13.3 Кормовые ингредиенты и добавки

13.3.1 Источники белка и липидов для аквакормов

С конца XX века произошли значительные изменения в составе аквакормов, но и в обрабатывающей промышленности. Эти преобразования обусловлены необходимостью повышения экономической рентабельности аквакультуры, а также смягчения ее воздействия на окружающую среду. Однако движущей силой этих изменений является необходимость уменьшения количества рыбной муки (FM) и рыбьего жира (FO) в кормах, которые традиционно составляли наибольшую долю кормов, особенно для плотоядных рыб и креветок. Отчасти из-за перелова рыбы, но особенно из-за постоянного увеличения глобального объема аквакультуры, растет потребность в альтернативных белках и маслах для замены FM и FO в аквакормах.

Рис. 13.2 Соотношение «рыба в рыбу» (синяя линия, левая ось y) и количество рыбьего жира (желтая линия, правая ось y), используемого для корма радужной форели в Финляндии в период с 1990 по 2013 год. (Данные с www.raisioagro. com)

Состав кормов для рыб значительно изменился, поскольку доля FM в рационах снизилась с\ > 60% в 1990-х до\ 20% в современных рационах для плотоядных рыб, таких как атлантический лосось (Salmo salar), а содержание FO снизилось с 24% до 10% (Ytrestøyl et al. 2015). В результате так называемое соотношение «рыба в рыбу» (FIFO) снизилось ниже 1 для лосося и радужной форели, что означает, что количество рыбы, необходимой в корме для производства 1 кг рыбного мяса, составляет менее 1 кг (рис. 13.2). Таким образом, плотоядная рыбная культура в XXI веке является чистым производителем рыбы. С другой стороны, корма для нижних трофических всеядных видов рыб (например, карпа и тилапия) могут содержать менее 5% FM (Tacon et al. 2011). Выращивание таких низкотрофических видов рыб является экологически более устойчивым, чем для высших трофических видов, а FIFO для Tilapia составил 0,15, а для карповых (карповых видов) — 0,02 в 2015 году (IFFO). Следует отметить, что полная замена ЧМ в рационах Tilapia (Koch et al. 2016) и лосося (Davidson et al. 2018) невозможна без существенного влияния на производственные параметры.

Сегодня основные поставки белков и липидов в кормах для рыб поступают от растений, а также, как правило, из других секторов, включая питание и жиры из мясных продуктов и продуктов птицеводства и муки крови (Tacon and Metian 2008). Кроме того, отходы и побочные продукты переработки рыбы (субпродукты и отходы) обычно используются для производства ЧМ и ФО. Однако в соответствии с правилами ЕС (ЕС 2009) использование ЧМ одного вида не допускается в качестве корма для одного и того же вида, например, лосось не может кормить FM, содержащую куски лосося.

Замена FM и FO с другими ингредиентами может повлиять на качество продукта, который продается клиентам. Рыба имеет репутацию здоровой пищи, особенно из-за высокого содержания поли-и высоконенасыщенных жирных кислот. Самое главное, морепродукты являются единственным источником EPA (эйкозапентаеновой кислоты) и DHA (докозагексаеновой кислоты), оба из которых являются омега-3 жирными кислотами, и незаменимыми питательными веществами для многих функций в организме человека. Если FM и FO заменены продуктами наземного происхождения, это напрямую повлияет на качество мякоти рыбы, прежде всего на ее жирнокислотный состав, так как доля омега-3 жирных кислот (особенно EPA и DHA) уменьшится, а количество омега-6 жирных кислот увеличится вместе с увеличение растительного материала, заменяющего FM и FO (Lazzarotto et al. 2018). Таким образом, выгоды для здоровья от потребления рыбы частично утрачиваются, и продукт, который попадает на тарелку, не обязательно является тем, что покупатели рассчитывали купить. Однако, чтобы преодолеть проблему снижения омега-3 жирных кислот в конечном продукте в результате снижения рыбных ингредиентов в аквакормах, рыбофермеры могли использовать так называемые отделочные диеты с высоким содержанием FO на заключительных этапах выращивания (Suomela et al. 2017).

Новым интересным вариантом замены FO в кормах для рыб является возможность генной инженерии, т.е. генетически модифицированных растений, которые могут производить EPA и DHA, например, масло из генетически модифицированного Camelina sativa (общее название камелины, золота удовольствия или ложного льна, который, как известно, имеет высокий уровень Омега-3 жирные кислоты) успешно использовали для выращивания лосося, в конечном итоге с очень высокой концентрацией на EPA и DHA в рыбе (Betancor et al. 2017). Однако использование генетически измененных организмов при производстве продуктов питания человека подлежит утверждению нормативными органами и в краткосрочной перспективе может оказаться невозможным.

Еще одной новой возможностью замены FM в аквакормах являются белки, изготовленные из насекомых (Makkar et al. 2014). Этот новый вариант стал возможным в ЕС только недавно, когда ЕС изменил законодательство, разрешающее питание насекомых в аквакормах (EU 2017). Допустимы к использованию: черная солдатская муха (Hermetia illucens), обыкновенная муха (Musca domestica), желтая муха (Tenebrio molitor), меньшая муха (Alphitobius diaperinus), домашний крикет (Acheta domesticus) sigillatus_) и полевой крикет (Gryllus assimilis). Насекомые должны быть выращены на определенных разрешенных субстратах. Эксперименты по выращиванию различных видов рыб показывают, что замена FM мухой из личинок черных солдатов не обязательно ставит под угрозу рост и другие производственные параметры (Van Huis and Oonincx 2017). С другой стороны, блюда из желтого мясного червя могли заменить FM лишь частично, чтобы избежать снижения роста (Van Huis and Oonincx 2017). Однако замена FM мукой насекомых может вызвать падение омега-3 жирных кислот, так как они являются недействительными EPA и DHA (Makkar and Ankers 2014).

В отличие от насекомых, микроводоросли, как правило, имеют питательно благоприятные аминокислоты и жирные кислоты (включая EPA и DHA) профили, но в этом отношении существуют также значительные различия между видами. Частичная замена FM и FO в аквакормах определенными микроводорослями дала многообещающие результаты (Camachorodríguez et al. 2017; Shah et al. 2018), и в будущем использование микроводорослей в аквакормах можно ожидать увеличения (White 2017), хотя их использование может быть ограничено ценой.

Эта краткая сводная информация о потенциальных кормовых ингредиентах свидетельствует о том, что существует широкий спектр возможностей по хотя бы частичной замене FM и FO в кормах для рыб. В целом, аминокислотный профиль FM оптимален для большинства видов рыб, а FO содержит DHA и EPA, которые практически невозможно обеспечить из наземных масел, хотя генная инженерия может изменить ситуацию в будущем. Однако продукты ГМО должны сначала быть приняты в законодательстве, а затем потребителями.

13.3.2 Использование специализированных кормовых добавок для аквапоники

Пошив аквакормов, специфичных для аквапонных систем, сложнее, чем разработка традиционных кормов для аквакультуры, поскольку природа аквапонных систем требует, чтобы аквакормы не только обеспечивали питание животным, но и культурным растениям и микробным сообществам, населяющим системы. В настоящее время аквапонная практика использует аквакормы, разработанные для обеспечения оптимального питания культурных водных животных; однако, поскольку основной вклад питательных веществ в аквапонные системы (Roosta and Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011; Junge et al. 2017), корма также должны учитывать потребности в питательных веществах компонента производства завода. Это особенно важно для аквапонных систем коммерческого масштаба, где производительность системы производства растений оказывает существенное влияние на общую рентабельность системы (Adler et al. 2000; Palm et al. 2014; Love et al. 2015a) и где улучшение производственных характеристик производственного компонента может значительно повысить эффективность производства повысить общую рентабельность системы.

Таким образом, общая цель разработки специально подобранных аквапонных кормов будет заключаться в проектировании корма, обеспечивающего баланс между обеспечением дополнительных питательных веществ для растений при сохранении приемлемой работы аквапонной системы (т.е. достаточного качества воды для производства животных, биофильтра и анаэробного реактора), и поглощение питательных веществ растениями). Для достижения этой цели конечный корм для аквапоники может не быть оптимальным для производства водных животных или растений отдельно, а быть оптимальным для аквапонной системы в целом. Оптимальная точка будет определяться на основе общих параметров эффективности системы, например, показателей экономической и/или экологической устойчивости.

Одной из основных проблем, связанных с увеличением объема производства в соединенных аквапонных системах, является относительно низкая концентрация как макро-, так и микрорастительных питательных веществ (главным образом в неорганической форме) в рециркуляционной воде по сравнению с традиционными гидропонными системами. Эти низкие уровни питательных веществ могут привести к дефициту питательных веществ в растениях и неоптимальным темпам производства растений (Graber and Junge 2009; Kloas et al. 2015; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2017). Еще одной проблемой является значительное количество хлорида натрия в традиционных рыбных кормах и потенциальное накопление натрия в аквапонных системах (Treadwell et al. 2010). Для решения этих проблем могут быть разработаны различные подходы, такие, как технологические решения, например, развязанные аквапонные системы (Goddek et al. 2016) (см. также главу 8), прямое добавление питательных веществ в систему производства растений с помощью опрыскивания листьев или добавление к рециркулирующей воде (Rakocy et al. 2006; Roosta and Hamidpour 2011), или культура более соленого растения (см. [главу 12](/community/articles/chapter-12-аквапоники - альтернативные виды и подходы)). Новый подход заключается в разработке специально адаптированных аквакормов для использования в аквапонике.

Для решения проблемы нехватки питательных веществ для растений в аквапонике специально подобранные аквапонные кормы должны увеличить количество доступных растительных питательных веществ либо путем увеличения концентраций конкретных питательных веществ после выведения культурных животных, либо путем повышения биодоступности питательных веществ после выведения из организма и биотрансформация, для быстрого поглощения растениями. Однако достижение такого увеличения выведения питательных веществ не так просто, как добавление большего количества желаемых питательных веществ в рацион аквакультуры, поскольку существует множество (часто противоречащих друг другу) факторов, которые необходимо учитывать в интегрированной аквапонной системе. Например, хотя оптимальное растениеводство потребует увеличения концентраций конкретных питательных веществ, некоторые минералы, например определенные формы железа и селена, могут быть токсичными для рыб даже при низких концентрациях и поэтому будут иметь максимально допустимые уровни в циркулирующей воде (Endut et al. 2011; Такон 1987). Помимо общих уровней питательных веществ, соотношение между питательными веществами (например, соотношение P:N) также имеет важное значение для растениеводства (Buzby and Lin 2014), а дисбаланс в соотношении между питательными веществами может привести к накоплению некоторых питательных веществ в аквапонных системах (Kloas et al. 2015). Кроме того, даже если аквапонный корм повышает уровень питательных веществ растений, общее качество воды и рН системы по-прежнему необходимо поддерживать в приемлемых пределах для обеспечения приемлемого животноводства, эффективного поглощения питательных веществ корнями растений, оптимальной работы биофильтров и анаэробных дигестов ( Goddek et al. 2015b; Rakocy et al. 2006) и избежать осадков некоторых важных питательных веществ, таких как фосфаты, поскольку это сделает их недоступными для растений (Tyson et al. 2011). Для достижения этого общего баланса не является средним подвигом, так как существуют сложные взаимодействия между различными формами азота в системе (NH<sub3/sub, NHsub4/subsup+/SUP, NOSub2/sup-/SUP, NOSub3/subsup-/SUP), системой pH и ассортиментом металлов и других ионов, присутствующих в системе (Tyson al. 2011; Годдек и др. 2015; Битцански и др. 2016).

Распространенная нехватка питательных веществ в системах Aquaponic

Для роста и развития растений требуется целый ряд макро- и микроэлементов. Аквапонные системы обычно недостаточны в растительных макроэлементов калия (K), фосфора (P), железа (Fe), марганца (Mn) и серы (S) (Graber and Junge 2009; Roosta and Hamidpour 2011). Азот (N) присутствует в различных формах в аквапонных системах и выводится как часть белкового метаболизма культурных водных животных (Rakocy et al. 2006; Roosta and Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011), после чего он попадает в азотный цикл в интегрированной аквапонной среде. (Азот подробно обсуждается в [главе 9](/сообщество/статьи/глава 9-биогения-цикл-ин-аквапоники) и поэтому исключается из настоящего обсуждения.)

Использование специально отобранных кормовых добавок для аквакультуры может способствовать разработке специально предназначенных для аквапоники водных животных и/или растений или корректировке соотношения питательных веществ. Кормовые добавки аквакультуры разнообразны, с широким спектром функций и механизмов работы. Функции могут быть питательными и непитательными, а добавки могут быть направлены на действия в кормах или на физиологические процессы культурных водных животных (Encarnação 2016). Для целей этой главы основное внимание уделяется трем конкретным типам добавок, которые могут помочь пошиву аквапонных рационов: (1) минеральные добавки, добавляемые непосредственно в корма, (2) минералы, добавляемые совместно в составе добавок, которые служат неминеральной цели, и (3) добавки, которые делают минералы, которые уже присутствуют в кормах, более доступными для культурных водных животных и/или растений в аквапонных системах.

1. _Прямая минеральная добавка в аквапонических кормах _

Добавление минералов непосредственно в аквакультурные диеты, используемые в аквапонных системах, является одним из возможных способов увеличения количества минералов, выведенных культивированными животными, или добавления конкретных минералов, необходимых растениям в аквапонных системах. Полезные ископаемые регулярно добавляются в виде минеральных премиксов в рацион аквакультуры, с тем чтобы обеспечить культивируемых водных животных необходимыми элементами для роста и развития (Ng et al. 2001; NRC 2011). Любые минералы, не поглощенные рыбой во время пищеварения, выводятся, и если они находятся в растворимой (преимущественно ионной) форме в аквапонной системе, они доступны для поглощения растений (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015). Неясно, насколько осуществимым будет такой подход, поскольку имеется скудная информация об эффективности добавления минеральных добавок в аквакормы с целью увеличения производства аквапонных растений. В целом потребности в минералах и метаболизме в аквакультуре плохо понимаются по сравнению с наземным животноводством, поэтому целесообразность такого подхода не очень хорошо описана. Потенциальные преимущества такого подхода заключались бы в том, что он может оказаться довольно простым вмешательством для улучшения общей производительности системы, он может позволить добавлять широкий спектр питательных веществ и, вероятно, будет относительно низкой стоимостью. Однако для того чтобы избежать каких-либо серьезных потенциальных ловушек, которые могут возникнуть, по-прежнему необходимы существенные исследования. Один из них основан на том, что добавленные минералы, предназначенные для растений, сначала должны пройти через пищеварительный тракт культурных водных животных, и они могут быть поглощены полностью или частично во время этого прохода. Это может привести к нежелательному накоплению минералов в водных животных, или вмешательству в нормальные кишечные питательные вещества и/или минеральные поглощения и физиологические процессы (Oliva-Teles 2012). Между диетическими минералами в аквакультуре может наблюдаться значительное взаимодействие (Davis and Gatlin 1996), и это необходимо определить, прежде чем можно будет использовать прямые минеральные добавки в аквапонные диеты. Другие потенциальные эффекты могут включать изменение физической структуры и хемосенсорные характеристики кормов, что, в свою очередь, может повлиять на вкусовые качества кормов. Очевидно, что еще предстоит провести значительные исследования, прежде чем этот метод пошива аквапонических кормов может быть принят.

2. Совместное добавление минералов путем кормовых добавки

Некоторые классы кормовых добавок добавляются к аквакормам в виде ионных соединений, где только один из ионов способствует заданной активности. Другой ион рассматривается как сопутствующее и неизбежное дополнение к аквакорму и часто не рассматривается ни в одном исследовании аквакультуры. Одним из конкретных примеров такого класса часто используемых кормовых добавок являются соли органических кислот, в которых предполагаемым активным ингредиентом в аквакорме является анион органической кислоты (например, формиат, ацетат, бутират или лактат), а сопровождающий катион часто игнорируется при питании культурных животных. Таким образом, если сопроводительный катион целенаправленно выбирается в качестве важного макро- или микрорастительного питательного вещества, существует потенциал того, что он может быть выведен культивированными животными в системную воду и быть доступным для поглощения растениями.

Короткоцепные органические кислоты и их соли стали хорошо известны и часто используются в кормовых добавках как для наземного питания животных, так и для аквакультуры, где соединения используются в качестве усилителей и агентов для повышения устойчивости к болезням. Эти соединения могут иметь различные механизмы функционирования, в том числе выступать в качестве противомикробных препаратов, антибиотиков или стимулирующих рост, улучшая усвояемость и использование питательных веществ и выступая в качестве непосредственно метаболизируемого источника энергии (Partanen and Mroz 1999; Lückstädt 2008; Ng and Koh 2017). Либо собственные органические кислоты, либо их соли могут быть использованы в аквакультуре диеты, но солевые формы соединений часто предпочитают производители, так как они менее коррозионны для производства кормов, менее острые и доступны в твердой (порошковой) форме, что упрощает добавление в процессе производства (Encarnação 2016; Ng и Koh 2017). Для всестороннего обзора использования органических кислот и их солей в аквакультуре читателям предлагается работа Ng and Koh (2017).

Использование солей органических кислот в аквапонике может иметь двойные преимущества в системе, где анион может повысить производительность и устойчивость к болезням культурных водных животных, в то время как катион (например, калий) может увеличить количество основных питательных веществ растений, выведенных из организма. Потенциальным преимуществом этого подхода является то, что уровни включения органических кислот в рацион может быть относительно высокими для кормовой добавки, и исследования регулярно сообщают о том, что общее содержание органической кислоты соли составляет до 2% по весу (Encarnação 2016), хотя коммерческие производители, как правило, рекомендуют более низкие уровни примерно 0,15-0,5% (Ng и Koh 2017). Катионы солей органических кислот могут составлять значительную долю общего веса соли, и поскольку они ежедневно кормятся культивируемым животным, они могут вносить значительный объем питательных веществ в растения аквапонной системы в течение вегетационного сезона. В настоящее время нет опубликованных исследований, в которых содержались бы результаты этого исследования, и, как и в случае прямого обогащения минералами в аквапонных кормах, этот подход должен быть подтвержден в ходе будущих исследований для определения судьбы катионов, добавляемых в состав солей органических кислот ( выводится или поглощается водными животными), и есть ли какие-либо взаимодействия с минералами или питательными веществами. Тем не менее, это остается захватывающим будущим направлением расследования.

3. Кормовые добавки, которые делают питательные вещества более доступными для растений

Все большее количество растительных ингредиентов используется в составных водных кормах, однако минералы из растительного сырья менее доступны для культурных водных животных, главным образом из-за наличия антипитательных факторов в растительных пищевых ингредиентах (Naylor et al. 2009; Kumar et al. 2012; Prabhu et al. 2016). Это означает, что большая доля минералов выводится в фекалии в связанной форме, что требует «освобождения» перед тем, как быть доступным для поглощения растений. Типичным примером является органический фосфор, встречающийся в виде фитата, который может связываться с другими минералами для образования нерастворимых соединений, где требуется микробное действие в окружающей среде, прежде чем фосфор высвобождается в виде растительного растворимого фосфата (Kumar et al. 2012).

Использование экзогенных ферментов в специально разработанных аквапонных рационах может потенциально способствовать высвобождению большего количества питательных веществ из аквакормов с высоким содержанием растений для питания животных и растений в аквапонных системах. Наиболее часто используемыми ферментами в аквакормах являются протеазы, углеводы и фитазы, как для улучшения пищеварения питательных веществ, так и для деградации антипитательных соединений, таких как фитат (Encarnação 2016), что может привести к высвобождению дополнительных питательных веществ из аквакормов. Хотя известно, что использование экзогенных ферментов приводит к улучшению использования питательных веществ у культивируемых животных, неясно, будут ли выделяться дополнительные питательные вещества в растительном виде, что позволяет избежать отдельного этапа реминерализации в аквапонных системах (см. [главу 10](/community/ статей/глава 10-аэробные и анаэробные лечения-для аквапонически-шламо-редукция-минерализация). Кроме того, возможны взаимодействия между экзогенными ферментами и питательными веществами в различных частях пищеварительного тракта рыб (Kumar et al. 2012), что будет иметь дальнейшие последствия для количества питательных веществ, выведенных для роста растений. Поэтому необходимы дальнейшие исследования для определения полезности экзогенных ферментов, специально предназначенных для использования в аквапонных кормах.