Проблемы использования биофильтров в пресноводных и морских системах

За последние два десятилетия аквакультура претерпела серьезные изменения. Из мелкого домашнего хозяйства она преобразовалась до промышленных предприятий, которые во многих районах по продуктивности превзошли рыболовный промысел (National Research Council, 1992; NACA/FAO, 2001). В то время как ежегодный рост рыболовства составляет 1.2%, аквакультура (за исключением выращивания водных растений) развивается с темпами 9.1% в год. По данным FAO (2003), этот показатель прироста превышает другие сферы пищевой промышленности, включая рыболовство и выращивание наземных животных. Более того, рост популяции, возрастание потребления морепродуктов на душу населения и снижение доступности белковой пищи иного происхождения обусловят сохранение этой тенденции в будущем. Например, с 1970 по 1998 год потребление рыбы на душу населения возросло на 24%, потребление овощей – на 13%, тогда как потребление мяса и яиц снизилось (USDA/ERS, 1999).

Необходимость развития аквакультуры толкает индустрию к более интенсивному производству. Эта тенденция находится под влиянием нескольких факторов. К их числу относятся ограничения по качеству и количеству воды, доступность и цена земель, ограничения на расход воды и влияние на экологическую обстановку. Технологии с рециркуляцией воды стремятся снизить влияние этих факторов. Производственные мощности УЗВ имеют заниженные запросы к количеству поступающей воды и, благодаря узлу обработки, сбрасывают мало сточной воды (Goldburg et al., 2001). В системе с рециркуляцией воды коэффициент перевода корма лучше, чем в традиционных хозяйствах, поэтому образуется меньше загрязнений (Lorsordo et al., 1998). В последние годы особое внимание сосредоточено на формах ведения аквакультурного хозяйства (Buschmann et al., 1996; Harache, 2002; Naylor et al., 2000; Cranford et al., 2003; Johnson et al., 2004). Примерно 85% фосфора, 80-88% углерода, 52-95% азота (Wu, 1995) и 60% корма, вносимых в аквакультуру, в конечном счете, преобразуются в твердые частицы, растворенные вещества или газы (Masser et al., 1999). Возрастающее давление законодательных норм на сброс сточных вод в среду заставляет производителей адаптировать методы культивирования и делать их дружественными окружающей среде (White et al., 2004). Технологии УЗВ позволяют снизить концентрацию загрязнений в стоке в 500-1000 раз (Chen et al., 1997; Timmons et al., 2001). Таким образом, они улучшают существующие процессы на предприятии и обуславливают дальнейшее расширение и ужесточение нормативов.

Системы с рециркуляцией являются одной из двух ключевых областей исследований в аквакультуре (NOAA, 2001) и одной из предложенных областей исследования для Европейского Союза (Martin, 2002). Основной, специфической чертой этих систем является присутствие биофильтра, который очищает воду от растворенной органики и аммония. Эта особенность не свойственна прудовому рыбоводству, где вода используется экстенсивно, или садкам и проточным системам, где грязная вода просто сбрасывается в окружающую среду.

В статье рассмотрено различное приложение систем с рециркуляцией воды в морской и пресноводной аквакультуре, и сопутствующее развитие технологий биологической фильтрации. Её оригинал под названием «Biological filters in aquaculture: Trends and research directions for freshwater and marine applications» в 2006 году опубликован в журнале Aquacultural Engineering. По замыслу авторов статьи (Maria Teresa Gutierrez-Wing, Ronald F. Malone), она поможет сориентироваться исследователям и биотехнологам в поиске проблемной темы для своей работы.

Пресноводные виды

Возможность выращивания пресноводных видов рыб до рыночного размера в условиях систем с рециркуляцией воды ранее была продемонстрирована (Broussard and Simco, 1976; Buckling et al., 1993). Эти системы имеют неоспоримое преимущество в отношении контроля температуры, что позволяет выращивать гидробионтов круглый год (Lazur and Britt, 1997; FungeSmith and Phillips, 2001). Технология вторичного использования воды является экономичной альтернативой, когда затраты на энергию для контроля температуры и прокачки необычайно высоки. Buckling с коллегами (1993), работая на ферме по выращиванию декоративных видов рыб, рассчитали, что УЗВ, в среднем, сохраняет энергии по контролю температуры и прокачки воды на 2.5$ за 1 кг выращенной рыбы. В США сезонность прудового выращивания была основным фактором, толкающим развитие УЗВ. В Нидерландах, выращивание угря и сома также, отчасти, проводится в УЗВ (Bovendeur et al., 1987; Kamstra et al., 1998).

Проблема использования воды неумолимо становится серьезным фактором, ускоряющим принятие технологии её вторичного использования. Varadi (2000) обсуждал возрастающее давление на мировые запасы пресных вод. Так, большинство разработок технологий рециркуляции в области выращивания полосатого окуня в пустыне Калифорнии (Carlberg et al., 2003) и Израиле (Barak and van Rijn, 2000) продвигалось в условиях нехватки воды. Кроме того, урбанизация привела к повышению требований водопользования. Индустрия декоративных рыб в относительно «влажной» Флориде обременена суровыми ограничениями по использованию воды, вызванных высокой плотностью населения в области Орландо / Тампа. Asano с коллегами (2003) описал ещё более серьезную угрозу в отношении источников воды на Гавайах. Это требует изучения технологий замкнутого водоснабжения. Подобным образом, использование воды и сопутствующая конкуренция за этот ресурс с городом явились основным двигателем в создании холодноводной УЗВ в северно-восточных регионах США (Heinen et al., 1996). В своей работе, Schuster и Stelz (1998) в основу описания проекта холодноводной УЗВ для форели заложили принцип сохранения воды. Тенденции к нехватке этого ресурса становятся движущим фактором скорого внедрения УЗВ.

Тем не менее, УЗВ не могут конкурировать по объему выпускаемой рыбы с выращиванием в прудах или каналах. Это является главным препятствием на пути принятия систем с рециркуляцией (Timmons and Losordo, 1994; Lorsordo and Westeman, 1994; Malone, 2002). Обработка грязной воды ложится тяжелым бременем на производственный процесс и делает продукцию УЗВ неконкурентоспособной по сравнению с дешевой рыночной рыбой. Lorsordo с коллегами (1998) докладывал о том, что для ежегодного производства 1 килограмма рыбы в пруду требуется 2.4$, а в УЗВ – 2.7 – 10.75$. Для Соединенных Штатов выращивание рыбы в пруду обходится на 75% дешевле, чем в УЗВ. Не смотря на то, что затраты на технологии вторичного использования воды становятся дешевле, а государственное регулирование продолжает ужесточать требования к проточным системам, прудовое культивирование остается самой эффективной стратегией выращивания продукции аквакультуры. С другой стороны, рециркуляционные системы доказали, что они могут выступать выгодным дополнением для прудовой культуры. Опробовано множество стратегий культивирования молоди и маточного стада (Rakocy and McGinty, 1989). Предложенные затраты на килограмм сеголеток варьировали от 13.4 до 107$, что указывает на снижение капитальных расходов с течением времени.

Системы с рециркуляцией воды играют важную роль в экологических и биомедицинских исследованиях с адаптацией некоторых гидробионтов, например, модельных организмов, данио (Streisinger et al., 1981; Driever et al., 1994; Ma et al., 2001; Zon and Peterson, 2005) и медака (Hutchinson et al., 2003; Sarmaski, 2003). Генетические и молекулярные исследования, работы с мутагенезом, получением трансгенных линий, изучение эндокринных нарушений и развития позвоночных требуют стабильного источника модельных рыбок. Высокий уровень контроля за популяцией сводит к минимуму возможность внесения заболеваний и влияния неизвестных факторов на особей.

Технологии биологической очистки подразделяются на две основные категории: фиксированная пленка, где субстрат обеспечивает поверхность для прикрепления и роста микроорганизмов, и развитие во взвеси, когда микроорганизмы поддерживаются во взвешенном состоянии.

Большинство систем биофильтрации базируется на аэробных, фиксированных пленках (Wortman and Wheaton, 1991; DeLosReyes and Lawson, 1996; Westerman et al., 1996; Greiner and Timmons, 1998; Singh et al., 1999; Malone and Beecher, 2000; Lekang and Kleppe, 2000; Sandu et al., 2002). Они включают субстрат с прикрепленными биопленками, которые используют кислород для перевода аммония в нитрит, а затем нитрат, и для окисления органической материи. Недавно, появился интерес к другому типу биологической фильтрации, использующей взвешенное состояние бактерий (Avnimelech, 1988; Van Wyk et al., 1999). Он активно используется в обработке сточных вод, однако более сложное обслуживание замедляет его внедрение в аквакультуру. Взвешенные системы рассматриваются как нестабильные, и большей частью сообщества рыбоводов ассоциируются с плохим качеством воды. С другой стороны, неоправданно высокие экономические затраты на биофильтры с субстратом заставляют пересмотреть эту точку зрения, особенно в ситуации, когда выращиваются неприхотливые виды.

Экономические предпосылки также проявляются в интенсификации прудового культивирования. Как только инженеры приступили к дроблению прудового культивирования на типовые процессы (Drapcho and Brune, 2000), различия между системами рециркуляции и прудами начали размываться. В будущем ожидается более сложная градация типовых процессов в пруду, в том числе, внедрение биологических фильтров (Van Rijn and Rivera, 1990; Tilley et al., 2000). Эта работа потребует крупных аппаратов, разработанных для обработки больших объемов воды с низкими потерями тепла и затратами энергии. Фильтры с такими характеристиками также должны поддерживать выращивание рыбы в регионах, где используются генетически модифицированные организмы, а ограничения водных ресурсов, площади земель и условия окружающей среды заставляют эксплуатировать пруд, как систему внутри помещения (Lutz, 1997).

Наконец, хотя промышленность, производящая биофильтры для пресноводных УЗВ, считается зрелой, внедрение технологий биологической очистки очень больших объемов воды продолжится. Об этом свидетельствует довольно быстрое распространение в УЗВ реакторов с подвижным слоем, которые ранее использовались для очистки сточных вод (Odegaard et al., 1994; Zhu and Chen, 1999). Это лишь вопрос времени, когда биологические аэрируемые фильтры (Mann et al., 1998) и аэрлифтные реакторы (Garrido et al., 1997; Seo et al., 2001) подобного размера будут введены. Новые разработки подвергнуться оценке и сравнению с традиционными, популярными методами биологической очистки.

Морские виды

Следуя за технологической эволюцией систем с рециркуляцией воды, аквакультура находится в переходном состоянии. Рыболовство достигло своего максимума, и возрастание потребностей в морепродуктах будет удовлетворятся за счет поставок фермерских хозяйств. Морская рыба и моллюски преобладают в мировом рыболовном секторе (FAO, 2003), поэтому ожидается существенное возрастание выращивания морских видов.

Возможность использования технологий УЗВ в выращивании морских видов была продемонстрирована (Manthe et al., 1985, 1988; Davis and Arnold, 1998), однако их внедрение в коммерческий сектор ограничено рядом факторов (Mozes et al., 2003). Lisac и Muir (2000) докладывали о том, что выращивание в оффшоре на 19% дешевле по сравнению с наземными экстенсивными хозяйствами. Это базовое наблюдение, кажется, должно способствовать внедрению УЗВ в практику прудовых и садковых хозяйств (Funge-Smith and Phillips, 2001).

В области морской аквакультуры, рециркуляционные системы сыграют важную роль в получении здоровой молоди для зарыбления прудов и садков (Fielder and Allan, 1997). Технологии УЗВ прекрасно согласуются со сложной репродуктивной биологией морских видов, и плодовитость маточного стада большинства из них нивелирует высокие затраты на обработку воды. Дороговизна личинок, мальков, сеголеток и морских декоративных видов, а также вопросы биобезопасности окружающей среды способствуют адаптации технологий вторичного использования воды (Howerton, 2001; Kholer, 2004; Palmtag and Holt, 2001; Turk et al., 1997; Otoshi et al., 2003; Pruder, 2004).

Замкнутая система водоснабжения существенно снижает возможность попадания патогенов (Davis, 1990; Goldburg et al., 2001).

Так, выращивание креветок требует богатый белками рацион питания, низкую плотность посадки (5-7 особей/м2) и отдельные мелководные бассейны для созревания и размножения особей. Биобезопасность обеспечивает защиту от таких распространенных вирусов креветок, как WSSP, YHV, VP, IHHNV REO и TSV. Инфекционные заболевания в настоящее время наиболее разрушительны для культуры креветок и создают угрозу для других секторов аквакультуры (FAO, 2003). Личинка креветки имеет три стадии развития (науплии, зои и мизис), которые, в свою очередь, также имеют разделение. Все они отличаются по типу и характеру питания, очень чувствительны к содержанию взвешенных частиц и бактериальным инфекциям, поэтому требуют воду очень высокого качества. Кроме того, для них важен строгий температурный контроль, потому что колебания в несколько градусов вызывают их гибель. На данном этапе жизненного цикла корм, как правило, выращивается рядом и включает зоопланктон и микроводоросли. Хотя культивирование кормовых объектов отличается по режиму, оно также должно соответствовать биобезопасности.

Бассейны для выращивания личинок креветки.
Бассейны для выращивания личинок креветки. Около 15 бассейнов обеспечивают 800-900 миллионов личинок в год (илл. www.lib.noaa.gov/retiredsites/korea/main_species/chinesefleshy.htm)
Культура микроводорослей
Микроводоросли для кормления личинок креветки (илл. www.lib.noaa.gov/retiredsites/korea/main_species/chinesefleshy.htm)

На постличиночной стадии креветок можно переместить в выростные пруды. Первое кормление морских гидробионтов имеет решающее значение (Sahin, 2001). Личинки более подвержены влиянию факторов окружающей среды, потому что они мелкие, имеют незрелую пищеварительную систему, и у них рано рассасывается желточный мешок. На этом этапе необходимо точно следить, чтобы виду подходил размер корма и его питательная ценность. Многие морские рыбы нуждаются в живом корме для запуска пищевого поведения. Небольшое промедление в даче стартового корма нарушить развитие личинки (Mercieretal.,2004).

Приложение технологии УЗВ к морской аквакультуре оказывает существенное влияние на характер биологической фильтрации. Эта ниша нуждается в олиготрофных режимах (Malone and de los Reyes, 1997), которые редко встречаются в пресноводных системах.


Что значит олиготрофный режим? В своей статье Мэлоун и де-лос-Рейес провели классификацию рециркуляционных систем с позиции их экологического подобия. Каждая естественная водная экосистема находится в биологическом равновесии и включает неограниченное количество физических и химических характеристик. С другой стороны, искусственные системы с рециркуляцией воспроизводят лишь некоторые, наиболее значимые аспекты экосистемы. Авторы предложили классифицировать их по температуре (холодноводные, тепловодные), солености (морские, пресноводные) и трофическому статусу (олиготрофные, мезотрофные и эвтрофные). Трофический уровень отражает насыщение водоема питательными веществами. Олиготрофные водоемы чистые, имеют низкое содержание нутриентов.


Емкость нитрификации биологического фильтра пропорциональна концентрации TAN (или нитрита) ниже 1.0 мг/л (Zhu and Chen, 2001). Морские системы культивирования личинок требуют концентрации TAN и нитрита ниже 0.1 мг/л, что ниже максимальной установочной точки для олиготрофной категории фильтров (0.3 мг/л), используемых в пресноводных системах (Malone and Beecher, 2000). Трехкратное повышение качества воды потребует 3-4-кратное укрупнение биофильтра, что означает создание новой «ультраолиготрофной» категории. Необходимо расширить исследования в области создания ультраолиготрофных фильтров.

Ряд факторов выталкивает мощности по выращиванию молодняка вглубь материка, подальше от побережья. В наиболее развитых регионах мира прибрежные области становятся слишком дорогими для ведения этих хозяйств. Перемещение вглубь суши препятствует побегу неаборигенных особей и позволяет сдерживать генетически модифицированные организмы. Внимание к этому вопросу возросло в последнее время, потому что активизировалось использование генетически модифицированных организмов (Jagadeeswaran et al., 1997) и производство биохимических продуктов (Rodgers et al., 2001; Schultz and Dawson, 2003). Кроме того, с удалением хозяйств от моря, невозможным стало и попадание инфекционных организмов из естественной среды (Castilla et al., 2005; Cohen, 2002; Cohen et al., 2001; Peterson et al., 2005), и исчезла угроза разрешений, вследствие штормов.

Работа внутриматериковых ферм по выращиванию молоди сопряжена с серьезными проблемами поставок морской воды и сброса отработанной воды, который повышает её расход. Время гидравлического удержания, как правило, легко повысить. Однако в этом случае стоит ожидать снижения щелочности и возрастания цвета, концентрации нитрата. Цвет обычно не влияет на развитие животных, но его легко можно устранить за счет изменения состава кормов и добавления озона (Christensen et al., 2000). С другой стороны, затраты на компенсацию недостатка щелочности и на борьбу с накоплением нитрата в системе, которая работает исключительно в аэробном режиме, значительны. Самым эффективным методом решения этой проблемы является денитрификация, которая удаляет азот из системы и восполняет уровень щелочей (Van Rijn and Rivera, 1990; Shnel et al., 2002).

Для некоторых морских и пресноводных организмов отмечены летальные концентрации нитрата. Значение 50 мг/л обычно безопасно для культуры. Однако его предельные концентрации варьируют в зависимости от вида гидробионтов и стадии их развития. Токсический эффект нитратов проявляется в замедлении скорости роста, повышении восприимчивости к заболеваниям, отставании в развитии, низкой плодовитости и выживаемости. Полулетальная концентрация (LC50) нитратов для пресноводных организмов варьирует от 5 до 2107 мг N/л. Наиболее чувствительными оказываются амфибии и беспозвоночные. Для морских видов диапазон составляет 2.2-5050 мг N/л. В данном случае наиболее восприимчивы личинки и производители (Environment Canada, 2003).

Повышение концентрации нитрата более 30 мг/л может спровоцировать криптокарионоз (возбудитель Cryptocaryon irritans) у морских рыб (Burgess, 1995). Концентрация нитрата 100 мг/л летальна для медаки (Oryzias latipes) на стадии малька и взрослой особи. Концентрация 75 мг/л снижает процент оплодотворения, удлиняет время вылупления, снижает выживаемость икринок и скорость роста мальков. Кроме того, накопление нитрата до 50 мг/л подавляет нерест и снижает число отложенных икринок.

Денитрификация является традиционным методом снижения концентрации нитрата в сельском хозяйстве и городских стоках. Проведение этой процедуры предотвращает эвтрофикацию поверхностных вод. Бактериальная денитрификация — форма дыхания, во время которого бактерии использует окислы азота в качестве источника кислорода. Большинство бактерий, осуществляющих данный процесс, являются гетеротрофными и обычно факультативными анаэробами. Т.е. они используют окислы азота только в том случае, когда отсутствует молекулярный кислород. В ходе денитрификации и перевода окислов в молекулярный азот используются различные ферменты и цитохромы, которые не вовлечены в протекание аэробного дыхания (Barak and van Rijn, 2000).

В условиях аквакультуры уже опробована технология денитрификации (Balderston and Sieburth, 1976; Kaiser and Schmitz, 1988; Whitson et al., 1993; Lee et al., 1995; Schuster and Stelz, 1998), хотя внимание к этому процессу уделяется гораздо меньше, чем к вопросам механической фильтрации и нитрификации. Подобная несправедливость обусловлена устойчивостью многих пресноводных видов к высокой концентрации нитратов (Van Rijn and Barak, 1998). Расширение культуры морских гидробионтов и, в частности, личинках и маточном стаде, заставит задуматься над улучшением анаэробного компонента биологической фильтрации и повышением времени гидравлического удержания.

Адаптация биофильтров к морской среде требует дальнейших научных исследований, особенно, в области определения видового разнообразия бактерий и их популяционной динамики. В ранее опубликованных материалах отмечается, что период установления биологического равновесия (акклиматизация) абсолютно необходим для адекватной работы биофильтра (Manthe and Malone, 1987). Период акклиматизации можно обеспечить изначально небольшой нагрузкой организмами, либо добавлением небольшого количества аммония и нитрита. В пресноводной системе обычно этот период занимает 2-3 недели (Masser et al., 1999). Однако в морских системах часто происходит остановка нитрификации или окисление аммония. Это довольно редкая ситуация, когда накопление нитрита продолжается более 3-4 месяцев (Manthe and Malone, 1987). Её причины неизвестны. Вероятно, остановка акклиматизации обусловлена рядом факторов, таких как высокая органическая нагрузка (Van den Akker et al., 2003), изменения солевого состава и операционных параметров (Lee et al., 2002; Svobodova et al., 2005). Авторы статьи предполагают, что причиной служит недостаток бактерий-интервентов с подходящим для данной среды генотипом, либо неизвестные факторы, влияющие на формирование морских популяций нитрифицирующих бактерий.

Резюмируя:

1. Нужда в эффективных и экономически выгодных биофильтрах станет острее с расширением использования УЗВ. Пресноводные системы вторичного использования воды продолжат развитие в качестве дополнения или замены прудового типа аквакультуры.
1.1. Необходимо определить экономическую целесообразность использования УЗВ в качестве выростных мощностей;
1.2. Необходимо сосредоточиться на создании производительных фильтров, которые с небольшими затратами энергии смогут обрабатывать большие объемы воды;
1.3. Биологический тип фильтрации во взвеси требует более пристального рассмотрения. Это, прежде всего, касается тех хозяйств, где рыба выращивается на пищу;
1.4. Интенсификация прудового культивирования должна сопровождаться внедрением биологической фильтрации по технологии вторичного использования.

2. С точки зрения развития морских инкубаторов существует необходимость в технологиях олиготрофных и ультраолиготрофных УЗВ;
2.1. Повышенное внимание следует уделить критериям определения размеров и экономической эффективности биофильтров для инкубаторов и малявочников;
2.2. Проблемы акклиматизации биологических фильтров в морской среде решиться разработкой новых процедур акклиматизации.

3. Проблемы биобезопасности, стоимости земельных участков и возникающих штормов заставляют переносить морские системы глубже на материк. Сложности с поставками морской воды и её расходом обуславливают необходимость повышения эффективности вторичного использования;
3.1. Следует пересмотреть существующие стратегии денитрификации и адаптировать их под морские системы.
——
Maria Teresa Gutierrez-Wing, Ronald F. Malone. Biological filters in aquaculture: Trends and research directions for freshwater and marine applications». Aquacultural Engineering. 34 (2006) 163–171.

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *