V svetovni akvakulturi se v zadnjih letih vse bolj uveljavlja tehnologija nanomehurčkov, ki obljublja več kot le izboljšano oksigenacijo vode. Gre za inovativno rešitev, ki spreminja način, kako razumemo kroženje plinov, kakovost vode, rast rib in energetsko učinkovitost sistemov. Nanomehurčki – mikroskopsko majhni plinski mehurčki z velikostjo pod 200 nanometrov, ostajajo v vodi dlje časa kot običajni zračni ali kisikovi mehurčki, hkrati pa razpadejo počasneje in raztapljajo plin z izjemno učinkovitostjo. Zaradi svojih fizikalnih in elektrokemičnih lastnosti imajo sposobnost ustvarjanja bolj stabilnega in oksidativno uravnoteženega okolja, kar koristi tako organizmom v vodi kot tudi delovanju biofiltracijskih procesov.
Čeprav je tehnologija razmeroma nova, so v zadnjih letih številne raziskave in pilotni projekti pokazali, da nanomehurčki prinašajo opazne koristi v različnih sistemih — od ribogojnic s pretočnim sistemom do zaprtih recirkulacijskih sistemov (RAS) ter akvaponike. Uporabljajo se predvsem za povečanje učinkovitosti prenosa kisika, izboljšanje kakovosti vode, zmanjšanje porabe kemikalij in energije ter omejevanje prisotnosti patogenih mikroorganizmov. Ključna razlika med nanomehurčki in tradicionalnimi mikro- ali makromehurčki je v tem, da nanomehurčki zaradi majhnosti ne vzplavajo, ampak ostanejo suspendirani v vodi več dni ali celo tednov. Imajo negativen zeta potencial, ki preprečuje njihovo združevanje, in veliko specifično površino, kar omogoča učinkovito raztapljanje plina in oksidativne reakcije. Ko nanomehurček razpade, sprosti energijo, ki lahko tvori reaktivne kisikove spojine (ROS), kot so hidroksilni radikali. Ti so v majhnih količinah koristni, saj pomagajo pri razgradnji organskih snovi in omejevanju bakterijskih biofilmov. Na ta način nanomehurčki hkrati izboljšujejo oksigenacijo in delujejo kot blagi razkuževalci, brez toksičnosti za organizme. Nanomehurčki delujejo kot mikroreaktorji, v katerih prihaja do prenosa plina v tekočino in hkrati do oksidativnih reakcij, ki čistijo vodo. Ta dvojni učinek je razlog, zaradi katerega tehnologija zanima tako raziskovalce kot industrijo. Kadar so nanomehurčki v ustreznem, razmerju vpihovani v sistem, izboljšajo nitrifikacijo v biofiltrih, pospešijo razgradnjo amonija, zmanjšajo organsko obremenitev in preprečujejo razvoj anaerobnih žepov. Obenem prispevajo k stabilnosti pH-ja in večji odpornosti sistema na obremenitve, kot so temperaturna nihanja ali povečana gostota rib.
Med najbolj zanimivimi primeri uporabe te tehnologije v praksi je norveško podjetje Lødingen Fisk, kjer so nanomehurčke vpihovali v recirkulacijski akvakulturni sistem. Z vključitvijo generatorja Trinity Nanobubble in optimizacijo parametrov so dosegli kar 94-odstotno učinkovitost prenosa kisika (Oxygen Transfer Efficiency – OTE). To pomeni, da se skoraj ves vneseni kisik v vodi raztopi, kar neposredno vpliva na dobrobit in rast rib. Vrednost raztopljenega kisika se je povečala za 23 %, oksidacijsko-redukcijski potencial (ORP) pa za 6 %, kar kaže na stabilnejše in bolj zdravo vodno okolje. Poleg oksigenacije so zaznali občutno izboljšanje kakovosti vode in učinkovitosti biofiltra. Motnost vode se je zmanjšala za 30 %, uporaba ozona pa za dve tretjini. Ključni rezultat je bil 70-odstotno zmanjšanje kopičenja nitritov in 60-odstotno povečanje hitrosti nitrifikacije. To pomeni, da so se amonijeve spojine – glavni vir toksičnosti v ribogojstvu – hitreje pretvarjale v manj škodljive oblike, kar zmanjšuje stres in tveganje za bolezni. Učinkovitejši biofilter pomeni tudi večjo stabilnost sistema, manj čiščenja in nižje stroške delovanja. Takšni rezultati potrjujejo, da tehnologija nanomehurčkov ni preprosto »dodatek« k sistemu, temveč integriran pristop k optimizaciji celotnega procesa vzreje. Ključna je kombinacija pravilne koncentracije mehurčkov, njihove ustrezne porazdelitve in pravilnega upravljanja parametrov, kot so tlak, pretok in nasičenost vode s kisikom. Tehnologija je bila preizkušena tudi v t. i. zadrževalnih kletkah, kjer so z nanomehurčki uspešno vzdrževali zadostno koncentracijo kisika v vodi tudi med toplejšimi poletnimi meseci. Povprečna nasičenost kisika se je dvignila z 46,5% na 88% in z več kot 85-odstotno učinkovitostjo prenosa. Ribogojci so poročali o opazno manj stresnem obnašanju rib in lažjem odstranjevanju krvi med procesiranjem, kar neposredno vpliva na dobrobit živali in kakovost končnega izdelka. Tretji primer prihaja s področja transporta živih rib. Podjetje Rostein AS, eno največjih norveških podjetij za prevoz živih rib z ladjami, je nanomehurčke uporabilo za izboljšanje učinkovitosti dovajanja kisika med daljšimi prevozi. Učinkovitost prenosa se je podvojila – z 41% na 86%, kar pomeni ogromne prihranke pri porabi kisika in goriva. Letno so zmanjšali porabo kisika za več kot 300 ton, dizla za med 60 in 100 ton, s tem pa znižali izpuste toplogrednih plinov za nekaj manj kot 200 ton. Letni finančni prihranek je ocenjen na 80.000 evrov. Izkušnje iz Norveške se ujemajo z drugimi komercialnimi primeri po svetu. V Čilu, na obratu podjetja Australis Seafoods, so z uporabo nanomehurčkov v 1000 m³ kletkah pri vzreji lososa zmanjšali porabo kisika za 63% in hkrati povečali gostoto naselitve z 90 na 120 kg/m³, naložba se je povrnila v manj kot šestih mesecih. Ribe so imele bolj čvrsto kožo, zaznali pa so tudi manj poškodb lusk, kar je posreden pokazatelj nižjega stresa in boljše kakovosti vode.
Posebno zanimiva je integracija nanomehurčkov v akvaponiko in integrirane multitrofne akvakulturne sisteme (IMTA), kjer lahko z visoko stabilnostjo koncentracije kisika in učinkovitim odstranjevanjem organskih snovi prispevajo k bolj uravnoteženemu kroženju hranil. Pri takih sistemih se hranilno bogata voda iz ribogojstva uporablja za gojenje rastlin ali alg, te pa pomagajo odstraniti odvečne nitrate in fosfate. Evropske raziskovalne institucije, med njimi danski Inštitut za vodne raziskave (DTU Aqua), španski IRTA in nemški Thünen-Institut, že izvajajo projekte, v katerih preučujejo vpihovanje nanomehurčkov v recirkulacijske sisteme. Glavni cilji teh projektov so zmanjšanje porabe energije, izboljšanje učinkovitosti biofiltracije in povečanje odpornosti sistemov na podnebne spremembe. Tehnologija je v tem smislu popolnoma skladna z evropskimi cilji za zeleno in digitalno preobrazbo akvakulture. V Sloveniji so priložnosti za uvedbo takih rešitev realne predvsem v zaprtih sistemih za gojenje postrvi, soma in ciprinidov, ter za pretočne ribogojnice, ki se poleti borijo z anoksijo. Manjše ribogojnice bi lahko s pomočjo generatorjev nanomehurčkov izboljšale stabilnost koncentracije kisika, zmanjšale porabo vode in hkrati ohranile kakovost, kar bi omogočilo gostejše naselitve in večjo proizvodno fleksibilnost.
V literaturi se vse pogosteje pojavljajo trije glavni poudarki: izboljšanje oksigenacije, izboljšanje kakovosti vode ter zmanjševanje prisotnosti škodljivih mikroorganizmov. Pri uporabi ozonskih nanomehurčkov so se v več študijah zmanjšale koncentracije patogenih bakterij, medtem ko so ravni raztopljenega kisika ostale visoke. Pri gojenju bele kozice Penaeus vannamei je bil učinek še posebej izrazit: število bakterij rodu Vibrio se je po nekaj dneh uporabe zmanjšalo, kakovost vode pa se je izboljšala brez negativnih učinkov na rast. V nekaterih primerih so ozonski nanomehurčki že pri koncentracijah 0,025 miligrama na liter odstranili več kot dve tretjini alg v nekaj minutah, kar nakazuje na potencialno uporabo pri preprečevanju poletnih cvetenj alg in s tem povezanih problemov. Znanstveni pregledi iz zadnjih let, objavljeni v revijah Aquacultural Engineering, Science of the Total Environment in Frontiers in Sustainable Food Systems, potrjujejo, da so nanomehurčki učinkoviti pri izboljšanju prenosa kisika, a opozarjajo tudi na pomanjkanje dolgoročnih raziskav. Večina študij traja nekaj tednov ali mesecev, kar ne zadostuje za oceno kumulativnih učinkov na zdravje rib, strukturo biofilma in stabilnost mikrobnih skupnosti v vodi. Tudi vpliv nanomehurčkov na koristne bakterije v bioloških filtrih še ni popolnoma raziskan. Tako ob vseh prednostih raziskovalci opozarjajo na previdnost pri uporabi, saj gre za kompleksen pojav, kjer majhne spremembe v koncentraciji ali velikosti mehurčkov lahko povzročijo velike razlike v učinkovitosti. Sami učinki nanomehurčkov so odvisni od vrste plina, koncentracije, temperature vode, turbulence in kemične sestave. Tako, ta isti oksidativni učinek, ki je tako koristen za čiščenje vode, lahko predstavlja izrazito tveganje za sistem. Reaktivne kisikove spojine so v visokih koncentracijah potencialno škodljive, saj lahko poškodujejo občutljive epitelne strukture pri ribah, zlasti škrge. Zato raziskave poudarjajo pomen natančnega nadzora nad sistemom, zlasti pri uporabi ozona ali pri kombiniranih plinskih mešanicah. Številni strokovnjaki zato poudarjajo potrebo po standardiziranih protokolih, ki bi omogočili primerljivost med študijami in zagotovili varno uporabo tehnologije v različnih pogojih.
Optimalno delovanje zahteva stalno spremljanje oksidacijsko-redukcijskega potenciala in koncentracije raztopljenega kisika, saj prekomerna oksidacija lahko poruši ravnovesje mikrobiološke skupnosti v vodi in vpliva na biofilter. Najnovejše raziskave poudarjajo možnost uporabe umetne inteligence za nadzor sistemov. Z uporabo senzorjev in algoritmov strojnega učenja bi bilo mogoče v realnem času spremljati kakovost vode, prilagajati količino in vrsto plina ter napovedovati spremembe v vedenju rib ali obremenitvi biofiltra. Takšen pristop bi pomenil korak proti popolnoma digitalizirani »pametni akvakulturi«, kjer bi se celoten proces upravljanja okolja, krmljenja in zdravja rib izvajal avtomatizirano in podatkovno podprto. Kljub temu je večina raziskav enotna, da je energijska učinkovitost tehnologije izjemno visoka. Za enako raven raztopljenega kisika lahko poraba energije v sistemih z nanomehurčki znaša od 40- do 60-odstotkov manj kot pri tradicionalnih zračnih ali difuzorskih sistemih. To pomeni, da se investicija, čeprav je začetni strošek generatorja višji, povrne v nekaj mesecih do dveh let, odvisno od velikosti obrata in cene energije. A ne glede na tehnične možnosti strokovnjaki poudarjajo, da bo prihodnji uspeh tehnologije odvisen od integracije znanja. Le če bodo proizvajalci, raziskovalci in oblikovalci politik sodelovali, bo mogoče doseči standardizacijo postopkov, razvoj varnostnih protokolov in vzpostavitev jasnih smernic za uporabo. Trenutno namreč ni enotne regulative, ki bi določala varnostne meje za koncentracijo reaktivnih kisikovih spojin ali ozona v vodi pri uporabi nanomehurčkov.
Poleg tehničnih in okoljskih koristi nanomehurčki prinašajo še družbeni vidik, ki ga v akvakulturi ni mogoče prezreti. Boljša kakovost vode, manjša uporaba kemikalij in antibiotikov ter višja dobrobit rib neposredno prispevajo k boljši javni podobi ribogojstva. V času, ko se sektor vse bolj sooča z vprašanji trajnosti in etike, takšna tehnologija predstavlja korak k večji sprejemljivosti akvakulture v očeh potrošnikov in regulatorjev. Če povzamemo, nanomehurčki predstavljajo eno najobetavnejših inovacij v sodobni akvakulturi. Dokazano izboljšujejo oksigenacijo, zmanjšujejo porabo energije in kemikalij, stabilizirajo biološke procese in zmanjšujejo okoljski odtis. Komercialni primeri kažejo, da lahko pravilno integrirana tehnologija prinese takojšnje operativne koristi, boljšo rast in nižje stroške. Na raziskovalni ravni pa ostajajo odprta vprašanja o dolgoročnih učinkih in standardizaciji metod, ki bodo ključna za širšo implementacijo v same akvakulturne obrate.
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?
