Водоросли в УЗВ


В отличие от высших растений, используемых в гидропонике, водоросли обладают гораздо большей относительной площадью контакта с питательными веществами, растворенными в среде культивирования рыб, и способны к их более интенсивной утилизации. Кроме того они рассматриваются как источник многих биологически активных соединений - амино- и жирных кислот, витаминов и др. [Бурлаченко, 2008]. Поэтому биомасса водорослей может быть прекрасной подкормкой для многих рыб, моллюсков и ракообразных.


Растения и водоросли, в отличие от рыб и других водных животных, относятся к автотрофным организмам, то есть питаются главным образом неорганическими соединениями. При этом для нормальной жизнедеятельности им требуется «многофакторное» питание, т.е. целый ряд макро- и микроэлементов, углекислый газ и световая энергия [Щелейковский, Петрова, 1989]. Водоросли потребляют аммонийный, нитритный, нитратный азот и фосфаты, используя их для построения клеток своего тела, выделяют кислород, потребляют углекислый газ [Larned, 1998; Kitadai, Kadowaki, 2007].
В замкнутых системах водоросли иногда используются для очистки оборотной воды и в качестве одного из звеньев трофической цепи. С точки зрения водоочистки использование водорослей является одним из биологических методов. Его применение, как правило, требует использования специальных светотехнических установок для обеспечения нормальной жизнедеятельности водорослей.
Однако в отличие от классического понимания биологической очистки воды путем аммонификации и последующих нитрификации и денитрификации, очистка воды водорослями предполагает изъятие загрязняющих веществ из растворенного состояния в виде их фиксации в биомассе растений. В этой связи в воде не происходит последовательная цепочка биохимических преобразований азота органических веществ от аммония до нитрата и концентрация участвующих в ней элементов значительно снижается.
В товарной аквакультуре этот метод очистки воды не нашел широкого применения в промышленных циркуляционных системах, так как он связан с необходимостью постоянного поддержания маточных культур водорослей, созданием специальных культиваторов (альготенков), работающих в определенном режиме проточности, затратами электроэнергии на освещение. Соответственно в промышленных рыбоводных установках культивирование водорослей может быть дополнительным элементом производства биомассы, но не основным элементом очистки оборотной воды [Жигин, 2011]. Однако в аквариумных экспозиционных условиях, где водные организмы содержатся при незначительных плотностях посадки, количество образующихся загрязнений в десятки раз ниже, чем при товарном выращивании в УЗВ. Это обстоятельство позволяет говорить о том, что возможность применения водорослей для очистки оборотной воды как основного метода значительно возрастает.
Использование водорослей в рыбоводных установках замкнутого водоснабжения давно применяется энтузиастами-аквариумистами, однако, в связи с низкой интенсивностью процесса, промышленного применения подобные системы не нашли. В то же время экологическое направление развития общества в последние годы, постоянное удорожание энергоносителей делают исследования в этом направлении все более перспективными. Достоинства использования водорослей в замкнутых системах включают в себя поглощение аммония, нитратов, диоксида углерода, сульфатов и фосфатов, стабилизацию рН и жёсткости воды, в дневное время - увеличение концентрации кислорода. Другим плюсом внедрения водорослевых бассейнов в замкнутые системы в аквакультуре является их «гибкость» по сравнению с другими компонентами системы. Когда необходимо, водоросли могут быть добавлены или, наоборот, удалены из системы при изменении загрязненности оборотной воды. При этом некоторые водоросли, используемые в системе очистки, сами по себе представляют экономическую ценность и могут использоваться как кормовая добавка для рыб или в питании человека. В водорослевых бассейнах выращивают как микроводоросли, так и макроводоросли. Хотя и те и другие используются в очистных системах, макроводоросли предпочтительнее, так как из-за малого размера микроводоросли легко распространяются по всей системе циркуляции, загрязняя её. Поэтому при использовании микроводорослей необходимо применять оборудование, не допускающее их выхода из водорослевого отдела системы. Использование макроводорослей не имеет такой проблемы, так как их крупный размер позволяет ограничить их распространение водорослевым бассейном, закрепляясь, они не проникают в другие части системы [WO 2003065798 A1].
Рыбоводные циркуляционные системы, использующие для очистки воды водоросли, были разработаны и в некоторых случаях используются в пресноводном рыбоводстве. В частности, были проведены исследования по очистке воды пресноводной водорослью Cladophora aegrophila при содержании бестера. Результаты показали возможность снижения содержания нитритов почти в 5 раз, нитратов в 4 раза, а фосфатов в 15-20 раз (потребление аммонийного азота оказалось незначительно) [Бурлаченко, 2008]. Кроме этого отмечено благоприятное влияние присутствия водорослей в системе циркуляции воды непосредственно на физиологическое состояние содержащихся в ней особей бестера.
Исследования по очистке морской оборотной воды с помощью филлофоры проводились в условиях Экспериментального кефалевого завода при выращивании мальков пиленгаса сотрудниками Одесского отделения ЮгНИРО еще в 1988 году [Яровенко, 1989]. В результате концентрации нитратного азота удалось снизить в 22 раза, а фосфатов - в 1,7 раза, в то время как при отсутствии водорослей эти показатели возросли в 2 и 1,4 раза соответственно.
Работы по использованию водорослей для очистки морской оборотной воды в УЗВ продолжают развиваться. В частности, получены предварительные данные потребления аммонийного азота некоторыми микроводорослями в марикультуре. Оно составило для Sargassum graminifolium – 0,0064; Ulva conglobata – 0,0054; Dictyota sp. – 0,0053 мг/л в час. Кроме того, отмечено потребление фосфатов Ulva conglobata [Yue Wei-Zhong et al., 2004].
Израильские исследователи установили, что 1 кг рыбы в УЗВ может обеспечивать питанием 4-8 кг морских водорослей [Фёдорова, 2002]. В установке с рециркуляцией и биофильтрацией для выращивания рыб и морских высших водорослей (Ulva lactuca) достигнута фитопродукция 94-117 г/м2 в сутки [Schuenhoff et al., 2003].
В Германии при выращивании в УЗВ королевской дорады (Sparus aurata) оценивали эффективность фитобиореактора с Nannochlaropsis sp. и Solieria chordalis в удалении биогенов. Установлено, что за 96 часов содержание фосфатов уменьшилось на 20 мг/л, а нитритов - на 35 мг/л. Использование водорослей Ulva lactuca, Palmaria palmate и Soleria chordalis в аналогичных условиях показало пригодность биофильтров с ними для удаления растворённых биогенов и поддержания работоспособности экспериментальной системы (4 м3) на протяжении 5 месяцев [Kube et al., 2005].
В Китае показана возможность снижения концентрации нитритов при помощи хлореллы в воде с культивируемой креветкой Litopenaeus vannamei. При этом оптимальная ее концентрация должна составлять 2,0х104 кл./мл [Zhang-Ji-Ping, Guo Zhao-ling, 2006].
Хороший эффект был достигнут китайскими исследователями в системе культивирования креветок Fenneropenaeus chinensis при плотности посадки 322 шт./м2 в присутствии грациллярий Gracilaria lichenoides. Водоросли потребляли 52 % аммония и 19,4 % фосфатов. Скорость роста и выход продукции креветок в присутствии этих водорослей возрастали. При этом оптимальная плотность биомассы грациллярии в диапазоне от 120 до 480 г/м2 составила 360 г/м2 [Niu Hua-Xin, et al., 2006]. Известно также, что эффективность удаления аммония и нитритов под влиянием Gracilaria verrusisa в стоках аквакультуры возрастает с ростом температуры и концентрации общего азота [Kim et al. 2005].
В Италии в УЗВ в течение года изучали эффективность очистки воды микроводорослями и возможность их использования в качестве кормовых добавок для выращиваемых черноморских мидий (Mytilus galloprovincialis). Установлено, что скорость роста водорослей зависела от содержания азота и фосфора в стоках аквакультуры мидии [Martello et al., 2005].
Японские авторы, проводившие исследования по выращиванию трёх видов холодолюбивых морских водорослей, Laminaria japonica, Undaria pinnatifida, и теплолюбивой Ulva pertusa на садковом хозяйстве по выращиванию японской лакедры (Seriola quinqueradiata) в море Яцуширо (Yatsushiro Sea) получили данные, свидетельствующие о том, что выделение кислорода водорослями идет в 8-11 раз интенсивнее, чем потребление. Поэтому культивирование водорослей эффективно для поддержания благоприятного кислородного режима на рыбоводных фермах. Кроме того, они рассчитали скорость потребления водорослями азота на единицу площади фермы (2,9; 3,1 и 3,6 мг N/м2 в день соответственно) [Kitadai, Kadowaki, 2007]. Ранее сообщалось о более эффективном усвоении азота этими же водорослями (290, 115 и 520 мг N/м2 в день соответственно). Для фосфора аналогичный показатель скорости поглощения равнялся 0,43; 0,54 и 0,19 мг Р/м2 в день [Kitadai, Kadowaki, 2007).
Важным моментом при использовании водорослей в УЗВ является профилактика возможного внесения с ними патогенной микрофлоры, поэтому перед внесением культуры водорослей рекомендуется их дезинфицировать озоном и УФ-лучами [Kube et al., 2005].
Новейший подход аквакультуры в 21 веке – разработка необходимых параметров для создания интегрированной морской рециркуляционной системы (IMRAS), использующей различные виды галофитов [Orellana et al., 2013]. Несмотря на десятки исследований, посвященных морским водорослям, до сих пор существуют значительные пробелы в базовых знаниях о химическом составе этих организмов. Не так давно проводилось исследование аминокислотных составляющих и содержания общего азота, фосфора, жиров, сахаров и белка у Asparagopsis taxiformis, Centrocera sclavulatum, Chaetomorpha aerea, Sargassum filipendulaи, Spyridiahypnoides. Морские водоросли, рассмотренные авторами, бедны жирами и богаты углеводами. Результаты по водорастворимому протеину показывают, что экстракция и реакции с ним происходят по-разному, с минимальной эффективностью у A. taxiformis и максимальной у S. filipendula. Морские макроводоросли имеют относительно высокую концентрацию небелкового азота и использование традиционного азот-белкового коэффициента 6,25 завышено. Морские водоросли показали низкое содержание жиров (менее чем 5,5% сухой массы у всех видов) и высокое содержание сахаров (более 16% сухой массы у всех видов). Содержание азота, фосфора и белка у разных видов сильно различалось, красные водоросли показали максимальную концентрацию. Содержание аминокислот у разных водорослей было приблизительно одинаковым, из них глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота и лейцин были максимально распространены. У всех видов отмечается низкое содержание гистидина. В среднем 24,2% общего азота имело небелковую природу. Из данных по всем аминокислотам и общему азоту, конкретное преобразование азот-белок было определено для всех видов. Подсчитанный показатель преобразования азот-белок варьировал в пределах от 4,51 до 5,21, среднее значение составило 4,86 [Diniz et all., 2011].