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碳 - 氮气平衡会影响氮气去除

詹姆斯米贝辛,博士。 Michael B. Timmons.,Ph.D.

用于氮去除的途径在基板利用,产生的细菌生物量和产生的副产物方面不同

氮
在微生物絮凝剂的生产系统中,低蛋白质饲料最初刺激显着的异养细菌生物量的产生。照片由Brian Boudreau,Magnolia Shrimp,LLC。

在密集的水产养殖系统中,来自饲料代谢的氨 - 氮气积聚通常是下一个限制因子,溶解氧后,用于增加产量水平。在传统系统中除去氨 - 氮的三种途径是通过光途藻类的消耗量,从氨 - 氮与硝酸氮和异养的细菌转化从氨 - 氮直接到微生物生物量,更近期的方法。 

传统上,池塘水产养殖使用了光谱藻类的绿水系统来控制利用二氧化碳作为碳源的无机氮。在密集的再循环生产中,常规使用利用无机碳的自抗细菌依赖于氨 - 氮硝化对硝酸盐 - 氮的大型固定细胞生物反应器。在这些系统中,通过水交换有意最小化杂营细菌所需的有机碳的积累,并通过水交换和快速去除固体。 

相反,可以通过操纵有机碳:氮气(C:N)比以促进异养细菌的生长来控制微生物基生产系统中的无机氮积聚。使用有机碳的异养细菌直接由水柱同化氨 - 氮,产生细胞蛋白,其也可以作为海洋虾和其他物种的补充食物来源。 

有机,无机碳的作用

在作者的经验中,在选择氨去除途径时,有机和无机碳的角色往往存在混淆。途径是通过可用的碳形式确定的一定程度:无机碳(碱度或二氧化碳)或有机碳(未被曝光饲料和粪便物质或补充碳水化合物)。因此,对于迅速除去含有有机碳的所有固体的系统,该系统将主要是自养,利用来自碱度的无机碳作为其碳源。 

对于微生物的系统,固体保留和来自饲料和粪便物质的所有碳和氮可用于异养细菌产生。在这种情况下,由于通常存在有机碳对于细菌来代谢所有可用的氨 - 氮,因此发生一些有限的自养转化,使用来自碱度的无机碳。如果加入足够的补充有机碳 - 例如碳水化合物,例如 - 氮气通过异养细菌转化为细菌生物量。 

对于氮去除的这两个途径在基材利用,产生的细菌生物量和产生的副产物方面非常不同。 

自养系统

对于纯的自养硝化方法,两种形式的硝化细菌利用用于细胞生长的无机碳(碱度),首先将氨氮转化为亚硝酸盐 - 氮,然后将硝酸盐 - 氮,然后将硝酸盐 - 氮转化为硝酸盐 - 氮。这些自养细菌非常缓慢地生长并仅产生少量的挥发性悬浮固体(VSS),约10克/ kg饲料以35%的蛋白质饲料。 

作为碳酸钙/ kg饲料的碳酸钙含量近355克碱度,但实际上仅用于生物质生产的约6%。其余的被释放为二氧化碳。通过自养系统的最佳转化的C:n比可以在每克氮的微生物生物量C:N比与每克氮的微生物生物量C:N比相比,例如每克氮的约1.69克无机碳的比例化。

基于微生物的异养体系

考虑一种基于微生物的系统,其中所有固体保留在生产罐中,并且来自未曝光的饲料和粪便物质的所有有机碳和氮可用于异养细菌产生。由于异养细菌的能量比对自养细菌更有利,因此可以假设异养细菌首先使用来自未曝光饲料和粪便物质的容易获得的可用的不稳定碳来消耗可用的氮。然后,使用无机碳,剩余的氮气将被自肌肤细菌同化。 

然而,由于饲料制剂的宽变化,物种同化,来自饲料颗粒的营养浸出,因此,估计来自未曝光饲料和粪便物质的可用有机碳。因此,作为近似,文献数据用于估计每公斤饲料的生物化学氧需求(BOD)和每千克BOD的VSS的产量分数。然后使用化学计量的关系来估计异养微生物生物量中螯合的有机碳和氮。通过自养细菌将剩余的氮转化为硝酸盐。 

沿着该途径消耗了两种形式的碳:通过35%蛋白质的每千克饲料通过自养细菌和15.4克无机碳的109.0g有机碳。得到的C:N比基于不稳定的有机碳的比例为2.16,并且基于总碳,8至10。虽然确切的值取决于蛋白质含量,对于35% - 蛋白质饲料,35.6%的氮被除去异养途径和自养途径的64.4%。  

与自营养细菌相比,由异养细菌同化的氮的百分比是可用有机碳和饲料中的氮的函数(图1)。在非常低的蛋白质含量下,进料含有足够的不稳定的有机碳以完全同化所有氮气。

氮
图1:用异养或自养过程除去氨氮作为饲料蛋白质含量的函数。

这解释了基于微生物Floc的系统的成功,用于海洋虾生产,其中低蛋白质进料最初用于刺激异养细菌的产生。此外,与纯肌养殖系统相比,杂养细菌的显着量的细菌生物量 - 150.5克与35%蛋白质的饲料产生。 

考虑零交换系统,其中加入碳以弥补可用的有机碳的差异来自1kg 35%蛋白质饲料(109克),杂养细菌的要求约为306克有机碳。剩余的197克有机碳必须用例如492克碳水化合物或49重量%的饲料补偿。 

因此,总共需要306克有机碳来转化杂脚术式50.4克氮气。这产生C:n比为6.07。图。图2以图形方式显示补充碳水化合物要求作为氨 - 氮的完全异养代谢对微生物生物量所需的饲料速率百分比。

氮
图2:补充碳水化合物作为氨 - 氮对微生物生物量的完全异养代谢的饲料速率的百分比。

最后,请注意,纯异质系统以35%的蛋白质产生约406克VSS / kg饲料,超过纯自养系统的40倍以上。这种微生物生物量可以是补充食物来源,或者必须从生产系统中取出。 

外表 

对于氮气去除的两种途径在基材利用方面非常不同,产生的细菌生物量产生和产生的副产物。使用用于自养和异养细菌的化学计量关系,可以模拟通常在微生物基系统中发现的氮去除的两个途径。实际应用中的难度是两者都可以在某种程度上活跃,这取决于无机和有机碳的可用性。 

该模型的结果和实验室研究表明,除非饲料中的所有有机碳均可易于异养细菌。例如,与每kg饲料350-400克碳的近似分析相比,每千克不稳定的有机碳仅含有109克的不稳定有机碳。通过饲料制剂控制碳类型和C:N比的能力,固体除去或添加有机碳,允许水产养殖生产商管理其系统中占主导地位的途径。

(编辑’注意:本文最初发表于2008年7月/ 8月打印版 全球水产养殖倡导者。)


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