ECOLIGICAL APPROACH IN IMPROVING EFFICIENCY OF INDUCTRIAL METHOD OF OBTAINING AQUACULTURE PRODUCTS
Authors:
1.
Federal Research Centre the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
(Junior Researcher of the Department of Aquatic Biological Resources of the Basins of the Southern Seas )
, Russian Federation
, Russian Federation
2.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Biology, Professor; Leading Researcher of the Laboratory of Biotechnology Conservation and Reproduction of Valuable Fish Species )
Type:
Article
Pages:
from 97
to 103
Status:
Published
Received:
17.06.2021
Accepted:
11.01.2023
Published:
17.06.2021
Subject area:
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Language:
Russian
Keywords:
artificial ecosystems, sturgeon, clary catfish, tilapia, hydroponics, bacterial preparation, nitrogenous substances, product quality
Abstract (English):
The article considers using the latest technologies with recirculation aquaculture systems (RAS), which allows growing aquaculture objects at high seeding densities all year round. However, it has a number of difficulties and, first of all, the need to purify water from metabolites. An alternative to RAS technology is an ecological approach to growing aquaculture products, which is implemented by us using the artificial eco-systems or, otherwise, agrohydroecosystems based on RAS. An experiment was carried out on the joint cultivation of a sterlet × beluga hybrid with tilapia in an aquaponic module of an integrated storey unit (IED); an increase in the mass accumulation coefficient and average daily growth rate of fish was noted. Due to the right choice of parameters that satisfy the conditions for growing all experimental objects application of IED technology allows obtaining a high increase in the mass of aquatic organisms and additional products per unit area (lettuce, strawberries). The introduction of a hydroponics block into the system reduces the amount of nitrogenous substances in the medium, while an even greater effect can be achieved by adding a microbiological preparation (culture liquid) into the system. When using an IED, raw materials and energy are consumed most efficiently, with a minimum impact on the envi-ronment.
The article considers using the latest technologies with recirculation aquaculture systems (RAS), which allows growing aquaculture objects at high seeding densities all year round. However, it has a number of difficulties and, first of all, the need to purify water from metabolites. An alternative to RAS technology is an ecological approach to growing aquaculture products, which is implemented by us using the artificial eco-systems or, otherwise, agrohydroecosystems based on RAS. An experiment was carried out on the joint cultivation of a sterlet × beluga hybrid with tilapia in an aquaponic module of an integrated storey unit (IED); an increase in the mass accumulation coefficient and average daily growth rate of fish was noted. Due to the right choice of parameters that satisfy the conditions for growing all experimental objects application of IED technology allows obtaining a high increase in the mass of aquatic organisms and additional products per unit area (lettuce, strawberries). The introduction of a hydroponics block into the system reduces the amount of nitrogenous substances in the medium, while an even greater effect can be achieved by adding a microbiological preparation (culture liquid) into the system. When using an IED, raw materials and energy are consumed most efficiently, with a minimum impact on the envi-ronment.
Keywords:
artificial ecosystems, sturgeon, clary catfish, tilapia, hydroponics, bacterial preparation, nitrogenous substances, product quality
artificial ecosystems, sturgeon, clary catfish, tilapia, hydroponics, bacterial preparation, nitrogenous substances, product quality
Введение
Наиболее перспективным направлением в использовании новейших технологий получения аквакультурной продукции является создание небольших по площади модульных систем
с замкнутым циклом водоснабжения, что позволяет выращивать объекты аквакультуры при высоких плотностях посадки с увеличением выхода конечной продукции [1–4]. Однако увеличение плотности посадки рыб влечет повышение концентрации азотистых веществ в воде. Такая проблема, как правило, решается применением в системе очистки воды в установках замкнутого водообеспечения биологических фильтров и оксигенации воды, что повышает себестоимость производимой продукции.
Перспективным направлением в решении этих проблем является экологический подход
в производстве продукции аквакультуры, при котором наиболее рационально используются сырьевые ресурсы и энергия при минимальном воздействии на окружающую среду. Набирают популярность искусственные экосистемы, или агрогидроэкосистемы, на базе УЗВ, которые включают в себя модули по выращиванию объектов аквакультуры и растений методом гидропоники. Это направление получило развитие с созданием опытных установок аквапоники в ряде стран западной Европы, США и в Японии [5–7]. Исследование аквапонических систем велось и в России [8–11], однако они не получили должного развития.
Наиболее эффективными являются интегрированные замкнутые рециркуляционные системы, в которых степень утилизации органического вещества (корма, остатков корма, метаболитов) увеличивается за счет использования в этих установках поликультуры в сочетании с технологией гидропоники при их пространственном разграничении путем применения модулей. Такая технология позволяет размещать эти системы в непосредственной близости к потребителям – жителям крупных городов – вследствие компактности и экологичности. Особенностью такой технологии является создание единой замкнутой безотходной системы, которая по экономическим затратам соперничает с сельскохозяйственными агротехнологиями [12].
Материал и методы исследований
Исследования проводили в различных модулях интегрированной этажной установки (ИЭУ), разработанной в ЮНЦ РАН и сконструированной на основе модулей, рассчитанных на совместное выращивание различных объектов аквакультуры и сельскохозяйственной продукции. В основе исследований – принципы тесной взаимосвязи между гидробионтами и растения-ми. Это позволяет создавать наиболее благоприятные условия (искусственную экосистему) для совместного выращивания, способствующие интенсивному росту и развитию объектов, включенных в технологический процесс.
Объектами исследования являлись гибрид «стерлядь × белуга», тиляпия (сем. Cichlidae)
и клариевый сом (сем. Clarias).
Кормление осуществлялось искусственными готовыми кормосмесями фирмы Сoppens. Взвешивание и измерение рыбы проводилось согласно рекомендациям И. Ф. Правдина [13].
Состояние среды оценивалось по следующим гидрохимическим показателям: рН, содержание в воде кислорода, нитритов, нитратов и аммонийного азота.
Эффективность применяемой технологии оценивали по показателям абсолютного и среднесуточного прироста, среднесуточной скорости роста и коэффициенту массонакопления объектов исследования.
Результаты анализов обрабатывались с применением методов биологической статистики
с помощью пакетов программ Microsoft Excel: описательной статистики и вычислением
t-критерия Стьюдента с определением уровня значимости (р) для сравниваемых неравночисленных малых выборок [14].
Результаты и обсуждение
Для экспериментального обоснования экологического подхода к выращиванию объектов аквакультуры были проведены исследования, включающие их подбор и обоснование совместного культивирования. Предварительные исследования выявили преимущество выращивания в замкнутых системах водообеспечения гибрида «стерлядь × белуга», в сравнении с русским осет-ром и гибрида русского и сибирского осетров, что позволило определить его в качестве основного объекта выращивания в ИЭУ, представляющей собой искусственную экосистему (табл. 1).
Таблица 1
Сравнительная динамика рыбоводных показателей при выращивании осетровых в УЗВ
Показатель Гибрид русского
и сибирского осетра Гибрид
«стерлядь × белуга» Русский осетр
Масса начальная, г 63,11 ± 2,40 65,25 ± 2,41 43,06 ± 5,03
Масса конечная, г 79,40 ± 3,30 95,21 ± 3,29 57,91 ± 4,26
Абсолютный прирост, г 16,29 29,96 14,85
Среднесуточный прирост, г/сут 0,54 1,00 0,50
Среднесуточная скорость роста, % 3,31 3,34 3,37
Коэффициент массонакопления, ед. 0,032 0,055 0,037
Коэффициент упитанности по Фультону, ед. 0,28 ± 0,01 0,30 ± 0,02 0,34 ± 0,32
Время эксперимента, сут 30 30 30
Большинство исследуемых показателей у гибрида «стерлядь × белуга» были лучше, чем у других исследованных рыб. Так, среднесуточный прирост у гибрида «стерлядь × белуга» был в 2 раза больше, чем у русского осетра, и 1,8 раза больше, чем у гибрида «русский × сибирский осетры».
Экспериментально установлено, что при совместном выращивании гибрида «стерлядь × белуга» и клариевого сома рыбоводные показатели последнего оказались примерно такими же, как и при отдельном выращивании его в УЗВ.
При совместном выращивании выбранного основного объекта и тиляпии в аквапоническом модуле ИЭУ рыбоводные показатели оказались даже несколько лучше, чем в случае от-дельного выращивания тиляпии в УЗВ: коэффициент массонакопления тиляпии был выше на 12,5 %, а среднесуточная скорость роста – на 5 %
Последовательное выращивание нескольких объектов в одной системе позволяет получить дополнительную продукцию, используя одну и ту же систему замкнутого водообеспечения. Из результатов эксперимента следует, что за 178 дней можно при совместном содержании гибрида «стерлядь × белуга» и тиляпии или клариевого сома в разных модулях ИЭУ вырастить особей гибрида «стерлядь × белуга» до 513,7 г, тиляпии – до 326,5 г, клариевого сома – до
1 027,55 г при выживаемости более 90 %. Таким образом, в качестве объектов последовательно-го выращивания в аквакультурных модулях ИЭУ хорошо себя проявили гибрид «стерлядь × белуга» как основной объект и клариевый сом и тиляпия как дополнительные. При этом, как
в этом случае, так и при дальнейшем интегрировании технологии с одновременным культивированием рыб и растений, необходимо было решить вопрос с созданием необходимых условий среды, где развиваются объекты. Так как наиболее требовательным к условиям среды является основной объект выращивания – гибрид «стерлядь × белуга», – в качестве основных были выбраны параметры среды, удовлетворяющие условиям выращивания осетровых рыб. В то же время необходимо было выбрать такую температуру среды, которая была бы близкой к оптимуму для всех выращиваемых объектов. Если для осетровых благоприятной является среда
с температурой 18–26 °С, то для клариевого сома и тиляпии – 25–30 °С, а для растительных культур – 24–28 °С. Учитывая предпочтения всех объектов выращивания, нами была выбрана наиболее подходящая для выращивания всех трех объектов аквакультуры в ИЭУ температура воды в 24–25 °С, что является компромиссным вариантом режима культивирования исследуемых объектов. По остальным гидрохимическим показателям воды мы ориентировались на более жесткие требования к таковым объектов наших исследований. Наиболее строгими оказались требования по отношению к значению рН нитрифицирующих бактерий, оптимальный диапазон которого для их функционирования составляет 7,1–7,8 ед. Для исследованных рыб и растений допустимы более широкие колебания рН, т. е. в целом по системе во всех модулях ИЭУ рН среды не должен выходить за пределы этих колебаний. Остальные параметры среды должны соответствовать нормативам выращивания объектов культивирования и, в первую очередь, нормативам выращивания рыб в нашей системе с оборотным и замкнутым водоснабжением и особенно по содержанию азотистых веществ.
Наиболее сложным периодом в части содержания азотистых веществ при классическом выращивании осетровых в УЗВ является время формирования биофильтра, которое в наших исследованиях составило около 20 суток, после чего гидрохимические показатели стабилизировались. Введение в эксперименты блока с растительными культурами позволило снизить максимальное содержание азотистых веществ в воде 1,3–1,8 раза. Кроме того, нитрифицирующие бактерии в этих условиях развивались быстрее, сокращая сроки выхода биофильтра на рабочий режим. В целом блок гидропоники оказывал положительное влияние на содержание азотистых веществ в воде в течение всего периода выращивания рыб. Концентрации нитритов в воде
в конце выращивания снизились в 2,5 раз, нитратов – в 1,9, а аммиака – в 1,2 раза. Еще больший эффект по снижению азотистых веществ в воде принесло добавление в систему культуральной жидкости Serratia ficaria TP3 в рабочей концентрации 109 КОЕ/мл. Концентрация нитритов
в этом случае в конце периода выращивания снизилась в 12,2 раза, нитратов – почти в 3 раза, аммиака – в 1,3 раза. При этом наблюдался более устойчивый и интенсивный рост растений на фоне снижения в них уровня нитратов.
Совместное выращивание рыб и растений положительно сказывается не только на среде, но и на интенсивности роста объектов аквакультуры, что продемонстрировали опыты с клариевым сомом и тиляпией, у которых она была выше на 22 и 15 % соответственно (табл. 2, 3).
Таблица 2
Показатели роста клариевого сома при совместном выращивании с растениями (салат)
Показатель Контроль Опыт
Масса, г:
начальная
конечная
1,30 ± 0,37
48,45 ± 0,30
1,2 ± 0,34
58,90 ± 0,39
Абсолютный прирост, г 47,15 ± 0,42 57,70 ± 0,40
Среднесуточный прирост, г 1,07 ± 0,26 1,28 ± 0,21
Продолжительность выращивания, сут 45 45
Выживаемость, % 95 98
Таблица 3
Рыбоводные показатели совместного выращивания тиляпии и клубники
Показатель Контроль Опыт
Масса, г:
начальная
конечная
123,91 ± 0,85
238,39 ± 6,34
123,36 ± 1,72
255,50 ± 9,62
Абсолютный прирост, г 114,48 132,14
Среднесуточный прирост, г 1,76 2,03
Продолжительность выращивания, сут 65 65
Выживаемость, % 92 95
Применение культуральной жидкости Serratia ficaria TP3 при выращивании объектов аквакультуры совместно с растениями приводит, помимо еще большего повышения интенсивности роста (табл. 4), также увеличению мышечного индекса, с улучшением качественного состава мышц выращиваемых рыб в сравнении с контролем (УЗВ).
Таблица 4
Результаты выращивания гибрида «стерлядь × белуга» и клариевого сома
совместно с салатом при добавлении культуральной жидкости бактериального изолята
Показатель Опыт (растение и бактериальный изолят) Контроль (без растений)
гибрид сом гибрид сом
Масса начальная, г 15,24 ± 0,76 10,45 ± 0,24 15,03 ± 0,61 10,45 ± 0,24
Масса конечная, г 200,05 ± 6,79 489,70 ± 16,70 185,90 ± 6,48 370,56 ± 12,60
Абсолютный прирост, г 184,81 479,25 170,87 360,11
Среднесуточный прирост, г/сут 2,64 6,84 2,44 5,14
Среднесуточная скорость роста, % 3,47 5,24 3,45 4,47
Коэффициент массонакопления, ед. 0,14 0,23 0,13 0,20
Продолжительность эксперимента, сут 70
Выявлено увеличение мышечной массы у экспериментальных рыб до 16,46 %, что в 1,08 раза выше, чем у рыб из УЗВ.
Добавление бактериального штамма при выращивании рыб с растительными культурами положительно влияло на качественный состав их мышц. Так, содержание белка и жира у гибрида и клариевого сома оказалось выше в опыте: белка на 12 и 8 % соответственно, а у тиляпии на 20 %, жира в 1,6 и 1,2 раза у гибрида и клариевого сома, при снижении у тиляпии в 1,9 раза. Это указывает на более комфортные условия, формирующиеся в процессе применения экосистемного подхода в ИЭУ при выращивании объектов аквакультуры, что подтверждает и их физиологическое состояние в сравнении с рыбами из УЗВ. Это можно видеть на примере гибрида «стерлядь × белуга» (табл. 5).
Таблица 5
Динамика физиолого-биохимических показателей крови при выращивании гибрида
«стерлядь × белуга» в обычной УЗВ и в установке этажного типа
Показатель Начало эксперимента Через 30 суток
в УЗВ в установке этажного типа
СОЭ, мм/ч 2,90 ± 0,87 1,89 ± 0,17 1,50 ± 0,60*
Гемоглобин, г/л 66,3 ± 5,63 46,0 ± 1,00 56,0 ± 0,60**
Общий белок, г/л 17,31 ± 0,82 20,0 ± 1,00 30,0 ± 2,40**
Общие липиды, г/л 3,82 ± 0,22 3,96 ± 0,25 2,1 ± 0,10*
* Различие недостоверно, р > 0,05.
** Различие достоверно, р < 0,05.
Перспективность экосистемного подхода в повышении эффективности индустриальной технологии получения экологически чистой продукции в аквакультуре проявляется не только более высокими темпами роста и выживаемостью гидробионтов, но и лучшим качеством получаемой продукции в сравнении с традиционными технологиями. Введение в производство таких технологических методов позволяет увеличить эффективность производства в 5,5 раза, получать круглогодично дополнительно продукцию растениеводства.
Заключение
Эксперименты по совместному последовательному выращиванию гибрида «стерлядь × белуга», клариевого сома и гибрида «стерлядь × белуга» и тиляпии с растительными культурами (салат, базилик, клубника), с добавлением культуральной жидкости Serrasia ficaria в рабочей концентрации 109 КОЕ/мл, подтверждают увеличение роста рыб в сравнении с контролем –
у осетровых на 8–10 %, тиляпии на 20–28 % при одновременном улучшении технологического качества выращиваемых рыб.
1. Spott S. Soderzhanie ryby v zamknutyh sistemah. M.: Leg. i pisch. prom-st', 1983. 192 s.
2. Steffens V. Industrial'nye metody vyraschivaniya ryb. M.: Agropromizdat, 1985. 386 s.
3. Liao I. C., Hsu Y. K., Lee W. K. Technical innovations in eel culture systems // Rev. Fish. Sci. 2002. V. 10. N. 3-4. R. 433–450.
4. Summerfeld S. T., Wilton G., Roberts D., Rimmer T., Fonkalsrud K. Developments in recirculatig systems for Arctic char culture in North America // Aquacultural Engineering. 2004. V. 30. N. 1-2. R. 31–71.
5. Gamayun E. P. Ochistka vody rasteniyami v rybovodstve (opyt FRG) // Rybnoe hozyaystvo. Ser.: Rybohozyaystvennoe ispol'zovanie vnutrennih vodoemov: ekspress-informaciya. Zarubezhnyy opyt. 1989. Vyp. 5. S. 1–9.
6. Myrtry M. R., Sanders D. C., Cure J. D., Hodson R. J. Effects of biofilter (Cultured tank volume ration on productivity of a recirculating fish) vegetable co-culture system // Fish. Farm. Int. 1994. V. 22. N. 13. P. 21–23.
7. Watten B. I., Busch R. L. Tropical production of tilapia (Sarotherodon aurea) and tomatoes (Lycopersicdn esculentum) in a small - scale recirculating water system // Aquaculture. 1984. V. 41. N. 3. P. 271–283.
8. Lavrovskiy V. V. Rost i izmenchivost' karpa v zamknutoy sisteme «ovoschi – ryba» // Tez. dokl. Vsesoyuz. sovesch. po rybovodstvu v zamknutyh sistemah. M., 1986. S. 11–12.
9. Umpelev V. L., Muhametshina E. N., Popov E. I. Opyt ispol'zovaniya gidroponiki na rybovodnoy ustanovke s recirkulyaciey vody // Tez. dokl. Vsesoyuz. sovesch. po rybovodstvu v zamknutyh sistemah. M., 1986. S. 27–28.
10. Kiselev A. Yu., Kovalenko V. N., Borschev V. A. Agrogidroekosistema: bezothodnoe proizvodstvo sel'skohozyaystvennoy rybnoy produkcii // Rybovodstvo. 1997. № 2. S. 13.
11. Apostol P. A., Esavkin Yu. I., Lavrovskiy V. V., Apostol V. N., Panov V. P., Karepina T. P. Sov-mestnoe vyraschivanie ovoschey i ryby // Izbr. tr. VNIIPRH. Dmitrov, 2002. Kn. 2. T. 3-4. S. 106.
12. Vikulova A. S. Akvaponika kak novoe razvitie agropromyshlennogo kompleksa // Zakonomernosti razvitiya regional'nyh agroprodovol'stvennyh sistem. 2015. № 1. S. 50–52.
13. Pravdin I. F. Rukovodstvo po izucheniyu ryb. M.: Pisch. prom-st', 1966. 376 s.
14. Lakin G. F. Biometriya: ucheb. posobie dlya biol. spec. vuzov. M.: Vyssh. shk., 1990. 352 s.
