Фосфор, аквакультура и среда

Фосфор (P) является ключевым нутриентом в кормах рыб. За последние несколько лет внедрены методы, повышающие производство рыбы и снижающие влияние на окружающую среду. Цель устойчивой аквакультуры, однако, еще далека от достижения, потому что рыбы потребляют лишь около 40% внесенного с кормом фосфора. В данной статье освещены основные проблемы, касающиеся P, и практические примеры их решения. Устойчивое развитие аквакультуры, как правило, проводится путем преодоления проблем, чем простого накопления знаний и сбора данных.

Введение

Население планеты растет экспоненциально. Этот неудержимый рост создает проблемы пищевой безопасности и сохранения окружающей среды для последующих поколений. Соответственно, растет потребность в морских продуктах. Тем не менее, за последние 30 лет соизмеримого увеличения продукции промыслового рыбоводства не наблюдается и в обозримом будущем эта тенденция сохранится (FAO, 2016). Следовательно, аквакультура единственный способ удовлетворить  растущие потребности в морских продуктах. За прошедшие десятилетия эта наиболее быстрорастущая область производства продуктов питания и на сегодня она обеспечивает половину морских продуктов в море (Troell et al., 2014; FAO, 2016).

Аквакультура не просто решает проблему голода. В развитых странах эта область животноводства поставляет омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты, потребление которых снижает риск развития сердечнососудистых заболеваний у взрослых, улучшает мозговую функцию у детей, снижает прогрессию болезни Альцгеймера у стариков (Ma et al., 2007). В развивающихся странах промышленная аквакультура предоставляет рабочие места и экспортные доходы, тогда как небольшие хозяйства решают проблему недоедания и бедности с минимальным риском лишения прав собственности (Castle et al., 2012).

Несмотря на значительный потенциал, операции в аквакультуре, особенно в интенсивных системах (каналы и садки), сопровождаются выбросом большого количества фосфора (P) в среду (Dalsgaard and Pedersen, 2011). Так как этот элемент является лимитирующим в большинстве лентических и лотических средах, его поступление в водоемы напрямую стимулирует рост водорослей и эвтрофикацию, происходит ухудшение водной экосистемы и качества воды для использования человеком и животными (Chowdhury et al., 2017). В морской среде, однако, сброс фосфора с ферм напрямую не влияет, потому что лимитирующим элементом является азот (N) (Carpenter et al., 1998).

В отличие от птицеводства и скотоводства, загрязнения аквакультуры попадают непосредственно в воду, поэтому их сложно удерживать. Некоторую часть фосфора, в составе фекалий и твердых загрязнений, можно собирать в наземных системах, в прудах отстойниках. В свою очередь, растворимый фосфор, с мочей и растворенными фекалиями, необратимо попадает в окружающую среду. В регионах, где отсутствуют нормы загрязнения по фосфору, этот элемент попадает непосредственно в водоем. Соответственно, интенсивная аквакультура более опасна для окружающей среды, чем другие сферы животноводства. Основным источником фосфора в аквакультуре являются экскременты и не съеденный корм (Таблица 1). Для роста рыб необходимо много фосфора, но его избыток в корме, не переваренная доля выделяются и загрязняют воду.

Таблица 1. Поступление фосфора в систему интенсивной аквакультуры. 1. P в скелетной ткани – в рыбной муке, животных субпродуктах и т.д., 2. Фосфаты кальция, натрия и калия, 3. АТФ, глюкозо-6-фосфат фосфорилированные белки, 4. В просвете кишечника осаждаются двухвалентные и трехвалентные катионы солей с фосфором, с кормом или посредством секреции, 5. Растворимый P в составе фекалий происходит от бактериального гниения и путем эндогенной секреции
Таблица 1. Поступление фосфора в систему интенсивной аквакультуры. 1. P в скелетной ткани – в рыбной муке, животных субпродуктах и т.д., 2. Фосфаты кальция, натрия и калия, 3. АТФ, глюкозо-6-фосфат фосфорилированные белки, 4. В просвете кишечника осаждаются двухвалентные и трехвалентные катионы солей с фосфором, с кормом или посредством секреции, 5. Растворимый P в составе фекалий происходит от бактериального гниения и путем эндогенной секреции

Фундаментальной дилеммой на сегодня является сохранение непрерывного производства и минимизация влияния на окружающую среду (Desai, 2002; Vandenberg and Koko, 2006). Таким образом, исследования направлены на снижение содержания фосфора в корме до минимально необходимого для роста рыб уровня. Для режимов питания с низким содержанием фосфора необходимо определение признаков недостатка этого элемента у рыб (Sugiura et al., 2007).

Тем не менее, докладывали о деформациях костей у рыб при недостатке фосфора в корме (Fjelldal et al., 2012; Ytteborg et al., 2012). Увеличение усвоения фосфора снижает его выделение рыбами. Соответственно, разрабатываются технологии повышения усвоения P в различных пищевых ингредиентах (Rodehutscord and Pfeffer, 1995; Vielma and Lall, 1997). Более того, помимо рациона с низким содержанием P, должны рассматриваться другие стандарты для стабильного развития аквакультуры. Поэтому вопросы, касающиеся пищевого фосфора, рассматриваются в контексте общих исследований, посвященных разработке кормов и технологий культивирования (Sugiura and Hardy, 2000). Основные вопросы включают: (a) диагностические индикаторы P, (b) рост рыб и соотношение N:P стехиометрически, (c) предотвращение деформации костей, (d) усвоение и (e) практичные корма с низким загрязнением среды.

Диагностические индикаторы P

Среди многочисленных индикаторов P у рыб и других животных обнаружены определенные гены, которые реагируют на недостаток фосфора усилением или ослаблением экспрессии. Однако эти гены посредники, отсутствуют специфические гены, которые реагировали бы изменением уровня мРНК в ответ на состав кормов (Sugiura et al., 2007; Lake et al., 2010). Часто с целью диагностики и раннего обнаружения некоторых злокачественных заболеваний человека используют молекулярные и биохимические маркеры, независимо от стоимости анализа. Однако недостаток фосфора в пище не вызывает подавление роста рыб, усвоение корма или других важных функций до момента, когда этот дефицит перейдет в прогрессирующую фазу (Hardy et al., 1993). В отличие от злокачественных заболеваний, умеренный дефицит P обратим и поддается лечению. Поэтому, ранняя диагностика на практике оказывается бесполезной.

Наиболее надежным и практичным решением для диагностики P-статуса рыб являются количественные измерения. Они показывают уровень насыщения фосфора в теле, наподобие показаний уровня топлива в автомобиле. Когда насыщение фосфором падают ниже порогового значения (примерно менее 75% от нормального значения, Hardy et al., 1993), происходит замедление роста. Индикаторами насыщения фосфором является содержание золы, кальция и, собственно, фосфора в его основных резервуарах, костях и чешуе (Рисунки 1 и 2). В исследовательских работах отмечены существенные различия в нормативных значениях, что обусловлено протоколами проводимых анализов. Внутри каждого исследования вариабельность должна быть существенно меньше, отсюда польза от рутинных методов диагностики. Количественные измерения намного надежнее и информативнее, чем точечные индикаторы, не говоря уже о молекулярных индикаторах. Более того, их проводят посредством традиционного химического анализа (зольность, колориметрия), либо альтернативными методами (денситометрия костей), когда доступен точный медицинский метод.  Эти методы позволяют безопасно, без риска для рыб, снизить содержание P в корме.

Рисунок 1. Нормальный диапазон содержания злы в костях (%, свободные от жира сухие позвонки). Каждый столбец представляет данные (нормальный диапазон), полученные в независимых экспериментах (данные из таблицы 2, Sugiura, 2018). Звездами показаны данные, где материал позвонков мог быть не обезжирен
Рисунок 1. Нормальный диапазон содержания злы в костях (%, свободные от жира сухие позвонки). Каждый столбец представляет данные (нормальный диапазон), полученные в независимых экспериментах (данные из таблицы 2, Sugiura, 2018). Звездами показаны данные, где материал позвонков мог быть не обезжирен
Рисунок 2. Нормальный диапазон содержания кальция (%, сырой массы тела). Каждый столбец представляет данные (нормальный диапазон), полученные в независимых экспериментах (данные из таблицы 2, Sugiura, 2018). На рисунке также показано, что «compressiform» рыбы более костистые, чем «fusiform» виды (содержания кальция соответствует костистости)
Рисунок 2. Нормальный диапазон содержания кальция (%, сырой массы тела). Каждый столбец представляет данные (нормальный диапазон), полученные в независимых экспериментах (данные из таблицы 2, Sugiura, 2018). На рисунке также показано, что «compressiform» рыбы более костистые, чем «fusiform» виды (содержания кальция соответствует костистости)

Рост рыб и N:P стехиометрия

У особей каждого вида соотношение азота ( N) и фосфора (P) относительно постоянно, независимо от размера тела и стадии жизненного цикла рыб; исключением является лишь ранний онтогенез и нарушения развития (Shearer, 1984; NRC, 2012). Поэтому потребность в фосфоре можно точно представить через накопление азота в теле (NRC, 2012). На практике, пищевые потребности в фосфоре можно точно представить путем нормализованных измерений потребностей фосфора на основе его эффективности усвоения (FE, рисунок 3). Таким образом, измеренные пищевые потребности включают FE и собственно стандартные потребности (Shearer, 1995; Sugiura et al., 2000). Стандартные потребности постоянны для каждого вида, не зависят от размера рыб, стадии жизненного цикла и состава корма (энергетической ценности, содержания белка, волокон и т.д.).

Рисунок 3. Фосфор (P), необходимый на единицу прироста рыбы, не единицу корма. Корм буквально сосуд питательных веществ для роста (и других метаболических процессов). Эффективность усвоения (FE: прирост/корм) каждого корма является фактором перевода ростовых характеристик и характеристик питания
Рисунок 3. Фосфор (P), необходимый на единицу прироста рыбы, не единицу корма. Корм буквально сосуд питательных веществ для роста (и других метаболических процессов). Эффективность усвоения (FE: прирост/корм) каждого корма является фактором перевода ростовых характеристик и характеристик питания

Аналогичный принцип также применим для содержащегося в корме доступного фосфора. Содержание доступного P необходимо нормализовать на основе эффективности усвоения (FE) каждого рациона и, соответственно, оценить рациональность, точность и адекватность уровня фосфора в корме. Без такой нормализации оценка пищевых потребностей или содержания доступного фосфора окажутся неточными, ненадежными и приведут к дефициту этого элемента, либо загрязнению среды. Нормализация, иначе стандартизация, приобретает особую важность с ростом количества растительных ингредиентов в рыбных кормах. В отличие от легко усвояемых ингредиентов (рыбная мука, животные субпродукты, очищенные рационы), растительные компоненты часто содержат высокую долю неперевариваемых волокон. Показано, что когда рацион разбавлен различным количеством целлюлозы, животные могут регулировать объем потребления пищи, независимо от общей массы. Поэтому усвоение ими корма в течение дня остается постоянным в определенных пределах (Kleiber, 1975, pp. 290–291). Это справедливо и для рыб (Rozin and Mayer, 1961; Bromley and Adkins, 1984).

Иными словами, для сопоставимого или нормального роста, животные и рыбы потребляют больше богатых волокнами, чем богатых энергией кормов. Для большинства питательных веществ, включая фосфор, необходимых для роста, представление их на единицу массы всего корма неточно и проблематично. Нормализация на основе FE является практическим решением этой задачи.

Предотвращение деформации костей

Деформация костей наблюдается при недостатке кальцификации коллагена. Молодь рыб на стадии личинок особенно уязвима к этому недугу, потому что матрикс коллагена лишь отчасти кальфицирован и стабилизирован (Kronick and Cooke, 1996). Коллагены являются видоспецифичными веществами с низкой температурой плавления (Leikina et al., 2002). Поэтому лишь небольшое увеличение температуры может привести к деформации костей, особенно при недостаточной минерализации коллагена. Таким образом, повышенная температура, низкое содержание P, низкое содержание Ca приводят к деформации костей. Необходимый для формирования коллагена, витамин C также вовлечен в нарушение развития костей на стадиях эмбриогенеза и личинки. Это особенно заметно при плохом кормлении самок, частой дезинфекции икры, когда витамин C пропадает из икры (Wede- meyer, 1971; Soliman et al., 1986). Так как молодая рыба вносит незначительный вклад в утечку фосфора в среду, дефицита этого элемента на ранней стадии развития рыб необходимо избегать.

На личиночной стадии различных видов рыб могут отмечаться деформации всего скелета, включая позвонки и челюсти, и эти деформации становятся сильнее с ростом рыб. Поле выхода из стадии малька, однако, деформации от дефицита фосфора наблюдаются в конце роста, особенно на концах тонких костей, плевральных ребрах, где коллаген слабо кальцифицирован. Поэтому на этой стадии развития состояние ребер является индикатором недостатка фосфора (Shearer and Hardy, 1987). Так как проверка ребер не использует какой-либо анализ, ее можно проводить на ферме для субклинического определения дефицита P (рисунок 4).

Рисунок 4. Плевральные ребра радужной форели при достаточном уровне фосфора и его недостатке. Диагностическая проверка ребер простейший способ определения дефицита фосфора у рыб
Рисунок 4. Плевральные ребра радужной форели при достаточном уровне фосфора и его недостатке. Диагностическая проверка ребер простейший способ определения дефицита фосфора у рыб

Усвояемость

Многие виды рыб абсорбируют пищевой P через уникальный пищеварительный орган пилорические придатки (pyloric caeca). Пилорические придатки пальцеподобные выпячивания, которые располагаются непосредственно позади желудка (Barrington, 1957; Fange and Grove, 1979).

В среднем, радужная форель имеет 56 пилорических придатков, которые составляют примерно 70% всей поверхности всасывания желудочно-кишечного тракта (Buddington and Diamond, 1987).

Транспорт активного компонента Pi (неорганический фосфор) в придатках оценивается Km D 0.52 mM и Vmax D 64.5 нмоль/г ткани/мин (Sugiura and Ferraris, 2004). В физиологической концентрации Pi в полости кишечника (20 mM), его транспорт в придатках происходит преимущественно пассивным (NaPi-независимым) путем. Это указывает на нерегулируемый характер поглощения фосфора, что также подтверждается исследованием фракционной абсорбции Pi фосфора in vivo (Sugiura et al., 2003). Поэтому, абсорбция P зависит исключительно от химических форм P в рационе, а также взаимодействием фосфора с другими растворенными веществами в просвете кишечника (Таблица 1, Рисунок 5).

Рисунок 5. Три критические точки приложения для минимизации выделения фосфора рыбами. У рыб транспортеры Pi функционально не ограничивают абсорбцию элемента в кишечнике. Поэтому, для минимизации выделения фосфора важнее химические, а не физиологические методы
Рисунок 5. Три критические точки приложения для минимизации выделения фосфора рыбами. У рыб транспортеры Pi функционально не ограничивают абсорбцию элемента в кишечнике. Поэтому, для минимизации выделения фосфора важнее химические, а не физиологические методы

Так как в рыбных кормах традиционную рыбную муку постепенно заменяют на растительные компоненты, растет интерес к усвояемости этих компонентов (Gatlin et al., 2007; Olsen and Hasan, 2012; FAO, 2016). Большинство ингредиентов растительного происхождения имеют более низкое содержание фосфора, чем рыбная мука и мукой из животных субпродуктов (с некоторыми исключениями). Соответственно, современные рыбные корма на растительной основе содержат меньше фосфора, чем традиционные корма на основе рыбной муки. Это существенно снижает выделение фосфора в среду (Jahan et al., 2003; Bureau and Hua, 2006). Тем не менее, примерно 2/3 всего фосфора в растительной пище составляют фитаты-P, которые плохо перевариваются рыбами (Рисунок 6 и 7). Поэтому, критически важно использовать фитазу для повышения усвоения фосфора. В качестве пищевых добавок доступны различные типы коммерческих фитаз (Lei et al., 2013). Некоторые растительные компоненты содержат значительное количество эндогенной фитазы. Пищевая фитаза, однако, значительно менее эффективна при температуре тела большинства рыб по сравнению с другими животными и птицей. Полной усвояемости растительного фосфора можно добиться инкубацией закваски растительной материала с фитазой и подкислителем (Sugiura et al., 2001; Vielma et al., 2002). Производство современных рыбных кормов, в составе которых имеются растительные ингредиенты, должно включать такие предварительные этапы.

Рисунок 6. Рапсовый шрот (включая шрот канолы) и усвояемость P различными видами. Каждая точка представляет данные из независимых экспериментов (данные выбраны из таблицы 3, Sugiura, 2018). Звездой показана истинная усвояемость. Знаком волны показана относительная биодоступность фосфора, основанная на зольности костей, прочности костей на излом, росте животного
Рисунок 6. Рапсовый шрот (включая шрот канолы) и усвояемость P различными видами. Каждая точка представляет данные из независимых экспериментов (данные выбраны из таблицы 3, Sugiura, 2018). Звездой показана истинная усвояемость. Знаком волны показана относительная биодоступность фосфора, основанная на зольности костей, прочности костей на излом, росте животного
Рисунок 7. Соевая мука (экстракция растворителем) и усвояемость P различными видами. Каждая точка представляет данные из независимых экспериментов (данные выбраны из таблицы 3, Sugiura, 2018). Звездой показана истинная усвояемость. Знаком волны показана относительная биодоступность фосфора, основанная на зольности костей, прочности костей на излом, росте животного
Рисунок 7. Соевая мука (экстракция растворителем) и усвояемость P различными видами. Каждая точка представляет данные из независимых экспериментов (данные выбраны из таблицы 3, Sugiura, 2018). Звездой показана истинная усвояемость. Знаком волны показана относительная биодоступность фосфора, основанная на зольности костей, прочности костей на излом, росте животного

На рисунках 6 и 7 очевидно, что усвояемость фосфора вариативная величина, даже у одного вида рыб и одинаковом рационе. Соответственно, в отличие от макронутриентов, усвоение P для каждого ингредиента корма не должна рассматриваться как значением в составе смеси. Его усвояемость зависит от множества факторов pH кишечника, взаимодействия с растворенными кальцием, железом (III), алюминием, бикарбонатами, хелатными агентами, пищевыми жирами и другими натуральными и синтетическими веществами (Sugiura, 2018).

Немаловажным фактом является присутствие в большинстве растительных компонентов значительного количества лигноцеллюлозы. Развиваются технологии облегчения переваривания этих волокон, как с точки зрения повышения их пищевой ценности, так и с позиции снижения сброса в окружающую среду (Castillo and Gatlin, 2015; Tanemura et al., 2016; Рисунок 8).

Рисунок 8. Глобальный переход к устойчивому производству. Многие растительные ингредиенты содержат неперевариваемую лигноцеллюлозу, которая загрязняет воду органикой и делает ее мутной. Для использования волокнистого растительного материала в рыбных кормах необходимо предварительное переваривание лигноцеллюлозы in vitro
Рисунок 8. Глобальный переход к устойчивому производству. Многие растительные ингредиенты содержат неперевариваемую лигноцеллюлозу, которая загрязняет воду органикой и делает ее мутной. Для использования волокнистого растительного материала в рыбных кормах необходимо предварительное переваривание лигноцеллюлозы in vitro

Практические экологичные корма

Создавать экологичные корма легко. Например, все аквариумные корма слабо загрязняют среду, потому что включают легко усвояемые ингредиенты, и часто рассматриваются как пригодные для употребления человеком. Однако, когда дело касается коммерческой аквакультуры, корма должны не только быть экологическими, но также дешевыми и обеспечивать рост рыбы (Sugiura and Hardy, 2000). На самом деле, экологичные коммерческие корма более дорогие, чем обычные корма (Sugiura et al., 2006). Рыбные корма являются главной статьей расходов в интенсивной аквакультуре, и в зависимости от страны и системы культивирования составляют 30-90% всех затрат (Hasan, 2007). Более высокая стоимость экологических кормов ограничивает их использование в коммерческой аквакультуре. Соответственно, снижение стоимости кормов с низким уровнем загрязнения среды поможет их внедрению в аквакультуру, что приведет к повышению экологической безопасности ферм. Иными словами, использование в качестве ингредиентов в производстве кормов отходов, а не съедобных компонентов, имеет особую важность для развития производства морских продуктов (Troell et al., 2014). Эти отходы должны обладать питательной ценностью, высокой усвояемостью, низким уровнем загрязнения среды, безопасностью (низкое содержание ртути, ПХД и др..) и обеспечивать рост рыбы. Очевидно, многое еще предстоит сделать. Необходимо сосредоточить усилия на решении проблем безопасности, чистоты и объемов производства, а не праздного любопытства исследователей.

Заключение

За последние несколько лет, экологическое законодательство и регулирование в области аквакультуры существенно усилилось в ответ на растущее производство и, соответственно, влияние на среду. Это ужесточение законодательства необратимо и обусловлено стремлением защитить окружающую среду. С другой стороны, мало внимания уделяется разработке технологий снижения влияния аквакультуры на экологию. Такой однобокий подход упускает из виду экономические и экологичные выгоды, наряду с повышением производства. Как показали ранние исследования, снижение загрязнения фосфором достижимо. Тем не менее, экологически чистое масштабное производство далеко от реализации, потому что доля удержания пищевого фосфора в рыбе составляет всего 40%. Поэтому, разумная политика должна сосредотачиваться на совершенствовании технологий устойчивого развития аквакультуры.

——

Shozo H. Sugiura. Phosphorus, Aquaculture, and the Environment. Reviews in Fisheries Science & Aquaculture. 2018. 515-521

Похожие статьи:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

три × три =