Наукові доповіді Національного університету біоресурсів і природокористування України

Оптимізація біофільтрації у замкнутих водних системах для сталого розвитку аквакультури: екологічні аспекти та технологічні інновації

Артем Кравченко*

a-kravchenko05@outlook.com

Завантажити статтю
Анотація

Мета дослідження полягала в обґрунтуванні теоретичних і прикладних засад оптимізації біофільтрації у замкнутих водних системах аквакультури з урахуванням екологічних вимог, технологічних інновацій і стабільності функціонування біофільтра. Дослідження було виконано в межах теоретико-прикладного дизайну із застосуванням наукового аналізу, біохімічного узагальнення, порівняльно-технологічного зіставлення, екологічного узагальнення та систематизації сучасних даних про біологічне очищення води. Було встановлено, що біофільтрація забезпечувала перетворення амонійного азоту, нітритів і нітратів через послідовну дію бактеріальних та архейних угруповань, а її стабільність визначалася температурою, водневим показником, лужністю, розчиненим киснем, солоністю, органічним навантаженням і станом біоплівки. Було систематизовано шість основних груп забруднювачів водного середовища, дев’ять параметрів контролю біофільтра, сім технологічних варіантів біофільтрації, шість екологічних ефектів і шість інноваційних напрямів оптимізації. Узагальнення джерел показало, що вибір типу біофільтра має залежати від азотного навантаження, солоності, потреби в дегазації CO₂, рівня автоматизації та складності експлуатації. Реактори з рухомим шаром біоплівки доцільні для інтенсивних recirculating aquaculture system (RAS), денітрифікаційні модулі – для контролю накопичення нітратів, а комбіноване очищення – для комплексного управління якістю води. Конструкційні удосконалення, сенсорний контроль, автоматизоване регулювання та прогностичні моделі підвищують керованість азотного циклу й зменшують ризик накопичення токсичних сполук. Обґрунтовано, що біофільтрація сприяє зниженню потреби у водообміні, обмеженню забруднених скидів, зменшенню ризику евтрофікації та підвищенню ефективності використання водних біоресурсів. Практична значимість результатів полягає в тому, що їх можуть використати інженери аквакультурних підприємств, екологи, проєктувальники замкнутих водних систем і фахівці рибницьких господарств для вибору типу біофільтра, налаштування моніторингу якості води та зниження екологічного навантаження виробництва

Ключові слова

лужність; розчинений кисень; нітрати; денітрифікаційні модулі; токсичні сполуки

ЦИТУВАТИ
Kravchenko, A. (2026). Optimisation of biofiltration in closed aquatic systems for the sustainable development of aquaculture: Environmental aspects and technological innovations. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 22(4),178-193. https://doi.org/10.31548/dopovidi/4.2026.178
Використані джерела
  1. Ahmed, N., & Turchini, G.M. (2021). Recirculating aquaculture systems (RAS): Environmental solution and climate change adaptation. Journal of Cleaner Production, 297, article number 126604. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.126604.
  2. Al Dakdouki, S., Nivelle, R., Ledoré, Y., Fontaine, P., & Changey, F. (2025). Effects of biofilter management modalities on the microbiological status in RAS water to avoid recording capacities of biofilms. Aquacultural Engineering, 110, article number 102522. doi: 10.1016/j.aquaeng.2025.102522.
  3. Azizah, J.N., Rahardjo, S.S., Maimunah, Y., Zakaria, M.H., Rangkuti, R.F., Fakhri, M., Yuwanita, R., Pratiwi, A., & Prayogo, T.B. (2026). Biofilter substrates influence microbial dynamics and water quality in the Cherax quadricarinatus recirculating aquaculture system. Journal of Ecological Engineering, 27(7). doi: 10.12911/22998993/216359.
  4. Costigan, E.M., Bouchard, D.A., Ishaq, S.L., & MacRae, J.D. (2024). Short-term effects of abrupt salinity changes on aquaculture biofilter performance and microbial communities. Water, 16(20), article number 2911. doi: 10.3390/w16202911.
  5. Dai, H., Dong, D., Sun, Z., Li, M., Li, Y., Gan, E., Song, X., Xiao, J., & Li, M. (2026). The overlooked NO₃⁻-N reducing pathways in biofilters of marine recirculating aquaculture system (RAS): Insights from metagenomics and ¹⁵N-membrane inlet mass spectrometry. Aquaculture, 616, article number 743705. doi: 10.1016/j.aquaculture.2026.743705.
  6. Fan, X., Lia, J., Wang, Y., Qu, Y., Li, H., Qu, K., & Cui, Z. (2024). A hybrid neural network model for predicting the nitrate concentration in the recirculating aquaculture system. doi: 10.48550/arXiv.2401.01491.
  7. Fernandes, P.M., Fiksdal, L.W., Rojas-Tirado, P.A., Stenhaug, S.R., Khadka, S., Calabrese, S., Powell, M.D., Dahle, H., Bakke, I., Hess-Erga, O.-K., & Fredriksen, S. (2026). Biofilter performance, water quality, and microbial dynamics in RAS operated under high or low suspended solids load. Aquaculture, 614, article number 743559. doi: 10.1016/j.aquaculture.2025.743559.
  8. Flores-Iwasaki, M., Guadalupe, G.A., Pachas-Caycho, M., Chapa-Gonza, S., Mori-Zabarburú, R.C., & Guerrero-Abad, J.C. (2025). Internet of Things (IoT) sensors for water quality monitoring in aquaculture systems: A systematic review and bibliometric analysis. AgriEngineering, 7(3), article number 78. doi: 10.3390/agriengineering7030078.
  9. Food and Agriculture Organization. (2024a). Guidelines for sustainable aquaculture. Retrieved from https://www.fao.org/guidelines-sustainable-aquaculture/en.
  10. Food and Agriculture Organization. (2024b). The state of world fisheries and aquaculture 2024. Retrieved from https://www.fao.org/publications/fao-flagship-publications/the-state-of-world-fisheries-and-aquaculture.
  11. Godzieba, M., Hliwa, P., & Ciesielski, S. (2025). Network of nitrifying bacteria in aquarium biofilters: An unfaltering cooperation between comammox Nitrospira and ammonia-oxidizing archaea. Water, 17(1), article number 52. doi: 10.3390/w17010052.
  12. Gupta, S., et al. (2024). Recent developments in recirculating aquaculture systems: A review. Aquaculture Research, 2024(1), article number 6096671. doi: 10.1155/are/6096671.
  13. Hashmi, Z., Metali, F., Amin, M., Abu Bakar, M.S., Wibisono, Y., Nugroho, W.A., & Bilad, M.R. (2025). Recirculating aquaculture systems: Advances, impacts, and integrated pathways for sustainable growth. Bioresource Technology Reports, 32, article number 102340. doi: 10.1016/j.biteb.2025.102340.
  14. Hu, C., Lin, M., Hu, T., Zeng, Y., Zeng, R., & Wang, C. (2026). Linking bacterial r/k ecological shifts to spatiotemporal nitrogen removal dynamics in recirculating aquaculture systems. Microbial Ecology, 89, article number 91. doi: 10.1007/s00248-026-02742-1.
  15. Jafari, L., Montjouridès, M.A., Hosfeld, A.-C., Attramadal, K.J., Fivelstad, S., & Dahle, H. (2024). Biofilter and degasser performance at different alkalinity levels in a brackish water pilot scale recirculating aquaculture system (RAS) for post-smolt Atlantic salmon. Aquacultural Engineering, 106, article number 102407. doi: 10.1016/j.aquaeng.2024.102407.
  16. Li, H., Cui, Z., Cui, H., Bai, Y., Yin, Z., & Qu, K. (2023). A review of influencing factors on a recirculating aquaculture system: Environmental conditions, feeding strategies, and disinfection methods. Journal of the World Aquaculture Society, 54(3), 566-602. doi: 10.1111/jwas.12976.
  17. Liu, W., Yang, Y., Li, X., & Fan, X. (2024). Enhanced biofiltration coupled with ultrafiltration process in marine recirculating aquaculture system: Fast start-up of nitrification and long-term performance. Journal of Water Process Engineering, 58, article number 104901. doi: 10.1016/j.jwpe.2024.104901.
  18. Lu, Z., Lin, W., Li, Q., Wu, Q., Ren, Z., Mu, C., Wang, C., Shi, C., & Ye, Y. (2024). Recirculating aquaculture system as microbial community and water quality management strategy in the larviculture of Scylla paramamosain. Water Research, 252, article number 121218. doi: 10.1016/j.watres.2024.121218.
  19. Malandrakis, E.E. (2025). Design and implementation of a cost-effective IoT-based monitoring and alerting system for recirculating aquaculture systems (RAS). Sensors, 25(21), article number 6692. doi: 10.3390/s25216692.
  20. Moschos, S., Kormas, K.A., & Karayanni, H. (2022). Prokaryotic diversity in marine and freshwater recirculating aquaculture systems. Reviews in Aquaculture, 14(4), 1861-1886. doi: 10.1111/raq.12677.
  21. Nędzarek, A., Bonisławska, M., Tórz, A., Tański, A., & Formicki, K. (2022). Effect of filter medium on water quality during passive biofilter activation in a recirculating aquaculture system for Oncorhynchus mykiss. Energies, 15(19), article number 6890. doi: 10.3390/en15196890.
  22. Neissi, A., Rafiee, G., Rahimi, S., Farahmand, H., Pandit, S., & Mijakovic, I. (2022). Enriched microbial communities for ammonium and nitrite removal from recirculating aquaculture systems. Chemosphere, 295, article number 133811. doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.133811.
  23. Preena, P.G., Rejish Kumar, V.J., & Singh, I.S. (2021). Nitrification and denitrification in recirculating aquaculture systems: The processes and players. Reviews in Aquaculture, 13(4), 2053-2075. doi: 10.1111/raq.12558.
  24. Ramli, N.M., Verreth, J.A., Yusoff, F.M., Nurulhuda, K., Nagao, N., & Verdegem, M.C. (2020). Integration of algae to improve nitrogenous waste management in recirculating aquaculture systems: A review. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8, article number 1004. doi: 10.3389/fbioe.2020.01004.
  25. Sarosh, S., Kulkarni, R.M., Varma, E., Sirivibha, S.P., & Ramaswami, S. (2024). Recirculating aquaculture system and nitrification: A review. Journal of the Indian Institute of Science, 104, 861-895. doi: 10.1007/s41745-024-00443-7.
  26. Shitu, A., Liu, G., Muhammad, A.I., Zhang, Y., Tadda, M.A., Qi, W., Liu, D., Ye, Z., & Zhu, S. (2022). Recent advances in application of moving bed bioreactors for wastewater treatment from recirculating aquaculture systems: A review. Aquaculture and Fisheries, 7(3), 244-258. doi: 10.1016/j.aaf.2021.04.006.
  27. Sun, J., Wang, H., Chen, Y., Huang, S., Bi, X., Cheng, L., Shi, X., Zhao, W., & Zhou, X. (2026). Performance of nitrogen removal and biofilm-associated microbial community in a compact marine shrimp recirculating aquaculture system with MBBR. Microorganisms, 14(4), article number 841. doi: 10.3390/microorganisms14040841.
  28. Villar-Navarro, E., Garrido-Pérez, C., & Perales, J.A. (2021). The potential of different marine microalgae species to recycle nutrients from recirculating aquaculture systems (RAS) fish farms and produce feed additives. Algal Research, 58, article number 102389. doi: 10.1016/j.algal.2021.102389.
  29. Xu, P., Ding, H., Si, M., Fan, Y., & Zhang, S. (2025). Research on nitrate removal from recirculating aquaculture systems using solid-phase denitrification process. Polish Journal of Environmental Studies. doi: 10.15244/pjoes/207489.
  30. Yang, X., Wu, Y., Shu, L., Gu, H., Liu, F., Ding, J., Zeng, J., Wang, C., He, Z., Xu, M., Liu, F., Zheng, X., & Wu, B. (2024). Unraveling the important role of comammox Nitrospira to nitrification in the coastal aquaculture system. Frontiers in Microbiology, 15, article number 1355859. doi: 10.3389/fmicb.2024.1355859.
  31. Zhang, B., Wen, C., Ke, Z., Yang, F., Cheng, J., Yi, X., Yang, S., & Huang, W. (2026). A pilot-scale sand moving bed biofilm reactor for nitrogen removal in a seawater recirculating aquaculture system: Rapid start-up, stable nitrification and high-density aquaculture. Bioresource Technology Reports, 34, article number 102689. doi: 10.1016/j.biteb.2026.102689.
  32. Zhou, X., Liu, H., Fan, X., Xu, X., Gao, Y., Bi, X., Cheng, L., Huang, S., Zhao, F., & Yang, T. (2024). Innovative inbuilt moving bed biofilm reactor for nitrogen removal applied in household aquarium. Frontiers in Microbiology, 15, article number 1373119. doi: 10.3389/fmicb.2024.1373119.