El balance de carbono y nitrógeno afecta la eliminación de nitrógeno

Las vías de eliminación de nitrógeno difieren en el uso del sustrato, la biomasa bacteriana generada y los subproductos producidos.

En los sistemas de producción basados ​​en flóculos microbianos, los alimentos bajos en proteínas estimulan inicialmente la producción de biomasa por parte de bacterias heterótrofas importantes. Fotos: Brian Boudreau, Magnolia Shrimp, LLC.

En los sistemas de acuicultura intensiva, la acumulación de amoníaco y nitrógeno del metabolismo de los alimentos suele ser el siguiente factor limitante después del oxígeno disuelto para aumentar los niveles de producción. Las tres formas de eliminar el nitrógeno amoniacal en los sistemas tradicionales son el consumo de algas fotoautótrofas, la conversión bacteriana autótrofa de nitrógeno amoniacal a nitrógeno nitrato y la conversión bacteriana heterótrofa de nitrógeno amoniacal directamente a biomasa microbiana, un método más nuevo.

Tradicionalmente, la acuicultura en estanques utilizaba sistemas de agua verde fotoautótrofos basados ​​en algas para controlar el nitrógeno inorgánico, utilizando dióxido de carbono como dióxido de carbono. La producción de recirculación intensiva generalmente usa grandes biorreactores de celda fija basados ​​en la nitrificación de amoníaco-nitrógeno a nitrato-nitrógeno usando bacterias autótrofas que usan carbono inorgánico. En estos sistemas, la acumulación de carbono orgánico necesaria para las bacterias heterótrofas se minimiza intencionalmente mediante el intercambio de agua y la rápida eliminación de sólidos.

Por el contrario, la acumulación de nitrógeno inorgánico en los sistemas de producción microbiana se puede controlar manipulando la relación carbono orgánico: nitrógeno (C: N) para promover el crecimiento de bacterias heterótrofas. Las bacterias heterótrofas que utilizan carbono orgánico absorben nitrógeno amoniacal directamente de la columna de agua, produciendo proteínas celulares que también pueden servir como una fuente de alimento adicional para los pastos marinos y otras especies.

Funciones del carbono orgánico e inorgánico

Según la experiencia de los autores, a menudo existe confusión sobre las funciones del carbono orgánico e inorgánico en la elección de las vías de eliminación del amoníaco. Las pistas se definen en cierta medida por la cantidad de carbono presente: carbono inorgánico (alcalinidad o dióxido de carbono) o carbono orgánico (piensos y heces no comestibles o carbohidratos adicionales). Por tanto, en un sistema en el que todos los sólidos que contienen carbono orgánico se eliminan rápidamente, el sistema sería predominantemente autótrofo, utilizando carbono inorgánico de álcali como fuente de carbono.

Para el sistema microbiano, los sólidos permanecen y todo el carbono y el nitrógeno de los piensos y las heces están disponibles para la producción de bacterias heterótrofas. Dado que en este caso no hay suficiente carbono orgánico para que las bacterias metabolicen todo el amoniaco-nitrógeno presente, se produce una conversión autótrofa limitada utilizando carbono inorgánico alcalino. Cuando se agrega suficiente carbono orgánico, por ejemplo como carbohidratos, el nitrógeno se convierte en biomasa bacteriana a través de bacterias heterótrofas.

Las dos vías de eliminación de nitrógeno son muy diferentes en términos de uso de sustrato, biomasa bacteriana y subproductos producidos.

Sistemas autótrofos

Para el proceso de nitrificación autótrofa pura, las dos formas de bacterias nitrificantes utilizan una forma inorgánica de carbono (alcalinidad) para el crecimiento celular, convirtiendo primero el nitrógeno amoniacal en nitrógeno nitrito y luego el nitrógeno nitrato. Estas bacterias autótrofas crecen muy lentamente y producen solo una pequeña cantidad de sólidos suspendidos volátiles (VSS), aproximadamente 10 gramos de VSS / kg de alimento con un 35% de proteína.

Aproximadamente 355 gramos de alcalinidad como carbonato de calcio / kg de alimento son consumidos por bacterias autótrofas, pero solo alrededor del 6 por ciento se usa realmente para producir biomasa. El resto se libera como dióxido de carbono. Para una conversión óptima de la relación C: N mediante sistemas autótrofos, se pueden determinar estequiométricamente aproximadamente 1,69 gramos de carbono inorgánico por gramo de nitrógeno, en comparación con una relación C: N de biomasa microbiana de 4,28 gramos de carbono orgánico por gramo de nitrógeno.

Sistemas heterótrofos microbianos

Considere un sistema basado en microbios en el que todos los sólidos permanecen en el tanque de producción y todo el carbono orgánico y el nitrógeno en el alimento y las heces no consumidas están disponibles para la producción de bacterias heterótrofas. Debido a que la energía de las bacterias heterótrofas es más favorable que la de las bacterias autótrofas, se puede esperar que las bacterias heterótrofas consuman primero el nitrógeno disponible utilizando el alimento no disponible y el carbón lábil disponible en las heces. El nitrógeno restante es absorbido por bacterias autótrofas utilizando carbono inorgánico.

Un problema es la evaluación del carbono orgánico en los piensos y las heces no consumidas debido a las grandes diferencias en los aditivos de los piensos, la absorción de especies, la lixiviación de nutrientes de las partículas del pienso y muchas otras dificultades. Por lo tanto, se utilizaron datos de literatura aproximados para estimar la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) por kilogramo de alimento y el rendimiento de VSS por kilogramo de DBO. A continuación, se utilizaron relaciones estequiométricas para evaluar el carbono orgánico y el nitrógeno liberados en la biomasa microbiana heterotrófica. El nitrógeno restante se convierte en nitrato mediante bacterias autótrofas.

Esta forma consume dos formas de carbono: 109,0 g de carbono orgánico por bacterias heterótrofas y 15,4 gramos de carbono inorgánico por bacteria autótrofa por kilogramo de alimento con un contenido de proteína del 35%. La relación C: N basada en el carbono orgánico lábil resultante es 2,16 y el carbono total es de 8 a 10. Aunque el valor exacto depende del contenido de proteína, el 35,6 por ciento de nitrógeno se elimina de la vía heterotrófica y el 64,4 por ciento de la vía autótrofa para Pienso con 35% de proteína.

El porcentaje de absorción de nitrógeno por las bacterias heterótrofas en comparación con las autótrofas es una función del carbono orgánico y el nitrógeno en la alimentación (Figura 1). Con un contenido de proteína muy bajo, el alimento contiene suficiente carbono orgánico lábil para absorber completamente todo el nitrógeno.

Figura 1: Eliminación de nitrógeno amoniacal mediante procesos heterótrofos o autótrofos en función del contenido de proteína del pienso.

Esto explica el éxito de los sistemas de floculación de microorganismos en la producción de erizos de mar, en los que inicialmente se utilizan piensos bajos en proteínas para estimular la producción de bacterias heterótrofas. Además, las bacterias heterótrofas producen una cantidad significativa de biomasa bacteriana en comparación con un sistema autótrofo puro: 150,5 gramos de VSS / kg de alimento para un 35% de proteína.

Considere un sistema de intercambio cero en el que se agrega carbono para diferenciar entre 1 kg de alimento con 35% de proteína (109 gramos) de carbono orgánico disponible y los requisitos para las bacterias heterótrofas son aproximadamente 306 gramos de carbono orgánico. Los 197 gramos restantes de carbono orgánico deben compensarse, por ejemplo, con 492 gramos de carbohidratos o 49% en peso en el alimento.

Por tanto, se necesitaría un total de 306 gramos de carbono orgánico para convertir 50,4 gramos de nitrógeno heterotrófico. Esto da una relación C: N de 6.07. La Figura 2 muestra además la necesidad de carbohidratos como porcentaje de las velocidades de alimentación requeridas para el metabolismo heterotrófico completo del nitrógeno amoniacal en biomasa microbiana.

Figura 2: Carbohidrato adicional como porcentaje de la tasa de alimentación para el metabolismo heterotrófico completo del nitrógeno amoniacal en biomasa microbiana.

Finalmente, tenga en cuenta que un sistema heterotrófico puro produce alrededor de 406 gramos de VSS / kg de alimento con un contenido de proteína del 35%, que es más de 40 veces el de un sistema autótrofo puro. Esta biomasa microbiana puede ser una fuente de alimento adicional o debe eliminarse del sistema de producción.

panorama

Las dos vías de eliminación de nitrógeno son muy diferentes en términos de uso de sustrato, biomasa bacteriana generada y subproductos producidos. Usando relaciones estequiométricas entre bacterias autótrofas y heterótrofas, es posible modelar dos vías de eliminación de nitrógeno que se encuentran en sistemas basados ​​en microbios. La complejidad de la aplicación práctica es que ambos pueden ser activos hasta cierto punto, dependiendo de la presencia de carbono orgánico e inorgánico.

Los resultados de este modelo y los estudios de laboratorio mostraron que todo el carbono orgánico en la alimentación no está fácilmente disponible para las bacterias heterótrofas. Por ejemplo, un alimento con 35% de proteína contiene solo 109 gramos de carbono orgánico lábil por kilogramo, en comparación con un análisis aproximado de 350-400 gramos de carbono por kilogramo de alimento. La capacidad de controlar la proporción de carbono a C: N mediante la composición del tipo de alimento, la eliminación de sólidos o la adición de carbono orgánico permite a los productores de acuicultura controlar qué tipo de vía domina sus sistemas.

(Nota del editor: este artículo se publicó originalmente en la edición de julio / agosto de 2008 de ).

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