آمونیوم و روش‌های حذف آن در محیط‌های پرورش آبزیان

● مقدمه
آب به‌عنوان محیط زیست آبزیان، باید دارای شرایط فیزکوشیمیائی خاصی بوده که با نوسان برخی عوامل و فاکتورهای شیمیائی، رشد و ادامه حیات آبزیان را تحت تأثیر قرار داده و حتی منجر به انتخاب گونه‌های 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 با کیفیت بالاتر همراه با سودآوری بیشتر است مورد توجه خاصی قرار دارد تا بتواند نیازهای آبزی مورد پرورش را مرتفع سازد.
بحث کیفی‌سازی آب و توجه به فاکتورهای زیستی و دقت در نگهداری این فاکتورها در حد مطلوب و ایتیمم از موارد مدیریتی است که باید مدنظر پرورش‌دهندگان قرار گیرد؛ به‌گونه‌ای که دچار مشکلات بعدی در رابطه با عدم کیفیت آب پرورش نگردد. در این رابطه آمونیوم و آمونیاک از فاکتورهائی هستند که می‌توانند با عدم مدیریت صحیح و مناسب در استخرهای پرورشی مشکل‌ساز شده و عواقب نامطلوبی را ایجاد نمایند. در این مبحث چرخه ازت در آب و چگونگی کنترل و حذف آمونیوم از محیط‌های پرورشی مورد بررسی قرار گرفته است.
● چرخه ازت در آب
منبع اولیه ازت غذائی در سیستم‌های آبی از تثبیت ازت جو (N۲) توسط فرآیندهای بیولوژیک، کلیماتولوژیک و صنعتی می‌باشد. ازت به‌صورت ترکیبات متعددی نظیر اشکال ازی، نیتریت، نیترات، آمونیوم و آمونیاک و ترکیباتی نظیر پروتئین در محیط‌های آبی مشاهده می‌گردد.منبع ابتدائی ترکیبات ازت در محیط‌های آبزی‌پروری از مواد آلی نظیر پلانکتون‌ها، دترتیوس، غذا و غیره می‌باشد. اغلب ازت در مواد آلی به شکل گروه‌های آمینو در پروتئین مشاهده می‌گردد. پروتئین‌ها توسط فعالیت‌های بیولوژیک، دی‌آمینه شده که این فرآیند آمونیفیکاسیون نامیده می‌شود و آمونیاک تولید شده در داخل محیط رها گردیده و یا توسط بافت میکروبی جذب می‌گردد. آمونیاک رها شده به محیط واکنش زیر را به‌وجود می‌آورد:
-NH۳+h۲o >< NH۴OH>< NH+۴+OH
در بیشتر محیط‌ها، شکل غالب ابتدائی NH۴ بوده که ممکن است توسط گیاهان آبزی یا تبدیل شدن به نیترات مورد مصرف قرار گیرد.
نیتریفیکاسیون در دو مرحله صورت می‌پذیرد که ابتدا NH۴ به NO۲ و سپس به NO۳ تبدیل می‌شود. اولین مرحله این فرآیند توسط باکتری‌های اتوتروف از جنس نیتروزوموناس انجام می‌شود. نیتروزوموناس در حضور اکسیژن قادر است آمونیوم را به نیتریت اکسیده نماید:
NH۴+ + ۳/۲O۲ ----> (nitrosomonas) NO۲- + ۲H+ + H۲O
-NO۲- + ۱/۲O۲ ----> (nitrosomonas) NO۳
مرحله دوم نیتریفیکاسیون، اکسید نمودن نیتریت به نیترات است. این واکنش‌ها توسط نیتروباکتر انجام می‌شود. هر دو این مراحل به اکسیژن قابل ملاحظه‌ای نیاز دارند. (Stankewich (۱۹۷۲ مقدار اکسیژن مورد نیاز جهت تبدیل NH۴ به NO۲ را برابر ۳/۴۳ کیلوگرم اکسیژن به‌ازاء هر کیلوگرم NH۴ محاسبه نموده و مقدار اکسیژن مورد نیاز برای تبدیل NO۲ به NO۳ را ۱۴/۱ کیلوگرم اکسیژن به‌ازاء هر کیلوگرم NO۲ به‌دست آورده است. بنابراین برای تبدیل یک کیلوگرم NH۴ به NO۳ احتیاج به ۵۷/۴ کیلوگرم اکسیژن است.
در شرایط بی‌هوازی NO۲ و NO۳ توسط فرآیندی به نام دنیتریفیکاسیون کاهش یافته و اشکال گازی ازت (NH۳-N۲O-N۲) به‌عنوان متابولیک‌های میکروارگانیسم‌های هتروتروف در اتمسفر رها می‌گردند. این واقعه در هیبولیمنیون محیط‌های یوتروف و یا وقتی‌که ترکیبات نیتروژن اکسیده شده به داخل لایه‌های بی‌هوازی لجن منتشر می‌شوند. رخ می‌دهد. ازت اتمسفر تا ۱۲mg/lit در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد قابل انحلال در آب است. سایر اشکال ازت که مقدارشان در استخرهای پرورشی بالا می‌رود عبارتند از: نیتریت، آمونیاک غیر یونیزه (NH۳). نیترات و آمونیاک یونیزه (NH۴). غلظت آمونیاک غیریونیزه و یونیزه در محیط‌های طبیعی و آب‌های غیرآلوده به‌ندرت بالا بوده ولی در استخرها با سیستم‌هائی که برای پرورش متراکم ماهی استفاده می‌شوند نیتروژن غیرآلی عموماً در حد بالائی قرار دارد.
آمونیاک موجود در آب استخرهای پرورشی نتیجه دفع مواد زاید به‌عنوان محصول نهائی، سوخت و ساز پروتئین و همچنین تجزیه مواد آلی نیتروژن‌دار به‌وسیله باکتری‌های هتروتروف می‌باشد. یون آمونیوم برای اکثر آبزیان نسبتاً بی‌ضرر است. در حالی‌که آمونیاک غیر یونیزه به شدت سمی است.
میزان غلظت آمونیوم و آمونیاک در تبادل با یکدیگر بوده و میزان آنها بیشتر بستگی به PH آب دارد (نمودار شماره ۱). افزایش یک واحد PH باعث می‌شود؛ غلظت آمونیاک ۱۰ برابر افزایش یابد. جدول شماره یک فاکتورهائی جهت محاسبه آمونیاک غیریونیزه در دما و PH متفاوت را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود هر چه میزان دما و PH افزایش یابد مقدار آمونیاک بیشتر خواهد شد؛ آمونیاک در PH کمتر از V مشکل چندانی برای مزارع پرورشی ایجاد نمی‌کند؛ در حالی‌که حتی مقادیر کمی از این ماده در PH بالاتر خطرناک خواهد بود.
● ترکیبات ازت و اثرات آنها بر آبزیان
هر چند 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 زاید ناشی از سوخت و ساز پروتئین بوده و به‌طور فعال از طریق بافت پوششی آیشن به داخل آب ریخته می‌شود.
علاوه بر ارتباط میزان آمونیاک تولید شده به طول ماهی و دمای آب (نمودار شماره ۲)، این میزان به مقدار غذای مصرفی نیز بستگی کامل دارد (نمودار شماره ۳). آزاد ماهیان و گربه ماهی کانالی به‌ازاء هر کیلوگرم غذائی که مصرف می‌کنند در حدود ۳۰ گرم آمونیاک تولید و دفع می‌نمایند، ولی عموماً ذکر می‌شود که به‌ازاء هر کیلوگرم غذای پلت خشک، ۵۰-۲۵ گرم آمونیاک تولید می‌شود.
● میزان آمونیاک تولیدی در ماهی‌ قزل‌آلا به‌ازاء میزان تغذیه در ارتباط با دمای آب
با افزایش غلظت آمونیاک در آب، دفع آن به‌وسیله 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 کارآئی خون در انتقال اکسیژن را به دنبال خواهد داشت.
عمدتاً به‌عنوان یک دستورالعمل پیشنهاد می‌شود که در مراکز تکبیر ماهی، غلظت آمونیاک نباید بیش از ۱mg/lit باشد اما بسیاری از پرورش‌دهندگان ماهی ترجیح می‌دهند که غلظت آمونیاک را تا حد ۰۱/۰ mg/lit یا کمتر نگه دارند.
قرار گرفتن ماهی در عرض نیتریت، مشکلات بهداشتی نظیر هیپرتروفی آبشش، هیپرلازی و جدا شدن لاملاهای آبشش همراه با خونریزی و ضایعات نکروزه در تیموس، حساسیت در برابر بیماری‌های عفونی، بیماری مت هموگلوبینی و اثرات منفی بر رشد و رسیدگی جنسی را موجب می‌شود.
به‌طور متداول نیترات به‌عنوان ماده‌ای غیرسمی شناخته می‌شود. مثلاً قرار گرفتن در معرض نیترات سدیم به میزان ۲۰۰mg/lit هیچ تأثیری بر رشد گربه‌ماهی کانالی ندارد و غلظت LC۳۰ آن در طی ۹۶ ساعت برای آزادماهیان و گونه‌های دیگر ۳۰۰۰mg/lit ـ ۱۰۰۰ نیترات است.
● روش‌های پیشگیری و کنترل غلظت آمونیوم
۱) استفاده از کربن فعال
کربن فعال حاصل تولید ذغال‌سنگ، چوب یا استخوان حیوانات و حرارت دادن آنها در ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد خلاء و سپس قرار دادن آنها در معرض یک گاز اکسیدکننده در دمای بالا می‌باشد که حالت مشبکی را ایجاد نموده به‌طوری که مساحت سطح جذب ماده در حدود یک میلیون مترمربع در کیلوگرم برآورد می‌شود.
کربن فعال برای گرفتن مواد آلی فرار، رنگ، بو، تیرگی و موادی همچون آمونیوم کاربرد دارد ولی این صافی‌ها در بارهای کم ‌مواد آلی بسیار مؤثر می‌باشد. بالا بودن غلظت باعث کاهش ظرفیت جذب کربن فعال می‌گردد.
عموما در سیستم‌های آبزی‌پروری دو نوع کربن فعال به‌صورت پودر شده (Powder Active carbon) و دانه‌ای (granular Active carbon) به‌کار برده می‌شود. به‌دلیل گرانی کربن دانه‌ای، GAC فقط در تولید ماهیان زینتی و گرانقیمت به‌کار برده می‌شود. با حرارت دادن کربن فعال در دمای بالا می‌توان برای اکسید کردن مواد آلی، آن را احیاء کرده و مورد مصرف دوباره قرار داد.۲) استفاده از زئولیت
زئولیت ماده‌ای معدنی بوده که خاصیت بالائی 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 می‌شود. کارآئی این مواد در سیستم‌های تکثیر و پرورش آبزیان مورد تأیید قرر گرفته به‌طوری که 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 (۱۹۰۰۰mg/lit) به‌دلیل اینکه به‌طور مستمر یون‌های گرفته شده را از دانه‌های رزین جدا می‌کند؛ چندان مورد مصرف قرار نمی‌گیرد.
زئولیت‌ها ظرفیت تبادل یونی ۵-۲ اکی والان در گرم را دارند و به‌طور تئوریک به‌ازاء هر گرم می‌وانند ۷۰-۲۸ میلی‌گرم آمونیوم را جذب نمایند. مارکینگ و بیل ("Marking & Bills "۱۹۸۲) و جای‌واری ساجا و بوید ("chiayvareesajja & Boyd"۱۹۹۳) متوجه شدند که هر گرم زئولیت می‌تواند در حدود ۹mg آمونیوم را از محلول نمک‌های آمونیوم در آب مقطر جذب نماید.
در جنوب شرق آسیا، زئولیت در استخرهی پرورش میگو به میزان ۲۰۰kg/ha در ماه بر روی سطح استخر استفاده می‌گردد. در تایلند، زئولیت را با غذا پخش می‌کنند چرا که در محل‌هائی 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.
۳) فیلترهای بیولوژیک
مشخص شده که بعد از اکسیژن، آمونیاک در سیستم‌های مدار بسته و فوق متراکم، عامل محدودکننده می‌باشد. عمل نیترات‌سازی (نیتریفیکاسیون)، اکسید شدن آمونیاک به نیترات بوده که اصل عمل فیلترهای بیولوژیک می‌باشد. بیش از ۴۰۰ گونه باکتری تبدیل کننده آمونیاک به نیتریت که مهمترین آنها نیتروزوموناس است شناسائی شده است. مهمترین گونه‌های نیتریت‌کننده Nitrosomonas monocella و N.europea است و مهمترین گونه‌های نیترات‌کننده دو گونه Nitrobacter winogradskyi و N.alile تشخیص داده شده است.
میزان رشد نیتروباکتر بیشتر از نیتروزوموناس است؛ اما مرحله محدودکننده در تبدیل آمونیاک به نیترات، اکسید شدن آن است. به همین دلیل به‌وجود آمدن نیترواکتر در بیوفیلترها بعد از مستقر شدن نیتروزوموناس چند روز به تعویق می‌افتد. (معمولاً ۱۰ روز).
در فیلترهای بیولوژیک، یک زمینه با سطحی وسیع برای چسبیدن باکتری‌های موردنظر و رشد آنها تعبیه می‌شود. در این زمینه‌ها، به‌منظور افزایش سطح محتوای می‌توان 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 به‌نحو مطلوب انجام ندهند. گفته می‌شود که میزان اکسیژن در هنگام ورود به فیلتر باید ۶mg/lit ـ ۵ 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 ۱-۵/۰ واحد می‌تواند؛ بازدهی تبدیل آمونیوم به نیتریت را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد.
۴) هوادهی
برای حذف آمونیاک می‌توان از طریق هوادهی و تبدیل آمونیوم به گاز آمونیاک با دستگاه‌های هواده اقدام کرد. این عمل در PH و دمای بالای کاربرد بیشتری دارد. البته هنوز عمل هوادهی در حذف آمونیوم از محیط‌های پرورشی اثبات نشده است؛ لیکن هوادهی با در اختیار قرار دادن اکسیژن برای اکسیده کردن آمونیاک به نیتریت و نیترات می‌تواند مفید واقع شود. بر طبق آزمایشات بوید (اطلاعات منتشر نشده) سطح هوادهی ۲kw در مدت ۲۴ ساعت و در حجم ۵۰m۳ آب در PH=۸/۵ باعث حذف آمونیاک شده است.
همان‌طور که قبلاً ذکر گردید به‌ازاء تبدیل هر گرم آمونیاک کل به نیترات، ۵۷/۴ گرم DO مصرف می‌شود.
۵) تعویض آب
مؤثرترین و سریعترین روش برای کاهش غلظت آمونیوم در مواقع اضطراری، تعویض آب؛ خصوصاً تخلیهٔ آب از کف استخرها و وارد کردن آب تازهٔ عاری از آمونیوم به استخرها می‌باشد. میزان تعویض آب در این‌خصوص مهم است و با افزایش بیوماس استخر و همچنین میزان مواد آلی موجود در استخر افزایش می‌یابد.
۶) تنظیم تراکم
تنظیم تراکم آبزیان مورد پرورش، با توجه به سیستم و امکانات موجود از مواردی است که در کیفی‌سازی آب می‌تواند؛ بسیار مؤثر و مثمرثمر باشد. تراکم بالای ذخیره‌سازی علاوه بر مصرف زیاد مواد غذائی، سبب افزایش تولید مواد دفعی و در نتیجه تولید آمونیوم می‌گردد. همچنین جلوگیری از ورود موجودات ناخواسته از بروی چنین مشکلاتی جلوگیری خواهد کرد.
۷) کنترل آب ورودی
خاک‌های با بار مواد آلی، همچنین مواد گیاهی و جانوری در حال تجزیه و فاضلاب‌های مناطق مسکونی و صنعتی می‌توانند حاوی بار بالائی از مواد مضر نظیر آمونیاک باشند. احداث مراکز تکثیر و پرورش در مناطق عاری از این مواد می‌تواند در کنترل مشکلات ناشی از آمونیاک مؤثر باشد.
۸) کنترل تراکم فیتوپلانکتونی استخرها
فیتوپلانکتون‌ها با دریافت یون آمونیوم، در تعدیل غلظت آمونیاک آب مؤثر می‌باشد: ولی افزایش تراکم آنها خصوصاً جلبک‌های سبز - آبی و تجزیه آنها پس از مرگ، سبب افزایش غلظت آمونیاک در آب خواهد شد. بنابراین همیشه باید تراکم پلانکتونی را در حد مطلوب بسته به شیوه پرورشی در نظر گرفت که این کار با استفاده از مدیریت صحیح کوددهی، امکان‌پذیر خواهد شد. ضمناً در صورت امکان، کاهش ورودی‌های نیتروژن توسط کوددهی، امکان‌پذیر خواهد شد. ضمناً در صورت امکان، کاهش ورودی‌های نیتروژن توسط کودها را باید مدنظر قرار داد.
۹) کنترل غذادهی در استخرها
غذای مناسب و مقدار کافی آن می‌تواند در رشد آبزیان و بهبود کیفی محیط پرورشی کاملاً مؤثر باشد. توزیع غذای بیش از اندازه به آبزیان با توجه به عدم مصرف آن، می‌تواند یکی از منابع تولید آمونیوم در آب شود. بنابراین در محاسبه میزان غذای مصرفی و دقت در نیازسنجی صحیح درصد پروتئین در جیرهٔ غذائی می‌تواند از بروز مشکل تولید آمونیاک در استخرها جلوگیری نماید.
۱۰) استفاده از فرمالین
در برخی مواقع، به‌منظور حذف آمونیاک از استخرهای پرورش میگو، در جنوب‌شرق آسیا از فرمالین استفاده می‌شود. ثابت گردیده که فرمالین در سیستم آزمایشگاهی در استخرها به میزان ۱۰mg/lit ـ 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، CH۳NO تولید شده که بی‌ضرر می‌باشد.
۱۱) استفاده از عصارهٔ یوکا
عصاره گیاه یوکا حاوی ترکیبات گلیکو بوده که می‌تواند ضمن ترکیب با آمونیوم واکنش نشان دهد. تحت شرایط آزمایشگاهی ۱mg/lit از عصاره بازاری یوکا، غلظت آمونیاک غیریونیزه را به ۲/۰ mg/lit ـ ۱/۰ کاهش می‌دهد. طی مطالعات انجام شده؛ در استخرهائی که در فاصلهٔ هر ۱۵ روی ۳/۰ mg/lit یوکا مصرف شده، غلظت آمونیاک کمتر و میگوها دارای رشد بهتر و بقای بالاتری شده‌اند.
۱۲) بهبود و اصلاح خاک استخرها
رسوبات کف استخرها، حاوی مواد دفعی آبزیان، غذاهای مصرف‌نشده، اجساد آبزیان و پلانکتون‌ها و سایر مواد رسوبی بوده که با توجه به درصد بالای مواد آلی موجود در آن به‌عنوان یکی از منابع مهم آمونیاک در استخرها مطرح می‌باشند. بنابراین در اینگونه استخرها با تخلیه خاک‌های حاوی مواد آلی فراوان، خشک کردن و در معرض نور خورشید و هوا قرار دادن و شخم‌زنی و آهک‌پاشی کف استخر در طول دوره‌ایش می‌توان به بهبود خاک کف و دیواره استخرها کمک نماید.

دکتر بهرام فلاحتکار
عشو هیئت علمی دانشگاه گیلان
A: Ammonification
B: Minveralization
C: Nitrate reduction
E:Immobilization
F: Denitrification
G:N۲ Fixation
منابع:
- Boyd,C.E, and Tucker, C.S.۱۹۹۸. Pond aquaculture water quality management. Kluwer Academic Publishers. ۷۰۰p
- Chiayvareesajja, S. and Boyd, C.E.۱۹۹۳. Effects of Zeolite, formalin, bacterial augmentation, and areation on total amonia nitrogen concentration. Aquaculture ۱۱۶, ۳۳-۴۵
- Lio, P.B. and Mayo, R.D. ۱۹۷۲. Salmonid hatchery water reuse system. Aquaculture ۱(۱). ۳۱۷-۳۳۵
- Marking, L.L. and Bills, T.D.۱۹۸۲ Factors affecting the efficiency of clinoptilolite for removing ammonia from water. Progressive fish-culture.۴۴, ۱۸۷-۱۸۹
- Shepherd, C.J. and Bromage, N.R.۱۹۹۰, Intensive fish farming. Blackwell science inc.
- Stankewich, M.J.Jr. ۱۹۷۲. Biological nitrification with the high purity oxygen process paper. Presented at the ۲۷th annual meeting of the Purdue industrial waste conference, May ۲.۴, purdue university, west Lafayette, Ind
- Wheaton, F.W.۱۹۷۷. Aquacultural engineeing. John Wiley & Sons, New York. ۷۰۸ P.
- لاوسون، تی. بی. ۱۹۹۴. اصول مهندسی آبزیان، ترجمه: م. جعفری باری. انتشارات شرکت سهامی شیلات ایران، معاونت تکثیر و پرورش آبزیان. ۵۰۳ ص.

منبع : نشریه آموزشهای علمی کاربردی