Fisk lever i direkte og konstant kontakt med miljøet sitt, vannet. Siden alt som går inn i fisken (fôret), også går ut av fisken (avføring), må vannet renses eller skiftes for å holde fisken frisk og glad. Dette er av stor betydning for resirkulerende akvakultursystemer (RAS), hvor man ønsker å holde mengden vann som skiftes ut så «lavt som mulig», enten på grunn av begrenset tilgjengelighet, eller for å forbedre driftsmessig bærekraft.
"Så lavt som mulig" bestemmes av ulike faktorer, for eksempel følsomheten til de aktuelle fiskeartene, eller effektiviteten av vannbehandlingstrinnene for å redusere eller fjerne giftige metabolitter, som for eksempel forskjellige typer bittesmå organismer av mikroskopisk størrelse som befinner seg i vannet.
Nitrifikasjon og denitrifikasjon – hva er forskjellen?
Det nitrifiserende biofilteret kan beskrives som hjertet i ethvert RAS: I dette kammeret omdanner mikrober giftig ammoniakk til relativt ufarlig nitrat, en prosess som kalles nitrifikasjon. I AKVA group sin «Zero Water Concept» (ZWC) prosess finnes det også et annet sett med mikrober. Og dette er i det denitrifiserende biofilteret. Disse fjerner det genererte nitratet ved å omdanne det til ikke-giftig nitrogengass (N2). Denne prosessen kalles denitrifisering. Mikrobene som benyttes til denitrifisering er forskjellig fra de man bruker til nitrifisering, i tillegg stiller de andre krav til at prosessene skal gå sin gang.
Nitrifikasjon krever oksygen, mens denitrifikasjon krever mangel på oksygen og tilstedeværelse av nitrat. Nitrifiserende bakterier vokser sakte og krever ingen karbonkilde bortsett fra CO2, derfor kalles de autotrofer. Derimot er denitrifiserende bakterier raskt voksende heterotrofer som trenger organisk karbon for å drive vekst.
Kombinasjonen av nitrifikasjon og denitrifikasjon omtales som biologisk nitrogenfjerning. Dette prinsippet har allerede vært brukt i flere tiår i avløpsindustrien, og ulike kombinasjoner av de mikrobielle omdannelsene har ført til en rekke strategier og prosesskombinasjoner innenfor feltet.
Prosesskontroll av biofilteret i RAS
I et enkelt oppsett er det tilstrekkelig å overvåke nitrifiseringsprosessen ved å måle konsentrasjonen av ammoniakk som går inn og nitrat som går ut av biofilteret. Også for denitrifikasjon, hvor nitrat fjernes og slippes ut i atmosfæren, kan prosessen overvåkes ved å måle reduksjon av nitrat over filteret. Det er greit å måle enkeltparametere ved fjerning av nitrogen.
Vannet i RAS består imidlertid ikke kun av nitrogenholdige stoffer og mikrobene knyttet til omsetningen av disse forbindelsene. Det er et mylder av andre forbindelser til stede i vannet, og følgelig vil mikrobiotaen også formes av disse forbindelsene. "Alt er overalt, men miljøet velger", ble uttalt av den nederlandske mikrobiologen Baas Becking tilbake i 1934, og er fortsatt gjeldende i dag.
Det er velkjent at et RAS-anlegg er utfordrende å betjene på grunn av at det er flere tekniske og biologiske prosesser som skjer samtidig. Alle disse prosessene må fungere sammen for å oppnå den vannkvaliteten som gir et ideelt miljø for at fisken skal vokse. Selv å endre en enkelt parameter litt, kan påvirke andre parametere mye. Eksempelvis, ved å heve pH i vannet kan ammoniakk bli mer giftig, mens H2S blir mindre giftig for fisken.
Derfor etterspørres det nå høyere presisjon for å sikre full kontroll på vannkvalitetsparametrene i RAS-anlegget. I denne sammenhengen har presisjonsfôring allerede fått oppmerksomhet, ettersom fôr er det som påvirker vannkvaliteten i RAS- anlegget mest. Dette er fordi fôret bidrar med organisk karbon til vannet, som igjen vil fremme veksten av heterotrofe bakterier som kan utkonkurrere de saktevoksende autotrofene, som nitrifiserende bakterier. Både når det kommer til plass og forbruk av oksygen. Hvis det er for mye organisk materiale til stede, kan det føre til at mikrober bruker en annen prosess kalt DNRA for å bryte ned nitrat, og da vil ammoniakk bli produsert i stedet for nitrogen.
Datadrevet fremtid
Gitt utfordringene skissert ovenfor som økt heterotrof vekst på grunn av organisk belastning, er det på tide med et større fokus på biofiltre i et RAS. I dette arbeidet jobber AKVA group for tiden med et forbedret design av biofilteret for å forenkle prøvetaking av vannet og biofilmen. Jo mer vi vet, jo bedre kan vi kontrollere og modifisere det som skjer inne i biofilteret.
For eksempel viste en fersk studie utført på forskjellige RAS-anlegg, at andelen nitrifiserende bakterier i biofiltre kun utgjorde opptil 12 prosent av mikrobene som ble funnet på biofilmbæreren. Hvilken funksjon har de resterende 88 prosent? Hvordan påvirker det mikrobielle samfunnet de forskjellig vannkvalitetsparametrene, og hvordan påvirkes de selv av vannkvalitetsparameteren? Kan det mikrobielle samfunnet aktivt formes for å kontrollere vannkvaliteten? Hvis ja, hva bør strategien være for å forme mikrobiomet? Kan vi "tiltrekke" nyttige bakterier for å fylle ut 88 prosent av det mikrobielle samfunnet?
For å svare på disse spørsmålene må vi innlemme data fra mikrobiom, vannkvalitet, biofilterdriftspraksis og den resulterende fiskeytelsen i en helhetlig tilnærming. Å holde vannkvaliteten høy i et RAS krever mer enn en enkel overvåking av en enkelt parameter for å sikre funksjonalitet. De siste 20 årene har det vært store fremskritt innen kunnskap og teknikker for å måle kjemi, mikrobiologi og integrere data. Derfor er det viktig å bruke disse metodene og dataene som er samlet inn, for å forbedre effektiviteten av biofiltre og det mikrobielle miljøet i RAS.
Foreløpig er de eneste kommersielt tilgjengelige vannkvalitets-overvåkingssystemene for RAS avhengige av kjemiske vannkvalitetsparametere, og vurderer ikke den mikrobielle vannkvaliteten på noen måte. Siden mikrober driver selve vannbehandlingen, må deres dynamikk og interaksjoner forstås og inkluderes i morgendagens vannkvalitetsmodell. I denne sammenhengen forbedrer og optimaliserer AKVA group nå protokollene som omhandler vasking av biofiltrene for å kontrollere aktivitetstap og unngå problemer med bismak. Optimalisering av et biofilter inkluderer design, så vel som drift.
Ved å aktivt kontrollere og forme det mikrobielle fellesskapet, kan det nitrifiserende biofilteret bli mye mer enn bare en komponent for å fjerne giftig ammoniakk og partikler fra vannet. Ikke bare hjertet, men kanskje til og med hjernen til et RAS.
Om forfatteren:
Dr. Ingrid Henry
Bioteknologi spesialist
RAS R&D i AKVA group