Перспективные технологии УЗВ. Доклад института Аквакультуры Стерлинга

Статья представляет собой перевод главы «Технологии УЗВ на стадии разработки» из доклада, опубликованного в 2014 году институтом Аквакультуры Стерлинга. Рассмотрены перспективные технологии в области рециркуляционных систем культивирования, интересующие рыбоводов Еврозоны.

Авторы доклада Francis Murray, John Bostock (University of Stirling) и David Fletcher (RAS Aquaculture Research Ltd.).

Манипуляции с плотностью рациона
Корма, используемые для кормления гидробионтов в установках замкнутого водоснабжения, с незначительными изменениями или без них используются и для прудовой и садковой культур. Так как отделение твердых частиц в двух последних системах имеет низкий приоритет, кормовые смеси для них (особенно в случае лосося) изготавливаются с высокой питательной ценностью и вызывают состояние непрекращающейся диареи у рыб. Альтернативой для решения проблемы отделения твердой фракции загрязнений является производство более плотных кормовых частиц. Например, этого можно добиться введением в рацион плохо перевариваемых некрахмальных полисахаридов (NSP). Они связывают компоненты корма и повышают удельный вес фекальных масс, т.е. являются заменой пшеничных/кукурузных (COH – кукуруза-овес-сено) источников с незначительной долей овса. Высокое содержание некрахмальных полисахаридов имеют Бобовые культуры – нут, бобы, полевой горох, которые могут выращиваться на месте, и их цена меняется незначительно. Кроме того, экологическое давление Бобовых меньше, чем у сои, которая содержит много крахмала. Небольшие количества некрахмальных полисахаридов (1%) оказывают слабое влияние на кормовой коэффициент перевода.

Хочется отметить, что производитель корма Trouw, специализируется на содержащем каррагенин корме для УЗВ. Тем самым он стремится снизить распад гранул и повысить связывание фекалий. Рацион также разрабатывается со сниженным содержанием фосфора.

Группа исследователей и производителей (включая Lakeland Smolt в Великобритании) инициировала проект Европейского Союза «Feed and Treat» (2012-2014 года). Он посвящен улучшению эффективности рециркуляции через ряд усовершенствований биологических, механических характеристик, а также оптимизации качества корма. Помимо разработки и проверки корма для смолта Лососевых в условиях УЗВ, проект также вывел критерии и создал модель будущей УЗВ для коммерческого использования.

Технологии самоочистки бассейнов
Очистка и дезинфекция в рециркуляционной системе имеют значительные трудозатраты, но они необходимы для сохранения здоровья рыб, особенно, молоди. Проект CLEANHATCH 28, начатый компанией AQUABIOTECH Ltd, разработали технологию озонирования для снижения наростов бактериальной пленки на поверхностях и осадка. Изобретатели заявляют, что трудозатраты на очистку снижаются, а скорость роста возрастает (виды – морской окунь, лаврак, радужная форель и тюрбо).

Денитрификация в УЗВ

О токсичности нитрата
Согласно литературным данным, NO3-N не токсичен для рыб в концентрациях, которые обычно наблюдаются в культуральных условиях (Timmons et al, 2007; Colt, 2006). Однако в некоторых работах оценивается токсичность NO3-N на Лососевых. Camargo et al. (2005) привел обзор токсичности нитрата на различные пресноводные виды, включая Лососевых. Нитрат обладает хронической токсичностью на икринки и личинок Лососевых в концентрации <200 мг/л, со сублетаьным эффектом при <25 мг/л (Kincheloe et al., 1979; McGurk et al., 2006). Однако, уровни острой, хронической и сублетальной токсичности зависят от стадии жизненного цикла (Camargo et al., 2005). Westin (1974) докладывал о 96-часовой полулетальной концентрации  (LC50) 1364 мг NO3-N и 1068 мг/л при 7-дневном выдерживании. Не смотря высокую полулетальную дозу NO3-N, Westin (1974) рекомендовал максимально допустимую концентрацию NO3-N – 57 мг/л с проявлением хронической токсичности и 5.7 мг/л в качестве оптимума для здорового роста Лососевых. Несколько других исследовательских работ также заключили необходимость мониторинга концентрации NO3-N для различных видов рыб, культивируемых в УЗВ при низком водообмене. К числу таких видов отнесены: обыкновенный карп (Martins et al., 2009), Сибирский осетр (Acipenser baeri, Hamlin, 2006), гибрид полосатого окуня Morone saxatilis x M. chrysops (Hrubec, 1996). Последние работы подчеркивают токсичность нитрата, как для пресноводных, так и для морских видов рыб, культивируемых в УЗВ, и настаивают на необходимости его удаления из системы (Schram et al., 2014; van Bussel et al., 2012). К хроническим эффектам нитрата относятся замедление скорости роста и разрушение тканей. В совокупности с другими хроническими стрессорными факторами, он может повысить восприимчивость поголовья к инфекции.

Денитрификация (подробнее о данном процессе написано в статье)
В биопленке капельного фильтра денитрификация протекает в отдельных её частях на глубине до 0.2-0.3 мм от поверхности (Dalsgaard & Revsbech, 1992). Уровень кислорода и доступность органической материи определяются глубиной зоны денитрификации. Перевод аммония в нитрат и повышение концентрации последнего лимитируют протекание денитрификации (van Rijn et al., 2006). Окисление органического углерода и донора электронов, и последующий перевод нитрата в молекулярный азот поглощает 70% энергии, получаемой от кислорода в качестве конечного акцептора электронов (Payne, 1970). В подходящих условиях высокая скорость удаления нитрата может осуществляться вместе с этим процессом. Однако van Rijn et al., 2006 отмечал, что информация о денитрификации в УЗВ скудна, и данные об утилизации нитрата в реакторе для денитрификации представлены в немногочисленных исследованиях. Авторы отмечали, что объемная степень удаления нитрата в коммерческой ферме сильно варьирует (1-166 мг/л/час NO3-N). Вероятно, это связано с различиями конструкции систем культивирования, работы фермы, типом донора электронов, характеристиками реактора, концентрацией нитрата в среде, с которой работают реакторы.

Промышленные очистные сооружения для удаления азота используют стандартные технологии нитрификации и денитрификации. Эти процедуры подходят для очистки грязной воды с высоким содержанием аммония и биологически разлагающегося углерода. Их характеризует низкая стоимость и высокая эффективность по сравнению с физической и химической обработкой (van Dongen et al., 2001). Однако такой способ непригоден для аквакультуры, где соотношение углерода к азоту (C/N) слишком низкое. В данном случае обработка требует значительных количеств кислорода для нитрификации и дополнительного источника углерода (ацетат, глюкоза, этанол, метанол, газ метан). Дороговизна источников углерода повышает затраты на производство рыбы (Li et al., 2004; Noophan et al., 2008).

Денитрификация в пресноводной УЗВ
Изучение реакторов для денитрификации в условиях пресноводной УЗВ инициировалось в Германии, когда рассматривались емкости с активным илом в системе культивирования обыкновенного карпа (Cyprinus carpio) (Meske, 1976). Аналогичные экспериментальные системы, в присутствии или отсутствии дополнительных источников углерода, в дальнейшем создавались различными исследователями для различных пресноводных видов рыб (Schmitz-Schlang & Moskwa, 1992; Knosche, 1994). Активность денитрификации в плотном субстрате изучена в работах Abeysinghe et al. (1996) и Suzuki et al. (2003), где использовался метанол как источник углерода. Денитрификация с эндогенными источниками углерода изучалась в УЗВ с тиляпией (van Rijn & Barak, 1998; Shnel et al., 2002). В этой работе разложение органики до эндогенного углерода питало процесс денитрификации, протекающий в бассейне для бескислородного перегнивания и реакторе со сжиженным ложем.

Денитрификация в морской УЗВ

Здесь находится скрытый текст. Для его просмотра необходимо зарегистрироваться.

Система Annamox
За последнее десятилетие были определены микробные системы, которые в анаэробных условиях, пропуская процесс формирования NO3 и трансформации NO2, непосредственно образуют молекулярный азот (N2) с участием NH4+ в качестве донора электронов и NO2 в качестве акцептора электронов. Процесс, названный Анаэробное окисление аммония (ANaerobic AMMonium Oxidation или Anammox). Strous с коллегами (1997) докладывал о том, что как чистые, так и смешанные аммоний-окисляющие бактерии и Anammox-бактерии в анаэробных условиях способны использовать нитрит в качестве акцептора электронов и аммоний в качестве донора электронов. Tal et al., (2008) создал пилотную, полностью замкнутую морскую УЗВ, которая, по заявлениям разработчиков, не оказывала влияния на окружающую среду. Т.е. она имела эффективную биологическую фильтрацию и рециклинг воды. Свыше 99% объема воды вторично использовались, благодаря внедрению аэробной нитрификации для удаления токсичного аммония и, впервые, синхронно работающей анаэробной денитрификации и Anammox, для трансформации аммония и нитрата в молекулярный азот. Образующийся в ходе разложения эндогенных органических загрязнений сероводород, выступал источником электронов для утилизации нитрата посредством автотрофной денитрификации, а оставшаяся часть органической материи преобразовывалась в метан и углекислый газ. Жизнеспособность системы проверялась при выращивании Золотистого спара от 61 грамма до 412 граммов. Объем производства составил 1.7 тонн за 131 день, а выживаемость 99%. Аммоний, нитрит и нитрат не превышали средние ежедневные концентрации 0.8 мг/л, 0.2 мг/л и 150 мг/л, соответственно. Значения кормового коэффициента перевода были на 16% ниже, чем зарегистрированные для садковой аквакультуры. При этом на каждый килограмм производимой рыбы расходовалось 16 литров морской воды. Система оказалась биобезопасной, независящей от географического положения и культивируемого вида.

Внедрение технологии Anammox

Здесь находится скрытый текст. Для его просмотра необходимо зарегистрироваться.

Автоматический поточный мониторинг качества воды

Возможности рыбоводов, занимающихся управлением УЗВ, контролировать такие параметры как температуру, концентрацию кислорода, pH, уровень нитрата, аммония и тяжелых металлов сильно ограничены. Кроме температуры и концентрации кислорода, другие параметры регистрируются в конкретных точках времени и в различные интервалы времени в течение дня. Так как Европейская аквакультура шагает по пути повышения использования замкнутых систем для нагула рыбы и содержания маточного стада, рыбоводы должны получать детальные сведения о загрязнениях, привносимых из окружающей среды, либо производимых в ходе метаболической, бактериальной активности. Более того, эти данные необходимо получать непрерывно (24 часа) в режиме on-line.

Хотя на рынке существует множество датчиков для мониторинга отдельных параметров воды, отсутствует единый инструмент для проведения непрерывного многофакторного анализа в реальном времени. Это ахиллесова пята крупных систем с рециркуляцией воды, в которых биомасса культуры превышает 2-3 тысячи тонн. В таких системах имеющееся время реагирования на отклонение отдельного параметра за оптимальный диапазон, перед тем, как произойдет потеря всей продукции, и наступят неприятные последствия, может составлять 1 минуту.

В текущей европейской программе (EU Framework 7) была предложена технология миниатюрного масс-спектрометра (MMS) с ортогональной оптической детекцией, который, как считается, идеально подойдет для измерения различных типов ионов до 1/1000000 долей в УЗВ. Метод позволяет в реальном времени непрерывно проводить мониторинг потенциальных токсинов и веществ, которые могут быть ядовиты для рыбы или портить их вкус. Система выполняет в реальном времени (поминутно) on-line обнаружение ряда веществ, но для более высокой точности измерения (чувствительность и время) она может реконфигурироваться для фиксации лишь части спектра.

Внедрение MMS расширяет возможности регистрации потенциально опасных веществ, но также пригодно и для традиционных параметров – CO2, азотсодежащие вещества и метан. Важно, что технология позволяет регистрировать эти показатели непрерывно и также предлагает удобный способ измерения метаногенеза в анаэробном перегнивании. Кроме того, она подходит для определения и мониторинга скорости протекания Annamox и процессов денитрификации. Параметры, для которых необходимы новые технологичные датчики для непрерывного мониторинга в УЗВ, включают загрязнители, вредное цветение водорослей, сероводород и ряд других газов.

Загрязнители: Загрязнения воды в аквакультуре геосмином (GSM) и 2-метилизоборнеолом (MIB)
Геосмин и 2-метилизоборнеол продуцируют виды Streptomyces или цианобактерии (Izaguirre and Taylor, 1995). Стрептомицеты, как считается, также ответственны за синтез и выделение этих компонентов в УЗВ (Guttman and van Rijn, 2009; Schrader and Summerfelt, 2010). Геосмин и 2-метилизоборнеол, попавши в воду, быстро абсорбируются через жабры рыб в жировую ткань и придает рыбе неприятный «грязный» запах. В США решение проблем неприятного запаха в прудовой культуре канального сома обходятся производителям в 60 млн.$ ежегодно (Tucker, 2000; Schrader et al., 2011). Сомов, вкус которых испорчен, помещают в пруд до улучшения их состояния. Ежегодно, вследствие этого, прудовые хозяйства теряют до 30% прибыли. Кроме того, передержка низкокачественной рыбы приводит к появлению упущенной выгоды, потому что приходится занимать пруд, и дополнительным затратам на корм. Продление выращивания сома закономерно повышает отход рыбы, вследствие болезней, ухудшения качества воды и деятельности хищных птиц (Engle et al., 1995; Tucker, 2000; Smith et al., 2008).

В частности, Великобритания производит примерно 13000 тонн форели на сумму 45 млн. евро в различных наземных системах культивирования. Опрос фермеров на предмет загрязнений показал, что 25% респондентов сталкиваются с загрязнениями, обычно в течение нескольких месяцев вслед за летним периодом. Цена, которую платят фермеры, неспособные продать испорченную рыбу, оценивается во многие сотни тысяч фунтов в год. Проблема охватывает не только потери продукции, но также занятость ценного пруда или пространства бассейнов, затраты на кормление и воду. Рыбоводы не могут выявить её на ранних стадиях, поэтому с обнаружением вредных веществ в рыбе полагаются на скорое принятие решений и реагирование. В 2007 году страны Европейского Союза произвели 205 тысяч тонн форели на сумму 539 млн.евро. Таким образом, разработка системы раннего обнаружения загрязнений, влияющих на вкусовые свойства рыбы, существенно снизит издержки производства.

Докладывалось о том, что несколько видов рыб, например, радужная форель (Oncorhynchus mykiss) и Арктический голец (Salvelinus alpines) при выращивании в УЗВ впитывают GSM и MIB, и приобретают земляной, затхлый привкус (Guttman and van Rijn, 2008; Schrader and Summerfelt, 2010; Schrader et al., 2010; Houle et al., 2011). Аналогичные проблемы отмечены и у других ценных коммерческих видов, включая Нильскую тиляпию (Oreochromis niloticus; Yamprayoon & Noomhorn, 2000), креветки (Whitfield et al.,1988), Атлантический лосось (Salmo salar; Farmer et al., 1995), радужная форель (Salmo gairdneri; From & Horlyck, 1984), сомы (Lovell et al., 1986; Martin et al., 1987), Большеротый окунь (Micropterus salmoides) и белый осетр and white sturgeon (Acipensertrans montanus; Schrader et al., 2005; Smith et al., 2008). Все эти виды культивируются в странах Еврозоны с использованием технологии УЗВ, и проблема загрязнителей обязательно возникает, когда условия культивирования располагают к появлению организмов, выделяющих GSM и MIB. В 2011 году одно из английских хозяйств УЗВ по выращиванию баррамунди (Lates calcarifer) понесло значительные финансовые потери из-за накопления GSM в мясе.

Очистка рыбы от загрязнений
Пороговое значение загрязнителя, т.е. уровень, ниже которого большинство людей не чувствуют затхлый/земляной привкус у мяса, составляет примерно 1 млрд-1 (1 мг/кг). Как только геосмин и 2-метилизоборнеол выделяются в воду, они быстро захватываются рыбой, преимущественно через жабры. Лабораторные эксперименты продемонстрировали, что GSM начинает накапливаться в форели сразу с появлением в воде и достигает максимальной концентрации в мясе менее чем за день.

Очистка от этих веществ, как правило, заключается в этапе очистки, который для Лососевых длиться до 15 дней. Это неэффективный и дорогой метод включает регулярную очистку больших объемов рыбы, потерю массы тела рыбами, снижение содержания жира в тканях и внешнего вида. Этот метод неодинаково безопасен для рыб, имеющих различное содержание загрязнителя и жира. Время очистки для Лососевых, как было обнаружено, непосредственно связано с начальной концентрацией загрязнителя в рыбах, имеющих одинаковую массу тела и жира и содержащихся при одной температуре (14.5°C). Время очистки во всех экспериментальных группах сильно возрастало, когда рассматривалось время очистки популяции рыб, а не период, необходимый для достижения арифметической средней концентрации порогового предела обнаружения загрязнителей (Robertson et al., 2005). Аналогично, в ходе очистки канального сома в прудовой культуре снижение GSM и MIB до уровня, когда вкус рыбы становится приемлемым, занимал дни, недели и иногда месяцы. Продолжительность процедуры зависела от ряда факторов, включая температуру воды, содержание жиры в тканях, изначальной концентрации неприятных веществ (Perkins & Schlenk, 1997; Dionigi et al., 2000; Burr et al., 2012).

Как можно ожидать, сложно контролировать поступление озвученных веществ в открытом пруду, но на ферме УЗВ их эффективное обнаружение и удаление станут реальностью. В лабораторных условиях фотокатализ УФ-TiO2 приводил к существенному снижению 2-MIB и GSM в реакторе с плотным слоем субстрата (Pestana et al., 2014). Единичное прохождение через реактор снижало концентрацию загрязнителей на 97%. Когда реактор использовался для очистки воды на ферме с рыбой, где продуцировались загрязнители in situ (сами по себе), степень очистки достигала 90%. Эти обнадеживающие результаты свидетельствуют о возможности использования УФ-TiO2 фотокаталитического реактора для обработки систем культивирования. Согласно Burr et al. (2012), такой подход оказывается гораздо приятнее, чем определение продолжительности очистки лосося.

Эффективный контроль растворенных газов
Интересующие газы – сероводород, метан, кислород, углекислый газ
В системе с рециркуляцией воды сероводород (H2S) продуцируется бактериями в бескислородном илистом слое. Этот слой и, соответственно, газ накапливается в бассейне, когда конструкция емкости допускает осаждение фекалий и корма. Сероводород существует в двух формах, ионизированный сульфид ион (HS-) и неионизированный сероводород (H2S). Неионизированная форма очень токсична для рыб. В воде с большой концентрацией кислорода сероводород быстро окисляется до сульфата.

К другим газам, мониторинг которых необходим, относятся кислород и углекислый газ. Обычно они измеряются недорогими датчиками, однако технология MMS может регистрировать их в растворе и, таким образом, демонстрирует свою многозадачность и универсальность.

Улучшение систем газового обмена

Много энергии тратится на обогащение культуральной воды кислородом или на удаление нежелательных газов (CO2, N2 и Cl2). Поэтому необходимо направить усилия на разработку эффективной технологии газового обмена. Например, компания Coldep Developpement во Франции запатентовала вакуумную аэрлифтную систему, которая совмещает дегазацию с пенным фракционированием и низконапорной накачкой воды. По заявлениям, она требует мало энергии для работы. В Великобритании компания Pearlmax взяла на вооружение технологию создания микропузырьков, разработанную в Университете Шеффилда. Эта технология позволяет уменьшить размер пузырьков, производимых распылителем, и, следовательно, 3-4-кратно повысить степень насыщения воды и снизить затраты энергии на 18%. Вероятно, её начнут использовать в системах аэрации и оксигенации, либо дегазации и озонирования, где технология дает 10-кратное снижение расхода энергии. Среди других инноваций, которые ещё не дошли до практического применения, но имеют высокий потенциал в аквакультуре, относится технология мембранного переноса газов. Она реализуется в виде полых нитей, проницаемых для переносимых газов. Для осуществления дегазации пучок нитей будет располагаться по ходу течения. Каждая нить имеет внутри вакуум так, что газы проникают из воды в волокна. Оксигенация будет реализована иным образом, предварительно в волокна закачают кислород под давлением. Основным преимуществом технологии является высокая эффективность переноса газов с низкими затратами энергии по сравнению с традиционными способами (Yoon, 2012). Аналогичный метод может использоваться для повышения эффективности биофильтрации и других процессов обработки воды (Martin & Nerenberg, 2012).

Использование ГМО продуктов аквакультуры

Спустя два десятилетия исследований, затяжных дискуссий и оценки безопасности для окружающей среды и использования в пищу, генетически модифицированный лосось AquAdvantage (AAS) от американской компании AquaBounty Technologies может получить предпродажное одобрение Американского центра Ветеринарной медицины. Таким образом, первый коммерческий продукт трансгенное животное появится на рынке.

AAS Атлантический лосось имеет ген антифриза от вида угревидной бельдюги (Zoarces anguillaris) и ген гормона роста от Чавычи. Дикие особи Атлантического лосося замедляют свой рост при низких температурах воды. Эта особенность обусловлена естественным снижением пищевых объектов в природе. Внедренные ген антифриза от вида угревидной бельдюги (Zoarces anguillaris) в совокупности с геном гормона роста Чавычи позволяют преодолеть это ограничение, сохранить высокую скорость роста даже при низких температурах. Кроме того, AAS лосось имеет более низкий кормовой коэффициент перевода, т.е. выше эффективность использования корма.

Компания AquaBounty заявляет об удвоенной скорости роста AAS Атлантического лосося, хотя эксперименты показывают, что молодь достигает массы 500 граммов, спустя только 250 дней от первого кормления, что слегка выше 400 дней для нормального Атлантического лосося. Т.е. отмечается 40% снижение времени выращивания. Проверка данного заявления требует независимого сравнения в условиях рециркуляционной системы AAS мутантов с особями лидирующих традиционных программ селекции лосося (т.е. компаний Aquacatch, Salmobreed или Landcatch natural selection). Скорость улучшения не ГМО пород также ускоряется с использованием технологии генетических маркеров (т.е. X-select). Более того, чрезвычайно низкая вариабельность генотипа (бедность), связанная с очень низкой начальной популяцией AAS Атлантического лосося (вероятно одна семья) снижает потенциал для дальнейшей селекции по предпочтительным признакам, т.е. масса тела и содержание жира. ГМО (генетически модифицированный организм) режим позволяет лососю быстрее расти при низких температурах, однако в условиях УЗВ температура и так легко регулируется до желаемого уровня.

Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (FDA) требует маркировать продукты, имеющие отличный от традиционного продукта состав питательных веществ, безопасность (аллергенность), процедуру приготовления. Компания AquaBounty заявляет, что они изменили лишь регуляторные биологические процессы у лосося, тогда как вкусовые и питательные качества рыбы остались неизменными. Т.е. биологически и химически AAS особи не отличаются от дикого Атлантического лосося. Тем не менее, AquaBounty предпочитают маркировать свою продукцию для различения её и не ГМО рыбы. Однако неизвестно, как компания собирается принуждать делать это фермерам, которые выращивают AAS лосося по лицензии.

Для предотвращения любых скрещивания ГМО рыб с дикими особями весь цикл производства должен заканчиваться стерилизацией самок.
——
Review of Recirculation Aquaculture System Technologies and their Commercial Application. Final Report March 2014. 28-35
www.hie.co.uk/common/handlers/download-document.ashx?id=236008c4-f52a-48d9-9084-54e89e965573

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

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