Source material

Бактерии в аквапонике

1. Гетеротрофные бактерии и минерализация

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Существует еще одна важная группа бактерий, а также другие микроорганизмы, участвующие в аквапонике. Эта группа бактерий обычно называется гетеротрофической группой. Эти бактерии используют органический углерод в качестве своего источника пищи и в основном участвуют в разложении твердых рыб и растительных отходов. Большинство рыб удерживают только 30-40 процентов пищи, которую они едят, а это означает, что 60-70 процентов того, что они едят, высвобождается в виде отходов. Из этих отходов 50-70 процентов приходится на растворенные отходы, высвобождаемые в виде аммиака. Однако оставшиеся отходы представляют собой органическую смесь, содержащую белки, углеводы, жиры, витамины и минералы. Гетеротрофные бактерии метаболизируют эти твердые отходы в процессе минерализации, что делает необходимые микроэлементы доступными для растений в аквапонике (рис. 5.2).

   

   Эти гетеротрофные бактерии, а также некоторые природные грибки, помогают разлагать твердую часть рыбных отходов. При этом они высвобождают питательные вещества, запертые в твердых отходах, в воду. Этот процесс минерализации имеет важное значение, потому что растения не могут принимать питательные вещества в твердой форме. Отходы должны быть разбиты на простые молекулы, чтобы быть поглощены корнями растений. Гетеротрофные бактерии питаются любым органическим материалом, таким как твердые рыбные отходы, несъеденные рыбные продукты, умирающие растения, умирающие листья растений и даже мертвые бактерии. Есть много источников пищи, доступных для этих бактерий в аквапонных установках.

   Гетеротрофные бактерии требуют таких же условий выращивания, как и нитрифицирующие бактерии, особенно при высоких уровнях DO. Гетеротрофные бактерии колонизируют все компоненты агрегата, но особенно концентрируются там, где накапливаются твердые отходы. Гетеротрофные бактерии растут гораздо быстрее, чем нитрифицирующие бактерии, размножаются в часах, а не в днях. В средах, отходы собираются на дне, постоянно влажной зоне, и многие гетеротрофные бактерии встречаются здесь. В других системах основные колонии находятся на фильтрах и сепараторах, и в каналах. Минерализация важна в аквапонике, потому что она выделяет несколько микроэлементов, необходимых для роста растений. Без минерализации некоторые растения могут испытывать нехватку питательных веществ и нуждаются в дополнительных удобрениях.

   Гетеротрофные бактерии помогают в разложении твердых отходов сообществом других организмов. Часто дождевые черви, изоподы, амфиподы, личинки и другие мелкие животные встречаются в аквапонных системах, особенно в средах. Эти организмы работают вместе с бактериями для разложения твердых отходов, и наличие этого сообщества может предотвратить накопление твердых веществ.

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

2. Нитрифицирующие бактерии и биофильтр

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

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

   1. Бактерии AOB преобразуют аммиак (NH) в нитрит (NO₂-)

   2. Бактерии NOB затем преобразуют нитрит (NO₂-) в нитрат (NO-)

   

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

   Высокая площадь поверхности

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

   рН воды

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

   Температура воды

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

   Растворенный кислород

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

   УФ свет

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

   Мониторинг бактериальной активности

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

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

3. Система езды на велосипеде и запуск колонии биофильтра

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Системный цикл — это термин, описывающий начальный процесс построения бактериальной колонии при первом запуске любой РАС, в том числе и аквапоник. При нормальных обстоятельствах это занимает 3-5 недель; езда на велосипеде — это медленный процесс, требующий терпения. В целом, процесс включает в себя постоянное введение источника аммиака в аквапоник, питание новой бактериальной колонии и создание биофильтра. Прогресс измеряется путем мониторинга уровней азота. Как правило, езда на велосипеде происходит после того, как построена аквапонная система, но при создании новой аквапонной системы можно дать биофильтру начальный старт. Важно понимать, что во время циклического процесса будут наблюдаться высокие уровни аммиака и нитрита, которые могут быть вредными для рыб. Кроме того, перед началом процесса убедитесь, что все компоненты аквапоники, в частности биофильтр и аквариум, защищены от прямых солнечных лучей.

   После введения в установку аммиак становится исходным источником питания для АОБ, некоторые из которых происходят естественным образом и набираются в систему самостоятельно. Их можно найти на суше, в воде и в воздухе. В течение 5-7 дней после первого добавления аммиака АОБ начинает образование колонии и начинает окислять аммиак в нитрит. Аммиак следует постоянно, но с осторожностью добавлять, с тем чтобы обеспечить достаточное питание для развивающейся колонии, не превращаясь в токсичное вещество. Через еще 5-7 дней уровень нитритов в воде начнет повышаться, что, в свою очередь, привлекает NOB. По мере увеличения популяций NOB уровень нитритов в воде начнет снижаться, поскольку нитрит окисляется в нитрат. Весь процесс проиллюстрирован на рис. 5.3, где показаны тенденции содержания аммиака, нитрита и нитрата в воде за первые 20-25 дней цикла.

   

   Конец циклического процесса определяется как когда уровень нитратов неуклонно растет, уровень нитритов равен 0 мг/л, а уровень аммиака составляет менее 1 мг/л. В хороших условиях это занимает около 25-40 дней, но если температура воды прохладная, полный цикл может занять до двух месяцев. На данный момент сформировалась достаточная бактериальная колония и активно преобразует аммиак в нитрат. Причина, по которой этот процесс длителен, заключается в том, что нитрифицирующие бактерии растут относительно медленно, требуя 10-15 часов, чтобы удвоить популяцию. Тем не менее, некоторые гетеротрофные бактерии могут удвоиться всего за 20 минут.

   Ритейлеры аквариума или аквакультуры продают различные продукты, содержащие живые нитрифицирующие бактерии (в бутылке). После добавления в устройство они немедленно колонизируют систему, избегая процесса циклирования, описанного выше. Однако эти продукты могут быть дорогостоящими или недоступными и, в конечном счете, ненужными, поскольку процесс циклического движения может быть достигнут с помощью органических средств. В качестве альтернативы, если имеется другая аквапонная система, очень полезно разделить часть биофильтра в качестве семян бактерий для новой системы. Это значительно сокращает время, необходимое для циклирования системы. Также может быть полезно отдельно запустить биофильтральную среду путем непрерывного просачивания раствора, содержащего 2-3 мг/л аммиака, в течение нескольких недель до этого. Затем средства массовой информации будут функционировать в качестве праймера, просто включив его в новый аквапонный биофильтр. Простая система просачивания может быть построена путем подвешивания широкого пластикового ящика среды над небольшим резервуаром, содержащим раствор аммиака, который циркулируется небольшим аквариумным насосом.

   Многие люди используют рыбу в качестве исходного источника аммиака в новом резервуаре. Тем не менее, эти рыбы страдают от воздействия высокого аммиака и высокого уровня нитрита на протяжении всего процесса циклирования. Многие новые аквариуристы не имеют терпения, чтобы позволить танку полностью цикл, и в результате новая рыба умирает, обычно называемый «синдромом нового танка». При использовании рыбы рекомендуется использовать очень низкую плотность заготовок (≤ 1 кг/м3). Вместо того, чтобы использовать рыбу, есть другие источники этого первоначального аммиака, чтобы начать кормить колонию биофильтра. К числу возможных источников относятся корма для рыбы, стерилизованные отходы животных, удобрения из нитрата аммония и чистый аммиак. Каждый из этих источников имеет положительные и отрицательные, и некоторые источники гораздо лучше и безопаснее использовать, чем другие.

   

   Наилучшим источником аммиака является корм для мелкой молотой рыбы, поскольку он является биологически безопасным продуктом, и относительно легко контролировать количество добавляемого аммиака (рис. 5.4). Обязательно используйте только свежие, нетронутые и безболезненные корма для рыб. Куриные отходы, несмотря на то, что они являются отличным источником аммиака, могут быть очень рискованными и могут вводить опасные бактерии в аквапонную систему (рис. 5.5). Escherichia coli и Salmonella spp. обычно встречаются в куриных и других животных, поэтому любой навоз должен быть стерилизован перед использованием. Бытовые продукты аммиака могут быть использованы, но убедитесь, что продукт составляет 100% аммиак и не включает другие ингредиенты, такие как моющие средства, красители или тяжелые металлы, которые могут разрушить всю систему. После выбора источника аммиака важно медленно и последовательно добавлять аммиак и осуществлять мониторинг уровней азота каждые 2-3 дня (рис. 5.6). Полезно записывать уровни на графике, чтобы отслеживать процесс циклического движения. Важно не добавлять слишком много аммиака, и лучше иметь немного слишком мало, чем слишком много. Целевой уровень составляет 1-2 мг/л. Если уровень аммиака когда-либо превышает 3 мг/л, необходимо сделать водный обмен для разбавления аммиака, чтобы предотвратить его подавление бактерий.

   

   Добавление рыбы и растений во время циклического процесса

   Растения и рыбу следует добавлять только после завершения цикла. Растения можно добавлять немного раньше, но ожидать недостатка питательных веществ в этих ранних растениях в течение этого периода, поскольку другие питательные вещества требуют времени для достижения оптимальных концентраций (рис. 5.7).

   Схема недоступна в этой перенесённой копии; обратитесь к исходному изданию.

   Только после того, как уровни аммиака и нитритов ниже 1 мг/л, можно с уверенностью начать запас рыбы. Всегда начинайте запасать рыбу медленно. После того, как рыба была заправлена, часто встречается вторичный и меньший аммиак и нитрит шип. Это происходит в том случае, если аммиак, созданный из вновь заправленной рыбы, значительно превышает суточное количество аммиака, добавляемое в процессе циклического цикла. Продолжать мониторинг уровней всех трех видов азота и быть готовыми к обмену водой, если уровень аммиака или нитрита превысит 1 мг/л в то время, как система продолжает цикл.

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

4. нежелательные бактерии

   Original publication 2014 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Сульфат-редукторы бактерий

   Нитрифицирующие и минерализующие бактерии полезны для аквапонных систем, но некоторые другие типы бактерий вредны. Одной из таких вредных групп бактерий является сульфатно-восстановительная группа. Эти бактерии встречаются в анаэробных условиях (без кислорода), где они получают энергию через окислительно-восстановительную реакцию с использованием серы. Проблема заключается в том, что этот процесс производит сероводород (H2S), который чрезвычайно токсичен для рыб. Эти бактерии широко распространены, встречаются в озерах, соленых и эстуариях по всему миру и являются частью природного цикла серы. Эти бактерии отвечают за запах гнилых яиц, а также за серо-черный цвет осадков. Проблема аквапоники заключается в том, что твердые отходы накапливаются более быстрыми темпами, чем гетеротрофные бактерии, и связанное с ними сообщество может эффективно обрабатывать и минерализовать их, что, в свою очередь, может привести к аноксическому гнойству, поддерживающему эти сульфатно-восстановительные бактерии. В системах с высокой плотностью рыб рыба производит столько твердых отходов, что механические фильтры не могут быть очищены достаточно быстро, что побуждает эти бактерии размножаться и вырабатывать их вредные метаболиты. Большие аквапонные системы часто содержат резервуар для дегазации, в котором сероводород может безопасно высвобождаться обратно в атмосферу. Дегазация не требуется в мелкомасштабных системах. Однако даже в мелкомасштабных системах, если обнаруживается неприятный запах, напоминающий гнилые яйца или неочищенные сточные воды, необходимо принять соответствующие меры по управлению. Эти бактерии растут только в аноксических условиях, поэтому, чтобы предотвратить их, не забудьте обеспечить адекватную аэрацию и увеличить механическую фильтрацию, чтобы предотвратить накопление осадка.

   денитрифицирующие бактерии

   Вторая группа нежелательных бактерий - это те, кто несет ответственность за денитрификацию. Эти бактерии также живут в анаэробных условиях. Они преобразуют нитрат, который является желанным удобрением для растений, обратно в атмосферный азот, который недоступен для растений. Эти бактерии также распространены во всем мире и важны сами по себе (см. рис. 2.4). Однако в аквапонных системах эти бактерии могут снизить эффективность, эффективно удаляя азотные удобрения. Это часто является проблемой в случае больших кроватей DWC, которые недостаточно насыщены кислородом. Проблема может возникнуть, когда растения проявляют признаки дефицита азота, несмотря на то, что система находится в балансе, и когда в воде очень низкая концентрация нитратов. Исследовать возможные участки внутри каналов DWC, которые не циркулируют должным образом, и дополнительно увеличить аэрацию воздушными камнями.

   Некоторые крупные аквапонные системы преднамеренно используют денитрификацию. Коэффициент корма сбалансирует питательные вещества для растений, но обычно приводит к высоким уровням нитратов. Этот нитрат может быть разбавлен во время обмена водой (предлагается в настоящей публикации для маломасштабных систем). В качестве альтернативы можно поощрять контролируемую денитрификацию в механическом фильтре. Этот метод требует тщательного внимания и отключения газообразного газа и не рекомендуется для небольших систем. Более подробную информацию можно найти в разделе «Дальнейшее чтение».

   Патогенные бактерии

   Последняя группа нежелательных бактерий являются те, которые вызывают заболевания у растений, рыб и людей. Эти заболевания рассматриваются отдельно в других частях настоящей публикации, причем главы 6 и 7 посвящены соответственно болезням растений и рыб, а раздел 8.6 посвящен безопасности человека. В целом важно наличие надлежащей сельскохозяйственной практики (GAP), которая снижает и сводит к минимуму риск возникновения бактериальных заболеваний в аквапонных системах. Предотвращение попадания патогенов в систему путем: обеспечения надлежащей гигиены труда; предотвращения дефекации грызунов в системе; удержания диких млекопитающих (собак и кошек) вдали от аквапонных систем; избегания использования загрязненной воды; и осознания того, что любой живой корм может быть вектором введения инопланетян микроорганизмов в систему. Особенно важно не использовать сбор дождевой воды с крыш с птичьих фекалий, если только вода не обрабатывается в первую очередь. Основной риск от теплокровных животных является введение Escherichia coli, и птицы часто несут Salmonella spp.; опасные бактерии могут попадать в систему с помощью животных фекалий. Во-вторых, после профилактики, никогда не позволяйте аквапонной воде соприкасаться с листьями растений. Это предотвращает многие болезни растений, а также потенциальное загрязнение рыбной воды человеческим продуктом, особенно если продукт должен быть съеден в сыром виде. Всегда мыть овощи перед употреблением, аквапоник или иначе. Как правило, здравый смысл и чистота являются лучшими защитниками от болезней от аквапоники. Дополнительные источники для обеспечения безопасности продуктов питания аквапоники приведены в настоящем издании и в разделе «Дальнейшее чтение».

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