پرورش قزل‌آلای رنگین‌کمان از مهمترین شاخه‌های آبزی‌پروری سردآبی است و موفقیت آن وابستگی بسیار زیادی به کیفیت آب، به‌ویژه اکسیژن محلول، دارد. در این گونه، اکسیژن نه‌فقط یک عامل تنفسی، بلکه تعیین‌کننده رشد، اشتها، ضریب تبدیل غذایی، بقا، تحمل استرس و حتی ظرفیت نگهداری مزرعه است.
در عمل، دو رویکرد اصلی برای تأمین اکسیژن وجود دارد: هوادهی و اکسیژن‌رسانی. هوادهی معمولاً به وارد کردن هوا به آب یا مخلوط کردن آب و هوا برای رسیدن به تعادل اکسیژن گفته می‌شود، در حالی‌که اکسیژن‌رسانی به تزریق اکسیژن خالص به آب اطلاق می‌شود. اگرچه این دو روش گاهی در گفتار روزمره به‌جای هم به‌کار می‌روند، اما از نظر فنی، راندمان، هزینه و اثر بر تولید، تفاوت‌های مهمی دارند.
در این بخش از کتاب آموزشی، سه مفهوم کلیدی در تأمین اکسیژن مورد نیاز برای پرورش ماهی را تشریح خواهیم نمود: نیازهای فیزیولوژیکی ماهی، سیستم‌های تأمین اکسیژن مایع (مخازن کرایوژنیک) و سیستم‌های تولید اکسیژن در محل (PSA) این اطلاعات به آبزی‌پروران در انتخاب روش مناسب برای مجموعه پرورشی کمک خواهد کرد.
6.1. نیاز اکسیژنی قزل‌آلا
اکسیژن محلول در آب (Dissolved Oxygen – DO) برای بقا، رشد و سلامت ماهی قزل‌آلا حیاتی است. قزل‌آلا به عنوان یک ماهی سردابی، به سطوح نسبتاً بالایی از اکسیژن محلول نیاز دارد. این نیاز به عوامل مختلفی بستگی دارد:
- دمای آب: رابطه‌ای معکوس با اکسیژن دارد. هرچه دمای آب گرم‌تر باشد، ظرفیت انحلال اکسیژن در آب کمتر شده و نیاز تنفسی ماهی افزایش می‌یابد. این موضوع در ماه‌های گرم سال یا در سیستم‌های با دمای کنترل‌نشده بسیار حیاتی است.
- اندازه و تراکم ماهی: ماهی‌های بزرگ‌تر و متراکم‌تر، اکسیژن بیشتری مصرف می‌کنند. با رشد ماهی‌ها در طول دوره پرورش، باید میزان اکسیژن‌رسانی به سیستم افزایش یابد.
- فعالیت و تغذیه: پس از غذادهی، فعالیت متابولیکی ماهی افزایش یافته و مصرف اکسیژن به طور قابل‌توجهی بالا می‌رود.
سطح اکسیژن ایده‌آل برای قزل‌آلا معمولاً بین ۸ تا 12 میلی‌گرم در لیتر است. افت اکسیژن زیر ۵ میلی‌گرم در لیتر باعث ایجاد استرس، کاهش اشتها، تضعیف سیستم ایمنی و نهایتاً تلفات می‌شود. بنابراین، پایش مستمر و تأمین مطمئن اکسیژن، یکی از ارکان اصلی مدیریت موفق یک مزرعه پرورش قزل‌آلا محسوب می‌شود.
6.2. مقایسه اکسیژن‌رسانی و هوادهی در پرورش ماهیان سردابی
هوادهی فرآیندی است که طی آن آب و هوا با هم تماس مؤثر پیدا می‌کنند تا اکسیژن بیشتری وارد آب شود. این کار می‌تواند با روش‌های مختلفی مانند هم‌زدن سطحی، فواره‌کردن آب، پدل‌ویل، اسپلش، بلوئر، برج هوادهی و دیفیوزرهای هوا انجام شود. مزیت هوادهی نسبت به اکسیژن خالص، ارزان‌تر و ساده‌تر بودن و کمک به خروج CO₂ و برخی گازهای محلول است و محدودیت‌های آن راندمان انتقال اکسیژن پایین‌تر، عدم تامین اکسیژن در تراکم‌های بالا، اختلاط و تلاطم بیش از حد و مصرف انرژی بسیار بشتر از کارایی آن می‌باشد.
در مقابل اکسیژن‌رسانی یعنی وارد کردن اکسیژن با غلظت بالا یا خالص به آب که معمولاً توسط دستگاه اکسیژن‌ساز یا مخزن اکسیژن مایع تامین و با استفاده از مخروط اکسیژن، مخلوط‌کن‌های فشاری یا سامانه‌های نانوحباب به آب وارد می‌شود. در این روش، به علت اینکه غلظت اکسیژن تزریقی بالاست، می‌توان اکسیژن محلول یا DO را تا مقادیر فوق‌اشباع کنترل‌شده رساند. لذا در پرورش متراکم و سیستم مداربسته یا RAS، این روش از نظر فنی برتری زیادی دارد، زیرا حجم بیشتری از اکسیژن در زمان کمتر،صرف انرژی کمتر و با کنترل بهتر وارد آب می‌شود. به همین دلیل، در تراکم بالا، اکسیژن‌رسانی غالباً به‌عنوان ابزار اصلی استفاده می‌شود. مزایای اکسیژن‌رسانی شامل افزایش مؤثر و سریع اکسیژن محلول یا DO، امکان نگهداری تراکم‌های بالاتر، کاهش استرس و بهبود رشد، کاهش ضریب تبدیل غذا و کاهش مصرف انرژی نسبت به هوادهی می‌باشد. بنابراین برای سیستم‌های مداربسته و نیمه‌مداربسته این روش مناسب‌تر از هوادهی است. در عین‌حال هزینه سرمایه‌گذاری و عملیاتی آن بالاتر از هوادهی ساده است و نیازمند کنترل دقیق‌تر می‌باشد.
6.3. تأثیر بر کیفیت آب
کیفیت آب در قزل‌آلا فقط به اکسیژن محدود نیست، اما اکسیژن نقش مرکزی دارد. وقتی DO پایین باشد، متابولیسم ماهی، دفع مواد زائد و کارایی سیستم ایمنی افت می‌کند و در نتیجه آمونیاک، CO₂ و سایر ترکیبات مضر سریع‌تر اثر می‌گذارند. در این شرایط، حتی اگر خوراک‌دهی و دما مناسب باشد، تولید پایدار نخواهد بود.
کل بار جامدات معلق یا TSS یکی از شاخص‌های مهم کیفیت آب است، زیرا ذرات معلق می‌توانند آبشش‌ها را تحریک کنند، شفافیت را کاهش دهند و به‌طور غیرمستقیم تبادل گاز را مختل کنند. هوادهی، به‌ویژه در قالب هم‌زدن و تلاطم، باعث خرد شدن فضولات و باقی ماندن آنها در ستون آب و عدم کارایی سیستم فیلتراسیون در حذف مواد معلق می‌شود و بار معلق را در سیستم بالا نگه می‌دارد. اکسیژن‌رسانی مستقیماً، به‌خودی‌خود برای حذف TSS طراحی نشده است، اما در سیستم‌های RAS با کمک فیلتراسیون مکانیکی و بیولوژیک، کیفیت آب را بهتر تثبیت می‌کند. در نتیجه، از نظر کنترل TSS، اکسیژن‌خالص بسیار بهتر است.
بقای ماهی در طول دوره پرورش یکی از حساس‌ترین شاخص‌های عملکرد مزرعه است. افت اکسیژن باعث استرس، کاهش ایمنی، افزایش حساسیت به انگل‌ها و بیماری‌ها و در نهایت مرگ‌ومیر می‌شود. از این جهت، اکسیژن‌رسانی و هوادهی هر دو مهم‌اند، اما اکسیژن‌رسانی در شرایط بحرانی مؤثرتر است.
هوادهی بیشتر نقش «پایداری پایه» را ایفا می‌کند؛ یعنی کمک می‌کند سیستم از شرایط بحرانی دور بماند. اکسیژن‌رسانی نقش «کنترل دقیق» دارد؛ یعنی در زمان اوج بار زیستی، پس از غذا، گرما، یا قطع برق می‌تواند سقوط DO را جبران کند.
6.4. تراکم قابل نگهداری
تراکم قابل نگهداری مستقیم به توان اکسیژن‌رسانی و سیستم تصفیه وابسته است. در استخرهایی که فقط هوادهی دارند، تراکم قابل نگهداری پایین‌تر است، زیرا اکسیژن ورودی محدودتر و نوسانات DO بیشتر است. در مقابل، با اکسیژن‌رسانی مستقیم، می‌توان تراکم بالاتر را با ریسک کمتر نگه داشت.
به‌صورت عملی، در قزل‌آلا هرچه به سمت تراکم‌های بالاتر و سیستم‌های RAS برویم، اکسیژن‌رسانی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. اگر اکسیژن کافی نباشد، افزایش تراکم به‌جای افزایش تولید، به افت رشد، افزایش تلفات و بالا رفتن هزینه تمام‌شده می‌انجامد.
6.5. اقتصاد پرورش: هزینه تولید و بازگشت سرمایه
از نظر اقتصادی، هوادهی معمولاً سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه بهره‌برداری پایین‌تری دارد. برای مزارع کوچک یا متوسط، این مزیت مهم است، زیرا تجهیز به پدل‌ویل، بلوئر یا برج هوادهی مقرون‌به‌صرفه‌تر از سامانه‌های اکسیژن خالص است. اما اگر هزینه خوراک، تلفات و زمان پرورش را هم حساب کنیم، اکسیژن‌رسانی در تراکم‌های بالا می‌تواند سودآوری بیشتری ایجاد کند و در مدت کوتاهی سرمایه‌گذاری انجام شده را بازگرداند. زیرا خوراک معمولاً بزرگ‌ترین جزء هزینه تولید است و اگر اکسیژن‌رسانی باعث بهبود FCR شود، هزینه خوراک به ازای هر کیلوگرم محصول کاهش می‌یابد. این کاهش، در دوره‌های تولید متعدد، هزینه اکسیژن جبران می‌شود. همچنین، وقتی رشد بهتر شود، ماهی زودتر به وزن بازار می‌رسد و کوتاه شدن دوره پرورش یعنی سرمایه زودتر برمی‌گردد، خطر بیماری و نوسان دما کمتر می‌شود و ظرفیت تولید سالانه بالا می‌رود. لذا باید گفت دوره بازگشت سرمایه در هوادهی ساده معمولاً کوتاه‌تر است، چون خرید و نگهداری آن ارزان‌تر است. اما در سامانه‌های متراکم، اکسیژن‌رسانی ممکن است با وجود CAPEX بالاتر، به دلیل افزایش تولید و کاهش FCR، بازگشت سرمایه بهتری در میان‌مدت داشته باشد.
6.6. نانوحباب به‌عنوان گزینه پیشرفته
نانوحباب‌ها در واقع یک سطح پیشرفته‌تر از انتقال اکسیژن خالص به آب می‌باشند. همانطور که در مباحث قبلی ذکر گردید، این فناوری با افزایش راندمان انتقال اکسیژن و پایداری حباب‌ها، می‌تواند هم کیفیت آب را بهتر کند و هم مصرف انرژی و مواد شیمیایی را کاهش دهد.
فصل هفتم: سیستم‌های تامین اکسیژن خالص
الف: تأمین اکسیژن با مخازن کرایوژنیک (اکسیژن مایع)
یکی از روش‌های تأمین اکسیژن، استفاده از اکسیژن مایع است که در مخازن کرایوژنیک نگهداری می‌شود.
اصول عملکرد و ویژگی‌ها
اکسیژن مایع، اکسیژنی است که با سرد کردن تا دمای حدود منهای ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد به حالت مایع درآمده است. این فرآیند باعث کاهش چشمگیر حجم گاز می‌شود و امکان ذخیره‌سازی مقادیر بسیار زیاد اکسیژن را در فضایی کوچک فراهم می‌کند. برای نگهداری این مایع فوق‌سرد، از مخازن کرایوژنیک با ساختار دو جداره و عایق‌بندی پیشرفته (معمولاً با خلاء بالا و مواد عایق) استفاده می‌شود تا از نفوذ گرما و تبخیر سریع محصول جلوگیری شود. این مخازن بدون نیاز به برق کار کرده و فشار کاری پایین و ایمنی دارند. عدم نیاز به نگهداری در فضای مسقف، یکی دیگر از مزایای عملیاتی آن است .
شکل 7: مخزن کرایوژنیک ذخیره اکسیژن مایع
ب: تولید اکسیژن در محل با سیستم‌های PSA
سیستم‌های جذب با نوسان فشار(Pressure Swing Adsorption – PSA)، روشی مدرن و خودکفا برای تولید اکسیژن در محل مورد نیاز پرورش ماهی هستند.
اصول عملکرد
این سیستم‌ها با استفاده از هوای محیط کار می‌کنند. یک کمپرسور، هوای محیط را فشرده کرده و از میان بستری از غربال‌های مولکولی (معمولاً زئولیت) عبور می‌دهد. این غربال‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مولکول‌های نیتروژن را به خود جذب کنند و اجازه عبور مولکول‌های اکسیژن را بدهند. با چرخش بین دو بستر جاذب که یکی در حال جذب و دیگری در حال بازیابی است، جریانی پیوسته از اکسیژن با خلوص بالا (معمولاً ۹۰ تا ۹۵ درصد) تولید می‌شود.
ستون‌های جذب اکسیژن سیستم PSA
بزرگ‌ترین مزیت PSA، استقلال کامل از تأمین‌کنندگان خارجی است و با وجود هزینه اولیه دستگاه، هزینه تولید اکسیژن به مراتب کمتر از خرید مداوم اکسیژن مایع یا کپسول است. همچنین، این سیستم‌ها نیازی به ذخیره‌سازی و کار با مایعات فوق‌سرد نداشته و ایمنی بالاتری دارند. چالش اصلی این سیستم‌ها، هزینه اولیه تجهیزات و مصرف برق و همچنین نیاز به نگهداری دوره‌ای برای تعویض فیلترها و سرویس کمپرسور است. همچنین، یک سیستم PSA تنها در صورت وجود برق پایدار قادر به تولید اکسیژن خواهد بود.
بر اساس اطلاعات موجود در جدول زیر می‌توان در انتخاب بین اکسیژن مایع و تولید اکسیژن در محل، برای هر مزرعه، تصمیم‌گیری نمود.
جدول 10: مقایسه معایب و مزایای دو روش اصلی تامین اکسیژن خالص
| ویژگی | اکسیژن مایع | تولید اکسیژن در محل (اکسیژن‌ساز PSA) |
| هزینه | هزینه اولیه خرید مخزن + خرید مداوم اکسیژن مایع، هزینه‌های حمل و نشت مداوم اکسیژن | هزینه اولیه دستگاه + برق مصرفی |
| استقلال | وابسته به تأمین‌کننده و زمان تحویل | استقلال کامل و کنترل بر تولید اکسیژن |
| خلوص اکسیژن | خلوص بالا حدود ۹۹٪ برای اکسیژن مایع | خلوص قابل تنظیم (معمولاً ۹۰ تا ۹۵٪) |
| تأثیرات محیطی | حمل و نقل و مصرف انرژی برای تولید | کاهش قابل‌توجه حمل‌ونقل و انتشار گازهای گلخانه‌ای |
| عملکرد در شرایط سخت | وابسته به دسترسی جاده‌ای و شرایط آب‌وهوایی | مناسب برای مناطق دورافتاده و شرایط سخت مانند سرمای شدید |
| وابستگی به تامین برق | ندارد | کاملا وابسته |
| موارد احتیاطی | خطر اشتعال و انفجار در صورت استفاده از روغن و گریس در اتصالات مخزن | خطر از بین رفتن زئولیت دستگاه در صورت رسیدن رطوبت به مولد |
بر اساس بررسی‌های اقتصادی به‌عمل آمده توسط نگارنده، در پرورش ماهی قزل‌آلا در کشور ایران به هیچ وجه استفاده از مخازن کرایوژنیک اکسیژن مایع به جز در مزارعی که به منبع برق دسترسی ندارند، توصیه نمی‌شود. زیرا باعث افزایش شدید هزینه پرورش و قیمت تمام شده ماهی می‌گردد.
مهمترین روش‌های انتقال اکسیژن به آب
صرف تولید اکسیژن کافی نیست؛ نحوه انتقال آن به آب نیز بسیار مهم است. به طوریکه تا حد امکان، اکسیژن خالص هدر نرود. روش‌های کارآمد عبارتند از مخروط‌های اکسیژن و سامانه‌های نانوحباب. که سامانه نانوحباب به دلیل عدم خروج اکسیژن وارد شده به آب و وجود پتانسیل زتا که باعث خاصیت آنتی باکتریال آن می‌شود، بسیار بهتر از مخروط اکسیژن است و کارایی انتقال اکسیژن را بسیار افزایش می‌دهد.
توصیه‌های عملی برای پرورش‌دهندگان (به ویژه ماهیان سردابی):
۱. برای افزایش بهره‌وری:
- از نانوحباب اکسیژن در سیستم‌های پرورش متراکم استفاده کنید. نانوحباب اکسیژن باعث افزایش وزن، نرخ رشد و بقا می‌شود.
۲. برای کنترل بیماری‌ها:
- از نانوحباب ازن برای ضدعفونی آب ورودی و مخازن قرنطینه استفاده کنید (زمان تماس آب و ازن ۱۰-۱۵ دقیقه است).
- از نانوحباب اکسیژن به‌عنوان مکمل فاژدرمانی استفاده کنید.
- از نانوحباب هیدروژن برای کاهش استرس اکسیداتیو و کنترل ویروس‌ها استفاده کنید.
۳. برای تصفیه فاضلاب:
- از نانوحباب ازن برای تخریب آنتی‌بیوتیک‌ها و داروها استفاده کنید.
- از نانوحباب اکسیژن برای کاهش آمونیاک و نیتریت در سیستم‌های RAS استفاده کنید.
۴. نکات ایمنی:
- دوز و زمان تیمار با نانوحباب ازن را دقیقاً کنترل کنید. از تیمار طولانی‌مدت با ازن (بیش از ۱۰-۱۵ دقیقه) خودداری کنید.
پاسخ به سؤالات متداول
سؤال ۱: آیا نانوحباب اکسیژن می‌تواند جایگزین دستگاه‌های هوادهی معمولی شود؟ بله، نانوحباب اکسیژن به‌دلیل ماندگاری طولانی و انتقال بالای اکسیژن، جایگزین بسیار مناسبی برای دیفیوزرها و پدل‌ویل‌ها می‌باشد، اما نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه دارد.
سؤال 2 : آیا نانوحباب ازن برای ماهی و میگو سمی است؟ در غلظت‌های کم و زمان‌های کوتاه، ایمن است. اما غلظت‌های بالا یا زمان‌های طولانی می‌تواند باعث آسیب آبشش و مرگ شود. بنابراین زمانی که از غلظت بالا برای از بین بردن عوامل بیماریزا از نانوحباب ازن استفاده می‌کنیم نباید در استخر ازن زنی ماهی حضور داشته باشد.
سؤال3 : هزینه استفاده از نانوحباب در آبزی‌پروری چقدر است؟ بر اساس مطالعات، دوره بازگشت سرمایه حدود یک تا دو دوره پرورش است و پس از آن، سودآوری قابل‌توجهی دارد.
سؤال 4 : آیا نانوحباب در آب شور نیز مؤثر است؟ بله، مطالعات متعدد در آب شور (مانند پرورش میگو) نشان داده است که نانوحباب‌ها در آب شور نیز مؤثر هستند، اگرچه پایداری آنها ممکن است در آب شور کمتر باشد.
منابع:
Dien, L. T., Linh, N. V., Mai, T. T., Senapin, S., St-Hilaire, S., Rodkhum, C., & Dong, H. T. (2022). Impacts of oxygen and ozone nanobubbles on bacteriophage in aquaculture system. Aquaculture, *551*, 737894. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2022.737894
Ebina, K., Shi, K., Hirao, M., Hashimoto, J., Kawato, Y., Kaneshiro, S., Morimoto, T., Koizumi, K., & Yoshikawa, H. (2013). Oxygen and air nanobubble water solution promote the growth of plants, fishes, and mice. PLoS ONE, *8*(6), e65339. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0065339
Farid, M. U., Choi, P. J., Kharraz, J. A., Lao, J.-Y., St-Hilaire, S., Ruan, Y., Lam, P. K. S., & An, A. K. (2022). Hybrid nanobubble-forward osmosis system for aquaculture wastewater treatment and reuse. Chemical Engineering Journal, *435*, 135164. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135164
Juhnkeaw, C., Khongcharoen, N., Rungrueng, N., Sangpo, P., Panphut, W., Thapinta, A., Senapin, S., St-Hilaire, S., & Dong, H. T. (2021). Ozone nanobubble treatment in freshwater effectively reduced pathogenic fish bacteria and is safe for Nile tilapia (Oreochromis niloticus). Aquaculture, *534*, 736286. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2020.736286
Ng, P. H., Huang, Q., Huang, L., Cheng, T. H., Man, K. Y., Cheng, K. P., Rita, P. M. A., Zhang, J., & St-Hilaire, S. (2023). Assessment of ozone nanobubble technology to reduce freshwater algae. Aquaculture Research, *2023*, Article ID 9539102. https://doi.org/10.1155/2023/9539102
Yaparatne, S., Morón-López, J., Bouchard, D., Garcia-Segura, S., & Apul, O. G. (2024). Nanobubble applications in aquaculture industry for improving harvest yield, wastewater treatment, and disease control. Science of the Total Environment, *912*, 170379. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170379