Il Ciclo dell’azoto 2.0: l’influenza del Carbonio

8 settembre 2017

La nitrificazione é fortemente inibita dalla presenza di sostanza organica e della flora batterica eterotrofa in competizione con i batteri nitrificanti per l’ossigeno e per lo spazio.

Negli impianti d’acquacoltura in sistema chiuso le concentrazioni di sostanza organica (sia disciolta che particellata) e di ammoniaca sono strettamente dipendenti dalle caratteristiche zootecniche (biomassa allevata, indice di conversione dell’alimento, tasso di alimentazione e tipologia di alimento, fisiologia della specie allevata, efficienza della filtrazione meccanica, ecc.). Ciò porta ad avere un rapporto C/N (carbonio organico/azoto inorganico) stabile e relativamente ben definito, che può essere controllato e gestito.

Di seguito i risultati di una ricerca per studiare e quantificare l’influenza del rapporto C/N (carbonio/azoto) del substrato in ingresso nei biofiltri sia sull’efficienza della filtrazione biologica, sia sull’abbondanza dei batteri eterotrofi nei filtri biologici usati in acquacoltura.

L’esperimento è stato condotto utilizzando quattro filtri biologici pilota identici, riempiti con un supporto filtrante microporoso chimicamente inerte. Il supporto è stato esposto per due mesi ad un flusso continuo di acqua arricchita di ammoniaca al fine di favorire colonizzazione da parte di un biofilm multispecifico nitrificante.

Ai sistemi sono stati imposti diversi livelli di C/N agendo sulle concentrazioni di sostanza organica e ammoniaca.

Le analisi chimiche dell’acqua per i nutrienti (ammoniaca, nitriti e nitrati) sono state condotte come descritto da Treguer e La Corre (1974). L’efficienza di filtrazione è stata valutata come TAN (Total Ammonia Nitrogen) removal rate utilizzando la seguente formula:

 

TAN removal rate (g/m3 giorno) = [TAN]in – [TAN]out × Q / V

 

dove [TAN]in e [TAN]out rappresentano la concentrazione dell’ammoniaca e dello ione ammonio in entrata ed in uscita del filtro (N-NH4 g/m3), Q il flusso dell’acqua (m3/giorno) e V il volume del supporto filtrante (m3). La densità batterica eterotrofa è stata valutata tramite CFU (Colony Forming Units).

I risultati di questo studio preliminare hanno dimostrato una perdita nell’efficienza di filtrazione (TAN removal rate) del 58% quando il rapporto C/N passa da 0 a 0,5. Benché la diminuzione dell’efficienza risulti meno evidente all’aumentare del rapporto C/N (Fig. 1) i risultati sono significativamente differenti fra tutti i C/N testati (P=0,01). La diminuzione del TAN removal rate viene ulteriormente evidenziata dalla diminuzione della produzione di nitrati.

L’incremento del rapporto C/N porta ad un aumento della flora batterica eterotrofa fissata sul supporto filtrante che passa da 4,9×102 CFU/grammo di supporto filtrante (C/N 0) a 4,4×104 CFU/grammo di supporto filtrante (C/N 2), mentre i batteri rilasciati dal filtro passano da 4,9×102 CFU/ml a 3×105 CFU/ml (P = 0,014)

Esiste, dunque, una relazione lineare fra la biomassa fissata sul supporto filtrante e quella che si libera dai filtri.

Risulta interessante notare come il filtro, quando sottoposto ad un arricchimento con un C/N 0, si comporti anche da filtro meccanico trattenendo batteri e solidi sospesi, mentre quando il C/N aumenta i filtri diventano produttori di biomassa batterica.

Conclusioni

L’efficienza di filtrazione dei filtri biologici pilota si è rivelata, nel complesso, paragonabile a quella di filtri biologici di dimensioni maggiori utilizzati negli allevamenti, in cui in rapporto C/N è mediamente di 0,8. L’effetto inibitore della sostanza organica, messo in evidenza da Zhu e Chen (1999, 2001) utilizzando il saccarosio, è stato confermato in questo lavoro anche per quanto riguarda la sostanza organica, particellata.

Il processo di nitrificazione risulta sicuramente inibito dall’aumento della biomassa batterica eterotrofa che compete con i batteri nitrificanti, per lo spazio e per l’ossigeno, ma anche per l’ammoniaca (nitrificazione eterotrofa).

I batteri eterotrofi moltiplicandosi migliaia di volte più velocemente di quelli nitrificanti, se supportati da una adeguata quantità di carbonio, possono svilupparsi nelle parti superficiali del biofilm, rendendo difficile la diffusione dei soluti attraverso la matrice esopolisaccaridica verso gli strati inferiori, dove si trovano i

batteri nitrificanti.

I risultati ottenuti in questo lavoro preliminare hanno permesso di aumentare i dati disponibili riguardo gli effetti della sostanza organica nei filtri biologici e, dunque, di integrare tali informazioni per il dimensionamento dei filtri biologici negli allevamenti.

Inoltre, i dati di densità batterica sono stati inseriti in un modello di funzionamento del compartimento batterico nei RAS, attualmente in fase di sviluppo.

  1. Michaud, A. Lo Giudice, V. Bruni, J.P. Blancheton

Dipartimento di Biologia Animale ed Ecologia Marina, Università di Messina

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