Введение


Актуальность темы. Одним из главных источников пищевых ресурсов для растущего населения Земли является Мировой океан.

Однако количество ежегодно вылавливаемых в нем гидробионтов остается относительно стабильным с середины 80-х годов прошлого века - на уровне около 90-100 млн. тонн, а эффективность мирового рыболовства неуклонно снижается [Жигин, 2011]. Поэтому в настоящее время основной прирост мирового производства рыбопродукции достигается за счёт развития аквакультуры.
Аквакультура – это искусственно управляемое разведение и выращивание гидробионтов для получения продукции, используемой в различных отраслях. В условиях современного рыбного хозяйства технологии аквакультуры выполняют ту же роль, которую выполняло сельское хозяйство при переходе от охоты и собирательства к земледелию и животноводству [Багров, 2000]. Аквакультура является наиболее быстро растущей отраслью производства продуктов питания животного происхождения, темпы роста которой опережают увеличение численности населения. Перечень наиболее важных для аквакультуры гидробионтов насчитывает более 260 видов, а всего их выращивается около 430 [Жигин, 2011].
Первые предварительные оценки ФАО за 2013 год свидетельствуют о росте производства продукции в мировой аквакультуре до 70 млн. тонн, что составляет 49% рыбы для непосредственного потребления человеком [FAO, 2013].
Известно, что современная аквакультура включает в себя три основных направления:
- воспроизводство водных биологических ресурсов, призванное осуществлять искусственное получение молоди на рыбоводных заводах и
дальнейший ее выпуск в естественную среду обитания для пополнения естественных популяций;
- товарная аквакультура – выращивание водных организмов в прудах, озерах, прибрежных морских акваториях, садках, бассейнах с целью получения пищевой и технической товарной продукции;
- рекреационная аквакультура, назначение которой заключается в осуществлении эстетического воспитания, проведения досуга и отдыха населения, учебной и культурно-просветительской деятельности.
Одной из основных составляющих рекреационной аквакультуры является организация океанариумов, аквариумных комплексов, клубов аквариумистики. При этом за рубежом этот вид деятельности является хорошо налаженным многомиллионным бизнесом [Орлов, 1992, Karydis, 2011], тогда как в России рекреационная аквакультура получила бурное развитие только на современном этапе в условиях смены глобальных экономических отношений.
Сегодня все больший размах приобретает индустрия экспозиционного содержания гидробионтов. В ней преобладают два основных направления: это аквариумы для удовлетворения личных эстетических потребностей, как правило, относительно небольшие, используемые в квартирах граждан и офисах компаний, и публичные аквариумы. Публичные аквариумы, или как их часто называют «океанариумы», имеют большие объемы и предназначены для того, чтобы люди могли в полной мере оценить красоту обитателей подводного мира и насладиться ей. Сегодня большинство мировых столиц и другие крупные мегаполисы имеют свой публичный аквариум.
В свою очередь развитие рекреационной аквакультуры ставит перед специалистами ряд новых проблем, требующих своего научного решения. В частности, одной из них является создание публичных постоянно действующих живых экспозиций с экзотическими водными животными и растениями за пределами их естественных ареалов на базе искусственных
экосистем. При этом проблема становится значительно сложнее, когда речь идет о создании и эксплуатации искусственных морских экосистем. Единственно возможным в условиях центральной России является применение для этих целей установок с замкнутым водоиспользованием (УЗВ). Одной из проблем, возникающих при использовании УЗВ, является постепенное накопление в оборотной воде продуктов жизнедеятельности водных животных в виде органических веществ и производных от них - нитратов и фосфатов. Простейший способ их удаления - частичная подмены воды в системе, однако в случае использования морской воды эта процедура становится чрезвычайно дорогостоящей.
Альтернативным способом, имеющим ряд преимуществ, может стать культивирование водных растений, произрастающих в сходных с культивируемыми животными условиях обитания. Подобные системы были разработаны и в некоторых случаях используются в пресноводном рыбоводстве [Апостол и др., 1989; Киселёв и др., 1997; Апостол и др., 2002; Watten, Busch, 1984; Myrtry et al., 1994; Rakocy, Masser, Losordo, 2006], однако возможность применения этого принципа в морской воде на сегодняшний день очень мало изучена. Создание гидропонных систем на базе морских УЗВ для получения дополнительной сельскохозяйственной продукции не представляется возможным. Однако выращивание морских водных растений и водорослей с целью получения зелёной массы вполне возможно.
Стоит отметить крайне невысокое число подобных исследований в нашей стране, хотя во всем мире это направление считается перспективным и появляется все больше публикаций, касающихся темы морских водорослевых фильтров [Kadowaki 1990, 1994; Kitadai, Kadowaki, 2007;
Orellana et al., 2013; Turcios, Papenbrock, 2014 и др.].
Водоросли потребляют нитратный азот и фосфаты, углекислый газ, используя их для построения клеток своего тела, выделяют кислород. Это
один из наиболее экологичных способов очистки воды. Биомасса водорослей может быть прекрасной подкормкой для многих рыб, моллюсков и ракообразных. Кроме того водоросли являются неотъемлемой частью, украшающей выставочную экспозицию. В этой связи изучение принципов создания и поддержания экологического равновесия в искусственных морских экосистемах на базе циркуляционных установок с альгофильтрами
является актуальным и востребованным практикой.
Цель настоящей работы: разработать биотехнические параметры применения водорослей для подготовки морской воды в установках с замкнутым водоиспользованием (УЗВ).
В соответствии с этой целью поставлены следующие задачи: 1. Осуществить подобор оптимального для использования в составе альгофильтра вида водорослей;
2. Провести исследования по адаптации красной тиляпии к воде океанической солености для ее использования в качестве модельного объекта – источника биогенных веществ для выращиваемых водорослей;
3. Определить количество потребляемых водорослями биогенных веществ и выделяемого ими растворенного кислорода;
4. Разработать конструкцию альгофильтра и подобрать оптимальный источник освещения для эффективного осуществления очистки воды с использованием водорослей;
5. Изучить гидрохимический и микробиологический режимы в системе с разработанным альгофильтром;
6. Дать оценку экономической эффективности применения водорослей для очистки оборонной морской воды в демонстрационных системах аквакультуры.
Научная новизна исследований. Впервые для условий экспозиционной морской установки аквакультуры с замкнутым водоиспользованием изучены и определены основные технологические
параметры применения морских макроводорослей для очистки оборотной воды. Разработана новая оригинальная конструкция альгофильтра (защищена патентом). Показана возможность и методика адаптации красной тиляпии к воде океанической солености для ее использования в качестве модельного объекта – источника биогенных соединений. Определены удельные величины выделения кислорода морской водорослью каулерпой и поглощения растворенных азот- и фосфоросодержащих соединений. Установлены оптимальные светотехнические характеристики для эффективного их осуществления.
Практическая значимость. Полученные данные позволяют сформулировать рекомендации по проектированию и эксплуатации морских экспозиционных УЗВ аквакультуры вдали от морских акваторий с использованием альгофильтров (водорослевых фильтров), позволяющих минимизировать затраты на потребление искусственно приготовленной морской подпиточной воды.
Результаты исследований внедрены в океанариуме торгово развлекательного комплекса «РИО» в г. Москва (приложение 1). Материалы диссертации могут быть использованы при чтении лекций и проведении практических занятий со студентами по специальности «Водные биоресурсы и аквакультура».
Материалы и методы.
Материалом исследований служили сообщества морских макроводорослей родов Caulerpa, Ulva и Chaetomorpha, молодь красной тиляпии (Oreochromis sp.), оборотная вода УЗВ. Исследовались гидрохимические параметры и влияние на них процессов жизнедеятельности водорослей, скорость роста гидробионтов, их общее физиологическое состояние, интенсивность освещения и спектры поглощения света фотосинтетиками, а также микробиологические характеристики водной
среды в условиях экспериментальных морских УЗВ различных конструкций. Результаты статистически обработаны.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Максимально приспособленной из исследованных видов водорослей к использованию в морских УЗВ является Caulerpa prolifera при выращивании в системе барабанного альгофильтра с применением освещения сине-красного спектра определённой интенсивности.
2. Красная тиляпия (Oreochromis sp.) способна адаптироваться к условиям содержания в УЗВ с океанической солёностью и может быть использована в ней в качестве экспериментального объекта содержания.
3. Разработаны новая конструкция альгофильтра и условия его освещения для эффективного осуществления очистки воды. 4. Применения разработанного альгофильтра с использованием Caulerpa prolifera в составе УЗВ океанариума экономически целесообразно. Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Второй международной научно-практической конференции «Водные биоресурсы, аквакультура и экология водоёмов», 15-17 октября 2013 г., Калининград; Международной научно-практическая конференции молодых учёных и студентов «Научный вклад молодых исследователей в инновационное развитие АПК», 27-28 марта 2014 г., Санкт-Петербург; Международной научной конференции молодых учёных и специалистов, посвящённой созданию объединённого аграрного вуза в Москве, 3-4 июня 2014 года, Москва; Международной научной конференции, посвящённой 100-летию ГосНИОРХ «Рыбохозяйственные водоёмы России: фундаментальные и прикладные исследования», 6-10 октября 2014 г., г. Санкт-Петербург; 10-ой международной конференции «Аквариум как средство познания мира», Москва, 21-22 ноября 2014 г.; First International Symposium of Veterinary Medicine ISVM 2015, Novi Sad (Serbia), May 21-23 2015.
Публикации. Основные положения и материалы диссертации изложены в 10 печатных работах, в том числе в 4 изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Кроме того, на основании результатов диссертационной работы, получен патент Российской Федерации № 149981 на полезную модель.