Source material

الفصل السادس العلاقات البكتيرية في علم الأحياء المائية: اتجاهات بحثية جديدة

1. 6-1 مقدمة

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

   تحتوي إعادة تدوير المياه في جزء الاستزراع المائي من نظام الأحياء المائية على كل من الجسيمات والمواد العضوية المذابة (POM, DOM) التي تدخل النظام في المقام الأول عن طريق علف الأسماك؛ يبقى جزء الأعلاف التي لا تؤكل أو تستقلبها الأسماك كنفايات في مياه نظام الاستزراع المائي (RAS) ، إما في شكل مذاب (مثل الأمونيا) أو كمواد صلبة معلقة أو مستوية (مثل الحمأة). وبمجرد إزالة معظم الحمأة عن طريق الفصل الميكانيكي، لا يزال يتعين إزالة المادة العضوية المذابة المتبقية من نظام RAS. وتعتمد هذه العمليات على الميكروبيوتا في مختلف المرشحات الحيوية للحفاظ على نوعية المياه للأسماك وتحويل النفايات غير العضوية/العضوية إلى أشكال من المغذيات المتاحة بيولوجيا للنباتات. وتشمل المجتمعات الميكروبية في نظام أكوابونيكش البكتيريا والعتيقة والفطريات والفيروسات والبروتيست في التجمعات التي تتقلب في تكوينها على أساس انحسار وتدفق المغذيات والتغيرات في الظروف البيئية مثل الرقم الهيدروجيني والضوء والأكسجين. وتؤدي المجتمعات الجرثومية دوراً هاماً في عمليات إزالة التلوث والتمعدن (انظر الفصل 10)، ومن ثم لها أدوار رئيسية في الإنتاجية الإجمالية للنظام، بما في ذلك الأسماك و الرعاية الصحية, و صحة النباتات.

   وتتمثل التحديات في أي نظام أكوابوني في التحكم في المدخلات - المياه، والإصبعيات، والأعلاف، والنباتات - والميكروبيوتا المرتبطة بها إلى أقصى حد من فوائد المواد العضوية وانهيارها إلى أشكال متاحة بيولوجيا للكائنات المستهدفة. وبالنظر إلى أن بارامترات النمو البيئي المثلى والمغذيات تختلف بالنسبة للأسماك والنباتات (انظر الفصل 8)، يجب وضع مختلف نظم الفصل والتهوية، والمرشحات الحيوية التي تحتوي على تجمعات ميكروبية ذات صلة، عند نقاط استراتيجية في من أجل المساعدة على الحفاظ على مستويات المغذيات و الأس الهيدروجيني و الأكسجين المذاب ضمن النطاقات المرغوبة لكل من الأسماك و الأنواع النباتية المستهدفة. والواقع أن بارامترات نوعية المياه، بما في ذلك درجة الحرارة، والتوصيل الكهربائي، وإمكانات الأكسدة، ومستويات المغذيات، وثاني أكسيد الكربون، والإضاءة، ومعدلات الأعلاف والتدفق، تؤثر جميعها على سلوك وتكوين المجتمعات الجرثومية داخل نظام الأحياء المائية (Junge et al. 2017). وفي هذا الصدد، من المهم تحسين الإعداد والتشغيل بحيث تسهم كل وحدة بكميات كافية من أشكال المغذيات المتاحة بيولوجيا لخلفها، بدلا من تمكين انتشار مسببات الأمراض أو الميكروبات الانتهازية التي يمكن أن تستهلك الجزء الأكبر من المغذيات الكبيرة اللازمة في أسفل المجرى.

   يمكن لمختلف التقنيات لتحليل المجتمعات الميكروبية أن تسفر عن معلومات هامة حول التغيرات في بنية المجتمع والوظيفة مع مرور الوقت في تكوينات أكوابونك مختلفة. ومن خلال ربط هذه التغييرات بالتوافر البيولوجي للمغذيات والبارامترات التشغيلية، يمكن تقليل الإنتاج المفرط أو الناقص للمغذيات الأساسية أو إنتاج المنتجات الثانوية الضارة. فعلى سبيل المثال، يعتمد تحقيق أقصى قدر من استعادة المغذيات النباتية المفيدة من النفايات العضوية في عنصر الأسماك في المقام الأول على قدرة الميكروبيوتا على تيسير انهيار المغذيات ضمن سلسلة من المرشحات الحيوية وهضمات الحمأة، التي يستند أداؤها إلى مجموعة من البارامترات التشغيلية مثل معدلات التدفق و وقت الإقامة و الأس الهيدروجيني (فان رين 2013). وبما أن نظام أكوابونيكش لا يشمل هضم الحمأة، فإننا سوف نتناول هذا الجانب بمزيد من التفصيل في النصف الأخير من هذا الاستعراض مع إحالة القارئ إلى الفصل 3 لمزيد من التفاصيل حول تقنيات الفصل الصلبة والفصول. 7 و 8 للمناقشات حول نظام أكوابونيكش إلى جانب مقابل فصل. إذا نظرنا هنا فقط الجسيمات المذابة والمعلقة في الماء (وليس الحمأة)، فإن جميع نظام aquaponics تستخدم مجموعة من الفلاتر الحيوية المختلفة التي تعرض الكائنات الحية الدقيقة المرفقة إلى المواد العضوية التي تمر من خلال المرشح وتوفير الركيزة المناسبة والمساحة السطحية الكافية ل التعلق الميكروبي وتشكيل biofilms. ويوفر تحلل هذه المادة العضوية الطاقة للمجتمعات الجرثومية، التي بدورها تطلق المغذيات الكبيرة (مثل النترات والفوسفات العظمية) والمغذيات الدقيقة (مثل الحديد والزنك والنحاس) إلى النظام بأشكال قابلة للاستخدام (Blancheton et al. 2013؛ Schreier et al. 2010؛ Vilbergsson et al. 2016a).

   و هناك بحوث زراعية كبيرة عن دور الجراثيم في تجذير النباتات و نموها و صحتها. وتركز هيمنة هذا البحث على النظم القائمة على التربة؛ ومع ذلك، زادت البحوث في مجال الزراعة المائية أيضا في السنوات الأخيرة (Bartelme et al. 2018). كما تميزت الميكروبيوتا في الاستزراع المائي بشكل جيد، حيث حظي دور الميكروبات في صحة الأسماك وهضمها باهتمام كبير حيث يحاول الباحثون تحسين توصيف دور صحة الأمعاء في استيعاب المغذيات. وبالنظر إلى أهمية الترشيح الأحيائي في نظم RAS، فإن البكتيريا المشاركة في عملية النترجة في نظام RAS قد درست أيضاً دراسة جيدة نسبياً، وبالتالي لا يتم تناولها هنا (انظر الفصل 10 و 12). ومع ذلك، كانت هناك بحوث محدودة نسبيا على الميكروبات في نظام الأحياء المائية، وخاصة التفاعلات الحاسمة للميكروبيوتا بين مختلف أجزاء النظام. هذا النقص في البحوث يحد حاليا من نطاق وإنتاجية هذه النظم، حيث هناك إمكانات كبيرة لتعزيز مع ما قبل والبروبيوتيك، فضلا عن فرص أخرى لتحسين صحة نظام أكوابونيكش من خلال فهم أفضل، وبالتالي تحسين القدرة على السيطرة، واسعة مجموعة من الميكروبيوتا غير المميزة التي تؤثر على صحة النظام والأداء.

   وعلى هذا النحو، يركز هذا الفصل في المقام الأول على الدراسات الحديثة التي تكشف كيف وأين تحدد المجتمعات الجرثومية الإنتاجية داخل المقصورات، مع تسليط الضوء أيضا على العدد الصغير نسبيا من الدراسات التي تربط تلك المجتمعات الجرثومية بالتفاعلات بين المكونات والنظام العام الإنتاجية. ونحاول تحديد الثغرات التي يمكن أن تتصدى فيها معرفة المزيد عن المجتمعات الجرثومية للتحديات التشغيلية وتقديم رؤى هامة لتعزيز الكفاءة والموثوقية.

2. 6.2 أدوات لدراسة المجتمعات الميكروبية

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

   وقد أتاحت التكنولوجيات الجديدة لدراسة كيفية تغير المجتمعات الجرثومية بمرور الوقت، وأي مجموعات من الكائنات الحية تسود في ظروف بيئية معينة، فرصا متزايدة للتنبؤ بالنتائج السلبية داخل مكونات النظام، مما يؤدي بالتالي إلى تصميم أجهزة استشعار واختبارات أفضل و الرصد الفعال لل مجتمعات الجرثومية في تربية الأسماك أو النباتات. على سبيل المثال، العديد من التكنولوجيات «omics» - metagenomics، metatranscriptomics، proteomics المجتمع، الأيض - تمكّن الباحثين بشكل متزايد من دراسة تنوع الميكروبيوتا في RAS، والمرشحات الحيوية، والهيدروبونيات ونظم توزيع الحمأة حيث تتضمن أخذ العينات تجمعات ميكروبية كاملة بدلاً من جينوم معين. وقد ساعد تحليل التنوع البدائي على وجه الخصوص, كثيرا في العقود الأخيرة من خلال تقنيات ميتاجينوميك و ميتاترانسريبتوميك. وعلى وجه الخصوص، اعتبر التضخيم وتحليل تسلسل الجين RRNA 16S، استنادا إلى الحفظ الداخلي للتسلسل الجيني المحايد المحيط بالعمليات الريبوسومية في الحمض النووي البكتيري، «المعيار الذهبي» للتصنيف التصنيفي وتحديد الأنواع البكتيرية. وتستخدم هذه البيانات أيضا في علم الأحياء المجهرية لتتبع الأوبئة والتوزيعات الجغرافية ودراسة المجموعات البكتيرية والنباتات النباتية (بوشيه وآخرون 2008). ويمكن أن تكون المنهجية كثيفة الاستخدام لليد العاملة ومكلفة، ولكن النظم الآلية الحديثة، وإن لم تكن تمييزية بالضرورة على مستوى الأنواع والسلالات، فإنها تتيح فرصاً للتطبيق في البيئات المائية (Schmautz et al. 2017). وتلخص الاستعراضات الأخيرة تطبيقات 16S RRNA لأنها تتعلق RAS (مارتينيز - بورشاس وفارغاس-ألبوريس 2017؛ مونغيا-فراغوزو وآخرون. 2015؛ رورانغوا وفيرديجيم 2015). التقدم في ميتاجينوميك من الميكروبات الأخرى غير البكتيريا الموجودة في RAS والمياه تعتمد على منهجيات مماثلة ولكن استخدام 18S (eukaryotes)، 26S (الفطريات) و16S في تركيبة مع 26S (الخمائر) RRNA استنساخ المكتبات لتوصيف هذه الميكروبيوتا (مارتينيز بورشاس وVargasalbores 2017). وعلى سبيل المثال، استُخدمت أيضاً مكتبات RRNA التفصيلية في الزراعة المائية لتوصيف المجتمعات الجرثومية في الغلاف الجذري (أوبورجر وشميدت 2016). ويمكن أن تكون هذه المكتبات مفيدة بشكل خاص في علم الأحياء المائية، بالنظر إلى أنها يمكن أن تفحص تجميع الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والآثايا والطفيليات والفطريات وتقديم ردود الفعل على التغييرات داخل النظام.

   كما مكّن تطوير التسلسل الآلي للجيل التالي من تحليل بيانات الجينوم المستقاة من عينات السكان (الميتاجينوميات) التي يمكن استخدامها لتوصيف الجراثيم، والكشف عن التغيرات الزمانية المكانية النباتية ومسببات الأمراض النزرة. وتشمل التطبيقات في RAS تتبع سلالات بكتيرية معينة بين الأسماك المستزرعة والقضاء على المجموعات السكانية التي تحمل سلالات خبيثة، مع الحفاظ على ناقلات السلالات الأخرى (مراجعة: (Bayliss et al. 2017). ويمكن أن تكون المقاربات الميتاجينومية مستقلة عن الاستزراع والتضخيم، مما يسمح للأنواع التي لم تكن قابلة للاستزراع في السابق بأن تصبح معروفة وتحري عن آثارها المحتملة (مارتينيز بورشاس وفارغاس ألبوريس 2017). وتشيع استخدام تقنيات التسلسل من الجيل التالي في علم الأحياء المجهرية النباتية إلى جانب تحليلات المتابعة للخطوط المشية. مثال ممتاز على ذلك هو أول دراسة للنباتات الكاملة للمجتمعات الميكروبية في جذزوسفير، حيث تبين أن الإفرازات الجذرية ترتبط بمراحل النمو (Knief 2014).

   البروتيوميات هي الأكثر فائدة عند دراسة أنواع بكتيرية معينة أو سلالة في ظل ظروف بيئية محددة من أجل وصف إمراضيتها أو دورها المحتمل في التكافل. ومع ذلك، هناك أوجه تقدم في البروتيوميات المجتمعية التي تعتمد على دراسات ميتاجينومية سابقة وتستخدم تقنيات كيميائية حيوية مختلفة لتحديد البروتينات المفرزة المرتبطة بالمجتمعات الجرثومية أو التكافلية، على سبيل المثال، كما أن هناك إمكانيات أخرى تكثر بفضل قدرة تكنولوجيات غس الوطنية تقدم بسرعة (مراجعة: (Knief وآخرون. 2011).

   ويميز الأيض وظائف الجينات، ولكن التقنيات ليست محددة للكائن الحي أو تعتمد على التسلسل، وبالتالي يمكن أن تكشف عن مجموعة واسعة من المستقلبات التي هي نواتج نهائية للكيمياء الحيوية الخلوية في الكائنات الحية والأنسجة والخلايا أو مقصورة الخلايا (اعتمادا على العينات التي يتم تحليلها). ومع ذلك، فإن المعرفة حول استقلاب المجتمعات الجرثومية في ظل ظروف بيئية معينة (المصغرة) تكشف عن قدر كبير عن دورة المواد المغذية البيوجيوكيميائية وآثار الاضطرابات. هذه المعرفة تميز مسارات الأيض المختلفة ومجموعة من الأيض الموجودة في العينات. ويمكن أن تشير التحليلات البيوكيميائية والإحصائية اللاحقة إلى حالات فسيولوجية يمكن أن ترتبط بدورها بالبارامترات البيئية التي قد لا تكون واضحة من النهج الجينية أو البروتينية. ومع ذلك، فإن الجمع بين الأيض ودراسات وظائف الجينات له إمكانات هائلة في تعزيز بحوث الأحياء المائية؛ انظر المراجعة (فان دام وبوميستر 2016).

3. 6-3 اعتبارات الأمن البيولوجي لسلامة الأغذية ومكافحة العوامل المسببة للأمراض

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

   6.3.1 سلامة الأغذية

   وتعد سلامة الأغذية الجيدة وضمان رعاية الحيوان من الأولويات العليا في الحصول على الدعم العام للأحياء المائية. ومن أكثر القضايا التي يثيرها خبراء سلامة الأغذية تواترا فيما يتعلق بعلم الأحياء المائية المخاطر المحتملة للتلوث بمسببات الأمراض البشرية عند استخدام النفايات السائلة كأسمدة للنباتات (Chalmers 2004; Schmautz et al. 2017). وخلص بحث مؤلفات حديثة لتحديد المخاطر الحيوانية المنشأ في علم الأحياء المائية إلى أن مسببات الأمراض في المياه المدخلة الملوثة، أو مسببات الأمراض في مكونات الأعلاف التي تنشأ من الحيوانات ذات الدم الحار، يمكن أن تصبح مرتبطة مع ميكروبيوتا الأمعاء الأسماك، والتي، حتى وإن لم تكن ضارة بالأسماك نفسها، يمكن أن تكون يحتمل أن يتم تمريرها حتى السلسلة الغذائية للبشر (أنتاكي وجاي راسل 2015). وبالتالي فإن آليات إدخال مسببات الأمراض إلى نظام الأحياء المائية هي مصدر قلق، مع أكبر مصدر للأشكال القولونية البرازية أو غيرها من البكتيريا المسببة للأمراض التي تنبع من مدخلات الأعلاف إلى الأسماك. ومن المنظور البيولوجي، هناك مخاطر محتملة لانتشار مسببات الأمراض هذه إما في مرشحات بيولوجية، أو في نظم حلقة واحدة عن طريق إدخال مسببات الأمراض المحمولة جوا من مكونات النباتات المفتوحة إلى خزانات الأسماك. وعلى الرغم من أن مخاطر الأمن البيولوجي منخفضة في الحيز البيئي المغلق نسبياً لنظام الأحياء المائية - مقارنة مثلاً بتربية الأحياء المائية في الأحواض المفتوحة - بل إنها أقل من ذلك في نظام الأحياء المائية المنفصل حيث يمكن عزل أجزاء من النظام، فلا يزال هناك تصور بأن حمأة الأسماك يمكن أن تكون يحتمل أن تكون خطرة عند تطبيقها على النباتات للاستهلاك البشري. Escherichia coli_ (E. coli) هو أحد العوامل المسببة للأمراض المعوية البشرية التي تسبب الأمراض المنقولة بالأغذية والتي كانت مصدر قلق رئيسي فيما يتعلق باستخدام النفايات الحيوانية كسماد في الزراعة أو تربية الأحياء المائية، مثل النظم المتكاملة لأسماك الخنازير (Dang and Dalsgaard 2012). غير أنه لا يعتبر عموما خطرا في الأحياء المائية لل أسماك النباتية. على سبيل المثال، أثبت Moriarty et al. (2018) سابقاً أن العلاج بالأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يقلل بنجاح من E. coli ولكنه لاحظ أيضاً أن الأشكال القولونية التي تم اكتشافها في النظام المائي كانت عند مستويات الخلفية ولم تتكاثر في مجاري الأسماك أو في الخس المزروع المائي داخل النظام التجريبي، وبالتالي لم يشكل خطرا على الصحة. وهناك بحوث محدودة حول هذه الجوانب، ولكن بعض الدراسات الأولية وجدت مخاطر منخفضة جدا للتلوث القولونية، على سبيل المثال، من خلال عدم وجود فرق في مستويات القولونية من معالجة مياه RAS المعقمة وغير المعقمة المطبقة على النباتات (Pantanella et al. 2015). وعلى الرغم من وجود خطر محتمل لاستيعاب الميكروبات داخل أوراق النباتات، وبالتالي انتقالها إلى الأجزاء المستهلكة من بعض النباتات الورقية الصالحة للأكل التي تزرع في الزراعة المائية، توصلت دراسات أخرى إلى استنتاجات مماثلة مفادها أن المخاطر هي الحد الأدنى من إدخال الإنسان المحتمل أن يكون خطراً مسببات الأمراض (إلومالاي وآخرون 2017).

   غير أن إدارة المخاطر، أو الأهم من ذلك إدارة تصورات تلك المخاطر، تظل أولوية عالية لدى السلطات الحكومية والمستثمرين في مجال الأحياء المائية. ومن المفترض أن مراقبة جودة مدخلات الأعلاف والتعامل الدقيق لنفايات الأسماك/الأسماك يمكن أن تحد من معظم هذه الشواغل المحتملة (فوكس وآخرون 2012). وبالفعل، لم يتم الإبلاغ عن أي حوادث معروفة في مجال صحة الإنسان في الوقت الراهن فيما يتعلق بنظام الأحياء المائية، وقد يكون ذلك نتيجة لحقيقة أن مرافق RAS والدفيئات الزراعية المائية لديها عادة تدابير جيدة للأمن البيولوجي، بما في ذلك ممارسات النظافة والحجر الصحي التي تتسم بالصرامة لوحظ. وقد تم تقييم الممارسات الميكروبيولوجية الموصى بها للأمن البيولوجي لمختلف نظم إنتاج الاستزراع المائي، وصيغت التوصيات في المبادئ التوجيهية لنقاط المراقبة الحرجة لتحليل المخاطر، وهو نظام دولي لمراقبة سلامة الأغذية (Orriss and Whitehead 2000). ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى توثيق علمي أفضل لمخاطر نقل العوامل المسببة للأمراض إلى البشر، وإجراء بحوث مباشرة في الإدارة في هذا المجال من إنتاج الأحياء المائية.

   6.3.2 الأسماك ومسببات الأمراض النباتية

   وهناك أدبيات خاصة بالتخصصات في الاستزراع المائي والهندسة المائية يمكن أن تساعد في إعلام وتعزيز الأداء الميكروبي في علم الأحياء المائية. فعلى سبيل المثال، تؤدي المجتمعات الجرثومية مجموعة واسعة من الوظائف الهامة في مجال صحة الأسماك، بما في ذلك القيام بدور رئيسي في هضم الأعلاف واستيعابها، بالإضافة إلى التحصين، ويتم استعراض هذه الوظائف وكذلك دور البروبيوتيك في تعزيز نظم الاستزراع المائي بشكل جيد (Akhter et et آل. 2015). كما يتم تغطية دور الميكروبات في نظم RAS على وجه التحديد بشكل جيد، بما في ذلك الإدارة الميكروبية للمرشحات الحيوية، وكذلك البحوث في مجال مكافحة العوامل المسببة للأمراض، فضلا عن تقنيات مختلفة للسيطرة على النكهات غير المستمدة من نظم RAS (Rurangwa وVerdegem 2015). وبالمثل، فإن الميكروبات الموجودة في رهيزوسفير النباتات مهمة لتأصيل النباتات ونموها (Dessaux et al. 2016) ولكن أيضا للسيطرة على انتشار مسببات الأمراض في إنتاج النباتات المائية؛ يتم استكشاف هذه المناطق بشكل جيد في استعراض حديث أجراه Bartelme et al. (2018). ومع ذلك، لا يزال هناك فهم محدود للغاية للروابط القائمة في الميكروبيوم فيما بين أجزاء نظام الأحياء المائية، وهي معرفة بالغة الأهمية لتحقيق أقصى قدر من الإنتاجية والحد من انتقال العوامل المسببة للأمراض.

   إن انتشار مسببات الأمراض الانتهازية التي تشكل خطرا على صحة الأسماك أو النبات هو اعتبارات هامة في اقتصاديات عمليات علم الأحياء المائية، بالنظر إلى أن أي استخدام للمضادات الحيوية أو المطهرات يمكن أن يكون له تأثير ضار على وظيفة المرشحات الحيوية، فضلا عن عدم استقرار الميكروبات العلاقات في مقصورات أخرى من النظام. وتشمل بروتوكولات التطهير التي يشيع استخدامها في RAS معالجة المياه بالأشعة فوق البنفسجية (Elumalai et al. 2017)، والتي، جنبا إلى جنب مع الأوزون (وعادة مزيج من الاثنين معا)، تشمل نهج الخط الأول اللاأحيائي للحفاظ على جودة المياه. وكثيرا ما يتم أيضا وضع بيض/يرقات الأسماك في الحجر الصحي قبل إدخالها، ومعالجة أي مياه مدخلة، مما يقلل من المصادر المحتملة المباشرة لدخول مسببات الأمراض السمكية إلى النظام.

   وعادة ما يسمح للمياه الواردة إلى RAS «بالنضج» في المرشحات الحيوية قبل أن يتم تغذيتها في نظام إعادة الدوران. وقد أظهرت التجارب، على سبيل المثال، أن تلقيح مرشح ما قبل الأحياء بمزيج من البكتيريا النتروية، و «إطعامه» بالمواد العضوية إلى أن تتطابق المجموعات البكتيرية مع القدرة الاستيعابية لخزانات الأسماك، يعني أن مياه صهريج التربية أقل احتمالا أن تكون غير مستقرة وتجاوزها البكتيريا الانتهازية (أترامادال وآخرون 2016؛ رورانغوا وفيرديجيم 2015). ومع ذلك، إذا أصبحت مسببات الأمراض مشكلة، فإن استخدام جرعات عالية من الأشعة فوق البنفسجية، والأوزون، والعلاجات الكيميائية أو المضادات الحيوية قد يكون ضروريا في بعض الأحيان، على الرغم من أن هذا الاستخدام يعطل عموما أجزاء أخرى من النظام، وخاصة المرشحات الحيوية (Blancheton et al. 2013). وبالفعل، يمكن للعلاجات غير الانتقائية لمسببات الأمراض، حسب الجرعة والموقع داخل النظام، أن تساعد في الواقع انتشار الانتهازيين. وعلى سبيل المثال، فإن المستويات العالية من معالجة الأوزون لا تقتل البكتيريا والبروستات والفيروسات فحسب، بل تؤكسد أيضاً DOM وتؤثر على تجميع POM، مما يمارس ضغطاً انتقائياً على المجموعات البكتيرية (المرجع نفسه).

   وترد مناقشة مفصلة لمسببات الأمراض النباتية في نظام الأحياء المائية والسيطرة عليها في الفصل 14 وبالتالي لا يتم تكرارها هنا. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن أنواع Bacillus تستخدم بشكل روتيني كبروبيوتيك تجارية في الاستزراع المائي، وهناك أدلة متزايدة على أن الأنواع المماثلة من Bacillus فعالة أيضا للنباتات، التي تتوفر بالفعل في بعض المحاليل التجارية للبروبيوتيك المائية (شافي وآخرون 2017). وقد وسعت دراسة حديثة مثل هذه الدراسات على Bacillus لتشمل التجارب في نظام أكوابونيكش (سيروزي وفيتزسيمونز 2016ب). قد يكون الموقع الذي يتم فيه إدخال البروبيوتيك - في الأسماك أو النبات أو المرشحات الحيوية - مهمًا، ولكن ليس من الواضح من العمل الحالي ما إذا كانت إضافة البروبيوتيك في عنصر الأسماك، مع الفوائد المحتملة للأسماك، لها أيضا آثار أفضل على نمو النبات وصحته بالنسبة إلى الإضافة من مستويات مماثلة من البروبيوتيك مباشرة إلى المقصورة المائية.

   بالإضافة إلى البروبيوتيك التطبيقية القياسية، هناك مجموعة متنوعة من التقنيات المبتكرة للتحكم البيولوجي التي قد تصبح في المستقبل ذات قيمة متزايدة للحد من وجود وانتشار الميكروبات الضارة. وفي إحدى الدراسات الحديثة، تم اختيار العزلات البكتيرية من نظام أكوابونيكش القائم على أساس قدرتها على ممارسة آثار مثبطة على كل من الأسماك ومسببات الأمراض الفطرية النباتية. وكان الهدف هو زراعة هذه العزلات كتلقيح يمكن أن تكون بعد ذلك بمثابة ضوابط بيولوجية للأمراض داخل نظام أكوابونيكش (سيراكوف وآخرون 2016). على سبيل المثال، أثبت سيراكوف وآخرون أن الـ Pseudomonas_ SP. التي عزلتها كانت فعالة كتحكم بيولوجي للفطريات المسببة للأمراض من الأسماك و Pythium ultimum من النباتات. وأفاد الباحثون أيضا في المختبر تثبيط مجموعة متنوعة من العزلات البكتيرية الأخرى من مختلف مقصورات أكوابونيكش، ولكن دون اختبار آثارها في الجسم الحي. وإمكانات استخدام هذه العزلات مثل الضوابط البيولوجية ليست جديدة، ولكن تطبيقات تقنيات غس الوطنية يمكن أن تكشف الآن عن المزيد عن تفاعلات هذه العزلات مع بعضها البعض ومع مسببات الأمراض المحتملة، مما يجعل من الممكن تحقيق أقصى قدر من فعالية التسليم. و يمكن أن يساعد استخدام تقنيات «omics» الأخرى في الكشف عن الهيكل العام لل مجتمع وما يرتبط به من وظائف التمثيل الغذائي, و البدء في توضيح الكائنات الحية و الوظائف الأكثر فائدة. وفي المستقبل، قد تسمح هذه التقنيات باختيار «سلالات المساعدة» داخل المجتمعات الجرثومية، أو تحديد الإفرازات التي لها آثار مضادة للميكروبات (Massart et al. 2015).

4. 6-4 التوازن الميكروبي وتحسينه في وحدات أكوابونيكش

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

   تنطوي الإنتاجية في نظام الأحياء المائية على رصد وإدارة البارامترات البيئية من أجل تزويد كل مكون، سواء أكانت ميكروبية أو حيوانية أو نباتية، بظروف نمو مثالية. في حين أن هذا ليس ممكنًا دائمًا بالنظر إلى المقايضات في المتطلبات، إلا أن أحد الأهداف الرئيسية للأكوابونيكش يدور حول مفهوم التوازن، حيث ينطوي الحفاظ على استقرار النظام على ضبط المعلمات التشغيلية لتقليل الاضطرابات غير الضرورية التي تسبب الإجهاد داخل الوحدة، أو آثار ضارة على المكونات الأخرى. مع التجمعات الميكروبية المتغيرة باستمرار، فإن التوازن لا يعني أبدا حالة دائمة من التوازن، ولكن بالأحرى هدف تحقيق أكبر قدر ممكن من الاستقرار، وخاصة في إطار معايير جودة المياه.

   وسوف يكون RAS مقترنا بنظام الهيدروبونيات المتغيرة باستمرار، ولكن ضمن هذا التكوين، يبقى مكون RAS ثابتًا نسبيًا، خاصة في الأنظمة المنفصلة (Goddek and Körner 2019). ومن ناحية أخرى، يميل نظام الزراعة المائية إلى أن يكون أكثر انتظاما في نوعية المياه لأن المحاصيل النباتية غالبا ما تحصد في شكل دفعات، ونادرا ما تتزامن مع إنتاج الأسماك.

   خلال المرحلة الأولية لبدء أي نظام أكوابوني، تشكل نوعية المياه - وخاصة فيما يتعلق بالمجتمعات الجرثومية في المرشحات الحيوية - مصدر قلق، ومن أجل التقليل إلى أدنى حد من انتشار البكتيريا الانتهازية، كانت الممارسة الروتينية هي السماح بالنضوج الميكروبي للمياه المدخلة قبل في RAS، مضيفا الأسماك فقط بعد أن تتطابق قدرة المرشحات الحيوية مع القدرة الاستيعابية للخزانات عند كثافة تخزين معينة (Blancheton et al. 2013). ولوحظت ممارسة مماثلة في مجال الزراعة المائية حيث يستخدم جزء على الأقل من المياه المعاد تدويرها لتلقيح محصول جديد، بالنظر إلى أن المجتمعات الميكروبية الناضجة تستغرق وقتا طويلا لتطوير وإدخال جميع النتائج المائية الجديدة في فترات تأخر طويلة. وتؤدي هذه الممارسات إلى مزيد من الاستقرار في الظروف الثقافية وزيادة الإنتاجية. فعلى سبيل المثال، لوحظ تحسن في الأداء في نظم RAS عندما يتم تزويد المرشح قبل الاستهلاك بغذاء الأسماك المسحوق لتطوير مجتمعات ميكروبية أكثر شبيهة بتلك الموجودة في صهاريج التربية (Attramadal et al. 2014).

5. 6.5 الأدوار البكتيرية في دورة المغذيات والتوافر البيولوجي

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

   وقد أجريت بحوث كثيرة لتوصيف البكتيريا غير الغذائية والبكتيريا الذاتية في نظم RAS ولتحسين فهم أدوارها في الحفاظ على نوعية المياه ودورة المغذيات (للاطلاع على الاستعراضات، انظر Blancheton et al. (2013)؛ Schreier et al. (2010). وتميل التغاير غير المسببة للأمراض، التي تهيمن عليها عادة Alphaproteobacteria و Gammaproteobacteria، إلى الازدهار في المرشحات الحيوية، ومساهماتها في تحولات النيتروجين مفهومة بشكل جيد إلى حد ما لأن دورة النيتروجين كانت ذات أهمية قصوى في تطوير ثقافة إعادة التدوير أنظمة (تيمونز وEbeling 2013). ومن المسلم به منذ فترة طويلة أن التحول البكتيري للأمونيا التي تفرزها الأسماك في نظام RAS يجب أن يقابل معدلات الإفراز، لأن الأمونيا الزائدة سرعان ما تصبح سامة بالنسبة للأسماك (انظر الفصل 9). ولذلك في المياه العذبة والبحرية RAS، حظيت الأدوار الوظيفية للمجتمعات الجرثومية في ديناميات NC - النتروية، وإزالة النتروتروية، والتكثيف، وأكسدة الأمونيوم اللاهوائي، والحد من نترات الإختلاف - باهتمام بحثي كبير وتم وصفها بشكل جيد في الاستعراضات الأخيرة (Rurangwa و Verdegem 2015; و Schreier et al. 2010). وهناك دراسات أقل بكثير عن تحولات النيتروجين في الأحياء المائية، ولكن مراجعة حديثة (Wongkiew et al. 2017) تقدم ملخصًا إلى جانب مناقشة كفاءة استخدام النيتروجين، وهو اعتبار رئيسي لنمو النباتات في الزراعة المائية.

   بعد النيتروجين، ثاني أهم المغذيات الكبيرة الأساسية في الأحياء المائية هو الفوسفور، وهو ليس عاملا مقيدا للأسماك التي تحصل عليها من الأعلاف، ولكنه حاسم الأهمية للنباتات في الزراعة المائية. ومع ذلك، فإن أشكال الفوسفات في نفايات الأسماك ليست متاحة بيولوجياً على الفور للنباتات. يجب أن تحتوي النباتات على كميات كافية من أورثوفوسفات الأيونية غير العضوية (HSUB2/subposub4/subsup-/سوب و HPosub4/subsup2-/سوب = Pi) (Bequer et al. 2014)، لأن هذا هو الشكل الوحيد المتاح بيولوجياً للامتصاص والاستيعاب. يرتبط الفوسفات غير العضوي بالكالسيوم فوق الرقم الهيدروجيني 7.0، لذا يجب أن يكون نظام الأكوابونيكش حذراً للحفاظ على ظروف الأس الهيدروجيني بالقرب من الرقم الهيدروجيني 7.0. ومع ارتفاع قيم الأس الهيدروجيني فوق 7.0، يمكن أن ينتهي الأمر بأشكال مختلفة غير قابلة للذوبان من فوسفات الكالسيوم كرواسب في الحمأة (Bequer et al. 2014؛ Siebielec et al. 2014). ومن ثم، فإن خسائر رأس المال RAS من P هي في المقام الأول من خلال إزالة الحمأة من النظام (Van Rijn 2013). ومع ذلك، في مكان ما من النظام المائي، يجب التقاط المواد الجسيمية والسماح لها بالتمعدن من أجل توفير إمدادات كافية من المغذيات القابلة للاستخدام للمحاصيل في وحدة الزراعة المائية. وستؤدي خطوة التمعدن أيضا إلى إطلاق المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة الأخرى بحيث يكون هناك نقص أقل، مما يقلل من الحاجة إلى التكميل في مقصورة الزراعة المائية. وبالنظر إلى أن الإمدادات العالمية من الأسمدة الغنية بالفوسفات تتضاءل وأن التكميل باستخدام P أصبح مكلفاً بشكل متزايد، تُبذل جهود لتحقيق أقصى قدر من استعادة P من الحمأة RAS (Goddek et al. 2016b؛ Monsees et al. 2017).

   إن التوافر البيولوجي للمغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة غير مفهومة في الوقت الراهن. وتشير البحوث السابقة (Cerozi وFitzsimmons 2016a) إلى أن توافر المغذيات يصبح عرضة للخطر مع انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى ما دون 7.0، وأدى إلى تشغيل نظام الزراعة المائية المقترن للخضر الورقية حول درجة الحموضة 6.0. ومع ذلك، فإن البحوث الحديثة التي تقارن الظروف المائية والأس الهيدروجيني 7.0 مع الظروف المائية للدرجة الحموضة 5.8 أظهرت عدم وجود فرق في الإنتاجية (أندرسون وآخرون 2017a، b). في هذه الدراسات، أدت الظروف المائية عند درجة الحموضة 7.0 إلى خفض الإنتاجية بنسبة\ ~ 22٪ مقارنة مع الرقم الهيدروبيني 5.8. في البداية، كانت الفرضية هي أن الاختلافات في الإنتاجية يمكن أن تعزى إلى ميكروبيوتا المياه المائية المائية، ولكن البحث اللاحق رفض هذه النظرية (Wielgosz et al. 2017).

   في RAS حيث تزداد نسب C: N بسبب توافر المواد العضوية، تستخدم البكتيريا المسببة للتشويه، وخاصة Pseudomonas sp.، الكربون كمبرع للإلكترون في ظروف نقص الأكسجين، لإنتاج NSUB2/sub على حساب النترات (Schreier et al. 2010; Wongkiew et al. 2017). وتستخدم نظم بيوفلوك في بعض الأحيان لزيادة تغذية الأسماك (سرطان البحر وآخرون 2012؛ مارتينيز - كوردوفا وآخرون 2015)، ويستخدم بيوفلوك بشكل متزايد في نظام أكوابونيكش، وخاصة في آسيا (فنغ وآخرون 2016؛ كيم وآخرون 2017؛ لي وآخرون 2018). عندما يتم استخدام بيوفلوك في أكوابونيكش (دا روشا وآخرون 2017؛ بينهو وآخرون. 2017)، ودورة المغذيات يصبح أكثر تعقيدا بالنظر إلى أن DO، ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة تؤثر على ما إذا كانت المجتمعات الميكروبية غير الغذائية (التي تستخدم الكربون) تهيمن على المخلفات الذاتية الغذائية القادرة على تقليل الكبريتيد إلى كبريتات (شيريه وآخرون 2010). يميل التغاير إلى أن يكون معدل نمو أعلى من معدل النمو الذاتي في وجود مصادر كافية للكربون (Michaud et al. 2009)؛ وبالتالي، فإن التلاعب بنوع العلف أو أنظمته، أو إضافة مصدر للكربون العضوي مباشرة، مع رصد مستويات الأكسجين المذاب، يمكن أن يساعد في الحفاظ على توازن السكان في الوقت نفسه لا تزال توفر الزراعة المائية مع N في شكل قابل للاستخدام (فيلبرغسون وآخرون. 2016a).

   في نظام الزراعة المائية، كانت دورة المغذيات أقل دراسة جيدة لأن المركبات غير العضوية التي تحتوي على التوازن المطلوب من العناصر الغذائية تضاف عادة من أجل ضمان النمو السليم للنباتات. ومع ذلك، فإن التركيزات العالية للمغذيات، خاصة في البيئات الرطبة الدافئة مثل البيوت المحمية، تسهل بسهولة نمو المجتمعات الميكروبية، وخاصة المواد النباتية مثل الفطريات (Fusarium) وOomycota (Phytophthora, Pythium sp.)، التي يمكن أن تتدفق بسرعة في المياه المتداولة وقد تؤدي إلى الموت قبالة (لي ولي 2015). وقد استخدمت الجهود الأخيرة الرامية إلى تحسين فهم الرهيزوباكتيريا المائية وآثارها المفيدة في تعزيز نمو النبات (ولكن أيضا في تثبيط انتشار العوامل المسببة للأمراض) تقنيات «الأوميك» المختلفة لتحليل المجتمعات الجرثومية وتفاعلاتها مع نظم الجذور (Lee and Lee 2015).

   على سبيل المثال، عندما تكون بكتيريا بروبيوتيك مثل Bacillus موجودة، تبين أنها تعزز توفر P ويبدو أن لها تأثير مضاف على نمو النبات في نظام البلطي والخس (Cerozi and Fitzsimmons 2016b). في نظام الأحياء المائية، فإن إضافة البروبيوتيك إلى علف الأسماك ومياه RAS، وكذلك إلى إمدادات المياه المائية، تستحق المزيد من التجارب، لأن المجتمعات الميكروبية يمكن أن يكون لها تأثيرات معيارية متعددة على علم وظائف الأعضاء النباتية. فعلى سبيل المثال، تم تحليل المجتمعات الجرثومية (البكتيريا والفطريات والأويسيتس) لأربعة محاصيل غذائية عن طريق تسلسل الميتاجينومي عند الحفاظ عليها في نظام ثابت للهيدروبونيات المغذيات حيث سمح لتركيزات الأس الهيدروجيني والمغذيات بالتذبذب بشكل طبيعي طوال دورات حياة النباتات (Sheridan et al. 2017). وخلص المؤلفون إلى أن العلاج بمزيج تجاري من الميكروبات المعززة لنمو النبات، وفي هذه الحالة البكتيريا والميكورهيزاي والفطريات، قد أضفى على ما يبدو استقراراً وأوجه تشابه أكبر في تكوين المجتمع بعد 12 إلى 14 أسبوعاً مقارنة بالضوابط. ويقترحون أن هذا يمكن أن يعزى إلى الإفرازات الجذرية، التي يزعم أنها تفضل بل وتتحكم في تنمية المجتمعات الجرثومية المناسبة لمراحل نمو النباتات المتعاقبة. وبالنظر إلى الآثار المعروفة لمركبات PGPMs في إنتاج المحاصيل القائمة على التربة، والدراسات القليلة المتاحة للنظم الخالية من التربة، هناك ما يبرر إجراء المزيد من البحث لتحديد كيفية تعزيز PGPMs وتحسين آثارها في نظام الأحياء المائية (Bartelme et al. 2018). وإذا كانت الثقافات المائية أكثر استقراراً ونمو النبات أكثر قوة مع PGPMs، فيجب أن يكون الهدف هو توصيف المجتمعات الميكروبية في علم الأحياء المائية عن طريق metagenomics وربطها بالتوافر الأمثل للمغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة عن طريق الأيض والبروتيوميات.

6. 6-6 المواد الصلبة والحمأة المعلقة

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

   وتؤثر بارامترات تشغيل الأحياء المائية على نطاق معين - بما في ذلك حجم المياه، ودرجة الحرارة، ومعدلات الأعلاف والتدفق، ودرجة الحموضة، وأعمار الأسماك والمحاصيل وكثافتها - جميعها على التوزيع الزماني والمكاني للمجتمعات الميكروبية التي تتطور داخل مقصورها، لاستعراضاتها: RAS (Blancheton et al. 2013)؛ الزراعة المائية (لي ولي 2015).

   بالإضافة إلى التحكم في الأكسجين المذاب، ومستويات ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة في أكوابونيكش، من الضروري أيضًا التحكم في تراكم المواد الصلبة في نظام راس حيث يمكن للجسيمات المعلقة الدقيقة أن تلتصق بالخياشيم وتسبب التآكل وضيق الجهاز التنفسي وتزيد من التعرض للأمراض (Yildiz et al. 2017) . والأكثر أهمية، يجب إزالة المادة العضوية الجسيمية (POM) بسرعة وفعالية من أنظمة RAS، وإلا فإن النمو المفرط المتغاير سيؤدي إلى فشل جميع عمليات الوحدة تقريبًا. يجب إدارة معدلات التغذية RAS بعناية لتقليل تحميل المواد الصلبة على النظام (على سبيل المثال تجنب الإفراط في التغذية وتقليل تكاليف التغذية). تحدد الخواص البيوفيزيائية للعلف - حجم الجسيمات، والمحتوى المغذي، وقابلية الهضم، والنداء الحسي، والكثافة ومعدل التسوية - معدلات الابتلاع والاستيعاب، والتي بدورها تؤثر على تراكم المواد الصلبة وبالتالي على جودة المياه. وعلى الرغم من أن نوعية المياه كثيرا ما تدرس في سياق دورة المغذيات (انظر الفصل 9، فمن المهم أيضا الحصول على فهم أفضل لتكوين المجتمعات الجرثومية والتغيرات التي تطرأ عليها استنادا إلى تكوين الأعلاف، تحميل الجسيمات وكيف يؤثر ذلك على نمو المجتمعات البكتيرية المتغايرة والتغذية الذاتية.

   وقد وضعت ميزات مختلفة من تصاميم نظام راس خصيصا للتعامل مع المواد الصلبة (تيمونز وEbeling 2013)؛ انظر أيضا استعراض: (فيلبرغسون وآخرون. 2016ب). فعلى سبيل المثال، تعمل بعض المرشحات البيولوجية على إبقاء أجزاء كبيرة من النفايات معلقة من أجل تيسير التحلل، بينما تقوم عوامل أخرى بتصفية ميكانيكية من خلال الشاشات أو الوسائط الحبيبية. لا يزال البعض الآخر يعتمد على الترسيب لمجرد جمع وإزالة الحمأة. ومع ذلك، فإن هذه الأساليب ليست فعالة بشكل خاص في استعادة المغذيات داخل الحمأة وجعلها متاحة بيولوجيا للاستخدام في النباتات. ومن الناحية التاريخية، تم التعامل مع هذه الحمأة في مفاعلات حيوية لقيمتها الميثانوجينية أو تجريد المياه لاستخدامها كسماد للمحاصيل القائمة على التربة، ولكن هناك تصميمات أحدث مختلفة حاولت تحسين الانتعاش لاستخدامها في المكون المائي. ويعد تحسين استعادة هذه الحمأة مجالاً هاماً من مجالات التحقيق بالنظر إلى أن جزءاً كبيراً من المغذيات الأساسية الكلية والمغذيات الدقيقة اللازمة لنمو النبات يرتبط بالمادة العضوية الجسيمية التي، إذا تم التخلص منها، تفقد من النظام. عن طريق إضافة حلقة إعادة تدوير الحمأة الإضافية إلى نظام أكوابونيكش، يمكن تحويل النفايات الصلبة إلى مغذيات مذابة لإعادة استخدامها من قبل النباتات بدلاً من التخلص منها (Goddek et al. 2018). إن أجهزة الهضم أو إعادة استخدام المفاعلات الحيوية هي إحدى الطرق لتحقيق ذلك، إلا أن أحد المجالات الرئيسية المتخلفة حالياً يشمل معرفة كيفية تعزيز المجتمعات الجرثومية داخل أجهزة هضم الحمأة هذه (على سبيل المثال من خلال إضافة الميكروبات) أو استخدامها بشكل أفضل (على سبيل المثال من خلال تحسين التصميم الهندسي لل مفاعلات المرتبطة) لاسترجاع المغذيات إلى أشكال متاحة بيولوجيا لل نباتات. وعلى الرغم من أن المجتمعات الجرثومية الفعلية داخل أجهزة هضم الحمأة لم يتم بحثها بشكل جيد عن علم الأحياء المائية، إلا أن هناك الكثير من المؤلفات عن ميكروبيوتا لهضمات الحمأة لمياه المجاري والنفايات الحيوانية في الزراعة، بما في ذلك النفايات السائلة السمكية، التي يمكن أن توفر المزيد من التبصر في التصاميم المثالية استعادة الحمأة في نظام أكوابونيكش. البحوث الحالية بشأن إدماج الحمأة في نظام أكوابونيكش ينطوي على إعادة التدوير في الهضمات الواقعة بين RAS والوحدة المائية (Goddek et al. 2016a, 2018). وفي إطار المفاعلات الحيوية الهوائية أو اللاهوائية، يمكن للظروف البيئية المواتية لتدهور النفايات أن تحطم هذه الحمأة بشكل فعال إلى مغذيات متاحة أحيائياً، يمكن تسليمها بعد ذلك إلى نظام الزراعة المائية دون وجود تربة (Monsees et al. 2017). العديد من أنظمة أكوابونيكش ذات الحلقة الواحدة تشمل بالفعل أجهزة هضم هوائية (Rakocy et al. 2004) واللاهوائية (Yogev et al. 2016) لتحويل العناصر الغذائية المحاصرة في حمأة الأسماك وجعلها متاحة بيولوجيا للنباتات. القدرة على فصل هذه لديها عدد من المزايا التي يتم مناقشتها بمزيد من التفصيل في الفصل 8 ويبدو أنها تؤدي إلى ارتفاع معدلات النمو (Goddek وVermeulen 2018). ومع ذلك، وعلى الرغم من أوجه التقدم العديدة، فإن التكنولوجيا الفعلية لتحقيق ذلك لا تزال صعبة. على سبيل المثال، فإن بعض البكتيريا غير الغذائية المخفية المستزرعة في ظروف نقص الأكسجين أو حتى الهوائية مع الحمأة من RAS سوف تستخدم النترات كمستقبلات إلكترون ومصادر الكربون المؤكسدة للطاقة، مع تخزين فائض P كبوليفوسفات جنبا إلى جنب مع أيونات معدنية ثنائية التكافؤ مثل CasUP+2/سوب أو كوسوب+2/سوب. عندما يتم التشديد على درجة الحموضة القلوية، فإن هذه البكتيريا تتحلل بوليفوسفات وتطلق أورثوفوسفات، وهو الشكل الضروري لاستيعاب النباتات للفوسفات (Van Rijn et al. 2006). ومن شأن إدراج وحدات المفاعلات الحيوية لإعادة التمعدن، مثل تلك التي وردت في Goddek et al. (2018)، أن يوفر وسيلة لاسترداد P بشكل أفضل في مجال الزراعة المائية. وقد استخدمت أساليب مماثلة، على سبيل المثال، مع حمأة التراوت من مادة RAS التي عولجت من محتوى النترات والمحتوى P الذي يتجاوز حدود التخلص المسموح بها (Goddek et al. 2015). ومع ذلك، فإن المجتمعات الجرثومية المشاركة في هذه العمليات حساسة لظروف الاستزراع مثل نسب C: N، والأوكسجين، وأيونات المعادن، ودرجة الحموضة، وبالتالي يمكن أن تتراكم النتريت وغيرها من المواد الوسيطة الضارة. على الرغم من الأدبيات الواسعة حول هضم النفايات العضوية المختلفة، اللاهوائية في المقام الأول لإنتاج الغاز الحيوي (إبراهيم وآخرون 2016)، هناك أبحاث أقل بكثير حول معالجة نفايات RAS (Van Rijn 2013)، وفي حالة نظام aquaponics، حتى أقل البحوث المتاحة حول العلاقة بين المغذيات التوافر البيولوجي ونمو المحاصيل في نظام الزراعة المائية (Möller and Müller 2012). وفي هذا الوقت، يمكن أن يوفر المزيد من الدراسات للمفاعلات الحيوية للحمأة RAS رؤى هامة لظروف الاستزراع بالنسبة للمجموعات الميكروبية التي تحقق نتائج إيجابية، على سبيل المثال، فيما يتعلق باستعادة P، وإدخالها في وحدات الزراعة المائية.

   أحد التحديات الحالية في الجهود المبذولة لتقييم انتعاش P من الحمأة ينشأ عند مقارنة تجارب الهضمات اللاهوائية والهوائية لفعاليتها (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). على الرغم من أن كلتا الدراستين استخدمتا تركيبة حمأة مماثلة في البداية، إلا أن النتائج كانت مختلفة تماما في إحدى الدراسات (Monsees et al. 2017)، أدت مقاييس العناصر الغذائية المختلفة القابلة للذوبان في العلاجات الهوائية إلى زيادة بنسبة 330٪ في تركيز P وانخفاض بنسبة 16٪ في تركيز النترات مقارنة بالزيادات الطفيفة في P وانخفاض بنسبة 97٪ في النترات في العلاجات اللاهوائية. وعلى النقيض من ذلك، أظهرت نتائج دراسة مماثلة (Goddek et al. 2016b) أن نمو نباتات الخس في وحدة مائية كان متفوقا باستخدام عامل خارق لاهوائي، على الرغم من أن كل من العلاجات اللاهوائية والهوائية لم تسفر إلا عن انتعاش أفضل قليلاً من النترات من الظروف اللاهوائية وفقدان شبه كامل من Posub4/sub من كل من العلاجات (Goddek وآخرون. 2016b). ومن الواضح أن عوامل مثل تكوين العلف ومعدله، والتعليق مقابل تسوية المواد الصلبة، ودرجة الحموضة (التي تم الحفاظ عليها عند 7 ± 1 مع CaohSub2/sub في السابق والمتغير 8.2-8.65 في الأخير)، وأخذ العينات وسلالات الأسماك اختلفت في هاتين الدراستين. ومع ذلك، فإن النتائج المتناقضة لPosub4/sub وNosub3/sub تشير إلى الحاجة إلى إجراء مزيد من البحوث لتحسين استعادة المغذيات، مع إضافة نهج ميتاجينوميكا لتوصيف المجتمعات الميكروبية من أجل فهم دورها بشكل أفضل في هذه العمليات.

7. 6-7 الاستنتاجات

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

   وكان التقدم التكنولوجي، الذي كان في السابق مجالاً لصغار المنتجين، ينقل بصورة متزايدة علم الأحياء المائية إلى إنتاج تجاري أوسع نطاقاً من خلال التركيز على تحسين الانتعاش الكلي والمغذيات الدقيقة مع توفير ابتكارات تقنية للحد من الاحتياجات من المياه والطاقة. ومع ذلك، فإن رفع مستوى الأحياء المائية إلى نطاق صناعي يتطلب فهما أفضل بكثير وصيانتها للتجمعات الميكروبية، وتنفيذ تدابير قوية للتحكم البيولوجي تساعد على صحة ورفاه الأسماك والمحاصيل على حد سواء، في حين لا تزال تفي بمعايير السلامة الغذائية للإنسان. الاستهلاك. وهناك حاجة إلى إجراء مزيد من البحوث بشأن المكافحة البيولوجية لمسببات الأمراض الجرثومية في علم الأحياء المائية، بما في ذلك مسببات الأمراض المحتملة للإنسان والأسماك والنباتات، وذلك في ضوء حساسية هذه النظم للاضطرابات، وحقيقة أن استخدام المواد الكيميائية والمضادات الحيوية يمكن أن يكون له آثار عميقة على المجموعات الميكروبية والأسماك والمضادات الحيوية. فسيولوجيا النبات، فضلا عن تشغيل النظام العام. يمكن أن يؤدي توضيح التفاعلات الميكروبية إلى تحسين إنتاجية نظام الأحياء المائية بالنظر إلى الأدوار الحاسمة للميكروبات في تحويل المواد العضوية إلى أشكال قابلة للاستخدام يمكن أن تسمح للأسماك والنباتات بالازدهار.