12.6 Биофлоческая технология (БФТ), применяемая для аквапоники
12.6.1 Введение
Технология Biofloc (BFT) считается новой «голубой революцией» в аквакультуре (Stokstad 2010), поскольку питательные вещества могут постоянно перерабатываться и повторно использоваться в культурной среде, с помощью производства микроорганизмов in situ и минимального или нулевого обмена воды (Avnimelech 2015). Эти подходы могут столкнуться с некоторыми серьезными проблемами в этом секторе, такими, как конкуренция за землю и воду и сброс в окружающую среду стоков, содержащих избыток органических веществ, азотных соединений и других токсичных метаболитов.
BFT был впервые разработан в начале 1970-х годов командой Aquacop в Ifremer-cop (Французский научно-исследовательский институт эксплуатации моря, Океанский центр Тихого океана) с различными видами креветок, включая Litopenaeus vannamei_, L. stylirostris и Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011). В тот же период Ralston Purina (частная американская компания) в связи с Aquacop применила технологию как в Crystal River (США), так и на Таити, что привело к более глубокому пониманию преимуществ биофлока для культуры креветок. Несколько других исследований позволили разработать комплексный подход к BFT и исследовали взаимосвязи между водой, животными и бактериями, сравнивая BFT с «внешним рубцом», но теперь применяется для креветок. В 1980-х и начале 1990-х, как Израиль, так и США (Waddell Mariculture Center) начали R\ &D в BFT с Tilapia и тихоокеанской белой креветки L. vannamei, соответственно, в которых экологические проблемы, ограничение водных ресурсов и стоимость земли были основными возбудителями, которые способствовали проведению исследований ( Эмеренчано и др., 2013 год).
Рис. 12.5 Технология биофлока (БФТ), применяемая к культуре морских креветок в Бразилии (а) и к культуре тилапиа в Мексике (b) (Источник: EMA-FURG, Бразилия и Маурисио Г. С. Эмеренсиано)
Первые коммерческие операции BFT и, вероятно, самые известные начались в 1980-х годах на ферме Sopomer на Таити, Французская Полинезия, и в начале 2000-х годов на ферме Aquaculture или BAL, расположенной в Белизе, Центральная Америка. Урожайность, полученная с использованием бетонных емкостей 1000 мсуп2/суп и выстилающих прудов 1,6 га, составила примерно 20—25 т/га в год при двух посевах в Сопомере и 11—26 т/га/цикл в БАЛ соответственно. В последнее время БФТ был успешно расширен в крупномасштабном выращивании креветок в Азии, Южной и Центральной Америке, а также в мелкомасштабных теплицах в США, Европе и других регионах. По крайней мере на одном этапе (например, на этапе питомника) БФТ с большим успехом применялся в Мехико, Бразилии, Перу и Эквадоре. Для коммерческой культуры Тилапиа фермы Мексики, Колумбии и Израиля используют БФТ с производствами от 7 до 30 кг/мсуп3/суп (Avnimeleh 2015) (рис. 12.5b). Кроме того, эта технология используется (например, в Бразилии и Колумбии) для производства молодняка тилапии (\ ~30 г) для дальнейшего хранения в клетках или земляных прудах (Durigon et al. 2017). БФТ применяется в основном к культуре креветок и в некоторой степени с тилапией. Другие виды были проверены и показывают обещание, как отмечено для серебряного сома (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), карпа (Zhao et al., 2014), piracanjuba (Brycon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), кашама (Colossoma macropomum) и др., 2011) и других видов ракообразных, таких как Macrobrachium Розенбергий_ (Краб и др., 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Эмеренсиано и др., 2012), F. paulensis (Баллестер и др., 2010), Penaeus semisulcatus (Мегахед, 2010), L. stylirostris (Эмеренсиано и др., 2011) и П. монодон (Арнольд и др., 2006). Интерес к БФТ проявляется в увеличении числа университетов и исследовательских центров, занимающихся исследованиями, особенно в ключевых областях управления ростом, питания, воспроизводства, микробной экологии, биотехнологии и экономики.
12.6.2 Как работает BFT?
Микроорганизмы играют ключевую роль в системах БФТ (Martinez-Cordoba et al. 2015). Поддержание качества воды, главным образом путем контроля бактериального сообщества над автотрофными микроорганизмами, достигается с использованием высокого соотношения углерода и азота (C:N), поскольку азотистые побочные продукты легко поглощаются гетеротрофными бактериями. В начале культурных циклов требуется высокое соотношение углерода и азота, чтобы гарантировать оптимальный рост гетеротрофных бактерий, используя эту энергию для поддержания и роста (Avnimeleh 2015). Кроме того, другие группы микроорганизмов имеют решающее значение в системах BFT. Хемоавтотрофное бактериальное сообщество (т.е. нитрифицирующие бактерии) стабилизируется примерно через 20—40 дней и может быть причиной двух третей ассимиляции аммиака в системе (Emerenciano et al. 2017). Таким образом, необходимо уменьшить объем внешнего углерода, а щелочность, потребляемая микроорганизмами, должна быть заменена различными источниками карбоната/бикарбоната (Furtado et al. 2011). Стабильность нулевого или минимального водного обмена зависит от динамического взаимодействия между сообществами бактерий, микроводорослей, грибов, простейших, нематод, ротиферов и т.д., которое будет происходить естественным образом (MartinezCordoba et al. 2017). Агрегаты (биофлоки) являются богатым белково-липидным природным источником пищи, который становится доступным 24 часа в сутки благодаря комплексному взаимодействию между органическим веществом, физическим субстратом и большим диапазоном микроорганизмов (Kuhn and Boardman 2008; Ray et al. 2010). Естественная продуктивность в виде производства микроорганизмов играет три основные роли в резервуарах, дорожках качения или водохранилищах: (1) в поддержании качества воды, за счет поглощения азотных соединений, образующих микробный белок in situ; (2) в питании, повышение культуры за счет сокращения кормов коэффициенты конверсии и снижение стоимости кормов; и (3) конкуренция с патогенами (Emerenciano et al. 2013).
Что касается качества воды для культурных организмов, то помимо кислорода основной проблемой биофлоковых систем является избыток твердых органических веществ и токсичных соединений азота. В этом контексте для удаления аммиачного азота характерны три пути: в меньшей степени (1) фотоавтотрофное удаление водорослями и при более высокой скорости (2) гетеротрофное бактериальное преобразование аммиачного азота непосредственно в микробную биомассу и (3) автотрофное бактериальное преобразование из аммиака в нитрат ( МартинезКордоба и др., 2015). Нитраты, имеющиеся в системах, а также другие мелкие и основные питательные вещества, накопленные в течение цикла, могут использоваться в качестве субстрата для роста растений в аквапонных системах (Pinho et al. 2017).
12.6.3 БФТ в Аквапонике
Применение БФТ в аквапонных системах является относительно новым, хотя Rakocy (2012) упоминает коммерческий экспериментальный проект с тилапией. В таблице 12.2 приводится краткая информация об основных недавних исследованиях, в которых БФТ использовался в аквапонных системах.
В целом результаты свидетельствуют о том, что биофлоковая технология может быть использована и интегрирована в производство рыбы или креветок. BFT по сравнению с другими традиционными системами аквакультуры (такими как RAS) фактически улучшил урожайность растений и рыб и способствовал улучшению визуального качества растений (Pinho et al. 2017), но не во всех случаях (Rahman 2010; Pinho 2018). Pinho et al. (2017) отметили, что урожайность салата в системе BFT была выше по сравнению с системой рециркуляции чистой воды (рис. 12.6). Возможно, это связано с более высокой доступностью питательных веществ
Таблица 12.2 Недавние исследования по всему миру в области применения БФТ в аквапонных системах для различных видов водных и растений
стол тхед tr class=“заголовок» Водные виды т Виды растений /th т Основные результаты /th т Ссылки /th /tr /thead tbody tr class=“нечетный» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Технология Biofloc не улучшила производство салата по сравнению с обычным гидропонным раствором /td td Рахман (2010 год) /td /tr tr class=“даже» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Урожайность и визуальное качество салата улучшены с помощью BFT по сравнению с системой рециркуляции чистой воды /td td Пиньо и др. (2017 год) /td /tr tr class=“нечетный» ТДТилапия (питомник) /td td Салат /td td Производительность растения (салат) с использованием Tilapia в фазе питомника (1—30 г) негативно повлияла биофлоческие сточные воды по сравнению со сточными водами RAS после двух циклов установки (13 дней каждый). Визуальные аспекты растений были лучше в RAS по сравнению с BFT /td td Пиньо (2018) /td /tr tr class=“даже» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Наличие фильтрующих элементов (механический фильтр и биологический фильтр) положительно повлияло на производство салата в аквапонных системах по сравнению с обработкой без фильтров с использованием БФТ /td td Барбоса (2017) /td /tr tr class=“нечетный» ТДТилапия/ТД td Салат /td td Низкая соленость (3 ppt) может быть выполнена в аквапонике с использованием BFT. Визуальные и эксплуатационные параметры указывают на то, что фиолетовая разновидность обладает более высокой производительностью, чем гладкие и хрустящие сорта /td td Ленц и др. (2017) /td /tr tr class=“даже» TDSilver сом/td td Салат /td td Использование биофлоков в аквапонной системе может повысить продуктивность салата в интегрированной культуре с серебряным сомом /td td Роша и др. (2017 год) /td /tr tr class=“нечетный» TDilitopenaeus ваннамей/i/td td IsarcoCornia двусмысленность/i /td td Производительность морского изримпа L. vannamei/i не подверглась воздействию iS. неоднозначного/i интегрированного производства аквапоники, а также улучшению использования питательных веществ (например, азота) в культурной системе /td td Пиньейру и др. (2017 год) /td /tr /tbody /таблица
Рис. 12.6 Экспериментальная теплица по аквапонике для сравнения биофлоковой технологии и сточных вод RAS в Университете штата Санта-Катарина (UDESC), Бразилия. (Источник: Pinho et al. 2017)
более высокая микробная активность. Однако эта тенденция не наблюдалась в исследовании Rahman (2010), который сравнивал стоки от рыбной культуры в системе BFT с обычным гидропонным раствором при производстве салата. Кроме того, Pinho
Рис. 12.7 Галофит с высокой соленостью _Sarcocornia неоднозначности производства аквапоники интегрированы с тихоокеанскими белыми креветками Litopenaeus vannamei успешно применяя биофлоческую технологию в Федеральном университете Санта-Катарина (UFSC), Бразилия. (Источник: LCM-UFSC, Бразилия)
Рис. 12.8 Производство салата Aquaponics интегрировано с Tilapia с использованием биофлоковой технологии (слева) и накопления взвешенных твердых веществ в корнях салата (справа). Барбоза (2017)
(2018) в недавнем исследовании было отмечено, что продуктивность салата в аквапонной системе с использованием Tilapia в фазе питомника (1—30 г) отрицательно влиялась биофлоческими сточными водами по сравнению со сточными водами RAS в течение 46 дней. Различия в результатах указывают на необходимость проведения дополнительных исследований в этой области.
BFT может использоваться с низкой соленостью водой, например с некоторыми сортами салата (Lenz et al. 2017), а также с более высокой соленостью воды могут использоваться, например, с видами растений галофитов, такими как сокультура Sarcocornia неоднозначна с тихоокеанской белой креветкой Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (рис. 12.7). Серебряный сом Rhamdia quelen также показал хороший потенциал для интеграции аквапоники с BFT (Rocha et al. 2017).
При BFT концентрация твердых веществ может сильно влиять на корни и влиять на поглощение питательных веществ и доступность кислорода. В результате этого может оказываться влияние на урожайность, а также на визуальное качество растений (например, салат-латук), что является важным критерием для потребителей. Учитывая это, управление твердыми веществами является важным предметом дальнейших исследований, в которых рассматривается влияние твердых веществ (фракция твердых частиц, а также растворенная фракция) в аквапонные системы при применении БФТ (рис. 12.8). Кроме того, необходимо провести экономические исследования для сопоставления затрат, связанных с различными системами аквакультуры и растениеводства, и определения их целесообразности в зависимости от различных мест и условий.