مقدمه: توسعه پایدار آبزی‌پروری با استفاده از فناوری کارآمد نانوحباب
سازندگان دستگاه‌هایی که حباب‌هایی با ابعاد یک‌ده‌هزارمِ حباب‌های تولیدشده توسط سیستم‌های هوادهی متداول ایجاد می‌کنند، مزایای متعددی را برای آنها برمی‌شمارند؛ از جمله امکان افزایش تراکم ذخیره‌سازی، کاهش بیماری‌ها و بهبود نسبت تبدیل خوراک. اگرچه مطالعات علمی در مورد این دستگاه‌ها هنوز اندک است، اما شواهد تجربی و گزارش‌های میدانی حاکی از ارزشمندی بالای آن‌هاست.
بسیاری از تولیدکنندگان آبزیان به دنبال افزایش پایدار تراکم در سیستم‌های تولید هستند؛ این امر دلایل متعددی دارد، از جمله محدودیت‌های مربوط به مکان‌های پرورش (در خشکی و آب) که منابعی محدود و پرهزینه محسوب می‌شوند، و همچنین نیاز به افزایش بهره‌وری، کنترل بهتر شرایط محیطی، ارتقای امنیت زیستی (به‌ویژه در مراکز تکثیر و نگهداری مولدین) و بهبود عملکرد اقتصادی سیستم.
در این مسیر، محدودیت‌های فیزیکی ناشی از «ظرفیت برد» (توان پذیرش) سیستم تولید و کیفیت آبِ واحد تولیدی وجود دارد که در این میان، میزان اکسیژن محلول (DO) یکی از شاخص‌های کلیدی کیفیت آب به شمار می‌رود. حداکثر میزان اکسیژن محلول در آب عمدتاً تحت تأثیر دما، شوری و ارتفاع از سطح دریا قرار دارد؛ به‌طوری که آب سرد ظرفیت بیشتری برای نگهداری اکسیژن نسبت به آب گرم دارد. میزان اکسیژن محلول در استخرهای پرورش ماهیان آب‌گرم معمولاً بین ۲ تا ۱۲ میلی‌گرم در لیتر متغیر است و از الگویی شبانه‌روزی پیروی می‌کند: بدین‌صورت که با تابش نور خورشید و انجام فتوسنتز افزایش می‌یابد و در طول شب کاهش یافته و درست پیش از طلوع خورشید به حداقلِ بحرانی خود می‌رسد. اکثر گونه‌های آبزی در سطوح اکسیژن محلول بین ۵ تا ۱۲ میلی‌گرم در لیتر شرایط مطلوبی دارند، اما بسیاری از گونه‌ها در صورت کاهش اکسیژن به کمتر از ۴ میلی‌گرم در لیتر دچار مشکل و تنش می‌شوند.
میزان اکسیژن محلول در آب تعیین‌کننده حجم ذخیره (تراکم) آبزیانی است که می‌توان آنها را در محیطی سالم و کم‌تنش پرورش داد. هم آبزیان موجود در سیستم و هم فرآیندهای تجزیه خوراک و فضولات دفع‌شده، اکسیژن موجود در آبِ واحد تولیدی را مصرف می‌کنند؛ اگر تراکم آبزیان بالا باشد، این مصرف اکسیژن می‌تواند حیاتی و چالش‌برانگیز شود، مگر اینکه امکان تعویض یا گردش مجدد آب فراهم باشد، یا از سیستم‌های بایوفلاک حاوی باکتری‌های هتروتروف استفاده شود که در آنها باکتری‌ها با پایین نگه داشتن سطح آمونیاک و نیتریت، کیفیت آب را حفظ می‌کنند.
پایین بودن سطح اکسیژن محلول (DO) می‌تواند منجر به استرس آبزیان، کاهش تغذیه و رشد، و همچنین افزایش حساسیت به عوامل بیماری‌زا شود. در شرایط حاد، کمبود اکسیژن محلول می‌تواند باعث مرگ‌ومیر و حتی نابودی کامل یک گله پرورشی گردد.
برای افزایش تراکم تولید، پرورش‌دهندگان معمولاً با استفاده از تجهیزاتی نظیر صفحات پاشش آب، چرخ‌های پره‌دار (پدل‌ویل)، پمپ‌های ونتوری، سنگ‌های هوادهی، پمپ‌های ایرلیفت و غیره، آب را در سیستم‌های پرورشی هوادهی می‌کنند. در سیستم‌های فوق‌متراکم، از روش تزریق مستقیم اکسیژن استفاده می‌شود.
بیشتر سیستم‌های هوادهی مکانیکی با به هم زدن سطح آب موجب افزایش میزان اکسیژن می‌شوند؛ در نتیجه، غلظت اکسیژن محلول در نزدیکی سطح آب به بیشترین حد خود می‌رسد و آبزیان ممکن است در مناطقی که اکسیژن بیشتری وجود دارد (یعنی لایه‌های بالایی آب در واحدهای پرورشی یا نزدیک دستگاه‌های هواده) تجمع و تراکم پیدا کنند. گونه‌های کف‌زی (مانند میگو) و گونه‌های ساکن و غیرمتحرک (مانند آبالون) توانایی کمتری برای انجام این کار دارند. توزیع مناسب اکسیژن محلول در واحد پرورشی برای جلوگیری از استرس و رفتار تراکم‌گرایانه اهمیت دارد. شرکت‌های تجاری با درک اهمیتِ حفظ همیشگی اشباع اکسیژن و توزیع یکنواخت آن در سیستم‌های تولید (به‌منظور کاهش اثرات تراکم)، سیستم‌های پیشرفته‌تری را برای تأمین اکسیژن و هوادهی طراحی و به بازار عرضه کرده‌اند؛ این سیستم‌ها امکان افزایش تراکم تولید را با ایمنی و قابلیت اطمینان بیشتر و ریسک کمتر فراهم می‌سازند.
تکنیک و رویکرد
سیستم‌های رایج هوادهی که در واحدهای پرورش آبزیان استفاده می‌شوند، حباب‌های بزرگ یا «ماکروحباب» (macrobubble) هوا یا اکسیژن تولید می‌کنند که قطر آنها معمولاً بزرگتر از ۳ میلیون نانومتر (۰٫۳ سانتی‌متر) است؛ این حباب‌ها به دلیل شناوری مثبت، به‌سرعت به سطح آب صعود کرده و در آنجا می‌ترکند. حتی هنگام استفاده از «میکروحباب‌ها» (microbubble) (که قطرشان معمولاً ۱۰۰ هزار نانومتر (۰٫۰۱ سانتی‌متر) است) برای تأمین اکسیژن آب، حباب‌ها معمولاً تنها چند دقیقه دوام می‌آورند. این بدان معناست که انتقال اکسیژن از هوا به آبِ محیط پرورش با استفاده از روشهای هوادهی معمول و سنتی در سیستم‌های آبزی‌پروری، کارایی پایینی دارد. برخی سیستم‌ها ممکن است برای افزایش غلظت اکسیژنِ ارائه‌شده توسط سیستم هوادهی، از تزریق اکسیژن خالص هم استفاده کنند.
برای بهبود کارایی انتقال اکسیژن از حباب‌های هوا یا اکسیژن، بنیادهای بین‌المللی حمایت کننده شیلات، سیستم‌های تولید فناوری نانوحباب را توسعه داده‌اند. مولدهای نانوحباب می‌توانند هر نوع گازی را به هر مایعی تزریق کنند تا نانوحباب ایجاد شود، اما در عملیات آبزی‌پروری معمولاً از اکسیژن خالص استفاده می‌شود. میانگین قطر حباب‌های اکسیژن تولیدشده کمتر از ۲۰۰ نانومتر است؛ این ویژگی باعث می‌شود اندازه نانوحباب‌ها به ترتیب یک‌پانصدمِ اندازه میکروحباب‌ها و یک‌ده‌هزارمِ اندازه ماکروحباب‌ها باشد.
نانوحباب‌ها آن‌قدر کوچک هستند که دارای شناوری خنثی بوده و به سطح آب صعود نمی‌کنند، بلکه در جریان‌های آبِ واحدِ تولید، با حرکت براونی (Brownian motion) جابه‌جا می‌شوند.
شناوری خنثیِ نانوحباب‌ها منجر به توزیع یکنواخت حباب‌های اکسیژن می‌شود، به‌طوری که سطح اکسیژن محلول (DO) در نزدیکی سطح و کفِ واحدِ پرورش تقریباً یکسان است؛ این امر بدین معناست که ماهیان (یا سایر آبزیان پرورشی) می‌توانند در سراسر ستون آبِ واحدِ تولید پراکنده شده و به‌طور فعال تغذیه کنند. نانوحباب‌های اکسیژن خالص می‌توانند پیش از حل شدن، به ترتیب به مدت ۱۰ تا ۱۵ روز در آب معلق بمانند و از این رو، روشی کارآمدتر برای افزایش میزان اکسیژن محلول (DO) در آب محسوب می‌شوند. علاوه بر این، فروپاشی نانوحباب‌ها منجر به تولید رادیکال‌های آزادِ دارای واکنش‌پذیری شیمیایی (با الکترون‌های جفت‌نشده) می‌شود؛ این رادیکال‌ها ترکیبات آلی را اکسید می‌کنند و ممکن است کیفیت آب را در سیستم‌های بسته پرورش آبزیان بهبود بخشند.
دامنه و مقیاس کاربرد
مولدهای نانوحباب تطبیقی هستند و می‌توان آنها را به راحتی ارتقا داد. این سیستم به ویژه برای گونه‌های ماهی قزل‌آلا که نیاز به اکسیژن محلول بالاتر و تحمل کمتری نسبت به اکسیژن محلول پایین نسبت به بسیاری از گونه‌های آبزی گرمسیری پرورشی دارند، مناسب است. این رویکرد با فناوری آبزی‌پروری متراکم توسط تولیدکنندگان ماهی قزل‌آلا، مورد استفاده قرار می‌گیرد تا عملیات از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. سیستم نانوحباب بدون شک برای سیستم‌های هچری‌ها بسیار مناسب است، همچنین می‌تواند به طور مؤثر در سیستم‌های تولید نیمه بسته مانند قفس‌های ماهی قزل‌آلا با دیواره‌های بلند نیز استفاده شود.
با وجود این واقعیت که هوادهی نانوحباب در آب با مواد جامد معلق بالا به اندازه کافی کارآمد نیست، تولیدکنندگان گزارش می‌دهند که مولدهای نانوحباب در سیستم‌های حوضچه بیوفلاک برای گونه‌هایی مانند میگو و تیلاپیا به خوبی کار می‌کنند. این گونه‌ها برای جلوگیری از ته‌نشینی لخته‌ها به هوادهی شدید نیاز دارند، بنابراین از ایجاد مناطق مرده که در آنها شرایط بی‌هوازی می‌تواند آمونیاک و متان تولید کند و به عوامل بیماری‌زا اجازه تجمع دهد، جلوگیری می‌شود. تولیدکنندگان ادعا می‌کنند که سینتیک زیست‌توده بهبود یافته با استفاده از هوادهی نانوحباب در سیستم‌های بیوفلاک، آمونیاک را به طور مؤثر اکسید کرده و میزان عوامل بیماری‌زای باکتریایی مانند گونه‌های ویبریو را کاهش می‌دهد.
دسترسی‌پذیری
سیستم قفس پرورش ماهی قزل‌آلا نیازمند اجزای زیرساختی متعددی است. این موارد شامل شناور (بارج یا پانتون)، ژنراتور برق، دستگاه تولید اکسیژن (یا مخازن اکسیژن خارجی)، پمپ‌های سنگین‌کار، سیستم لوله‌کشی (شامل شیلنگ‌های اکسیژن و آب)، نازل‌های تزریق و احتمالاً یک مخزن ذخیره (پشتیبان) اکسیژن مایع است.
تولیدکنندگان گزارش می‌دهند که دوره بازگشت سرمایه می‌تواند تنها ۱۴ ماه باشد، اما این ادعا نیازمند تأیید منابع دولتی است.
از حسگرهای آنالوگ برای پایش میزان اکسیژن محلول (DO)، کنترل خودکار برق مصرفی هر ژنراتور نانوبابِل و بهینه‌سازی بهره‌وری انرژی استفاده می‌شود. تمیز کردن نازل‌های نانوبابِل معمولاً ۳۰ دقیقه زمان می‌برد، هرچند برخی برندها مجهز به سیستم‌های خودتمیزشونده هستند. ژنراتورهای نانوبابِل که به‌طور مداوم کار می‌کنند، در مقایسه با آن‌هایی که مرتباً خاموش و روشن می‌شوند، به دفعات کمتری برای تمیزکاری نیاز دارند.
ژنراتورهای نانوبابِل نیازمند منبع تغذیه برق پایدار و مطمئن و همچنین یک سیستم ژنراتور پشتیبان هستند. تولیدکنندگان گزارش می‌دهند که هزینه‌های بهره‌برداری و نگهداری این ژنراتورها پایین است و کمتر دچار مشکلات فنی می‌شوند.
کارایی و اثربخشی ژنراتورهای نانوبابِل در افزایش سطح اکسیژن محلول (DO) در آب‌هایی با بار بالای ذرات معلق کمتر است؛ بنابراین استفاده از آنها در استخرهای کدر مناطق گرمسیری و حتی آب‌های ساحلی که تحت تأثیر روان‌آب‌های رودخانه‌ای هستند، بازدهی کمتری دارد. با این حال، این سیستم‌ها همچنان نسبت به روشهای هوادهی فعلی در همان محیط‌ها، پیشرفت قابل‌توجهی محسوب می‌شوند.
استفاده از مقادیر زیاد اکسیژن با خلوص بالا در قفس‌های شناور مستقر در دریا، ملاحظات ایمنی و بهداشتی و همچنین هزینه‌های اضافی به همراه دارد.
افرادی که در اینترنت به دنبال محصولات نانوبابِل هستند باید هوشیار باشند؛ زیرا بسیاری از شرکت‌های فروشنده تجهیزات نانوبابِل (که طبق تعریف، ابعادی کوچک‌تر از ۲۰۰ نانومتر یا ۰.۰۰۰۰۰۰۲ متر دارند)، در واقع تجهیزاتی را می‌فروشند که «میکروبابِل» (میکروحباب) تولید می‌کنند؛ حباب‌هایی که فاقد خواص هوادهیِ مشابهِ نانوبابِل‌ها هستند. لذا قبل از خرید دستگاه نانوحباب، باید نتیجه تست DLS دستگاه را از فروشنده درخواست نمائید.
نتایج و مزایا
هوادهی با نانوحباب، توزیع یکنواخت اکسیژن را در واحدهای پرورش آبزیان فراهم می‌آورد؛ این امر موجب بهره‌برداری بهتر از فضای موجود (از کف تا سطح آب) در مخازن، قفس‌ها و استخرها شده و امکان افزایش ظرفیت پذیرش (تراکم) واحدها را بدون ایجاد استرس اضافی برای ماهی‌ها فراهم می‌کند. اختلاط یکنواخت نانوحباب‌ها در سراسر ستون آب و ماندگاری آنها در محلول به مدت چندین روز و هفته، به‌طور کارآمدی تضمین می‌کند که سطح اکسیژن محلول (DO) برای گونه و تراکم ذخیره‌سازیِ موجود در واحدهای پرورش، در حد بهینه باقی بماند. این فناوری استرس آبزیان را کاهش می‌دهد، امکان تشدید پایدار تولید و افزایش تراکم ذخیره‌سازی را فراهم می‌سازد و منجر به تغذیه بهتر و ضریب تبدیل غذایی (FCR) پایین‌تر می‌شود. علاوه بر این، احتمال شیوع بیماری‌های ناشی از عوامل بیماری‌زا کاهش می‌یابد. مجموع این عوامل به بهره‌وری بیشتر و افزایش سودآوری واحدهای پرورش آبزیان می‌انجامد.
رحماواتی و همکاران (۲۰۲۱) طی یک دوره ۸۱ روزه، روشهای هوادهی با دیفیوزر (پخش‌کننده) و هوادهی با نانوحباب را برای پرورش میگوی پا‌سفید (Whiteleg shrimp) در سیستم‌های کانالی (raceway) سرپوشیده ۵۰ مترمربعی با تراکم ۶۸۰ میگو در مترمکعب مقایسه کردند. نتایج نشان داد که هوادهی با نانوحباب منجر به سطوح به‌مراتب بالاتر اکسیژن محلول و رشد به‌طور معنادار بهتر میگوها شد؛ به‌طوری که میزان کل برداشت (۴۳۶ کیلوگرم) و بهره‌وری (۸.۷ کیلوگرم در مترمکعب) در سیستم کانالی مجهز به نانوحباب، دو برابرِ سیستم کانالی با هوادهی دیفیوزر (۲۲۲ کیلوگرم و ۴.۴ کیلوگرم در مترمکعب) بود و ضریب تبدیل غذایی پایین‌تری نیز حاصل شد.
سیستم‌های نانوحبابی اکسیژن را با بازدهی بیش از ۹۰ درصد منتقل می‌کنند که این میزان ۳۰ برابر بیشتر از سیستم‌های هوادهی معمولی (غیر نانوحبابی) است.
نانوحباب‌ها می‌توانند فناوری کارآمدی برای حذف بیوفیلم‌های میکروبی از سطوح و افزایش اثربخشی مواد ضدعفونی‌کننده رایج باشند. همچنین می‌توان از نانوحباب‌ها برای مبارزه با شپش دریایی به شیوه‌ای مقرون‌به‌صرفه و پایدار استفاده کرد، هرچند این ادعا نیز نیازمند راستی‌آزمایی مستقل است. اگرچه مقالات علمیِ داوری‌شدۀ اندکی برای تأیید وجود دارد، اما شرکت‌های تجاری پرورش ماهی سالمون در استرالیا هم‌اکنون در حال اجرای طرح‌های آزمایشی برای ارزیابی این فناوری هستند تا مشخص کنند که آیا بهترین رویکرد تجاری، استفاده مداوم از آن برای بهبود عملکرد است یا استفاده اضطراری برای حفظ سلامت ماهیان؛ با این حال، شرکت‌های مذکور فعلاً نتایج اختصاصی این طرح‌ها را برای کسب مزیت رقابتی نزد خود محفوظ نگه داشته‌اند. امید می‌رود که به‌زودی اخبار مثبت بیشتری در این زمینه منتشر شود.
قیمت دستگاه نانو حباب
در بازار امروزه انواع شرکت‌ها در زمینه ساخت مولدهای نانوحباب فعالیت می‌نمایند و هر شرکت قیمت مختص به خود را اعلام می‌نماید و باید گفت هر شرکت معمولا در یک زمینه خاص مهارت دارد. برخی در ساخت دستگاه‌های نانوحباب برای گلخانه، برخی برای پرورش ماهی، برخی پزشکی و برخی دیگر در زمینه تصفیه فاضلاب. که بر اساس رزومه و سابقه فعالیت این شرکت‌ها باید به سراغ آنها رفت.
نوع دستگاه بر میزان قیمت آن بسیار موثر است. مولدای نانوحباب را می توان در رنجهای گسترده قیمتی تولید نمود ولی ساخت یک دستگاه کارآمد که گاز مصرفی را هدر ندهد معمولا هزینه بر و بسیار تخصصی خواهد بود.