The impact of redox reactions on the N- and P-cycle in recirculating aquaculture system

Abstract

Redox reaksjoner er viktige for de kjemiske egenskapene til vann. Det er blitt økt interesse for den økende delen av havet med lave konsentrasjoner av oppløst oksygen og hvordan redox reaksjonene kan påvirke, eller bli påvirket av det totale næringsmiddelinnholdet. Disse interaksjonene har også en relevans innen resirkulerende akvakultursystemer (RAS), grunnet det høye oksygen kravet og nivået av næringsmidler. Når næringsmidler er introdusert til ett system vil det indusere primærproduksjon, som vil produsere store mengder labilt organiske materialer (OM). Dette OM vil ikke være termodynamisk stabilt og vil bli oksidert av mikroorganismer. For å oksidere OM trengs det en oksidant som elektronene kan transporteres til. I oksygenrikt vann vil det være oksygen som fungerer som oksidant. Når oksygen blir brukt opp raskere enn det blir fylt opp vil det bli oksygenmangel, og mikroorganismene må starte å bruke andre oksidanter. Denne oppgaven ser på nitrat som oksidant og de ulike redox prosessene det kan gå gjennom in ett system med lite oksygen og nye labilt OM, fra sludge fra RAS. Ved å bruke den første konsentrasjonen til nitrat og observere forskjellen i ammonium mellom ett lukket system med tilsatt nitrat og ett lukket system uten, blir det foreslått at denitrifisering er prosessen som reduserte nitrat. Fosfat ble også studert i det samme systemet. Ved å observere reduksjonen av jern(II) og mangan(IV), ble det forsøkt å identifisere hvilket metall som adsorberte mest fosfat. Den høye konsentrasjonen til fosfat og den overlappende dekomposisjonen av OM fra sludgen, og reduksjonen av jern(III) og mangan(IV) gjorde det vanskelig å hva som slapp ut mest fosfat. Resultatene fra dette eksperimentet ble forsøkt linket til lignende forhold i havet som skjer ved oppvelning soner, antropogen induserte eutrofiering og anoksiske innhav. Dette ble vanskelig fordi konsentrasjonen til ammonium og fosfat ikke er sammenlignbare med naturlige marine forhold.

Redox reactions are important natural processes for aquatic and marine biogeochemistry. Increased attention has been brough to the increasing parts of the ocean with low dissolved oxygen (DO) levels and how the redox reactions affect and is affected by the total nutrient concentrations. These interactions also have a large relevance in recirculating aquaculture systems (RAS), due to their high oxygen demand and levels of nutrients. When nutrients are introduced to a system, they will induce primary production, which consequently produce labile organic matter (OM). This OM is thermodynamically unstable and will be oxidized by microorganisms. To oxidize OM it needs an oxidant to transport the electrons to. This will, in oxic water, be DO. When DO is consumed faster than it is replenished, it creates oxygen deficiency, and the microorganisms will start to reduce other oxidants. This thesis looks at the nitrate (NO3-) as the oxidant, and the different redox processes it can go through in a suboxic system with a large supply of labile OM, delivered by RAS sludge. Using the initial concentration of NO3- and observing the difference of ammonium (NH4+) between a closed system with added NO3- and a control system without, it is suggested that denitrification is the main redox reaction for the reduction of NO3-. The fate of phosphorous was also studied in the same systems. By observing the reduction of iron(III) and manganese(IV), it is attempted to identify the main adsorbent of dissolved phosphate (DP). The high concentrations of DP and the overlapping of decomposition of the sludge made it difficult to determine the participants in the release of DP. The results from this experiment is attempted linked to similar conditions occurring in upwelling zones, anthropogenic induced eutrophication and anoxic basins. This was deemed difficult due to the concentrations of NH4+ and DP not being relatable to that of a natural marine environment.