Инновационная биотехнология получения экологически чистой продукции аквабиокультуры в модульной установки замкнутого водоснабжения
Совместное выращивание гидробионтов и растительных культур в установках замкнутого водоснабжения (УЗВ) - перспективное и динамично развивающееся направление современной аквакультуры. Одним из путей повышения эффективности УЗВ является использование интегрированных методов и технологий, создание на базе рыбоводных установок искусственных агрогидроэкоси-стем. Преимуществом последних являются компактность и возможность размещения в непосредственной близости от потребителей - крупных городов, где ощущается дефицит и дороговизна земельных и водных ресурсов.
Первые попытки создания УЗВ, где для очистки оборотной воды был использован растительный блок гидропонного типа для выращивания различных сельскохозяйственных культур, были предприняты в Европе и США. Позднее это направление в аквакуль-туре стало привлекать все большее внимание ученых. Подобные экспериментальные установки были разработаны в Австралии, Англии, Германии, Китае, Нидерландах, Португалии, Японии и других странах [2]. Исследования по совместному выращиванию рыбы и растений проводятся в России с 1984 г. в Московской сельскохозяйственной академии [3] и Уральском государственном университете [4]. Установлено, что на каждый килограмм выращенной рыбы можно получить до 18-19 кг овощей, при этом содержание нитратов в растениях не превышает 30 мг/кг сырой массы, тогда как на минеральном питании в условиях традиционной гидропоники эта величина достигает 130^400 мг/кг [5].
В Южном научном центре РАН с 2002 г. занимаются изучением гидробионтов, выращиваемых в УЗВ [6, 7]; с 2014 г. начаты исследования по созданию интегрированной инновационной этажной биотехнологии для получения экологически чистой
продукции различных объектов аквакультуры (гибридные формы осетровых, сомовые, растительные культуры и др.) с использованием оборотной и сбросной воды в УЗВ.
Цель настоящей работы - разработать комплекс научно-методических основ и технических решений, позволяющих создать интегрированную инновационную биотехнологию получения экологически чистой продукции аквабиокультуры в модульной УЗВ.
Материалы и методы
Исследования проводились в 2014-2016 гг. на научно-экспедиционной базе ЮНЦ РАН «Кагаль-ник» (Азовский район). Совместное выращивание рыб и растительных культур осуществлялось в бассейнах УЗВ аквакомплекса с контролируемыми условиями среды (кислород - 60^90 %; температура - 23^25 °С, рН - 6,9^8,2) и водообменом в течение 1 ч.
Экспериментальная интегрированная этажная установка
Интегрированная этажная установка (ИЭУ) создана специально для проведения эксперимента. Она представляет собой систему бассейнов, лотков, отстойников, фильтров (механических и биологических), а также системы освещения и экспресс-онлайн-контроля гидрохимических параметров (рисунок). Особенностью ИЭУ является использование биотехнологии безотходного производства, что обеспечивает высокую экологическую безопасность. При этом отходы (продукты обмена) одного биологического кластера используются другим на последующих этапах до их полной утилизации внутри замкнутой системы.
Схема ИЭУ
Гидрохимические анализы в бассейнах выполняли согласно методам, общепринятым в рыбоводстве [8], измерение морфометрических показателей растений (высота, размер листовой пластики, фе-нофаза развития, сырая фитомасса, вес плодов и др.) - в ботанических исследованиях [9].
В работе использованы стандартные методы исследований: рН водной среды определяли потен-циометрическим методом [10], показатель освещенности растений в люксах - люсмометром РН 300, показатели температуры и влажности воздуха - стандартным ареометром, содержание нитратов в листьях и плодах растений - экспресс-методом с использованием нитратомера, а также фотометрическим методом [11].
Взвешивание и измерение рыб проводилось согласно рекомендациям И.Ф. Правдина [12]. Коэффициент упитанности рассчитывался по Т. Фульто-ну [12]. Общий прирост и выживаемость рыб, расчет среднесуточной скорости роста и коэффициент массонакопления определялись методами, общепринятыми в ихтиологии [13]. Кровь отбирали из хвостовой вены с использованием шприца. Анализ физиолого-биохимических показателей крови рыб (скорости оседания эритроцитов, содержания в крови рыб сывороточного белка, гемоглобина, общих липидов и холестерина) проводили согласно общепринятым методам [14]. Результаты обрабатывали с применением общепринятых методов биологической статистики и с помощью компьютерной программы Excel.
При выборе растений учитывали следующие критерии: гибрид (для возможного самоопыления), районированные, скороспелые, низкорослые, ком-
пактные сорта для закрытого грунта. В начале эксперимента было 8 культур (15 сортов), затем в работе остались 4 вида (5 сортов) овощных культур, наиболее перспективных для выращивания методом аквапоники: салат листовой (Lactuca sativa L.) - сорт Король рынка; петрушка (Petroselinum crispum (Mill.) A. W. Hill) - сорт Мооскраузе 2; перец (Capsicum annuum L.) - сорт Оранжевое чудо и Париж; огурец (Cucumis sativus L.) - сорт Зятёк. В качестве субстрата использовали вермикулит, керамзит, минеральную вату и кокосовое волокно. Установлено, что лучше всего использовать керамзит (средней фракции, до 1 см в диаметре), так как в нем корневая система растений хорошо удерживается и развивается. Предварительно все семена растений проращивались в пробках из минеральной ваты до получения рассады, а затем пересаживались в горшочки с керамзитом и помещались в аквапонную установку на гидропонных плавающих матах, при 1 2
этом для площади 1 м плотность посадки не должна превышать 80 горшочков. В эксперименте подобран оптимальный тип освещения для различных растений с использованием светодиодных конструкций с лампами мощностью 200^-900 лк.
Высокие адаптивные способности и ценные потребительские свойства гибрида стерлядь*белуга (стербел) позволили принять его в данном исследовании как базовый вид, на оптимальные условия выращивания которого ориентирована технология содержания других гидробионтов. По биологическим особенностям и параметрам среды, наиболее подходящим к основному объекту, были выбраны клариевый сом, ампулярия и австралийский рак. Выращивание гибридов осетровых рыб осуществлялось в бассейнах объемом 6+8 м3, африканского клариевого сома - 4 м3, брюхоногого моллюска ампулярии и австралийского красноклешневого рака - 1 м3. Для кормления рыб использовали корм Вютаг согласно существующим нормативам.
Результаты исследований
Гидрохимические условия при проведении эксперимента. Температура воды в период выращивания
Гидрохимические показатели в ИЭ
рыб в бассейнах колебалась в пределах 23+25 °С, рН водной среды - 6,9+8,2 (табл. 1). Нитриты и нитраты находились в пределах нормы, что служило показателем хорошей работы биологического фильтра, когда первая и вторая стадии нитрификации проходят нормально. Количество нитритов, наиболее опасных для рыб, находилось в пределах допустимой нормы - 0,1-0,2 мг К/л. Количество нитратов не превышало 34 мг К/л и соответствовало нормативам (табл. 1).
Таблица 1
Выращивание растений методом аквапоники в ИЭУ. Полученные результаты по изучению показателей роста, развития и продуктивности растений в аквакомплексе представлены в табл. 2.
Салат листовой (сорт Король рынка) - пластичная культура, отличающаяся высокой продуктивностью. Длительность периода вегетации в эксперименте составляла от 33 до 70 дней, продуктивность - 2,47+6,0 кг/м2, при этом за 5 мес. можно получить до 6 урожаев (табл. 2). Выявлено, что салат очень требователен к свету. Оптимальное освещение для этой культуры - 9000 лк. Выращивать салат на гидропонном плавающем мате площадью 0,17 и 0,6 м2 выгоднее, чем на 1+1,5 м2, что подтверждается более высокими показателями продуктивности.
В условиях модульной УЗВ возможность накопления нитратов в листьях салата возрастает в связи с наличием живых объектов, продукты жизнедеятельности которых поступают с водой в систему аквакультуры растений. Однако проведенные анализы показали, что содержание нитратного азота в листьях салата - 1157 мг/кг сырой массы и не превышает нормы ПДК - 2000 мг/кг.
Петрушка (сорт Мооскраузе 2). Растения хорошо произрастают в условиях аквакомплекса. Период от появления всходов до получения технически зрелой продукции петрушки составляет от 56 до 70 дней, требовательна к свету; оптимальное освещение светодиодными лампами - 7500+9000 лк. При
посеве в минеральную пробку необходимо сеять от 3 до 6 семян, чтобы достигнуть оптимальной плотности листьев растения. Выращивать петрушку на гидропонном плавающем мате площадью 0,17 и 0,6 м2 выгоднее, чем на 1+1,5 м2, что подтверждается более высокими показателями продуктивности. Продуктивность петрушки - до 2,294 кг/ м2 (табл. 2). Количество нитратов в листьях - 1856 мг/кг, что не превышает ПДК (2000 мг/кг).
Перец - сорта: Оранжевое чудо - горький, Париж - сладкий. Происхождение перца из тропических стран определяет его высокую требовательность к условиям выращивания: свету, теплу и влаге. Выращивание рассады перца из семян проводили с помощью минеральных пробок, в каждую помещали по одному семени. В аквакомплексе при 1=+21 °С и влажности субстрата 70+75 % первые всходы перца появились на 14-й день от посадки семян. При посадке перца на гидропонные плавающие маты необходимо учитывать, что расстояние между посадочными горшочками должно быть от 6 до 15 см, что обеспечивает оптимальную площадь для развития растений. После окончательной пересадки стебель растения начинает раздваиваться, по мере роста растения нужно подвязывать, а также удалять придаточные побеги и лишние листья, чтобы все питательные вещества уходили в самые сильные стебли, где образуются завязи плодов. Первые плоды у сортов Оранжевое чудо и Париж отмечены через 118 дней от посадки семян. Анализ показал, что средняя масса всех плодов для сорта Оранжевое чудо - 2,241кг/ м2, сорта Париж - 4,201 м2 (табл. 2). Содержание нитратов в плодах соответствует норме и не превышает ПДК - 200 мг/кг.
Огурец, сорт Зятек. Культура требовательна к условиям выращивания: свету, теплу и влаге. Выращивание огурцов в эксперименте проходило в 2 этапа: посев семян в минеральную пробку и пикировка в горшочки с керамзитом; высадка рассады (в фазе 4-5 листьев) в проточную аквапонную систему и размещение на шпалере. Оптимальной для нормального развития корневой системы огурцов считается температура t=+20+27 °С, но в акваком-плексе температура воды была 19+21 °С, воздуха -18+22 °С, поэтому длительность вегетации огурцов до появления первых плодов составила 97 дней. При этом отмечено, что через 15+20 дней после помещения растений в проточную аквапонную систему корневая система истончилась, листья на растениях стали желтеть, а завязь - сохнуть и опадать. Перепад температур в 3+4 °С способствует удлинению междоузлий растений, поэтому необходимо проводить срез точки роста после 8 междоузлий. В среднем за период проведения эксперимента масса одного плода огурца была от 50 до 599 г, средний показатель массы - 249 г. Длина плода максимальная - 31,6 см, минимальная - 9,7. Урожайность огурцов - 6,916+12,42 кг/м2 (табл. 2). Проведенные анализы на содержание нитратов в плодах огурцов отклонения от нормы не выявили (ПДК не выше 150 мг/кг).
Эксперимент по выращиванию растений методом аквапоники проводился при разной плотности рыб: на 1 -м этапе этот показатель был 26 кг/м3 (период апрель - август), на 2-м - 40+50 (сентябрь -декабрь). Выявлено, что при увеличении плотности рыб продуктивность растений возрастает в 1,3+1,8 раза (табл. 2).
Таблица 2
Показатели роста, развития и продуктивности культур, выращиваемых методом аквапоники
Примечание. Плотность посадки рыб на 1-м этапе эксперимента составляла 26 кг/м3, на 2-м - 40+50: 1-й этап эксперимента апрель - август; 2-й - сентябрь - декабрь 2015 г.
Рыбоводно-биологическая и физиологическая оценка стербела при выращивании в УЗВ и ИЭУ. Сравнительный анализ экспериментальных данных по выращиванию стербела одинаковых весовых и возрастных характеристик в УЗВ (контроль) и ИЭУ (опыт) выявил сходную направленность динамики массовых характеристик. В бассейне ИЭУ абсолютный прирост стербела по массе в конце исследуемого периода был выше (на 23 %), чем при выращивании в УЗВ. Сравнение удельных величин, характеризующих среднесуточный прирост (23 %), среднесуточную скорость роста (12 %) и коэффициент массонакопления (14 %), показало похожую динамику (табл. 3).
* - различие недостоверно, р>0,05.
Результаты исследования физиолого-биохи-мических показателей крови рыб выявили высокие значения уровня гемоглобина (40,0±1,00; 56,0±0,60 г/л), холестерина (1,40±0,08; 2,4±0,10 ммоль/л), белка (19,0±1,00; 30,0±2,40 г/л) и бета-липопротеидов (2,1±0,10; 3,96±0,25 г/л) у рыб, выращиваемых как в УЗВ, так и ИЭУ. Показано, что физиологические показатели стербела в контроле и опыте достоверно не отличались (р>0,05).
Рыбоводно-биологическая и физиологическая оценка клариевого сома при выращивании в УЗВ и ИЭУ. Анализ экспериментальных данных выявил увеличение абсолютного прироста массы клариевого сома в ИЭУ по сравнению с УЗВ на 1 %. Сравнение удельных величин, характеризующих среднесуточный прирост (1 %) и среднесуточную скорость роста (7 %), показало сходную динамику. Коэффициент массонакопления в ИЭУ и УЗВ имел одинаковые значения (табл. 4). Сравнение физио-лого-биологических показателей крови рыб, выращиваемых в УЗВ и ИЭУ, достоверных различий не выявило (р>0,05). Отмечены высокие значения уровня гемоглобина (64,15±4,46; 64,92±4,271 г/л), холестерина (2,39±0,04; 2,50±0,18 ммоль/л), белка (23,13±2,45; 28,30±0,86 г/л) и бета-липопротеидов (3,86±0,34; 4,12±0,45 г/л).
Характеристика выращивания добавочных объектов в ИЭУ.
Австралийский красноклешневый рак. Период выращивания рака в модульной установке составил 270 сут. При этом его масса изменялась от 1 +2 до 70 г, а общий прирост составил 68,8 г. Выживаемость при экспериментальном выращивании достигала 70 %. Плотность посадки рака при со-
Таблица 3
Брюхоногий моллюск ампулярия. Полученные данные свидетельствуют, что для получения навески моллюска 20+25 г требовалось 60+70 сут. При этом общий прирост составил 19+24 г, выживаемость - 75 %. Плотность посадки ампулярии при совместном выращивании с растениями не превышала 5 кг/м3 .
Заключение
В результате проведенных исследований разработаны научно-методическая основа и техническое решение для интегрированной инновационной биотехнологии получения экологически чистой продукции разных объектов аквабиокультуры в УЗВ. Использованы новые технические решения по обеспечению работы УЗВ и контролю параметров среды: последовательная схема подачи воды, биологический фильтр по технологии кипящего слоя, система мониторинга аммонийного азота в режиме онлайн. Создан и прошел успешную апробацию экспериментальный образец аквабиокомплекса, который позволяет осуществлять выращивание гидробионтов в контролируемых условиях на разных этапах их развития и получать экологически чистую продукцию из разных объектов аквакуль-туры (гибридные формы осетровых, сомовые, растительные культуры и др.).
Для получения растительной продукции методом аквапоники сроки выращивания растений составляют для салата - 1 мес., для всех остальных культур (петрушка, перец, огурец) - 2 мес. Продуктивность растений за 1 год: салата - 37,6+56,4 кг/м ; петрушки - 16+20,8 кг/м2; перца в среднем - с одного растения от 1,5 до 2 кг, огурца - до 40 кг с 1 м2. Выявлено, что при увеличении плотности рыб в УЗВ до 40+50 кг/м3 продуктивность растений возрастает в 1,3+1,8 раза.
Отдельные физиологические и массовые показатели рыб, полученные в ходе эксперимента, соответствовали данным, опубликованным в литературе [7, 15]. Согласно многолетним исследованиям [15], основные функциональные показатели крови, которые можно считать нормой для оценки состояния осетровых рыб в естественных условиях: СОЭ -от 2 до 4 мм/ч; концентрация гемоглобина - от 50 до 80 г/л; белок - от 28 до 40 г/л; холестерин - от 1,0 до 2,8 ммоль/л, бета-липопротеиды - от 2 до 4 г/л.
При стабильных гидрохимических условиях выращивания и применении искусственных кормов концентрация гемоглобина, холестерина и бета-липопротеидов в крови осетровых может быть несколько повышена [7].
Сравнение значений физиологических показателей гибридов осетровых, полученных в ходе эксперимента, и рыб из природной среды показало их соответствие модальному диапазону для рыб из естественной среды и приближению к верхней границе нормы.
Использование УЗВ этажного типа позволяет более эффективно решать технологические проблемы замкнутого цикла, используя культивируемые объекты для создания комфортной среды и одновременно получая дополнительную (австралийский красноклешневый рак, ампулярия) животную и растительную продукцию. Необходимым условием выращивания рыб в УЗВ этажного типа является тщательный подбор особей по массе и возрасту.
Внедрение разработанной инновационной биотехнологии в аквакультуру позволит эффективно развивать фермерское рыбоводство на Юге России, получать экологически чистую продукцию, более эффективно решать проблему стабилизации параметров среды на приемлемом уровне за счёт использования самих объектов выращивания, получая одновременно дополнительную животную и растительную продукцию.
Г.Г. Матишов, Е.Н. Пономарева, А.В. Казарникова, Л.П. Ильина, В.А. Григорьев, Т.А. Соколова, Т.Н. Польшина, М.В. Коваленко, А.А. Кузов, А.А. Корчунов
Матишов Геннадий Григорьевич - академик, председатель Южного научного центра РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Пономарева Елена Николаевна - доктор биологических наук, профессор, заведующая отделом водных биологических ресурсов бассейнов южных морей, Южный научный центр РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, email: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Казарникова Анна Владимировна - доктор биологических наук, и.о. заведующая отделом ихтиологии, Южный научный центр РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Ильина Людмила Павловна - кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник, Институт аридных зон Южного научного центра РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Григорьев Вадим Алексеевич - кандидат биологических наук, научный сотрудник, Южный научный центр РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: kafavb @mail. ru
Соколова Татьяна Александровна - кандидат биологических наук, младший научный сотрудник, Институт аридных зон Южного научного центра РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Польшина Татьяна Николаевна - младший научный сотрудник, Институт аридных зон Южного научного центра РАН пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Коваленко Матвей Викторович - кандидат биологических наук, научный сотрудник, Южный научный центр РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: kafavb@mail. ru
Кузов Антон Алексеевич - младший научный сотрудник, Южный научный центр РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Корчунов Александр Александрович - кандидат биологических наук, научный сотрудник, Южный научный центр РАН, пр. Чехова, 41, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: kafavb @mail. ru