آب به عنوان محیط زیست آبزیان، باید دارای شرایط فیزیک و شیمیایی خاصی بـوده کـه بـا نوسان برخی عوامل و فاکتورهای شیمیایی، رشد و ادامه حیات آبزیان را تحت تأثیر قرار داده و حتی منجر به انتخاب گونه ­های خاص در آن محیط می‌­گردد. در این خصوص آب در محیط‌­های پرورشی که دارای تراکم بالاتری نسبت به محیط­‌های طبیعی بوده و هدف از این فعالیت، تولید باکیفیت بالاتر همراه با سودآوری بیشتر است مورد توجه خاصی قرار دارد تا بتواند نیازهای آبزی مورد پرورش را مرتفع سازد.

بحث کیفی سازی آب و توجه به فاکتورهای زیستی و دقت در نگهداری این فاکتورها در حد مطلوب و اپتیمم از موارد مدیریتی است که باید مدنظر پرورش دهندگان قرار گیرد؛ به گونه‌ه­ای که دچار مشکلات بعدی در رابطه با عدم کیفیت آب پرورش نگردد. در این رابطه آمونیوم و آمونیاک از فاکتورهایی هستند که می­توانند با عدم مدیریت صحیح و مناسب در استخرهای پرورشی مشکل‌­ساز شده و عواقب نامطلوبی را ایجاد نمایند. در این مقاله چرخه ازت در آب و چگونگی کنترل و حذف آمونیوم از محیط­‌های پرورشی مورد بررسی قرار گرفته است. ما در هلدینگ نگین‌فید علاوه بر بررسی اثرات ترکیبات نیتروژن‌­دار در آبزی‌پروری، راهکارهای حذف نوین آن را نیز بررسی خواهیم کرد.

عوامل مؤثر در پرورش آبزیان

متغیرهای فیزیکی که شامل میزان اکسیژن محلول، درجه حرارت و … است. متغیرهای شیمیایی که از جمله مهم­‌ترین آن‌ها ترکیبات نیتروژن دار است.

ترکیبات نیتروژنی

در سیستم­های پرورش آبزیان اگر تمام نیازهای اکسیژنی برآورده شود، دومین عامل محدودکننده، رشد تجمع مواد نیتروژنی در آب است. بزرگترین منبع تولید نیتروژن (تا حدود 90%) در سیستمهای پرورش آبزیان، ناشی از غذای ماهی است که در مراحل سوخت و ساز غذای ماهی تولید می­شود. آمونیاک از فاسد شدن مواد آلی به وجود می­آید.

جدول ۱. اشکال عمده­ی نیتروژن در پرورش آبزیان

گاز نیتروژن	N2	گازی بی اثر است و از هوا وارد آب و از آب وارد هوا می­شود.
نیتروژن آلی	Org-N	در اثر فساد مواد آلی نیتروژن­دار آمونیاک تولید می­‌شود.
آمونیاک یونیزه نشده	NH3	برای جانوران آبزی سمی است و در مقادیر بالای pH به حداکثر میزان خود می‌­رسد.
آمونیاک یونیزه شده	NH4	غیرسمی برای جانوران آبزی مگر غلظت­‌های بالا و در مقادیر پایین pH به حداکثر میزان خود می‌­رسد.
آمونیاک کل		مجموع آمونیاک یونیزه شده و یونیزه نشده که توسط باکتری­‌های ازت به نیتریت تبدیل می­‌شوند.
نیتریت	NO2	برای جانوران آبزی بسیار سمی است و به وسیله باکتری­‌های ازت به نیتریت تبدیل می­‌شود.
نیترات	NO3	غیرسمی مگر در غلظت­‌های بالا، گیاهان آبزی از آن بهره می‌­برند.

اندازه‌­گیری ترکیبات نیتروژنی

دقیق­‌ترین روش برای تعیین نیتروژن آمونیاک روش­های شیمی آب است. مشهورترین آن­‌ها روش نسلریزاسیون است. روش‌­های شیمی آب برای تعیین مقادیر نیتریت و نیترات نیز به کار می­‌رود. این روش‌­ها بسیار وقت‌گیر است زیرا تقطیر نمونه­ آب ضروری است. روش دیگر برای اندازه‌­گیری ترکیبات نیتروژنی استفاده از الکترودهای یونی است.

الکترودهای یونی آمونیاک، برای تعیین کل آمونیاک، نیتریت و نیترات مورد استفاده قرار می‌­گیرد که روش نسبتاً گرانی است و ورقه‌­هایشان هر چند وقت یک بار باید تعویض شود. به‌علاوه الکترودهای نیتریت و نیترات به اندازه کافی برای اندازه­گیری آب استخرها حساس نیستند، زیرا در آب استخرها غلظت نیتریت و نیترات پایین است. در مزارع پرورشی کوچک، رقیق­سازی با تعویض آب و پایین آوردن pH می­تواند غلظت آمونیاک را موقتاً پایین بیاورد و تنها راه پایین نگه داشتن غلظت آمونیاک کاهش تعداد ماهیان و میزان تغذیه است.

چرخه­‌ی ازت

در حدود ۷۸ درصد اتمسفر را ازت تشکیل می­دهد که این ازت وارد چرخه پیچیده­ای می­شود که گیاهان و جانوران و عناصر دیگر در آن شرکت دارند. ازت که پس از فسفر مهم­ترین عامل محدود کننده رشد در زیستگاه­های آبی است به فرم­های مختلف شیمیایی در آب وجود دارد.

ازت کل (TN)

شامل تمام فرم­های ازت به صورت آلی و غیر آلی می­شود؛ به استثناء ازت آزاد محلول در آب. برخلاف فسفر تمام فرم­های ازت محلول در آب است.

3-2- ترکیبات ازت غیر آلی

سه گروه اصلی ترکیبات ازت آلی عبارت اند از ازت ،آزاد، نیتریت و نیترات و آمونیاک.

ازت آزاد (N₂): مولکول ازت موجود در هوا، به سادگی قابل حل در آب می باشد. رعد و برق و عمل نیتریفیکاسیون توسط باکتری­ها، این گاز را به ترکیبات اکسیده­ی ازت تبدیل می­کند. از حل شدن اکسید ازت در آب، اسید نیتریک به وجود می­آید که تشکیل­دهنده بخش مهمی از باران اسیدی است؛ بارشی که pH آن کمتر از ۵ می­باشد.

نیتریت و نیترات (NO₂ و NO₃): نیترات فرمی از ازت است که توسط بسیاری از گیاهان، آغازیان و باکتری­ها به عنوان منبع انرژی برای سنتز پروتئین و سایر ترکیبات آلی ازت­دار می­گردد، در حالیکه نیتریت در برخی شرایط سمی است.

آمونیاک (NH₃): فرم احیا شده­ی ازت مولکولی است که توسط باکتری­ها یا فرایندهای صنعتی طی عمل تثبیت ازت حاصل می­شود. همچنین آمونیاک ترکیب زائدی است که توسط بسیاری از موجودات برای دفع ترکیبات اضافی ازت و یون هیدروژن به خارج تولید می شود. آمونیاک در آب محلول بوده و با یون­های H+، یون آمونیوم را تولید می­کند که موجب ایجاد شرایط قلیایی در آب می شود. در حضور اکسیژن آمونیاک به نیتریت تبدیل می­شود.

۳-۳- ترکیبات ازت آلی

سه گروه اصلی ترکیبات ازت آلی عبارت­اند از: اسیدهای آمینه، نوکلئوتیدها و مواد دفعی.

اسیدآمینه، ترکیب آلی دارای گروه آمین است و ساختمان اصلی پروتئین را می­سازد. نوکلئوتیدها شامل ATP و اسیدهای نوکلوئیک است. مواد دفعی در جانوران شامل اوره و اوریک اسید می­باشد. اکثر ترکیبات آلی ازت دار در آب محلول هستند. مولکول­های بزرگ­تر کمتر محلول بوده و به سادگی توسط باکتری­ها شکسته شده و به مولکول­های کوچک­تر تبدیل می­شوند. مولکول­های کوچک ازت دار آلی، منبع مناسب غذایی برای باکتری­ها و آغازیان می­باشند.

3-4- پنج فرایند مهم بیولوژیک که در چرخه ازت در مهم­ترین آب­ها مؤثر است:

 ۱. تثبیت ازت (Nitrogen fixation): تبدیل گاز مولکولی ازت به آمونیوم.

۲. نیتریفیکاسیون (Nitrification): تبدیل آمونیوم به نیتریت و نیترات.

۳. دنیتریفیکاسیون (Denitrification): تبدیل نیترات به گاز ازت.

4. جذب (Assimilation): جذب ازت غیر آلی و تبدیل آن به ترکیبات آلی.

۵. دفع (Excertion) دفع ازت اضافی به صورت يون آمونیوم، اوره یا اوریک اسید.

تصویر1. پنج فرایند مهم بیولوژیک در چرخه ازت

٤- ترکیبات ازت و اثرات آن­ها بر آبزیان

هرچند که آب دریا و آب­های شیرین قلیائی، به اندازه کافی خاصیت بافری دارند و تغییر pH آن­ها دچار نوسان نمی­شود؛ با این وجود در شرایطی که تراکم ماهی زیاد بوده و با تبادل آب به اندازه کافی صورت نمی­گیرد و همچنین در مواقع آلودگی و دمای زیاد، این آب­ها استعداد آن را دارند که مسمومیت ناشی از آمونیاک در آنها بروز کند. آمونیاک مهم­ترین ماده زائد ناشی از سوخت و ساز پروتئین بوده و به طور فعال از طریق بافت پوششی آب­شش بـه داخل آب ریخته می­شود. با افزایش غلظت آمونیاک در آب، دفع آن به وسیله آبزیان تقلیل و میزان آمونیاک در خون و سایر بافت­ها افزایش می­یابد. این امر باعث افزایش pH خون، ممانعت از انجام واکنش­های آنزیمی و اختلال در نفوذپذیری غشای سلول­ها می­شود. همچنین مصرف اکسیژن توسط بافت­ها را افزایش داده، تخریب آب­شش­ها و کاهش کارایی خون در انتقال اکسیژن را به دنبال خواهد داشت.

5- سیستم­های مداربسته پرورش آبزیان

پرورش آبزیان به صورت سنتی به مقدار زیادی آب با کیفیت خوب نیاز دارد که در این رابطه تقریباً در همه جا با محدودیت مواجه هستیم. فراهم نبودن شرایط مناسب در بسیاری از منابع آب جهان باعث تمرکز تلاش­ها بر روی پرورش متراکم آبزیان با استفاده مجدد از آب و سیستم­های مدار بسته گردیده است. آب قبل از گردش مجدد در سیستم به وسیله­ی عملیات متعددی تصفیه می­گردد. در یک سیستم مداربسته­ی معمولی مقدار کمی آب استفاده شده و آب تمیز برای کنترل نیترات و جبران ناشی از تبخیر جایگزین می­شود.

جدول ۲. فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی مورد استفاده برای اصلاح دوباره¬ی آب به منظور گردش مجدد

فیزیکی	شیمیایی	زیستی
آشغال گیری	هوادهی	نیتریفیکاسون (نیترات سازی)
رسوب گیری	تزریق اکسیژن خالص	دنیتریفیکاسیون (نیترات زدایی)
عبور دادن از صافی ماسه­ای	کنترل سختی و قلیائیت
ضدعفونی با نور UV	کنترل PH
کنترل دما	تعویض یون

انواع روش­های حذف مواد نیتروژن­دار

تصفیه زیستی و استفاده از فیلترهای بیولوژیک

اصطلاح تصفیه زیستی در یک مفهوم گسترده به فنون تصفیه که در آن از موجودات زنده ریز جهت حذف یک ماده از محلول مایع استفاده می­شود، اطلاق می­گردد. این تعریف شامل سیستم­هایی نیز می­شود که جلبک و گیاهان سبز را برای تصفیه آب به کار می­برند.

عمل نیترات سازی

اکسید شدن آمونیاک به نیترات است که در آن نیتریت به عنوان یک محصول میانی تولید می­شود. آمونیاک تجزیه نشده و نیتریت حتی در مقادیر پایین برای ماهی سمی است در حالیکه نیترات در غلظت­هایی در حدود ۴۰۰ میلی­گرم در لیتر نسبتاً غیر سمی می­باشد. تبدیل آمونیاک به نیترات یک فرایند هوازی است. اگر شرایط بی­هوازی به وجود آید عمل نیترات­زدایی (دنیتریفیکاسیون) رخ می­دهد و نیترات دوباره به آمونیاک تبدیل می شود. عموماً پذیرفته شده است که تبدیل آمونیاک به نیتریت به وسیله­ی نیتروزوموناس و تبدیل نیتریت به نیترات به وسیله­ی نیتروباکتر انجام می­شود. نیترات سازی یک عمل هوایی دو مرحله­ای است و طی آن ترکیبات میانی تولید می­شود و طی این فرایند اسید تولید می­شود.

NH₄+ 1/5 O₂→ 2H + H₂O + NO₂

اکسید شدن نیترات یک واکنش تک مرحله­ای است.

NO₂ + 0/5 O₂→ NO₃

در طی واکنش­های شیمیایی فوق، انرژی آزاد می شود که به وسیله­ی نیتروزوموناس و نیتروباکتر برای رشد و تولید سلول جدید مورد استفاده قرار می گیرد. عمل تولید انرژی بازدهی کمی دارد و میزان تولید سلول به ازای واحد انرژی ناچیز است. در نتیجه رشد باکتری های نیتریت کننده خیلی کند خواهد بود. این موضوع برای طرح صافی­های زیستی بسیار مطلوب است زیرا با تولید تعداد کمتری سلول، صافی­های زیستی دیرتر مسدود می­شوند و حجم لجن تولید شده کم خواهد شد.

تصویر ۲. نیترات سازی و نیترات زدایی

صافی­های زیستی برای کنترل ترکیبات نیتروژن­دار (آمونیاک و نیتریت) به کار می­رود. در انتها هوادهی به عنوان پشتوانه­ی حیات سیستم آبی به آن اضافه می شود. در فیلترهای بیولوژیک، یک زمینه با سطحی وسیع برای چسبیدن باکتری­های موردنظر و رشد آن­ها تعبیه می شود. در این زمینه­ها، به منظور افزایش سطح محتوا می توان از سنگریزه، شن، پوسته صدف و یا دانه­های پلاستیکی استفاده کرد. از فیلترهای زیستی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می­گیرند؛ می­توان به صافی­های غوطه­ور، قطره­ای، گردان و استوانه­ای اشاره کرد. نکته مهم در استفاده از بیوفیلترها، وجود اکسیژن مورد نیاز است و اگر هوادهی کافی قبل از ورود آب به فیلتر انجام نشود؛ ممکن است باکتری­ها تلف شده و یا کار خود را به نحو مطلوب انجام ندهند. گفته می­شود که میزان اکسیژن در هنگام ورود به فیلتر باید mg/lit 6-5 باشد. ضمناً pH آب نیز باید به سمت قلیائی و کمی بیش از ۷ باشد. البته باکتری­ها می­توانند با تغییرات تدریجی pH سازگار شوند؛ ولی تغییرات سریع ۱-5/0 واحد می­تواند بازدهی تبدیل آمونیوم به نیتریت را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد.

آکواپونیک

ترکیبی از پرورش ماهی (Aquaculture) و پرورش گیاهان (Hydroponic) در سیستم های گردشی است. در این سیستم مواد دفعی ماهی که عمدتاً ترکیبات نیتروژن­دار از قبیل آمونیاک و ترکیبات غیر نیتروژنی از قبیل فسفر می­باشند، به وسیله گیاه جذب شده و از آب حذف می­شوند. در سیستم­های آکواپونیک، آب تانک پرورش ماهی پس از گذشتن از فیلترهای مکانیکی به بستر هیدروپونیک وارد شده و این بستر به عنوان بیوفیلتر محیط مناسبی برای رشد باکتری­ها از جمله نیتروزوموناس و نیتروباکتر ایجاد می نماید که به ترتیب کار تبدیل آمونیاک و نیتریت آب پرورشی ماهی به نیتریت و سپس نیترات را انجام می دهند. مقداری از نیترات صرف تغذیه گیاهان می­شود و آب تصفیه شده در سیستم دوباره وارد تانک پرورشی می شود. سبزی­های برگی ریحان و نعناع و سبزی­های میوه­ای خیار و گوجه فرنگی با توجه به سـازگاری مناسب به سیستم آکواپونیک معرفی شده­اند.

تصویر ۳. شکل ساده سیستم اکواپونیک شامل یک مخزن پرورش ماهی و محیط کشت گیاهان

استفاده از زئولیت

زئولیت ماده­ای معدنی بوده که خاصیت بالایی در تبادل یونی از خود نشان می­دهد. زئولیت به دو شکل طبیعی (کلیتوپتیلولیت) و مصنوعی وجود دارد. برای حذف یون آمونیوم از محیط­های پرورشی از این رزین تبادل یون استفاده می شود. کارایی این مواد در سیستم­های تکثیر و پرورش آبزیان مورد تأیید قرار گرفته بطوریکه مشاهده شده کلیتوپتیلولیت تا ۱۰ برابر وزن خود قادر به جذب آمونیوم از محیط است. لیکن در آب­های شور با توجه به غلظت بالای کلراید (mg/lit ۱۹۰۰۰) به دلیل اینکه به طور مستمر یون­های گرفته شده را از دانه­های رزین جدا می کند؛ چندان مورد مصرف قرار نمی­گیرد. زئولیت­ها ظرفیت تبادل یونی ۵-۲ اکی­والان در گرم را دارند و به طور تئوریک به ازای هـر گرم می­توانند ۷۰-۲۸ میلی­گرم آمونیوم را جذب نمایند. در تایلند، زئولیت را با غذا پخش می­کنند؛ چراکه در محل­هایی که احتمال تشکیل یون آمونیوم و آمونیاک وجود دارد وجود زئولیت می­تواند سبب جذب این مواد شود. البته استفاده از زئولیت به خاطر هزینه بالا و پیچیدگی نوع استفاده و اصلاح آن خیلی رایج نمی­باشد.

استفاده از فرمالین

در برخی مواقع، به منظور حذف آمونیاک از استخرهای پرورش میگو، در جنوب شرق آسیا از فرمالین استفاده می شود. ثابت گردیده که فرمالین در سیستم آزمایشگاهی در استخرها به میزان mg/lit۱۰-۵ می­تواند ۵۰ درصد یا بیشتر، آمونیاک را کاهش دهد. البته فرمالین ماده­ای سمی است و می­تواند سبب مرگ فیتوپلانکتون­ها و وضعیت نامطلوب اکسیژنی شود. در مناطقی مانند تایلند، فرمالین را پس از خشک کردن استخرها، بر روی بستر می­پاشند. در فرآیند واکنش فرمالین با آمونیاک؛ NO₃CH تولید شده که بی­ضرر می­باشد.

استفاده از عصاره یوکا

عصاره گیاه یوکا حاوی ترکیبات گلیکو بوده که می­تواند ضمن ترکیب با آمونیوم واکنش نشان دهد. تحت شرایط آزمایشگاهی mg/lit 1 از عصاره بازاری یوکا، غلظت آمونیاک غیر یونیزه را به mg/lit 2/0 – 1/0 کاهش می­دهد. طبق مطالعات انجام شده در استخرهایی که در فاصله هر ۱۵ متر mg/lit 3/0 یوکا مصرف شده، غلظت آمونیاک کمتر و میگوها دارای رشد بهتر و بقای بالاتری شده اند.