6.3 Соображения биозащищенности для обеспечения безопасности пищевых продуктов и борьбы с патогенами
6.3.1 Безопасность пищевых продуктов
Хорошая продовольственная безопасность и обеспечение благополучия животных являются приоритетными задачами в получении общественной поддержки аквапоники. Одним из наиболее частых вопросов, поднимаемых экспертами по безопасности пищевых продуктов в связи с аквапоникой, является потенциальный риск заражения патогенами человека при использовании рыбных сточных вод в качестве удобрения для растений (Chalmers 2004; Schmautz et al. 2017). Недавний литературный поиск для определения зоонозных рисков в аквапонике пришел к выводу о том, что патогены в загрязненной приборной воде или патогены в компонентах кормов, происходящих от теплокровных животных, могут ассоциироваться с микробиотой кишечника рыбы, которая, даже если не наносит вреда самой рыбе, может потенциально могут быть переданы в пищевой цепи для людей (Antaki и Jay-Russell 2015). Таким образом, вызывают озабоченность механизмы введения патогенов в систему аквапоники, при этом наиболее вероятным источником фекальных колиформ или других патогенных бактерий, являющихся источником кормов для рыб. С биологической точки зрения существует потенциальная опасность распространения этих патогенов либо в биофильтрах, либо в одноконтурных системах путем введения в резервуары для рыб переносимых по воздуху патогенов из открытых растительных компонентов. Хотя риски биозащищенности в относительно замкнутом экологическом пространстве системы аквапоники низки — по сравнению, например, с аквакультурой открытого пруда — и еще ниже в развязанной системе аквапоники, где отдельные части системы могут быть изолированы, все еще существует мнение о том, что рыбный шлам может быть потенциально опасно при применении к растениям для потребления человеком. Escherichia coli (E. coli) — кишечный патоген человека, вызывающий пищевые заболевания, который является одной из основных проблем в связи с использованием отходов животного происхождения в качестве удобрения в сельском хозяйстве или аквакультуре, например интегрированных систем свиней (Dang and Dalsgaard 2012). Однако, как правило, не считается, что он представляет собой риск в аквапонике рыбных растений. Например, Moriarty et al. (2018) ранее демонстрировали, что УФ-излучение может успешно уменьшить E. coli, но при этом отмечали, что колиформы, обнаруженные в системе аквапоники, находятся на фоновом уровне и не размножаются в рыбах качения или в гидропонически выращенном салате в пределах экспериментальной системы, и, таким образом, не представляет опасности для здоровья. Исследования по этим аспектам носят ограниченный характер, однако некоторые предварительные исследования показали, что риск заражения колиформ очень низок, например, не свидетельствуют о том, что уровни колиформ не отличаются от стерилизованной и нестерилизованной очистки воды RAS, применяемой к растениям (Pantanella et al. 2015). Несмотря на то, что существует потенциальный риск интернализации микробов в листьях растений и, таким образом, их передачи в потребленные части некоторых съедобных листовых растений, выращенных в аквапонике, другие исследования пришли к аналогичным выводам о том, что риск введения потенциально опасного человека минимален. патогены (Elumalai et al. 2017).
Вместе с тем управление рисками или, что более важно, управление восприятием этих рисков по-прежнему является одним из приоритетных направлений деятельности государственных органов и инвесторов в аквапоники. Предполагается, что контроль качества вводимых кормов и тщательное обращение с рыбными и рыбными отходами могут ограничить большинство из этих потенциальных проблем (Fox et al. 2012). Действительно, нам известно, что в настоящее время в отношении системы аквапоники не поступало никаких сообщений об инцидентах, связанных со здоровьем человека, и это может объясняться тем фактом, что объекты САР и гидропонные теплицы, как правило, имеют хорошие меры по биозащите, включая гигиену и карантинную практику, которые строго соблюдаются. наблюдалось. Рекомендованные микробиологические методы биозащищенности были оценены для различных систем производства аквакультуры, а рекомендации сформулированы в руководящих принципах анализа рисков, являющихся международной системой контроля за безопасностью пищевых продуктов (Orriss and Whitehead 2000). Однако по-прежнему существует потребность в более качественной научной документации о рисках передачи патогенов человеку и проведении прямых исследований в области управления производством аквапоники в этой области.
6.3.2 Рыбные и растительные патогены
Существует специализированная литература по вопросам аквакультуры, гидропоники и биоинженерии, которая может способствовать повышению эффективности микробов в аквапонике. Например, микробные сообщества выполняют широкий круг важных функций в области здоровья рыб, в том числе играют ключевую роль в усвояемости и усвоении кормов, а также иммунодуляции, и эти функции, а также роль пробиотиков в совершенствовании систем аквакультуры тщательно анализируются (Akhter et et сол. 2015). Особенно хорошо освещена роль микробов в системах RAS, включая микробное управление биофильтрами, а также исследования в области контроля патогенов, а также различные методы контроля вкусов, получаемых из систем RAS (Rurangwa and Verdegem 2015). Аналогичным образом, микробы в ризосфере растений имеют важное значение для укоренения и роста растений (Dessaux et al. 2016), а также для контроля распространения патогенов при производстве гидропонных растений; эти области хорошо изучены в недавнем обзоре Bartelme et al. (2018). Тем не менее до сих пор существует весьма ограниченное понимание связей между микробиомом и элементами системы аквапоники — знаний, которые имеют решающее значение для максимизации продуктивности и сокращения передачи патогенов.
Распространение оппортунистических патогенов, которые опасны для рыб или здоровья растений, является важным фактором в экономике операций аквапоники, учитывая, что любое использование антибиотиков или дезинфицирующих средств может оказывать потенциально пагубное воздействие на функцию биофильтра, а также дестабилизирующее микробное отношения в других отсеках системы. К протоколам дезинфекции, широко используемым в РАС, относятся обработка воды ультрафиолетовым светом (Elumalai et al. 2017), которая в сочетании с озоном (и обычно сочетанием обоих) включает абиотический подход первой линии к поддержанию качества воды. Рыбные яйцы/личинки также часто помещаются в карантин перед введением, а любая потребляемая вода очищается, тем самым уменьшая прямые потенциальные источники попадания в систему патогенов рыб.
Входящая в РАС вода, как правило, разрешается «созревать» в биофильтрах перед подачей в рециркуляционную систему. Эксперименты, например, показали, что прививка пребиофильтра смесью нитрифицирующих бактерий и «кормление» его органическим веществом до тех пор, пока популяции бактерий не совпадут с грузоподъемностью емкостей для рыб, означает, что вода для выращивания в резервуаре с меньшей вероятностью будет нестабильной и обгоняемой оппортунистические бактерии (Attramadal et al. 2016; Rurangwa and Verdegem 2015). Тем не менее, если патогенные организмы становятся проблематичными, иногда может потребоваться применение высокодозных методов лечения УФ, озона, химических или антибиотиков, хотя такое использование, как правило, приводит к нарушению работы других элементов системы, особенно биофильтров (Blancheton et al. 2013). Действительно, в зависимости от дозы и местоположения в системе, неизбирательное лечение патогенов может фактически способствовать распространению оппортунистов. Например, высокий уровень обработки озоном не только убивает бактерии, протисты и вирусы, но и окисляет DOM и влияет на агрегацию POM, тем самым оказывая давление на бактериальные популяции (там же).
Подробное обсуждение патогенных микроорганизмов растений в системе аквапоники и их контроля включено в главу 14 и поэтому здесь не повторяется. Однако стоит отметить, что виды Bacillus обычно используются в качестве коммерческих пробиотиков в аквакультуре, и растет число свидетельств того, что аналогичные виды Bacillus_ также эффективны для растений, которые уже доступны в некоторых коммерческих гидропонике пробиотических растворах (Shafi et al. 2017). Недавно проведенное исследование расширило такие исследования на Bacillus, включив в них эксперименты в системе аквапоники (Cerozi и Fitzsimmons 2016b). Место, где пробиотики вводятся — в рыбу, растение или биофильтры — может иметь важное значение, но из текущей работы не ясно, оказывает ли добавление пробиотиков в рыбный компонент, которое может принести рыбе, более значительное влияние на рост и здоровье растений по сравнению с добавлением аналогичных уровней пробиотиков непосредственно в отделение гидропоники.
В дополнение к стандартным прикладным пробиотикам существует множество инновационных методов биоконтроля, которые в будущем могут стать все более ценными для уменьшения присутствия и распространения вредных микробов. В одном из недавних исследований бактериальные изоляты были отобраны из установленной системы аквапоники на основе их способности оказывать ингибирующее воздействие как на рыбу, так и на растительные грибковые патогены. Цель состояла в том, чтобы культивировать эти изоляты как инокулы, которые впоследствии могли бы выступать в качестве биологического контроля заболеваний в рамках этой системы аквапоники (Sirakov et al. 2016). Например, Сираков и др. показали, что выделенный ими Pseudomonas является эффективным биоконтролем для патогенных грибов Saprolegnia parasitica рыб и Pythium ultimum растений. Исследователи также сообщили об ингибировании in vitro различных других бактериальных изолятов из различных секций аквапоники, но без проверки их эффектов in vivo. Потенциал использования таких изолятов, как биологический контроль, не является новым, однако применение методов NGS теперь позволяет больше раскрыть взаимодействие таких изолятов друг с другом и с потенциальными патогенами, что позволяет оптимизировать эффективность доставки. Использование других методов «омики» может помочь выявить общую структуру сообщества и связанные с ними метаболические функции, а также начать выяснение того, какие организмы и функции являются наиболее полезными. В будущем такие методы могут позволить выбрать «вспомогательные штаммы» в микробных сообществах или выявить экссудаты, которые оказывают антимикробное действие (Massart et al. 2015).