Гетеротрофная и автотрофная нитрификация

В микробной системе фильтрации, корма с низким содержанием белка изначально стимулируют развитие гетеротрофных бактерий ( Brian Boudreau, Magnolia Shrimp, LLC).
В микробной системе фильтрации, корма с низким содержанием белка изначально стимулируют развитие гетеротрофных бактерий ( Brian Boudreau, Magnolia Shrimp, LLC).

В системах культивирования не весь органический углерод, находящийся в составе кормов, легкодоступен для гетеротрофных бактерий. Субъекты аквакультуры должны контролировать вид углерода, отношение углерода к азоту в составе кормов, удаление твёрдых частиц, а также утилизацию органического углерода. Это позволит управлять путями удаления низкомолекулярных азотсодержащих соединений из воды.

В современных системах аквакультивирования, аммоний образуется в результате метаболизма. Данное азотсодержащее соединение является вторым лимитирующим фактором увеличения продуктивности хозяйства после концентрации растворенного кислорода. Традиционно, нитрификация проходит тремя путями:

1) Поглощение фотоавтотрофными водорослями;
2) Автотрофное бактериальное преобразование аммония в нитраты;
3) Гетеротрофное бактериальное преобразование аммония непосредственно в микробную биомассу (более новый метод);

При выращивании гидробионтов в прудах используется фотоавтотрофное преобразование неорганического азота с помощью водорослей. При этом источником углерода является углекислый газ. В условиях интенсивного выращивания в замкнутой системе водоснабжения непременно устанавливаются объемные биореакторы. Они включают большую массу автотрофных бактерий, окисляющих аммония до нитратов с использованием неорганического углерода. В этих системах, накопление органического углерода, необходимого для гетеротрофных бактерий, намеренно сведено к минимуму путем замены воды и быстрого удаления твердых веществ.

С другой стороны, накопление неорганических азотсодержащих соединений в микробных системах может контролироваться путем манипуляций с соотношением углерод/азот (C:N). Это обеспечит развитие гетеротрофных бактерий. Данные микроорганизмы используют углерод органических веществ и усваивают аммоний непосредственно из толщи воды, приводя к образованию клеточного белка. В свою очередь, белок послужит дополнительным источником питания для креветок и других морских видов.

Роль углерода органических и неорганических соединений

Существует много путаницы в вопросе о роли углерода в выборе путей нитрификации. Эти пути, в некоторой степени, определяются разновидностью доступного углерода: неорганический углерод (в составе щелочных карбонатов или углекислого газа) или органический (несъеденная еда, фекалии или различные углеводы). Система, в составе которой стремительно исчезает твердый субстрат с органическими формами углерода, будет в основном автотрофной. В качестве источника углерода в ней продолжится использование неорганического углерода в щелочных условиях.

В микробиологической системе остатки твёрдых веществ, а также весь углерод и азот из кормов и фекалий, располагают к развитию гетеротрофных бактерий. В этом случае, обычно количества углерода в составе органических соединений оказывается недостаточно для утилизации всего аммония, поэтому наблюдаются незначительные автотрофные преобразования с использованием углерода в условиях защелачивания. С другой стороны, если необходимое количество органического углерода поступает посредством, например, углеводов, то с помощью гетеротрофных бактерий азот полностью метаболизируется в бактериальную биомассу.

Два озвученных этапа утилизации аммония отличаются по типу используемого субстрата, форме образующейся бактериальной биомассы и составу производимых побочных продуктов.

Автотрофные системы

В щелочных условиях протекания автотрофной нитрификации, бактерии используют неорганический углерод для клеточного роста. Сначала они преобразуют аммоний в нитрит, а затем в нитрат. Автотрофные бактерии развиваются крайне медленно и генерируют небольшое количество взвешенных твердых веществ, примерно 10 г на килограмм корма, содержащего 35% белка.

Для утилизации 1 кг корма автотрофные микроорганизмы расходуют почти 355 г щёлочи, в качестве которой выступает карбонат кальция. При этом лишь 6 % расходуется на прирост биомассы. Оставшаяся доля углерода высвобождается в виде углекислого газа. Для оптимального течения автотрофных процессов, отношение углерод/азот (C:N) может быть вычислено стехиометрически, и составит 1,69 г неорганического углерода к 1 г азота. В то время как для микробной гетеротрофной биомассы, это отношение составляет 4,28 г органического углерода к 1 г азота.

Микробные гетеротрофные системы

При рассмотрении системы на основе гетеротрофных микроорганизмов отмечается присутствие в водоеме большого количества твердых осаждаемых частиц, когда весь органический углерод и азот в составе корма и фекалий доступен для процессов гетеротрофной утилизации. Поскольку атмосфера более благоприятна для гетеротрофных бактерий, можно предположить, что они первыми начнут метаболизировать доступную долю азота с использованием легкодоступного, неустойчивого углерода из несъеденного корма и фекалий. Оставшийся азот затем будет усваиваться автотрофными бактериями, которые используют неорганический углерод.

К сожалению, очень сложно точно оценить количество органического углерода в составе разлагающегося корма и фекалий. Это связано с различиями состава кормов, особенностей их усвоения, вымывания питательных веществ из кормов и множества других факторов. Таким образом, для оценки биохимического потребления кислорода (BOD) на килограмм корма и продукции взвешенных твердых веществ на килограмм кислорода использовались приближённые данные. Позднее, для оценки накопления углерода и азота в составе микробной биомассы использовались стехиометрические методы. Оставшийся и не подвергшийся метаболизму аммоний преобразовывается в нитраты автотрофным путем.

Две формы углерода в составе килограмма корма с 35% белка потребляются следующим образом: 109,0 г органического углерода метаболизируется гетеротрофными бактериями и 15,4 г неорганического углерода — автотрофными бактериями. Соотношение углерод / азот на основе лабильного органического углерода составляет 2,16. В пересчете на общий углерод – 8 к 10. Хотя точная ценность зависит от доли белка: при 35% белка в кормах 35,6% азота удаляется гетеротрофных путём и 64,4 % — автотрофным.

Количество азота, которое может ассимилироваться гетеротрофными бактериями по сравнению с автотрофными бактериями, является функцией с двумя переменными — количества органического углерода и азота в корме (рис.1). Несмотря на низкое содержание белка, корма содержат достаточное количество неустойчивого органического углерода, что позволяет полностью усвоить азот.

Рисунок 1. Удаление гетеротрофными бактериями азота в составе аммония в зависимости от содержания белка в корме.
Рисунок 1. Удаление гетеротрофными бактериями азота в составе аммония в зависимости от содержания белка в корме.

Это объясняет успех микробных систем, используемых в производстве креветок, где для стимулирования развития гетеротрофных бактерий изначально используется корм с низким содержанием белка. Стоит отметить, что по сравнению с чистыми автотрофными системами, значительное количество бактериальной биомассы было создано с помощью гетеротрофных бактерий – 150,5 г взвешенных твердых веществ / кг корма при 35% белка.

Нельзя не упомянуть систему с нулевым обменом, когда углерод специально вносится для удовлетворения запросов гетеротрофных бактерий в органическом углероде. При доступных 109 г органического углерода в килограмме корма с 35% белка гетеротрофным организмам требуется 306 г углерода. Недостающие 197 г должны вносится, например, добавлением 492 г углеводов или 49 % от первой порции корма.

В результате этих манипуляций все 306 г углерода в составе органических соединений пойдут на гетеротрофную ассимиляцию 50,4 г азота. Это даёт отношение углерод / азот – 6,07. На рисунок 2 графически показано в процентном отношении к кормам дополнительное количество углеводов, необходимое для завершения полного гетеротрофного метаболизма аммиачного азота.

Рисунок 2. Внесение углеводов в процентных долях от корма для осуществления полного гетеротрофного метаболизма и ассимиляции аммония в бактериальную биомассу.
Рисунок 2. Внесение углеводов в процентных долях от корма для осуществления полного гетеротрофного метаболизма и ассимиляции аммония в бактериальную биомассу.

И наконец, стоит подчеркнуть, что чистая гетеротрофная система генерирует приблизительно 406 г взвешенных твердых веществ на 1 кг корма, содержащего 35 % белка, что в 40 раз превосходит автотрофную систему. Данная микробная биомасса должна использоваться в качестве дополнительного источника питания, либо должна немедленно удаляться из системы культивирования.

Выводы
С позиции используемого субстрата, особенностей развития бактериальной биомассы и производства субпродуктов два представленных способа удаления азота различны. Используя стехиометрические методы для автотрофных и гетеротрофных бактерий, стало возможно смоделировать два механизма удаления азота в составе аммиака/аммония. Как правило, они оба встречаются в микробных системах. Сложность заключается в том, что автотрофная и гетеротрофная пути могут быть активны в равной степени, в зависимости от доступности неорганического и органического углерода.

Результаты исследований показывают, что не весь органический углерод в кормах сразу доступен для гетеротрофных бактерий. Например, только 109 г на 1 килограмм неустойчивого органического углерода содержится в пище, содержащей 35 % белка, в то время как данные технического анализа свидетельствуют о наличии 350-400 г углерода в 1 килограмме корма. Способность контролировать вид углерода и баланс углерода к азоту в составе кормов, а также удаление твёрдых веществ и ассимиляцию органического углерода позволяет сегментам аквакультуры решать, какие пути будут доминировать в их системах.
——
Aquaculture Systems Technologies, LLC
Доктор Майкл Б. Тиммонс. Департамент биологической и инженерной экологии

Здесь находится скрытый текст. Для его просмотра необходимо зарегистрироваться.

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *