Kineska industrija akvakulture razvija se u pravcu velike gustine i intenziteta, a akumulacija NH4+-N, NO{1}}N i NO{2}}N u vodi akvakulture ozbiljno je uticala na efikasnost cirkulacije vodnih resursa i kvaliteta vodenih proizvoda. Bakterije heterotrofne nitrifikacije-aerobne denitrifikacije (HN-AD) mogu ukloniti dušik iz vode akvakulture u uvjetima visokog otopljenog kisika i ključ su za pročišćavanje kvaliteta vode akvakulture.
Ovaj rad ukratko opisuje klasifikacijski status mikroorganizama s HN-AD funkcijom, izlaže karakteristike mikrobnih zajednica s HN-AD funkcijom, analizira efikasnost ekspanzije HN-AD bakterija u toleranciji soli, razgradnji pesticida i uklanjanju antibiotika, te istražuje učinkovitost regulacije procesa HN-AD na osnovu faktora okoline. Konačno, predviđa se budući smjer razvoja HN-AD tehnologije.
Vođena dvostrukim ciljevima održivog razvoja i "ugljičnog vrha", HN-AD tehnologija se razvija u smjeru veće učinkovitosti, održivosti i niske emisije ugljika, pomažući industriji akvakulture da kontinuirano poboljšava efikasnost recikliranja vode i gustinu akvakulture.
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), a niz mjera dezinfekcije će smanjiti broj denitrifikujuće mikrobne flore u vodi za uzgoj, što će dalje dovesti do akumulacije NH4+-N i NO2--N, što utiče na zdravlje vodenih životinja i efikasnost recirkulacijske akvakulture u fabrici. Stoga je višak dušika ključni tehnički problem koji treba riješiti u recirkulacijskoj akvakulturi u tvorničkim razmjerima. Autor ukratko opisuje trenutni status istraživanja mikrobne flore s funkcijom HN-AD i njezinu primjenu u pročišćavanju složenih otpadnih voda iz akvakulture, kako bi pružio referencu za HN-AD kako bi se akvakultura razvila na visok, intenzivan i održiv način. .
U tradicionalnom modelu uzgoja u ribnjacima, HN-AD bakterije su koncentrisane u Proteobacteria i Actinobacteria na nivou tipa. Daljnjim razvojem modela akvakulture, mikrobne zajednice su postale obilnije, a HN-AD bakterije su postepeno pronađene u Bacteroidetes i Firmicutes. U svakom načinu uzgoja, Proteobakterije su glavni dominantni bakterijski tip, koji igra vodeću ulogu u procesu denitrifikacije, a uglavnom se sastoji od Betaproteobacteria i Gammaproteobacteria. Drugi dominantni tip je Bacteroidetes, koji ima bogatu heterotrofnu floru, može efikasno razgraditi organsku materiju i uglavnom učestvuje u procesu nitrifikacije. U svakom načinu uzgoja, Flavobacteriia je dominantna klasa bakterija Bacteroidetes, koja ima sposobnost denitrifikacije i uklanjanja fosfora, a također je i dominantna klasa bakterija u sistemu za tretman aktivnog mulja. Osim toga, Firmicutes se može oduprijeti ekstremnim okruženjima kroz spore i također može provoditi HN-AD procese.
Proširene funkcije mikrobnih zajednica HN-AD
U liječenju otpadnih voda visoke slanosti, većina sol-tolerantnih hn-ad bakterija dolazi iz okeana, aktiviranog polja mulja i soli, a njihova tolerancija u soli i performanse za denitrifikaciju su različiti. Većina istraživanja u ovom polju trenutno se fokusira na odvajanje sol-tolerantnih HN-ad bakterije. Ključ za poboljšanje efikasnosti denitrifikacije procesa za pročišćavanje vode je u potpunosti istražiti metodu obogaćivanja funkcionalnih HN-ad bakterija pod uslovima soli i postizanje stabilnog HN-ad-a.
U tretmanu otpadnih voda iz akvakulture koje sadrže pesticide, istraživači su sukcesivno otkrili da neke HN-AD bakterije mogu akumulirati i ukloniti fosfor, uglavnom Acinetobacter, Pseudomonas i Enterobacter. U budućnosti se može dalje provjeravati i uzgajati pomoću efikasnih HN-AD bakterija ili u kombinaciji s drugim procesima za poboljšanje brzine uklanjanja organskog fosfora, tako da se može dalje promovirati u tretmanu otpadnih voda iz akvakulture koje sadrže pesticide.
Tretman otpadnih voda akvakulture antibioticima privukao je pažnju istraživača, ali tretman antibioticima je trenutno ograničen na male laboratorijske bioreaktore, kao što su MBBR, SBR, itd., a iako je upotreba HN-AD tehnologije i bioreaktora za uklanjanje rezidualni antibiotici su efikasni, prisustvo antibiotika menja strukturu mikrobne zajednice u sistemu za prečišćavanje vode, a otpornost mikroba je pojačana, što dovodi do povećanja rizika od srodne bolesti riba i ljudi.
Istraživači su otkrili da neke HN-AD bakterije imaju dvostruka svojstva otpornosti na teške metale i denitrifikacije, te pokazuju veliki potencijal u tretiranju otpadnih voda akvakulture koje sadrže teške metale. HN-AD bakterije su podvrgnute dugotrajnom pritisku okoline, a i ćelije i metaboličke funkcije razvile su odgovarajuću toleranciju da se odupru udaru i toksičnosti ovih jona teških metala. Mehanizmi metaboličkih procesa ćelija da se nose sa različitim teškim metalima su različiti. Budući da različite otpadne vode iz akvakulture mogu sadržavati različite vrste i koncentracije teških metala, u stvarnoj primjeni, efikasne HN-AD bakterije treba odabrati prema različitim karakteristikama otpadne vode, a parametre reaktora treba prilagoditi kako bi se poboljšala efikasnost uklanjanja jona teških metala. Osim toga, kako bi se bolje kontrolirao ovaj proces, ključno je istražiti mehanizam migracije i transformacije jona teških metala u otpadnim vodama akvakulture.
Faktori okoline koji reguliraju proces HN-AD
U procesu akvakulture, složeni višestruki procesi obrade vode stvaraju složene uslove vodenog okruženja. Faktori okoline mogu povećati kapacitet denitrifikacije mikroorganizama regulacijom metaboličkog kapaciteta mikrobnih zajednica. Stoga se proces HN-AD može precizno regulisati promjenom DO, izvora ugljika, C/N, temperature i pH kako bi se poboljšala efikasnost denitrifikacije.
Budući razvoj
U budućnosti, daljnja istraživanja o korištenju ove tehnologije za pročišćavanje otpadnih voda iz akvakulture mogu se provoditi u sljedećim aspektima:
(1) Poboljšanje efikasnosti uklanjanja NH4+-N. Otpadne vode akvakulture imaju visok sadržaj NH4+-N. Istraživači mogu dodatno poboljšati efikasnost uklanjanja NH4+-N optimizacijom sastava bakterijske zajednice, prilagođavanjem radnih parametara i poboljšanjem dizajna reaktora.
(2) U kombinaciji sa drugim tehnologijama tretmana. HN-AD tehnologija se može kombinovati sa biofilm reaktorima, veštačkim močvarama i drugim tehnologijama kako bi se formirao efikasniji sistem za tretman otpadnih voda za postizanje boljih efekata prečišćavanja otpadnih voda.
(3) Energetska samodovoljnost. Trenutna HN-AD tehnologija troši mnogo energije u procesu pročišćavanja otpadnih voda. Budući trend razvoja je korištenje novih tehnologija za povrat energije, kao što je korištenje energije generirane reakcijom oksidacije metana za opskrbu procesa denitrifikacije, smanjenje ovisnosti sistema o vanjskoj energiji i poboljšanje održivosti.
(4) Dodatno smanjiti emisije ugljika. Kako važnost smanjenja emisije ugljika postaje sve istaknutija, budući trend razvoja će se fokusirati na smanjenje emisije ugljika HN-AD tehnologije. Ovo se može postići poboljšanjem dizajna sistema, usvajanjem efikasnijeg odvajanja gasa i tehnologija oporavka, ili korišćenjem alternativnih izvora ugljenika, kao što je korišćenje obnovljive energije ili organske materije generisane otpadom za zamenu tradicionalnih izvora organskog ugljenika.
Ukratko, u budućnosti će se HN-AD tehnologija razvijati u smjeru veće učinkovitosti, održivosti i niske emisije ugljika, čime će se promovirati kontinuirani napredak akvakulture prema visokoj gustoći, intenzivnosti i održivosti.