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질산화(Nitrification)가 물고기 양식에 중요한 이유

Eco-Nit
질화박테리아(Nitrifier)

수산 양식분야에서 사용하기 위해 특별히 배양된 Eco-Nit에는 Nitrosomonas, Nitrobacter 및 Nitrospora를 포함한 활성 질화박테리아가 업계에서 가장 높은 농도로 포함되어 있습니다. Eco-Nit 박테리아는 질화 주기(Nitrification cycle)에서 특정 반응을 재생시키거나 완성시킵니다.

양식이란?
양식업: 물고기 또는 새우 양식

양식업은 물고기나 조개류(연체동물 및 갑각류), 기타 수생 식물을 포함하여 물에 사는 생물을 양식하는 것입니다. 이 때 양식업은 일반적으로 인간이 소비하는 음식을 위해 수조에서 상업적으로 물고기를 기르는 것을 의미합니다. 양식장에서 사육하는 어종에는 연어, 메기, 틸라피아, 대구, 잉어, 송어, 새우 등이 있습니다. 양식업은 10억 달러 규모의 산업으로 성장했으며 매년 소비되는 모든 해양 동물의 30퍼센트 이상이 현재 양식장에서 사육됩니다.

이것이 왜 중요한가요?

자연산 어류의 공급이 감소하고 있으며 대구, 줄무늬 농어, 연어, 대구, 가자미 등 일부 어종은 개체수가 줄어 이미 야생에서 잡기는 어렵기 때문에 양식업이 이 문제에 대한 해결책으로 보입니다. 수요와 공급의 법칙의 관점에서, 높아진 해산물 수요로 인해 양식어류는 현재 시장의 약 15%를 차지합니다. 지느러미 어류 93종, 새우 7종, 가재 6종이 있으며 현재 전 세계적으로 양식 중인 조개, 굴, 조개류가 많습니다. 향후 20년 동안 양식업은 전 세계에 해산물 공급에서 전통적인 포획 어업을 능가할 것입니다.

양식은 어떻게 이루어지나요?

양식은 육지 또는 바다 모두에서 이루어질 수 있습니다. 육상 양식장은 연못, 수영장 또는 콘크리트 수조에서 수천 마리의 물고기를 키웁니다. 해양 기반 양식장은 해안선 가까이에 위치하고 있으며 이러한 양식장의 물고기는 그물 또는 메쉬 케이지에 둘러 쌓여 길러집니다.

양식업은 일반적으로 식용을 위해 수조나 가두리에서 상업적으로 물고기를 기르는 것을 의미합니다. 취미활동인 낚시를 위해 또는 종의 자연수를 보충하기 위해 어린 물고기를 야생으로 방출하는 시설은 일반적으로 어류 부화장이라고 합니다. 양식장에서 키우는 가장 흔한 어종은 연어, 잉어, 틸라피아, 메기, 대구입니다. 양식에는 두 가지 종류가 있는데 지역 광합성 생산을 기반으로 한 대규모 양식과 외부 식량 공급을 통해 물고기를 먹이는 집약적 양식입니다.

어떤 종류의 양식장들이 있나요?

집약식(폐쇄 순환) 양식: 이 시스템에서는 충분한 산소와 물, 그리고 제공되는 사료의 양 안에서 표면 단위당 어류 생산량을 마음대로 늘릴 수 있습니다. 충분한 물이 필요하기 때문에 대규모 수질정화 시스템이 양식장에 설치되어 있어야 합니다. 이를 현명하게 해결하기 위해서는 수경 원예와 수처리의 조합을 생각해 볼 수 있습니다.   

어류 사료는 어류들의 체중 증가를 달성하기 위하여 훨씬 더 높은 수준의 단백질(최대 60%)을 함유해야 합니다. 상당량의 사료가 버려지고, 상당량의 어류 배설물 등도 물에 축적되어집니다. 이러한 유형의 양식장에서는 어류의 배설물로 인한 영양물질(N, P)와 높은 생화학적 산소 요구량(BOD)가 되는 유기물이 축적될수도있습니다

광범위 양식: 성장을 제한하는 천연 먹이공급원. 일반적으로 표영성 조류 또는 갑각류 및 연체 동물과 같은 저서 동물에 섭식되는 동물성 플랑크톤에 의해 가용한 식량 공급 한계가 있습니다. 이는 칼륨, 인, 질소 및 미량 원소와 같은 인공 영양분으로 물을 비옥하게 함으로써 광합성 작용을 증가시킬 수 있습니다. 대부분의 물고기는 육식성이기에 먹이사슬에서 더 높은 위치를 차지하므로 1차 광합성 생산의 아주 작은 부분(일반적으로 1%)만이 수확 가능한 물고기로 전환됩니다. 결과적으로 자연 양식이라고 해도 사료를 추가로 먹이지 않으면 수확량은 연간 헥타르당 200kg을 초과하지 않으며 이는 총 광합성 생산량의 1%에 해당합니다. 썩어가는 조류 유기물들은 용존 산소를 고갈시킬 것입니다. 왜냐하면 그 이물질들이 태양을 차단하기 때문이고 이로 인하여 유기 및 무기 물질(예: 암모늄 이온)로 오염시켜 물고기 대량 폐사를 일으킬 수 있습니다.

집약식 양식: 이 시스템에서는 충분한 산소, 신선한 물 및 사료가 제공되는 한 단위면적당 어류 생산량을 마음대로 늘릴 수 있습니다. 물고기는 성장을 위해 충분한 산소가 필요하기 때문에 여기에서 필수적인 요소는 물을 폭기하는것입니다. 버블링, 또는 폭포와 같은 방법으로 산소를 얻을 수 있습니다. 집약식 양식은 물고기들의 스트레스를 최소화하기 위해 적절한 수질(산소, 암모니아, 아질산염 등) 농도를 제공해야 하므로 전염성 질병 문제를 다루기가 더 어렵게 만듭니다. 즉, 집약적인 양식업은 엄격한 모니터링과 양식업자의 높은 수준의 전문 지식이 필요하다는 것을 의미합니다.

수로 또는 연못 양식: 이 시스템에서는 농업용수로나 농장 연못을 사용하여 물고기를 키웁니다. 기본 요구 사항은 지상 관개 시스템과 함께 물을 담을 수 있는 용수로 또는 연못을 구비하는 것입니다. (많은 용수로 시스템은 헤더가 있는 매립 파이프를 사용합니다.) 이 방법을 사용하면 일반적으로 줄 지어 있는 연못이나 수로에 각각 할당량을 정하여 물을 저장할 수 있습니다. 이런 소규모 시스템에서 물고기는 종종 상업용 물고기 사료를 먹으며 물고기로부터 발생되는 폐기물은 밭을 비옥하게 하는 데 도움이 될 수 있습니다.

큰 규모의 연못에서는 물고기 먹이로 수생 식물과 조류를 함께 기릅니다. 따라서 수질 관리가 중요합니다. 수질, 비료, 정화 및 pH 조절은 부영양화를 방지하며 산소 농도가 높게 유지되는 한 수확량을 상당히 증가시킬 수 있습니다. 단, 물고기가 전해질 스트레스로 인해 병에 걸리면 수확량이 낮아질 수 있습니다.

케이지 양식: 물고기 케이지는 호수, 만, 연못, 강 또는 바다에 배치되어 물고기를 수확할 수 있을 때까지 물고기를 보호하고 지킵니다. 다양한 구성 요소로 구성할 수 있는데 기본적으로는 물고기를 케이지로 둘러싸고 사료를 먹이며 상품 가치 무게에 도달하면 수확합니다. 케이지를 이용한 양식업의 몇 가지 장점은 다양한 유형의 물(강, 호수, 채석장 등)을 사용할 수 있고 많은 유형의 물고기를 키울 수 있으며 양식업과 스포츠 낚시 및 기타 물과 관련된 다른 사업과 공존할 수 있다는 것입니다. 다만, 물고기들이 케이지 밖으로 탈출하는 일들로 인해 개방 수역에서 토종 어류가 아닌 종의 양식에 대한 우려를 불러일으켰습니다. 케이지 산업이 최근 몇 년 동안 케이지 설치와 관련해 수많은 기술 발전을 이루었지만 탈출에 대한 위험성은 여전히 존재합니다.

전통적 치어 양식: 송어와 기타 스포츠 물고기는 종종 알에서 치어나 손가락 만한 크기로 키운 다음 트럭으로 개울로 가서 방류됩니다. 일반적으로 치어는 길고 얕은 콘크리트 수조에서 사육되며 신선한 물이 공급됩니다. 치어는 알갱이 모양의 사료를 먹고 자랍니다.

실내 양식: 순환여과 양식 시스템(RAS)을 사용합니다. RAS는 물이 지속적으로 순환되고 일년 내내 최적의 상태를 유지하기 위해 모니터링되는 일련의 양식수조 및 바이오필터입니다. 수질 악화를 방지하기 위해 고체 이물질을 제거하는 기계적 처리와 축적된 유해 화학물질을 무독성으로 전환하는 생물학적 처리를 통해 수질의 악화를 해결하고 있습니다.

순환여과 양식 시스템의 단점 중 하나는 물 교환 문제입니다. 그러나 물 교환 비율은 수경 재배 식물의 통합(Corpron and Armstrong, 1983) 및 탈질소(Klas et al., 2006)와 같은 수경재배를 통해 줄일 수 있습니다. 두 가지 방법 모두 물에 있는 질산염의 양을 줄이고 잠재적으로 물 교환의 필요성을 제거하여 양식 시스템을 주변 환경으로부터 분리시킬 수 있습니다.

아쿠아포닉스(Aquaponics)

Aquaponics = 물고기가 발생시키는 폐기물은 박테리아에 의해 사용 가능한 영양소로 전환되고 식물은 그 영양분을 흡수하여 수조의 물을 정화합니다.

최근 주목을 받고 있는 교실 내 양식의 또 다른 용도는 양식 시설의 방류수를 사용하여 식물의 2차 작물을 재배하는 시스템에서 양식을 사용하는 것입니다. 많은 경우 이 식물은 물에서 질산염을 제거하는 생물 여과기 역할을 하여 수질 여과를 돕습니다.

이러한 방식으로 농업과 양식업을 결합하는 것을 일반적으로 아쿠아포닉스라고 합니다. 아쿠아포닉스의 식물 작물은 양식 시스템에서 폐기물로 이용 가능한 질소를 쉽게 사용할 수 있지만 양식업에서는 인이 발생하지 않습니다. 따라서 인을 필요로 하지 않는 상추 및 기타 잎이 많은 작물만 기를 수 있습니다.

가장 규모가 큰 순수 양식장에서는 1970년대 New Alchemists에서 파생된 시스템을 사용합니다. 기본적으로 대형 플라스틱 수조가 온실에 배치됩니다. 수경 재배 베드는 그 근처, 위 또는 사이에 배치됩니다. 수조에서 틸라피아가 적절히 성장하면 수조에서 자연적으로 자라는 조류를 먹을 수 있습니다.

수조 물에 포함된 틸라피아 폐기물은 상업용 식물 작물을 공급하는 수경 재배지로 천천히 순환됩니다. 수경 재배층에서 조심스럽게 배양된 미생물은 암모니아를 질산염으로 변환하고 식물은 질산염과 인산염을 이용해 성장합니다. 다른 폐기물은 폭기된 자갈층 필터의 두 배인 수경재배 배지에 의해 걸러집니다.

소규모 시스템에서 물고기는 종종 시중에서 판매되는 물고기 사료를 먹으며 그 폐기물은 밭을 비옥하게 하는 데 도움이 될 수 있습니다. 규모가 큰 연못에서는 물고기 먹이로 사용될 수생 식물과 조류를 기릅니다. 가장 성공적인 연못 중 일부는 도입된 식물 계통과 도입된 물고기 계통으로 이루어져 있습니다.

수산양식의 몇 가지 문제점

어류 밀도가 높을 경우의 문제가 있습니다. 병원균이 물고기 몸(예: 아가미)에 쉽게 침입할 수 있기 때문에 어류 이, 진균류(Saprolegnia ssp.), 기생충(예: 선충류 또는 흡충류), 박테리아(예: Yersinia ssp, Pseudomonas ssp.) 및 원생동물(예: Dinoflagellates로) 병원균등에 노출될 확률이 축산업보다 훨씬 많습니다. 수질 오염이나 물 속의 산소 고갈도 마찬가지입니다. 이 문제들은 단 몇 분 안에 물고기 양식을 망칠 수 있기에 집약적인 양식업에서는 엄격한 모니터링과 양식업자의 높은 수준의 전문 지식이 필요합니다.

양식장의 물고기는 자연 상태에서 볼 수 없는 밀도로 길러집니다. (예: 2-에이커(8,100m2) 면적에 50,000마리의 물고기). 각 물고기는 평균 사이즈의 수조보다 적은 공간을 사용할 수 있습니다. 이것은 여러 형태의 오염을 일으킬 수 있습니다. 빽빽이 들어찬 물고기들은 서로, 그리고 수조 옆면을 비비며 지느러미와 꼬리를 손상시키고 다양한 질병과 감염에 걸리게 됩니다. 이것은 또한 스트레스를 유발합니다. 

양식업자들은 사육 시스템을 설계 용량 이상 또는 물고기의 사회적 밀도 한계 이상으로 운영하면 결과적으로 이익의 감소, 비용의 증가, 및 물고기 건강 문제의 위험을 가져올 수 있는 성장률 감소와 FCR(사료 전환율 – 건조 사료 kg/생산된 물고기 kg)의 증가가 함께 나타난다고 생각하는 경향이 있습니다. 동물에게 스트레스를 주는 것은 바람직하지 않지만, 스트레스의 개념과 측정은 개개인의 느낌이나 생각에 근거하지 않고 과학적 방법을 사용하여 동물의 관점에서 바라봐야 합니다.

한 장소에 장기간 길러지는 매우 많은 수의 물고기는 인근 지역의 서식지 파괴를 초래할 수 있습니다. 높은 밀도의 물고기는 상당한 양의 응축된 노폐물을 생성하며 종종 양식에 사용되는 양식수가 주변 수질을 오염시켜 지역 수로에 영향을 미칩니다. 200,000마리의 물고기가 있는 일반적인 연어 양식장은 62,000명의 인구가 사는 마을과 거의 같은 양의 배설물을 생산합니다.

낮은 용존 산소 농도에서는 아질산염 문제가 시작됩니다. 바이오 필터는 종종 슬러지를 축적하여 필터의 일부를 통한 흐름을 제한합니다. 이것을 채널링이라고 합니다. 채널링은 혐기성 박테리아를 배양하고 독성 화합물을 생성하며 질산화제를 억제합니다.

부유 어류 노폐물은 순환여과 양식 시스템에서 심각한 문제입니다. 많은 양의 부유물질과 침전 가능한 고형물이 양식 중에 생성됩니다. 일반적으로 생산된 물고기 1파운드당 1파운드의 물고기 폐기물이 생성됩니다. 어류 폐기물 입자는 시스템 내 질소 부하의 최대 70%를 포함할 수 있기 때문에 수질 악화의 주요 원인이 될 수 있습니다. 이러한 폐기물은 물고기의 아가미를 자극할 뿐만 아니라 생물학적 바이오필터에 여러 문제를 일으킬 수 있습니다. 미립자 폐기물은 또한 암모니아를 소비하기 보다는 오히려 암모니아를 생성하는 박테리아의 성장을 촉진할 수 있습니다. 광합성은 또한 암모니아, 질산염 및 요소와 같은 여러 형태의 질소 폐기물을 제거합니다.

질산화가 수산 양식에서 중요한 이유
물고기에게 독성으로 작용

암모니아는 물고기에게 유독할 수 있습니다. 단기 노출에 대한 NH3-N의 독성 농도는 많은 물고기에 대해 0.6~2mg/L로 다양하며 일부에서는 0.1~0.3mg/L 농도에서도 독성이 나타나는 것을 볼 수 있습니다(Boyd 1979). 일반적으로 따뜻한 물에 사는 물고기는 찬 물 물고기보다 암모니아에 둔합니다.

안전을 위해 암모니아 농도는 NH3-N으로 0.05mg/L 미만, TAN으로 1.0mg/L 미만이 장기 노출에 권장됩니다. 많은 물고기와 무척추 동물에 대한 NO3-N의 안전한 값은 1000~3000mg/L입니다(Colt and Tchobanoplous 1976).

성공적인 상업적 양식은 제한된 시스템에서 맛이 좋은 생선을 최대한 많이 길러내는 것입니다. 하지만 어류 밀도의 증가는 암모니아, 아질산염 독성 및 슬러지 축적의 잠재적인 문제를 야기하고 이는 품질의 저하로 이어지므로 질산화 관리가 필요합니다.

암모니아의 주요 공급원은 아가미에서 폐기물로 배설되는 대사성 암모니아에서 비롯됩니다. 여름 기온에서 잉어는 매일 체중 1kg당 50-100mg의 암모니아를 배설합니다. 다른 암모니아 공급원은 어류 폐기물, 사료 및 조류 등과 같은 기타 유기물을 분해하는 과정에서 발생합니다.

특히 양식 수조에 축적될 수 있는 질소 화합물은 수생 동물에게 유독할 수 있으며 부영양화와 같은 환경 문제를 일으킬 수 있습니다.

아질산염은 많은 수생 동물에게 유독합니다. 이온화된 형태(NH4+)와 이온화되지 않은 형태(NH3) 모두 물고기에게 독성이 있습니다. 낮은 수준의 이온화되지 않은 암모니아라도 물고기의 중추 신경계에 영향을 미치고 산소 획득 능력을 감소시키며 질병에 대한 저항력을 낮출 수 있습니다. 유기 폐기물의 산물인 암모니아는 물고기와 다른 유기 물질 및 먹지 않은 사료 등에서 직접 물로 녹아 들어갑니다. 암모니아 수치는 pH에 따라 달라지며 하루 종일 변동될 수 있습니다.

암모니아를 조절하는 것은 양식업에서 가장 중요한 일입니다. 암모니아 수준이 약간만 높더라도 생선 맛에 해로운 영향을 미칠 수 있으며, 일반적인 수준보다 높은 폐사율을 초래할 수 있습니다. 암모니아 수준을 조절하려면 암모니아 수준이 축적되는 이유와 제거하는 방법에 대한 기본적인 이해가 필요합니다. 그러나 양식 수조에서는 어류 개체군의 밀도가 자연 상태보다 훨씬 높기 때문에 유리 질소 화합물, 특히 암모니아로부터 잠재적인 문제가 발생할 수 있습니다.

양식장에서 질소 오염의 주요 수단이자 암모니아의 주요 공급원은 어류 폐기물입니다. 물고기 폐기물이 종속영양세균에 의해 분해되면서 암모니아가 생성됩니다. 조류를 포함하여 식물이 없는 환경에서는 물에 녹아 있는 암모니아를 흡수하는 방법이 거의 없습니다. 

아질산염(NO2-)은 물고기에게 극도로 유독합니다. 낮은 염화물 및 용존 산소 농도와 결합된 높은 아질산염 수치는 갈색 혈액 질환으로 더 잘 알려진 메트 헤모글로빈 혈증을 유발할 수 있습니다.

물고기는 암모니아와 요소를 폐기물로 물에 배출합니다. 양식 시스템에서는 이온화 및 이온화되지 않은 두 가지 형태의 암모니아가 발생합니다. 이온화되지 않은 형태의 암모니아(NH3)는 매우 유독하지만 이온화된 형태(NH4+)는 그렇지 않습니다. 두 형태 모두 “총 암모니아(TAN)”로 그룹화됩니다. 생물학적 과정을 통해 독성 암모니아는 무해한 질산염으로 분해될 수 있습니다(그림 7).

암모니아가 발생하는 또 다른 경우는 암모늄 이온(NH4+)을 생성하는 분해균에 의하여 죽은 유기물이 분해될 때입니다. 산화가 잘 된 토양에서는 Nitrosomonas와 같은 박테리아에 의해 먼저 아질산염(NO2-)으로 산화된 다음 Nitrobacteria에 의해 질산염으로 산화됩니다.

암모늄 이온은 토양과 점토에 결합할 수 있지만 질산염은 음전하로 인해 결합할 수 없습니다. 또한 물에 잘 녹고 폭우 후 침출(강과 호수로 질산염 누출)이 발생할 수 있습니다. 다량의 질산염의 침출은 종종 부영양화를 초래하며, 이는 녹조를 유발하고 다른 강 생물의 폐사로 이어지기도 합니다. 이런 이유로 질산염 및 인산염 함유 비료의 남용은 일부 강에서 심각한 문제를 야기했으며 영국에서는 사용이 제한되었습니다.

육지 동물이 체내에서 질소 폐기물을 제거하는 것은 신장을 통해 수행됩니다. 이와는 대조적으로 물고기는 이 기능을 위해 아가미에 크게 의존하여 주로 암모니아를 배설합니다. 물고기의 아가미는 물과 염분을 투과할 수 있습니다. 바다에서 물의 염도는 물고기의 체액보다 더 농축되어 있습니다. 이 환경에서는 물이 빠져나오지만 염분은 안쪽으로 확산되는 경향이 있습니다. 따라서 바다 물고기는 많은 양의 바닷물을 마시고 소량의 고염도 소변을 배출합니다(그림 1).

수질 오염의 결과

수질 관리는 중요합니다. 부영양화를 예방하고 산소 농도가 높게 유지되는 한 수확량을 상당히 증가시킬 수 있습니다. 물고기가 전해질 스트레스로 질병에 걸릴 경우에는 수확량이 낮아질 수 있습니다.

양식업에서 기준보다 많이 채워진 수조는 비대 영양 상태가 될 수 있습니다. 암모니아와 질산염의 높고 유독한 농도와 높은 농도의 유기 폐기물은 물의 화학 균형을 깨뜨릴 것입니다. 이 때에는 녹조가 점차 지배적으로 자라나기 시작해 시스템이 무산소 상태가 될 수 있으며 이 때 수조의 생태계는 유지될 수 없습니다.

물고기는 물 속에서 모든 신체 기능을 수행합니다. 물고기는 호흡, 먹이 및 성장, 폐기물 배설, 염분 균형 유지 및 번식을 위해 전적으로 물에 의존하기 때문에 물의 물리적 및 화학적 성질을 이해하는 것은 성공적인 양식업에 매우 중요합니다. 상당 부분 물은 양식업의 성패를 좌우합니다.

암모니아가 과도하게 함유된 연못의 물고기는 맛이 좋지 않습니다. 암모니아의 농도가 높은 물에서 길러지는 물고기는 질병에 걸리기 쉽고 스트레스를 받는 것처럼 보일 수 있으며 사망률이 평소 수준 이상으로 증가할 수 있습니다. 마지막으로, 용존 산소 농도가 감소합니다. 담수 종의 경우 0.53~22.8mg/L 범위를 일반적으로 독성으로 간주되지만 0.1mg/L보다 많은 양에서부터 문제가 발생하기 시작합니다. 0.1 mg/L 이상의 피부에서는 눈, 아가미 및 내부 장기 손상이 발생할 수 있습니다.

물고기는 pH 4 미만 및 pH 11 이상의 물에서 장기간 생존할 수 없습니다. 물고기를 위한 최적의 pH는 6.5에서 9 사이입니다. 이 밖의 범위에서는 물고기는 잘 자라지 않으며 번식은 지속적으로 높거나 낮은 pH 수준에서 영향을 받습니다.

과도한 사료를 공급할 때에 일어나는 수질 오염(부영양화)은 용존 산소를 고갈시키고 물고기를 죽일 수 있습니다. 너무 많은 양분은 또한 물고기에게 유독한 높은 수준의 암모니아를 추가할 수 있습니다. 호흡 중에 생성되고 광합성 중에 소비되는 이산화탄소 농도는 용존 산소 수준과 반대로 하루 종일 변동합니다. 높은 이산화탄소 수준은 pH를 낮추고, 이는 차례로 이온화되지 않은 암모니아와 이온화된 암모니아의 비율에 영향을 미칩니다.

수질 오염에서 주요 관심사는 조류가 급격히 자라나는 것입니다. 온도, 영양소 공급 및 이용 가능한 햇빛이 조류 성장에 최적인 환경을 만들 때, 조류는 기하급수적인 속도로 바이오매스를 증가시키고 결국 이용 가능한 영양소를 고갈시킵니다. 부패하는 조류 바이오매스는 수조 내 용존 산소를 고갈시키고 유기 및 무기 용매(암모늄 이온과 같은)로 오염시켜 물고기가 대량으로 폐사할 수 있습니다.

수조 내 매우 높은 밀도, 헥타르당 양식하는 어린 새우 200,000마리에서 최대 400,000 마리(20-40개/㎡)로 이뤄지는 집약적인 양식 방식의 새우 양식은 하나의 새우 양식 수조 내에서 수 톤의 유기 폐기물을 생성할 수 있습니다. 남은 사료와 죽은 식물성 플랑크톤 세포 조각은 양식 새우 수조 바닥에 유기 폐기물 및 독성 가스의 축적을 생성합니다. 이 때문에 대부분의 경우 양식장 바닥이 오염되고 이 오염이 악화되면 높은 폐사율로 이어집니다. 유기물 및 유기 폐기물 또는 폐수 처리에 대한 인식 없이 양식 새우 양식의 급격한 증가, 소독제, 살충제, 산화제 또는 항생제 및 화학 물질의 무분별한 사용은 수자원 재생에 부정적인 영향을 미치며 자연을 파괴할 수 있습니다. 이는 수조 내에서 자연 분해 박테리아를 수중 양식에 적합하지 않은 수준으로 만듭니다.

식물성 단백질은 육식성 어류의 사료에서 어분을 대체하는 것에는 성공적이었지만 식물성 기름은 육식 동물의 식단에 아직 성공적으로 통합되지 않았습니다.

독성 질소(N) 성분을 제거하는 방법

독성 질소 성분을 제거하는 방법에는 2개의 박테리아 종이 관련되어 있습니다. 니트로소모나스(Nitrosomonas sp)는 암모니아를 아질산염으로 산화시키는 박테리아인 반면, 니트로박터(Nitrobacter)는 아질산염을 질산염으로 전환시키며, 두 종 모두 반응에 의해 방출되는 에너지를 활용합니다. 암모니아 제거는 pH를 크게 변경하지 않고 진행되어야 하며 강한 화학 첨가제를 사용하지 않는 것이 가장 좋습니다. 박테리아는 번식할 수 있으며 암모니아를 비롯한 다양한 영양 기반 오염 물질을 적극적으로 소비할 수 있습니다. 박테리아는 효소만큼 빠르게 작용하지 않습니다. 그들은 수중에 정착하는 데 시간이 걸리고 토종 박테리아와 경쟁하면서 몇 가지 문제에 직면하게 됩니다. 박테리아보다 효소가 더 빨리 작용하기 때문에 박테리아를 효소와 함께 사용하면 박테리아에 필요한 촉매제를 제공하여야 양식업자가 효소와 박테리아에서 나오는 두 생산물의 즉각적 및 장기적 이점을 결합할 수 있습니다. 박테리아 처리는 일반적으로 기계식 폭기에서 공급되는 용존 산소 증가로 인해 상당한 이점을 얻습니다. 일반적으로 연못의 물은 암모니아 농도가 높을 때 낮은 농도의 산소를 나타내기 때문에 최적의 용존 산소 농도를 유지하기 어려운 경우가 많습니다. 폭기는 또한 박테리아와 효소를 수조 전체로 운반하여 처리해야 하는 영양 오염 물질과 접촉하게 하는 효과가 있습니다.

질화는 2단계 과정으로 이루어져 있습니다. 암모니아는 아질산염으로, 아질산염은 질산염으로 변환됩니다. 둘 다 수생 동물에게 유독하여 질산화를 수생 시스템에서 가장 중요한 생물학적 과정 중 하나로 만듭니다.

양식 시스템에 포함된 어류에 대한 암모니아 독성은 생물학적 질산화를 통해 안정적으로 완화될 수 있습니다. 충분한 공간과 시간이 주어지면 이러한 질산화균은 부착된 배지를 통과하는 순환여과조에서 암모니아를 제거할 수 있습니다.

그러나 이러한 미생물은 일반적으로 충족되어야 하는 특정 환경 선호도를 가지고 있습니다. 여기에는 높은 용존 산소량, 중성에서 약 알칼리성 pH, 적당한 온도 등이 포함됩니다. 또한 다른 박테리아, 특히 잔류 유기물에서 번성하는 박테리아와의 상호 작용에 주의를 기울여야 합니다. 이 후자의 미생물은 느리게 성장하는 질산화균을 압도하여 틈새 시장을 과밀하게 만들고 자라나는 질산화균의 신진 대사를 억제할 수 있습니다. 그러나 이러한 문제는 더 넓은 표면적에 개체를 분산시켜 두 그룹을 모두 수용할 수 있는 추가 배지를 제공함으로써 최소화할 수 있습니다.

질산화의 문제점

질산화 박테리아는 산화 에너지 수율이 상대적으로 낮기 때문에 천천히 성장하고, 기질 농도도 낮습니다. 암모니아는 조건이 좋을 때 식물성 플랑크톤 또는 다른 식물에 의해 빠르게 동화됩니다. 그러나 질산화균들은 소비한 기질보다 훨씬 적은 양을 새로운 세포 덩어리로 전환합니다. 후자의 특성은 세포 수율을 기준으로 정량화되며, 질산화균들 세포 수율의 경우 종속 영양 생물의 경우보다 상당히 적습니다.

또 다른 중요한 특징은 질산염이 뚜렷하게 낮은 기질 농도(즉, 종속영양생물에 필요한 농도의 약 1%)에서 최대 활성 범위를 나타낼 수 있다는 것입니다. 질산화균의 경우, 이 특성은 대사 중간체를 많이 사용하지 않고 완전 켜짐 또는 완전 꺼짐으로 작동하는 ‘전등 스위치’ 현상과 유사한 것으로 간주될 수 있습니다.

부패, 내인성 신진대사, 사멸, 질산염 포식의 총체적 영향에 대한 최상의 추정치는 현재 0.05~0.12일-1 입니다. 이러한 비율은 휴식 중인 비활성 질산화제가 하루에 5-12%의 비율로 악화될 것임을 의미합니다. 그러나 이러한 값은 일반적으로 질산화균에 대해 구체적으로 측정된 것이 아니라 종속 영양 박테리아에서 추론된 수치이며 질산화와 관련된 부패 및 사멸에 대한 이해를 명확히 하는 결정적인 데이터가 부족합니다. 사실, 미공개 값은 상당히 낮은 것으로 보입니다(약 0.01 ~ 0.02일-1; Alleman, et al., 1991). 그러나 질산염의 느린 부패와 사망률은 긍정적인 특성으로 간주되어야 합니다. 생존 가능성에 대한 걱정을 덜고 장기간 휴면 또는 휴면 상태로 전환(예: 오프라인)할 수 있습니다.

완전한 질산화 과정(암모니아에서 시작하여 질산염에서 종료)을 통과하는 모든 질소는 전자를 제거하기 위해 약 4.5mg의 용존 산소를 필요로 합니다. 그러나 산소와 접촉하지 않더라도 질산염이나 아질산염을 산소 대신의 전자 수용체로 사용하여 어느 정도의 호흡 대사를 유지할 수 있습니다. 즉 필요한 경우 질화 및 탈질화를 모두 수행할 수 있습니다.

낮은 산소 농도를 가진 환경에 노출된 질산화 균은 높은 농도의 히드록실아민 중간체를 생성합니다. 하지만 이 후에는 이 화학물질이 동반자 ‘질산화 균’의 활동을 방해하고 제거하여 정상적인 질산화 순서를 끝낼 것입니다. 용존 산소 농도가 장기간 포화 상태 농도보다 25% 미만이면 물고기가 잘 자라지 않습니다(Romaire 1985). 용존 산소 농도가 포화에 가까워지면 물고기가 더 잘 수행됩니다. 일부 저자는 양식 시스템의 용존 산소 농도를 최적의 성능을 위해 항상 포화도의 약 90% 수준으로 유지할 것을 권장합니다.

산소 분압

질산화 시스템이 종료된 물의 용존 산소는 상시 측정되어야 하며 2~3mg/L 이상으로 유지되어야 합니다. 탄소(C)제거보다 질산화에 더 높은 농도의 산소가 필요합니다.

NH3의 모든 부분이 분해되기 위해서는 4.5 개의 O2가 필요합니다. 질산화는 또한 탄소 산화보다 3-4배 느리게 발생합니다.

질화는 또한 탄화 속도보다 3~4배 느리게 일어난다. 탄화박테리아가 수 일 또는 수시간 걸리는 것과는 달리 식물에 의한 산소소비는 질산화를 위해 회복하는 데 몇 주가 걸릴 수 있습니다. 각 1g의 NH3-N가 NO3로 산화될때마다 0.15g의 새로운 박테리아 세포가 형성된다. 질화박테리아의 슬러지 생성은 최소화

물 재순환 시스템에서 발생하는 문제는 일반적으로 물고기 배설물로부터 과도한 암모니아가 생성되어 발생합니다. 독성 암모니아를 무독성 형태로 분해하는 질화 박테리아에 의한 산소 소비는 시스템에 유입되는 암모니아의 양에 따라 다릅니다.

Meade(1974)는 암모니아 1파운드를 산화시키는 데 4.0-4.6파운드의 산소가 필요하다는 결론을 냈습니다. 그러나 수조 양식에는 다른 박테리아가 존재하기 때문에 6파운드의 산소와 1파운드의 암모니아 비율이 권장됩니다. 산소는 주로 공기와 물의 접촉면에서의 일어나는 직접 확산과 식물 광합성을 통해 물에 공급됩니다. 직접적인 확산은 상당한 바람과 파도의 작용이 없는 한 상대적으로 미미합니다. 따라서 양식업자는 여러 형태의 기계적 폭기 방법을 사용할 수 있습니다.

온도

산소 다음으로 수온은 물고기의 환경에 영향을 미치는 가장 중요한 단일 요소일 수 있습니다. 물고기는 냉혈 동물이며 주변 환경과 거의 같은 온도를 갖습니다. 수온은 모든 물고기의 활동, 행동, 먹이, 성장 및 번식에 영향을 미칩니다. 물고기의 대사율은 온도가 18ºF 올라갈 때마다 두 배가 됩니다. 물이 차가울수록 산소가 더 잘 녹습니다. 온도는 열적 성층화라는 물리적 과정에서 중요한 역할을 합니다(그림 4).

앞서 언급했듯이 물은 높은 열용량과 고유한 밀도 특성을 가지고 있습니다. 물의 최대 밀도는 39.2ºF입니다. 봄에는 수온이 모든 수조 깊이에서 거의 동일합니다. 결과적으로 영양분, 용존 가스 및 어류 폐기물이 연못 전체에 고르게 혼합됩니다. 날이 따뜻해지면 표면의 물은 따뜻해지고 가벼워지며 밀도가 낮은 물은 아래에 층을 형성합니다.

두 층의 물 사이의 밀도가 다르기 때문에 더 차가운 바닥 물의 순환이 방지됩니다. 이 때 바닥층의 물은 광합성과 공기와의 접촉이 감소하기 때문에 용존 산소 농도는 바닥층에서 감소합니다.

가뜩이나 낮은 산소 농도는 수조 바닥에 가라앉는 폐기물의 분해를 통해 더욱 감소됩니다. 국부적인 용존 산소 고갈은 양식업자에게 매우 실질적인 문제를 제기합니다. 여름 성층화는 깊은 수조에서 자란 물고기에게 더 큰 문제입니다. 수계층화는 몇 주 동안 지속될 수 있습니다.

이 상태는 갑작스러운 여름 비가 내리면 주요 물고기 떼죽음으로 발전할 수 있습니다. 이때 내리는 비는 따뜻한 상층의 물을 식혀서 아래의 산소 부족층과 섞일 수 있을 만큼 충분히 식힐 것입니다. 산소 결핍층의 분해 물질이 다시 연못 전체에 고르게 혼합되어 용존 산소 수준이 전반적으로 감소합니다.

일반적으로 얼음은 광합성을 방해하지 않습니다. 물고기는 더 추운 온도에서 더 적은 산소를 소비하여 전반적인 산소 요구량을 크게 줄입니다. 그러나 물고기는 눈으로 덮인 얼음 아래에서 낮은 용존 산소로 인해 여전히 고통받을 수 있습니다.

표면을 모두 덮는 수준의 얼음 아래에서 다른 가스(이산화탄소, 황화수소, 메탄 등)가 위험할 정도로 높은 수준으로 축적될 수 있습니다. 기계적 폭기는 아마도 연못의 넓은 지역에 얼음이 없도록 유지함으로써 얼음 축적을 방지하는 가장 신뢰할 수 있는 방법일 것입니다.

그러나 과도한 양의 해조류는 밤 동안 호흡 속도를 증가시켜 추가적으로 산소를 소모시킬 수 있습니다. 과도한 식물성 플랑크톤 축적도 추가 산소를 소비합니다. 물에 용해될 수 있는 산소의 양은 온도가 높을수록 감소하고 고도와 염분이 증가함에 따라 감소합니다(표 2). 보통 양식업자들은 생산량을 극대화하기 위해 자연에서 관찰되는 수준보다 더 밀도가 높게 물고기를 기릅니다.

따라서 여름에는 적절한 수준의 용존 산소를 유지하기 위해 추가 폭기를 해야 할 수 있습니다. 양식 시스템에서 물고기는 유일한 산소 소비원이 아닙니다. 박테리아, 식물성 플랑크톤 및 동물성 플랑크톤도 많은 양의 산소를 소비합니다. 유기 물질(조류, 박테리아 및 어류 배설물)의 분해는 양식 시스템에서 산소를 제일 많이 소비하는 요소들입니다.

군집화

질산화균은 표면에 군집화하는 경향이 있으며 “개방형 질화” 비율은 낮은 경향이 있습니다. 가장 높은 비율은 호기성, 진흙-물 접촉면에서 발생합니다. [10]

많은 질산화 박테리아는 베네치아 곤돌라에 사용되는 노처럼 채찍 모양의 편모를 사용하여 물을 통해 자가 추진합니다. 그러나 환경 공학 문헌에 따르면 질산화균들은 자유롭게 헤엄치는 것보다 단단한 표면에 붙어 있는 고정된 상태를 선호합니다.

사실, 질산화 시스템은 본질적으로 이러한 부착 선호도에 의존합니다. 질산화균은 표면 생물막에 부착되거나 침전 가능한 활성 슬러지 플록의 일부로 부착될 때만 공정 반응기 내부에 유지될 수 있습니다. 그러나 최근 관찰에 따르면 질산화균의 부착에는 이러한 종류의 표면 점액이 사용되지 않는 것으로 나타났습니다.

실제로, 조밀한 클러스터에서 서로 부착된 질산화균은 자유롭게 헤엄치기 위해 빠르게 분리되는 것으로 나타났습니다. 점액이 부착의 매개체였다면, 이 유기체가 거의 그렇게 빨리 떼어낼 수 있을 만큼 충분한 에너지를 모았을 가능성은 거의 없습니다. 스트레스를 받지 않는 질산화 균들은 아마도 독립적인 운동을 하기에 충분한 에너지를 가져 자유로운 수영 생활 방식을 선호하는 것 같습니다(Hyman, 1991).

그러나 환경 스트레스(예: 비정상적인 환경 조건, 기질 가용성 부족, 포식자 상호 작용 등)가 발전함에 따라 질산화균들은 움직임을 제한하여 에너지를 보존하도록 선택할 수도 있습니다.

이러한 ‘스트레스’ 조건은 기질 존재 감소, 최적이 아닌 환경, 더 높은 생명체에 의한 일상적인 포식을 포함하며 질화 반응기 내에서 확실히 일어날 수 있습니다. 사실, 이 시스템의 성공은 아마도 이 스트레스와 표면 부착을 향한 질산화제의 결과적인 이동에 달려 있을 것입니다. 질산화 균들이 잘 부착되는 것만이 자유 수영하는 질산화제의 불가피한 손실을 피할 수 있는 유일한 수단이기 때문입니다.

바이오 필름 색깔

질산화 생물 막(때때로 질화 반응기에서 추출된 배지에 있음)은 갈색에서 주황색 갈색을 띠는 경향이 있으며, 이는 질산화 균의 비율이 증가함에 따라 적갈색으로 짙어집니다. 짙은 갈색이나 검은색은 산소가 부족하거나 너무 두꺼운 필름에 문제가 있음을 나타냅니다.

바이오 필름 두께

몇 밀리미터를 훨씬 넘는 두꺼운 필름(때때로 질화 반응기에서 가져온 배지에 있음)은 급박한 문제를 의미하며, 특히 필름의 하부 지층이 짙은 검은색으로 나타나는 경우에 그렇습니다.

바이오 필름 냄새

생물막은 가정용 수족관에서 발견되는 바닥 자갈처럼 흙과 냄새가 나야 합니다. 특히 신맛이나 불쾌한 냄새는 최적이 아닌 환경 조건(예: 정화조 문제 등)을 알려주는 지표입니다.

질산화에 문제를 야기하는 환경적 요소

슬러지 축적은 과도한 사료와 배설물로 인해 발생합니다. 슬러지 축적은 물고기의 이취를 유발합니다. GES 양식 시스템 기술에는 슬러지 및 기타 유기 물질을 소화하는 박테리아가 포함되어 있습니다. 이것은 질산화와 전반적인 수질을 극적으로 개선하고 이취와 질병을 최소화합니다.

몇 년에 걸쳐 질산화에서 생성된 산(양식 수조에서는 낮은 확률로 일어남)은 물 속이 덜 비옥해지고 비료에 잘 반응하지 않는 지점까지 물의 총 알칼리도를 감소시킬 수 있습니다(Hunt and 보이드 1981). 이 문제는 석회로 쉽게 수정됩니다.

광원(Light)

암모니아를 산화시키는 ‘질산화 균’은 근자외선으로 알려진 광 스펙트럼 영역에 민감합니다(Alleman, 1987). 이 부정적인 영향의 정확한 원인은 알려져 있지 않지만 정체된 막 산소와 함께 생성되는 과산화 라디칼과 관련이 있을 수 있습니다. 그러나 빛의 영향을 받는 ‘질산화균’의 경우 회복이 가능하며 이 동안 이러한 박테리아는 사용 가능한 에너지 생성 기질이 있는 상태에서 몇 시간 동안 재활합니다.

빛 노출(Light Exposure)

이상적으로, 질산화균은 햇빛이나 적색 이외의 실내 조명(예: 암실 조명)에 노출되어서는 안 됩니다. 그러나 부착된 생물막으로 성장할 때 박테리아 층에 의해 제공되는 상당한 음영은 스트레스가 많은 빛으로부터 하등 유기체를 보호할 것입니다. 따라서 빛 노출에 대한 이 권장 사항은 다소 보수적입니다.     

억제제(Inhibitors)

중금속, 금속 킬레이트제 또는 결합제(특히 구리), 이황화탄소, 유리 암모니아 및 유리 아질산.

복합 대사 기능(Co-Metabolism)

질산화균은 산업 및 유해 폐기물을 적어도 어느 정도 분해하는 능력을 가질 수 있습니다. 이 활동에 대한 미공개 추정치는 질산화균이 복합 대사된 탄화수소의 형태로 일일 질소 섭취량의 10분의 1만큼 분해할 수 있음을 시사합니다(Hyman, 1991).

알칼리도(Alkalinity)

알칼리도 농도는 앞서 언급한 pH 측정을 보완하기 위해 종종 확인할 수 있습니다. 중탄산염 알칼리도 농도는 CaCO3/L로 ~ 100~200mg이 적절합니다.

총경도는 물 속의 칼슘(Ca2+)과 마그네슘(Mg2+)의 농도로 정의됩니다. 알칼리도 및 pH와 밀접한 관련이 있으며 충분한 경도 농도는 암모니아 및 pH 독성을 감소시킬 수 있습니다. 칼슘은 또한 적절한 알과 치어의 성장에 필요합니다.

암모니아질소(Ammonia)

수중의 총 암모니아 질소(NH4+ + NH3) 농도를 일상적으로 측정해야 합니다. Nesslers 시약(Standard Methods, 1975)을 사용한 단순한 육안 비색 분석이 적절하며 원하는 결과는 색상이 전혀 없거나 매우 희미한 노란색입니다. 이상적으로는 총암모니아 농도가 지속적으로 0.1~0.2 mg N/L 미만이어야 합니다. Nesslers 테스트의 옅은 노란색은 ~ 1 mg N/L 범위에서 허용할 수 없을 정도로 높은 암모니아-질소 농도를 나타냅니다.

아질산질소(Nitrite)

수중의 NO2-N 농도를 일상적으로 측정해야 합니다. Hach Chemical Company는 이 테스트에 사용할 수 있는 편리한 시약 NitriVer를 판매합니다. 이상적으로는 이러한 시스템에서 아질산염이 거의 발견되지 않아야 합니다. 증가된 아질산염 농도(0.1mg N/L 농도 이상)는 전체 질산화 시퀀스 내에서 대사 장애를 나타냅니다.

질산염질소(Nitrate)

여기에서도 수중의 NO3-N 농도를 항상 측정해야 합니다. Hach Chemical Company는 또한 질산염에 대한 시약 NitraVer를 판매합니다. 희석액 및 보충수의 추가에 비해 희석되기는 하지만 질산염은 탱크에 축적될 것으로 예상됩니다.

소금 삼투압

질산균은 특정 형태에 따라 민물부터 식염수까지 삼투압의 허용 범위가 상당히 넓습니다. 게다가, 많은 질산화균들은 그들의 활동에 거의 영향을 미치지 않는 한 특정 염분 농도에서 다른 염분 농도로 빠르게 적응할 수 있는 것으로 보입니다.

pH

양식 수조의 pH는 대부분 7~8이기 때문에 이 무기 탄소의 대부분은 수조에서 대부분 중탄산염 형태로 존재합니다. 다양한 형태의 질소의 존재와 풍부함은 pH, 산소 농도 및 특정 형태의 N을 생산하거나 소비할 수 있는 유기체의 영향을 받습니다. 높은 농도의 1차 생산을 유지하기 위해서는 플랑크톤의 필요성과 영양소가 공급되어야 하며 다른 영양공급원으로부터 공급되어야 한다고 강조되어 왔다. 어류나 다른 수생생물에서 나오는 암모니아와 같은 질소 대사물은 수질을 감소시킬 수 있다.

암모니아, 아질산염의 독성은 pH가 상승할수록 악화될 수 있습니다. 암모니아, 아질산염 독성 및 pH 간의 상승 작용이 높은 pH의 수조에서 독성 또는 치사성 스트레스를 유발할 수 있습니다. 이것은 특히 낮은 알칼리도 수조에서 문제가 될 수 있는데 이 수조는 pH의 다이엘 이동이 심하다. 질소 독성은 요소보다 수조에 사료가 공급될 때 더 가능성이 높습니다.

알칼리도는 pH의 증가 없이 산을 중화하는 물의 능력입니다. 이 매개변수는 염기, 중탄산염(HCO3-), 탄산염(CO3–) 그리고 드문 경우이지만 수산화물(OH-)의 측정값입니다. 총 알칼리도는 탄산염과 중탄산염 알칼리도의 합입니다. 어떤 물은 중탄산염 알칼리도만 포함하고 탄산염 알칼리도는 포함하지 않을 수 있습니다.

탄산염 완충 시스템은 사용되는 생산 방법에 상관없이 양식장에서 중요합니다. 광합성이 주요 자연 산소 공급원인 연못 생산에서 탄산염과 중탄산염은 잉여 이산화탄소의 저장 영역입니다. 이산화탄소를 완충씨스템에 저장함으로써 그것은 광합성을 감소시키고 다시 산소 생산을 감소시킬 수 있는 제한적인 요소가 결코 아닙니다.

또한, 이산화탄소를 저장함으로써 완충시스템은 매일 pH의 큰 변동을 방지합니다. 광합성이 거의 존재하지 않는 재순환 시스템에서 좋은 완충 능력은 과도한 이산화탄소 유입과 pH의 치명적인 감소를 예방할 수 있습니다. 양식업자는 메기 생산을 위해 최소 20ppm의 총 알칼리도 값을 유지하는 것이 좋습니다. 하이브리드 줄무늬 농어의 경우 최소 80-100ppm의 더 높은 알칼리도가 제안됩니다. 자연적으로 알칼리도가 낮은 물 공급의 경우 농업용 석회를 첨가하여 물의 완충력을 높일 수 있습니다.

물의 경도는 알칼리도와 유사하지만 다른 의미를 나타냅니다. 경도는 주로 칼슘과 마그네슘의 척도이지만 알루미늄, 철, 망간, 스트론튬, 아연 및 수소 이온과 같은 다른 이온도 포함됩니다. 경도 농도가 탄산염과 중탄산염 알칼리도를 합한 것과 같을 때 탄산염 경도라고 합니다. 탄산염과 중탄산염 알칼리도의 합보다 큰 경도 값을 비탄산 경도라고 합니다. 수생 생물의 최적 성장을 위해서는 최소 20ppm의 경도 값을 유지해야 합니다. 낮은 경도는 분쇄된 농업용 석회를 첨가하면 증가시킬 수 있습니다.

기간 pH 알칼리도

질산화 박테리아의 pH 선호도 때문에 담수시스템과 해수시스템은 암모니아/아질산염을 축적하는 방법이 다릅니다. 해양 양식업자들은 아질산염 수치에 특히 주의를 기울여야 하며 담수 양식업자들은 암모니아에 주의해야 합니다. pH의 안정성은 박테리아에게 매우 중요합니다. 질산화를 통해 중탄산염이 감소하고 이산화탄소가 증가하여 pH가 낮아집니다. 알칼리도가 초기에 낮으면 pH 변동이 클 수 있습니다. 100-200 mg/L의 초기 중탄산염 농도가 바람직합니다.

수중 암모니아 변동

Hargreaves(1997)가 개발한 기계론적 모델은 채널 메기 수조에서 흔히 볼 수 있는 암모니아 농도의 세 가지 다른 경향을 예측합니다.

총 암모니아 농도는 일반적으로 어류의 성장에 따라 사료 공급량이 증가하기 때문에 여름 성장 시즌 동안 증가합니다(어류의 바이오매스 증가에 의한 암모니아 배설율 증가의 결과).

총 암모니아 농도는 어체중이 늘어남에 따라 증가합니다. 사료 공급 속도가 증가함에 따라 어류 배설물에서 더 많은 암모니아가 생성되고 평균 총 암모니아 농도가 증가하는 경향이 있습니다.

평균 총 암모니아 농도는 사료 단백질 수준이 증가함에 따라 증가합니다. 이것은 사료 단백질 수준이 증가함에 따라 단백질이 체내 단백질을 생성하기 보다는 에너지원으로 점점 더 많이 사용되기 때문에 물고기에 의한 단백질 질소 보유 감소의 결과입니다(사료 단백질 비율이 증가함에 따라 더 많은 암모니아가 물고기에 의해 배설됨)

가을과 봄에 메기 수조에 아질산염 축적 – 상업용 메기 수조에서 반복적으로 관찰되었습니다.

이 모델은 아질산염 농도가 가장 높은 시기에 해당하는 가을과 봄에만 질산화가 암모니아의 중요한 흡수원임을 나타냅니다.

질산화율의 가을과 봄 피크는 수온과 기질 가용성의 상호작용에 의한 질화율의 조절 때문인 것으로 보여집니다. 겨울에는 질산화를 위한 기질이 일반적으로 풍부함에도 불구하고 겨울의 질산화는 낮은 수온에 의해 제약을 받습니다. 여름에는 수온이 질산화에 유리하지만 기질은 종종 바이오 여재의 식물성 플랑크톤 흡수를 제한하여 일반적으로 암모니아 농도를 상대적으로 낮게 유지하는 역할을 합니다.

메기 수조의 바닥 수면의 용존 산소 농도는 수온과 물고기 먹이 속도가 연중 최대인 한여름 동안 만성적으로 과포화됩니다(순 효과 = 침전물의 산소 침투 깊이 감소).

시판중인 질화박테리아

GES 양식 시스템 기술은 생물학적 질산화를 통해 사료 및 분변에서 축적된 유기물을 분해하고, 수용성 유기 오염물질을 제거하며, 암모니아를 줄이는 데 사용됩니다.   

아질산염이 존재하거나 만성적으로 높은 아질산염이 있는 시스템에서는 물고기가 아질산염 독성에 의해 피해 보는 것을 방지하기 위해 염화물이 첨가되기도합니다. 황산동은 양식 시스템에서 살조제 및 살균제로 자주 사용되지만 높은 농도의 동(Cu)은 물고기에게 독성이 될 수도 있습니다. 높은 pH와 알칼리도는 동을 복잡하게 만들어 독성을 줄이는 데 도움이 됩니다. 낮은 염화물 및 용존 산소 농도와 결합된 높은 아질산염 농도는 갈색 혈액 질환으로 더 잘 알려진 메트헤모글로빈혈증을 유발할 수 있습니다. pH에 대한 가장 큰 우려는 그것이 아질산염과 암모니아를 포함한 다른 많은 물질의 독성에 어떻게 영향을 미치는가입니다.

질화 박테리아인 Eco-ST를 사용하면 암모니아를 처리하고 시스템 내의 유기 슬러지를 줄일 수 있습니다. Eco-ST는 사료 전환과 소화를 돕습니다. 과도한 사료와 배설물의 축적이 감소합니다. 탁도가 줄어들고 물이 맑아집니다. 탄산칼슘과 높은 pH에서 미생물의 사멸로 인해 불용성 인 미립자가 생성됩니다. 이것은 조류와 박테리아의 병원성 균주에 사용할 수 있는 생물학적 이용 가능한 영양소의 양을 감소시킵니다.

어류 부화장, 어류 및 새우 양식장 및 수족관에서 사용하기에 이상적입니다. 양식시스템의 물을 개선하고 암모니아 농도, 질산염, 조류 및 슬러지 축적을 줄이고 감염 위험을 줄이고, 생존율을 개선하며, 독성 암모니아로 인한 폐사 손실을 줄이고 성장 주기 사이에 연못 바닥을 산화시키는 데 필요한 시간을 줄이거나 제거합니다. 초기 제품 적용시 일시적으로 생물학적 산소 요구량을 증가시킬 수 있으므로 유익한 미생물 종의 형성을 촉진하기 위해 표면 아래 충분한 산소를 제공하는 것이 좋습니다. 최소 3%의 용존 산소 농도가 필요합니다.

아질산염 농도가 높은 시스템에서는 물고기가 아질산염 독성에 빠지는 것을 방지하기 위해 염화물이 종종 첨가됩니다.

어떤 질화균들이 양식에 사용되나요?

질화균으로 알려진 Eco-ST에는 암모니아(NH3) 및 아질산염(NO2-)을 포함하여 주변 환경에서 잠재적으로 유독한 질소 화합물을 제거하여 수생과 토양 생태계에서 중요한 역할을 합니다. 이 질산화 계열의 균들은 섬세한 생화학적 산화를 통해 질소 화학 물질을 연속적으로 변형시켜 최종적으로 수용성 질산염(NO3)을 최종 대사물로 생성합니다.

그러나 이러한 박테리아에 대한 우리의 현재 지식은 지난 세기 동안 상당히 향상되었습니다. 그것의 생화학적 근원을 발견한 직후, 연구자들은 질산화를 담당하는 두 개의 분리된 박테리아 동반자를 밝혀냈습니다. 각 파트너는 서로에게 결정적으로 의존하며, 각각은 메마른 기질에서 영양분을 찾습니다. 이 두 박테리아는 모두 다른 박테리아가 주요 에너지원으로 사용할 수 없는 화학 물질을 먹고 사는 결석영양성미생물(그리스어로 ‘암석식자’로 번역됨) 입니다. 잠재적인 독소로 종종 간주되는 화학 물질을 사용하는 이 특히 스파르타적 식단을 제외하고, 그 중간 및 최종 생성물은 유사하게 특이합니다. 아마도 가장 주목할 만한 것은, 리드 유기체가 실제로 위험한 돌연변이 유발 물질(하이드록실아민, NH2OH)을 만들고 재 섭취한다는 것입니다. 그러므로 그것의 특이한 생활 방식에 대한 우리의 전반적인 인식을 기반으로, 대부분의 교과서에서 제공되는 질산화균에 대한 통념은 연약하고 매우 민감한 삶의 형태를 묘사하고있습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 수집된 증거들은 이 이미지를 강하게 반박합니다. 사실, 이러한 특이한 미생물에 대한 최근의 발견은 강력하고 신진대사가 민첩한 미생물로써 매우 다른 행동 양상을 보여줍니다.

암모니아 산화균(질화균) 및 가지 아질산염 산화균

어류에 의해 생성된 폐기물은 소화하기 쉬운 입자성 물질, 용해된 질소 화합물, 물고기 배설물과 분해된 사료로부터 파생된 인의 미세한 첨가물로 구성됩니다. 해결 방법으로는 박테리아와 조류의 자연 개체군이 저수지와 흙 웅덩이(따라서 녹색 물)에서 번성함으로써 이루어집니다. 이들은 유기폐기물을 종속영양 분해한 뒤 특정 세균(Nitrosomonas sp. 및 Nitrobacter sp.)에 의해 질화 및 탈질소화를 통해 암모니아를 아질산염 및 질산염으로 산화시킵니다.

질산화의 일반 경로

일반 대사 경로

한 세기에 걸친 집중적인 연구 후에도 현대 미생물학자들은 여전히 질산화 시퀀스가 처음 시작되는 방법을 완전히 이해하지 못하고 있습니다. 특히, ‘질산화균’의 초기 기질 형태에 대해 지속적인 혼란이 있습니다.

대부분의 교과서에서는 질산화가 이온화된 암모늄-질소(NH4+-N)에서 시작된다고 나와 있습니다. 그러나 Suzuki의 연구(Suzuki, et al., 1974)는 상승된 기질 수준에 대한 유기체의 반응 분석에 기초하여 ‘질산화’ 선도 유기체가 기체 상태에서 결합된 암모니아(NH3)를 사용했다고 주장합니다. 더욱이, 이 행동은 유사하게 기체 메탄을 섭취하는 유전적 ‘메탄영양’ 사촌과도 일치하는 것으로 보입니다.

그러나 이 순서를 따라 발견되는 화학적 중간체는 측정 가능하거나 유의미한 농도로 나타나지 않는다는 것은 사실입니다. 예를 들어, 중간 생성물인 아질산염 농도는 리터당 밀리그램 범위에도 거의 도달하지 않습니다(Alleman, 1985). 따라서 전체 프로세스는 일반적으로 NH3에서 NO3-로의 단일 단계 점프로 간주될 수 있습니다.

그러나 특정 조건에서는 완전한 질화 반응이 중단되어 하나 이상의 중간체에 대해 높은 농도가 발생하는 것을 생각해 볼 수 있습니다. 다양한 스트레스 조건은 산소 결핍 또는 독성물질 존재를 포함하여 이러한 유형의 파괴를 촉진할 수 있습니다.

질소 고정의 주요 경로는 다음과 같습니다.

(1) 대기 중 전기 방전에 의한 질소 산화물로 고정
(2) 콩과 식물의 뿌리와 콩과 식물이 아닌 식물에 공생 관계로 사는 박테리아에 의한
 고정
(3) 특정 자유생물 박테리아 및 남조류에 의한 고정
(4) 합성 질소 비료 제조 중 질소의 산업적 고정

그림 2.15. 양식 연못의 질소 순환. 조류와 물고기 사이의 먹이 사슬을 생략하여 그림을 단순화했습니다. 예시된 주요 과정은 (a) 동화, (b) 광물화, (c) 배설, (d) 질화, (e) 질산염 환원, (f) 탈 질소화, (g) 생물학적 질소 고정, (h) 진흙 양이온 교환 반응에서의 암모늄 흡착, (i) 암모니아 휘발성이다

콩과 식물과 관련된 공생에 의한 질소 고정은 양식에서 고정 질소의 중요한 공급원입니다. 현대 양식의 대부분은 대두박을 기반으로 하는 제조된 사료의 사용에 의존합니다.

• 양식 수조로 유입되는 질소의 대부분은 외부(동종) 공급원에서 나옵니다.

• 수조에서 질소는 합성 비료나 질소가 풍부한 분뇨로 인해 추가됩니다.

• 사료 공급이 가능한 수조에서 거의 모든 질소 유입량은 사료 단백질에서 비롯됩니다.

일반적인 값으로 사료 중 질소의 약 25%가 어류 생산에서 회수되거나 반대로 사료 질소의 약 75%가 어류 폐기물로 수중으로 배출됩니다. 폐질소의 대략 80%는 암모니아 형태로 수조에 들어가며, 이는 수생 동물이 배설하는 일차적인 질소성 폐기물입니다(Folke and Kautsky 1989). 일부 동물은 폐질소를 요소로 배출할 수 있지만 그 화합물은 빠르게 암모니아로 가수분해됩니다.

질소는 또한 배설물과 먹지 않은 사료를 통해 물에 들어가지만 암모니아는 이러한 물질에서 빠르게 방출됩니다. 따라서 사료가 투입되는 수조에 들어가는 질소의 초기 형태로 암모니아를 고려해야 합니다.

사료는 질소가 25%, 단백질이 30% 함유되어 있다고 가정하면 수조에 유입되는 총 폐기물 질소는 사료 kg당 약 36mg의 질소가 됩니다.

광물화

상당한 양의 죽은 식물성 플랑크톤 세포, 물고기 배설물, 먹지 않은 사료 및 기타 유기 물질들이 수조 바닥에 가라앉습니다. 질소 함유 유기 물질의 일부는 수조 바닥 토양에 축적되지만 대부분의 물질은 빠르게 분해되고 질소는 환경으로 다시 배출됩니다.

광물화로 인한 암모니아 생산 속도는 온도, pH, 산소 가용성, 유기물의 양과 질에 따라 달라집니다.

속도는 일반적으로 약 40℃까지 온도가 증가함에 따라 증가하고 분해 속도는 중성에 가까운 pH에서 약 염기성인 pH에서 가장 빠릅니다.

분해되는 유기 물질의 양이 증가함에 따라 암모니아 생성이 증가하고 질소가 부족한 물질보다 고품질의 질소가 풍부한 물질에서 더 많은 암모니아가 방출됩니다.

산소 분자가 없을 때 많은 종속영양 박테리아는 호흡에서 말단 전자 수용체로 산소를 대신 사용하거나 질산염 또는 기타 산화된 형태의 질소를 사용할 수 있습니다.

탈질산화 = 기체 형태의 질소(N2)가 환원의 산물이고 시스템에서 손실되는 경우.

   NO3- ‡ NO2- ‡ N2O2 ‡ N2O ‡ N2 [10]

지난 몇 년 동안 이 탈질 기능을 발견한 이후로도 질산화 장치의 탈질 기능에 대한 우리의 인식과 이해는 솔직히 빈약합니다. 이 시점에서 질산화균의 탈질소화는 종종 완전한 질산염 또는 아질산염을 질소 가스로 환원하지 못하는 것으로 보입니다.   

대신에, 그들의 ‘탈질화’ 행동은 기체 상태의 이산화질소 생성물을 생성하는 것으로 보이며, 이는 차례로 온실 현상에 중요한 기여를 할 수 있습니다. 질산염 환원은 일반적으로 수중이 아닌 수조 바닥 진흙에서 발생하는 혐기성 과정입니다. 질산염 감소를 담당하는 박테리아는 종속영양생물이며 성장을 위해 유기탄소가 필요하기 때문에 질산염 감소율은 유기물의 농도에 따라 달라집니다. 질산염 환원은 25-35℃의 온도와 6-8의 pH 값에서 가장 빠르게 진행됩니다.



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