Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
กลุ่มประชากรจุลินทรีย์ไนตริฟายอิงจากระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียนภายใต้ความเข้มข้นแอมโมเนียและความเค็มที่แตกต่างกัน
Year (A.D.)
2021
Document Type
Thesis
First Advisor
Tawan Limpiyakorn
Second Advisor
Eakalak Khan
Third Advisor
Sorawit Powtongsook
Faculty/College
Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)
Department (if any)
Department of Environmental Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม)
Degree Name
Doctor of Philosophy
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Discipline
Environmental Engineering
DOI
10.58837/CHULA.THE.2021.1312
Abstract
Bioaugmentation of nitrifying cultures can accelerate nitrification during startup and transition periods of recirculating aquaculture systems (RASs) operations. To formulate nitrifying cultures for RASs, impacts of ammonia and salinity (NaCl) on culturing nitrifying microorganisms were comprehensively investigated by including currently known groups of nitrifying microorganisms (ammonia-oxidizing archaea (AOA), ammonia oxidizing bacteria (AOB), comammox, Nitrospira, and Nitrobacter). Initially, community structure of nitrifying microorganisms was observed in biofilters from water recirculation units of shrimp holding tanks operated at two different salinities of 2 and 15 g/L. Unique patterns of nitrifying communities consisting of AOA, comammox, and Nitrospira (without AOB and Nitrobacter) were observed in most out of 17 month observations. By varying ammonia loading rate (ALRs of 1.6, 8, 20, 40, 60 and 150 mgN/L/d) of continuous-flow bioreactors fed with inorganic medium experimented for culture preparation, cultures containing distinct patterns of nitrifying communities were produced. Operating the reactors at the ALRs of ≤40 mgN/L/d, resulting in the effluent total ammonia nitrogen (TAN) and nitrite concentrations of ≤2.64 and ≤0.53 mgN/L, respectively, delivered the consortia consisting of a broad spectrum of substrate affinity nitrifying microorganisms. At the lower ranges of these ALRs (≤8 mgN/L/d), the most desirable consortia comprising comparable numbers of AOB, AOA, and comammox could be produced (the effluent TAN concentrations of ≤0.20 mgN/L), which would be resilient for applying in various RAS types. Enriching the cultures at the ALRs of 360 mgN/L/d allowed only the nitrifying microorganisms with low substrate affinity to dominate, incongruent with the consortia found in actual RASs. AOB were adaptable at all salinity studied (2, 15, and 30 g/L), while AOA and comammox were sensitive to elevated salinity (15 and 30 g/L, respectively). The ammonia removal rate of a culture prepared at 2 g/L salinity decreased largely when applied at 15 and 30 g/L. In contrast, those prepared at 15 and 30 g/L were more robust to different salinity. Separately preparing the cultures at different salinity for uses in freshwater-low salinity and brackish-marine RASs is recommended. The findings of this work enhance our understanding on how to formulate nitrifying culture augmentation for used in different RAS types.
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
กระบวนการไนตริฟิเคชันเป็นกระบวนการที่สำคัญต่อระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน เพราะสามารถบำบัดแอมโมเนียและไนไตรท์ซึ่งเป็นสารประกอบไนโตรเจนที่เป็นพิษต่อสัตว์น้ำได้ การพัฒนากลุ่มไนตริฟายอิงสำหรับกระบวนการไนตริฟิเคชันสำหรับประยุกต์ใช้กับระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียนจึงมีความสำคัญ เนื่องจากในระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียนมีสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน ขึ้นกับชนิดของสัตว์น้ำและความหนาแน่นของสัตว์น้ำในการเพาะเลี้ยง ดังนั้นค่าความเค็มและค่าความเข้มข้นแอมโมเนีย จึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อกลุ่มประชาการไนตริฟายอิงที่แตกต่างกันออกไปในแต่ละสิ่งแวดล้อมของระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์ในการหาค่าความเค็มและค่าความเข้มข้นแอมโมเนียที่เหมาะสมต่อการเพาะเลี้ยงกลุ่มจุลินทรีย์ไนตริฟายอิงสำหรับประยุกต์ใช้ในระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียนได้อย่างหลากหลายชนิด ผลการศึกษากลุ่มประชากรไนตริฟายอิงในตัวกรองชีวภาพจากระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียนสำหรับเลี้ยงกุ้งที่ความเค็ม 2 และ 15 กรัมต่อลิตรเป็นระยะเวลา 17 เดือน กลุ่มจุลินทรีย์ไนตริฟายอิงที่พบ คือ แอมโมเนียออกซิไดซิงอาร์เคีย (AOA), คอมพลีทแอมโมเนียออกซิไดซิงแบคทีเรีย (comammox) และไนโตรสไปรา (Nitrospira) โดยไม่พบแอมโมเนียออกซิไดซิงแบคทีเรีย (AOB) และ ไนโตรแบคเตอร์ (Nitrobacter) จากนั้นจึงนำตัวอย่างของกลุ่มประชากรดังกล่าวมาศึกษาผลของอัตราภาระแอมโมเนีย (Ammonia loading rate, ALR) ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบไหลต่อเนื่องต่อกลุ่มประชากรไนตริฟายอิงที่เปลี่ยนแปลงไป ที่อัตรา 1.6, 8, 20, 40, 60 และ 150 มก.ไนโตรเจนต่อลิตรต่อวัน และศึกษาผลของค่าความเค็มที่ 2, 15 และ 30 กรัมต่อลิตร ต่อการเปลี่ยนแปลงกลุ่มประชากรไนตริฟายอิง โดยพบว่าที่ ALR ≤8 มก.ไนโตรเจนต่อลิตรต่อวัน ซึ่งในถังปฏิการณ์มีค่าความเข้มข้นแอมโมเนีย ≤0.20มก.ไนโตรเจนต่อลิตร ทำให้เกิดความหลากหลายของกลุ่มจุลินทรีย์ไนตริฟายอิงในระบบ ซึ่งประกอบด้วย AOA, AOB, comammox, Nitrospira, และ Nitrobacter ดังนั้น ALR ที่ ≤8 จึงเป็นค่าที่เหมาะสำหรับการเพาะเลี้ยงหัวเชื้อจุลินทรีย์ไนตริฟายอิงสำหรับการประยุกต์ใช้ในระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน เพื่อเพิ่มอัตราหรือกู้คืนการบำบัดแอมโมเนียและไนไตรท์ในระบบ สำหรับผลของความเค็มต่อกลุ่มประชากรไนตริฟายอิงพบว่า AOB เป็นเพียงกลุ่มจุลินทรีย์กลุ่มเดียวที่พบได้ทั้ง 3 ค่าความเค็ม โดยผลการศึกษาอัตราการกำจัดแอมโมเนียโดยสลับค่าความเค็มระหว่างกลุ่มตัวอย่างจากถังปฏิกรณ์ระหว่าง 3 ค่าความเค็ม ที่ความเข้มข้นแอมโมเนียเริ่มต้น10 มก.ไนโตรเจนต่อลิตร พบว่ากลุ่มจุลินทรีย์จากการเลี้ยงที่ค่าความเค็ม 2 กรัมต่อลิตร มีอัตรการกำจัดแอมโมเนียอยู่ที่ 38% เมื่อทดสอบที่ความเค็ม 15 กรัมต่อลิตรและ 11% เมื่อทดสอบที่ความเค็ม 30 กรัมต่อลิตร ขณะที่กลุ่มจุลินทรีย์ที่เลี้ยงด้วยค่าความเค็ม 15 และ 30 กรัมต่อลิตร พบว่าอัตรการกำจัดแอมโมเนียระหว่าง 3 ค่าความเค็มมีค่ามากกว่า 45 % ดังนั้นข้อแนะนำสำหรับค่าความเค็มในการเพาะเลี้ยงหัวเชื้อจุลินทรีย์ไนตริฟายอิงจึงแบ่งออกเป็น 2 แนวทาง คือ ระบบเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำหมุนเวียนสำหรับน้ำจืด หัวเชื้อจุลินทรีย์ที่เหมาะสมต่อระบบน้ำจืดควรถูกเพาะเลี้ยงจากน้ำจืด ในขณะที่สัตว์น้ำกร่อยหรือน้ำเค็มสามารถใช้หัวเชื้อจุลินทรีย์ไนตริฟายอิงได้ทั้งจากการเพาะเลี้ยงในน้ำกร่อยหรือน้ำทะเล
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Pornkulwat, Preeyaporn, "Communities of nitrifying microorganisms from recirculating aquaculture systems (RASs) under different ammonium concentration and salinity" (2021). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 73769.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/73769