Recirkulacijski sistemi niso le način varčevanja z vodo, temveč vse bolj postajajo tehnološka platforma za kroženje hranil. Če uspejo dušik in fosfor iz odpadnih tokov pretvoriti v alge, gnojila ali nove surovine, lahko odpadek postane dodaten vir prihodka in pomembna prednost sodobne akvakulture.
V zadnjih letih postaja ribogojstvo s pomočjo recirkulacijskih sistemov (RAS) ena najbolj vročih tem v evropskem akvakulturnem sektorju. V teh obratih zaprtega vodnega kroga se z mehanskimi in biološkimi postopki reciklira več kot 95 % vode. Zaradi tega so z razliko od pretočnih ribogojnic, bistveno manj odvisni od vodnih virov, saj se voda dodaja predvsem kot nadomestek izhlapevanja in občasnega dopolnjevanja, zaradi izboljšanja kakovosti. V primerjavi z gojenjem v kletkah, lahko v RAS uporabimo tehnologije za obdelavo izpustov s katerimi lahko iz vode odstranimo 80–90 % dušika in fosforja. Zaradi zaprtosti so takšni sistemi odpornejši na sušo, vodo pa lahko pred obdelamo, s čimer se zmanjša tveganje za vnos težkih kovin in pesticidov v meso rib.
Vendar pa recirkulacijski sistemi niso brez težav saj ima RAS zaradi večje porabe električne energije, kljub manjšim izpustom hranil bistveno večji ogljični odtis od gojenja v kletkah ali pretočnih ribogojnicah. RAS zahteva visoke začetne naložbe in stalno tehnično vzdrževanje. Številni pilotni obrati so ob visoki ceni elektrike in krme ekonomsko nerentabilni in mnogi projekti so končali v rdečih številkah. Tako trenutno RAS ni najboljša tehnologija za gojenje tržne postrvi, saj so stroški visoki, investicije pa se pogosto ne povrnejo. Zato se večina velikih projektov osredotoča na gojenje mladic lososa, kjer hitrejša rast in krajše bivanje v morski kletki zmanjšata tveganje pred zajedavci in boleznimi.
Kljub izzivom pa recirkulacijski sistemi postajajo vse pomembnejši v globalni akvakulturi, predvsem zaradi pritiska na naravne ekosisteme. V Evropi se gradijo vedno večje ribogojnice, ki bodo na celini proizvajale lososa in postrvi, in čeprav so mnogi projekti tvegani, lahko razvoj tehnologij, kot so fotobioreaktorji in bioelektrokemijski reaktorji, dolgoročno bistveno izboljša ekonomiko.
Za ribogojce, ki razmišljajo o recirkulaciji, je ključno razumevanje, da RAS ni čarobna paličica, ampak tehnološki sistem z zahtevnim upravljanjem in velikim finančnim vložkom. Pred odločitvijo je treba pripraviti natančne finančne modele, upoštevati stroške električne energije, krme in dela ter možnosti, ki jih ponuja lokalna infrastruktura (npr. dostop do obnovljivih virov elektrike). Prav tako je treba razmisliti, kako izhodne tokove – blato, usedline in preostali dušik – pretvoriti v koristne produkte, kot so kompost, gnojila ali algna biomasa. Takšni krožni pristopi lahko pomagajo upravičiti investicijo in prispevajo k trajnostni preobrazbi sektorja.
Ponavadi pri recirkulacijskih sistemih ribe krmimo s krmo katera vsebuje visok delež beljakovin (30–60 %), kar omogoča hitro rast, vendar se večji del spremeni v odpadke. Tako se v sistem iz krme sprosti med 50 in 70 % dušika v obliki amonija. Praviloma v enem kubičnem metru vode ribe zaužijejo kilogram krme s 32 % beljakovin, iz katere se v nekaj urah sprosti okoli 30 gramov amonijevega dušika (NH4-N). Biološki filtri v RAS amonijak (NH3), ki je sicer toksičen za ribe, s pomočjo nitrifikacijskih bakterij pretvorijo v nitrat, kateri je za ribe približno 100x manj toksičen. Toda ker sistem nenehno reciklira vodo, se nitrati kopičijo in lahko dosežejo 400–500 mg nitratnega dušika na liter, kar zavira rast in povzroča stres. Zato je treba iz vode periodično odvajati dušik oziroma ga tehnološko odstraniti.
Klasičen pristop k odstranjevanju nitrata iz RAS je denitrifikacija, pri kateri heterotrofne bakterije s pomočjo organskih substratov (npr. metanol) pretvarjajo nitrat v dušik, ki iz sistema izhlapi (N2). To je sicer učinkovito, a ne prispeva h kroženju hranil, obenem pa zahteva drage dozirne sisteme. Poleg tega so tovrstni reaktorji občutljivi na motnje, njihovo obratovanje pa je zapleteno. Ker denitrifikacija dušik odstrani v neuporabno obliko (plin) in njegova proizvodnja v tovarnah umetnih gnojil zahteva veliko energije, je zanimivo raziskovalno področje, z veliko komercialno vrednostjo, kako ohraniti hranila v prehranski verigi.
Eno izmed obetavnih področij je integracija alg v recirkulacijske sisteme. Alge lahko asimilirajo amonij, nitrit in nitrat ter jih pretvorijo v lastno biomaso. S tem delujejo kot biološki filter, ki vode ne le očisti, temveč ustvarja tudi uporabne proizvode. Tako so alge sposobne stabilizirati kakovost vode, omejiti rast škodljivih bakterij in celo odstraniti težke kovine ter organske kontaminate. Mikroalge vsebujejo 40–70 % beljakovin, ogljikove hidrate, bogate polinenasičene maščobne kisline (DHA, EPA) ter številne vitamine, zato jih je mogoče dodajati krmi in s tem zmanjšati potrebo po ribji moki in ribjem olju v krmnih mešanicah. Integracija alg je lahko preprosta in cenovno ugodna saj algni »travnik« v RAS učinkovito odstranjuje dušik.
V praksi je bilo opravljenih več poskusov, kako združiti RAS in algne reaktorje. Največ pozornosti je bilo posvečenih trem tipom algnih sistemov, (1) perifitonskim filtrom z mikroalgami in biofilmi, (2) visokopretočnim algnim bazenom z mešanico makroalg (vrste Ulva, Enteromorpha) ter (3) zunanjim bazenom z večimi vrstami mikroalg. V eni izmed študij je algni filter v sistemu za vzrejo orade in brancina odstranil od 0,5 do 0,9 grama dušika na kvadratni meter na dan, v drugi pa je perifitonski filter v ribogonici tilapije odstranil približno 3 grame dušika na kvadratni meter na dan. Stopnja odstranjevanja je odvisna od vrste alg, osvetlitve, časa zadrževanja in količine dušika, ki vstopi v algni reaktor. Pomembno je, da se takšni sistemi običajno postavljajo na prostem ali v rastlinjakih, saj učinkovita fotosinteza zahteva veliko svetlobe. Za pokrite recirkulacijske sisteme, so uporabni kompaktni fotobioreaktorji, ki pa so po drugi strani lahko velik energijski porabnik.
Integracija mikroalg v RAS lahko zmanjša potrebo po energetsko zahtevni obdelavi odpadne vode, saj alge izkoriščajo hranila, proizvajajo kisik in vežejo ogljikov dioksid. Vrste alg iz rodov Tribonema, Chlorella in Scenedesmus so se izkazale za zanesljive pri privzemu dušika in fosforja, ter pri odstranjevanju težkih kovin. Ker alge vsebujejo antioksidante, pigmente in druge bioaktivne spojine, se lahko prodajo kot surovina za dodatke, gnojila, biofertilizatorje in biogoriva. Mikroalge lahko gojimo v ločenem foto-bioreaktorju, ki je priključen na glavni sistem, ali v istem bazenu, kjer skupaj z ribami tvorijo zaprt biološki krog. Če jih gojimo v istem bazenu, vplivajo na mikrobiološko združbo, proizvodnjo kisika in ravnotežje mineralov, zato potrebujemo natančno upravljanje parametrov, kot so, svetloba, pretok in pH. Na kitajski univerzi so s pomočjo strojnega učenja optimizirali rast mikroalge Chlorella vulgaris v RAS. Algoritmi so pomagali nastaviti optimalno intenzivnost svetlobe in velikost delcev, kar je povečalo učinkovitost čiščenja in pridelavo biomase.
Kljub temu je eden zanimivejših primerov foto-bioreaktorjev dansko podjetje Pure Algae, ki je razvilo vertikalni fotobioreaktor za gojenje morskih alg, ki ga lahko priključijo na že obstoječi recikrulacijski sistem. Tak sistem lahko pri proizvodnji tisoč ton rib na leto pomeni vezavo približno petih ton dušika, kar je dovolj za pridelavo 100 ton suhe snovi morskih alg, ki pa jo je mogoče prodati kot surovino za prehrano ljudi, kozmetiko ali krmo. Podjetje je prvotno uporabljalo dolge bazene, a se je hitro izkazalo, da bi za velike ribogojnice potrebovali preveč kontejnerskih modulov z reaktorji. Zato so razvili 3,5 metra visok vertikalni reaktor, kjer se svetloba dovaja neposredno v vodo, kar poveča proizvodnjo in zmanjša porabo energije. Energijska poraba na kilogram morske alge je primerljiva s pridelavo solate v vertikalni hidroponiki. Sistem se priključi neposredno na cevi obstoječega sistema in izkorišča odvečno toploto iz ribogojnice za sušenje biomase, zato je energetsko učinkovit. Kljub vsemu se proizvajalci v že obstoječih recirkulacijskih sistemih novih tehnologij lotevajo previdno, saj želijo vsaj pet let podatkov o uspešnosti tehnologije. Trenutno ima sistem predvsem potencial pri naprednih upravljavcih, ki so pripravljeni vlagati v dolgoročno krožno ekonomijo.
Poleg algnih sistemov sicer obstajajo še druge tehnološke rešitve. Gre za valjaste reaktorje napoljnjene z grafitnim granulatom, pri katerih na katodi gojimo denitrifikacijske bakterije, ki se jih napaja z elektroni pridobljenimi pri elektrolizi vode na anodi. Tak enoliterski sistem lahko doseže stopnjo odstranitve 0,43 kilograma nitrata na kubični meter reaktorja na dan. Z energetsko porabo približno 0,15 kWh na kubični meter, kar je primerljivo s porabo v klasičnih sistemih čiščenja odpadne vode. Ta tehnologija ne zahteva dodatnega ogljikovega vira, hkrati pa ustvarja kisik, ki se lahko vrne nazaj v ribogojnico. Čeprav je tehnologija še v razvojni fazi, kaže, da lahko bioelektrokemijski sistemi dopolnijo algne filtre v bolj zaprtih, kompaktnih recirkulacijskih obratih.
Kako daleč smo torej od tega, da bi recirkulacijski sistemi postali tudi orodje za čiščenje drugih voda? Trenutno je glavni cilj RAS zagotavljanje ustrezne vode za ribe in hkrati preprečevanje izpusta hranil v okolje. A primeri, kot je Pure Algae, kažejo, da višek dušika in fosforja iz ribogojnic lahko postane surovina za gojenje morskih alg in tako dodaten vir prihodka. Mikro in makroalge, ki čistijo vodo, je mogoče prodati za prehranske dopolnilne izdelke ali vračati v ribjo krmo, s čimer se vzpostavi krožni sistem, kjer odpadek postane produkt.
Ob koncu lahko rečemo, da imajo recirkulacijski sistemi kot orodje za bioremediacijo zelo širok potencial. Zagotavljajo stabilno vodo za ribe, zmanjšujejo izpuste, omogočajo kroženje hranil in ustvarjajo nove prihodkovne tokove. Toda uspešnost bo odvisna od tega, kako dobro bomo v praksi povezali znanje iz biologije, tehnologije in ekonomike. Če bomo znali pametno upravljati z energijo, nadzorovati postopke in hkrati razvijati trge za algne in druge stranske proizvode, se lahko RAS v prihodnosti izkažejo kot vzorčni model trajnostne akvakulture v Sloveniji in širše.
Avtorji članka so zaposleni na Oddelku za zootehniko, Biotehniška fakulteta Univerze v Ljubljani, ki je izvajalec operacije “Izmenjava znanja – e-novice: vzpostavitev in vzdrževanje sistema za pošiljanje e-novic z zagotavljanjem relevantnih vsebin in uredniškega dela” na aktivnosti Akvakultura, ki temelji na znanju, in raziskave, Programa Evropskega sklada za pomorstvo, ribištvo in akvakulturo 2021-2027
Živijo, moje ime je EMA, kako ti lahko pomagam?
