آبزی‌پروری به روش سنتی، مواد غذایی زیادی برای انسان فراهم می‌کند اما یکی از معایب آن تولید مقادیر زیاد فاضلاب است. در این راستا پژوهشی در زمینه استفاده از میکروجلبک‌ها برای اصلاح پساب، تولید زیست‌توده و کنترل کیفیت آب انجام شده است. در این بررسی توصیف سیستماتیک فناوری‌های مورد نیاز آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها، پیشرفت‌های اخیر و همچنین اصول آبزی‌پروری مورد بحث قرار گرفته است.
در سال‌های اخیر، کاهش منابع شیلات وحشی باعث پیشرفت سریع آبزی‌پروری در سراسر جهان شده است. پیش‌بینی می‌شود که در آینده، آبزی‌پروری به اصلی‌ترین صنعت ارائه کننده آبزیان تبدیل شود. با این حال گسترش مداوم مقیاس آبزی‌پروری و افزایش تولید آبزیان، باعث تولید مقادیر زیادی پساب و بروز مشکلات آلودگی آب شده است که یک خطر جدی برای محیط زیست به شمار می‌آید و پایداری جهانی را تهدید می‌کند. علاوه بر این در عمل آبزی‌پروری شیوع بالای بیماری‌ها نیز مشاهده می‌شود که خطرات تجاری کل صنعت را افزایش می‌دهد. از جهت دیگر استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها، داروها و یا تعویض آب باعث افزایش هزینه آبزی‌پروری می‌شود. برای غلبه بر مشکلات محیط زیست و هزینه‌های اقتصادی و بهبود بقای آبزیان تلاش‌های زیادی صورت گرفته است.
روش‌های ساده برای کنترل آلودگی فاضلاب آبزیان شامل فناوری‌های اصلاح محیطی مانند هوادهی، فیلتراسیون، دستگاه‌های بی‌هوازی و. .. است؛ اما تصفیه فاضلاب توسط این فناوری‌ها با مصرف انرژی و سرمایه‌گذاری زیاد، باعث افزایش کل هزینه‌های آبزی‌پروری می‌شود. بعضی از فناوری‌ها نیز ممکن است مقدار زیادی دی‌اکسید کربن و لجن تولید کنند و باعث آلودگی ثانویه محیط زیست شوند.
در صنعت آبزی‌پروری از آنتی‌بیوتیک‌ها و داروها برای جلوگیری از بیماری‌ها و کاهش خطرات آبزی‌پروری استفاده می‌شود. با این حال، استفاده بیش از حد آنتی‌بیوتیک‌ها یا داروها ممکن است بر کیفیت گوشت آبزیان اثر منفی بگذارد و باعث ایجاد مشکلات ایمنی در مواد غذایی شود. همچنین تجمع آنتی‌بیوتیک‌های باقی‌مانده در آب نیز ممکن است محرک مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها و حتی باعث ایجاد بلایای زیست‌محیطی شود؛ بنابراین در سال‌های اخیر محققان، علاقه‌مند به توسعه فناوری‌های اقتصادی مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست هستند و همچنین مقابله با مشکلات موجود در آبزی‌پروری در سراسر جهان رو به رشد است.
نقش میکروجلبک‌ها در آبزی‌پروری
میکروجلبک‌ها می‌توانند به‌طور مؤثر مواد مغذی موجود در آب را جذب کنند و ثابت شده است که یک راهکار خوب برای تصفیه پساب آبزیان هستند. عملکرد عالی میکروجلبک‌ها برای جذب مواد مغذی به‌طور گسترده‌ای در اصلاح پساب صنعت مواد غذایی، زباله‌های کشاورزی، فاضلاب‌های شهری و بسیاری از انواع دیگر فاضلاب مشاهده شده است. در سال‌های اخیر مطالعات بیشتر، نقش سودمند میکروجلبک‌ها در پساب‌های آبزی‌پروری را تأیید می‌کند. علاوه بر تصفیه پساب‌ها، میکروجلبک‌ها می‌توانند اجزای دیگری از جمله پروتئین، لیپید و رنگ‌دانه‌های طبیعی را نیز سنتز کنند. مطالعات نشان داد که سویه‌هایی از جمله Chlorella Sp ،Dunaliella Sp و Scenedesmus Sp برای تولید اجزای با ارزش و همچنین به‌عنوان جایگزین بخشی از خوراک برای آبزی‌پروری و تقویت ایمنی آبزیان استفاده می‌شود.
از مزایای دیگر میکروجلبک‌ها این است که ظرفیت بالایی برای تولید اکسیژن دارند و می‌توانند مانند یک پمپ زیستی برای هوادهی در آب عمل کنند، در نتیجه کیفیت آب در عمل آبزی‌پروری می‌تواند به‌درستی کنترل شود و از کاهش اکسیژن جلوگیری می‌کند. با توجه به مزایای فوق، استفاده از میکروجلبک‌ها برای اصلاح پساب آبزی‌پروری اخیراً مورد توجه قرار گرفته است و در سال‌های اخیر استفاده از میکروجلبک‌ها برای آبزی‌پروری پیشنهاد شده است و تلاش‌های زیادی برای ارتقاء و اجرای صنعتی آن انجام شده است.
در این مقاله استفاده از میکروجلبک‌ها برای توسعه پایدار صنعت آبزی‌پروری، فناوری‌ها و مکانیسم‌های مرتبط با آبزی‌پروری بحث شده است. انتظار می‌رود که اجرای صنعتی فناوری میکروجلبک‌ها در آینده نزدیک بتواند روشی امیدوارکننده برای غلبه بر مشکلات آبزی‌پروری سنتی باشد و کل صنعت آبزی‌پروری را برای پایداری جهانی ارتقاء دهد. برای این کار یک بررسی پیشرفته در مورد استفاده از میکروجلبک‌ها که نقش مهمی در کنترل کیفیت آب، تولید خوراک آبزی‌پروری و بازیابی مواد مغذی دارند انجام شده است.
پیشرفت‌های آبزی‌پروری سنتی
اگرچه آبزی‌پروری سنتی سهم به‌سزایی در عرضه محصولات آبزی دارد، اما مشکلات مربوط به حفاظت از محیط زیست و ایمنی مواد غذایی به‌طور جدی توسعه پایدار آن را در آینده محدود می‌کند. مشکلاتی که معمولاً در صنعت سنتی آبزی‌پروری رخ می‌دهد، شامل آلودگی آب و استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها است. به‌طور معمول آلودگی آب از سه جهت اتفاق می‌افتد:
- افزودن مقدار زیادی خوراک آبزی‌پروری سنتی که از زیست‌توده‌های غنی از پروتئین و لیپید تشکیل شده و ممکن است توسط آبزیان به‌طور کامل خورده نشود و به‌صورت مواد مغذی محلول در آب باقی بمانند.
- آلودگی آب ممکن است مربوط به پسماندهای دفع شده توسط آبزیان باشد.
- در سیستم آبزی‌پروری بسته باید سم‌زدایی انجام شود، چون وجود برخی از سیانوباکتری‌ها باعث مصرف اکسیژن می‌شوند و در عین حال سم تولید می‌کنند.
کنترل کیفیت آب
ساده‌ترین روش برای کنترل کیفیت آب در آبزی‌پروری، جایگزینی مکرر آب است. با این حال در صنعت آبزی‌پروری به‌دلیل پایین بودن سود و هزینه بالا، کاربرد این روش محدود است. تصفیه فاضلاب برای استفاده مجدد از آب یک روش ممکن برای کاهش تعویض آب و کنترل هزینه بهره‌برداری از سیستم آبزی‌پروری است.
در مطالعه‌ای که توسط Mirzoyan و همکارانش انجام شد، نشان داده شد که با استفاده از روش‌های بی‌هوازی میزان لجن حاصل از آبزی‌پروری به ۷۰ درصد کاهش یافته است. با این حال از نظر بازیابی مواد مغذی این فناوری‌های سنتی برای تصفیه توصیه نمی‌شود. مثلاً کربن‌های آلی موجود در پساب‌های حاصل از آبزی‌پروری با استفاده از تصفیه هوازی و بی‌هوازی به دی‌اکسید کربن و متان تبدیل می‌شود. در نتیجه این نوع از پساب‌ها باعث انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود و از منابع موجود در پساب نمی‌توان مجدداً استفاده کرد.
استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها و داروها برای پرورش آبزیان
با توجه به محیط نامطلوب ناشی از آلودگی آب، آنتی‌بیوتیک‌ها برای کنترل بیماری آبزیان استفاده می‌شود. آنتی‌بیوتیک‌هایی که معمولاً برای آبزی‌پروری مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل آمپی‌سیلین، اگزاسیلین، پنی‌سیلین، سفازولین و … است. یکی از مشکلاتی که با استفاده کردن این داروها به‌وجود می‌آید، وجود باقی‌مانده‌های آنتی‌بیوتیک مصرف شده در محصولات آبزی است که با افزایش مصرف، میزان باقی‌مانده دارویی نیز افزایش می‌یابد.
با توجه به بررسی‌های انجام شده در بعضی از موارد آنتی‌بیوتیک‌ها ممکن است در درمان نقشی نداشته باشند، چون به مرور زمان و مصرف مداوم داروها باعث ایجاد مقاومت آبزیان در برابر این آنتی‌بیوتیک‌ها می‌شود. مطالعات قبلی عمدتاً بر روی از بین بردن آنتی‌بیوتیک‌ها یا داروها توسط فناوری‌های معمولی، مانند فرایندهای بیولوژیکی بی‌هوازی و هوازی است. در حالی‌که تلاش چندانی در کاهش استفاده از منبع آنتی‌بیوتیک‌ها یا داروها نمی‌کردند.
مزایای آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها
مفهوم آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها، تبدیل مواد آلی موجود در پساب‌ها به زیست‌توده ها به‌وسیله رشد میکروجلبک‌ها و همچنین بهره‌برداری از این زیست‌توده‌ها برای جایگزینی بخشی از خوراک آبزی‌پروری و تقویت ایمنی آبزیان است. از مزایای دیگر استفاده از سیستم میکروجلبک این است که می‌تواند شبیه یک پمپ زیستی عمل کند و باعث تسریع در دفع دی‌اکسید کربن، تولید اکسیژن و ایجاد یک محیط مناسب برای آبزیان شود. طرح ویژه آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها در شکل زیر نشان داده شده است.
استفاده از میکروجلبک‌ها برای پرورش ماهی مزایای متعددی ایجاد می‌کند:
- تولید اکسیژن توسط میکروجلبک‌ها خطرات کاهش اکسیژن را کم می‌کند و باعث می‌شود که استفاده از دستگاه‌های هوادهی سنتی که انرژی زیادی را مصرف می‌کنند کمتر استفاده شود.
- وجود میکروجلبک‌ها در مخزن پرورش ماهی ممکن است رشد میکروارگانیسم‌های نامطلوب یا سمی را محدود کند و محیط مناسبی برای آبزیان ایجاد کند. درنتیجه میزان تعویض آب و هزینه‌های ناشی از آن نیز کاهش می‌یابد.
- از آنجا که ایمنی آبزیان با استفاده از میکروجلبک‌ها به‌عنوان تغذیه افزایش می‌یابد، درنتیجه می‌توان از مصرف بیش از حد آنتی‌بیوتیک‌ها یا داروها در آبزی‌پروری جلوگیری کرد.
- پساب آبزی‌پروری می‌تواند توسط بیوتکنولوژی پیشرفته میکروجلبک‌ها با هزینه کم تصفیه شود.
- با استفاده از زیست‌توده ها می‌توان بخشی از خوراک آبزی‌پروری را تأمین کرد و هزینه پرورش ماهی را نیز کاهش داد.
بنابراین با توجه به مزایای فوق پیش‌بینی می‌شود که صنعت آبزی‌پروری می‌تواند با کمک میکروجلبک‌ها به‌روز شود و مزایای بزرگی را برای کارخانه‌ها و مصرف‌کننده ایجاد کند. در یک برنامه واقعی برای استفاده از میکروجلبک‌ها در تصفیه پساب آبزیان، برخی از موضوعات مهم باید در نظر گرفته شود. اول اینکه سیستم‌های کشت برای تولید کارآمد زیست‌توده و برای رشد میکروجلبک‌ها در مقیاس بزرگ مورد نیاز است. دوم، گونه‌های میکروجلبکی مناسب باید برای تصفیه پساب و تولید خوراک آبزی‌پروری انتخاب شوند. سوم، برای ساده‌سازی فرایند برداشت و کاهش هزینه زیست‌توده، فناوری‌های پیشرفته و برداشت مورد نیاز است.
مکانیسم جذب نیتروژن
نیتروژن یکی از ترکیبات موجود در پساب‌های آبزیان است و غلظت بالایی دارد. نیتروژن موجود در پساب‌ها به شکل‌های مختلف مانند آمونیوم، نیترات و نیتریت وجود دارد. آمونیوم موجود در آب برای آبزیان نامطلوب و یا سمی نیست. آمونیوم می‌تواند توسط سلول‌های میکروجلبک از طریق انتقال فعال جذب شده و مستقیماً برای سنتز اسیدهای آمینه مورداستفاده قرار بگیرد، در حالی‌که نیترات و نیتریت جذب شده توسط میکروجلبک‌ها باید توسط نیترات ردوکتاز و نیتریت ردوکتاز به آمونیوم تبدیل شوند.
جذب کربن
منابع کربن موجود در پساب‌های آبزی‌پروری شامل کربن معدنی (دی‌اکسید کربن و بی‌کربنات) و کربن‌های آلی (ساکاریدها و اسیدهای چرب فرار) هستند. از آنجایی که جذب دی‌اکسید کربن یا بی‌کربنات به‌وسیله فتوسنتز انجام می‌شود، یک روش امکان‌پذیر برای تثبیت کربن معدنی است که به‌وسیله ایجاد شرایط مطلوب، به‌ویژه نور و دمای لازم انجام می‌شود. با تثبیت دی‌اکسید کربن و انتشار اکسیژن، میزان اکسیژن محلول در آب افزایش یافته و یک محیط غنی از اکسیژن برای آبزیان ایجاد می‌کند.
جذب کربن آلی در مقایسه با کربن معدنی، ممکن است فرایندی پیچیده‌تر و زمان‌بر باشد زیرا بعضی از شکل‌های کربن آلی نمی‌توانند توسط سلول‌های میکروجلبک به‌طور مؤثر مورد استفاده قرار بگیرند. برای مثال بعضی از مواد جامد نامحلول غنی از کربن که اندازه بزرگی دارند، به‌طور مستقیم توسط سلول‌های میکروجلبک قابل جذب نیستند.
در مطالعات جدید برای افزایش میزان جذب کربن در پساب آبزی‌پروری، از سیستم جدید ترکیب جلبک و باکتری استفاده می‌کنند. در این سیستم دی‌اکسید کربن که توسط باکتری‌ها آزاد می‌شود، می‌تواند توسط میکروجلبک‌ها برای فتوسنتز مورد استفاده قرار بگیرد و باعث تولید اکسیژن شود. باکتری‌ها کربن‌هایی که به شکل غیر قابل هضم هستند را به‌صورت کربن قابل استفاده مانند اسیدهای چرب فرار، اسیدهای آمینه و گلوکز تبدیل می‌کنند. سلول‌های میکروجلبک نیز می‌توانند این نوع از کربن‌ها را به شکل کارآمدی جذب کنند؛ بنابراین در مقایسه با سیستم میکروجلبک خالص، استفاده از سیستم ترکیبی جلبک و باکتری عملکرد بسیار بهتری در بازیابی مواد مغذی دارند.
بر اساس گزارش Boyd تولید یک کیلوگرم گربه‌ماهی حدود ۵۱ گرم نیتروژن، ۷.۲ گرم فسفر و ۱۱۰۰ گرم اکسیژن برای اکسیداسیون (COD) به‌عنوان پسماندهای آلی در آب آزاد می‌کند که می‌تواند به‌صورت محلول و یا لجن نامحلول جمع شوند. بنابراین پساب آبزی‌پروری وسیله مناسبی برای کشت میکروجلبک‌ها و تولید زیست‌توده است، چون پساب‌های آبزی‌پروری غنی از عناصر مهم و اساسی مانند نیتروژن، فسفر و کربن است که در رشد میکروجلبک‌ها تأثیر می‌گذارند. یکی از مزایای پساب‌های آبزیان نسبت به سایر پساب‌ها این است که بر خلاف پساب‌های شهری و صنعتی حاوی اجزای سمی بسیار کمتری مانند فلزات سنگین هستند که می‌توانند به‌عنوان خوراک آبزیان استفاده شوند.
سیستم‌های کشت میکروجلبک
اگرچه سیستم‌های مختلف کشت میکروجلبک برای اهداف مختلف توسعه یافته‌اند، اما همه آن‌ها برای تصفیه پساب‌های آبزی‌پروری مناسب نیستند. به‌طورکلی سیستم‌های کشت با راندمان بهره‌برداری بالا، هزینه کم سرمایه‌گذاری و سرعت بالای فتوسنتز، پتانسیل استفاده در آبزی‌پروری را دارند.
پیش‌تصفیه پساب‌ها
پساب‌های آبزی‌پروری حاوی بعضی از مواد آلی جامد هستند که گاهی اوقات به‌عنوان لجن در نظر گرفته می‌شوند. اگر تصفیه مناسب انجام نشود ترکیبات جامد با اندازه بزرگ نمی‌توانند توسط میکروجلبک‌ها مستقیماً جذب شوند و حتی با افزایش کدورت پساب، مانع از فتوسنتز میکروجلبک‌ها می‌شوند؛ بنابراین این ترکیبات باید به مواد قابل جذب توسط میکروجلبک‌ها تبدیل شوند. روش‌های معمول پیش‌تصفیه شامل هضم هوازی و بی‌هوازی است. Mirzoyan و همکارانش با بررسی نتایج حاصل از استفاده روش هضم بی‌هوازی برای تصفیه لجن آبزی‌پروری، نشان داد که راندمان حذف میزان جامدات (TS) می‌تواند به ۸۰ تا ۱۰۰ درصد برسد. با کنترل پارامترهای مربوط به هضم بی‌هوازی، اسیدهای چرب فرار که منبع خوبی برای متابولیسم میکروجلبک‌ها هستند، می‌توانند در طی تصفیه پساب مربوط به آبزی‌پروری تولید شوند. هضم هوازی نیز معمولاً برای تبدیل مواد آلی جامد به دی‌اکسید کربن استفاده می‌شود. دی‌اکسید کربن محلول می‌تواند توسط میکروجلبک‌ها از طریق فتوسنتز استفاده شود؛ بنابراین با پیش‌تصفیه مناسب، راندمان تبدیل مواد آلی جامد به زیست‌توده بسیار بهبود می‌یابد. در بعضی از موارد که گونه‌های میکروجلبک به آمونیاک حساس هستند، غلظت بالای آمونیاک می‌تواند باعث سمیت و حتی عدم رشد میکروجلبک‌ها شود.
فناوری برداشت زیست‌توده
برای استفاده از زیست‌توده‌های میکروجلبک در صنایع مختلف، مطالعات بسیاری برای برداشت محصول انجام شده است. فناوری‌های مختلفی مانند سانتریفیوژ، فیلتراسیون، شناورسازی و برداشت به کمک قارچ وجود دارد. با این وجود همه فناوری‌های موجود برای برداشت زیست‌توده، به‌منظور استفاده در آبزی‌پروری مناسب نیستند. در صنعت آبزی‌پروری فناوری‌های برداشت زیست‌توده باید چند ویژگی داشته باشد:
- فرایند برداشت باید با هزینه کم انجام شود تا استفاده از میکروجلبک‌ها نسبت به خوراک‌های سنتی و معمول مقرون به صرفه تر باشد.
- باید هیچ ماده شیمیایی سمی و یا نامطلوب در فرایند برداشت استفاده نشود. در غیر این صورت زیست‌توده ممکن است آلوده شود و بر ایمنی محصولات آبزی‌پروری تأثیر منفی بگذارد و یا حتی باعث عدم موفقیت در آبزی‌پروری شود. به‌عنوان مثال، تجمع یون‌های آلومینیوم و پلی آکریل آمید که به‌طور گسترده‌ای برای برداشت زیست‌توده میکروجلبک در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند، ممکن است در زنجیره غذایی باعث ایجاد مشکلات ایمنی شوند.
مطابق معیارهای ذکر شده در بالا و همچنین مطابق با جدول زیر فناوری پیشرفته برداشت به کمک قارچ‌ها و شناورسازی ممکن است در آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها کاربرد داشته باشد.
| Time Consumption | Safety Level | Harvesting Cost | process |
| Short | High | High (Energy-intensive centrifugation (equipment | Centrifugation |
| Short | High | High (Frequent replacement of filter (blocked by algal cells | Filtration |
| Long (Repulsive force among negatively charged algal cells) | High | Low | Gravity-driven sedimentation |
| Short | Low (Addition of toxic or unhealthy (chemicals | Low | Flocculation by chemicals |
| Short | High | Low | Harvesting by edible fungi |
| Short | High | Low | Flotation |
برداشت به کمک قارچ‌ها
برداشت میکروجلبک‌ها به کمک قارچ‌ها، به اضافه کردن قارچ‌های رشته‌ای از جمله گلوله‌ها یا اسپورهای قارچی به محیط میکروجلبک اشاره دارد. مطالعه Zhou و همکارانش نشان داد که سلول‌های میکروجلبک می‌توانند به گلوله‌های قارچی متصل شوند یا به دام آن‌ها بیفتند که در نهایت می‌توان با استفاده از فیلتراسیون ساده آن‌ها را برداشت کرد. طبق نتایج به‌دست آمده، استفاده از گلوله‌های قارچی می‌تواند بیش از ۹۵ درصد زیست‌توده میکروجلبک را در ۱.۵ ساعت برداشت کند، بنابراین قارچ‌ها عملکرد عالی در برداشت میکروجلبک‌ها دارند، اما با این حال در عمل، تولید گلوله‌های قارچی به تجهیزات و تخمیر نیاز دارد که باعث افزایش کل هزینه برداشت می‌شود.
اخیراً برای ساده‌تر کردن روش برداشت محصول، جمع‌آوری میکروجلبک‌ها با اسپورهای قارچی در پساب‌های آبزیان به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. در بعضی از موارد، تولید همزمان، نه‌تنها زیست‌توده میکروبی را برداشت می‌کند، بلکه باعث بهبود عناصر غذایی در فاز آبی نیز می‌شود که با مطالعه Gultom و همکارانش به‌طور کامل تأیید شده است. پارامترهایی که بر تشکیل گلوله‌های قارچی و جلبک‌ها تأثیر می‌گذارند و اندازه گلوله‌ها را تعیین می‌کنند شامل نسبت تلقیح قارچ و جلبک، مقدار pH، محتوای کربن و دمای کشت است. جدول زیر که نمونه‌هایی از برداشت میکروجلبک‌ها به کمک قارچ‌ها را نشان می‌دهد، این روش را به‌عنوان یک روش کارآمد و مفید برای جمع‌آوری زیست‌توده از محیط کشت یا پساب با استفاده از اسپورها یا گلوله‌های قارچی می‌داند.
| Conditions | Harvesting Efficiency | Fungi | Microalgae |
| Fungal pellets; 30–34 0C; pH 4.0–5.0; Agitation speed: 120–160 rpm | 98.2% | Penicillium sp. | Chlorella sp. |
| Fungal spores; 40 0C; pH: 7.0; Agitation speed: 160 rpm | 99.3% | Penicillium sp. | Chlorella sp. |
| Fungal spores; Heterotrophic culture; 25 0C; Agitation speed: 150 rpm; 3-day | 93% | Aspergillus oryzae | Chlorella vulgaris |
| 0C ; pH: 5.0–6.0;25 Agitation speed: 100 rpm; 2-day | Almost 100% | Aspergillus sp. | Chlorella vulgaris |
| Fungal spores; 27 0C; pH: 5.0; Agitation speed: 150 rpm; 3-day | >60% | Aspergillus niger | Chlorella vulgaris |
| Fungal pellets; 28 0C; Agitation speed: 150 rpm; 2-day | >90% | Aspergillus fumigatus | Chlorella vulgaris |
| Fungal pellets; 28 0C; Agitation speed: 150 rpm; 2-day | >90% | Aspergillus fumigatus | Scenedesmus quadricauda |
| Fungal pellets; 28 0C; Agitation speed: 150 rpm; 2-day | Around 30% | Aspergillus fumigatus | Pyrocystis lunula |
برای آبزی‌پروری قارچ‌هایی که برای برداشت میکروجلبک‌ها استفاده می‌شوند باید سطح ایمنی بالایی داشته باشند، به این معنی که قارچ‌ها حاوی اجزای سمی نباشند و یا اجزای سمی تولید نکنند. در غیر این صورت، زیست‌توده برداشت شده به‌عنوان خوراک آبزی‌پروری ممکن است بقای آبزیان را تهدید کند و حتی منجر به عدم موفقیت آبزی‌پروری شود.
برخی از گلوله‌های قارچی مانند Aspergillus Oryzae و Monascus Purpureus از سطح ایمنی بالایی برخوردار بوده و حاوی ترکیبات با ارزش هستند. با این حال اثرات مفید این قارچ‌ها بر روی آبزیان هنوز مورد توجه محققان قرار نگرفته است. علاوه بر ساده‌سازی فرایند برداشت، جمع‌آوری میکروجلبک‌ها با قارچ‌ها می‌تواند باعث بهبود مواد مغذی از پساب آبزی‌پروری با محتوای بالای مواد آلی جامد شود.
در سیستم تولید همزمان میکروجلبک و قارچ‌ها، سلول‌های قارچی می‌توانند به‌راحتی ارگانیسم‌های با وزن مولکولی بالا را به ارگانیسم‌های با وزن مولکولی کم تبدیل کنند. همچنین دی‌اکسید کربن آزاد شده توسط قارچ‌ها می‌تواند از طریق فتوسنتز توسط میکروجلبک‌ها جذب شود و از انتشار گازهای گلخانه‌ای جلوگیری کند، بنابراین تولید همزمان قارچ و میکروجلبک در پساب‌های آبزی‌پروری برای برداشت ساده زیست‌توده و بازیابی کارآمد مواد مغذی، توجه بیشتر صنایع را نیاز دارد.
شناورسازی
شناورسازی به‌عنوان یکی از اقتصادی‌ترین فناوری‌ها برای برداشت میکروجلبک ارزیابی شده است. فرایند اصلی برداشت مبتنی بر شناورسازی، تولید حباب‌های ریز هوا به‌طور مداوم در پساب یا محیط کشت میکروجلبک‌ها است. حمله حباب‌های هوا به سلول‌های میکروجلبک، باعث بالا رفتن سلول‌های میکروجلبک به سطح آب می‌شوند. شناورسازی می‌تواند به‌عنوان یک رسوب معکوس در نظر گرفته شود. وجود بارهای دافعه منفی بر روی سطح سلول‌های میکروجلبک دلیل اصلی معلق شدن آن‌ها است.
برای بهبود میزان برداشت، می‌توان فناوری شناورسازی را با لخته‌سازی ترکیب کرد که باعث می‌شود تا حدودی بار منفی سلول‌های میکروجلبک را خنثی کرده و درنهایت باعث جمع شدن میکروجلبک‌های معلق شود. با توجه به مطالعات انجام شده برای لخته‌سازی میکروجلبک‌ها، انواع مختلفی از عوامل لخته‌سازی مانند یون‌های فلزی و پلیمرها مورد بررسی قرار گرفته‌اند. Sirin و همکارانش آلومینیوم را در فرایند لخته‌سازی اضافه و بهینه کردند که با توجه به نتایج، بازده برداشت می‌تواند به ۸۲ درصد برسد.
به‌دلیل خطرات ناشی از تجمع فلز در زنجیره غذایی، لخته شدن بر پایه یون‌های فلزی را نمی‌توان یک فناوری ایمن و سازگار با محیط زیست در نظر گرفت. اخیراً بعضی از مطالعات، اثرات انعقادی پلیمرهای طبیعی مانند پروتئین‌ها و پلی‌ساکاریدها که توسط میکروارگانیسم‌ها تولید می‌شوند را بررسی کردند. به‌طور کلی لخته‌سازی مبتنی بر پلیمر می‌تواند بازده برداشت میکروجلبک‌ها را به ۹۰ درصد برساند، بنابراین پیشنهاد می‌شود که در آبزی‌پروری، برای برداشت میکروجلبک‌ها از طریق شناور-لخته سازی، از پلیمرهای طبیعی استفاده شود.
خوراک آبزی‌پروری با استفاده از میکروجلبک‌ها
در عمل آبزی‌پروری، میکروجلبک‌ها منابع تغذیه مهمی برای ماهی‌ها یا میگو هستند. مزایای استفاده از میکروجلبک‌ها بیشتر از خوراک‌های معمول و متداول است که از جمله این مزایا فراوانی مواد مغذی و حفظ کیفیت آب با استفاده از میکروجلبک‌ها است. میکروجلبک‌ها سرشار از پروتئین، لیپید و کربوهیدرات‌ها هستند که مواد مغذی اساسی برای آبزیان به‌شمار می‌آیند. انواع گونه‌های میکروجلبک که پتانسیل تجاری دارند و برای اصلاح پساب‌ها و تولید زیست‌توده به کار می‌روند، در جدول زیر طبقه‌بندی شده است.
| Value-Added Compound | Carbo (%) | Lipid (%) | Protein (%) | Culture Medium | Strain |
| EPA and DHA (37.88% of total lipid) | NA | 38.95 | NA | Medium with glycerol | Thraustochytrium sp. |
| Polyunsaturated fatty acids (36.89–49.16% of fatty acid profile) | NA | 50 – 30 | NA | Cane molasses | Chlorella zofingiensis |
| EPA (15.89% of fatty acid profile) | NA | 33.4 | 53.3 | Soybean oil extraction euent | Scenedesmus sp. |
| Dietary fiber (54.1% of carbohydrate) | 69.1 | 1.14 | 26.5 | Modified Allen Medium | Galdieria sulphuraria |
| Astaxanthin (575 mg/kg) | 62.9 | 1.77 | 32.5 | Modified Allen Medium | Galdieria sulphuraria |
| Astaxnathin (56.1 mg/L) | NA | NA | NA | Cane molasses | Chlorella zofingiensis |
| Astaxnathin (13.6 mg/L) | NA | 50 – 30 | NA | Cane molasses | Chlorella zofingiensis |
| Astaxnathin (>15 mg/L) | NA | NA | NA | OHM medium | Haematococcus pluvialis |
| Astaxnathin (80 mg/L) | NA | NA | NA | Primary-treated wastewater | Haematococcus pluvialis |
| Essential amino acids (54.4 g/100 g protein) | 18.5 | 34.4 | 39.9 | NA | Botryococcus braunii |
| Essential amino acids (45.5 g/100 g protein) | 25.0 | 12.3 | 46.5 | NA | Tetraselmis chuii |
| Essential amino acids (45.2 g/100 g protein) | 25.2 | 18.2 | 39.6 | NA | Phaeodactylum tricornutum |
| Essential amino acids (63.9 g/100 g protein) | 45.8 | 13.7 | 31.6 | NA | Porphyridium aerugineum |
به‌طور کلی اجزای موجود در میکروجلبک‌ها را برای استفاده در آبزی‌پروری به سه دسته طبقه‌بندی می‌کنند. دسته اول میکروجلبک‌های سرشار از پروتئین و کربوهیدرات هستند که به‌عنوان جایگزین برای خوراک‌های سنتی و کاهش هزینه آبزی‌پروری به‌کار می‌روند. دسته دوم آنتی‌اکسیدان‌های موجود در میکروجلبک‌ها است که می‌توانند برای تقویت ایمنی آبزیان و غلبه بر مشکلات مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده شوند. دسته سوم وجود بعضی از مؤلفه‌ها و اجزاء در میکروجلبک‌ها است که در رشد ماهی‌ها نقش مهمی دارند. به‌عنوان مثال آستاگزانتین که رنگ پوست و گوشت برخی از ماهی‌ها را تعیین می‌کند و رنگ‌دانه اساسی در صنعت تولید ماهی قزل‌آلا است.
پروتئین
سنتز پروتئین در میکروجلبک‌ها تحت تأثیر شرایط رشد و مواد مغذی موجود در محیط کشت است. جدول فوق حاکی از آن است که میزان پروتئین در زیست‌توده میکروجلبک‌های خشک بین ۲۶.۵ تا ۵۳.۳ درصد است. به‌خصوص در مقایسه با پروتئین سویا، پروتئین میکروجلبک‌ها بسیار بالاتر است که باعث می‌شود میکروجلبک‌ها را به‌عنوان یک منبع پروتئین برای آبزی‌پروری استفاده کنند. طبق مطالعات انجام شده، نسبت FCR (مقدار خوراک مصرف شده به وزن اضافه شده) برای ماهیانی که از میکروجلبک تغذیه می‌کنند بیشتر از ماهیانی است که با خوراک‌های معمول و رایج تغذیه می‌شوند.
اسیدهای چرب اشباع نشده
اسیدهای چرب اشباع نشده مانند Eicosapentaenoic acid) EPA) و Arachidonic acid) AA) برای رشد ماهی‌ها ضروری هستند. به‌عنوان مثال اسید چرب اشباع نشده EPA به‌عنوان پیش‌ساز در سنتز Eicosanoids که بخشی از فیزیولوژی رشد را تنظیم می‌کند، استفاده می‌شود و نقش مهمی برای آبزیان دارد. در مقایسه با خوراک آبزی‌پروری سنتی، زیست‌توده میکروجلبک‌ها حاوی غلظت بالاتری از اسیدهای چرب اشباع نشده هستند. همان‌طور که در جدول بالا نشان داده شده است، درصد اسیدهای چرب اشباع نشده در بعضی از شرایط خاص مانند درجه حرارت پایین می‌تواند تقریباً به ۵۰ درصد برسد. در مقایسه با سویا و بادام‌زمینی که معمولاً به‌عنوان مواد اولیه برای تولید خوراک ماهی مورد استفاده قرار می‌گیرند، میکروجلبک‌ها محتوای بالاتری از اسیدهای چرب اشباع نشده را دارند، بنابراین میکروجلبک‌ها به‌عنوان یک منبع ارزان‌قیمت و مقرون به صرفه از اسیدهای چرب اشباع نشده برای آبزی‌پروری در نظر گرفته می‌شوند.
رنگ‌دانه‌های مخصوص
رنگ‌دانه‌های طبیعی مانند آستاگزانتین، کلروفیل و کاروتن موجود در میکروجلبک‌ها برای رشد بعضی از گونه‌های ماهی از اهمیت بالایی برخوردار هستند. در مرحله اول خصوصیات بیوشیمیایی ماهی تا حدودی با مصرف رنگ‌دانه‌های میکروجلبک تعیین می‌شود. دوم اینکه برخی از رنگ‌دانه‌ها نقش اساسی در ایمنی آبزیان دارند. مطالعات نشان داده است که میزان ایمنی ماهی با مصرف رنگ‌دانه میکروجلبک (آستاگزانتین) رابطه مثبت دارد. به‌طوری که برای اهداف خاص، آبزیان با رنگ‌دانه‌هایی تغذیه می‌شوند که هزینه‌های تولید، استخراج و تصفیه آن زیاد است. در آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها، زیست‌توده غنی از رنگ‌دانه‌های طبیعی به‌طور مستقیم برای تغذیه آبزیان مورد استفاده قرار می‌گیرند، بنابراین هزینه کل را کاهش می‌دهد.
سایر کاربردهای میکروجلبک‌ها در آبزی‌پروری
علاوه بر استفاده مستقیم از میکروجلبک‌ها به‌عنوان خوراک، محققان همچنین سیستم زیست‌محیطی غیرمستقیم بر پایه میکروجلبک‌ها را بررسی کردند. به‌عنوان مثال، ماهی‌های گیاه‌خوار با استفاده از خوراک میکروجلبک تغذیه می‌شوند و سپس این نوع از ماهی‌ها توسط ماهی‌های گوشت‌خوار طعمه می‌شوند، بنابراین زیست‌توده میکروجلبک می‌تواند به‌صورت غیر مستقیم برای تغذیه ماهی‌های گوشت‌خوار نیز مورد استفاده قرار بگیرند.
با توجه به عملکرد ضعیف میکروجلبک‌ها در اصلاح پساب‌هایی که حاوی غلظت کمی از مواد مغذی هستند، اخیراً برخی از مطالعات از سیستم‌های جدیدی استفاده می‌کنند که در آن میکروجلبک‌ها و گیاهان برگ‌دار به‌طور همزمان برای بازیابی مواد مغذی از پساب‌های آبزیان همکاری می‌کنند.
مشکلات موجود در آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها
اگرچه مفهوم آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها به‌دلیل مزایای ذکر شده در مطالب بالا، توجه زیادی را به خود جلب کرده است، اما پیشرفت‌های بیشتری قبل از اجرای صنعتی مورد نیاز است که این کار به‌خودی‌خود چندین مشکل بالقوه دارد که ممکن است مانع کاربرد گسترده آن شود. در مرحله اول اینکه سطح ایمنی زیست‌توده بازیافت شده از پساب‌ها به‌عنوان خوراک آبزی‌پروری به‌طور جامع ارزیابی نشده است. از آنجا که تولید زیست‌توده از پساب و فاضلاب با رشد باکتری‌ها همراه است، درنتیجه زیست‌توده برداشت شده شامل زیست‌توده میکروجلبکی و زیست‌توده باکتریایی است. بعضی از گونه‌های باکتریایی ممکن است حاوی اجزای سمی باشند، بنابراین اگر زیست‌توده آلوده به سموم باکتریایی باشد و به‌عنوان خوراک آبزی‌پروری مورد استفاده قرار بگیرد، بقای آبزیان را به‌طور جدی به خطر می‌اندازد. از این رو کنترل دقیق باکتری‌های سمی در تصفیه پساب بر پایه میکروجلبک خیلی مهم تلقی می‌شود.
در مرحله دوم شناور شدن و برداشت به کمک قارچ‌ها دارای دو مشکل عمده در رابطه با هزینه‌ها و ایمنی زیست‌توده هستند. به‌عنوان مثال شناورسازی ممکن است پسماندهای جامد موجود در پساب آبزیان را همراه با زیست‌توده میکروجلبک به سطح آب برساند، در نتیجه سطح ایمنی زیست‌توده کاهش می‌یابد. علاوه بر این، هزینه تولید گلوله‌های قارچ در یک محیط مصنوعی، به اندازه کافی کم نیست تا از کاربردهای تجاری برداشت محصول به کمک قارچ‌ها پشتیبانی کند.
در مرحله سوم، عدم آگاهی از ارزیابی اقتصادی و تجزیه و تحلیل چرخه زندگی، مانعی برای صنعتی شدن آبزی‌پروری با استفاده از میکروجلبک‌ها شده است. بر اساس مطالعات قبلی در مورد فناوری‌ها، استفاده از میکروجلبک‌ها در صنعت آبزی‌پروری ازجمله تولید خوراک، کنترل کیفیت آب و بازیابی مواد مغذی، می‌تواند باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، کاهش هزینه‌های آبزی‌پروری و بهبود بازیافت مواد مغذی شوند؛ اما عملکرد اقتصادی آبزی‌پروری مبتنی بر میکروجلبک‌ها، هرگز به‌طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته است.
چشم‌اندازها در آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها
آبزی‌پروری سازگار با محیط زیست و بازیابی مواد مغذی از پساب‌ها امروزه برای پایداری جهانی مهم است. آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها فواید بسیار خوبی را به همراه دارند. در مرحله اول با توجه به عملکرد عالی میکروجلبک‌ها در تثبیت دی‌اکسید کربن و اصلاح پساب‌ها می‌توان آلودگی ناشی از آبزی‌پروری را کاهش داد و درنتیجه خطرات آبزی‌پروری برای پایداری محیط زیست قابل کنترل است. از آنجا که استفاده از میکروجلبک‌ها به‌عنوان خوراک اثرات مفیدی بر سلامت آبزیان دارد، در نتیجه میزان مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها یا داروها کاهش می‌یابد و با کاربرد گسترده میکروجلبک‌ها در آبزی‌پروری تأثیرات مثبت آن بر ایمنی، پایداری محیط زیست و پایداری جهانی کمک خواهد کرد. با استفاده از این سیستم برای آبزی‌پروری، مواد مغذی موجود در پساب‌ها به زیست‌توده های با ارزش تبدیل می‌شوند که می‌تواند برای تولید خوراک آبزی‌پروری بیشتر مورد بهره‌برداری قرار بگیرد. همچنین با بازیابی مواد مغذی و تولید زیست‌توده می‌توان هزینه آبزی‌پروری را کاهش داد.
جمع‌بندی
برای غلبه بر مشکلات موجود در صنایع آبزی‌پروری سنتی، در این پژوهش استفاده از میکروجلبک‌ها برای آبزی‌پروری پایدار معرفی شده است. بر اساس اصول آبزی‌پروری به کمک میکروجلبک‌ها، این سیستم جدید می‌تواند پسماندها را به زیست‌توده با ارزش، به‌عنوان خوراک آبزیان تبدیل کند و درنتیجه میزان پساب‌ها را کاهش می‌دهد. همچنین با توجه به کاهش میزان استفاده از روش‌های هوادهی میزان مصرف انرژی نیز کاهش می‌یابد. به‌طور کلی استفاده از میکروجلبک‌ها در آبزی‌پروری، علاوه بر جلوگیری از آلودگی‌های محیط زیست، تأثیر مستقیم بر روی سلامت محصولات آبزیان ازجمله ماهی‌ها، میگوها و نرم‌تنان دارد.
در سال‌های اخیر فناوری‌هایی برای ترویج استفاده از آبزی‌پروی به کمک میکروجلبک‌ها به‌طور گسترده توسعه یافته است، اما علی‌رغم پیشرفت‌های بزرگ در زمینه‌های یاد شده بعضی از مشکلات مربوط به سطح ایمنی زیست‌توده، ارزیابی اقتصادی و تجزیه و تحلیل چرخه زندگی مانع از صنعتی شدن آبزی‌پروری با استفاده از میکروجلبک شده است. در آینده نزدیک با حل این مشکلات، میکروجلبک‌ها نقش مهمی در آبزی‌پروری برای توسعه پایدار ایفا می‌کنند.
