ТРОФИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ИНДУСТРИАЛЬНОЙ АКВАКУЛЬТУРЫ
Авторы:
1.
Всероссийский научно-исследовательский институт интегрированного рыбоводства – филиал Федерального исследовательского центра животноводства – ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста
(кандидат сельскохозяйственных наук; старший научный сотрудник, заведующий лабораторией биосинергетики и интеграции технологий )
2.
Всероссийский научно-исследовательский институт интегрированного рыбоводства – филиал Федерального исследовательского центра животноводства – ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста
(старший научный сотрудник лаборатории биосинергетики и интеграции технологий )
Тип:
Статья
Страницы:
с 71
по 78
Статус:
Опубликован
Получено:
23.03.2022
Одобрено:
06.01.2023
Опубликовано:
23.03.2022
Классификаторы:
УДК 639.3.05 Общие вопросы рыбоводства
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
аквакультура, установка замкнутого водоснабжения, рециркуляционная водная система, интеграция, осадок, кормовой потенциал
Аннотация (русский):
Рециркуляционная аквакультура с использованием установок замкнутого водоснабжения в последние десятилетия приобретает все большее значение как наиболее перспективная технология интеграции производства продукции рыбоводства и растениеводства. Одним из наиболее характерных примеров совмещения двух индустриальных технологий является аквапоника. Такая искусственная биологическая система (ИБС) позволяет двум входящим в нее подсистемам, рыбоводству и растениеводству, дополнять друг друга. Не потребленный рыбами корм и экскременты являются питательной средой для растений, которые, в свою очередь, очищают среду обитания от вредных для рыб веществ, что особенно важно в условиях рециркуляции воды. С целью определения количественного и качественного потенциала кормовой базы организмов на втором звене трофической цепи ИБС, создаваемой на базе аквакультуры в установке замкнутого водоснабжения, был проведен эксперимент, результаты которого помогли определить состав и количество организмов, перспективных для включения в технологический режим дальнейшего совместного выращивания. Были разработаны способы и устройство, позволяющие изъять из рыбоводной емкости нерастворенный осадок, образующийся в процессе выращивания рыб, с целью его изучения. Проанализированы и формализованы результаты эксперимента, предложен способ пересчета получаемого ихтиогенного осадка в кормовой потенциал более сложных ИБС. Результаты количественного исследования осадка свидетельствуют о том, что более 15 % используемых кормов переходило в отходы производства. Удельный состав осадка, в сравнении с используемым комбикормом, претерпел следующие изменения: по валовой энергии изменения составили всего 14,6 %, больше всего снизилось содержание липидов (до 59,6 %), существенно возросло содержание клетчатки (на 162,4 %). Изменения по протеину составили 21,4 %. В целом по удельному составу и энергетической ценности собранный и проанализированный осадок может рассматриваться в качестве кормового потенциала для многих животных, занимающих более низкую ступень трофической пирамиды. Полученные результаты позволят определять состав и рассчитать количество организмов, перспективных для включения в технологические режимы интегрируемых технологий.
Рециркуляционная аквакультура с использованием установок замкнутого водоснабжения в последние десятилетия приобретает все большее значение как наиболее перспективная технология интеграции производства продукции рыбоводства и растениеводства. Одним из наиболее характерных примеров совмещения двух индустриальных технологий является аквапоника. Такая искусственная биологическая система (ИБС) позволяет двум входящим в нее подсистемам, рыбоводству и растениеводству, дополнять друг друга. Не потребленный рыбами корм и экскременты являются питательной средой для растений, которые, в свою очередь, очищают среду обитания от вредных для рыб веществ, что особенно важно в условиях рециркуляции воды. С целью определения количественного и качественного потенциала кормовой базы организмов на втором звене трофической цепи ИБС, создаваемой на базе аквакультуры в установке замкнутого водоснабжения, был проведен эксперимент, результаты которого помогли определить состав и количество организмов, перспективных для включения в технологический режим дальнейшего совместного выращивания. Были разработаны способы и устройство, позволяющие изъять из рыбоводной емкости нерастворенный осадок, образующийся в процессе выращивания рыб, с целью его изучения. Проанализированы и формализованы результаты эксперимента, предложен способ пересчета получаемого ихтиогенного осадка в кормовой потенциал более сложных ИБС. Результаты количественного исследования осадка свидетельствуют о том, что более 15 % используемых кормов переходило в отходы производства. Удельный состав осадка, в сравнении с используемым комбикормом, претерпел следующие изменения: по валовой энергии изменения составили всего 14,6 %, больше всего снизилось содержание липидов (до 59,6 %), существенно возросло содержание клетчатки (на 162,4 %). Изменения по протеину составили 21,4 %. В целом по удельному составу и энергетической ценности собранный и проанализированный осадок может рассматриваться в качестве кормового потенциала для многих животных, занимающих более низкую ступень трофической пирамиды. Полученные результаты позволят определять состав и рассчитать количество организмов, перспективных для включения в технологические режимы интегрируемых технологий.
Ключевые слова:
аквакультура, установка замкнутого водоснабжения, рециркуляционная водная система, интеграция, осадок, кормовой потенциал
аквакультура, установка замкнутого водоснабжения, рециркуляционная водная система, интеграция, осадок, кормовой потенциал
Введение
Рециркуляционная аквакультура, она же индустриальная, она же аквакультура с использованием установок замкнутого водоснабжения (УЗВ), в последние десятилетия приобретает все большее значение как наиболее перспективная технология производства продукции рыбоводства [1]. Кроме того, все больший интерес вызывает интеграция технологий производства различной – как пищевой, так и промышленной – продукции на индустриальной базе, в основе которой лежит рециркуляционная аквакультура. Такое объединение технологий позволяет не только сохранить все имеющиеся плюсы использования УЗВ, но и расширить ассортимент производимой продукции, снизить капитальные и эксплуатационные затраты, повысить прибыльность и экологичность производства. Одним из наиболее характерных примеров совмещения двух индустриальных технологий является аквапоника [2], это интеграция аквакультуры
с использованием УЗВ и гидропоники. Такая искусственная биологическая система (ИБС) позволяет двум входящим в нее подсистемам – рыбоводству и растениеводству – дополнять друг друга. Не потребленный рыбами корм и экскременты являются питательной средой для растений, которые, в свою очередь, очищают среду обитания от вредных для рыб веществ, что особенно важно в условиях рециркуляции воды.
Перспективы использования ИБС не ограничиваются интеграцией рыбоводства и растениеводства: технологии культивирования практически любых организмов, толерантных к единым условиям обитания, могут быть объединены в единую биологическую систему. Основными сдерживающими факторами – как с биологической, так
и с экономической точки зрения – являются эффективность или целесообразность введения
в ИБС тех или иных организмов [3]. Одним из определяющих факторов можно считать рациональное использование вещественно-энергетического потенциала кормовой базы системы. При создании интегрированных искусственных биологических систем одновременно нам приходится формировать и трофическую сеть данной системы путем подбора организмов, наиболее рационально использующих потенциал кормовой базы системы на каждом этапе трофической пирамиды [4].
С целью определения количественного и качественного потенциала кормовой базы организмов на втором звене трофической цепи ИБС, создаваемой на базе аквакультуры в УЗВ, нами был проведен эксперимент, результаты которого могут помочь определить состав и количество организмов, перспективных для включения в технологический режим дальнейшего совместного выращивания.
Основными задачами данной работы были следующие:
– создать способ и устройство, позволяющие изъять из рыбоводной емкости нерастворенный осадок, образующийся в процессе выращивания рыб, с целью его изучения;
– проанализировать и формализовать получен-ные результаты эксперимента. Предложить способ пересчета получаемого ихтиогенного осадка
в кормовой потенциал более сложных ИБС.
Материалы и методы исследования
Работа проводилась в аквариальном помещении Всероссийского научно-исследовательского института интегрированного рыбоводства, в рыбоводной емкости из органического стекла объемом 1 500 л, с полностью замкнутым водоснабжением на период проведения эксперимента.
Рекуперация воды осуществлялась за счет двух пассивных биологических фильтров, установленных над рыбоводной емкостью. Вода в биофильтры подавалась с помощью аквариумных помп из верхней части водяного столба рыбоводной емкости, со скоростью 3,3 л/мин, что обеспечивало трехкратный суточный водообмен.
Из биофильтров вода без какой-либо дополнительной обработки возвращалась в рыбоводную емкость (рис. 1).
Рис. 1. Рыбоводная емкость объемом 1 500 л:
1 – рыбоводная емкость; 2 – пассивные биофильтры
Fig. 1. Fish tank with capacity 1 500 l:
1 – fish tank; 2 – passive biofilters
Для проведения эксперимента использовался разновидовой состав рыб. Индивидуальная масса
и видовой состав рыб представлены в табл. 1.
Таблица 1
Table 1
Видовой состав и индивидуальная масса рыб, используемых в эксперименте
Species composition and individual weight of fish used in the experiment
Вид Масса, г
Осетр (Acipenser spp.) 230,4
Линь (Tinca tinca) 230,0
277,3
Карась (Carassius auratus gibelio) 271,5
173,3
115,6
Карп (Cyprinus carpio) 2 220,0
Общая масса рыб всех видов 3 518,1
Используемый корм представлял собой смесь карпового продукционного комбикорма рецептуры К-111 и осетрового продукционного комбикорма производства фирмы «Аллер-Аква» в соотношении 1/1 по весу.
В процессе проведения эксперимента контролировались следующие параметры: температура воды (°С), количество растворенного кислорода (О2 мг/л) и биологическое потребление кислорода (БПК2).
Результаты исследований и их обсуждение
Изъятие из рыбоводной емкости нерастворенного осадка. С целью изъятия из рыбоводной емкости осадка, образующегося в процессе выращивания рыбы (ихтиогенный осадок), использовался кормовой лоток оригинальной конструкции, который состоял из пластикового поддона площадью 0,2 м2, с десятисантиметровыми бортиками, приподнятый над поверхностью дна рыбоводной емкости при помощи алюминиевых ножек. В центре лотка расположено отверстие, прикрытое диском диаметром 15 см. Между краями диска и дном лотка имеется фиксированный зазор, равный 4 мм. Внизу лотка, непосредственно под центром диска, присоединена всасывающая помпа производительностью 1 200 л/ч, включающаяся через таймер, рис. 2.
а б
Рис. 2. Кормовой лоток: а – вид сверху; б – вид сбоку
Fig. 2. Feed tray: a – top view; б – side view
С целью позиционирования подачи корма
в кормовой лоток использовалась пластиковая труба диаметром 50 мм. После подачи корма кормораздатчик извлекался, и в течение 14 ч корм был
в полном распоряжении рыб. По истечении этого времени включалась отсасывающая помпа, и несъеденный корм и частицы взвеси по шлангу направлялись на гравитационный фильтр. Кормовой лоток, за счет своих относительно высоких бортиков, препятствовал тяжелым частицам несъе-денного корма покидать его пределы. А т. к. помпа в автоматическом режиме продолжала работать
с момента включения в течение 7 ч, то и основная часть более легкой взвеси со временем отправлялась на фильтрационный лоток. Только самая легкая взвесь, не улавливаемая имеющимися физическими фильтрами, попадала в биофильтры и если
не задерживалась там, то возвращалась в рыбоводную емкость. За период работы отсасывающей помпы происходил 5,5-кратный водообмен, и неучтенные потери образующейся взвеси в рыбоводной емкости были минимизированы.
Фильтрационный лоток, состоящий из алюминиевого каркаса и натянутой на него фильтрационной ткани, был установлен над поверхностью рыбоводной емкости с небольшим уклоном (2,5 %).
К верхнему краю лотка был подведен шланг от всасывающей помпы кормового лотка, по которому взвесь попадала на фильтрационный материал, где частично обезвоживалась до момента ее сбора и последующих исследований (рис. 3).
Рис. 3. Осадок из рыбоводной емкости на фильтрационном лотке
Fig. 3. Sediment from the fish tank on the filter tray
В качестве фильтрующего материала использовался нетканый материал спанбонд плотностью 40 г/м2. Данный материал был выбран из-за его дешевизны, доступности, достаточной механической прочности, биохимической инертности и хороших фильтрующих свойств.
После соответствующей обработки спанбонд хорошо пропускает воду, задерживая частицы размером более 100 мкм, имеет равномерное распределение относительно равноразмерных пор, обладает высокой разрывной нагрузкой в сухом и мокром состоянии. При этом спанбонд не имеет свойства образовывать токсичные соединения в воздушной среде и сточных водах в присутствии других веществ и факторов при температуре окружающей среды [5]. Микрофотосъемка фильтрующего материала представлена на рис. 4.
а б
Рис. 4. Волоконная структура фильтрующего материала (линейка в левом нижнем углу соответствует 100 µm):
а – волокна спандбонда; б – спаечный узел волокон спанбонда
Fig. 4. Fiber structure of the filter material (the bar in the lower left corner corresponds to 100 µm):
a – spunbond fibers; б – adhesive knot of spunbond fibers
На рис. 5 показан процесс фильтрации воды
из рыбоводной емкости через фильтрующий
материал спанбонд.
а б
Рис. 5. Фильтрация воды через спанбонд: а – вид сверху; б – вид сбоку
Fig. 5. Water filtration through spunbond: a – top view; б – side view
В процессе фильтрации происходит не только очищение воды от взвеси, но и дополнительная аэрация за счет большой фильтрующей поверхности лотка, которая составляет 0,3 м2, или 20 % площади поверхности рыбоводной емкости.
В период проведения эксперимента, в течение которого подмена воды в рыбоводной емкости не осуществлялась, ежедневно проводился контроль гидрохимических показателей.
Полученные результаты позволяют констатировать, что условия содержания рыб в процессе проведения эксперимента не выходили за рамки нормативных требований (табл. 2).
Таблица 2
Table 2
Гидрохимические показатели в рыбоводной емкости в период проведения эксперимента
Hydrochemical parameters of the fish-breeding tank during the experiment
Период наблюдений, день Температура воды, °С О2, мг/л БПК2, мг/л
1 16,6 7,1 3,25
2 17,2 7,1 4,25
3 17,7 5,6 3,05
4 17,6 6,0 4,75
5 17,5 7,5 4,9
6 17,7 7,6 4,9
7 18,0 5,5 3,05
8 17,9 5,9 2,85
9 18,0 6,2 3,75
10 18,3 6,7 4,35
11 18,6 5,3 4,1
12 18,9 6,1 5,6
Однако условия проводимого эксперимента не были запланированы идеальными для жизнедеятельности всех задействованных рыб. По этой причине не ставились задачи по выявлению зависимости характеристик осадка от температуры, качества корма, видового и возрастного состава рыб и пр.
По ходу проведения эксперимента весь ихтиогенный осадок, полученный от ≈ 90 г задаваемого корма, тщательно собирался с фильтровального лотка и после высушивания до воздушно-сухого состояния взвешивался с точностью до 2 знака после запятой.
Анализ ихтиогенного осадка. Данные, полученные в результате проведенного эксперимента, были статистически обработаны, их значения представлены в табл. 3.
Таблица 3
Table 3
Количество ихтиогенного осадка, образовавшегося в процессе эксперимента
The amount of ichthyogenic sediment formed during the experiment
Показатель n M ±m Me Cv, % σ
Корм, г 6 89,73 0,50 89,85 1,25 1,12
Осадок, г 6 14,08 0,30 14,12 4,81 0,68
% осадка 6 15,69 0,27 15,73 3,92 0,61
Результаты количественного исследования осадка свидетельствуют о том, что более 15 % используемых кормов переходило в отходы производства, при этом не только снижается рациональность использования дорогостоящего компонента производства рыбной продукции, но и уменьшает-ся эффективность производства в связи с загрязнением культивационной среды [6].
Используемый корм и полученный ихтиогенный осадок исследовали согласно регламенту зоотехнического анализа (табл. 4).
Таблица 4
Table 4
Зооанализ образцов корма и осадка
Zooanalysis of food and sediment samples
Показатели питательной ценности Анализируемые образцы Нормативная документация на методы испытаний
Корм для рыб Ихтиогенный фильтрат
Первоначальная влага, г/кг 68,50 53,90 ГОСТ Р 54951-2012
Воздушно-сухое вещество, г/кг 931,50 946,10 ГОСТ 31640-2012
Протеин, г/кг 341,95 268,79 ГОСТ 32044.1-2012
Жир, г/кг 92,96 37,56 ГОСТ 32905-2014
Клетчатка, г/кг 51,70 135,67 ГОСТ 31675-2012
Зола, г/кг 76,85 129,71 ГОСТ 32933-2014
Валовая энергия, МДж/кг 18,39 15,70 Расчетным методом
Из табл. 4 следует, что удельный состав осадка, в сравнении с используемым комбикормом, претерпел следующие изменения: по валовой энергии изменения составили всего 14,6 %, с учетом того, что валовая энергия корма была довольно высокой; больше всего снизилось содержание липидов, которое составило 59,6 %, очевидно, этому способствовало вымывание; существенно возросло содержание клетчатки (на 162,4 %). Изменения по протеину составили 21,4 %. В целом по удельному составу и энергетической ценности собранный
и проанализированный осадок может рассматриваться в качестве кормового потенциала для многих животных, занимающих более низкую ступень трофической пирамиды.
Для пересчета, по энергетической ценности, потенциала использования получаемого ихтиогенного осадка в качестве корма для организмов следующего трофического уровня по нашим данным получилась следующая формула:
Мк ∙ ВЭрк ∙ 0,1324 = КПф,
где Мк – масса корма для рыб, кг; ВЭрк – валовая энергия корма для рыб, МДж/кг; 0,1324 – эмпирический коэффициент пересчета; КПф – кормовой потенциал осадка, МДж.
Эмпирический коэффициент определен путем пересчета изменений массы и валовой энергии используемого корма по отношению к этим показателям в образовавшемся осадке.
Заключение
В результате проведенного эксперимента был определен количественный и качественный состав отходов, образующихся в процессе выращивания рыб в установках замкнутого оборотного водоснабжения. Полученные результаты формализова-ны, предложен коэффициент пересчета, позволяющий оценивать ихтиогенный осадок с позиций его энергетической ценности в качестве кормового потенциала для мультикультуральных искусственных биологических систем. Это позволит определять состав и рассчитать количество (в соответ-ствии с кормовой базой) организмов, перспективных для включения в технологические режимы интегрируемого культивирования.
1. Брайнбалле Я. Руководство по аквакультуре в установках замкнутого водоснабжения. Введение в новые экологические и высокопродуктивные замкнутые рыбоводные системы. Копенгаген, 2010. 74 с.
2. Small-scale aquaponic food production Integrated fish and plant farming. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2014. 288 p.
3. Львов Ю. Б. Рациональная жадность // Рациональная эксплуатация биоресурсов: проблемы и возможности в контексте целей устойчивого развития ООН: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Москва, 19 марта 2018 г.). М.: Перо, 2018. С. 241–244.
4. Корягина Н. Ю., Львов Ю. Б. Сбалансированная интегрированная биологическая система и методы расчета ее структуры и состава // Рыбоводство и рыбное хозяйство. 2018. № 6 (149). С. 50–53.
5. ГОСТ Р 53225-2008. Материалы геотекстильные. URL: https:// https://docs.cntd.ru/document/1200073599 (дата обращения: 17.03.2021).
6. Фильтрация и многократное использование воды рыбоводными хозяйствами. URL: aq-uafeed.ru/filtratsiya_vody (дата обращения: 17.03.2021).
