[Smart Farmers] Neue Technologie hilft Mikroorganismen, sich im Wasser anzusiedeln

China ist das weltweit größte Land mit Aquakultur und hat wichtige Beiträge zur globalen Nahrungsmittelsicherheit und Nahrungsmittelversorgung geleistet. Die traditionelle Meeresaquakultur meines Landes basiert hauptsächlich auf der küstennahen Aquakultur. Da sich der Lebensstandard der Menschen weiter verbessert, steigt auch die Nachfrage meines Landes nach Wasserprodukten weiter an. Auch die Aquakulturindustrie hat sich von der ertragsschwachen Besatzfischerei in Küstennähe zu einer hochdichten, intensiven Kreislaufaquakultur verlagert. In hochdichten, intensiven Kreislaufaquakultursystemen werden Köder- und Kotreste leicht in lösliche anorganische Schadstoffe wie Ammoniakstickstoff und Nitritstickstoff umgewandelt, die im Aquakulturwasser vorhanden sind und schwerwiegende negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Vermehrung von Aquakulturprodukten haben. Daher ist es für Kreislaufaquakultursysteme von entscheidender Bedeutung, eine effiziente Abwasserbehandlungstechnologie einzusetzen, um überschüssige stickstoffhaltige anorganische Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen.

Die derzeit in der Abwasserbehandlung von Aquakulturen eingesetzten Verfahren lassen sich im Wesentlichen in drei Typen unterteilen: physikalische Methode, chemische Methode und biologische Methode. Physikalische Methoden eignen sich zur Behandlung partikulärer Schadstoffe im Wasser, sind jedoch weniger wirksam bei der Entfernung löslicher Schadstoffe im Wasser. Mit chemischen Methoden können lösliche Schadstoffe aus dem Wasser entfernt werden, allerdings ist dafür die Zugabe chemischer Reagenzien in Echtzeit erforderlich, was nicht nur die Betriebskosten erhöht, sondern auch die Einführung von Fremdstoffen mit sich bringt.

Aus diesem Grund werden biologische Verfahren mit mikrobiellem Abbau aufgrund ihrer guten Entfernungswirkung und niedrigen Betriebskosten häufig bei der Abwasserbehandlung in der Aquakultur eingesetzt. Bei der biologischen Abwasserbehandlung werden die Schadstoffe hauptsächlich von Mikroorganismen entfernt. Daher haben Anzahl, Aktivität und Populationstyp der Mikroorganismen einen direkten Einfluss auf die Entfernungswirkung des Prozesses.

Die traditionelle Methode besteht darin, die Anzahl der funktionellen Mikroorganismen im System durch Zugabe freier Bakterien in das Abwasserbehandlungssystem zu erhöhen, um die Wirkung der Abwasserbehandlung zu verbessern. Allerdings weisen die auf diese Weise eingeimpften Mikroorganismen eine geringe Resistenz gegenüber ungünstigen Umgebungen auf und gehen leicht mit dem Gewässer verloren. Daher wird häufig nicht die optimale Behandlungswirkung erzielt. Daher hat die mikrobielle Immobilisierungstechnologie, bei der immobilisierte Materialien verwendet werden, um Anheftungsträger für funktionelle Mikroorganismen bereitzustellen und so eine hohe Populationsdichte und biologische Aktivität der Mikroorganismen aufrechtzuerhalten, zunehmende Aufmerksamkeit erhalten und wird in biologischen Abwasserbehandlungsprozessen häufig eingesetzt (Shi Guanghui et al., 2015).

Bei der mikrobiellen Einkapselung und Immobilisierung handelt es sich um einen Prozess, bei dem hochmolekulare Gelpolymermaterialien mit hoher Porosität verwendet werden, um Mikroorganismen zur Fixierung in den Poren zu adsorbieren und festzuhalten. Die Kapselperlen zeichnen sich durch eine hohe mechanische Festigkeit und hohe Stoßfestigkeit aus und lassen Mikroorganismen nicht so leicht abfallen, was im Bereich der Wasseraufbereitung einzigartige Vorteile mit sich bringt. Da das ausgewählte Material ein Träger für die Anheftung und das Wachstum von Mikroorganismen ist, wirken sich seine physikalischen und chemischen Eigenschaften direkt auf die Stoffaustauschleistung und die mikrobielle Aktivität des Systems aus. Das zur Immobilisierung verwendete Trägermaterial muss über ausreichend Poren verfügen, um den Zufluss von Substraten und den Abfluss von Produkten nach der Entfernung durch Mikroorganismen zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es notwendig, den Verlust immobilisierter Mikroorganismen zu begrenzen und die Aktivität der Mikroorganismen möglichst wenig zu beeinträchtigen. Darüber hinaus müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, beispielsweise die Schwierigkeit des Immobilisierungsvorgangs, die Trägerstabilität, die Wiederverwendbarkeit und die wirtschaftlichen Kosten. Daher ist die Suche nach einem geeigneten und wirksamen Träger einer der Schlüsselfaktoren, die die Entfernungsleistung des Systems beeinflussen.

Derzeit können Träger in zwei Kategorien unterteilt werden: anorganische Träger und organische Träger.

Anorganische Träger umfassen hauptsächlich Keramik, Zeolith, Quarzsand, Sand, Aktivkohle, Schaummetall, anorganisches Glas usw. Anorganische Träger haben eine hohe mechanische Festigkeit, eine gute Stofftransportleistung, stabile chemische Eigenschaften und sind relativ billige Materialien, aber ihre Zellbindungsfähigkeit ist schlecht, was leicht zum Ablösen und Verlust von Mikroorganismen führen kann.

Organische Träger können in natürliche organische Träger, einschließlich Agar, Alginat, Chitosan, Reishülsen und andere Träger, und synthetische organische Träger, einschließlich Polymermaterialien wie Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylalkohol (PVA), Polyethylenglykol (PEG) usw. unterteilt werden (Zhu Gangli, 2010). Natürliche organische Träger weisen eine gute Stoffübertragungsleistung und einen einfachen Immobilisierungsvorgang auf und sind für Organismen ungiftig. Allerdings weisen sie eine geringe mechanische Festigkeit und Stabilität auf und können leicht zum Verlust von Mikroorganismen führen. Synthetische organische Träger weisen eine hohe mechanische Festigkeit, gute Stabilität und Beständigkeit gegen biologischen Abbau auf, ihre Stofftransportleistung ist jedoch schlecht, der Immobilisierungsprozess ist relativ kompliziert und einige Träger weisen eine geringe Toxizität auf.

Es ist schwierig, mehrere Anforderungen mit nur einem einzigen Träger zu erfüllen. In den letzten Jahren haben Experten und Wissenschaftler die Träger modifiziert und kombiniert sowie die Vernetzungsmethoden verbessert, mit denen sie relativ optimale Ergebnisse erzielt haben. Allerdings ist die Produktionsumgebung vielfältig. In der tatsächlichen Anwendung sollte der Trägertyp oder die Trägerkombination je nach Bedarf geändert werden, um die beste Entfernungsleistung des Systems sicherzustellen.

Mikroorganismen sind die Hauptakteure biologischer Verfahren zur Schadstoffentfernung. Daher sind Art und Eigenschaften der Mikroorganismen auch einer der Schlüsselfaktoren, die die Entfernungsleistung des Systems beeinflussen. Mikroorganismen, die bei der Abwasserbehandlung in Aquakulturen eingesetzt werden, sollten sicher sein, ungiftige und harmlose Produkte erzeugen und Schadstoffe schnell abbauen. Mikroorganismen, die in der Meeresaquakultur verwendet werden, müssen außerdem salztolerant sein. Bei den derzeit üblicherweise verwendeten Mikroorganismen handelt es sich hauptsächlich um photosynthetische Bakterien, die Lichtenergie nutzen, und Stickstoffkreislaufbakterien, die chemische Energie nutzen.

Photosynthetische Bakterien sind eine Art prokaryotischer Mikroorganismen, die Lichtenergie und anorganische Kohlenstoffquellen wie Kohlendioxid nutzen, um organische Stoffe zu synthetisieren und so ihr eigenes Wachstum und ihre Entwicklung in einer anaeroben Umgebung aufrechtzuerhalten. Photosynthetische Bakterien sind sehr umweltverträglich und können anorganischen Stickstoff, Schwefel und andere Schadstoffe im Wasser abbauen. Sie können auch als Futterzusatz für Zuchtfische angebaut werden und haben in der Aquakulturindustrie große Aufmerksamkeit und Forschung erfahren.

Bakterien des Stickstoffkreislaufs sind eine Art prokaryotischer Mikroorganismen, die chemische Energie nutzen und die Fähigkeit besitzen, stickstoffhaltige anorganische Substanzen wie Ammoniakstickstoff, Nitratstickstoff und Nitritstickstoff zu entfernen. Es umfasst hauptsächlich drei Typen: anaerobe Ammoniak oxidierende Bakterien, nitrifizierende Bakterien und denitrifizierende Bakterien. Anaerobe Ammonium oxidierende Bakterien benötigen weder eine Kohlenstoffquelle noch Belüftung, weisen eine gute Entfernungswirkung und niedrige Betriebskosten auf, wachsen jedoch langsam, die Anlaufzeit des Systems ist lang und die Wachstumsbedingungen sind rau. Nitrifizierende Bakterien können Ammoniakstickstoff und Nitritstickstoff aus dem Wasser entfernen, was für die Aquakultur von großer Bedeutung ist. Denitrifizierende Bakterien können Nitratstickstoff aus dem Wasser entfernen und das Endprodukt ist Stickstoffgas. Es kann TN im Wasser reduzieren und nachfolgende Behandlungsverfahren reduzieren. Die traditionelle Denitrifikationstheorie geht davon aus, dass Denitrifikation nur unter anaeroben Bedingungen stattfinden kann. Mit der Entdeckung aerober denitrifizierender Bakterien wurde bewiesen, dass der Denitrifikationsprozess auch in einer aeroben Umgebung stattfinden kann. Auf dieser Grundlage können nitrifizierende und denitrifizierende Bakterien im selben Reaktor angeimpft werden, was nicht nur den Platzbedarf verringert, sondern auch die Betriebskosten senkt. Daher lohnt es sich, weitere Untersuchungen durchzuführen, um durch die Fixierung nitrifizierender und denitrifizierender Bakterien ein zusammengesetztes bakterielles Mittel herzustellen und es anzuwenden, um die Entfernungseffizienz von Aquakulturabwässern zu verbessern (Zhang, 2022).

Mithilfe der Einbettungsimmobilisierungstechnologie lässt sich die mikrobielle Häufigkeit wirksam steigern, die mikrobielle Aktivität erhöhen und die Abwasserqualität verbessern. Zudem ist sie für Nutzorganismen ungiftig und unschädlich. Es bietet enorme Anwendungsmöglichkeiten in der Abwasserbehandlung von Aquakulturen. Aufgrund der Komplexität des Aquakultursystems, der Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaft, der großen Bandbreite an Schadstoffen im Wasser und der volatilen Betriebsumgebung des Systems wird bei der Kapselungsimmobilisierungstechnologie jedoch meist simuliertes Aquakulturabwasser als Forschungsobjekt verwendet und sie wird in realen Umgebungen nicht häufig eingesetzt. Daher kann weitere Forschung in den Bereichen Screening hocheffizienter zusammengesetzter Bakterienstämme, Entwicklung leistungsstarker, kostengünstiger Träger und Optimierung von Fixierungsmethoden durchgeführt werden, um eine breite Anwendung der Kapselungs- und Immobilisierungstechnologie bei der Abwasserbehandlung in der Aquakultur zu erreichen.

Quellen:

[1] Ma Hongjing, 2022. Forschung zur verbesserten Behandlung von Abwässern aus der Meeresaquakultur durch eingekapselte und immobilisierte aerobe denitrifizierende Bakterien[D]. Dalian Ocean Universität.

[2] Shi Guanghui, Liu Qingsong, Zhang Xufeng, et al., 2015. Forschungsfortschritt der Technologie gekapselter immobilisierter Mikroorganismen in der Wasseraufbereitung in der Aquakultur[J]. Wasseraufbereitungstechnologie.

[3] Zhu Gangli, 2010. Studie zu den Einbettungs- und Immobilisierungseigenschaften einer Mischkultur aus anaerober Ammoniumoxidation[D]. Technische Universität Südchina.

[4] Shuai Zhang, Amjad Ali, Junfeng Su, et al., 2022. Leistung und Verstärkungsmechanismus des Redoxmediators zur Nitratentfernung in immobilisierten Bioreaktoren mit vorherrschenden Mikroben[J]. Wasserforschung, 209, 117899.

Autor: Liu Peiwu, Su Xin (Doktoranden am Forschungszentrum für Aquakultur und Gerätetechnik der Dalian Ocean University)

Wissenschaftliche Überprüfung: Liu Ying (Doktorvater an der School of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University), Han Rui (Außerordentlicher Professor und Doktorvater am Aquaculture and Equipment Engineering Research Center, Dalian Ocean University)