Industri akuakultur China sedang membangun ke arah ketumpatan dan intensiti tinggi, dan pengumpulan NH4+-N, NO2--N, dan NO3--N dalam air akuakultur telah menjejaskan kecekapan secara serius peredaran sumber air dan kualiti produk akuatik. Bakteria heterotrophic nitrification-aerobic denitrification (HN-AD) boleh mengeluarkan nitrogen daripada air akuakultur di bawah keadaan oksigen terlarut yang tinggi dan merupakan kunci untuk membersihkan kualiti air akuakultur.
Kertas kerja ini menerangkan secara ringkas status klasifikasi mikroorganisma dengan fungsi HN-AD, menerangkan ciri-ciri komuniti mikrob dengan fungsi HN-AD, menganalisis kecekapan pengembangan bakteria HN-AD dalam toleransi garam, degradasi racun perosak dan penyingkiran antibiotik, dan meneroka kecekapan peraturan proses HN-AD berdasarkan faktor persekitaran. Akhirnya, hala tuju pembangunan masa depan teknologi HN-AD diramalkan.
Didorong oleh dua matlamat pembangunan mampan dan "puncak karbon", teknologi HN-AD sedang membangun ke arah kecekapan yang lebih tinggi, kemampanan dan pelepasan karbon rendah, membantu industri akuakultur untuk terus meningkatkan kecekapan kitar semula air dan kepadatan akuakultur.
Stable water quality conditions are the basis for the survival of aquaculture organisms. During the long-term breeding process, residual feed and aquatic animal feces in the breeding water body continue to accumulate, producing a large amount of NH4+-N (>1 mg/L), dan satu siri langkah pembasmian kuman akan mengurangkan bilangan flora mikrob denitrifikasi dalam air pembiakan, yang seterusnya akan membawa kepada pengumpulan NH4+-N dan NO2--N, yang menjejaskan kesihatan haiwan akuatik dan kecekapan akuakultur kitar semula berskala kilang. Oleh itu, nitrogen berlebihan adalah masalah teknikal utama yang perlu diselesaikan dalam akuakultur kitar semula berskala kilang. Penulis menerangkan secara ringkas status semasa penyelidikan tentang flora mikrob dengan fungsi HN-AD dan aplikasinya dalam merawat air sisa akuakultur yang kompleks, bagi menyediakan rujukan untuk HN-AD untuk membantu akuakultur berkembang dengan cara berketumpatan tinggi, intensif dan mampan. .
Dalam model pembiakan kolam tradisional, bakteria HN-AD tertumpu pada Proteobacteria dan Actinobacteria pada peringkat filum. Dengan perkembangan selanjutnya model akuakultur, komuniti mikrob telah menjadi lebih banyak, dan bakteria HN-AD secara beransur-ansur telah ditemui dalam Bacteroidetes dan Firmicutes. Dalam setiap mod pertanian, Proteobacteria ialah filum bakteria dominan utama, yang memainkan peranan utama dalam proses denitrifikasi, dan terutamanya terdiri daripada Betaproteobacteria dan Gammaproteobacteria. Filum dominan kedua ialah Bacteroidetes, yang mempunyai flora heterotropik yang kaya, boleh merendahkan bahan organik dengan berkesan, dan terutamanya mengambil bahagian dalam proses nitrifikasi. Dalam setiap mod pertanian, Flavobacteriia ialah kelas bakteria dominan Bacteroidetes, yang mempunyai keupayaan untuk menyahnitrif dan mengeluarkan fosforus, dan juga merupakan kelas bakteria dominan dalam sistem rawatan enapcemar teraktif. Selain itu, Firmicutes boleh menentang persekitaran yang melampau melalui spora dan juga boleh menjalankan proses HN-AD.
Fungsi diperluaskan komuniti mikrob HN-AD
Dalam rawatan air sisa akuakultur dengan kemasinan tinggi, kebanyakan bakteria HN-AD yang tahan garam datang dari lautan, enapcemar teraktif dan medan garam, dan toleransi garam dan prestasi penyahtelan mereka adalah berbeza. Kebanyakan penyelidikan dalam bidang ini pada masa ini menumpukan pada pemisahan bakteria HN-AD yang tahan garam. Kunci untuk meningkatkan kecekapan denitrifikasi proses rawatan air adalah untuk meneroka sepenuhnya kaedah memperkayakan bakteria HN-AD berfungsi di bawah keadaan air masin dan mencapai HN-AD yang stabil.
Dalam rawatan air sisa akuakultur yang mengandungi racun perosak, penyelidik telah berturut-turut mendapati bahawa sesetengah bakteria HN-AD boleh mengumpul dan mengeluarkan fosforus, terutamanya Acinetobacter, Pseudomonas dan Enterobacter. Pada masa hadapan, ia boleh disaring dan diusahakan dengan lebih lanjut oleh bakteria HN-AD yang cekap atau ditambah dengan proses lain untuk meningkatkan kadar penyingkiran fosforus organik, supaya ia boleh digalakkan lagi dalam rawatan air sisa akuakultur yang mengandungi racun perosak.
Rawatan air sisa akuakultur antibiotik telah menarik perhatian penyelidik, tetapi rawatan antibiotik pada masa ini terhad kepada bioreaktor makmal berskala kecil, seperti MBBR, SBR, dll., dan walaupun penggunaan teknologi HN-AD dan bioreaktor untuk membuang antibiotik sisa adalah berkesan, kehadiran antibiotik mengubah struktur komuniti mikrob dalam sistem rawatan air, dan rintangan mikrob dipertingkatkan, membawa kepada peningkatan risiko ikan yang berkaitan dan penyakit manusia.
Penyelidik telah mendapati bahawa sesetengah bakteria HN-AD mempunyai sifat dwi rintangan logam berat dan denitrifikasi, dan menunjukkan potensi besar dalam merawat air sisa akuakultur yang mengandungi logam berat. Bakteria HN-AD telah mengalami tekanan pemilihan persekitaran jangka panjang, dan kedua-dua sel dan fungsi metabolik telah membangunkan toleransi yang sepadan untuk menahan kesan dan ketoksikan ion logam berat ini. Mekanisme proses metabolisme sel untuk menangani logam berat yang berbeza adalah berbeza. Oleh kerana air sisa akuakultur yang berbeza mungkin mengandungi jenis dan kepekatan logam berat yang berbeza, dalam aplikasi sebenar, bakteria HN-AD yang cekap harus dipilih mengikut ciri air sisa yang berbeza, dan parameter reaktor harus diselaraskan untuk meningkatkan kecekapan penyingkiran ion logam berat. Di samping itu, untuk mengawal proses ini dengan lebih baik, adalah penting untuk meneroka mekanisme migrasi dan transformasi ion logam berat dalam air sisa akuakultur.
Faktor persekitaran yang mengawal proses HN-AD
Dalam proses akuakultur, proses rawatan air berbilang kompleks mewujudkan keadaan persekitaran air yang kompleks. Faktor persekitaran boleh meningkatkan kapasiti denitrifikasi mikroorganisma dengan mengawal kapasiti metabolik komuniti mikrob. Oleh itu, proses HN-AD boleh dikawal dengan tepat dengan menukar DO, sumber karbon, C/N, suhu dan pH untuk meningkatkan kecekapan denitrifikasi.
Pembangunan masa hadapan
Pada masa hadapan, kajian lanjut mengenai penggunaan teknologi ini untuk merawat air sisa akuakultur boleh dijalankan dalam aspek berikut:
(1) Meningkatkan kecekapan penyingkiran NH4+-N. Air sisa akuakultur mempunyai kandungan NH4+-N yang tinggi. Penyelidik boleh menambah baik lagi kecekapan penyingkiran NH4+-N dengan mengoptimumkan komposisi komuniti bakteria, melaraskan parameter pengendalian dan menambah baik reka bentuk reaktor.
(2) Digabungkan dengan teknologi rawatan lain. Teknologi HN-AD boleh digabungkan dengan reaktor biofilem, tanah lembap buatan dan teknologi lain untuk membentuk sistem rawatan air sisa yang lebih cekap untuk mencapai kesan penulenan air sisa yang lebih baik.
(3) Sara diri tenaga. Teknologi HN-AD semasa menggunakan banyak tenaga dalam proses merawat air sisa. Arah aliran pembangunan masa hadapan ialah menggunakan teknologi pemulihan tenaga baharu, seperti menggunakan tenaga yang dijana oleh tindak balas pengoksidaan metana untuk membekalkan proses penyahtelan, mengurangkan pergantungan sistem kepada tenaga luaran, dan meningkatkan kemampanan.
(4) Mengurangkan lagi pelepasan karbon. Memandangkan kepentingan pengurangan pelepasan karbon menjadi semakin menonjol, trend pembangunan masa depan akan memberi tumpuan kepada mengurangkan pelepasan karbon teknologi HN-AD. Ini boleh dicapai dengan menambah baik reka bentuk sistem, mengguna pakai teknologi pengasingan dan pemulihan gas yang lebih cekap, atau menggunakan sumber karbon alternatif, seperti menggunakan tenaga boleh diperbaharui atau bahan organik yang dijana oleh sisa untuk menggantikan sumber karbon organik tradisional.
Ringkasnya, pada masa hadapan, teknologi HN-AD akan berkembang ke arah kecekapan yang lebih tinggi, kemampanan dan pelepasan karbon rendah, sekali gus menggalakkan kemajuan berterusan akuakultur ke arah kepadatan tinggi, intensiti dan kemampanan.
