Пищевая безопасность аквапоники, растущей области пищевого производства, изучена слабо. Целью работы явилось определение пищевой безопасности и эффективности обработки ультрафиолетом (15 Вт, световой поток 900 лм). Исследовано снижение микробной нагрузки на водную систему при выращивании салата латука, базилика и рыбы баррамунди (Lates calcarifer). В течение 118-дневного производства собирали образцы воды, сладкий базилик, листья салата и фекалии рыб. С тремя повторениями проводили анализ образцов на присутствие E. coli O157:H7, Salmonella spp., и преобладание аэробных бактерий (aerobic plate counts, APC), колиформных и фекальных колиформных бактерий в системе. Отсутствие патогенов из корма подтвердили методом ELISA и подсчета через петрифильм (колиформные/E. coli). Существенное возрастание аэробных бактерий (от 1 до 3 log₁₀ КОЭ/мл) отмечено в присутствии и отсутствии УФ-излучения (p<0,05). Обработка ультрафиолетом значимо не повышала число APC или колиформных бактерий. Будущие исследования должны сосредоточиться на улучшении дизайна системы, оценки биологической фильтрации и других факторах, влияющих на пищевую безопасность.

Введение

В 2015 году в США 163675 фермеров и рыбоводов занимаются локальной продажей продукции. Местные рынки помогают фермерам диверсифицировать их производственную деятельность и найти дополнительные рыночные возможности для расширения бизнеса. Возрастает интерес к диверсификации посредством ведения аквапоники. Эта сельскохозяйственная практика включает выращивание культур растений в отсутствии почвы (гидропоника) за счет удобрения субстрата богатой питательными веществами водой, поступающей из бассейнов с рыбой. В сравнении с традиционной почвенной культурой, выращивание растений в аквапонике имеет ряд преимуществ, например, укоряется рост, снижаются необходимые площади земли, потребление воды, влияние на окружающую среду, стоимость производства, количество почвенных патогенов, удлиняется производственный сезон, происходит диверсификация продуктов.

С 1998 по 2008 годы около 46% всех заболеваний, обусловленных употреблением пищевых продуктов, ассоциировались с фруктами, овощами и орехами. Обеспокоенность пищевой безопасностью растет в мировом масштабе. В этом плане, мало внимания уделено мерам повышения пищевой безопасности продукции аквапоники. Особую озабоченность вызывает тот факт, что выращивание фруктовых и овощных культур происходит с использованием воды, содержащей экскременты рыб и органические вещества, включающие остатки от рыбы и растений. Основными патогенами пищевых продуктов являются E. coli O157:H7, Salmonella и Listeria monocytogenes. Они могут попадать в систему с рециркуляцией воды и, как показано, выживают в этих условиях. Кроме того, рыба из неблагонадежных источников является носителем вирусов и заболеваний, ассоциированных с употреблением пищевых продуктов (например, Vibrio spp.), которые обычно не встречаются в овощах и фруктах.

Проблема пищевой безопасности в области аквапоники обуславливает изучение методов дезинфекции, в частности, УФ-обработки, озонирования и обработку органическими кислотами. Обработка ультрафиолетом (УФ-C), как предполагают, снижает нагрузку патогенами в воде. При этом не нужно вносить химические вещества, поэтому не страдает здоровье рыб, и снижается необходимость частого обновления воды. В работе с культивированием салата латука в условиях УФ-обработки воды (300–500 Вт*сек/м²) удалось снизить число колиформных бактерий ниже 1 КОЭ/г и микробной нагрузки более чем на 99%. Продуктивность латука значимо не менялась. В 1985 году проводилось исследование с УФ-облучением сточных вод различной интенсивности и отмечалась инактивация бактерий Escherichia coli, Salmonella typhi, Shigella sonnei, Streptococcus faecalis, Staphylococcus aureus, спор Bacillus subtilis, полиовируса — типа 1, обезьяньего ротавируса SA11, цист простейшего Acanthamoeba castellanii, а также колиформных микроорганизмов и микроорганизмов, определяемых стандартным чашечным методом. Это свидетельствует о возможности использования дезинфекции ультрафиолетом как надежного метода поддержания высоких гигиенических стандартов в аквапонике. В данной статье приводятся результаты исследования, посвященного определению текущего статуса пищевой безопасности систем аквапоники и оценки эффективности УФ-обработки в контексте пищевой безопасности.

2. Материалы и методы

2.1. Схема аквапоники

Шесть коммерческих модулей аквапоники имели идентичную схему, водоизмещение и состав рыб. Имелось три независимых экспериментальных системы для каждого испытания. Каждая из них включала емкость культивирования, фильтр твердых частиц и биологический фильтр, гидропонику с высоким уровнем воды, ультрафиолетовый стерилизатор, погружаемый центробежный насос, аэратор типа диафрагмы с восемью 15 см камнями распылителями для каждой системы (Рисунок 1 и 2). Источник воды в городе Эймсе, штат Айова, имеет воду высокой жесткости (≈300 мг/л), с умеренной щелочностью (20-100 мг/л), значением pH 8.8-9.4 и примесью хлорамина в качестве микробного детергента. Температура воды составляет 14-18°C. Культуральные емкости и биофильтр представляли собой 114 литровые баки с конусовидным дном, изготовленные их полиэтилена высокой плотности. Высота емкости до начала сужения конуса 69 см, общая высота 97 см, диаметр 45 см, угол сужения дна 45 градусов. Гидропонный модуль изготовлен из армированного бетона, изолированного полистирольной пузырчатой пленкой с отражающим покрытием TekFoil толщиной 3.8 см (TEK Supply, Dyersville, IA, США). Пленка зафиксирована 12 мм резиновым лайнером. Гидропоника имеет объем 760 л, ширину 1.2 м, длину 2.4 м и высоту 0.3 м. В системе использовали насосы Active Aqua (Grand Prairie, TX, США) мощностью 2082 л/час без префильтра. В УФ-стерилизатор вода поступала через черный плетеный шланг ValuTek диаметром 2.5 см. Стерилизатор TMC Vecton (GrantsPass, OR, США) мощностью излучения 15 Вт (световой поток 900 лм/432.6 Вт*сек/м²) и скоростью прохождения водного потока 20.8 л/мин. Это значение скорости водного потока рекомендовано производителем на основе водообмена и размера системы. В настоящем исследовании значение 20.8 л/мин было ниже 33 л/мин, максимально рекомендованного для облучателя Vecton 15 Вт с водообменом 1.5 раза в час.

Узел УФ-обработки располагался после гидропоники так, что ультрафиолет воздействовал на воду, питательные вещества из которой уже в достаточной степени поглотили растения, т.е. со сниженным содержанием твердых частиц. Если в воде присутствуют крупные частицы или грязь, можно рекомендовать устанавливать фильтр перед УФ-стерилизатором. Авторы работы отметили низкую мутность воды в диапазоне от 1 до 2.5 NTU, т.е. чище воды, прошедшей через микрофильтр 50 мкм (обычно 20 NTU). По этой причине фильтр предварительной очистки перед УФ-стерилизатором не использовали. Скорость водного потока в культуральной емкости регулировали с помощью ПВХ шарового крана. Направленный поток в емкость создавали 50 см отрезком ПВХ трубы диаметром 2.5 см с заглушкой на конце. Вода выходила из 15 отверстий диаметром 6.4 мм, просверленных в одной плоскости для создания течения против часовой стрелки. Двойной вертикальный водосток включал ПВХ-трубу длиной 81 см и диаметром 3.8 см и окружающую её внешнюю трубу длиной 84 см с отверстиями на дне. Два 15 см камня аэратора и газовый обмен в культуральной емкости. Самотеком вода направлялась в механический фильтр решетку, который состоял из четырехслойной ткани, затененной на 80%, и дополнительного фильтра твердых частиц.

Биофильтр располагали непосредственно под механическим фильтром решеткой и заполняли био-шариками, био-боченками и блоков с наполнителем, обеспечивающим адекватную площадь поверхности для заселения нитрифицирующих бактерий. Высота воды в биофильтре составляла 51 см, сделанного по аналогии с емкостью культивирования. Барботаж в биофильтре обеспечивали два камня аэратора. Затем вода самотеком по 3.8 см ПВХ трубам направлялась в дальний конец гидропоники. В каждом модуле гидропоники находились по четыре камня аэратора. Вода медленно проходила в противоположный конец гидропоники и попадала в насос, который замыкал цикл циркуляции. Перед началом экспериментов для проверки однородности циркуляции воды авторы выполнили тест с красителем. Для установления системы биологической очистки и улучшения фильтрации к каждой из шести дублирующих систем вносили 4 био-бочонка от предустановленной системы. Спустя 4 недели проводили химический анализ воды и убеждались, что в каждой системе установилась популяция нитрифицирующих бактерий, и система безопасна для рыб.

2.2. Рыба и схема системы

Молодь барамунди (Latescalcarifer) получена от местного хозяйства (Blairsburg, IA, США). До прибытия, в течение 18 дней до начала регистрации данных, рыбу акклиматизировали к лабораторным условиям, кормили плавающим на поверхности кормом Ziegler brand Finfish G 42-16 (Gardners, PA, США), с диаметром гранул 2.5 мм, содержанием белка 42% и жиров 16%. Эксперимент проводили зимой, с ноября 2014 года по январь 2015 год. В начале эксперимента 10 особей средней массой 120-165 граммов помещали в каждый из шести культуральных бассейнов. Каждую экспериментальную процедуру (УФ-обработка и контроль) проводили по три раза с независимыми модулями на одну обработку. На протяжении 118 дней эксперимента рыбу кормили два раза в день, в 8:00 и 18:00 часов. Ежедневный вносимый рацион составлял 3% от общей массы тела или вплоть до момента, когда рыбы демонстрировали состояние насыщения. Излишки корма удаляли. Записывали данные о количестве вносимого корма. В эксперименте поддерживали 16 часовой фотопериод (с 6:00 по 22:00 часов), использовали ртутные лампы высокого давления мощностью 400 Вт.

Температуру воды, концентрацию растворенного кислорода и pH регистрировали датчиком HQ0d (HACH, Ames, IA, США). Химические параметры воды измеряли один раз (щелочность, жесткость, концентрация углекислого газа, хлора и железа) или дважды (концентрацию аммония, нитрита и нитрата) в неделю. Рекомендованные уровни были следующие: pH 6.5–7, растворенный кислород более 10 мг^-1, аммоний менее 1.0 мг^-1, нитрит менее 1.0 мг^-1, хлор менее 500 мг^-1, углекислый газ менее 5 мг^-1, жесткость воды между 100 и 300 мг^-1, щелочность между 40 и 300 мг^-1. Если значения выходили за указанные уровни, проводились мероприятия по их исправлению.

2.3. Культура растений и схема эксперимента

Гранулированные семена Базилика душистого (Ocimum basilicum ‘ItalianLargeLeaf’) и салата-латука (Lactuca sativa ‘Rex’) получены из хозяйства Johnny’s Selected Seeds (Winslow, ME, США). Для каждого вида единичные гранулированные семена помещали в горшки из минеральной ваты (3.8*3.8 см) (Grodan A-OK; Farmtek, Dyersville, IA, США), в количестве, достаточном для заполнения плавучих плотов (8 плотов на систему) еженедельно в течение всего эксперимента. В тепличных условиях саженцы ежедневно орошали водопроводной водой с добавлением водорастворимых удобрений. Восемь плавучих плотов имели размеры 60 см*60 см*3.8 см и 9 (4 плота) или 16 (4 плота) отверстий на расстоянии 20 или 15 см для салата-латука и базилика, соответственно. Спустя 14 дней после прорастания, саженцы переносили в соответствующие плоты и помещали в систему в отдаленный конец от точки поступления воды из биологического фильтра (Рисунок 1). Каждую неделю, прорастала новая когорта растений, и следующие порции саженцев переносили в систему. Более старые растения на плотиках перемещали на один ряд ближе к месту поступления воды из биологического фильтра. Наконец, спустя 4 недели (28 дней), растения и корни извлекали из системы. Этот недельный цикл продолжался в течение 118 дней, опираясь на нормальный цикл роста барамунди.

2.4. Микробиологический анализ

От каждой из шести систем в отчетные дни (Дни 0, 28, 42, 54, 63, 76, 88, 102, 188) случайным образом забирали две головки салата-латука, два кустика базилика, 1 литр воды. От латука забирали 10 граммов образца, помещали его в стерильный пакет Стомахер (для гомогенизации) с 90 мл 1% пептона (HiMedia, Mumbai, Индия). Из базилика брали 5 граммов образца, помещали его в стерильный пакет Стомахер (для гомогенизации) с45 мл 1% пептона. Образцы воды 10 мл помещали его в стерильный пакет Стомахерс 90 мл 1% пептона. Тампонами (Biomerieux, Marcy-l’Etoile, Франция) делали соскобы с поверхностей обеих сторон тела рыбы, включая жабры, а также стерильным планшетом 10*5 см² содержимое ЖКТ. Образцы добавляли в пробирку с 10 мл 1% пептона. Отдельные образцы гомогенизировали в пакете Стомахерсе или вортексе и подсчитывали колиформные бактерии, используя тест coliform/E. coli Petrifilm™ (3M, St. Paul, MN, США). Каждый анализ проводили дважды на разных образцах, т.е. анализировали дубликаты образцов. Концентрацию колиформных бактерий и E. coli рассчитывали с использованием теста Петрифильм — 3M Petrifilm E. coli/Coliform Count Plate™ (3M Microbiology Products, Minneapolis, MN, США) по инструкции производителя (предел обнаружения <10 КОЭ/г или <1 КОЭ/мл или <0.1 КОЭ/см²). Планшеты инкубировали при 35°C и отслеживали изменения через 24 и 48 часов. Интерпретация теста Петрифильм проводилась по инструкции E. coli/Coliform Petrifilm и методу AOAC Official Method 991.14. Голубые и красно-голубые колонии, связанные с газами, подсчитывали как колонии колиформных E. coli. Красные колонии, связанные с газами, подсчитывали как колонии колиформных бактерий. Дальнейший анализ проводили на образцах на предмет присутствия E. coli O157:H7 и Salmonella spp.. Для этого использовали систему ELISA (тест с изменением окраски) (3M™ Tecra, St. Paul, MN, США) и тест с агглютинацией латексных шариков 0157 для подтверждения (Oxoid/Remel, Hants, Великобритания). Перед выполнением теста ELISA (предел обнаружения 1-5 клеток/25 г образца) образцы подвергали серии обогащений и селекции для снижения ложноположительных результатов. Двадцать пять граммов образцов латука и базилика, 25 мл образца воды и соскобов с рыбы помещали 225 мл бульона EC Broth (3M™ Tecra, Minneapolis, MN, США) с 5% суплемента новобиоцина (MP, Salon, OH, США) и инкубировали при 42±1 °C в течение 15-24 часов. Эти обогащенные смеси использовали для анализа ELISA (E. coli 0157 определение). Аналогичные количества образцов инкубировали в 225 мл Универсального обогащенного бульона (Universal Pre-Enrichment Broth, DIFCO, Sparks, MD, США) при 36 °C в течение 24 часов. После инкубации 0.5 мл образца переносили в 10 мл бульона TT (Хайна) (DIFCO, Sparks, MD, США) и 0.1 мл в 10 мл бульона RV (DIFCO, Detroit, MI, USA) и инкубировали при 36±0.5 °C в течение 22-24 часов. После инкубации 1 мл каждого образца переносили в 10 мл бульона M (HiMedia, Mumbai, Индия) и инкубировали при 36±0.5 °C в течение 22-24 часов. Эти обогащенные смеси использовали для анализа ELISA (Salmonella определение).

Эти наборы экспресс анализа одобрены Управлением США по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) для использования на пищевых образцах. Чашечный метод подсчета аэробных бактерий дублировали для каждой из шести систем. Перед инокуляцией проводили соответствующее разведение обогащенной смеси с забуференной пептонной водой, инкубировали при 36 °C в течение 48 часов на среде, приготовленной из питательного агара для подсчета микроорганизмов (HiMedia, Mumbai, India).

2.5. Статистический анализ

Работа проводилась с ноября 2014 по февраль 2015 год. Эксперименты имели три повторения (3 УФ и 3 без УФ, контроль). Статистический анализ выполняли с использованием SAS 9.3 (SAS Institute, Inc., Cary, NC, США). Подсчет бактерий для образцов базилика, латука и воды проводили на 0, 28, 42, 54, 63, 76, 88, 102, 118 дни по два повторения для каждой из шести УФ/контрольной систем. Данные анализировали с использованием метода наименьших квадратов. Для микробиологического исследования с двумя повторениями на 0 и 118 дни брали соскобы с рыб (по 5 различных особей на одну систему). Изучали влияние срока эксперимента и обработки на количество аэробных бактерий и колиформных бактерий. Также изучали комбинированный эффект обработки и длительности эксперимента. Статистический анализ проведен с доверительным интервалом 95% (p<0.05).

3. Результаты

Параметры качества воды. Параметры качества воды регистрировали на протяжении всего эксперимента (среднее ± стандартное отклонение): температура 23.2 ± 5.2 °C; растворенный кислород 8.1 ± 1.0 мг/л; pH 7.7 ± 1.0; аммоний 0.5 ± 0.2 мг/л; нитрит 0.33 ± 0.33 мг/л; хлорид 250 ± 100 мг/л; углекислый газ 0.25 ± 0.2 мг/л; жесткость воды 200 ± 100 мг/л; щелочность 104 ± 4 мг/л.

Патогенный микробный статус базилика, латука и образцов воды. В образцах базилика, латука и воды за 118 дней наблюдений отсутствовали колиформные E. coli, E. coli O157:H7, Salmonella spp.

Количество аэробных бактерий при подсчете чашечным методом. В таблице 1 представлены значения для образцов базилика, латука и воды за 118 дней наблюдений. Существует тенденция возрастания числа аэробов (1 до 3 log₁₀ КОЭ/мл) с 0 по 63 дни и снижение числа аэробов (1 до 3 log₁₀ КОЭ/мл) с 63 по 118 дни экспериментов. С 0 по 63 день для образов не меняли условия окружающей среды. Это подтверждают стабильные значения температуры, нитрита, нитрата, щелочности, pH, растворенного кислорода. Поэтому различия являются атрибутом нормального изменения микрофлоры.

В течение всего эксперимента для образцов базилика и воды отсутствовали значимые различия числа аэробных бактерий между группами без обработки и с обработкой ультрафиолетом (p>0.05). В ходе 118 дней наблюдений за образцами салата латука обнаружены значимые различия числа аэробных бактерий между группами без обработки и с обработкой ультрафиолетом (p<0.05, таблица 1). В частности, измерения на 63 день показали значимо более высокое число аэробов после УФ-обработки (0.24 log₁₀ КОЭ/г). Когда сравнения проходили только внутри контрольной группы, число аэробов на 63 день было значимо больше (0.65–3.30 log₁₀ КОЭ/г), чем в другие дни (0, 28, 42, 54, 76, 88, 102, 118), а измерения на 76 день показали более высокое число аэробов, чем на 42 и 118 дни (1.74–2.65 log₁₀ КОЭ/г). Когда сравнения проходили внутри группы с включенной обработкой ультрафиолетом, число аэробов на 63 день было значимо больше (1.09–2.83 log₁₀ КОЭ/г), чем в другие дни (0, 28, 42, 54, 76, 88, 102, 118).

Совместное сравнение опытной и контрольной групп (Таблица 2) показало значимый рост числа аэробных бактерий в образцах латука с 54 по 76 дни (0.55–3.01 log₁₀ КОЭ/г и 1.25–2.05 log₁₀ КОЭ/г, соответственно). Отсутствовали значимые различия качества воды для образцов базилика и воды на протяжении 118 дней эксперимента, когда контрольные и опытные группы оценивали вместе.

Число колиформных бактерий в образцах базилика, латука и воды. Между контрольными и опытными группами отсутствовали значимые различия в общем числе колиформных бактерий (образцы латука, базилика и воды) (p>0.05). В таблице 3 показано число колиформных бактерий в образцах базилика, латука и воды на протяжении 118 дней исследования. Во всех образцах (базилик, латук, вода) отмечалось существенное увеличение числа колиформных бактерий (0.61–2.12 log₁₀ КОЭ/г) на 28 день по сравнению с другими днями.

Значимо снижалось число колиформных бактерий во всех образцах на 76 день (0.24–1.87 log₁₀ КОЭ/г) при сравнении с 28,42 и 54 сутками (p<0.05), и возрастало на 88 сутки (0.50–1.78 log₁₀ КОЭ/г). В образцах воды число колиформных бактерий, в отсутствии или присутствии ультрафиолета, снижалось с 88 по 118 сутки (1.13–1.67 log₁₀ КОЭ/г). Необходимо отметить, что в ходе эксперимента на 76 сутки колебаний температуры и других средовых параметров не наблюдалось, поэтому озвученные изменения являются атрибутом нормальной флоры.

Микробный статус рыбы. На протяжении 118 дней эксперимента в рыбе не обнаружено колиформных E. coli, E. coli O157:H7, либо Salmonella spp.. В таблице 1 и 3 показано число аэробов и колиформных бактерий в барамунди. В отсутствии или присутствии обработки ультрафиолетом отмечалось возрастание числа аэробных бактерий в образцах рыбы (0.65 log₁₀ КОЭ/г) (p<0.05). Число колиформных бактерий в контрольной и опытной группах, напротив, не изменялось. Число аэробов более 10⁷ КОЭ/г недопустимо для выращивания и использования рыбы в пищу. Также недопустимо содержание в образцах рыбы 500 КОЭ/г фекальных колиформных бактерий (E. coli). Фекальные колиформные микроорганизмы указывают на плохое качество воды и санитарную практику. В рамках работы число аэробов, колиформных и фекальных колиформных бактерий оставалось ниже допустимых значений, что свидетельствует о хороших санитарных условиях, безопасности употребления рыбы в пищу. Тем не менее, для нормализации работы системы необходимо детально изучить высокую вариабельность числа бактерий на протяжении эксперимента.

4. Обсуждение

Если зоонозные патогены попадают в систему культивирования, возрастает риск возникновения заболеваний от употребления в пищу рыбы или сельхоз культур. Бурное развитие E. coli и Salmonella, связанных с выращиванием овощей и фруктов, обусловлено загрязнением источника воды. Отсутствие этих патогенов в исследовании подчеркивает хорошую гигиену и санитарные условия, свидетельствует о том, что бактерии не вносили в систему извне. Предполагается, что обработка ультрафиолетом снижает число многих бактериальных патогенов, находящихся в воде во взвешенном состоянии. Таким образом, в аквапонике можно снизить перекрестную контаминацию между водой и тканью растений. Gonazalez-Alanis (2011) обнаружил, что использование УФ в аквапонике с салатом латуком, шпинатом и тиляпией существенно снижает число фекальных и общих колиформных бактерий (сила УФ излучения не указана). Результаты настоящей работы продемонстрировали высокую вариабельность числа аэробных и колиформных бактерий, и неэффективность обработки ультрафиолетом. В контрольной и опытной группах отсутствовали значимые различия. Встает вопрос, почему обработка оказалась неэффективной? Возможно, следует ввести дополнительную механическую фильтрацию воды, использовать УФ-излучение более высокой интенсивности.

Timmons и Ebeling (2007) отмечают, что вода должна проходить 50 мкм фильтр перед попаданием в УФ-стерилизатор. Это повышает эффективность дезинфекции в рециркуляционной системе. В модельной системе отсутствовал фильтр предварительной очистки, потому что проверка качества воды показала высокую прозрачность 1–2.5 NTU. Даже с таким низким уровнем мутности использование предварительной фильтрации может повысить эффективность УФ-обработки. Pantanella (2012) обнаружил, что использование двух ультрафиолетовых ламп мощностью 25 Вт в 100 литровом отстойнике и 25 литровом фильтре системы аквапоники с салатом латуком и тиляпией эффективно снижает число колиформных бактерий на 3 десятичных логарифма; однако в зависимости от качества воды, необходима различная интенсивность УФ-излучения. В рециркуляционной системе ранее использовались лампы с выходной мощностью 36 Вт. В настоящем исследовании применяли лампы мощностью 15 Вт, исходя из рекомендации для водного потока 20.8 л/мин и стабильности нутриентов в системе. После модификации для живых систем, такие процессы как флоккуляция и химическое осаждение (известь, алюминий и хлорид железа), распространенные в очистке муниципальных вод, можно адаптировать для аквапоники. Они позволят очистить воду и повысят проникающую способность УФ-излучения. Тем не менее, химическая обработка потребует слежения за колебаниями pH и нуждается в проведении дополнительных исследований. Последний вопрос касается микробного сообщества внутри аквапоники. Изученная система показала тенденцию к возрастанию бактериальной нагрузки за период эксперимента, со снижением после 76 дня (таблица 2 и 3). Авторы работы приписывают флуктуации в гидропонике и аквапонике нормальным изменениям микробного сообщества. Schreier, Mirzoyan, и Saito (2010) объясняют, что системы биологической фильтрации основываются на взаимодействии между микробными сообществами, средой, под влиянием поступающих питательных веществ (загрязнений от рыб), и их сложно контролировать. Несоответствие моделей и вариабельности числа бактерий между и среди различных условий эксперимента обусловлено, вероятно, этой динамикой взаимодействия экосистем. Частицы биологической природы и микробное сообщество аквапоники имеют решающее значение в создании идеальных условий выращивания растений и рыбы. Если формирование этих частиц и сообщества нарушено, отмечается недостаток нутриентов и плохой рост культур. Кроме того, важно контролировать качество воды в рециркуляционной системе, что обеспечит здоровье рыб и/или непрерывное выращивание растений. Для поддержания гомеостаза важно понимание процессов биологической фильтрации. Высокая нагрузка микробных популяций может снизить эффективность обработки ультрафиолетом.

Изначально, модель аквапоники основывается на «балансе» и «совмещении». Она вовлекает однонаправленный водный поток от рыб, через фильтры, растения и обратно к рыбе. Для сохранения функциональности, обеспечения роста рыб, растений полезных бактерий, эта модель нуждается в балансе питательных веществ и удалении пестицидов и терапевтических средств. Таким образом, предусмотрительным шагом является введение в систему безвредной, эффективной формы стерилизации воды. Так как перед началом проекта не проводили исследования на модельной небольшой системе аквапоники, описанной в литературе, ограничения конструкции происходят от родственной области исследования – аквакультуры. В рециркуляционной системе обычно устанавливают УФ-стерилизатор после механического и биологического фильтров, сампа и насоса, непосредственно перед поступлением воды в бассейн с рыбой. Этого принципа придерживались в настоящей работе. УФ-стерилизатор работал в соответствии со спецификацией производителя, насколько это возможно, принимая во внимание нюансы системы, специально созданной для исследования.

Анализ проводился параллельно с экспериментом и внес понимание о правильной работе аквапоники. Личные контакты с Сарой Таберой (Sarah Taber, Aquaponics Association, 30 Ноябрь 2016) раскрыли, что значительный риск для безопасности употребления человеком в пищу представляет гидропонный компонент системы. Согласно Табер (личные контакты), основной рост бактерий происходит на корнях растений, которые взвешены в воде. Повысить эффективность УФ-обработки можно улучшением фильтрации или увеличением интенсивности излучения.

Деликатная природа сбалансированной системы аквапоники создает проблемы производителям. Поэтому, в практику вводят новые методы. Более устойчивый вариант «разобщенной» аквапоники разделит системы выращивания рыбы и растений (аквакультуру и гидропонику, соответственно) и обеспечит большую гибкость для производителей, позволит им обрабатывать рыбу и растения отдельно, без ущерба для остальных компонентов системы. Со времени настоящего исследования для лучшего осаждения твердых частиц в систему ввели камеры отстойники с радиальным потоком. Система успешно использовалась для выращивания растений на гидропонике, но по-прежнему не содержала рыб. С точки зрения поддержания высокой прозрачности воды основное значение имеет тонкая настройка потока воды и динамики потока. В будущих экспериментах потенциально можно использовать разобщенную концепцию, когда вода выходит из модуля аквакультуры, проходит фильтры, попадает в самп и закачивается в гидропонику. В гидропонике воду полностью потребляют растения, и она никогда не возвращается обратно к рыбе. Эта практика позволяет использовать мощные методы стерилизации (озонирование, перекись водорода, пероксиуксусную кислоту и гипохлорит натрия), полностью уничтожать живые организмы перед поступлением воды к растениям, повысить биобезопасность продукции. Другим вариантом является установка УФ-стерилизатора между биологическим фильтром и гидропоникой, либо установка многих УФ-облучателей в различных точках системы.

Данная работа показала неэффективность ультрафиолета в снижении числа колиформных и аэробных бактерий. В большей степени контроль микробной нагрузки можно обеспечить повышением интенсивности излучения, либо очисткой воды и снижением скорости водного потока, которые повысят проникающую способность ультрафиолета. Будущие исследования следует направить на определение взаимосвязи мутности и мелких фильтров, микробной плотности и интенсивности УФ-излучения в способности этой технологии обеспечить биобезопасность продукции.

——

Sai Deepikaa Elumalai, Angela M. Shaw, Allen Pattillo, Christopher J. Currey, Kurt A. Rosentrater, Kun Xie. Influence of UV Treatment on the Food Safety Status of a Model Aquaponic System. Water, 9 (1) : 27. 2017