Мікробіологія нітрифікації в біофільтрах УЗВ

Які мікроорганізми окиснюють аміак і нітрит у біофільтрах аквакультури, скільки кисню та лужності вони витрачають, як на них впливають pH і температура та як запускають новий біофільтр.

Риби виділяють аміак через зябра як продукт білкового обміну. В установці замкненого водопостачання (УЗВ) його видаляють переважно нітрифікацією — біологічним окисненням аміаку до нітриту, а потім до нітрату в біоплівці біофільтра. У цьому посібнику розглядаються організми, що беруть участь у процесі, їхні хімічні потреби та запуск нового фільтра; типи фільтрів і їх розрахунок описано окремо.

Дві стадії, кілька груп мікроорганізмів

Нітрифікатори — хемоавтотрофи: вуглець вони беруть із вуглекислого газу, а енергію отримують, окиснюючи сполуки азоту. На першій, лімітувальній стадії фермент амоніймонооксигеназа перетворює аміак на гідроксиламін, а гідроксиламіноксидоредуктаза — на нітрит; на другій стадії нітритоксидоредуктаза окиснює нітрит до нітрату (Wikipedia).

Аміакокиснювальні бактерії (AOB): класичні роди — Nitrosomonas і Nitrosococcus; огляд навчальної програми з рибальства Університету ООН також називає Nitrosospira, Nitrosolobus і Nitrosovibrio.
Аміакокиснювальні археї (AOA): представники Nitrososphaerota (раніше Thaumarchaeota), наприклад Nitrososphaera viennensis і Nitrosopumilus maritimus, домінують в окисненні аміаку в ґрунтах і в морі (Wikipedia).
Нітритокиснювальні бактерії (NOB): до них належать роди Nitrobacter, Nitrospira, Nitrospina і Nitrococcus.
Комамокс: деякі Nitrospira підлінії II здійснюють повне окиснення аміаку до нітрату в одному організмі. Процес передбачили 2006 року й відкрили 2015-го; Nitrospira inopinata, перший виділений штам, має високу спорідненість до аміаку та росте повільно. Комамокс виявлено в біофільтрах аквакультури, системах питної води та очисних спорудах (Wikipedia).

Хто насправді нітрифікує в біофільтрах УЗВ

Старіша література з проєктування УЗВ, зокрема публікація SRAC 452, приписує нітрифікацію Nitrosomonas і Nitrobacter. Дослідження Bartelme, McLellan і Newton 2017 року (відкритий доступ PMC) псевдозрідженого піщаного біофільтра в комерційній прісноводній УЗВ для жовтого окуня (Perca flavescens), що працює понад 15 років за температури близько 21,7 °C, виявило інше угруповання. Археї у фільтрі майже повністю належали до AOA, споріднених із Nitrososphaera, які переважали Nitrosomonas за чисельністю більш ніж на три порядки. Комамокс-Nitrospira і суто нітритокиснювальні Nitrospira співіснували зі стабільною чисельністю, а гени амоніймонооксигенази комамоксу в середньому в 1,9 раза переважали за чисельністю гени AOA. Nitrobacter не виявлено.

Автори пов’язують цю картину з низькою концентрацією аміаку на вході у фільтр (у середньому 9 мкМ), оскільки відомо, що за низьких концентрацій AOA витісняють AOB, і констатують, що Nitrosomonas і Nitrobacter у прісноводних нітрифікувальних біофільтрах зазвичай відсутні або нечисленні. Загальне бактеріальне угруповання змінювалося разом із режимом роботи, наприклад із розміром корму та електропровідністю, тоді як нітрифікувальний консорціум залишався стабільним.

Кисень, лужність і побічні продукти

Сумарна реакція, наведена в посібнику FAO, — NH₄⁺ + 2 O₂ → NO₃⁻ + H₂O + 2 H⁺, тобто нітрифікація одночасно споживає кисень і виділяє кислоту. Стехіометрія за Ebeling і співавторами (2006), зведена в таблицю в огляді UNU-FTP, на грам перетвореного амонійного азоту:

Споживання кисню: 4,18 г.
Витрата лужності: 7,05 г у перерахунку на CaCO₃.
Утворення вуглекислого газу: 5,85 г.
Утворення бактеріальної біомаси: 0,20 г летких завислих речовин.
Утворення нітратного азоту: 0,976 г.

На практиці SRAC 452 рекомендує підтримувати лужність на рівні 50–100 мг/л у перерахунку на CaCO₃ або вище й зазначає, що гідрокарбонат натрію в кількості 17–20 % від маси добового корму зазвичай утримує pH і лужність у потрібних межах; карбонат кальцію може розчинятися надто повільно, а їдкі луги не можна вносити безпосередньо в рибницьку ємність. За розчиненого кисню нижче 2 мг/л нітрифікувальні бактерії стають неефективними (SRAC 452), а огляд UNU-FTP рекомендує щонайменше 2 мг/л на виході біофільтра, оскільки низький вміст кисню сприяє гетеротрофним бактеріям.

pH, температура та конкурентні гетеротрофи

pH: SRAC 452 зазначає оптимум 7–8 для бактерій біофільтра та пригнічення нижче pH 6. Посібник FAO рекомендує підтримувати pH 7,0–7,5, оскільки за нижчого pH швидкість падає, а за вищого зростає частка токсичного вільного аміаку. Огляд UNU-FTP наводить оптимуми 7,2–7,8 для Nitrosomonas і 7,2–8,2 для Nitrobacter та застерігає від різких зсувів більш ніж на 0,5–1,0 одиниці.
Температура: нітрифікатори працюють приблизно за 7–35 °C, і їхня швидкість зростає з температурою (огляд UNU-FTP); посібник FAO зазначає 10–35 °C з оптимумом близько 30 °C. В експерименті UNU-FTP охолодження сформованих біофільтрів приблизно з 19 °C до 8,3 °C знизило нітрифікацію.
Органічне навантаження: гетеротрофні бактерії ростуть швидше за нітрифікаторів і за високого органічного навантаження конкурують із ними за простір, тому важлива механічна фільтрація перед біофільтром (огляд UNU-FTP).
Вільний аміак і азотиста кислота у високих концентраціях здатні пригнічувати самих нітрифікаторів (огляд UNU-FTP).

Запуск нового біофільтра

SRAC 452 зазначає, що активація нового біофільтра до здатності впоратися зі звичайним кормовим навантаженням триває щонайменше місяць, і в цей час зариблення та годівлю слід значно скоротити. Попередня активація до зариблення не обов’язкова: фільтр засівають нітрифікувальними бактеріями й два тижні живлять синтетичним середовищем із 10–20 мг/л амонійного азоту, мікроелементами та гідрокарбонатом натрію для утримання pH на рівні 7,5, після чого розчин зливають. Посібник FAO показує типову послідовність під час запуску: пік аміаку, далі пік нітриту, і лише потім накопичення нітрату.

Під час активації головна причина загибелі риби — перегодовування. SRAC 452 описує спочатку різке зростання аміаку; приблизно через два тижні аміак перетворюється на нітрит, і нітрит знижується лише після того, як приживуться нітритокиснювальні бактерії. За перших ознак високого аміаку годівлю слід припинити. Токсичність нітриту можна знизити хлоридом — зазвичай 6–10 частин хлориду на частину нітритного азоту (SRAC 452); посібник FAO повідомляє, що сіль у концентрації близько 0,3 ‰ пригнічує поглинання нітриту. Біофільтру, знищеному хімічною обробкою або надто енергійним чищенням, потрібно близько 3–4 тижнів на повторну активацію.