Микробиология нитрификации в биофильтрах УЗВ

Какие микроорганизмы окисляют аммиак и нитрит в биофильтрах аквакультуры, сколько кислорода и щёлочности они расходуют, как на них влияют pH и температура и как запускают новый биофильтр.

Рыбы выделяют аммиак через жабры как продукт белкового обмена. В установке замкнутого водоснабжения (УЗВ) его удаляют главным образом нитрификацией — биологическим окислением аммиака до нитрита, а затем до нитрата в биоплёнке биофильтра. В этом руководстве рассматриваются участвующие организмы, их химические потребности и запуск нового фильтра; типы фильтров и их расчёт описаны отдельно.

Две стадии, несколько групп микроорганизмов

Нитрификаторы — хемоавтотрофы: углерод они берут из углекислого газа, а энергию получают, окисляя соединения азота. На первой, лимитирующей стадии фермент аммиакмонооксигеназа превращает аммиак в гидроксиламин, а гидроксиламиноксидоредуктаза — в нитрит; на второй стадии нитритоксидоредуктаза окисляет нитрит до нитрата (Wikipedia).

Аммиакокисляющие бактерии (AOB): классические роды — Nitrosomonas и Nitrosococcus; обзор учебной программы по рыболовству Университета ООН также называет Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio.
Аммиакокисляющие археи (AOA): представители Nitrososphaerota (ранее Thaumarchaeota), например Nitrososphaera viennensis и Nitrosopumilus maritimus, доминируют в окислении аммиака в почвах и в море (Wikipedia).
Нитритокисляющие бактерии (NOB): к ним относятся роды Nitrobacter, Nitrospira, Nitrospina и Nitrococcus.
Комаммокс: некоторые Nitrospira подлинии II осуществляют полное окисление аммиака до нитрата в одном организме. Процесс был предсказан в 2006 году и открыт в 2015-м; Nitrospira inopinata, первый выделенный штамм, обладает высоким сродством к аммиаку и растёт медленно. Комаммокс обнаружен в биофильтрах аквакультуры, системах питьевой воды и очистных сооружениях (Wikipedia).

Кто на самом деле нитрифицирует в биофильтрах УЗВ

Более старая литература по проектированию УЗВ, включая публикацию SRAC 452, приписывает нитрификацию Nitrosomonas и Nitrobacter. Исследование Bartelme, McLellan и Newton 2017 года (открытый доступ PMC) псевдоожиженного песчаного биофильтра в коммерческой пресноводной УЗВ для жёлтого окуня (Perca flavescens), работающей более 15 лет при температуре около 21,7 °C, выявило иное сообщество. Археи в фильтре почти целиком относились к AOA, родственным Nitrososphaera, которые превосходили Nitrosomonas по численности более чем на три порядка. Комаммокс-Nitrospira и строго нитритокисляющие Nitrospira сосуществовали со стабильной численностью, а гены аммиакмонооксигеназы комаммокс в среднем в 1,9 раза превосходили по обилию гены AOA. Nitrobacter не обнаружен.

Авторы связывают эту картину с низкой концентрацией аммиака на входе в фильтр (в среднем 9 мкМ), поскольку известно, что при низких концентрациях AOA вытесняют AOB, и констатируют, что Nitrosomonas и Nitrobacter в пресноводных нитрифицирующих биофильтрах обычно отсутствуют или малочисленны. Общее бактериальное сообщество менялось вместе с режимом работы, например с размером корма и электропроводностью, тогда как нитрифицирующий консорциум оставался стабильным.

Кислород, щёлочность и побочные продукты

Суммарная реакция, приведённая в руководстве FAO, — NH₄⁺ + 2 O₂ → NO₃⁻ + H₂O + 2 H⁺, то есть нитрификация одновременно потребляет кислород и выделяет кислоту. Стехиометрия по Ebeling с соавторами (2006), сведённая в таблицу в обзоре UNU-FTP, на грамм превращённого аммонийного азота:

Потребление кислорода: 4,18 г.
Расход щёлочности: 7,05 г в пересчёте на CaCO₃.
Образование углекислого газа: 5,85 г.
Образование бактериальной биомассы: 0,20 г летучих взвешенных веществ.
Образование нитратного азота: 0,976 г.

На практике SRAC 452 рекомендует поддерживать щёлочность на уровне 50–100 мг/л в пересчёте на CaCO₃ или выше и отмечает, что гидрокарбонат натрия в количестве 17–20 % от массы суточного корма обычно удерживает pH и щёлочность в нужных пределах; карбонат кальция может растворяться слишком медленно, а едкие щёлочи нельзя вносить прямо в рыбоводную ёмкость. При растворённом кислороде ниже 2 мг/л нитрифицирующие бактерии становятся неэффективными (SRAC 452), а обзор UNU-FTP рекомендует не менее 2 мг/л на выходе биофильтра, поскольку низкий кислород благоприятствует гетеротрофным бактериям.

pH, температура и конкурирующие гетеротрофы

pH: SRAC 452 указывает оптимум 7–8 для бактерий биофильтра и угнетение ниже pH 6. Руководство FAO рекомендует поддерживать pH 7,0–7,5, поскольку при более низком pH скорость падает, а при более высоком растёт доля токсичного свободного аммиака. Обзор UNU-FTP приводит оптимумы 7,2–7,8 для Nitrosomonas и 7,2–8,2 для Nitrobacter и предостерегает от резких сдвигов более чем на 0,5–1,0 единицы.
Температура: нитрификаторы работают примерно при 7–35 °C, и их скорость растёт с температурой (обзор UNU-FTP); руководство FAO указывает 10–35 °C с оптимумом около 30 °C. В эксперименте UNU-FTP охлаждение сформировавшихся биофильтров примерно с 19 °C до 8,3 °C снизило нитрификацию.
Органическая нагрузка: гетеротрофные бактерии растут быстрее нитрификаторов и при высокой органической нагрузке конкурируют с ними за пространство, поэтому важна механическая фильтрация перед биофильтром (обзор UNU-FTP).
Свободный аммиак и азотистая кислота в высоких концентрациях способны угнетать самих нитрификаторов (обзор UNU-FTP).

Запуск нового биофильтра

SRAC 452 указывает, что активация нового биофильтра до способности справляться с обычной кормовой нагрузкой занимает не менее месяца, и в это время посадку и кормление следует сильно сократить. Предварительная активация до зарыбления не обязательна: фильтр засевают нитрифицирующими бактериями и две недели питают синтетической средой с 10–20 мг/л аммонийного азота, микроэлементами и гидрокарбонатом натрия для удержания pH на уровне 7,5, после чего раствор сливают. Руководство FAO показывает типичную последовательность при запуске: пик аммиака, затем пик нитрита, и лишь потом накопление нитрата.

Во время активации главная причина гибели рыбы — перекорм. SRAC 452 описывает сначала резкий рост аммиака; примерно через две недели аммиак превращается в нитрит, и нитрит снижается только после того, как приживутся нитритокисляющие бактерии. При первых признаках высокого аммиака кормление следует прекратить. Токсичность нитрита можно снизить хлоридом — обычно 6–10 частей хлорида на часть нитритного азота (SRAC 452); руководство FAO сообщает, что соль в концентрации около 0,3 ‰ подавляет поглощение нитрита. Биофильтру, погубленному химической обработкой или слишком энергичной чисткой, нужно около 3–4 недель на повторную активацию.