المنتجة في RAS, فإن المواد الصلبة القابلة لل تسوية هي تلك التي تزيد عموما عن 100 ميكرومتر و التي يمكن إزالتها عن طريق فصل الجاذبية. المواد الصلبة المعلقة، التي تتراوح أحجامها من 100 ميكرومتر إلى 30 ميكرومتر، هي تلك التي لا تستقر خارج التعليق، ولكن يمكن إزالتها بالوسائل الميكانيكية (أي الغربلة). المواد الصلبة الدقيقة، التي تقل أحجامها عن 30 ميكرومتر، هي عموما تلك التي لا يمكن إزالتها عن طريق غربلة، ويجب التحكم فيها بوسائل أخرى مثل العمليات الفيزيائية - الكيميائية، وعمليات الترشيح بالغشاء، والتخفيف أو التوضيح البيولوجي (Chen et al. 1994؛ Lee 2014؛ Summerfelt وHochheimer 1997؛ Timmons وEbeling 2010؛ وولد وآخرون. 2014). و تقنيات التحكم في المواد الصلبة القابلة لل تسوية و المعلقة معروفة و متطورة, و توجد مؤلفات كثيرة حول هذا الموضوع. وعلى سبيل المثال، فإن استخدام صهاريج التصريف المزدوجة وفواصل الدوامات وفواصل التدفق الشعاعي وأحواض التسوية هو وسيلة شائعة للتحكم في المواد الصلبة القابلة للتسوية (Couturier et al. 2009؛ Davidson and Summerfelt 2004؛ De Carvalho et al. 2013؛ Ebeling et al. 2006؛ Veerapen et al. 2005). مرشحات الميكروسكرين هي الطريقة الأكثر شعبية للسيطرة على المواد الصلبة المعلقة (Dolan et al. 2013; Fernandes et al. 2015) وغالبا ما تستخدم في الصناعة للسيطرة على كل من المواد الصلبة القابلة للتسوية والمعلقة باستخدام تقنية واحدة. أجهزة التقاط المواد الصلبة الشائعة الأخرى هي مرشحات العمق مثل مرشحات الخرزة (Cripps وBergheim 2000) والمرشحات الرملية السريعة، والتي تحظى بشعبية أيضا في تطبيقات حمامات السباحة. وعلاوة على ذلك، فإن المبادئ التوجيهية المتعلقة بالتصميم لمنع تراكم المواد الصلبة في الصهاريج والأنابيب والمستودعات وغيرها من مكونات النظام متاحة أيضا في المؤلفات (Davidson and Summerfelt 2004؛ Lekang 2013؛ وونغ وبيدراهيتا 2000). وأخيراً، عادة ما تعالج المواد الصلبة الدقيقة في المواد الخام بواسطة الأوزون، أو التوضيح البيولوجي، أو تجزئة الرغوة أو مزيج من هذه التقنيات. وقد ركزت السنوات القليلة الماضية في تطوير RAS على فهم أكبر لكيفية التحكم في جزء المواد الصلبة الدقيقة وفهم تأثيره على رفاه الأسماك وأداء النظام.

   3.2.4 ثاني أكسيد الكربون (Cosub2/sub)

   في راس، السيطرة على الغازات المذابة لا تتوقف مع توريد الأكسجين إلى الأسماك. وقد تؤثر الغازات الأخرى المذابة في مياه تربية الأسماك في حالة عدم السيطرة عليها. إن تركيزات ثاني أكسيد الكربون الذائب العالية (Cosub2/sub) في الماء تمنع انتشار Cosub2/sub من دم الأسماك. في الأسماك، وزيادة Cosub2/sub في الدم يقلل من درجة الحموضة في الدم، وبالتالي، تقارب الهيموغلوبين للأكسجين (نوغا 2010). كما ارتبطت التركيزات العالية للكوسوب2/الفرعية بكلس الكلية والأورام الحبيبية النظامية والرواسب الطباشرية في الأعضاء في السلمونيدات (نوغا 2010). Cosub2/sub في RAS ينشأ كمنتج للتنفس المتغاير من الأسماك والبكتيريا. وكغاز شديد الذوبان، لا يصل ثاني أكسيد الكربون إلى التوازن في الغلاف الجوي بسهولة مثل الأكسجين أو النيتروجين، وبالتالي يجب ملامسة كميات كبيرة من الهواء مع تركيز منخفض من Cosub2/sub لضمان الانتقال من الماء (Summerfelt 2003). وكقاعدة عامة، فإن نظام RAS المزود بالأكسجين النقي سيتطلب شكلا من أشكال تجريد ثاني أكسيد الكربون، في حين أن RAS المزود بتهوية مكملات الأكسجين لن يتطلب تجريد نشط من مادة COSub2/sub (Eshchar et al. 2003؛ Loyless و Malone 1998).

   ومن الناحية النظرية، فإن أي جهاز نقل الغاز/تهوية مفتوح في الغلاف الجوي سوف يقدم شكلا من أشكال تجريد Cosub2/sub. ومع ذلك، تتطلب أجهزة تجريد ثاني أكسيد الكربون المتخصصة أن يتم وضع كميات كبيرة من الهواء في اتصال مع مياه العملية. وقد ركزت تصميمات متعرية COSUB2/sub في الغالب على الأجهزة من نوع الكاسكاد مثل أجهزة التهوية المتتالية، والفلاتر الحيوية المتدفقة، والأهم من ذلك، مهوية العمود المعبأة (كولت وبوك 1984؛ موران 2010؛ سمرفيلت 2003)، التي أصبحت قطعة قياسية من المعدات في RAS التجارية التي تعمل بالأكسجين النقي. على الرغم من أن تطوير تكنولوجيا تهوية الأعمدة المعبأة قد تقدم على مدى السنوات الماضية، إلا أن معظم البحوث التي أجريت على هذا الجهاز قد ركزت على فهم أدائه في ظل ظروف مختلفة (أي المياه العذبة مقابل مياه البحر) والاختلافات في التصميم مثل الارتفاعات وأنواع التعبئة ومعدلات التهوية . ومن المعروف أن تأثير معدل التحميل الهيدروليكي (وحدة تدفق لكل وحدة مساحة ديجاسر) له تأثير على كفاءة ديجاسر، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من البحث للحصول على فهم أفضل لهذه المعلمة التصميم.

   3.2.5 إجمالي ضغط الغاز (TGP)

   يتم تعريف ضغط الغاز الكلي (TGP) بأنه مجموع الضغوط الجزئية لجميع الغازات المذابة في محلول مائي. كلما كان الغاز أقل قابلية للذوبان، كلما زادت «الغرفة» التي تحتلها في المحلول المائي، وبالتالي، كلما زاد الضغط الذي تمارسه فيه. ومن بين غازات الغلاف الجوي الرئيسية (النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون) النيتروجين هو الأقل قابلية للذوبان (مثل 2.3 مرة أقل قابلية للذوبان من الأكسجين وأكثر من 90 مرة أقل قابلية للذوبان من ثاني أكسيد الكربون). وهكذا، النيتروجين يساهم في إجمالي ضغط الغاز أكثر من أي غاز آخر، ولكن لا تستهلك من قبل الأسماك أو البكتيريا غير الغذائية، لذلك سوف تتراكم في الماء ما لم تجرد. من المهم أيضًا ملاحظة أن الأكسجين سيساهم أيضًا في ارتفاع TGP إذا لم تسمح عملية نقل الغاز بنقل الغازات الزائدة من المحلول. مثال كلاسيكي على ذلك هو البرك مع نشاط فوتوأوتوتروفيك فيها. وتطلق الصور الفوتوغرافية (عادة الكائنات النباتية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي) الأكسجين في الماء في حين أن سطح الماء الهادئ قد لا يوفر ما يكفي من تبادل الغاز للغاز الزائد للهروب إلى الغلاف الجوي، وبالتالي قد يحدث التشبع الفائق.

   تتطلب الأسماك ضغوطًا غازيًا إجماليًا يساوي الضغط الجوي. إذا كانت الأسماك تتنفس المياه مع ارتفاع ضغط الغاز الكلي، فإن الغاز الزائد (النيتروجين عموما) يخرج من مجرى الدم ويشكل فقاعات، مع ما يترتب على ذلك من آثار صحية خطيرة على الأسماك (نوغا 2010). ويعرف هذا المرض في الاستزراع المائي بمرض فقاعات الغاز.

   يتطلب تجنب TGP العالي فحصًا دقيقًا لجميع المناطق في RAS حيث قد يحدث نقل الغاز. كما أن حقن الأوكسجين عالي الضغط دون إزالة الغازات (مما يسمح بترحيل النيتروجين الزائد من الماء) قد يسهم في ارتفاع ضغط الدم. في النظم مع الأسماك التي هي حساسة جدا لTGP، واستخدام degassers فراغ هو خيار (كولت وبوك 1984). ومع ذلك، فإن الحفاظ على RAS خالية من مناطق الضغط الغازي غير المنضبط، باستخدام أجهزة تعري ثاني أكسيد الكربون (التي ستقوم أيضًا بتجريد النيتروجين) وجرعات الأكسجين التقني بعناية، يكفي للحفاظ على TGP عند مستويات آمنة في RAS التجاري.

   3.2.6 نترات

   النترات (Nosub3/sub) هو المنتج النهائي للنترجة وعادةً آخر معلمة يتم التحكم فيها في RAS، بسبب سمية منخفضة نسبياً (Davidson et al. 2014؛ Schroeder et al. 2011؛ van Rijn 2013). ويعزى ذلك في الغالب إلى انخفاض نفاذية غشاء الخيشومية للأسماك (كامارغو وألونسو 2006). العمل السام للنترات مشابه لعمل النتريت، مما يؤثر على قدرة الجزيئات الحاملة للأكسجين. وقد تحققت السيطرة على تركيزات النترات في RAS تقليدياً عن طريق التخفيف، عن طريق التحكم بفعالية في وقت الاحتفاظ الهيدروليكي أو سعر الصرف اليومي. ومع ذلك، فإن المكافحة البيولوجية للنترات باستخدام مفاعلات إزالة النتروات هي مجال متزايد للبحث والتطوير في RAS.

   وقد يختلف التسامح مع النترات باختلاف الأنواع المائية ومرحلة الحياة، حيث يكون للملوحة تأثير مخفف على سميتها. ومن المهم بالنسبة لمشغلي RAS أن يفهموا الآثار المزمنة للتعرض للنترات بدلاً من التأثيرات الحادة، لأن التركيزات الحادة ربما لا يمكن الوصول إليها أثناء التشغيل العادي RAS.

   3.2.7 القلوية

   وتعرَّف القلوية، بعبارات عامة، بأنها قدرة التخزين المؤقت للدرجة الحموضة للمياه (Timmons and Ebeling 2010). التحكم في القلوية في RAS مهم لأن النتريفيكاتيون هو عملية تشكيل الحمض الذي يدمرها. وبالإضافة إلى ذلك، البكتيريا النتريفينغ تتطلب إمدادات مستمرة من القلوية. وسوف يؤدي انخفاض القلوية في RAS إلى تقلبات في درجة الحموضة وعطل في المرشحات الحيوية النتريفينغ (Summerfelt et al. 2015؛ Colt 2006). وسيتم تحديد إضافة القلوية في RAS من خلال نشاط النتريفينغ في النظم، والذي يرتبط بدوره بإضافة الأعلاف، ومحتوى القلوية من المياه المكياج (التبادل اليومي) ووجود نشاط التشويه، الذي يعيد القلوية (van Rijn et al. 2006).

3. 3-3 التطورات في رأس الخيمة

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   شهدت السنوات القليلة الماضية زيادة في عدد وأحجام مزارع الاستزراع المائي المعاد تدويرها، وخاصة في أوروبا. ومع تزايد قبول التكنولوجيا، لا تزال هناك تحسينات على النهج الهندسية التقليدية والابتكارات والتحديات التقنية الجديدة آخذة في الظهور. ويصف القسم التالي اتجاهات التصميم والهندسة الرئيسية والتحديات الجديدة التي تواجه إعادة تدوير تكنولوجيا الاستزراع المائي.

   3.3.1 أكسجين التدفق الرئيسي

   يهدف التحكم في الأكسجين المذاب في RAS الحديث إلى زيادة كفاءة نقل الأكسجين وتقليل متطلبات الطاقة لهذه العملية. ويمكن تحقيق زيادة كفاءة نقل الأكسجين عن طريق ابتكار أنظمة تحتفظ بغاز الأكسجين في اتصال مع الماء لفترة أطول، في حين يمكن تحقيق انخفاض في الاحتياجات من الطاقة باستخدام أنظمة نقل الأكسجين ذات الرأس المنخفض أو باستخدام أنظمة لا تستخدم الكهرباء على الإطلاق، مثل الأكسجين السائل أنظمة متصلة الناشرون الأكسجين تعمل فقط عن طريق الضغط. و العامل المحدد لل أكسجين المنخفض الرأس هو التركيز المذاب المنخفض نسبيا الذي يمكن تحقيقه مقارنة بنظم الضغط العالي. وللتغلب على هذا القيد، يتم وضع أجهزة الأوكسجين ذات الرأس المنخفض بشكل استراتيجي لمعالجة التدفق الكامل لإعادة الدوران بدلاً من استخدام تجاوز أصغر للمياه شديدة التشبع، مما يضمن نقل الأوكسجين بكميات كافية. ويؤدي استخدام أجهزة الأوكسجين المثبتة في التدفق الرئيسي لإعادة الدوران إلى تحقيق وفورات في استهلاك الكهرباء لأن استخدام أنظمة الضغط العالي الكثيفة الاستخدام للطاقة والتي تكون ضرورية لتحقيق تركيزات عالية من DO في التدفقات الصغيرة يتم تجنبها. كما أن أنظمة الأوكسجين ذات الرأس المنخفض قد تقلل من كمية أنظمة الضخ اللازمة، حيث أن أنظمة الأوكسجين ذات الضغط العالي توضع عادة على طريق جانبي في خطوط الأنابيب المتجهة إلى صهاريج الأسماك. و على النقيض من ذلك, تميل أجهزة الأوكسجين المنخفضة الرأس إلى أن تكون أكبر نسبيا بسبب حاجتها إلى التعامل مع تدفقات أكبر, و بالتالي فإن تكلفتها الأولية قد تكون أعلى. ومن الأمثلة على الأجهزة التي يمكن أن تعالج مجمل التدفق المؤكسج المنخفض الرأس (LHO) (Wagner et al. 1995)، الذي تشغله الجاذبية حيث يتم ضخ المياه أولاً إلى فلتر أحيائي وعمود معبأ (Summerfelt et al. 2004)، ومخاريط الأكسجين المنخفضة الرأس، ومختلفات مخروط Speece (Ashley et al. 2008؛ Timmons et al. Losordo 1994) تحت ضغط منخفض، ومخاريط العمود العميق (كروجر كالدنيس، النرويج)، وهو أيضا نوع من مخروط Speece مصمم للوصول إلى ضغوط تشغيل أعلى عن طريق زيادة الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن وضع الأجهزة أقل من خزانات الأسماك ومستودعات المضخات، والأوكسجين الأنبوبي U- متغيرات تصميمها مثل أنبوب فاريل أو نظام تذويب الأكسجين الحاصل على براءة اختراع (AquamaOf, إسرائيل) و استخدام الأوكسجين المنتشر في خزانات الأسماك العميقة (الشكل 3.5).

   

   الشكل 3-5 بدائل نقل الغاز لإعادة تدوير المياه العائدة إلى خزانات الأسماك. إذا كانت الوعاء المتصل بالغاز تسمح بالضغط، يمكن نقل الأكسجين بتركيزات عالية في تيارات صغيرة نسبيا ذات ضغط عال (a، b). ومع ذلك، يمكن نقل الأكسجين بتركيزات أقل إلى حلقة إعادة الدوران الرئيسية، ولكن لهذا، يجب أن يكون جهاز نقل الأكسجين أكبر بكثير للتعامل مع التدفق الكامل للنظام (c)

   3-2 بدائل الترشيح الحيوي النتروي

   وعلى الرغم من أن المرشحات الحيوية النتريمية لا تزال هي الطريقة الرئيسية المقبولة تجاريا لإزالة الأمونيا في المياه المعدنية الزراعية (RAS) التجارية، فقد تم تطوير تكنولوجيات جديدة لإزالة النيتروجين خلال السنوات الأخيرة. وتنظر بعض هذه التكنولوجيات في مسارات بيولوجية بديلة لإزالة الأمونيا من مياه الاستزراع، في حين تهدف تكنولوجيات أخرى إلى استبدال المرشحات البيولوجية النتروية أو العمل بالتوازي معها من أجل الحد من القيود المتأصلة. وتشمل هذه الأحجام الكبيرة للمفاعلات، والقابلية للتحطم، وأوقات بدء التشغيل الطويلة، والأداء الأضعف في كل من المياه الباردة والنظم البحرية.

   العمليات القائمة على أناموكس

   ومن الطرق البديلة لإزالة الأمونيا البيولوجية التي تم النظر فيها بالنسبة لمادة RAS عملية أناموك (Tal et al. 2006)، التي تحدث في ظروف لاهوائية. أكسدة الأمونيا اللاهوائية هي عملية تقضي على النيتروجين من خلال الجمع بين الأمونيا والنتريت لإنتاج غاز النيتروجين (van Rijn et al. 2006). وتتسم عملية أناموك باهتمام RAS لأنها تسمح بإزالة النيتروجين التلقائي بالكامل، على النقيض من التركيبات التقليدية للمرشحات الحيوية النتريفينغ مع أنظمة إزالة النتروجين غير الغذائية التي تتطلب إضافة الكربون العضوي (van Rijn et al. 2006). وعلاوة على ذلك، في مسار anammox، إلا نصف الأمونيا الصادرة عن الأسماك تتأكسد هوائيا إلى النتريت (التي تتطلب الأكسجين)، في حين أن النصف الآخر يتم تحويله اللاهوائي إلى غاز النيتروجين جنبا إلى جنب مع النتريت المنتج. وقد يؤدي ذلك إلى تحقيق وفورات في استخدام الأكسجين والطاقة في RAS (van Rijn et al. 2006).

   وقد تم بنجاح عرض النماذج الأولية لمفاعل Anammox (Tal et al. 2006، 2009)، بينما يُشتبه في أن نشاط الأناموك يحدث في نظم إزالة النتروات البحرية (Klas et al. 2006). كما نجح المشروع الأوروبي FP7 DEAMNRECIRC في إنشاء نماذج أولية لمفاعلات أناموك لتطبيقات الاستزراع المائي في المياه الباردة ومياه البحر. بيد أن المؤلفين لم يحددوا حتى الآن التطبيقات التجارية لل تكنولوجيا.

   إزالة الأمونيا كيميائية**

   و يجري اقتراح نظم لإزالة الأمونيا تستند إلى عمليات التبادل الأيوني و الأكسدة الكهروكيميائية كبدائل لل مرشحات البيولوجية النتريفيجية. وتعتمد عمليات التبادل الأيوني على استخدام المواد الممتزة مثل الزيوليت أو الراتنجات الانتقائية الأيونية لاستخراج الأمونيا المذابة من الماء (Lekang 2013)، في حين أن عمليات الأكسدة الكهروكيميائية تحول الأمونيا إلى غاز النيتروجين من خلال عدد من تفاعلات الأكسدة المعقدة (Lahav et al. 2015). وبالمقارنة، فإن عمليات التبادل الأيوني مناسبة للمياه ذات التركيزات المنخفضة من الأيونات (أي المياه العذبة)، في حين تستفيد عمليات الأكسدة الكهروكيميائية من أيونات الكلوريد الموجودة في الماء لإنتاج أنواع الكلور النشطة التي تتفاعل بسهولة مع الأمونيا (Lahav et al. 2015) وبالتالي فهي مناسبة للمياه ذات تركيزات أعلى من أيونات الكلوريد (أي المياه المالحة والبحرية).

   وعلى الرغم من أن عمليات التبادل الأيوني ليست جديدة، إلا أن تطبيقها في RAS كان محدودا بقدرتها على الحفاظ على الأداء مع مرور الوقت: فمادة الترشيح تصبح في نهاية المطاف «مشبعة»، مما يفقد قدرتها على الامتزاز، وبالتالي يجب تجديدها. اقترح جيندل ولاهاف (2013) نهجا جديدا لعملية الأمونيا القائمة على التبادل الأيوني جنبا إلى جنب مع عملية تجديد مبتكرة للامتزاز باستخدام الأكسدة الكهروكيميائية. والأكسدة الكهروكيميائية للأمونيا هي عملية حظيت باهتمام أكبر في السنوات الأخيرة، وتم بحث العديد من المفاهيم وتم إطلاقها تجارياً، على سبيل المثال، Eloxiras في إسبانيا.

   ومن بين العوامل التي تحد من تطبيق هذه التكنولوجيات في عمليات التبادل الأيوني، ضعف الأداء الاقتصادي، وصعوبة تجديد كميات كبيرة من المواد الممتزة عند الطلب (Lekang 2013)، وتعقيد النظام الذي يتطلب إضافة الكواشف الكيميائية، استهلاك الكهرباء ودرجة عالية من إزالة المواد الصلبة المعلقة (Lahav et al. 2015)، والتي غالبا ما تكون غير عملية في RAS على نطاق واسع. وفي حالة العمليات الكهربائية للأمونيا، فإن إنتاج الأنواع السامة المتفاعلة التي تتطلب إزالة نشطة هو أهم قيود عليها، على الرغم من أن متطلبات التحكم العالية في المواد الصلبة، التي لا يمكن في كثير من الأحيان إلا باستخدام مرشحات ميكانيكية مضغوطة، يشكل أيضاً تحدياً في نظام RAS الذي يعمل بتدفقات كبيرة و الضغط المنخفض.

   3-3 التحكم في المواد الصلبة الدقيقة

   المواد الصلبة الدقيقة هي جزء المواد الصلبة المهيمن في RAS حيث تشكل الجسيمات\ 30 ميكرومتر أكثر من 90% من مجموع المواد الصلبة المعلقة في مياه الاستزراع. وقد خلصت التحقيقات الأخيرة إلى أن أكثر من 94% من المواد الصلبة الموجودة في مياه الاستزراع في مادة RAS هي\ أقل من 20 ميكرومتر في الحجم أو «غرامة» (Fernandes et al. 2015). يحدث تراكم المواد الصلبة الدقيقة بشكل رئيسي مع تجاوز المواد الصلبة الأكبر للمرشحات الميكانيكية (التي ليست فعالة بنسبة 100%) ويتم تقسيمها في نهاية المطاف بواسطة المضخات والاحتكاك بالأسطح والنشاط البكتيري. بمجرد تقليل أحجام المواد الصلبة، تصبح تقنيات الترشيح الميكانيكي التقليدية عديمة الفائدة.

   وفي السنوات الأخيرة، يستمر استكشاف آثار إنتاج المواد الصلبة الدقيقة ومراقبتها ورفاهها وتأثيرات أداء النظام. وقد تم التحقيق في آثار المواد الصلبة الدقيقة على رفاه الأسماك في البداية من خلال بحوث مصايد الأسماك (Chen et al. 1994). ومع ذلك، فإن الآثار المباشرة للمواد الصلبة الدقيقة في RAS على رفاه الأسماك لم يتم التحقيق فيها بدقة حتى وقت قريب. والمثير للدهشة أن العمل المنفصل على تراوت قوس قزح الذي أجراه بيكي وآخرون (2016) وفرنانديز وآخرون (2015) لم يظهر أي آثار سلبية على الرفاه في النظم ذات تركيزات المواد الصلبة المعلقة تصل إلى 30 ملغم/لتر في تجارب التعرض التي استمرت 4 أسابيع و6 أسابيع على التوالي. وعلى الرغم من هذه النتائج، فإن الآثار غير المباشرة لتراكم المواد الصلبة الدقيقة في RAS معروفة (Pedersen et al. 2017) وتفيد التقارير بأنها مرتبطة في الغالب بانتشار الكائنات الدقيقة الانتهازية (Vadstein et al. 2004؛ Attramadal et al. 2014؛ Pedersen et al. 2017) لأن المواد الصلبة الدقيقة توفر طبقة عالية السطح الركيزة منطقة للبكتيريا لاستعمار. ومن الآثار السلبية الهامة الأخرى لتراكم المواد الصلبة الدقيقة الزيادة في التعكر، مما يجعل الفحص البصري للأسماك أمراً صعباً وقد يعوق استراتيجيات التحكم في الفوتوبريود التي تتطلب حدوث اختراق خفيف في عمود الماء. وتشمل استراتيجيات التحكم في المواد الصلبة الدقيقة المستخدمة في RAS الحديثة إزالة الأوزون، والقشط البروتين، والتعويم، وترشيح الخرطوشة والترشيح بالغشاء (Couturier et al. 2009؛ Cripps وBergheim 2000؛ Summerfelt وHochheimer 1997؛ Wold et al. 2014). كما أن كاشطات البروتين، والمعروفة أيضًا بمجزئات الرغوة، هي أيضًا أجهزة مراقبة المواد الصلبة الدقيقة شائعة نسبيًا، خاصة في الأنظمة البحرية (Badiola et al. 2012).

   3-3-4 الأوزون

   وقد و جدت المعرفة بتطبيق الأوزون (O<sub3/sub) في RAS منذ السبعينات و الثمانينات (Summerfelt و Hochheimer 1997). ومع ذلك، لم يكن تطبيقه واسع الانتشار مثل العمليات الأخرى مثل المرشحات الحيوية النتريفيج أو المرشحات الميكانيكية (Badiola et al. 2012). وبصرف النظر عن معالجة المواد الصلبة الدقيقة، يمكن استخدام الأوزون، كمؤكسد قوي، في RAS للقضاء على الكائنات الحية الدقيقة والنتريت والمواد الدبوطية (Gonçalves وGagnon 2011). وقد شهدت السنوات الأخيرة زيادة في المعرفة بإمكانات و قيود الأوزون المطبقة في كل من المياه العذبة و المياه الجوفية البحرية. والأهم من ذلك أن جرعات الأوزون التي يمكن تحقيقها بأمان لتحسين نوعية المياه في كل من شبكات المياه العذبة ومياه البحر قد تم تأكيدها في عدة منشورات (لي وآخرون 2015؛ بارك وآخرون 2013، 2015؛ شرودر وآخرون 2011؛ سمرفيلت 2003؛ تيمونز وإيبلينغ 2010)، مع استنتاج مفاده أن جرعات الأوزون على الحدود الموصى بها (1) لا تزيد من تحسين نوعية المياه و (2) قد تتسبب في آثار سلبية على الرفاه, لا سيما في نظم مياه البحر حيث يؤدي الإفراط في الأوزون إلى تكوين مؤكسدات متبقية سامة. وفي المياه الباردة، تم تحديد متطلبات الأوزون لتحقيق التطهير الكامل لتدفق العملية (Summerfelt et al. 2009).

   يحسن الأوزون أداء مرشح الميكروسكرين ويقلل من تراكم المادة الذائبة التي تؤثر على لون الماء (Summerfelt et al. 2009).

   ومع ذلك، فإن الإفراط في الأوزون قد يؤثر بشدة على الأسماك المستزرعة من خلال التسبب في آثار ضارة بما في ذلك تلف الأنسجة المرضية للأنسجة (Richardson et al. 1983؛ Reiser et al. 2010) والتغييرات في سلوك التغذية (Reiser et al. 2010) وكذلك الإجهاد التأكسدي (Ritola et al. 2000، 2002؛ Livingstone 2003). بالإضافة إلى ذلك، قد تكون المنتجات الثانوية للأوزون ضارة. بروميت هو واحد من هذه ويحتمل أن تكون سامة. و أظهر التانغو و غانون (2003) أن كميات المياه المعدنية من المواد المستنفدة لل أوزون تحتوي على تركيزات من البرومات يحتمل أن تضر بصحة الأسماك. وقامت شركة Reiser et al. (2011) بالتحقيق في سمية المواد المؤكسدة المزمنة شبه القاتلة المنتجة بالأوزون (OPO) في التوربوت الصغير، في حين تم تقييم صحة تراوت قوس قزح ورفاهه في RAS المعالج بالأوزون وغير المعالج بالأوزون بواسطة شركة Good et al. (2011). أدى رفع تراوت قوس قزح إلى حجم السوق في RAS المعالج بالأوزون إلى تحسين أداء الأسماك دون التأثير بشكل كبير على صحتهم ورفاههم، بينما تؤثر جرعات OPO العالية على رفاه صغار التوربوت.

   3-3-5 إزالة النقابة

   وفي معظم أنظمة الاستزراع المائي المعاد تدويرها، يميل النترات، وهو المنتج النهائي للنترات، إلى التراكم. يتم التحكم في هذا التراكم عادة عن طريق التخفيف (إدخال مياه جديدة في النظام). وقد يكون التحكم في النترات عن طريق التخفيف عاملاً مقيداً لعملية RAS بسبب اللوائح البيئية، أو قلة توافر المياه الجديدة، أو تكلفة معالجة مجاري المياه الواردة أو السائلة، أو التكاليف المرتبطة بتهدئة المياه الجديدة أو تسخينها.

   ويمكن تحقيق إزالة النترات البيولوجية في RAS عن طريق البكتيريا اللاهوائية الاختيارية باستخدام مسار غير متماثل لتحويل النترات إلى غاز النيتروجين في وجود الكربون والنترات كمبرعين للإلكترون (van Rijn et al. 2006). وبالتالي فإن مفاعلات إزالة النيترينغ هي مفاعلات بيولوجية تعمل عادة في ظروف لاهوائية وتتلقى عموما جرعات من نوع ما من مصادر الكربون مثل الإيثانول والميثانول والجلوكوز ودبس السكر وما إلى ذلك. (فان ريجن وريفييرا 1990)، ولكن تكنولوجيا إزالة النيتريفييرا فإن شعبيتها بين صناعة الاستزراع المائي المعاد تدويرها لم تزد إلا على مدى السنوات الماضية, حيث قدمت حلولا مبتكرة لمفاعلات إزالة النتروات.

   ومن أبرز تطبيقات نظم إزالة النتريك في الاستزراع المائي هو «التبادل الصفري» RAS (Yogev et al. 2016)، الذي يستخدم الهضم اللاهوائي للمواد الصلبة الحيوية المنتجة في النظام لإنتاج الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) التي تستخدم بعد ذلك من قبل أجهزة إزالة الانبعاثات كمصدر للكربون. وضعت Klas at al. (2006) نظام إزالة النيتريفيكاتيون «singlesludge»، حيث يحدث إنتاج VFA من المواد الصلبة الحيوية وإزالة النيترية في مفاعل واحد مختلط. طور Suhr et al. (2014) مفهوم singlesludge أكثر من ذلك، وتكييفه لمعالجة النفايات السائلة المستزرعة في نهاية الأنبوب وإضافة خطوة إضافية تفصل إنتاج FA عن مفاعل إزالة النيتريفيكاتيون في خزان التحلل المائي. وقد وفرت هذه الأعمال معلومات قيمة عن إمكانيات استخدام المواد الصلبة الحيوية المستزرعة بدلا من مصادر الكربون غير العضوية الباهظة الثمن لإزالة النيترينغ. وعلاوة على ذلك، درس كريستيانسون وآخرون (2015) فعالية مفاعلات إزالة النتروتروتروفيكية ذاتية التغذية القائمة على الكبريت كبديل لمفاعلات إزالة النيترية التقليدية غير الغذائية. وتنتج المفاعلات الذاتية التغذية كميات أقل من الكتلة الحيوية (المواد الصلبة) ويمكن تزويدها بجسيمات الكبريت، وهي أرخص من مصادر الكربون غير العضوية التقليدية.

   وتشكل هذه المواد أيضاً عنصر السلائف في إنتاج البوليمرات الحيوية مثل بوليهيدروالكانويات (PHA)، المستخدم في إنتاج مواد بلاستيكية قابلة للتحلل البيولوجي (Pittmann وSteinmetz 2013). وقد ينطوي ذلك على إمكانية أن تكون المزارع السمكية التي تستخدم عمليات الحمأة النشطة اللاهوائية جزءا من مفهوم «المصفاة الحيوية» المطبق على محطات معالجة مياه الصرف الصحي.

   3.6 التحكم الميكروبي

   تعتبر المجتمعات الجرثومية مكونات هامة للنظام البيئي المائي. وفي أنظمة إنتاج الاستزراع المائي، تقوم هذه المراكز بأدوار هامة في إعادة تدوير المغذيات، وتدهور المواد العضوية، ومعالجة الأمراض ومكافحتها (Zeng et al. 2017). يتطلب تطوير RAS الفعالة والإنتاجية والآمنة بيولوجيا والخالية من الأمراض فهمًا شاملاً لجميع عمليات دعم الحياة بدءًا من العمليات الفيزيائية والكيميائية (نقل الغاز، والمعالجة الحرارية، والأوزون، والتشعيع فوق البنفسجي، وتعديل درجة الحموضة والملوحة) والعمليات البيولوجية (النتروية، وإزالة النتروية) والنشاط غير الغذائي الهوائي). وفي حين أنه يمكن التحكم في العمليات الفيزيائية والكيميائية، فإن نظم الترشيح البيولوجي تعتمد على تفاعل المجتمعات الجرثومية مع بعضها البعض وبيئتها نتيجة لمدخلات المغذيات (ناتج نفايات الأسماك)، وبالتالي لا يمكن التحكم فيها بسهولة (Schreier et al. 2010). ولم تسمح الدراسات الحديثة التي استخدمت الأدوات الجزيئية بتقييم التنوع الميكروبي في RAS فحسب، بل وفرت أيضا بعض الأفكار الثاقبة عن أنشطتها التي ينبغي أن تؤدي إلى فهم أفضل للتفاعلات بين المجتمعات الجرثومية. ومن المؤكد أن هذه النهوج ستوفر ترتيبات جديدة لعملية إدارة الموارد المتجددة وكذلك نظرة ثاقبة على العمليات والأدوات الجديدة لتعزيز هذه النظم ورصدها (Schreier et al. 2010). ويستند الفهم الحالي للتنوع الجرثومي للمرشح الأحيائي في كل من نظم المياه العذبة والبحرية إلى دراسات تستخدم RRNA 16S والمسابير الوظيفية الخاصة بالجينات أو مكتبات الجينات RRNA 16S بدلاً من التقنيات القائمة على الثقافة (الجدول 3-1).

   كما لا تزال الرؤى المتعلقة بالديناميات الزمنية والمكانية للميكروبيوتا في RAS محدودة (Schreier et al. 2010)، ولا توجد حلول محتملة للحفاظ على المجتمعات الميكروبية المفيدة أو استعادتها في Rurangwa وVerdegem 2015). وبالإضافة إلى مجتمع الميكروبات الذي يعمل على تنقية المياه، يمكن للميكروبيوتا في RAS أيضا أن تؤوي مسببات الأمراض أو تنتج مركبات غير مسببة للنكهة (Guttman وvan Rijn 2008). ونظرا لصعوبة علاج المرض أثناء العملية دون التأثير سلبا على الميكروبيوتا المفيدة، فإن المعالجة الميكروبية في RAS هي بالأحرى ضرورة من البداية وحتى عملية الإنتاج بأكملها. يتم إدخال الكائنات الحية الدقيقة إلى RAS من خلال مسارات مختلفة: المياه المكياج، والهواء، وناقلات الحيوانات، والأعلاف، وتخزين الأسماك، والمعدات القذرة وعن طريق الموظفين أو الزوار (Sharrer et al. 2005؛ Blancheton et al. 2013). ومن ناحية أخرى، يمكن استخدام ميكروبات محددة عن عمد لتوجيه الاستعمار الميكروبي لتحسين أداء النظام أو صحة الحيوان (Rurangwa and Verdegem 2015).

   ** الجدول 3-1** الأنشطة الأولية المرتبطة بوحدات الترشيح الأحيائي لل مياه المعدنية و الكائنات الحية الدقيقة المشاركة. (من شرير وآخرون 2010)

   الجدول ثياد tr class = «رأس» ثيروسيس/ث ثلاثة/ث ال colspan = "2"الكائنات الدقيقة /ث /tr tr TD/td TD/td TDFreshwater/TD TDMarine/TD /tr /thead tbody tr class = «حتى» TDnitrification/TD TD/td TD/td TD/td /tr tr class = «غريب» التدامونيوم الأكسدة TD NHSub4/subsup+/سوب + 1.5OSUB2/الفرعية → OSUB2/الفرعية + 2HSUP+/سوب + HSUB2/الفرعية /td تدينيتروسوموناس أوليغوتروفا/I/تد تدينيتروسوموناس س. /i/td /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تدينيتروسوموناس كريوتريانس/I/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td تدينيتروسوموناس يوروباي/I/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تدينيتروسوموناس سينيبوس/نيتروسا/ث/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td TDinitrosococcus موبايليس/i/TD /tr tr class = «حتى» TDnitrite الأكسدة /تد TD O2sup-/سوب + H2O → NO3sup-/سوب + 2HSUP+/سوب + 2esup -/سوب

   /td تدينيتروسبيرا سبب. /i/td TD/td /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td تدينيتروسبيرا مارينا/ايسوبا/سوب/تد تدينيتروسبيرا مارينا/ايسوبا/سوب/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td تدينيتروسبيرا موسكوفينسيس/إيسوبا/سوب/تد تدينيتروسبيرا موسكوفينسيس/إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «غريب» TDDenitrification/TD TD/td TD/td TD/td /tr tr class = «حتى» TDautotrophic/TD TD SSub2/subsup-/سوب + 1.6nosub3/subsup-/سوب + 1.6Hsup +/سوب

   → /td TD/td ديثيومكروسبوريا دينتريفيكانس/ط/تد /tr tr class = «غريب» تد (تعتمد على الكبريتيد) /تد TD SOSUB4/subsup2-/سوب + 0.8nsub2/الفرعية (ز) + 0.8HSub2/الفرعية /td TD/td تديثيوثريكس/إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تديرهودوباكتر ليتوراليس/إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td تديهيدروجينوفاغا س. /i/td /tr tr class = «حتى» Tdheterotrophic/TD TD 5chsub3/subcosup-/سوب + 8nosub3/subsup-/سوب + 3Hsup +/سوب

   → /td TD/td تديبسيودوموناس فلوريسنس/I/تد /tr tr class = «غريب» TD/td TD 10Hcosub3/subsup-/سوب + 4nsub2/الفرعية (ز) + 4HSUB2/الفرعية /td تديبسيودوموناس س. /i/td تديبسيودوموناس ستوتزيري/I/تد /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td تديكوماموناس س. /i/td تديبسيودوموناس س. /i/td /tr tr class = «غريب» TD/td TD/td TD/td ديباراكوكوس دينيتريفيكانس/ط/تد /tr tr class = «حتى» TDDissimilatory نترات TD Nosub3/subsup-/سوب + 2HSUP+/سوب + 4HSUB2/الفرعية → NHSub4/subsup+/سوب + 3HSUB2/الفرعية /td TD/td TDIVarious بروتيوباكتيريا و firmicutes/I/TD /tr tr class = «غريب» TDReduction إلى الأمونيا (DNRA) /TD TD/td TD/td TD/td /tr tr class = «حتى» Tdanaerobic الأمونيوم /تد TD NHSUB4/subsup+/سوب + nosub2/subsup-/سوب → NSUB2/الفرعية (ز) + 2HSUB2/الفرعية /td TD/td تيديبلانكتوميسيتس سب. /i/td /tr tr class = «غريب» tdoxidation (Anammox) /TD TD/td TD/td تديبروكاديا س. /إيسوبا/سوب/تد /tr tr class = «حتى» تدسلفات تخفيض/تد TD SO4Sup2-/سوب + CHSUB3/سوبكوسوب-/سوب + 3HSUP+/سوب → /td TD/td تدديسولفوفيبريو س. , /i/td /tr tr class = «غريب» TD/td تدهسوب-/سوب + 2هكوسوب3/سوب-/سوب + 3هسوب+/سوب/تد TD/td تديديثيوسولفوفيبريو س. , /i/td /tr tr class = «حتى» TD/td TD/td TD/td تديفوسيباكتير/أنا س.، إيباكتيرويدس س. /i/td /tr tr class = «غريب» TDSulfide الأكسدة TD هسوب-/سوب + 2OSUB2/الفرعية → SOSUB4/subsup2-/سوب + هسوب+/سوب /td TD/td تديثيوميكروسبيرا س. /i/td /tr tr class = «حتى» TDMethanogenesis/TD TD 4HSUB2/الفرعية + هسوب+/سوب + هكوسوب3/سوب-/سوب → CHSUB4/الفرعية (ز) + 3Hsub2/subo /td TD/td TDMethanogenic الأثرية [ميرزويان وغروس، غير منشورة] /td /tr /tbody /الجدول

   تم التعرف على سوبا/سوبالكائنات الحية الدقيقة فقط على أساس الجينات RRNA الجزئية 16S أو تسلسل الجينات الوظيفية

   ويتمثل أحد النهج المتبعة في تثبيط استعمار العوامل المسببة للأمراض في استخدام البكتيريا البروبيوتيك التي قد تتنافس على المغذيات، أو تنتج مثبطات النمو، أو إخماد الاتصال الخلوي (استشعار النصاب القانوني) الذي يسمح بالاستقرار داخل الأفلام الحيوية (Defoirdt et al. 2007, 2008; Kesarcocod-Watson et al. 2008). وتشمل البكتيريا البروبيوتيك Bacillus، Pseudomonas (كيساركود-واتسون وآخرون 2008) و_Roseobacter_ spp. (Bruhn et al. 2005), كما تم تحديد البكتيريا ذات الصلة بها في المرشحات الحيوية لمادة RAS (Schreier et al. 2010) (الجدول 3-1). للحصول على المعلومات اللازمة لإدارة الاستقرار الميكروبي في RAS، حددت Rojas-Tirado وآخرون (2017) العوامل التي تؤثر على التغيرات في الديناميات البكتيرية من حيث وفرة ونشاط هذه العوامل. وتبين دراساتهم أن النشاط البكتيري لم يكن معلماً واضحاً يمكن التنبؤ به في مرحلة المياه، حيث أظهرت مستويات النترات في RAS المتطابقة تغييرات/تقلبات مفاجئة غير متوقعة داخل أحد النظم. توفر الجسيمات المعلقة في RAS مساحة سطحية يمكن استعمارها بواسطة البكتيريا. تتراكم المزيد من الجسيمات مع زيادة كثافة إعادة الدوران، مما قد يؤدي إلى زيادة القدرة الاستيعابية البكتيرية للأنظمة. استكشف بيدرسن وآخرون (2017) العلاقة بين المساحة الكلية لسطح الجسيمات (TSA) والنشاط البكتيري في المياه العذبة RAS. وأشاروا إلى وجود ارتباط خطي قوي وإيجابي بين TSA والنشاط البكتيري في جميع الأنظمة ذات كثافة إعادة تدوير منخفضة إلى معتدلة. ومع ذلك، يبدو أن العلاقة توقفت عن الوجود في النظم ذات أعلى كثافة إعادة تدوير. ويرجع ذلك على الأرجح إلى تراكم المغذيات المذابة التي تحافظ على المجموعات البكتيرية الحرة، و/أو تراكم الغرويات المعلقة والجسيمات الدقيقة التي يقل قطرها عن 5 ميكرومتر، والتي لم يتم تمييزها في دراستها ولكنها قد توفر مساحة سطحية كبيرة.

   في RAS، تتراكم مركبات كيميائية مختلفة (أساسا النترات والكربون العضوي) في مياه التربية. وتنظم هذه الطبقات الكيميائية البيولوجيا الإيكولوجية للمجتمعات البكتيرية على المرشح الحيوي ولها تأثير على كفاءتها وموثوقيتها. بحث ميشود وآخرون (2014) التحول في بنية المجتمع الجرثومي والوفرة النسبية الرئيسية في مرشحين بيولوجيين مختلفين، وخلص إلى أن ديناميات ومرونة المجتمع الجرثومي في التكيف مع التغيرات المائية المؤثرة يبدو أنها مرتبطة بأداء المرشحات البيولوجية. ويتمثل أحد الجوانب الرئيسية لتحسين موثوقية واستدامة نظام RAS في الإدارة المناسبة للمجموعات البكتيرية للمرشحات البيولوجية، التي ترتبط مباشرة بتوافر C (الكربون) (Avnimelech 1999). وتجدر الإشارة إلى أن RAS لها خصائص قد تسهم بالفعل في تثبيت الميكروبات، بما في ذلك فترة الاحتفاظ بالماء الطويلة ومساحة سطح كبيرة من المرشحات الحيوية للنمو البكتيري، والتي يمكن أن تحد من فرص انتشار الميكروبات الانتهازية في المياه التربوية ( أترامادال وآخرون 2012 (أ).

   قارن Attramadal et al. (2012a) تطور المجتمع الميكروبي في RAS مع أوزون معتدل (إلى 350 mV) مع تطور نظام التدفق التقليدي (FTS) لنفس المجموعة من سمك القد الأطلسي، Gadus morhua. ووجدوا تقلباً أقل في التركيب البكتيري بين خزانات الأسماك المكررة في RAS مقارنة بين خزانات FTS. و كان لهذا النظام هيكل مجتمعي أكثر جرثومية مع تنوع أكبر في الأنواع و بشكل دوري نسبة أقل من الانتهازيين. وكان أداء الأسماك في RAS أفضل من مكافحتها في FTS، على الرغم من تعرضها لنوعية مياه فيزيائية كيميائية أقل شأنا ظاهريا. وبينما كان Attramadal et al. (2012ب) يبحث في آثار الأشعة فوق البنفسجية المعتدلة أو التشعيع العالي الكثافة على البيئة الميكروبية في RAS بالنسبة ليرقات الأسماك البحرية، أكد على أن مادة RAS لهذه اليرقات ربما لا ينبغي أن تتضمن عملية تطهير قوية لأنها تؤدي إلى انخفاض في الأعداد البكتيرية، الأمر الذي يرجح أن يؤدي إلى زعزعة استقرار المجتمع الجرثومي. وعلاوة على ذلك، فإن نتائجها تدعم فرضية RAS باعتبارها استراتيجية لمكافحة الميكروبات أثناء التغذية الأولى لليرقات السمكية.

   كان RAS والنضج الميكروبي كأدوات لاختيار K للمجتمعات الميكروبية موضوع الدراسة التي أجراها Attramadal وآخرون (2014) والتي افترضوا فيها أن يرقات الأسماك التي يتم تربيتها في المياه التي يسيطر عليها خبراء الاستراتيجيون (المجتمعات الميكروبية الناضجة) سوف تؤدي بشكل أفضل، لأنها أقل احتمالا لمواجهة الميكروبات الانتهازية (المختارة R) وتطوير تفاعلات مضرة بين المضيفين والميكروبات. وأظهرت نتائج تجربتهم إمكانية عالية لزيادة بقاء الأسماك على قيد الحياة باستخدام مجموعة من البكتيريا، وهي طريقة رخيصة وسهلة يمكن استخدامها في جميع أنواع أنظمة الاستزراع المائي الجديدة أو القائمة. التغييرات الصغيرة في إدارة معالجة المياه (الحمل العضوي ونضوج المياه) تعطي ميكروبيوتا مختلفة بشكل كبير في خزانات الأسماك (Attramadal et al. 2016). من ناحية أخرى، المواد الدبوالية (HS) هي مركبات عضوية طبيعية، تتألف من مجموعة واسعة من البوليمرات المصطبغة ذات الوزن العضوي العالي. وهي منتجات نهائية في تحلل المركبات العضوية المعقدة، وعندما تكون وفيرة، تنتج لوناً نمطياً من البني إلى البني الداكن للتربة والمياه (ستيفنسون 1994). وفي نظام الاستزراع المائي الصفري، تم الكشف عن مواد شبيهة بـ HS في مياه الاستزراع وكذلك في دم الأسماك (Yamin et al. 2017a). وأُبلغ عن تأثير وقائي لهذا النظام في الأسماك المعرضة للمعادن السامة (Peuranen et al. 1994؛ Hammock et al. 2003) وتركيزات الأمونيا والنتريت السامة (Meinelt et al. 2010). وعلاوة على ذلك، قُدمت أدلة على تأثيرها الفطري على العامل الممرض للأسماك، _Saprolengia الطفيلي (Meinelt et al. 2007). في الكارب الشائع (Cyprinus carpio) الذي يتعرض لـ (أ) المياه الغنية بالكبار والحمأة من نظام إعادة الدوران، (ب) حمض الدمويك الصناعي، (ج) مستخلص غني بالدموك مشتق من ليوناردي، انخفضت معدلات العدوى إلى 14.9% و 17.0% و 18.8%، على التوالي، مقارنة بمعدل عدوى بنسبة 46.8% في المكافحة العلاج (يامين وآخرون. 2017ب). وبالمثل، أدى تعرض أسماك غابي (Poecilia reticulata)، المصابة بمادة Monogenia Gyrodactylus turnbulli و Dactylogyrus sp. إلى المياه والأعلاف الغنية بالعدوى (% من الأسماك المصابة) وكثافة العدوى (الطفيليات لكل سمكة) في الطفيليات (يامين وآخرون آل. 2017ج).

   ويعتقد أن البحوث اﻷساسية في مجال اﻹيكولوجيا الميكروبية لنظم مفاعلات النتريفيكات/إزالة النتريتريتريفيك/في نظام الطاقة المتجددة يمكن أن توفر ابتكارات قد تغير و/أو تحسن أداء المفاعل في نظام المفاعل RAS جذريا. وحتى الآن، لا يزال من الصعب السيطرة على مجتمع الميكروبات في المفاعلات (ليونارد وآخرون 2000، 2002؛ ميشود وآخرون 2006، 2009؛ شرييه وآخرون 2010؛ روخاس - تيرادو وآخرون 2017) والعديد من أوجه القصور في النظام تنشأ من هذا (مارتينز وآخرون 2010 ب).

   3.7 كفاءة استخدام الطاقة

   وتعتمد السلامة الاقتصادية لإنتاج الأسماك في نظام إعادة تدوير الاستزراع المائي، جزئياً، على التقليل إلى أدنى حد من متطلبات الطاقة اللازمة لتشغيل هذه المرافق. ويقتضي هذا النظام بنية تحتية تقنية أعلى من النظم المفتوحة، وبالتالي فإن تكاليف الطاقة في نظام RAS قد صُنفت بالفعل على أنها قيود رئيسية قد تحول دون تطبيق هذه التكنولوجيا على نطاق واسع (Singh and Marsh 1996). من بين جميع التكاليف المرتبطة باستخدام الكهرباء في راس، التهوية وتبريد المياه هي الأكثر أهمية عموما. في RAS الداخلي، تهوية المباني مهمة للتحكم في مستويات الرطوبة وثاني أكسيد الكربون. وقد يؤدي سوء التحكم في الرطوبة إلى تدهور سريع في هياكل المباني، في حين أن تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي سيؤثر على عمليات تجريد ثاني أكسيد الكربون التي تعمل في RAS ويسبب دوخة في العمال. من أجل الحفاظ على جو مقبول داخل المرافق، تعمل محطات التهوية أو تكييف الهواء على نطاق واسع (Gehlert et al. 2018). وقد تكون أنظمة التهوية هذه مزودة بتدابير للحد من استخدام الطاقة. و علاوة على ذلك, و بغية تطوير نظام مستدام بيئيا لل طاقة, يمكن اعتبار الطاقة أحد البارامترات الدافعة الرئيسية, و على وجه الخصوص, يمكن اعتبار الطاقة مؤشرا هاما. وقد أجرى Kucuk et al. (2010) تحليلاً نشطاً للأداء في نظام RAS للمساهمة في إدارة الطاقة في RAS. ومن أجل تحسين الأداء النشط لل نظام, أوصوا بضرورة تحسين ظروف تشغيل المكونات, لا سيما المضخات و تحسينها استنادا إلى قدرة النظام على إنتاج الأسماك.

   ولزيادة الكفاءة، يحتاج مديرو RAS إلى إرشادات وأدوات لتحسين الإنتاج. يمكن أن توفر عمليات تدقيق الطاقة بيانات حقيقية يمكن استخدامها لصنع القرار. قام باديولا وآخرون (2014) بالتحقيق في إجمالي استهلاك الطاقة (kWh) لنظام سمك القد RAS بشكل مستمر لمدة 14 شهراً وحدد المضخة الحرارية كأعلى مستهلك للطاقة في تربية الأسماك التي تتطلب معالجة حرارية عالية في المياه. وخلص Gehlert et al. (2018) إلى أن وحدات التهوية توفر إمكانات كبيرة لتحقيق وفورات في الطاقة في RAS. في معظم الأحيان، عندما تبقى بارامترات المناخ في المرفق ضمن النطاق المرغوب، يمكن الحفاظ على معدلات تدفق الهواء عند مستويات منخفضة لتوفير الطاقة. وبالإضافة إلى ذلك، قد تشمل تدابير توفير الطاقة في النظام ما يلي: برامج حاسوبية مزودة ببيانات أداء الطاقة، ومصادر طاقة بديلة لتسخين المياه، واستخدام محولات التردد (Badiola et al. 2014).

4. 3.4 قضايا رعاية الحيوان

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   3.4.1 مقدمة

   خلال العقد الماضي، اجتذبت رعاية الأسماك الكثير من الاهتمام، مما أدى إلى دمج صناعة الاستزراع المائي لعدد من ممارسات وتقنيات تربية الأحياء المائية التي تم تطويرها خصيصاً لتحسين هذا الجانب. القشرة المخية الحديثة، التي في البشر هي جزء مهم من الآلية العصبية التي تولد التجربة الذاتية للمعاناة، تفتقر إلى الأسماك والحيوانات غير الثديية، وقد قيل إن غيابها في الأسماك يشير إلى أن الأسماك لا يمكن أن تعاني. ومع ذلك، هناك رأي بديل قوي هو أن الحيوانات المعقدة ذات السلوكيات المتطورة، مثل الأسماك، ربما تكون لديها القدرة على المعاناة، وإن كان ذلك قد يختلف من حيث الدرجة والنوع عن التجربة الإنسانية لهذه الحالة (Huntingford et al. 2006).

   استندت لجنة رعاية المزارع والحيوان التابعة لحكومة المملكة المتحدة في مبادئها التوجيهية إلى إطار «الحريات الخمس»، الذي يحدد الولايات المثالية بدلاً من المستويات المحددة للرفاه المقبول (FAWC 2014). إن التحرر من الجوع والعطش، وعدم الراحة، والألم، والإصابة، والمرض، والخوف، والكرب، فضلا عن حرية التعبير عن السلوك الطبيعي، يوفر لنا إطارا محددا لتقييم قضايا الرفاه. و الصحة البدنية هي المقياس الأكثر قبولا لل رفاه على الصعيد العالمي, وهي بلا شك شرط ضروري لل رفاه الجيد. وفي صناعة تنافسية وموسعة وناشئة، يمكن لخبراء علم الأحياء الذين يدمجون اعتبارات الرعاية الاجتماعية في ممارساتهم اليومية للتربية أن يكتسبوا ميزة تنافسية وأن يحصلوا على علاوة سعرية مضافة (Olesen et al. 2010) من خلال تحسين إدراك المستهلك والثقة في منتجاتهم. وقدم غريمسرود وآخرون (2013) أدلة على وجود استعداد كبير للدفع، بين جميع الأسر المعيشية النرويجية، لتحسين رفاه سمك السلمون في المحيط الأطلسي المستزرع من خلال زيادة مقاومة الأمراض وقمل السلمون، مما قد ينطوي على استخدام أقل للأدوية والمواد الكيميائية في عملية الإنتاج.

   في RAS المكثف، ترتبط رعاية الحيوان ارتباطًا وثيقًا بأداء الأنظمة. وعلى مدى السنوات القليلة الماضية، تمت دراسة رعاية الحيوان في المناطق الريفية من منظور نوعية المياه وتأثيرات اكتظاظ الأسماك على أداء النمو، والمؤشرات الحيوية للإجهاد، أو تطور الاضطرابات الصحية. وكان الهدف الرئيسي من بحوث رعاية الحيوان في النظام هو بناء وتشغيل النظم التي تزيد الإنتاجية إلى أقصى حد وتقليل الإجهاد والوفيات إلى أدنى حد. وكانت المواضيع ذات الأهمية هي حدود كثافة التخزين (Calabrese et al. 2017)، وحدود تركيز المركبات النيتروجينية في مياه تربية (Davidson et al. 2014)، وحدود تركيز ثاني أكسيد الكربون المذاب (Good et al. 2018)، وآثار الأوزون (Good et al. 2011؛ Reiser et al. 2011) وإلى وتراكم المركبات المتمردة في RAS (فان Rijn و Nussinovitch 1997) ذات التبادل المحدود للمياه والضوضاء (Martins et al. 2012؛ Davidson et al. 2017).

   

   ** الشكل 3-6** يمكن أن تؤثر عوامل الإجهاد الفيزيائية والكيميائية وغيرها من العوامل المتصورة على الأسماك وتسبب استجابات أولية و/أو ثانوية و/أو كاملة الجسم. (بعد بارتون 2002)

   3.4.2 الإجهاد

   استجابة الإجهاد في الأسماك هي وظيفة تكيفية في مواجهة التهديد المتصور للتوازن وعلم وظائف الأعضاء الإجهاد لا يساوي بالضرورة المعاناة وانخفاض الرفاه (آشلي 2007) (الشكل 3.6). تؤدي استجابات الإجهاد وظيفة مهمة جدًا للحفاظ على الفرد. ولذلك فإن تدابير الرفاه في الاستزراع المائي ترتبط إلى حد كبير بالآثار الثالثة للاستجابة للإجهاد، والتي تشير بشكل عام إلى الإجهاد المطول أو المتكرر أو الذي لا يمكن تجنبه (Conte 2004).

   تعتبر كثافة التخزين عاملاً محورياً يؤثر على رفاه الأسماك في صناعة الاستزراع المائي، خاصة RAS حيث تهدف الكثافات العالية في البيئات المحصورة إلى تحقيق إنتاجية عالية. وعلى الرغم من أن كثافة التخزين نادراً ما تعرف، فهي المصطلح المستخدم عادة للإشارة إلى وزن الأسماك لكل وحدة حجم أو لكل وحدة حجم في الوحدة الزمنية لتدفق المياه عبر بيئة الاحتجاز (Ellis et al. 2001). ومفهوم الحيز الأدنى للأسماك هو أكثر تعقيداً مما هو عليه بالنسبة للأنواع الأرضية، حيث تستخدم الأسماك وسط ثلاثي الأبعاد (كونتي 2004).

   وبالإضافة إلى تلبية الاحتياجات الفسيولوجية، توصي منظمة الأغذية والزراعة العالمية (2014) بأن «تحتاج الأسماك إلى مساحة كافية لإظهار السلوك الطبيعي بأقل قدر من الألم والإجهاد والخوف». ولذلك، فإن كثافة التخزين هي منطقة توضح أهمية الاختلافات بين الأنواع ووجود شبكة معقدة من العوامل المتفاعلة التي تؤثر على رفاه الأسماك. وقد بحث Calabrese et al. (2017) حدود كثافة تخزين سمك السلمون الأطلسي في فترة ما بعد السمولت (Salmosalar L.) مع التركيز على أداء الإنتاج والرفاه حيث لوحظت أضرار الزعنفة وإعتام عدسة العين في كثافات تخزين تبلغ 100 كجم msup-3/sup وما فوق. ومع ذلك، فإن تأثير كثافة التخزين على مقاييس الرفاه يختلف باختلاف الأنواع. فعلى سبيل المثال، أظهر باس البحر (Dicentrarchus labrax) مستويات إجهاد أعلى عند كثافة عالية، كما يشير إلى ذلك الكورتيزول، والاستجابة المناعية الفطرية، والتعبير عن الجينات المرتبطة بالإجهاد (Vazzana et al. 2002؛ Gornati et al. 2004). كما أن كثافة التخزين العالية في الدنيس البحري ذي الدنيس الصغير (S. auraata) تنتج حالة إجهاد مزمنة تنعكس في ارتفاع مستويات الكورتيزول، وكبت المناعة، وتغير الأيض (Montero et al. 1999). وعلى النقيض من ذلك، يتغذى Charr القطبي الشمالي (Salvelinus alpinus) وينمو بشكل جيد عندما يتم تخزينها بكثافات عالية بينما يظهر انخفاض الاستهلاك الغذائي ومعدلات النمو بكثافات منخفضة (Jorgensen et al. 1993).

   النظام الغذائي قد تلعب أيضا دورا هاما في حساسية الإجهاد. وأظهر سمك السلور الأفريقي (Clarias gariepinus) الذي يتلقى نظاماً غذائياً يحتوي على مكملات عالية من حمض الاسكوربيك (فيتامين C) أثناء النمو المبكر حساسية أقل للإجهاد (Merchie et al. 1997). من ناحية أخرى، أظهر الكارب الشائع (Cyprinus carpio)، الذي يتغذى على جرعات كبيرة من فيتامين C، زيادة أكثر وضوحا الكورتيزول (هرمون الستيرويد صدر مع الإجهاد) استجابة للإجهاد بالمقارنة مع المستويات الموصى بها من فيتامين (Dabrowska et al. 1991). وقد أظهر Tert et al. (2004) أن النظام الغذائي المعدل الذي يوفر جرعة تكميلية من الفيتامينات والمعادن النزرة لمساعدة الجهاز المناعي قد يساعد على الحد من بعض آثار متلازمة الأمراض الشتوية. يتم استعراض أمراض الاستزراع المائي الشائعة الأخرى المتعلقة برعاية الحيوانات والإجهاد في آشلي (2007).

   3-4-3 تراكم المواد في مياه العملية

   توفر RAS المكثف و «صفر التفريغ» مزايا بيئية كبيرة. ومع ذلك، فإن تربية الأسماك في المياه المعاد تدويرها باستمرار يثير مسألة ما إذا كانت المواد التي تطلق من الأسماك في المياه قد تتراكم، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات النمو وضعف الرفاه. قام مارتينز وآخرون (2010 أ) بالتحقيق في وجود تخلف النمو في البلطي النيلي (Oreochromis niloticus) بمقارنة النمو وسلوك التغذية والاستجابة للإجهاد للأسماك المستزرعة في المياه المعدنية (RAS) بمستويات مختلفة من المواد المتراكمة (TAN، Nosub2/sub3/sub-N، Orthophate-P) . وأظهرت النتائج أن الأفراد الكبار لديهم اتجاه نحو تأخر النمو في أعلى تراكم RAS في حين يبدو أن الأفراد الصغار، على العكس من ذلك، تنمو بشكل أفضل في مثل هذه النظم على أساس مستويات عالية من الجلوكوز في الدم كمؤشر للإجهاد. وخلصت دراسة مماثلة أجراها نفس المؤلف عن أجنة واليرقات (مارتينز وآخرون 2011) إلى نتائج تشير إلى أن تركيز المواد (الفوسفات الفوسفات - P والنترات والزرنيخ والنحاس) كان من المرجح أن يؤثر على التطور. و على الرغم من هذه النتائج, يدعي المؤلفون أن النسبة المئوية لل وفيات و التشوهات المسجلة في الدراسة كانت منخفضة نسبيا بالمقارنة مع الدراسات الأخرى. وفي كلتا الدراستين، استخدم المؤلفون نظما ذات أسعار صرف محدودة للغاية للمياه بمساعدة مفاعلات إزالة النتروث (30 لترا من المياه الجديدة لكل كيلوغرام من الأعلاف يوميا). وبالمثل، تمت دراسة تراكم الهرمونات في المياه الباردة السالمونيد RAS من قبل Good et al. 2014، 2017). ولم تكشف أبحاثهم في عام 2014 عن وجود علاقة بين سعر صرف المياه وتراكم الهرمون (باستثناء هرمون التستوستيرون) ولا وجود صلة بين تراكم الهرمون ونضوج السالمون في المحيط الأطلسي، ولكن اقترح إجراء مزيد من الدراسة. وركزت دراستهم في عام 2017 على استخدام الأوزون للحد من الهرمونات في نفس راس، مع نتائج غير حاسمة بشأن تراكم هرمون الستيرويد، ولكن مع انخفاض إيجابي من أوستراديول بواسطة الأوزون.

   ومن ناحية أخرى، أظهر تراكم المواد الدبوالية في «التبادل الصفري» أن له تأثير وقائي ضد الالتهابات البكتيرية (Yamin et al. 2017a) والنقاط الخارجية (Yamin et al. 2017b). كما تبين أن الأحماض الهيوميك تقلل من سمية الأمونيا والنتريت (Meinelt et al. 2010). ويترتب على ذلك تداعيات بالنسبة للرأس المشغّل بالأوزون، حيث أن الأوزون قد يحسّن نوعية المياه مع التضحية بالآثار المفيدة التي يبدو أنها ناتجة عن المواد الدبوالية.

   3-4-4 الصحة والسلوك

   والخصائص الأساسية للرفاه الجيد هي الصحة الجيدة وغياب المرض، والإنتاجية الجيدة فيما يتعلق بالاستزراع المائي (Turnbull and Kadri 2007؛ Volpato et al. 2007). وفي حين أن الصحة البدنية للحيوان أساسية للرفاه الجيد (آشلي 2007؛ دنكان 2005)، فإن كون الحيوان يتمتع بصحة جيدة لا يعني بالضرورة أن حالة رفاهه كافية. و هكذا, فإن الرفاه مفهوم أوسع نطاقا و أكثر شمولا من مفهوم الصحة. وترتبط التدابير الفسيولوجية والسلوكية ارتباطاً جوهرياً وتعتمد بعضها على بعض للحصول على تفسير صحيح فيما يتعلق بالرعاية الاجتماعية (Dawkins 1998).

   يمثل سلوك الحيوانات، وفي حالتنا الأسماك، رد فعل على البيئة، حيث أن الأسماك تنظر إليها، وبالتالي فإن السلوك هو عنصر أساسي في رفاه الأسماك. وقد ارتبطت التغيرات في سلوك العلف، ونشاط التهوية الخيشومية، والعدوان، وسلوك السباحة الفردي والجماعي، والسلوكيات النمطية وغير الطبيعية، بعوامل الإجهاد الحادة والمزمنة في تربية الأحياء المائية، وبالتالي يمكن اعتبارها مؤشرات محتملة لرفاه الفقراء (Martins et al. 2011). تتميز مؤشرات الرعاية السلوكية بأنها سريعة وسهلة الملاحظة، وبالتالي فهي مرشحة جيدة للاستخدام «في المزرعة». ومن الأمثلة على السلوك الذي يشيع استخدامه كمؤشرات للرفاه التغيرات في السلوك الاستباقي الغذائي، وتناول الأعلاف، ونشاط السباحة، ومعدلات التهوية (Huntingford et al. 2006). ومع ذلك، يحذر Barreto وVolpato (2004) من استخدام تردد التهوية كمؤشر على الإجهاد في الأسماك لأنه على الرغم من أن تردد التهوية هو استجابة حساسة جدا للاضطراب، إلا أنه محدود الاستخدام لأنه لا يعكس شدة التحفيز.

   3.4.5 الضوضاء

   وتستزرع الأسماك المستزرعة على مدى فترات طويلة من الزمن في نفس الخزانات من نفس اللون (الألوان) وفي نفس الشكل وتتعرض للضوضاء الخلفية التي يحتمل أن تكون ضارة (Martins et al. 2012). وتستخدم أنظمة الاستزراع المائي المكثفة وخاصة أنظمة إعادة الدوران معدات مثل أجهزة التهوية ومضخات الهواء والماء والمنافيخ وأنظمة الترشيح التي تزيد دون قصد من مستويات الضوضاء في خزانات الاستزراع السمكي. وتقع المستويات والترددات السليمة التي يتم قياسها ضمن نظم الاستزراع المائي المكثفة ضمن نطاق سمع الأسماك، ولكن الآثار المحددة لضجيج إنتاج الاستزراع المائي ليست محددة بشكل جيد (Davidson et al. 2009).

   وجد بارت وآخرون (2001) أن متوسط مستويات ضغط الصوت العريض النطاق (SPL) يختلف باختلاف أنظمة الاستزراع المائي المكثفة. في دراسته، تم قياس مستوى الصوت من 135 ديسيبل إعادة 1μPa في بركة ترابية بالقرب من مهوية التشغيل، في حين أن خزانات الألياف الزجاجية الكبيرة (قطر 14 م) داخل نظام إعادة تدوير كان أعلى SPLs من 153 ديسيبل إعادة 1μpA.

   وقد أظهرت الدراسات الميدانية والمختبرية أن سلوك الأسماك وعلم وظائف الأعضاء يمكن أن يتأثر سلباً بالصوت الشديد. وقد لاحظ Terhune et al. (1990) انخفاض معدلات نمو سمك السلمون الأطلسي، Salmo salar، في خزانات الألياف الزجاجية التي لديها مستويات صوت تحت الماء 2-10 ديسيبل تعيد بمقدار 1 ميكروباسكال أعلى عند 100-500 هرتز مما كانت عليه في الخزانات الخرسانية. ولذلك، فإن التعرض المزمن لضجيج إنتاج الاستزراع المائي يمكن أن يتسبب في زيادة الضغط وخفض معدلات النمو وكفاءة تحويل الأعلاف وانخفاض البقاء على قيد الحياة. ومع ذلك، وجد ديفيدسون وآخرون (2009) أنه بعد 5 أشهر من التعرض للضوضاء، لم يتم تحديد أي اختلافات كبيرة بين العلاجات لمتوسط الوزن والطول ومعدلات النمو المحددة وعامل الحالة وتحويل الأعلاف أو بقاء تراوت قوس قزح، Oncorhynchus. ويرد وصف لنتائج مماثلة في فيسوكي وآخرون (2007). ومع ذلك، لا ينبغي تعميم هذه النتائج على جميع أنواع الأسماك المستزرعة، لأن العديد من الأنواع، بما في ذلك سمك السلور والقبرصي، لديها حساسية سمعية أكبر بكثير من تراوت قوس قزح ويمكن أن تتأثر بشكل مختلف بالضجيج. فعلى سبيل المثال، قدم Papoutsoglou وآخرون (2008) أدلة أولية على أن نقل الموسيقى في ظل ظروف تربية محددة يمكن أن يكون له آثار معززة على أداء نمو الأوراتا، على الأقل بأحجام محددة من الأسماك. وعلاوة على ذلك، فإن الآثار الموسيقية الملحوظة على عدة جوانب من فسيولوجيا الأسماك (مثل الإنزيمات الهاضمة، وتكوين الأحماض الدهنية، والناقلات العصبية للدماغ) تعني ضمناً أن بعض الموسيقى يمكن أن توفر مزيداً من التعزيز في النمو والجودة والرفاه والإنتاج.

5. 3.5 تحديات قابلية التوسع في راس

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   و هذه العمليات هي عمليات كثيفة رأس المال, و تتطلب نفقات تمويلية عالية على المعدات, و الهياكل الأساسية, و نظم معالجة النفايات السائلة, و الهندسة, و البناء, و الإدارة. وبمجرد أن يتم بناء مزرعة رأس المال العامل، هناك حاجة أيضا إلى رأس المال العامل حتى يتم تحقيق الحصاد والمبيعات الناجحة. كما أن النفقات التشغيلية كبيرة وتتألف في معظمها من تكاليف ثابتة مثل الإيجار، والفوائد على القروض، والاستهلاك والتكاليف المتغيرة مثل علف الأسماك، والبذور (الإصبعيات أو البيض)، والعمل، والكهرباء، والأكسجين التقني، ومخازن الأس الهيدروجيني، والكهرباء، والمبيعات/التسويق، وتكاليف الصيانة، وما إلى ذلك.

   وعند مقارنة الإنتاجية والاقتصاد، ستتنافس RAS على الدوام مع أشكال أخرى من إنتاج الأسماك وحتى المصادر الأخرى لإنتاج البروتين للاستهلاك البشري. ومن المرجح أن تمارس هذه المنافسة ضغوطا هبوطية على سعر بيع الأسماك، والذي بدوره يجب أن يكون مرتفعا بما فيه الكفاية لجعل الأعمال التجارية RAS مربحة. وكما هو الحال في أشكال أخرى من إنتاج الاستزراع المائي، فإن تحقيق وفورات حجم أعلى هو عموما وسيلة لخفض تكلفة الإنتاج وبالتالي الوصول إلى الأسواق. وفيما يلي بعض الأمثلة على خفض تكاليف الإنتاج الذي يمكن تحقيقه باستخدام مرافق أكبر:

   1 - انخفاض تكاليف النقل على الطلبات السائبة من الأعلاف والمواد الكيميائية والأكسجين.

   2 - خصومات على شراء كميات أكبر من المعدات.

   3 - الحصول على أسعار الكهرباء الصناعية.

   4 - أتمتة العمليات الزراعية مثل مراقبة العمليات ومراقبتها، والتغذية، والحصاد، والذبح، والتجهيز.

   5 - زيادة استخدام اليد العاملة إلى أقصى حد: كانت هناك حاجة إلى نفس القوى العاملة لرعاية 10 أطنان من الأسماك اللازمة لرعاية 100 طن من الأسماك أو أكثر.

   وفي أعقاب زيادة وفورات الحجم في قطاع الاستزراع المائي بالقلم الصافي، يجري تطوير هذا القطاع على نطاقات لم ينظر فيها منذ عقد من الزمن. وقد شهد العقد الماضي تشييد مرافق ذات قدرات إنتاجية تبلغ آلاف الأطنان سنوياً، وهذه الزيادة الكبيرة في حجم مرافق RAS تطرح تحديات تقنية جديدة يتم استكشافها في القسم التالي.

   3.5.1 الديناميات المائية والنقل المائي

   فالمراقبة السليمة للظروف الهيدروديناميكية في صهاريج الأسماك ضرورية لضمان جودة المياه ونقلها الكافي للمواد الصلبة نحو منافذ الصهاريج (Masaló 2008؛ Oca وMasalo 2012). الدبابات التي ليست قادرة على مسح الأيض بسرعة كافية سيكون لها قدرة أقل على التحمل. يعد ضمان الأداء الهيدروديناميكي السليم في خزانات الأسماك موضوعًا هامًا للبحث الهندسي الاستزماري ساعد الصناعة في تصميم وتشغيل الخزانات من مختلف الأشكال والأحجام. ومع ذلك، فإن زيادة أحجام الصهاريج المستخدمة في RAS التجارية تطرح تحديات هندسية جديدة للمصممين والمشغلين. وتجري حاليا تحقيقات حديثة لتحسين الخصائص الهيدروديناميكية في الصهاريج المثمنة الكبيرة المستخدمة في إنتاج سمك السلمون المشتعلة (Gorle et al. 2018)، وذلك بدراسة تأثير الكتلة الحيوية للأسماك وهياكلها الهندسية ومدخولها ومخرجها في الخزانات الكبيرة المستخدمة في المرافق النرويجية المشتعلة. وبالمثل، وجد Summerfelt وآخرون (2016) اتجاهاً نحو انخفاض معدل تحميل العلف لكل وحدة في الخزانات الحديثة مقارنة بالصهاريج التي بنيت قبل أكثر من عقد من الزمان في المرافق النرويجية المشتعلة. ويؤدي انخفاض عبء التغذية بشكل فعال إلى تحسين نوعية مياه الصهاريج حيث تتم معالجة المياه المعاد تدويرها بمعدل أسرع، مما يمنع تراكم المستقلبات ونضوب الأكسجين في الخزان أكثر من ذلك مقارنة بالصهاريج القديمة التي تعمل بأعباء علف أعلى. ومن المرجح أن يوفر العمل المستقبلي المزيد من المعلومات عن الديناميات الهيدروغرافية للدبابات التي يزيد حجمها عن 1000 مسوب/سوب. ومن الأمثلة الأخرى على الدبابات الضخمة المستخدمة حاليا الدبابات المستخدمة في نظم RAS 2020 (كروجر، الدانمرك) أو مفهوم نيري (نيري، النرويج). إن اعتماد هذه المفاهيم الجديدة باستخدام خزانات أكبر سيلعب دورا حيويا في ربحيتها، طالما تحققت الظروف الهيدروديناميكية المناسبة.

   3.5.2 مخاطر فقدان المخزون

   في RAS، يمكن أن تؤدي ظروف تربية مكثفة إلى فقدان مفاجئ وكارثي للأسماك إذا فشل النظام. وقد تشمل مصادر فشل النظام الفشل الميكانيكي لأنظمة الضخ ومعدات RAS، وانقطاع التيار الكهربائي، وفقدان أنظمة الأوكسجين والتهوية، وتراكم وإطلاق كبريتيد الهيدروجين، وحوادث التشغيل وغيرها. و ينبغي تحديد هذه المخاطر و الحلول لها و إدماجها في الإجراءات التشغيلية.

   وقد يعني الحجم المتزايد لعمليات رأس المال الزراعي زيادة خطر الخسارة المالية في حالة حدوث خسارة فادحة في الأسماك. ومن ناحية أخرى، فإن تدابير التخفيف من المخاطر والتكرار في النظام قد تزيد أيضا من تكلفة مشروع RAS، وبالتالي، يجب على المصممين والمهندسين إقامة توازن بين هذه العناصر.

   وبصرف النظر عن تقارير الصناعة ووسائط الإعلام، لم يتم إجراء سوى القليل من البحوث الأكاديمية بشأن مخاطر مشاريع RAS التجارية. وأجرى باديولا وآخرون (2012) مسحاً لمزارع RAS وحللوا القضايا التقنية الرئيسية، وخلصوا إلى أن سوء تصميم النظم، ومشاكل نوعية المياه، والمشاكل الميكانيكية هي عناصر الخطر الرئيسية التي تؤثر على قدرة النظام على البقاء.

   3-5-3 الاقتصاد

   ويركز النقاش حول الجدوى الاقتصادية لمياه الاستزراع المائي في الغالب على التكاليف الرأسمالية المرتفعة لإعادة تدوير مزارع الاستزراع المائي والمهلة الطويلة قبل أن تصبح الأسماك جاهزة للتسويق، فضلاً عن التصور بأن مزارع الزراعة الزراعية لديها تكاليف تشغيلية عالية. ودرس De Ionno et al. (2007) الأداء التجاري لمزارع RAS، وخلص إلى أن الجدوى الاقتصادية تزداد مع حجم العملية. و وفقا لهذه الدراسة, فإن المزارع التي يقل حجمها عن 100 طن سنويا من الطاقة الإنتاجية لا تحقق سوى ربحية هامشية في السياق الأسترالي الذي أجريت فيه الدراسة. وتوفر شركة تيمونز وEbeling (2010) أيضاً مبرراً لتحقيق وفورات كبيرة الحجم (في حدود حجم آلاف الأطنان من الإنتاج سنوياً) تسمح بتخفيض تكاليف الإنتاج من خلال مشاريع التكامل الرأسي مثل إدراج مرافق التجهيز أو المفرخات أو الأعلاف (ميلز) درس ليو وآخرون (2016) الأداء الاقتصادي لمزرعة RAS النظرية بسعة 3300 طن سنويا، مقارنة مع مزرعة القلم التقليدية ذات السعة نفسها. وعلى هذا النطاق، تصل عملية RAS إلى تكاليف إنتاج مماثلة مقارنة بمزرعة القلم الصافية، ولكن الاستثمار الرأسمالي الأعلى يضاعف فترة الاسترداد بالمقارنة، حتى عندما تباع الأسماك من مزرعة RAS بسعر ممتاز. وفي المستقبل، قد يؤدي الترخيص المكلف والصارم الذي يتطلب أداء بيئي جيد إلى زيادة قدرة نظام الطاقة المتجددة على البقاء كخيار تنافسي لإنتاج سمك السلمون في المحيط الأطلسي.

   3.5.4 مناولة الأسماك

   في المزارع البرية، غالبا ما تكون مناولة الأسماك مطلوبة لأسباب مختلفة: فصل الأسماك إلى فئات الوزن، والحد من كثافات التخزين، ونقل الأسماك عبر أقسام الزراعة (أي من الحضانة إلى قسم الزراعة)، أو حصاد الأسماك عندما تكون جاهزة للسوق. ووفقا لLekang (2013)، يتم التعامل مع الأسماك على نحو أكثر فعالية باستخدام أساليب نشطة مثل مضخات الأسماك، وكذلك باستخدام أساليب سلبية مثل استخدام الإشارات البصرية أو الكيميائية التي تسمح للأسماك بالانتقال من مكان إلى آخر.

   درس Summerfeltet al. (2009) عدة وسائل لحشد وحصاد السلمون من خزانات دائرية كبيرة باستخدام مصارف مزدوجة من نوع Cornell. وشملت الاستراتيجيات اكتظاظ الأسماك بسمك الشباك المحفظة، وحشود الحانات الصدفية، ورعي الأسماك بين الصهاريج والاستفادة من استجابتها الفطرية لتجنب ثاني أكسيد الكربون. وشملت تقنيات الحصاد استخراج الأسماك من خلال ميناء التصريف الجانبي لخزان مزدوج التصريف من نوع كورنيل أو استخدام رافعة جوية لرفع الأسماك المزدحمة إلى صندوق نزح المياه. تستخدم AquamaOf (إسرائيل) سباحه ودبابات تتقاسم جدارًا شائعًا لنقل الأسماك عبر المزرعة بشكل سلبي، حيث يتم الحصاد باستخدام المصعد (مضخة لولبية أرخميدس) في نهاية ممر السباحة. يستخدم مفهوم RAS2020 من كروجر (الدنمارك) صفوف/كراودرز المثبتة بشكل دائم في خزان القناة على شكل دونات أو دائري لتحريك وحشد الأسماك دون الحاجة إلى مضخات الأسماك.

   وعلى الرغم من التطورات المستمرة حول هذا الموضوع، فإن الحجم المتزايد لمزارع رأس المال سيبقي تحدياً للمصممين والمشغلين حول كيفية التعامل مع الأسماك بأمان واقتصادياً ودون إجهاد. وقد يؤدي اتساع نطاق التصميمات والأنواع الخاضعة للإنتاج وكثافة التشغيل في مزارع RAS إلى تكنولوجيات مختلفة ومبتكرة لنقل الأسماك وحصولها.

6. 3.6 راس و أكوابونيكش

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   أنظمة أكوابونك هي فرع من تقنيات إعادة تدوير الاستزراع المائي حيث يتم تضمين المحاصيل النباتية إما لتنويع إنتاج الأعمال التجارية، لتوفير قدرة إضافية على تنقية المياه، أو مزيج من الاثنين.

   كفرع من RAS، ترتبط الأنظمة المائية بنفس الظواهر الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية التي تحدث في RAS. ولذلك، فإن نفس أساسيات إيكولوجيا المياه، وميكانيكا السوائل، ونقل الغاز، وإزالة المياه وما إلى ذلك تنطبق بشكل أو بآخر على أكوابونيكش باستثناء مراقبة جودة المياه، حيث أن النباتات والأسماك قد تكون لها متطلبات محددة ومختلفة.

   كما ترتبط الحقائق الاقتصادية الأساسية لل RAS و aquaponics. وكلتا التكنولوجيان، تتسم بكثافة رأس المال وبدرجة عالية من التقنية وتتأثر بوفورات الحجم والتصميم المناسب للمكونات والاعتماد على ظروف السوق وخبرة المشغلين.

   3-6-1 الرعاية

   في النظم المائية، ينبغي زيادة امتصاص المغذيات إلى أقصى حد من أجل الإنتاج الصحي للكتلة الحيوية النباتية ولكن دون إهمال أفضل ظروف الرفاه للأسماك من حيث نوعية المياه (يلدز وآخرون 2017). ومن المهم أيضا اتخاذ تدابير للحد من مخاطر إدخال أو انتشار الأمراض أو العدوى وزيادة الأمن البيولوجي في علم الأحياء المائية. وينبغي أيضاً أن تؤخذ في الاعتبار التأثيرات المحتملة للمواد الكيميائية، أي المواد الكيميائية التي تطلق من النباتات. وعلاوة على ذلك، ينبغي النظر بعناية في تأثير هضم النظام الغذائي، وحجم جزيئات البراز ونسبة التسوية على نوعية المياه. لا يزال هناك نقص في المعرفة فيما يتعلق بالعلاقة بين المستويات المناسبة للمعادن التي تحتاجها النباتات، والتمثيل الغذائي للأسماك، والصحة والرعاية الاجتماعية (يلدز وآخرون 2017)، الأمر الذي يتطلب المزيد من البحث.

   3.6.2 التنوع الميكروبي والتحكم فيه

   وكما ذكر سابقا في الفصل، تجمع الأحياء المائية بين نظام إعادة تدوير الاستزراع المائي ووحدة مائية. واحدة من أهم سماته هو الاعتماد على البكتيريا ومنتجاتها الأيضية. أيضا، القسم 3.2.6. ناقش أهمية المجتمعات الميكروبية والسيطرة عليها في RAS. وتعمل البكتيريا كجسر يربط بين فضلات الأسماك، التي تتسم بتركيز الأمونيوم، وبين زراعة الأسمدة، التي ينبغي أن تكون مزيجاً من الأمونيوم المنخفض والنترات العالية (Somerville et al. 2014). وبما أن النظم المائية يمكن أن تحتوي على وحدات فرعية مختلفة، أي خزانات أسماك، ومرشح أحيائي، ومرشح طبل، وصهاريج المستوطنين، ووحدات مائية، ولكل منها تصاميم ممكنة مختلفة وظروف مثالية مختلفة، فإن المجتمعات الميكروبية في هذه المكونات قد تختلف اختلافا كبيرا. وهذا يوفر موضوعا مثيرا للاهتمام من البحث مع الهدف النهائي لتحسين عمليات إدارة النظام. حاول شماوتز وآخرون (2017) توصيف المجتمع الميكروبي في مناطق مختلفة من النظم المائية. وخلصوا إلى أن براز الأسماك يحتوي على مجتمع منفصل تهيمن عليه البكتيريا من جنس - Cetobacterium_، في حين أن العينات المأخوذة من جذور النباتات، والمرشح الحيوي، والبيفيتون كانت أكثر تشابهاً لبعضها البعض، مع وجود مجتمعات بكتيرية أكثر تنوعاً. تحتوي عينات المرشحات الحيوية على أعداد كبيرة من Nitrospira (3.9٪ من مجموع المجتمع) التي لم يتم العثور عليها إلا بأعداد قليلة في بيريفيتون أو جذور النباتات. من ناحية أخرى، تم العثور على نسب صغيرة فقط من Nitrosomonadales (0.64٪) و Nitrobacter (0.11٪) في نفس العينات. يتم اختبار هذه المجموعة الثانية من الكائنات الحية عادة لوجودها في أنظمة أكوابونيكش لأنها تعتبر مسؤولة أساسا عن النتريفير (Rurangwa وVerdegem 2015؛ Zou et al. 2016)؛ تم وصف Nitrospira مؤخرا فقط بأنه نتريفير الكلي (Daims et al. 2015)، لتكون قادرة على تحويل مباشرة الأمونيوم إلى نترات في النظام. وبالتالي فإن هيمنة Nitrospira هي حداثة في مثل هذه الأنظمة وقد تكون مرتبطة مع اختلاف في الإعداد الأساسي (Graber et al. 2014).

   كما أكد شماوتز وآخرون (2017) أن زيادة وجود Nitrospira لا ترتبط بالضرورة بالنشاط الأكبر لهذه الكائنات في النظام، حيث لم يتم قياس أنشطتها الأيضية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من أنواع البكتيريا والقولونية موجودة بطبيعتها في الفلاتر الحيوية المعاد تدوير أكوابونك التي تقوم بتحولات المواد العضوية ونفايات الأسماك. وهذا يعني وجود العديد من الكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تكون مسببات الأمراض للنباتات والأسماك، وكذلك للناس. ولهذا الغرض، اعتبرت بعض الكائنات الحية الدقيقة مؤشرات سلامة المنتجات ونوعية المياه في النظام (Fox et al. 2012). بعض مؤشرات السلامة هذه هي Escherichia coli و Salmonella spp. وهكذا أجريت مؤخراً بحوث تمس الحاجة إليها من أجل التأكد من السلامة الميكروبية للمنتجات المائية (Fox et al. 2012؛ Sirsat and Neal 2013). تم تحديد أحد الاتجاهات المستقبلية لتحليل النشاط الميكروبي في الأحياء المائية من قبل مونغيا-فراغوزو وآخرون (2015)، الذي استعرض تقنيات Omic لتحليل المجتمع الميكروبي. وخلصوا إلى أن تحليل الميتاجينوميك/ميتاترانسكريبتوميك سيكون حاسما في الدراسات المقبلة للتنوع الميكروبي في النظم الحيوية المائية.

   • من فترة من التوحيد التكنولوجي إلى عهد جديد من التنفيذ الصناعي، تطورت تكنولوجيا RAS بشكل كبير على مدى العقدين الماضيين. شهدت السنوات القليلة الماضية زيادة في عدد ونطاق مزارع الاستزراع المائي المعاد تدويرها. ومع تزايد قبول التكنولوجيا، لا تزال هناك تحسينات على النهج الهندسية التقليدية والابتكارات والتحديات التقنية الجديدة آخذة في الظهور.

   • تجمع أكوابونيكش بين نظام إعادة تدوير الاستزراع المائي مع وحدة مائية. RAS هي أنظمة إنتاج مائية معقدة تنطوي على مجموعة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية.

   • الأكسجين المذاب (DO) هو عموما أهم معلمة نوعية المياه في النظم المائية المكثفة. ومع ذلك، فإن إضافة ما يكفي من الأوكسجين إلى مياه التربية يمكن أن يتحقق ببساطة نسبيا، وبالتالي فإن السيطرة على بارامترات المياه الأخرى تصبح أكثر تحديا.

   • التركيزات العالية لثاني أكسيد الكربون المذاب (Cosub2/sub) لها تأثير سلبي على نمو الأسماك. إن إزالة مادة Cosub2/sub من الماء إلى تركيزات تقل عن 15 ملغم/لتر أمر صعب بسبب قابلية الذوبان العالية والكفاءة المحدودة لمعدات التفريغ.

   • تم التعامل مع الأمونيا تقليديا في أنظمة إعادة تدوير مع الفلاتر الحيوية النتريفيج. ويجري استكشاف بعض التكنولوجيات الناشئة كبدائل لإزالة الأمونيا.

   • تنتج المواد الصلبة الحيوية في RAS من علف الأسماك، والبراز، والأفلام الحيوية، وهي واحدة من أكثر معايير جودة المياه أهمية وصعوبة التحكم فيها. نظام العلاج متعدد الخطوات حيث المواد الصلبة من مختلف الأحجام وإزالتها عن طريق آليات مختلفة، هو النهج الأكثر شيوعا.

   • يمكن استخدام الأوزون، كمؤكسد قوي، في RAS للقضاء على الكائنات الحية الدقيقة والنتريت والمواد الدبوطية. يعمل الأوزون على تحسين أداء مرشح الميكروسكرين ويقلل من تراكم المادة الذائبة التي تؤثر على لون الماء.

   • مفاعلات إزالة النيترينغ هي مفاعلات بيولوجية تعمل عادة في ظل ظروف لاهوائية و عادة ما تكون مداوي بنوع من مصادر الكربون مثل الإيثانول و الميثانول و الجلوكوز و دبس السكر. ومن أبرز تطبيقات نظم إزالة النتروتروية في الاستزراع المائي هو «التبادل الصفري».

   • في أنظمة إنتاج الاستزراع المائي تلعب المجتمعات الجرثومية أدوارا هامة في إعادة تدوير المغذيات، وتدهور المواد العضوية، ومعالجة الأمراض ومكافحتها. و تواجه فكرة استخدام المياه الناضجة الميكروبيولوجية لمكافحة مسببات الأمراض الانتهازية تحديا لدور تطهير المياه في المناطق الجافة.

   • في RAS المكثف، ترتبط رعاية الحيوان ارتباطًا وثيقًا بأداء الأنظمة. وكان الهدف الرئيسي من بحوث رعاية الحيوان في RAS هو بناء وتشغيل نظم تزيد الإنتاجية إلى أقصى حد وتقليل الإجهاد والوفيات إلى أدنى حد.