Способ водоподготовки для запуска биофлоковой системы на основе пробиотиков с разными композициями
Аннотация: Исследования проводились для изучения влияния вариаций пробиотических групп на очистку воды и образование флоков в четырех бассейнах объёмом 0,7 м3 каждый. На каждую ёмкость приходилась 1 точка восходящего водовоздушного потока (апвеллинга). Концентрация TAN в контейнерах составляла 7 мг/л в начале опыта. В роли углеродосодержащего сырья для питания бактерий флоков выступала свекловичная патока. Добавление патоки в резервуары с флоками проводилось один раз в первый день опыта из расчета 150 мл/м3. Экспериментальным путем установлено, что все группы пробиотиков показали тенденцию к образованию хлопьев активного ила со свойствами использовать TAN для наращивания собственной бактериальной массы и детоксикации воды, что означает их пригодность для применения в биофлоковых системах на этапе запуска.
Ключевые слова: аквакультура, рыбоводство, биофлок, биофлоковая система, БФТ, активный ил, пробиотические бактерии, водоподготовка.
Summary: Studies have been carried out in four containers with an individual capacity of up to 0,7 m3 to examine the influence of the variations in the probiotic groups studied on water treatment and flocs formation. There has been a point of upwelling for each tank. TAN concentration in the containers was to 7 mg/l at the beginning of the experiences. Molasses was carbonaceous matter to nourish the bacteria flocs. The addition the nutrient to the tanks of BFT was conducted once in the first day of the experience based on 150 ml/m3. By experimental way, it has been determined that all probiotic groups demonstrate a trend towards the flocs of active sludge formation with certain characteristics. The characteristics allow to use TAN for increasing own biological mass and detoxifying water, meaning the suitability for launching biofloc systems.
Keyword: aquaculture, fish farming, biofloc, bioflok system, BFT, activated sludge, probiotic bacteria, water treatment.
Введение
Наравне с установками замкнутого водоснабжения (УЗВ) аквакультурные системы на основе технологии биофлок (BioFloc Technology - BFT) обеспечивают промышленные плотности посадки и интенсивный рост гидробионтов, экономя площади и водные ресурсы, при этом удерживая низкий кормовой коэффициент. Так же BFT-системы формируют резистивность к некоторым болезнетворным агентам, позволяют избежать необходимости применять при организации рыбного хозяйства дорогостоящие системы водоподготовки [1] [3] [5].
Основа биофлоковых систем - правильно сформированные сообщества микроорганизмов, включающие в себя полезных (пробиотических) бактерий, простейших, водорослей, грибов и других протистов, скреплённых бактериальной слизью в виде полимерного межклеточного матрикса и собранных в хлопья активного ила, так называемые «флоки» [2]. Фундаментальной основой для формирования стабильных флоков являются пробиотические бактерии, которые в пресноводных системах чаще всего представлены родами Bacillus [4].
Для того, чтобы флоки осуществляли детоксикацию среды путём переработки TAN (NH4++NH3), нитритов (NO2) и нитратов (NO3) в собственную биомассу, они должны находится в псевдосжиженном состоянии - хлопья активного ила необходимо поддерживать взвешенными в толще воды и не давать им осаждаться на дно рыбоводной ёмкости. Это достигается либо за счёт высоких плотностей посадок рыбы - от 20 кг на кубометр воды - в этом случае рыбы своими перемещениями обеспечивают взвесь флоков в воде, либо за счёт интенсивной аэрации в рыбоводной ёмкости - при пиковых нагрузках подача воздуха возрастает до 1 кубического метра воздуха на кубометр рыбоводной ёмкости в час. При недостаточной аэрации или плохом перемешивании рыбой флоки выпадают на дно рыбоводной ёмкости, образуя бескислородные наносы и сероводородные очаги, в которых происходят процессы аналогичные опрокидыванию консервативного погружного биофильтра. При этом прекращается поглощение азотных веществ микроорганизмами. Одновременно происходят процессы закисания водной среды c падением уровня pH, образования сероводорода (H2S) и метана (CH4). Всё это приводит к гибели гидробионтов [1] [2].
Так же необходимым условием для функционирования флоков как аналога биофильтра, наряду с поддержкой их в псевдосжиженном состоянии, является наличие источника легкоусвояемого органического углерода, так как культуры бактериальных микроорганизмов в основе флоков являются гетеротрофным и по определению получают углерод из органических источников. Традиционно для этого в воду добавляют сахар, крахмал или патоку в соотношении 5-20:1 углерода к азоту (C:N) [3].
Цель создания устойчивого сообщества микроорганизмов во флоках - переработка общего аммонийного азота (total ammonia nitrogen - TAN), в который минерализуется мочевина и детоксикация воды.
В BFT существуют три пути превращения TAN для удаления аммиачного азота:
- фотоавтотрофное поглощение водорослями;
- автотрофное бактериальное превращение аммиака в нитрат;
- гетеротрофное бактериальное превращение аммиачного азота непосредственно в бактериальную биомассу хлопьев активного ила, минуя традиционный для аэробной биофильтрации азотный цикл с преобразованием TAN => нитрит (NO2) => нитрат (NO3). Чем выше скорость переработки, тем менее токсичной будет вода для культивируемых гидробионтов [6].
Цель исследования - определить пригодность пробиотиков с различными композициями для возможности запуска биофлоковой системы.
Материалы и методы исследования
Во время проведения исследований была поставлена задача установить:
- возможность флокообразования пробиотиками с различными композициями;
- скорость переработки TAN биофлоком на основе различных композиций пробиотических микроорганизмов.
Методика водоподготовки для формирования флоков. Эксперимент проводился в 4 емкостях объемом 700 литров каждая. На каждую емкость приходилась одна точка восходящего водовоздушного потока - апвеллинга - в виде керамического аэратора диаметром 5 см для дегазации и перемешивания масс воды. Количество воздуха равнялось 0,7 м3/ч на емкость.
Таблица 1 - Начальные гидрохимические параметры воды,
использованной для старта опытных биофлоков
| Параметр | t° | O2 | TAN | NO2 | NO3 | SS | pH | Ж |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Размерность | °С | % | мг/л | мг/л | мг/л | мл/л | - | ° |
| Показатель | 24±0,3 | 100 | 7±0,1 | 0,01 | 37±0,1 | 0 | 8,2 | 16 |
Температура поддерживалась весь опыт постоянная с изменениями ±0,3°C.
Концентрация TAN в емкостях до 7 мг/л была доведена внесением в бассейны 11 г мочевины перед началом опыта. В роли углеродосодержащего сырья для питания бактерий флоков выступала свекловичная патока с содержанием сахара 48%. Патока в биофлоковые бассейны вносилась из расчета 150 мл/м3 единоразово в первые сутки опыта. На четвертый день опыта показатели TAN выросли до 8±0,1 мг/л. Это связанно с тем, что белок, содержащийся в патоке, был минерализован гетеротрофными бактериями до TAN.
Композиции из пробиотических организмов были подобраны и составлены лабораторией ООО «Биотехагро» (www.biotechagro.ru).
В опыте были использованы препаративные формы на основе следующих штаммов пробиотических микроорганизмов:
1) Lactobacillus paracasei В-2347;
2) Enterococcus faecium В-3491;
3) Bacillus subtilis (Bacillus niger) шт.В-5250;
4) Bacillus subtilis шт.В-5225;
5) Pseudomonas aurefaciens шт.BS(393);
6) Streptococcus termophilus шт.В-3492.
Концентрация КОЕ для каждого представленного штамма была не ниже 1х108/мл.
Таблица 2 - Композиции пробиотиков были основаны на следующих штаммах
| Виды пробиотических микроорганизмов | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Композиция | 1 | Bacillus subtilis | Lactobacillus paracasei | Enterococcus faecium | |
| 2 | Bacillus niger | Lactobacillus paracasei | Enterococcus faecium | ||
| 3 | Lactobacillus paracasei | Streptococcus termophilus | Pseudomonas aureofaciens | ||
| 4 | Bacillus subtilis | Lactobacillus paracasei | Streptococcus termophilus | Pseudomonas aureofaciens | |
Все 4 композиции были представлены в средах, которые представляют собой жидкую суспензию от бежевого до коричневого цвета. В состав суспензий входят живые микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности - метаболиты, вода. После хранения пробиотики выдерживались при комнатной температуре перед внесением в емкости в течение 10 часов. В каждый бассейн было внесено 5 мл/м3 пробиотического препарата.
Проверка гидрохимических показателей проводилась следующими приборами:
- температура - термометр лабораторный ТЛ-2;
- содержание кислорода - оксиметр Hanna HI 9142;
- pH - pH-метр Hanna HI 98107;
- TAN, NO2, NO3, Ж (жесткость) - титровальные тесты и колориметр HACH DR300;
- SS - осаждаемые взвеси, концентрация флоков - седиментационный конус Имхоффа (рис.1).
Рисунок 1 - Седиментация (осаждение) флоков в конусах Имхоффа
Результаты исследования и обсуждение
При водоподготовке для запуска биофлоковой системы посредством пробиотиков с разными композициями все 4 исследуемых пробиотика показали тенденцию к образованию хлопьев активного ила со свойствами использовать TAN для наращивания собственной бактериальной массы и детоксикации воды.
После внесения в емкость с водой бактериям пробиотика необходимо пройти несколько этапов от момента попадания в воду и до перехода на питание азотом из TAN. Ключевыми из них являются:
- активация;
- разрушение (выход) споры;
- поиск субстрата;
- закрепление на субстрате;
- продуцирование полимерного межклеточного матрикса;
- деление;
- образование биопленок;
- перестройка на поглощение углерода в виде патоки и азота в виде TAN из окружающей среды;
- образование колоний, достаточных для функционирования кворума;
- проявление чувства кворума и координация поведения в биопленке.
Наибольшую активность при этом продемонстрировал пробиотик с композицией №4 и видовым составом Bacillus subtilis, Lactobacillus paracasei, Streptococcus termophilus, Pseudomonas aureofaciens. Начало снижения концентрации TAN в бассейнах с ним регистрировалось на 8-й день опыта, а полное поглощение TAN отмечалось уже на 12-й день. Также композиция №4 сконвертировала 8±0,1 мг/л TAN в 13мл/л флокового осадка, используя углерод патоки. Композиция №2 переработала 6,8 мг/л TAN за 12 дней, при этом прирост объема флока составил всего 4 мл/л. Нитриты в течение опыта не были обнаружены.
При ограничении к питании азотом в виде TAN и при достаточном количестве углерода бактерии биофлока могут использовать в виде источника азота NO3, что можно увидеть по снижению его концентрации (табл.3) в конце опыта; композиция №4 показала отсутствие нитратов в бассейне; композиция №2 при этом демонстрирует худший результат в опыте - 13±0,1 мг/л.
Рисунок 2 - Концентрация TAN в бассейнах с разными композициями пробиотика
Таблица 3 - Гидрохимические параметры воды,
использованной для старта опытных биофлоков
| Начальные гидрохимические параметры | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Параметр | t° | O2 | NH4/NH3 | NO2 | NO3 | SS | pH | Ж |
| Размерность | °С | % | мг/л | мг/л | мг/л | мл/л | - | ° |
| Показатель | 24±0,3 | 100 | 7±0,1 | 0,01 | 37±0,1 | 0 | 8,2 | 16 |
| Конечные гидрохимические параметры | ||||||||
| Композиция №1 | 24±0,3 | 98 | 0,4±0,1 | 0±0,1 | 10±0,1 | 7 | 7,8 | 15 |
| Композиция №2 | 24±0,3 | 98 | 1,2±0,1 | 0±0,1 | 13±0,1 | 4 | 7,8 | 16 |
| Композиция №3 | 24±0,3 | 98 | 0,6±0,1 | 0±0,1 | 5±0,1 | 8 | 7,6 | 15 |
| Композиция №4 | 24±0,3 | 98 | 0,0±0,1 | 0±0,1 | 0±0,1 | 13 | 7,5 | 14 |
Заключение
Все 4 пробиотических препарата показали свою при годность для их применения в биофлоковых системах на этапе запуска.
Наиболее эффективной при этом является композиция №4 представленная 4 видами пробиотических микроорганизмов - Bacillus subtilis, Lactobacillus paracasei, Streptococcus termophilus, Pseudomonas aureofaciens. За 12 дней данные микроорганизмы понизили концентрацию TAN в воде с 8±0,1 мг/л до 0 мг/л, образовав при этом 13 мл/л хлопьев активного ила. NO3 в данном бассейне на 12 день так же был на минимальном уровне из всех вариантов опыта - 0±0,1 мг/л.
Композиция №2, в которую не входили Bacillus subtilis и Pseudomonas aureofaciens, демонстрирует низкую скорость поглощения микроорганизмами TAN и флокообразования - на 12 день в воде содержалась концентрация TAN 1,2 мг/л и всего 4 мл/л флоков. Так же в бассейне с композицией №2 были повышены уровни NO3 - 13 мг/л.
Доминирование композиции №4 в опытах по водоподготовке и флокообразованию, по-видимому, связанно с тем, что в ней представлено 4 вида пробиотических бактерий - Bacillus subtilis, Lactobacillus paracasei, Streptococcus termophilus, Pseudomonas aureofaciens - в отличие от 3-х других вариантов пробиотических препаратов, в каждом из которых из которых только по 3 вида. Симбиоз между видами, представленными в композиции №4 позволяет им наиболее полно использовать питательные ресурсы окружающей среды и образовывать стабильные компактные хлопья активного ила. Данная композиция рекомендуется для начального запуска биофлоковой системы.
Библиографический список
1. Bossier P. Biofloc technology application in aquaculture to support sustainable development goals/ Bossier Peter, Ekasari Julie// Microbial Biotechnology published by John Wiley, Sons Ltd and Society for Applied Microbiology, Microbial Biotechnology. - 2017. - T.10. - P. 1012-1013.
2. Castro-Nieto L.M. Biofloc systems: a technological breakthrough in aquaculture/ Castro-Nieto LM., Castro-Barrera T., De Lara-Andrade R., Castro-Mejia J., Castro-Mejia G. // Revista Digital del Departamento El Hombre y su Ambiente. - 2012. - P. 1-5.
3. Crab R. Biofloc technology in aquaculture: Beneficial effects and future challenges/ Crab Roselien, Defoirdt Tom, Bossier Peter, Verstraete Willy.// Aquaculture Volumes. - 2012. - P. 352-356.
4. Daniell N. Exogenous Probiotics on Biofloc based Aquaculture: A Review / Daniell N., Nageswari P. // Current Agriculture Research Journal.- 2017. - V. 5(1). - P. 88 -107.
5. Hargreaves A. Biofloc Production Systems for Aquaculture /Hargreaves A. John. // SRAC Publication No. - April 2013. - P. 45.
6. Emerenciano Mauricio Gustavo Coelho, Martinez-Cordova Luis Rafael, Martinez-Porchas Marcel, Miranda-Baeza Anselmo. Biofloc Technology (BFT): A Tool for Water Quality Management in Aquaculture Submitted. - 2017. - P. 95.