Товарное выращивание карпа в установке с замкнутым циклом водоснабжения


При разработке научных основ и методов индустриального рыбоводства большое внимание уделяется совершенствованию установок с замкнутым циклом водоснабжения, позволяющих в процессе выращивания рыбы уменьшить потребление ресурсов и загрязнение окружающей среды.


Создан ряд высокоэффективных установок для выращивания разных видов рыб [13, 15, 17, 18, 19), однако при возрастании плотности посадки продуктивность их ограничивается высоким уровнем накопления в воде азотистых метаболитов и расхода кислорода, что заставляет вводить все более сложные системы биологической очистки и оксигенации воды [4, 18, 20).
Задаче наиболее полного превращения задаваемых рыбе кормов в биологическую продукцию в наибольшей мере отвечает создание комплексов в виде искусственных экосистем с высокой степенью замкнутосТи трофических цепей. Попыткой решить проблему утилизации вносимого в систему органического вещества было применение в рыбоводных установках поликультуры рыб [16], а также создание установок, в которых продукты обмена, выделяемые рыбами, используются для выращивания растений [1, 20]. При разработке таких комплексных систем основное внимание уделяется обеспечению гидрохимического режима, оптимального для выращивания выбранных объектов.
Ранее нами была разработана модель рециркуляционной системы, в которой степень утилизации энергии затрачиваемых кормов повышается при совместном выращивании организмов разных трофических уровней при условии их пространственного разграничения [11]. При выращивании рыбы в такой искусственной экосистеме неиспользованные ею корма и продукты метаболизма утилизируются организмами других трофических уровней (фито- и зоопланктон, перифитон), культивируемыми в специально оборудованных отдельных блоках.
Установка включала несколько отдельных блоков. Вода из блока с рыбами поступала через аэратор-отстойник в блок для культивирования зоопланктона, затем проходила через блок биологической очистки, содержащий добавочные поверхности обрастания и активный ил. Основная часть воды, выходящей из блока биологической очистки (биофильтр), возвращалась в блок рыб, в то время как другая часть после стерилизации путем нагревания до 70°С охлаждалась и поступала в блок для культивирования фитопланктона, снабженный люминесцентными лампами, создававшими освещенность водной поверхности 10-12 тыс. лк, Вода из этого блока, обогащенная фитопланктоном, возвращалась в блок рыб. Общий рабочий объем воды в установке составлял 1000 л (блок рыб - 180, фитоблок – 180, аэратор-отстойник – 40, зооблок – 300, биофильтр — 300 л).
Циркуляция воды поддерживалась центробежными насосами. Скорость протока ее через блок рыб и блок зоопланктона не превышала 2,5 л/мин, а проток через блок фитопланктона был в пределах 0,10,4 л/мин. Пополнение системы свежей водой в течение суток составляло не более 6% от общего объема воды в установке. В отдельных блоках поддерживали температурный режим воды, используя автоматическую систему терморе гуляторов (в блоке рыб - 22-25, зооблоке и биофильтре - 26-32, фитоблоке - 28-32°С). Во всех блоках вода постоянно продувалась воздухом через распылители с помощью мембранного гаражного компрессора.
в блоке биофильтра устанавливались рамки, заполненные добавочными поверхностями в виде капроновых сеток и хамсероса, для развития на них организмов обрастаний. Общая площадь добавочных поверхностей, контактирующих с водой (площадь корпуса аквариумов и добавочных поверхностей биофильтра), в начальный период работы установки составляла 10 м2. По мере возрастания нагрузки по биомассе выращиваемых рыб и при ухудшении гидрохимического режима площадь их увеличивали (к концу опыта до 80 м2).
Аэратор-отстойник сконструирован в виде двух цилиндрических вертикальных колонок с общим конусным дном для осаждения крупных Взвешенных частиц из циркулирующей через него воды. По мере накопления осадок из отстойника сливали через вентиль, вмонтированный в конусном дне.
в блок рыб на выращивание было посажено 100 карпов средней массой 20 г. Для кормления рыбы использовали гранулированный корм РГМ-5B (BнииПPX), который задавали при помощи автокормушки с программным командным устройством, обеспечивающей выдачу суточной нормы (5-10% от биомассы рыбы) в 10 приемов в течение суток. Режим кормления определялся каждые 20 дней по результатам контрольных взвешиваний рыб и поедаемости корма.
Для оценки гидрохимического режима, формирующегося в процессе выращивания рыбы в системе, контролировали ряд параметров. Измерения концентрации растворенного в воде кислорода, рН, растворимых форм азота проводили с помощью иономера и-120м с соответствуюЩими датчиками.
Растворенные в циркулирующей воде фосфаты определяли стандартным химическим методом. Концентрацию взвешенного в воде сестона рассчитывали весовым методом. Для этого воду из блоков фильтровали через нитроцеллюлозные мембранные фильтры с диаметром пор 2 мкм.
О содержании в воде растворенного органического вещества судили по величине перманганатной окисляемости [8]. Для оценки уровня развития фитопланктона в пробах воды из фитоблока ежедневно определяли численность водорослей и их биомассу счетно-объемным методом [6]. При определении первичной продукции и деструкции в воде фитоблока рименяли модификацию кислородного метода [2] с суточной экспозиней светлых и темных склянок.
о количестве органического вещества, поступающего к рыбам из фитоблока, судили по разности содержания сестона в поступающей и вытекающей воде при известной проточности блока.
Для зооблока была выбрана культура ветвистоусого рачка Moina macrocopa (Stiaus), который имеет температурный оптимум развития 28-32°С, более высокую плодовитость, чем дафния, и устойчив к высоким концентрациям растворенного органического вещества (5, 7]. Для характеристики работы зооблока приходилось почти ежедневно контролировать Динамику численности и биомассы организмов, а также изменения состава популяции. Для определения численности и биомассы зоопланктона 1 л воды пропускали через фильтровальную воронку Зейтца с фильтром из газа No 73 и взвешивали отфильтрованные организмы на торсионных весах BT-1000 и затем просчитывали в камере Богорова. Затем с помощью центробежного насоса и планктонной сетки отбирали из зооблока 300планктон в количестве, составляющем около 1/3 общей биомассы, взвешивали и скармливали рыбам. (Время работы насоса предварительно рассчитывали, исходя из данных о биомассе).
Численность и биомассу бактериопланктона определяли счетным методом по Разумову с использованием мембранных фильтров "Сынпор” N°1 и No7. Биомассу рассчитывали с учетом морфологического состава бактериопланктона, принимая удельный вес микроорганизмов равным 1 мкг/мкм (3, 12]. При расчете бактериальной деструкции среднюю скорость потребления кислорода одной клеткой принимали равной 0,2х х10-9 мг/сут [3].
За период выращивания 80 дней (с ноября по февраль 1997 г.) средняя масса выращиваемых карпов достигла 213 г (при разбросе в пределах от 90 до 500 г). Рыбы массой 90–150 г составляли 20% общей численности (94 экз.), а 350-500 г- 12%. Общий прирост биомассы рыб за время опыта - 23,7 кг. В течение опыта среднесуточный индивидуальный прирост по карпу варьировал в пределах 3,4-4,2%. Затраты корма при этом составили 1,3-2,3 кг, а в среднем – 2,0 кг на 1 кг прироста биомассы и были сравнимы с получаемыми при выращивании карпа в промышленных рыбоводных системах [13]. Темп роста рыб был сравним с наблюдаемым при выращивании в садках [10].
Таким образом, можно считать, что в установке при нагрузке по биомассе рыб 25,6 кг/м3 обеспечивались удовлетворительные условия для роста карпа.
По мере роста рыб суточная норма корма постепенно увеличивалась, Часть внесенного корма, не потребленная рыбами, вместе с экскрементами в виде взвеси выносилась из блока рыб и после осаждения крупных частиц в аэраторе-отстойнике током воды разносилась по всем блокам системы. Частицы взвешенного органического вещества и микроорганизмы служили пищей для зоопланктона и перифитона, развивающегося на добавочных поверхностях в блоке биологической очистки.
В зроблоке на протяжении всего опыта и
В зооблоке на протяжении всего опыта культивирование мойны было устойчивым. К 15-му дню численность ее достигла 35 тыс. экз/л, и с этого момента начался ежедневный отбор биомассы моины для кормления рыб. Численность рачков колебалась от 43 до 76 тыс. экз/л, максимальная биомасса составила 290 мг/л. В составе популяции была высока Доля молоди (до 75%). На долю взрослых самок с эфиппиумами и партеногенетическими яйцами или эмбрионами приходилось соответственно 1,52 и 4,57% общей численности. Новорожденная молодь составляла в разные периоды от 3 до 15%. Средняя биомасса зоопланктона колебалась от 180 до 210 г/м3 в сутки и сопоставима с таковой при выращивании кормовых беспозвоночных в экспериментальных культиваторах (7), в которых получена суточная продукция от 10 до 40 г/м3. Биомасса моины, скармливаемая рыбам, в нашем опыте ежедневно варьировала от 45 до 90 г. В сумме за время опыта было изъято и скормлено рыбам 4 кг сырой биомассы мойны. Таким образом, включение зооблока в систему с замкнутым круговоротом воды позволяло обогащать рацион рыб живым полноценным кормом.
Развитие фитопланктона в фитоблоке зависело от притока биогенных веществ, который определялся степенью минерализации органического вещества в других блоках системы. В первые дни функционирования установки общая численность водорослей колебалась в пределах 300-570, ав дальнейшем оставалась на уровне 3000-7000 млн.кл Jл. Биомасса во дорослей за время опыта изменялась от 60 до 600 мг/л. Изменение состава и концентрации биогенов в воде и условия культивирования, по-видимому, обусловили смену доминирующих видов водорослей. Первона
чально внесенная в фитоблок Chlorella vulgaris к 15-му дню полностью была замещена водорослями из рода Scenedesmus, среди которых до 45-го дня опыта доминировал S. abundans, а затем – S. obliquus. Синезеленые водоросли (в основном Oscillatoria sp.) составляли не более 2% численности фитопланктона.
Величины валовой первичной продукции и деструкции в среднем за время опыта составляли 30 и 15 мг 02лв сутки и колебались в пределах 20-40 и 5-20 мг Ол соответственно. Работа фитоблока была стабильной при проточности не выше одного объема в сутки.
В ходе опыта проводились наблюдения за динамикой основных биогенных элементов, регенерируемых в результате биопродукционных процессов, происходящих в системе. В процессе роста рыб наблюдалось постепенное накопление сестона в воде продукционных блоков. Концентрация взвесей была наиболее высокой в блоке рыб, где к концу опыта она достигала 72 мг/л сухого вещества, а наименьшей - на выходе из блока биологической очистки (4,6-1,3 мг/л). В блоке рыб всегда отмечались также самые высокие значения концентрации растворенного органического вещества (перманганатная окисляемость 38-56 мг О2/л).
Оценивая роль бактериопланктона в поддержании устойчивого гидрохимического режима системы, отмечали, что средняя численность микроорганизмов в циркулирующей воде в разные периоды варьировала от 5,9 до 20,3 млн. кл /мл. Наиболее значительные колебания отмечены в блоке рыб, где средняя численность за весь период составляла 13,2 млн, кл/мл. Соответствующие величины для аэратора, зооблока и биофильтра составили 10,9; 13,3 и 11,9 млн, кл /мл. Несколько ниже была численность бактериопланктона в фитоблоке, где его развитие подавлялось водорослями (8,2 млн. кл. /мл). Данные о численности бактериопланктона в разных блоках системы свидетельствуют о том, что процесс бактериальной деструкции растворимого органического вещества приурочен в основном к биофильтру и зооблоку. Среди бактерий преобладали кокковидные (5378%) и палочковидные формы (37% общей численности). Доля нитевидных форм была незначительна, но постепенно увеличилась до 1-6%. Биомасса бактерий в начале опыта снижалась, затем в течение длительного периода во всех блоках не претерпевала значительных колебаний, однако с ростом нагрузки на систему вновь увеличивалась. В среднем биомасса бактерий во всей циркулирующей воде не превышала 13 мг/л. Роль бактериопланктона в деструкционных процессах изменялась по мере возрастания нагрузки на систему биоочистки. В начале опыта при суточной норме вносимого корма от 60 до 200 г сухого вещества общее количество бактерий в воде системы можно оценить как 20х1012 кл., большая часть из которых приходилась на биофильтр. Исходя из этого, можно оценить суточную бактериальную деструкцию в воде величиной 59 кДж, что эквивалентно 3 г сухого органического вещества, в период устойчивой работы системы, когда отмечен наиболее интенсивный рост рыб, в рыбоводный блок вносилось ежесуточно 300-650 г сухого вещества. Бактериальная деструкция в этот период снизилась до 38 кДж/сут. Можно считать, что взвешенные в воде бактерии не играли основной роли в процессе деструкции органического вещества, а осуществлялась она главным образом при участии микроорганизмов обрастаний и активного ила в биофильтре и зооблоке.
Кислородный режим, благодаря аэрации, был приемлем для карпа. Концентрация кислорода в блоке рыб не падала ниже 4 мг/л и в ходе опыта не претерпевала значительных изменений. Значения pH воды поддерживались в период наблюдений на уровне, благоприятном для жизнедеятельности рыб и организмов блока биологической очистки. Максимальные значения pH в нашем опыте были отмечены в фитоблоке и совпадали по времени с периодами повышения биомассы фитопланктона.
Существенным фактором, ограничивающим рост рыб в рециркуляционных установках, наряду с кислородным режимом является накопление в воде азотистых метаболитов, выделяемых рыбами.
В проведенном нами эксперименте биомасса рыб увеличилась с 2 до 25,7 кг. Зная зависимость интенсивности экскреции карпом растворимого азота от массы рыб (2,1-3 г N/кг рыбы/сут) (14], можно предполагать, что к концу опыта концентрация азота в циркулирующей воде могла увеличиться до значений, превышающих допустимые при выращивании карпа в прудах и близких к пороговой для рыбоводных установок [9]. Однако полученные нами данные гидрохимического анализа показали, что средняя суммарная концентрация всех растворимых форм азота в воде системы в ходе опыта не достигала порогового значения, изменяясь от 3,2 1,37 до 4,59 + 1,17 мг/л. Максимальные показатели составили 4,95; 6,65 и 5,1 мг Nлв воде рыбоводного блока, биофильтра и зоопланктонного блока соответственно. Это сопоставимо с уровнем азота в воде применяемых в настоящее время рециркуляционных рыбоводных установок [4], составляющим от 1,5 до 5 мг N/л. При выращивании рыб в нашей установке средняя концентрация аммонийного азота в блоке рыб не превышала допустимого уровня и была заметно ниже в других блоках системы. Содержание растворимого аммиака, наиболее токсичного для гидробионтов при щелочных рН, в зоо- и фитоблоке превышало уровень, токсичный для рыб, однако в самом блоке рыб, где рн был близок к нейтральному, оно не достигало пороговых значений.
При прохождении через блок-окислитель, биофильтр и фитоблок вследствие деятельности нитрифицирующих бактерий вода освобождалась от ионов аммония и обогащалась нитратами. в промышленных и экспериментальных установках удовлетворительный рост рыб наблюдался при содержании в воде от 0,1 до 8,3 мг N-NOэл [1, 18). Поэтому можно считать, что содержание нитратов в воде, циркулирующей в нашей установке, поддерживалось на допустимом для рыб уровне. Это было возможно благодаря потреблению фитопланктоном накапливающихся в воде нитратов. Таким образом, фитоблок выполнял функции процессов денитрификации.
В редукции нитритов важную роль играл блок биологической очистки. Нитриты накапливались в воде в значительном количестве (до 1 мг/л) в начале функционирования системы, когда уровень концентрации органического вещества был уже достаточно велик, а сообщество денитрификаторов еще не сформировалось. В дальнейшем концентрация нитритов снизилась до 0,5-0,15 мг/л и лишь к концу периода выращивания снова повысилась (0,6-1,0 мг/л). Следует отметить, что е рециркуляционных рыбоводных системах при высокой нагрузке содержание N-NO2 составляло от 0,3 до 3 мг/л [4], но при этом угнетения роста карпа не на
В процессе выращивания рыб нами отмечено постепенное повышение концентрации фосфатов в воде до 0,5 мг/л, обусловленное, по-видимому, переходом органического фосфора в минеральную форму в системе биологической очистки.
Для оценки эффективности системы биологической очистки, применявшейся в установке, были проведены дополнительные краткосрочные опыты, в которых сравнивали динамику накопления аммонийного азота в отдельном блоке рыб при биомассе рыб 2,5 г/лив установка, в которой этот блок при такой же нагрузке был соединен с другими блоками. Полученные данные показали, что применение этих блоков обеспечивало снижение концентрации азотистых метаболитов в 6-10 раз. Как в краткосрочном, так и в длительном опытах с выращиванием карпа регистрируемые нами гидрохимические параметры поддерживались в течение длительного периода на уровне, благоприятном для гидробионтов, что свидетельствовало об удовлетворительной эффективности используемой системы биологической очистки.
Таким образом, проведенные исследования показали, что выращивание рыбы можно осуществлять по принципу построения искусственных многокомпонентных экосистем, включающих организмы различных трофических уровней. Использованная в наших опытах установка, основанная на принципе пространственного разграничения основных биокомпонентов, способна в течение длительного времени поддерживать гидрохимический режим, приемлемый для совместного выращивания рыб и некоторых других гидробионтов за счет утилизации избыточного органического вещества при значительной напряженности продукционных процессов. Введение в систему блока биологической очистки и зооблока позволяет обеспечить эффективную минерализацию поступающих в воду органических веществ. Культивируемые организмы фитопланктонных сообществ обеспечивали утилизацию накапливающихся в воде биогенных веществ, поддерживая их концентрацию в пределах, не представляющих опасности для рыб. Полученные данные о скорости роста рыб свидетельствуют о том, что при устойчивом функционировании установка может обеспечить и более высокий выход рыбопродукции на единицу объема воды.
В.Я. Пушкарь, О.В. Аверьянова,
В.В. Зданович Биологический факультет МГУ