Отраслевая сеть инноваций в АПК

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ​

Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Титульный лист и исполнители

РЕФЕРАТ

Отчет 178 с., 18 рис., 18 табл., 4 прил., библ. 131.

Название темы: «Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре».

Ключевые слова: установка с замкнутым водоиспользованием, радужная форель, Омега-3 жирные кислоты, селен, аквакультура, функциональное питание, качество воды.

Объекты исследования – радужная форель, оборотная вода, мясо форели.

Цель работы – предложить инновационную технологию производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания с применением установок с замкнутым водоиспользованием (УЗВ).

Описание проделанной работы и ее результаты:

Задачей государственной политики в области здорового питания населения является расширение отечественного производства основных видов сырья, отвечающего современным требованиям качества и безопасности, наряду с производством пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, в том числе продуктов функционального назначения.

Поэтому проведенные нами исследования, с целью предложить инновационную технологию производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания с применением установок с замкнутым водоиспользованием (УЗВ), посвящены решению актуальных задач, стоящих перед рыбохозяйственным комплексом и перерабатывающей промышленностью, в деле обеспечения населения качественными и полезными продуктами питания.

В процессе исследований проведен анализ современного состояния, принципов функционального питания за рубежом и в нашей стране. Отмечено, что в последние годы объем российского производства функциональных продуктов питания увеличивается в пределах 2-3% в год, при этом по своим свойствам и способу происхождения они разделяются на: натуральные и искусственные (обогащенные).

Проанализирована и показана возможность использования рыбы как пищевого продукта и сырья для функционального питания, хотя часто она не рассматривается в качестве таковой и даже не упоминается в официальных документах. Соответственно опыт получения продуктов функционального питания в аквакультуре, особенно прижизненным методом, минимален.

Вместе с тем рыбы относятся к натуральному сырью животного происхождения и имеют в своем составе витамины, белки, жиры, минералы и другие компоненты в сбалансированных пропорциях. Таким образом выращенная рыба, при определенных условиях может считаться продуктом функционального питания.

Функциональные продукты изготавливаются только из экологически чистого сырья высокого качества, его гарантированное получение в аквакультуре можно добиться только применяя индустриальные рыбоводные установки с замкнутым водоиспользованием (УЗВ).

Анализ многолетних и многочисленных собственных и других исследования позволил нам сформулировать основные принципы создания и эксплуатации рыбоводных установок, конструкций аппаратов, подобрать оптимальные методы водоподготовки в создаваемых циркуляционных системах. Выработаны требования к составу необходимого оборудования в УЗВ и типовые схемы его последовательного расположения. Сформулированы требования к качеству оборотной и подпиточной воды по основным гидрохимическим показателям.

Соблюдение перечисленных выше принципов является гарантией получения в УЗВ экологически чистой рыбы, или сырья, отвечающих требованиям продукта функционального питания.

Одним из видов, дающих деликатесную продукцию, является радужная форель (Oncorhynchus mikiss Walbaum), которая и была выбрана в качестве объекта для проведения наших исследований.

По результатам ее выращивания в модельной УЗВ аквариальной РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева было продемонстрировано, что мясо форели средней массой 380 г, содержало в своем составе 1,28 г Омега-3 жирных кислот на 100 г продукта, норма потребления которых для взрослого человека составляет 1–3 г в сутки. Это, в соответствии требованиями ГОСТ Р 55577-2013, позволяет отнести выращенную рыбу к источнику высокого содержания этих нутриентов. Таким образом был получен функциональный продукт натурального происхождения – источник Омега-3 жирных кислот.

Другой нутриент – селен представляет собой физиологически важный микроэлемент, незаменимый в питании человека и животных. Правительство России определило дефицит селена, наряду с недостаточностью других микроэлементов, как значительную угрозу для населения.

В этой связи нами проведены исследования, цель которых – определить влияние добавки в корма селен содержащего препарата «Эсвекс» (1 мл/кг корма) на организм сеголеток радужной форели в условиях модельной УЗВ. В результате удалось не только повысить ее выживаемость на 11,7% и рыбопродуктивность на 17,5%, но и увеличить содержание селена в мясе, получив экологически чистый и функциональный продукт питания. Форель, получавшая в корм селен содержащую добавку, в зависимости от пола потребителя, близка или соответствовала продукту с «высоким содержанием селена», так как этот показатель составлял 28,7-36,6% от суточной нормы потребления мужчины и женщины соответственно.

В целом проведенные исследования позволяют предложить новое направление развития инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре путем получения натуральной продукции, а также целенаправленного прижизненного обогащения мяса рыб заданными нутриентами введением их в организм через скармливаемые комбикорма.

По-видимому, следует говорить о необходимости создания, помимо стартовых и продукционных (финишных) рыбных комбикормов, еще и линейки специализированных комбикормов, обогащенных требуемыми нутриентами с определением сроков их введения в рацион и продолжительности скармливания перед реализацией рыбы, а также решении целого ряда других вопросов кормопроизводства.

Разработка таких технологий предполагает подбор видов и пород гидробионтов, препаратов с соответствующими нутриентами, способов обогащения ими комбикормов, подбор оптимальных дозировок, способствующих не только повышению рыбопродуктивности, но оптимальному уровню обогащения выращиваемого организма в количестве, соответствующем продукту функционального питания.

Результаты проведенных исследований предназначены для внедрения в индустриальных рыбоводных хозяйствах России, что будет способствовать:

– общему оздоровлению населения;

– импортозамещению и расширению ассортимента рыбопродукции аквакультуры;

– повышению общей рыбопродуктивности индустриальных хозяйств.

По теме данного исследования было опубликовано 6 научных работ (приложение 2), материалы вошли в изданный учебник (приложение 3), который отмечен серебряной медалью выставки «Золотая осень 2020».

ВВЕДЕНИЕ

Аквакультура – одно из направлений рыбохозяйственного комплекса, связанное с разведением и выращиванием водных организмов в частично или полностью контролируемых человеком условиях, с целью получения ценной пищевой, кормовой и технической продукции. Объектами культивирования являются рыбы, моллюски, ракообразные, иглокожие, земноводные, водоросли и другие группы гидробионтов.

Согласно информации ФАО ООН общий объем производства в мировой аквакультуре в 2018 году составил 81 млн. тонн – около 46% от общего объема производства водных биологических ресурсов. При этом совокупный объем производства рыбы в мире к 2030 г. Увеличится до 204 млн тонн, на 15% превысив уровень 2018 г. Ожидается, что прирост произойдёт в основном за счет доли аквакультуры [1].

Мощным импульсом развития отечественной аквакультуры стал Федеральный закон «Об аквакультуре (рыбоводстве) и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ», принятый 2 июля 2013 года (№ 148-ФЗ) для обеспечения государственного регулирования данного сектора экономики России и создания благоприятного климата его развития. Его принятие позволило сформировать четкую, понятную для предпринимателей и потенциальных инвесторов нормативную правовую базу в данной сфере и, несомненно, способствовало решению стратегических задач развития отрасли.

Общее производство гидробионтов в нашей стране (суммарно вылов и выращивание) составило в 2019 году около 5 млн. тонн. Из них в аквакультуре производство достигло 286 тыс. тонн, что на 19,8% больше, чем в предыдущем году (рисунок 1). Отмечается устойчивый рост объемов производства продукции аквакультуры, ежегодное увеличение которого за последние 4 года не опускался ниже 7%.

word image 626 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 1 – Динамика производства продукции аквакультуры в России

В структуре производства товарной аквакультуры России основную долю занимают карповые рыбы – 51% (148 тыс. тонн). Лососевые уверенно занимают второе место – 31,8% (91 тыс. тонн), а к 2030 г. Планируется увеличить их производство до 185 тыс. тонн. На третьем месте прочие виды – около 29 тыс. тонн (10,1%). Выращивание беспозвоночных и водорослей составляет примерно 14 тыс. тонн (4,9%), и осетровых – около 4 тыс. тонн (1,4%) [2].

Другим важным стимулом развития отечественной аквакультуры послужили экономические санкции в отношении Российской Федерации (2014 г.) и соответствующие ответные меры нашей страны. Потребительский спрос (в связи с резким сокращением импортных поставок и снижением покупательной способности) и обеспечение импортозамещения на внутреннем рынке являются ключевыми возможностями для отечественной продукции из лососевых и других видов рыб.

Дальнейшее развитие аквакультуры в нашей стране планируется осуществить в рамках общей «Стратегии развития рыбохозяйственного комплекса Российской Федерации на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 26 ноября 2019 года № 2798-р. Данной стратегией к 2030 году предусмотрено увеличение объема производства товарной аквакультуры почти в три раза, до 618 тыс. тонн. При этом одна из задач, которая стоит перед отраслью – не просто нарастить количественные показатели, но и добиться изменения видового состава выращиваемых объектов и более активно использовать индустриальные методы.

Вместе с тем успешная реализация поставленных в Стратегии задач тесно связана с устойчивым развитием пищевой и перерабатывающей промышленности на основе наукоемких подходов и инновационных решений. При этом основными направлениями в этой сфере в частности являются [3]:

– создание биокаталитических и биосинтетических технологий производства функциональных продуктов питания с использованием биологически активных добавок иммуномодулирующего, антиоксидантного и биокоррегирующего действия, пре- и пробиотиков для предупреждения различных заболеваний и укрепления защитных функций организма, снижения риска воздействия вредных веществ, в том числе для населения, проживающего в зонах экологического неблагополучия;

– разработка научных основ прижизненного формирования заданных качественных и функциональных характеристик сырья животного и растительного происхождения с целью создания дифференцированных технологий его переработки и хранения для обеспечения стабильного качества, хранимоспособности и минимизации потерь целевой продукции;

– производство экологически чистых продуктов питания и экологическая безопасность продовольствия.

Другими словами, задачей государственной политики в области здорового питания населения на период до 2020 г. Является расширение отечественного производства основных видов сырья, отвечающего современным требованиям качества и безопасности, наряду с производством пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, в том числе продуктов функционального назначения. Одним из уникальных и безопасных видов сырья для получения продуктов функционального питания являются рыба и морепродукты.

В постановлении Главного санитарного врача Российской Федерации от 14 июня 2013 г. № 31 «О мерах по профилактике заболеваний, обусловленных дефицитом микронутриентов, развитию производства пищевых продуктов функционального и специализированного назначения» Министерству промышленности и торговли и Министерству сельского хозяйства Российской Федерации рекомендовано обратить внимание на развитие производства пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, специализированных продуктов детского питания, продуктов функционального назначения, диетических (лечебных и профилактических) пищевых продуктов [4].

Таким образом, исследования, проводимые с целью предложить инновационную технологию производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания с применением установок с замкнутым водоиспользованием (УЗВ), посвящены решению актуальных задач, стоящих перед рыбохозяйственным комплексом и перерабатывающей промышленностью, в деле обеспечения населения качественными и полезными продуктами питания.

1 Понятия и принципы функционального питания

На фоне ухудшения экологической обстановки снижается и качество продуктов питания. Употребление некачественной пищи негативно сказывается на состоянии здоровья. В этой ситуации на помощь приходят функциональные продукты питания.

Термины «функциональные продукты», «функциональное, или здоровое питание», появились в Японии в конце 80-х – начале 90-х гг. ХХ в., где была сформулирована теория позитивного питания, согласно которой функциональные продукты должны иметь три основных свойства: необходимую пищевую ценность, приятный вкус и положительное физиологическое воздействие на организм [5]. К этому еще можно добавить способность регулировать протекание некоторых процессов в организме; профилактическое воздействие относительно определенных заболеваний; абсолютную безвредность.

В 1989 году в научной литературе впервые появился термин «functional foods» – «функциональные пищевые продукты» (полное название – «физиологически функциональные пищевые продукты»). Япония в 1991 г. Приняла закон об улучшении питания. Новая система была направлена на продвижение производства продуктов питания, нацеленных на решение серьезных проблем со здоровьем. Японское правительство признает функциональное питание как альтернативу медикаментозной терапии и определяет его как Food for Specific Health Use (FOSHU) [6].

Хорошо известно, что средняя продолжительность жизни в Японии за последние годы увеличилась более чем на 20 лет, занимает первенство в мире и составляет более 84 лет. Распространенное и применяемое у них функциональное питание помогает решить проблемы с лишним весом, повышают иммунитет, улучшает работу сердца, пищеварительной системы и даже способствует борьбе со злокачественными опухолями.

Другими словами, функциональные продукты – продукты питания, содержащие ингредиенты, которые приносят пользу здоровью человека, повышают его сопротивляемость к заболеваниям, способны улучшить многие физиологические процессы в организме человека, позволяя ему долгое время сохранять активный образ жизни.

Необходимость применения продуктов функционального питания продиктована ожесточающимся с каждым годом пищевым дефицитом, который затрагивает все страны мира. Несмотря на кажущееся благополучие, практически во всех странах существует дефицит питания по важнейшим пищевым веществам: белкам, ненасыщенным жирам, сложным углеводам, витаминам и минералам. В то же время, калорийность суточного рациона современного человека, как правило, превышает необходимую норму в несколько раз, что приводит к массовому росту ожирения и связанных с ним болезней; сахарному диабету, гипертонии. Денатурализация продуктов приводит к снижению гемоглобина: в результате появляются заболевания печени, отложения камней в почках, аллергия [6].

В отличие от общепринятого понятия рационального питания, под термином «функциональное питание» японские исследователи подразумевали использование таких продуктов естественного происхождения, которые при систематическом употреблении оказывали позитивное регулирующее действие на определенные системы и органы макроорганизма или их функции, улучшая физическое и психическое здоровье человека.

Концепция функционального питания в Европе начала разрабатываться лишь с середины 90-х годов. В результате многочисленных дискуссий, проходивших в 1995-1998 гг., был разработан итоговый документ, получивший название «Научная концепция функциональных продуктов питания в Европе» (Scientific Concepts of Functions Food in Europe). В нем было представлено обобщенное мнение европейских специалистов по проблеме функционального питания, включая терминологические, технологические аспекты, перспективы развития этой области пищевой индустрии и некоторые другие вопросы. В заключительной части документа было подчеркнуто, что у пищевой индустрии появилась уникальная возможность улучшить здоровье населения за счет организации производства и вывода на рынок новой категории пищевых продуктов – продуктов функционального питания, обладающих не только питательной в традиционном смысле этого слова активностью, но и способностью улучшать физическое и психическое здоровье и/или снижать риск возникновения заболеваний. Было отмечено, что продукты питания лишь в том случае могут быть отнесены к функциональным, если имеется возможность продемонстрировать их позитивный эффект на ту или иную ключевую функцию (функции) макроорганизма (помимо традиционных питательных эффектов) и получить веские объективные доказательства, подтверждающие эти взаимоотношения [7].

Международный совет информации о пище (IFIC) и Международный институт жизни и науки Северной Америки (ILSI) определяют функциональные продукты как продукты, которые благодаря содержанию биологически активных веществ оказывают благоприятное влияние на здоровье, помимо основной питательной ценности. В соответствии с этими определениями необогащенные продукты, такие как фрукты и овощи, являются простейшим примером функциональных продуктов питания.

Повышенный интерес к функциональному питанию является результатом возросшей заботы и ответственности населения о своем здоровье.

Продукты питания могут быть отнесены к функциональным в том случае, если имеется возможность продемонстрировать их позитивный эффект на ту или иную функцию (функции) макроорганизма (помимо традиционных питательных эффектов) и получить объективные доказательства, подтверждающие эти взаимоотношения. В результате воздействия функционального питания на организм должно быть улучшение здоровья и снижение риска возникновения заболеваний. Улучшение физического и психического здоровья так же, как и предотвращение или уменьшение частого возникновения заболеваний, являются главными критериями, позволяющими относить существующие или создаваемые вновь продукты питания к категории продуктов функционального питания.

Определено несколько физиологических функций, позитивное воздействие на которые позволяло бы относить продукты питания и входящие в них отдельные функциональные ингредиенты к той или иной категории продуктов функционального питания (рост, развитие и дифференциация; метаболизм тех или иных субстратов; защита против соединений, обладающих оксидантной активностью; сердечно-сосудистая система; физиология и функции желудочно-кишечного тракта; поведенческие реакции и состояние психического здоровья).

Основу функционального питания составляет сбалансированный рацион, включающий:

– нативные продукты питания, содержащие необходимые микронутриенты;

– функциональные продукты, обогащенные отдельными микронутриентами, их комплексами, фитокомплексами, пробиотиками и т.д.;

– функциональные продукты со сниженным количеством вредных для здоровья компонентов;

– функциональные продукты, в которых вредные компоненты заменены на нейтральные или полезные для здоровья;

– продукты, прошедшие технологическую обработку;

– генетически модифицированные продукты;

– БАДы.

Функциональные пищевые продукты богаты множеством полезных веществ. Основные из них – это: витамины, пробиотики, пребиотики, клетчатка, белки, минеральные вещества, пептиды, антиоксиданты, незаменимые жирные кислоты, гликозиды, аминокислоты, холины, биофлавоноиды и др.

Ниже представлены 7 наиболее популярных функциональных ингредиентов:

Пробиотики – живые бактерии, которые являются нормой для кишечной микрофлоры здорового человека. Бифидобактерии – классические представители пробиотиков. Благодаря их противостоянию бактериальным патогенам повышается противоинфекционная устойчивость организма. Пробиотики способны оказывать противоаллергенное действие, регулируют систему пищеварения и благотворно влияют на здоровье желудочно-кишечного тракта в целом.

Пребиотики – вещества, которые не перевариваются и не усваиваются верхним отделом желудочно-кишечного тракта, но проявляют метаболическую активность в толстом кишечнике, способствуя росту и жизнедеятельности микрофлоры.

Клетчатка – это вид сложных углеводов, непереваривамый и не усваиваемый организмом пищевой ингредиент. Однако пищевые волокна перерабатываются кишечной микрофлорой, что способствует улучшению работы пищеварительной системы и очищению организма. Много клетчатки содержится в орехах, бобовых культурах, хлебе с отрубями, овощах и фруктах.

Антиоксиданты – вещества, которые защищают клетки организма от действия свободных радикалов. Они предотвращают окислительный стресс, который разрушает важные компоненты клеток. Антиоксиданты оказывают благоприятное воздействие на все системы организма, а также замедляют процесс старения.

Витамины – необходимые органические вещества для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Большей частью они не синтезируется в организме, а поступают извне, с продуктами питания. Витамины являются регуляторами процесса обмена веществ и источником энергии.

Минеральные вещества (кальций, магний, железо и др.) способствуют активизации деятельности ферментов, улучшают работу иммунной системы, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления в клетках. Эти условия необходимы для нормального функционирования клеток и тканей.

Незаменимые жирные кислоты – вещества, которым принадлежит важная роль в построении клеточных мембран и регулировании процесса метаболизма. Они не синтезируются в организме, поэтому обязательно должны присутствовать в рационе питания. Жирные кислоты повышают эластичность кровеносных сосудов и способствуют выводу холестерина, тем самым предотвращая развитие атеросклероза и других сердечно-сосудистых заболеваний.

Неоспоримым фактом является благоприятное влияние на здоровье диеты, богатой рыбой и морепродуктами.

Пища может быть признана функциональной, если содержание в ней функциональных компонентов является достаточным для проявления его благотворного действия на здоровье. Кроме того, исключается присутствие в функциональном продукте вредных для здоровья компонентов.

Продукты здорового питания не являются лекарствами и не могут излечивать, но помогают предупредить болезни и старение организма в сложившейся экологической обстановке, полезны они и больным в качестве вспомогательной терапии.

В настоящее время продукты функционального питания составляют не более 3% всех известных пищевых продуктов. Согласно прогнозам в ближайшие десятилетия их доля достигнет 30-50% всего продуктового рынка. Таким образом, можно говорить о том, что производство функциональных продуктов питания является долгосрочной тенденцией, а не кратковременным модным явлением [5].

В отечественной науке термин «функциональное питание» длительное время не использовался, хотя отдельные аспекты этого научного направления изучались достаточно долго и глубоко. В российскую литературу термин «функциональное питание» вошел только в 1993 году.

Сегодня в нашей стране производство функциональных продуктов постепенно увеличивается. Все больше выпускается продуктов, обогащенных витаминами, микроэлементами и другими необходимыми для здоровья человека веществами.

Объем российского производства функциональных продуктов питания увеличился с 2006-го по 2011 год практически на 160% в натуральном выражении, при этом рост объема рынка продолжается в пределах 2-3% в год (таблица 1).

Таблица – 1 Объемы продаж и потребления функциональных продуктов питания в России [http://foodmarket.spb.ru/current.php?article=1832]

Показатель Год ⃰
2012 2013 2014 2015 2016 2017
Объем продаж, тыс. тонн 267,4 275,5 285,5 295,8 306,8 314,0
Прирост, % к предыдущему году 2,2 3,0 3,6 3,6 3,7 2,4
Объем продаж, млрд руб. 101,3 107,6 114,1 120,2 125,9 130,7
Прирост, % к предыдущему году 5,6 6,2 6,0 5,3 4,8 3,8
Потребление, кг/чел. 1,9 1,9 2,0 2,1 2,2 2,2

⃰ источник: Euromonitor international

Вместе с тем, в Постановлении Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 14 июня 2013 г. № 31 говорится, что состояние, связанное с производством продукции, обогащенной микронутриентами, остается неудовлетворительным. Объем производства обогащенной продукции от общего объема производимых продуктов питания пока недостаточен, в результате чего не может быть решена проблема микронутриентной недостаточности, существенно ухудшающая состояние здоровья детского и взрослого населения страны.

Так, в Российской Федерации только 14% предприятий выпускает обогащенные пищевые продукты, по объему производства – 5%, в том числе по хлебу и хлебобулочным изделиям – 6,4%, по молоку и молочным продуктам – 3,1%, по напиткам – 8,1%

В этой связи объединениям юридических лиц и индивидуальных предпринимателей (ассоциациям и союзам), осуществляющим производство пищевых продуктов массового потребления (молоко и молочные продукты, хлеб и хлебобулочные продукты, мясные продукты, птицеводческие продукты, соковая продукция, бутилированная питьевая вода и другие), рекомендуется рассмотреть вопросы, связанные с расширением ассортимента и объемов производства пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами [4].

Как видим, к сожалению, рыба в этом постановлении, как возможное сырье или продукт функционального и специализированного назначения даже не упоминается.

Среди пищевых факторов, имеющих особое значение для поддержания здоровья, работоспособности и активного долголетия человека, важнейшая роль принадлежит микронутриентам – витаминам и минеральным веществам. Они относятся к незаменимым компонентам пищи и необходимы для нормального протекания обмена веществ, роста и развития, снижения риска различных заболеваний, обеспечения всех жизненных функций, включая воспроизводство генофонда.

Организм человека не синтезирует большинство микронутриентов – витаминов, минеральных и биологически активных веществ – и не способен запасать витамины впрок на сколько-нибудь долгий срок (за исключением жирорастворимых). Поэтому многие микронутриенты должны поступать в организм регулярно и в количестве, соответствующем физиологической потребности человека, в течение всего года.

В настоящее время среди основных нарушений структуры питания населения РФ отмечен дефицит витаминов (С, В1, В2, Е, фолиевой кислоты, ретинола, β-каротина и др.) и дефицит минеральных веществ и микроэлементов (Ca, Fe, J, F, Se, Zn). [5].

Так, например, у 70% населения России определяется дефицит витамина С, у 40% – дефицит a-каротина и витамина А, почти у трети населения – витаминов В-комплекса, абсолютно у всех – минерала селена. [6].

Для профилактики дефицита витаминов и минеральных веществ рекомендуется использовать не только традиционное обогащение рациона свежими овощами, фруктами, ягодами, но и дополнительное обогащение продуктов массового потребления дефицитными в рационе микронутриентами [5].

Основные термины и определения, касающиеся данной группы продуктов, представлены в ГОСТ Р 52349–2005 «Продукты пищевые функциональные. Термины и определения». В соответствии с ним в частности определены следующие понятия:

1. Функциональный пищевой продукт: Пищевой продукт, предназначенный для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми возрастными группами здорового населения, снижающий риск развития заболеваний, связанных с питанием, сохраняющий и улучшающий здоровье за счет наличия в его составе физиологически функциональных пищевых ингредиентов (термин 3).

2. Обогащенный пищевой продукт: Функциональный пищевой продукт, получаемый добавлением одного или нескольких физиологически функциональных пищевых ингредиентов к традиционным пищевым продуктам с целью предотвращения возникновения или исправления имеющегося в организме человека дефицита питательных веществ.

3. Физиологически функциональный пищевой ингредиент: Вещество или комплекс веществ животного, растительного, микробиологического, минерального происхождения или идентичные натуральным, а также живые микроорганизмы, входящие в состав функционального пищевого продукта, обладающие способностью оказывать благоприятный эффект на одну или несколько физиологических функций, процессы обмена веществ в организме человека при систематическом употреблении в количествах, составляющих от 10 % до 50 % от суточной физиологической потребности.

Все продукты, отвечающие концепции адекватного питания, содержат ингредиенты, которые способствуют уменьшению уровня холестерина в крови, сохранению нормального состояния зубов, костей, снижению риска заболеваний некоторыми формами рака и т.д. Содержание этих ингредиентов должно находиться на уровне, обеспечивающем достоверное физиологическое воздействие. При этом полезными свойствами должен обладать сам продукт, а не только его отдельные специфические компоненты, так как существует риск того, что эффект их действия может сводиться к нулю другими ингредиентами, и, следовательно, не будет проявляться [8].

2. Рыба как пищевой продукт и сырье

Рыба является одним из важнейших источников пищи человека. Ее ценность, как продукта питания, определяется в первую очередь наличием большого количества полноценных белков, содержащих все восемь жизненно необходимых незаменимых аминокислот. Все это делает рыбу незаменимой и особенно ценной в детском, лечебном и диетическом питании.

Продукцию из водных биологических ресурсов используют в качестве лечебных, лечебно-профилактических и диетических продуктов, а рыбий жир – для профилактики и лечения ишемической болезни сердца, атеросклероза, для снижения уровня холестерина в крови, поддержания эластичности кровеносных сосудов. Не случайно в странах с высоким потреблением рыбопродукции отмечена и высокая продолжительность жизни (Япония, Норвегия, Исландия).

Кроме того из рыбы получают не только ценные лечебные продукты, но и кормовую и техническую продукцию, которую используют в животноводстве, звероводстве, микробиологии, кондитерском, фармацевтическом, косметическом и ряде других производств. Такое комплексное и разностороннее использование рыбы основано на том, что отдельные части ее тела имеют различное строение и химический состав. Размеры, химический состав и пищевая ценность рыбы зависят от ее вида, возраста, пола, физиологического состояния и условий обитания.

Мышечная ткань состоит из волокон, представляющих собой сильно вытянутые клетки. Мясо рыб очень рыхло, богато влагой и содержит соединительную ткань без эластических волокон. Из-за этого у очень многих видов мясо пронизано массой межмышечных косточек, заменяющих эластические волокна мышц млекопитающих.

У щуки мышцы серые, у судака – белые, у форели – розовые, у большинства карповых и других рыб бесцветны в сыром виде и становятся белыми после варки. Белые мышцы по сравнению с красными содержат меньше железа и больше фосфора. Цвет мышц во многом зависит от внешней среды, физиологического состояния и состава пищи.

Жабры обильно снабжены кровеносными сосудами. У живой и свежей мертвой рыбы жабры ярко красного цвета. Количество крови у рыб небольшое и составляет 1/63 часть от всей массы. Полное обескровливание происходит во время извлечения внутренностей из только что выловленной и убитой рыбы.

К органам пищеварения помимо пищеварительного тракта относятся печень и поджелудочная железа. Слюнные железы отсутствуют. У растительноядных длина кишечника превосходит длину тела в 15 раз, у всеядных (карп, карась) в 2-3 раза, у хищных в 0,6-1,2 раза. Желудок, кишечник, пилорические придатки рыб являются ценным сырьем для получения витаминных препаратов, жира и кормовых продуктов – особенно у морских рыб.

Печень – крупная пищеварительная железа имеет большую переднюю долю и две задние (боковые). Желчный пузырь лежит у передней доли и часто бывает покрыт со всех сторон тканью печени.

Печень отличается высоким содержанием жира, у большинства видов в среднем – 20%, а у таких как треска, палтус, колючая акула – 62-73%. Т.е печень рыб является очень ценным пищевым продуктом. Но главная ее ценность заключается в высоком содержании витаминов А, D и Е, особенно в печени хищных рыб.

Поджелудочная железа у большинства рыб микроскопически не обнаруживается и ее можно различить лишь на гистологических препаратах.

Почки у рыб слабо развиты и имеют вид темно-красных рыхлых лент, вытянутых вдоль полости тела, плотно прилегающих к позвоночнику над плавательным пузырем.

Половые органы: у самцов – семенники (молоки) уступают по пищевой ценности мясу из-за меньшего содержания незаменимых аминокислот; у самок – яичники (ястыки). Икра у разных рыб имеет разную окраску от черной до желтой. Икра обладает высокой пищевой ценностью, что обусловлено высоким содержанием в ней белка (26-28%) и жира (16-18%).

Плавательный пузырь – вырост передней части кишечника. Заполнен газами, соотношение которых может меняться (не идентичен атмосферному воздуху). Отсутствует у донных видов рыб и хорошо плавающих, совершающих быстрые перемещения по вертикали. У рыб лежалых и несвежих плавательный пузырь опавший. Содержит большое количество коллагена.

Чешуя используется для получения клея, благодаря наличию коллагеноподобных веществ. Кристаллы гуанина, придающие блеск чешуе, используют для блеска в косметических лаках.

Голову, плавники, позвоночник используют для получения кормовой рыбной муки для изготовления комбикормов.

Промысловые показатели, химический состав, пищевая и биологическая ценность рыбы зависят от ее вида, породы, возраста, пола, физиологического состояния, штучной массы, времени и места вылова, биотехники выращивания (плотность посадки, кормление и др.), сроков и условий хранения.

Плотность – отношения массы рыбы к ее объему. У живой и свежей уснувшей рыбы с неопавшим плавательным пузырем удельная масса близка к единице (1,01). Потрошеная рыба и отдельные ее части имеют плотность более 1 (1,05-1,08) и потому в воде тонут. С увеличением размеров плотность ее повышается.

Выход отдельных частей тела у прудовых карповых рыб (карп, толстолобик, амур) при массе тела 450-880 г в среднем составляет следующие величины:

Мышцы с кожей – 48-57,4%;

Голова – 16,6-20,8%

Чешуя – 3,2-6,4%

Плавники – 4,0 -5,3%

Внутренние органы – 8,8-14,4%

Осевой скелет – 3,9-5,2%

Потери при разделке – 1,3-3,1%

Выход съедобной части (филе) рыб от общей товарной массы:

Карп – 49-52%

Судак – 59%

Угорь – 75%

Щука – 43%

Карась – 44%

Мясом у рыб принято называть мышцы туловища вместе с заключенными в них соединительной и жировой тканями, кровеносными и лимфотическими сосудами, мелкими межмышечными косточками.

Предел колебаний содержания основных веществ в мясе пресноводных рыб находится в диапазоне: вода – 54-79%; белок – 14-20%; жир – 0,6-30%; минеральные вещества – 1,0-2,0%

Примеры по некоторым видам рыб представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав пресноводных рыб, г в 100 г мяса

Вид рыб Вода Белки Жиры Зола
Карп 71,7 16,6 10,7 1,0
Судак 78,9 19,0 0,8 1,3
Угорь 53,5 14,5 30,5 1,5
Щука 79,4 18,8 0,7 1,1
Хариус 74,8 20,6 3,3 1,3

Характерная особенность химического состава рыб – наличие взаимосвязи между уровнем жира и воды: чем больше жира в рыбе, тем меньше воды и наоборот. А их суммарное количество в теле пресноводных рыб сравнительно постоянная величина и составляет в среднем 80-82%.

Содержание жира – один из главных показателей, по которому судят о ценности рыбы того или иного вида.

Рыб обычно разделяют на:

– нежирных или тощих до 2-4% жира (тресковые, окуневые, щука и др.);

– средне жирных — от 4 до 8% жира (зубатка полосатая, зубатка пятнистая, карповые, сиговые, сом, некоторые лососевые, камбаловые и др.);

– жирных — от 8 до 15 % жира (осетровые, лососевые и др.);

– очень жирных — более 18 % жира (угорь, минога, сельди и др.).

Жиры рыб, в отличие от жиров теплокровных животных при комнатной температуре имеют жидкую консистенцию благодаря наличию в их составе большого количества глицеридов ненасыщенных жирных кислот.

В рыбе содержится особый класс полиненасыщенных жирных кислот (Омега-3 жирных кислот), необходимых для обеспечения многих важных физиологических функций, в том числе адекватного иммунного ответа и синтеза ряда гормоноподобных соединений с высокой физиологической активностью – эйкозаноидов.

Незаменимые жирные кислоты – вещества, которым принадлежит важная роль в построении клеточных мембран и регулировании процесса метаболизма. Они не синтезируются в организме, поэтому обязательно должны присутствовать в рационе питания. Жирные кислоты повышают эластичность кровеносных сосудов и способствуют выводу холестерина, тем самым предотвращая развитие атеросклероза и других сердечно-сосудистых заболеваний [9].

По содержанию белка рыбу условно подразделяют на:

– рыбу с низким количеством белка — от 13 до 16 % (мойва, минога, макрос);

– рыбу со средним количеством белка — от 17 до 20 % (салака, сардина, севрюга, сельди, сиг, хариус, щука и др.);

– рыбу с высоким содержанием белка — от 21 до 23 % (кета, тунец, горбуша, семга и др.).

На долю рыбы приходится около 17% общемирового потребления животного белка и 6,5% всего потребленного белка. В целом около 7,5 млн. человек получают из рыбы почти 15-20% потребляемого ими белка.

Как известно, белки состоят из 22 различных аминокислот, среди которых различают заменимые (синтезирующиеся в организме животных и человека и 8 незаменимых (которые не могут синтезироваться в организме человека и должны быть получены с пищей). К числу последних относятся аргенин, валин, гистидин, изолейцин и лейцин, лизин, митионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Белки, содержащие их, называются полноценными. К ним относятся практически все белки мяса рыб. Содержание отдельных аминокислот меняется от целого ряда перечисленных ранее внешних факторов.

Причем незаменимые аминокислоты должны не просто присутствовать в пище, а быть по своему содержанию сбалансированы друг с другом, т.к. отсутствие или недостаток одной из них резко уменьшают эффективность других. Именно такое оптимальное соотношение аминокислот и характерно для мяса рыб. На рисунке 2 показано сравнительное содержание аминокислот в прудовой рыбе и другом сырье.

word image 627 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 2 – Содержание аминокислот в прудовой рыбе и другом сырье [10]

Продукция, полученная из водных животных, богата белками, в которых представлены все необходимые аминокислоты в оптимально сбалансированных пропорциях. Главное их отличие от белков теплокровных животных состоит в лучшей перевариваемости ферментами желудочно-кишечного тракта человека и высокой степени усвояемости (95–98%). Мясо рыб и морепродуктов содержит мало грубой соединительной ткани. В нем преобладают полноценные белки мышечной ткани, которые, воздействуя на пищеварительные железы, способствуют выделению большого количества сока.

Уровень небелковых азотистых веществ может варьировать. Не смотря на небольшое содержание их в мясе, они придают рыбе специфические вкус, запах и влияют на секрецию пищеварительных соков, возбуждая аппетит и также способствуя лучшему усвоению пищи. Установлено, что объемное количество пищеварительных соков (желудочного и поджелудочного) при рыбной пище выделяется в большем размере (на 66%), чем при мясной. Вследствие чего мясо рыбы и морепродуктов переваривается за 2,5–3 часа [Шебела, Сарбатова, 2014]. В этой связи уха является более питательным продуктом, чем бульон из мяса теплокровных животных.

Не случайно в вечернее время рекомендуются блюда из рыбы, а не из мяса. Эта рекомендация направлена на обеспечение ночного «отдыха» органов пищеварения. Рыба часто включается в рационы при заболеваниях органов пищеварения.

Белки рыб обладают очень важной способностью связывать некоторые ядовитые вещества в трудно растворимые комплексы, которые затем выводятся из организма [11].

Наряду с мясом рыба содержит достаточное количество серосодержащих аминокислот (метионин и цистин), а также аминокислот, способствующих росту организма (лизин и триптофан). В отличие от мяса, жиры рыб, особенно морских и некоторых других водных организмов содержат незаменимые для человека полинасыщенные жирные кислоты группы омега-3 и омега-6 – важнейшее средство профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, которые почти на 60% определяют общую смертность в России. По данным ученых-кардиологов, регулярное потребление рыбы снижает вероятность смерти от болезней сердца на 15%.

Углеводы в тканях рыб содержаться в небольшом количестве (0,037%), поэтому при определении пищевой ценности их не учитывают.

Рыба и морепродукты – хороший источник жирорастворимых витаминов (A, D2). Минеральный состав мяса гидробионтов отличается широким спектром макро- и микроэлементов (кальций, фтор, железо, йод, медь, цинк и др.).

Витамины – необходимые органические вещества для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Большей частью они не синтезируется в организме, а поступают извне, с продуктами питания и являются регуляторами процесса обмена веществ и источником энергии [7].

Витамины содержатся в основном во внутренних органах, а не в мышцах. При этом витамина А (витамин роста) содержится во много раз больше, чем в организме других животных. Следует также отметить содержание витаминов D3 (антирахитический) и Е (токоферол, фактор размножения). Рыбы богаче мяса теплокровных животных витаминами РР и В6.

Минеральные вещества способствуют активизации деятельности ферментов, улучшают работу иммунной системы, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления в клетках. Эти условия необходимы для нормального функционирования клеток и тканей [7].

Минеральные вещества содержатся в золе, преобладают макроэлементы: калий, фосфор, сера, хлор; микроэлементы: цинк, железо, марганец, медь и др. Содержание минеральных элементов очень сильно зависит от наличия их в воде и кормах и в незначительной степени от вида и возраста.

Пищевая и биологическая ценность мяса рыбы

Пищевая ценность – способность продукта удовлетворять потребности человека в энергии, питательных и биологически активных веществах, необходимых для обеспечения здоровья и нормальной жизнедеятельности людей. Определяется химическим составом и физической структурой продукта. В первую очередь это полноценные белки, жиры, витамины и минералы.

Пищевая ценность рыбы и рыбопродуктов близка к пищевой ценности мяса, данная группа продуктов является важнейшим источником высококачественного белка, легко усвояемого железа и витамина В12.

Однако ценность рыб зависит не только от содержания белка и жира, но и от вкусовых и ароматических свойств мяса, его цвета, плотности, степени нежности или жесткости, сухости или сочности, от размера рыбы ее формы, и главное от соотношения съедобных и несъедобных частей тела.

Например, судак, как тощая и бедная жирами рыба по калорийности в 4 раза ниже красноперки, но ценится значительно выше последней.

Мелкие экземпляры одного и того же вида (породы) менее ценные, чем крупные.

Условия содержания в аквакультуре очень сильно влияют на качество рыбы. Например, за период зимовки в зимовальных бассейнах масса снижается на 10-16%, содержание жира в теле на 31,3-43,1%, белка – на 17-30%, а общее количество энергии – на 32-40%.

Сравнительная переваримость говядины (in vitro) и мяса некоторых видов рыб характеризуется следующими показателями:

говядина – 100%; лосось – 92%, форель и карп – 78%; угорь – 72%; толстолобик – 80%.

Общераспространенное мнение, что рыба переваривается легче говядины, объясняется тем, что свежая рыба, съеденная даже в эквивалентных весовых количествах, по отношению к мясу, благодаря высокому содержанию в ней воды даже в вареном виде (рыба при варке теряет всего от 10 до 15% массы, говядина от 40 до 50%) и большей нежности мышечных волокон оставляет меньшее ощущение тяжести в желудке, чем сваренное или жаренное мясо.

Степень переваримости мяса рыб зависит от вида рыбы, содержания в ней жира (жирная рыба переваривается труднее, но она вкуснее и дольше оставляет чувство сытости). Соленая, сушеная, жареная рыба переваривается труднее, чем вареная.

Питательная ценность рыбы характеризуется не только переваримостью, но и усвояемостью:

– у теплокровных – белки усваиваются на 98%, жиры – на 94%;

– у рыб – белки – на 96%, жиры – на 91%.

Для удобства сравнения пищевой ценности разных рыб и сопоставления их с другими продуктами питания необходимо учитывать калорийность (энергетическую ценность) ее мяса, т.е. количество тепла, которое может быть получено в организме человека при окислении белков и жира, содержащихся в 100 г мяса рыбы:

Говядина 1 кат. – 187 ккал;

Свинина мясная – 355 ккал;

Баранина 1 кат. – 203 ккал;

Крольчатина – 199 ккал;

Ерш – 150 ккал;

Карп – 96 ккал;

Сом -173 ккал;

Угорь – 333 ккал;

Щука – 82 ккал.

Биологическая ценность – показатель, определяющий степень соответствия продукта оптимальным потребностям человека и гарантированной безвредности по физиологическим нормам. Принято считать, что биологическая ценность характеризуется наличием в продуктах биологически активных веществ: незаменимых аминокислот, витаминов, макро– и микроэлементов, незаменимой полиненасыщенной линолевой жирной кислоты. Эти компоненты пищи имеют химические структуры, которые не синтезируются ферментными системами организма, и поэтому не могут быть заменены другими пищевыми веществами. Они называются эссенциальными (незаменимыми) факторами питания и должны поступать в организм с пищей. В ходе длительной эволюции живой природы вырабатывались типы обмена веществ, которые определяют незаменимость отдельных компонентов пищи и соответствующую ферментную организацию клеток и тканей организма [12].

Сравнительная биологическая ценность мяса теплокровных и рыб характеризуется следующими показателями (в среднем по отношению к свинине, %):

Свинина – 100 %;

Говядина – 86;

Баранина – 82;

Крольчатина – 81;

Карп – 72.

Подводя общий итог сказанному, можно резюмировать следующее: мясо рыб по химическому составу, пищевой и биологической ценности незначительно уступает мясу теплокровных животных, а по количеству незаменимых аминокислот и минеральных элементов превосходит мясо последних. При этом люди, питающиеся животной пищей только за счет рыб или главным образом рыбой, меньше болеют и лишены тех недугов, которые обычно проявляются у пожилых людей, употребляющих больше мясо теплокровных животных.

В общем балансе пищевой промышленности страны на долю рыбной отрасли приходится около 20 % полноценного белка животного происхождения, рыбная промышленность выпускает более 2500 наименований пищевой продукции. Однако свыше 21% населения недостаточно использует для питания рыбу и рыбопродукты.

Потребление рыбы в нашей стране на душу населения за последние 5 лет по данным Росстата, снизилось — на 29% у женщин и на 28% у мужчин. В 2018 году в среднем россияне съедали 14,4 и 19,5 кг рыбы соответственно [13], в том числе из аквакультуры 2,7 кг/чел. В год.

Проводившиеся опросы [14] показали, что при выборе в меню между мясом, рыбой, птицей, россияне скорее предпочтут мясо (44%), рыба – на втором месте (31%). Женщины одинаково часто выбирают и рыбу (37%), и мясо (35%), а опрошенные старше 60 лет ставят ее на первое место (39%). Для молодых людей до 25 лет рыба является наименее приоритетным выбором (11%). Почти половина россиян (48%) говорят о том, что хотели бы есть рыбу чаще, при этом 36% считают, что найти рыбную продукцию хорошего качества сложно.

Две трети опрошенных (67%) еженедельно употребляют блюда из рыбы, приготовленные дома или в кафе, в том числе каждый третий (34%) – один раз в неделю, каждый пятый (22%) – два раза, 7% – три раза, 4% – четыре раза в неделю и более. Люди старших возрастных групп чаще остальных предпочитают рыбные блюда, которые требуют приготовления (73% среди 45-59-летних). Готовую рыбную продукцию каждую неделю едят несколько реже (59%). Среди 25-34-летних эта доля выше (65%), а старшее поколение (60 лет+), наоборот, меньше остальных употребляют готовые рыбные изделия (50%).

3. Опыт и пути получения продуктов функциональных питания в аквакультуре

В условиях современного рынка производство качественной, рентабельной, конкурентноспособной продукции просто невозможно без использования передовых технологий и инновационных решений в области обеспечения людей продуктами питания. Инновации в сфере пищевых технологий подчинены поиску способов и средств, обеспечивающих экономичное получение и гарантирующих максимальные безопасность и качество пищевых продуктов, включая пищевую ценность, органолептические свойства, а также свойства, определяющие пользу для здоровья, совокупность которых непосредственно зависит от ингредиентного состава пищевого продукта. Создание изделий массового потребления повышенной пищевой и биологической ценности, а также продуктов профилактического и диетического назначения требует расширения и совершенствования сырьевой базы отечественной промышленности [12]. Одним из таких направлений может стать производство нового поколения продукции в условиях аквакультуры.

Известно, что функциональные продукты по своим свойствам и способу происхождения разделяются на: натуральные и искусственные (обогащенные).

Натуральные функциональные продукты изначально содержат в своем составе большое количество витаминов, микроэлементов, белков и других полезных компонентов. Например, шпинат – овощная трава, которая от природы наделена массой функциональных ингредиентов.

Искусственные функциональные продукты обогащены полезными компонентами посредством специальной технологической обработки. Примером может служить натуральный апельсиновый сок, обогащенный природным кальцием. Витамин С, которым богат этот цитрус, повышает усвояемость кальция.

Рыбы относятся к натуральному сырью животного происхождения и, как было показано выше, в своем составе имеют витамины, белки, жиры, минералы и другие компоненты в сбалансированных пропорциях. Их систематическое употребление способствует нормализации и ускорению процесса метаболизма. При этом мясо рыбы не относится к лекарственным средствам и биологически активным добавкам и его употребление исключает последствия передозировки перечисленных выше веществ. Таким образом выращенная рыба, при определенных условиях может считаться продуктом функционального питания.

Рассматривая второе направление получения продуктов функционального питания путем обогащения животного сырья полезными компонентами посредством специальной технологической обработки, следует отметить два пути его осуществления:

– прижизненное обогащение живого организма полезными нутриентами путем их включения в рацион животных (в т.ч. рыб) с последующим накоплением в их органах и тканях;

– введение нутриентов в полученное животное сырье в процессе его переработки.

Анализ доступной нам литературы показывает, что в целом оба направления получения продуктов функционального питания из животного сырья применяется, как в мировой, так и отечественной практике. Однако для этих целей наиболее часто используются мясомолочный скот и молочные продукты, а также птица и их яйца.

Прием прижизненного обогащения живого организма менее распространен и предполагает получение сырья с заданным компонентным составом. Например, прижизненная модификация жирнокислотного состава мяса с целью повышения содержания в нем ненасыщенных жирных кислот. В этом случае модификация предполагает длительное скармливание животным кормов, обогащенных растительным жировым компонентом, в частности соевым шротом, растительными маслами с высоким содержанием полиненасыщенных жирных кислот. Другой пример модификации свойств мяса птицы, кроликов и скота – скармливание им корма, обогащенного селеном и α-токоферолом [8].

В настоящее время нет комплексных разработок технологий производства сырья и продуктов животноводства с оптимальной питательной ценностью и оздоровляющими свойствами. Нет и четкой увязанности звеньев во всей продовольственной цепочке: «почва — вода — корма — животное (порода, генотип, система содержания и откорма) — сырье/продукт животноводства (технологическая, химическая и биологическая оценка; экономический анализ) — одобрение со стороны потребителей и здоровье потребителя» [15].

Если говорить о рыбоводной продукции, то прижизненное обогащение выращиваемых рыб для получения функциональных продуктов еще не нашло широкого применения, чаше практикуется введение нутриентов в полученное сырье из морских видов рыб в процессе его переработки.

Однако химические добавки могут приносить потребителям новые, не редко, ещё более острые проблемы со здоровьем потребителей, поскольку только при потреблении натуральных витаминов и микроэлементов передозировка практически невозможна. Ведь организм берёт себе ровно столько, сколько считает необходимым. Для создания качественных обогащенных продуктов необходимо высокотехнологичное, а значит и дорогостоящее оборудование, экологически чистое и генетически не модифицированное сырьё. Не многие производители продуктов питания могут себе позволить подобное качество производства.

Исследования по получению функциональных продуктов в аквакультуре весьма ограничены, фрагментарны и начаты сравнительно недавно. Вместе с тем стремительно развивающийся сегмент сырьевых ресурсов в виде аквакультуры, требует самого пристального внимания учёных и специалистов, как потенциальный источник для производства функциональной продукции. Возросший спрос на недорогую прудовую рыбу и изделия из нее, дает возможность задействовать для их производства местные сырьевые ресурсы. В связи с этим особое значение приобретают научно-обоснованные подходы к оценке качества рыбного сырья, его технологической пригодности, обеспечение высоких потребительских оценок, разработки системы контроля качества сырья и выпускаемой продукции [11]. Отмечается, что рыбное сырье в сочетании с овощами, крупами и растительным маслом позволяет создавать сбалансированные по составу продукты функционального назначения [16].

В Воронежском государственном университете инженерных технологий проведены исследования по разработке технологии аналоговых продуктов из прудовых рыб, наиболее распространенных в данном регионе, с заданными свойствами и повышенной пищевой и биологической ценностью (карпа, толстолобика, белого амура и щуки). Было установлено, что в исследуемых образцах мяса прудовых рыб содержание незаменимых аминокислот и витаминов составило 27% от суточной потребности человека, что доказывает целесообразность создания биологически полноценных и функциональных продуктов питания на основе мышечной ткани этих прудовых рыб [17].

На высокую биологическую ценность прудовых растительноядных рыбы (белый и пестрый толстолобики, белый амур) указывают и другие исследователи, рекомендуя их для поддержания состояния здоровья различных групп населения, особенно пожилых людей и детей [12].

Перспективным объектом индустриальной аквакультуры является африканский клариевый сом (Clarias gariepinus). Считают, что исходя из установленного его химического состава и функционально-технологических свойств сырья, этот объект аквакультуры перспективен для создания поликомпонентных продуктов функционального назначения. Внедрение в производство технологии многокомпонентных продуктов функционального назначения из мышечной ткани объектов аквакультуры является актуальным направлением, позволяющим применять комплексные ресурсосберегающие технологии сбалансированных поли компонентных продуктов питания диабетического, диетического и геродиетического направлений [18].

Можно согласиться с исследователями из Ульяновского аграрного университета, что в России практически отсутствует практика конструирования продуктов функционального назначения в аквакультуре. Однако теоретические знания об адаптогенах – веществ, способных вызвать состояние неспецифической повышенной сопротивляемости организма – и механизмах их действия на организм позволяют предполагать, что задача конструирования продукта функционального питания в виде живой и свежей рыбы, обогащенной адаптогенами, вполне решаема в условиях индустриальной аквакультуры [19, 20].

Эти авторы рассматривали проблему конструирования рыбного продукта функционального назначения при производстве товарной рыбы в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре. Ими приведены теоретическое обоснование использования пробиотиков, адаптогенов, витаминов с целью создания продукта функционального назначения – живой и свежей рыбы не на этапе технологической переработки, а в процессе выращивания. Показана возможность использования в качестве адаптогена препарата отечественного производства синтетического аналога природных адаптогенов (женьшеня, аралии, элеутерококка, родиолы розовой). Препарат не вызывал побочных эффектов, не накапливается в организме, не загрязнял окружающую среду. Отмечена повышенная резистентность рыб к длительному действию неблагоприятных факторов среды. «Иркутин» стимулировал усвоение метионина, участвующего в образовании гормонов передней доли гипофиза, предотвращал задержку роста, регулировал липидный обмен. Все эти свойства, по мнению исследователей, свидетельствуют о целесообразности использования адаптогена «Иркутин» для выращивания рыбы как продукта функционального назначения. Живая и свежая рыба, полученная в индустриальной аквакультуре по этой технологии, будет являться оздоравливающим продуктом широкого спектра действия, содержащим необходимые организму человека адаптогены, пробиотики и витамины.

При этом следует отметить, что введение в рацион различных биологически активных добавок и других нутриентов (витамины; пробиотики; пребиотики; минеральные вещества и т.д.) в корма для рыб практикуется достаточно широко [21, 22, 23 и др.].

Так было показано влияние пробиотика «Субтилис» на интерьерные показатели внутренних органов клариевых сомов. В опытных вариантах отмечено статистически значимые увеличение сердца, печени, количества внутреннего жира [24].

Изучались рост и рыбоводно-физиологические показатели нильской тиляпии при выращивании на комбикормах с добавкой «Метаболит плюс». Было установлено, что ее введение в комбикорм при промышленном выращивании тиляпии в бассейнах в объеме 1–3% от массы корма, улучшало физиологическое состояние, экстерьерно-интерьерные показатели особей, повышало скорость роста рыб, оплату корма и выход съедобных частей [25]. С аналогичными целями, а также для повышения стрессоустойчивости и сохранности карпа при транспортировке проводились исследования по использованию комплексного препарата «Виусид-Вет» в кормлении карпа в садках [26].

Показан положительный эффект использования бактерийных препаратов «Ферм-КМ» и «Простор» в кормлении осетровых рыб для повышения репродуктивных качеств производителей и улучшения рыбоводно-биологических, гематологических, микробиологических и экономических показателей товарного выращивания [27].

Однако цель этих и других аналогичных исследований не предусматривала разработки методов получения функциональной пищевой рыбопродукции, а заключалась в улучшении физиологического состояния выращиваемых рыб, повышении скорости их роста, и в итоге – повышении рыбопродуктивности.

В плане «конструирования» рыбы как продукта функционального назначения рассматривались перспективы использования пробиотиков «Споротермин» и «Пролам». Использование пробиотиков было обусловлено необходимостью снижения уровня условно-патогенной микробиоты в органах и тканях рыб вследствие органического загрязнения воды продуктами метаболизма рыб при высокой плотности посадки. Авторы справедливо отмечали, что использование пробиотиков в индустриальной аквакультуре является хорошей альтернативой антибиотикам, при этом продукт, обогащенный адаптогенами и пробиотиками, является экологически чистым. При этом в работе не ставилась задача создания функционального продукта узконаправленного действия [19; 20].

Элементы, концентрация которых в воде обычно невелика, должны поступать в организм с пищей [28]. Обычно к ним относят фосфор, цинк, йод, марганец, кобальт, селен и другие.

При разработке функциональных продуктов питания необходимо соблюдать следующие принципы: для обогащения продуктов питания в первую очередь используются те ингредиенты, дефицит которых действительно имеет место, широко распространен и не опасен для здоровья. Для России это витамины С, группы В, минеральные вещества, такие как йод, железо и кальций [12].

В аквакультуре рыбу можно обогащать витаминами А, Е, Н, В2, С, которые вводятся с кормами. Исследований, посвященных использованию витаминов при выращивании рыбы в аквакультуре, крайне мало [29, 30].

Среди наиболее востребованных в настоящее время функциональных продуктов являются йод обогащённые, так как у населения центральных регионов России широко регистрируется как эндемическая, так и индивидуальная йодная недостаточность, связанная с пищевыми предпочтениями и низким потреблением морской рыбы и нерыбных гидробионтов.

Потребность в йоде зависит от возраста человека и его физиологического состояния. Йод является вторым после железа минералом, признанным жизненно необходимым для человека. Потребность в йоде составляет 50 мкг/сут. У детей 1-го года жизни, 90 мкг/сут. – у детей в возрасте от 1 года до 6 лет, 120 мкг/сут. – в возрасте от 7 до 10 лет и 150—200 мкг/сут. – у подростков в период полового созревания и взрослых. Во время беременности и лактации потребность в йоде возрастает до 200-300 мкг/сут. [30; 31].

В Воронежской области была проведена оценка перспективы использования прудовой рыбы в качестве сырья для производства йодобогащенных функциональных продуктов. Результаты, закономерно показали довольно низкое по сравнению с морской рыбой содержание йода в мясе карпов (0,14 ± 0,01 мг на кг свежей ткани). Аналогичный показатель в морских видах рыб превышает содержание йода в пресноводной рыбе в 5-10 раз [32]. В среднем в пресноводных рыбах содержится 6,6 мкг йода на 100 г. Сухого вещества, в проходных – 69,1 мкг, в полупроходных – 26 мкг, в морских – 245 мкг. [33].

Поэтому было предложено осуществлять коррекцию мяса карпа по содержанию йода, используя в качестве его источника гидробионтов морского происхождения: промысловых беспозвоночных (кальмаров) и ламинарию (морскую капусту). Полученные продукты йодобогащенных рыбных фаршевых полуфабрикатов на основе прудовой рыбы являлись источниками йода в питании человека [34].

Отдельно следует выделить серию исследований по обогащению различных видов выращиваемых рыб йодом, которые были проведены в Саратовском государственном аграрном университете [35; 36 и др.]. Эти работы отличает комплексный подход к изучению проблемы, заключающийся в том, что авторами изучены не только влияние йодсодержащих препаратов на морфофизиологические и рыбоводно-биологические показатели объектов выращивания, но и на пищевое качество полученной рыбоводной продукции, а также на содержание йода в органах и тканях изучаемых особей. В результате была наглядно продемонстрирована возможность прижизненного обогащения рыб столь важным нутриентом, как йод.

Йод поддерживает нормальное функционирование щитовидной железы и продукцию тиреоидных гормонов и способствует нормализации когнитивной (познавательной) деятельности. Гормон щитовидной железы тироксин на 65 % состоит из йода. Именно этот микроэлемент обеспечивает устойчивость организма к повреждающим факторам внешней среды: радиации, химическим ядам, травмам и т.д. Йод увеличивает способность лейкоцитов разрушать болезнетворные микроорганизмы, обладает антисклеротическим действием, улучшает показатели гемоглобина, эритроцитов.

Некоторые научные исследования показывают, что йод, поступающий в организм рыб, способен накапливаться, оказывая положительное влияние на рост, развитие, биохимические показатели крови и функциональную деятельность щитовидной железы [37; 38; 39; 40]. Ликвидируя дефицит йода у самих животных, можно повысить эффективность производства и качество сельскохозяйственной продукции с высокими функциональными свойствами [40].

В настоящее время появилась возможность включать в рационы сельскохозяйственных животных органические соединения йода. Они проявляют высокую химическую стабильность, т.к. органический йод ковалентно связан с аминокислотами, не вступает в химические реакции с органическими веществами, присутствующими в организме. Для населения одним из основных источников йода является продукция животноводства, обогащенная йодом за счет использования йодсодержащих добавок в рационах животных [36].

В результате проведенных исследований установлены оптимальные дозы органического йода для ленского осетра и карпа в составе «Абиопептид с йодом» – 200,0 мкг, для ленского осетра и радужной форели в составе «ОМЭК-J» – 200,0 и 300,0 мкг на 1,0 кг массы рыбы. Было показано, что выращивание товарной рыбы с использованием в кормлении оптимальных дозировок органического йода позволяет поддерживать химический состав мышечной ткани на оптимальном уровне и аккумулировать в ней йод, повышает товарные качества рыбной продукции и уровень рентабельности производства товарной рыбы

Фиксировалось достоверное увеличение содержания йода в мышечной ткани сибирского осетра: до 77,6 мкг/кг, что на 36,6% выше, чем в контрольной группе, не получавшей йодсодержащую добавку. Содержание йода в мышечной ткани сибирского осетра увеличивалось на 14,6-20,8 мкг/кг. Вводимый в рацион с комбикормом органический йод в дозировке 200,0 мкг/кг, по – видимому, тот оптимум, при котором он не оказывал токсического влияния на организм осетра и откладывается в мышечной ткани [35; 36].

У всех животных существует порог, до которого поступающий из внешней среды йод в различных соединениях может усваиваться. Выше этого порога излишний йод выводится организмом почками с мочой или с фекалиями [36].

Результаты дегустации показали, что йод в составе биологически активной добавки «Абиопептид с йодом» не оказал достоверного влияния на качество отварного мяса ленского осетра и бульона. При этом, авторы отмечали улучшение их качества.

Аналогичные положительные результаты были получены при выращивании трехлетков карпа в садках, где количество ассимилированного йода было на 49,2%, выше данного показателя в контрольной группе.

В ходе кулинарных обработок: копчения и варки, содержание йода в контрольной группе снизилось, соответственно, в 3,44 и 11,48 раза, а в опытной группе лишь в 1,89 и 3 раза. В результате чего в образцах опытной группы йода было больше, соответственно, в 2,85 и 6,01 раза, чем в контроле.

Таким образом, исследователи продемонстрировали, что копчение рыбной продукции позволяет сохранить йод до 53%.

В мышечной ткани радужной форели опытных групп количество ассимилированного йода достигло значений 129,9 и 128,3 мкг на 1 кг массы рыбы, что на 51,7 и 50,1 мкг больше уровня йода в мышечной ткани рыб контрольной группы [36].

Помимо исследований с введением в корма йодсодержащих препаратов, были проведены опыты по влиянию селенсодержащего препарата ДАФС-25 на динамику накопления и распределения селена в организме годовиков карпа. Было установлено, что введение препарата ДАФС-25 в состав его рациона в дозе 1,2 мг на 1,0 кг корма способствует повышению концентрации селена в органах и тканях. Так, в контрольной группе содержание селена составило 0,124 мкг/г, в опытной, – 0,186 мкг/г и в 3 опытной группе – 0,198 мкг/г соответственно. В печени карпа содержание селена по отношению к контролю увеличилось на 0,075 мкг (0,213 мкг/г). Наибольшее накопление селена в органах и тканях происходило в следующей последовательности: жабры, печень, мышцы и чешуя [41].

Таким образом, как и из любого животного сырья функциональные продукты питания из рыбы могут быть получены традиционными методами или в результате технологических модификаций — за счет обогащения биоактивными веществами, исключения определенных соединений, непитательных веществ, повышения биодоступности питательных и других элементов.

Что касается рыбы, то следует выбрать соответствующие их одомашненные формы, отечественные породы для выращивания в сбалансированных экосистемах рыбоводного производства.

4 Установки с замкнутым водоиспользованием, как средство производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания

Поскольку функциональные продукты изготавливаются только из экологически чистого сырья высокого качества, выращенная в аквакультуре продукция должна полностью соответствовать указанному требованию.

Известно, что товарное выращивание гидробионтов осуществляется несколькими способами:

– пастбищным в естественных водоемах (озерах, прибрежных морских акваториях);

– в прудовых рыбоводных хозяйствах;

– индустриальными методами в садках и бассейнах, в т.ч. бассейнах с замкнутым водоснабжением.

При этом гарантированное получение экологически чистой рыбоводной продукции можно добиться только в последнем случае – применяя рыбоводные установки с замкнутым водоиспользованием (УЗВ) [42]. Это связано с одной из сложнейших и насущных проблем современного мира – глобальным загрязнением окружающей среды, что в полной мере относится к водным экосистемам, являющимся неотъемлемой частью биосферы и одними из главных источников пищевых ресурсов. Лимитирующими факторами выступают земельные и водные ресурсы, а также их экологическое состояние [42; 43; 44; 45].

Исследования, проведённые еще в конце 80-х годов прошлого века показали, что уже тогда вода во всех рыбоводных хозяйствах Московской области и Центрально-Чернозёмных областях России не отвечала ветеринарно-санитарным требованиям, по целому ряду бактериологических показателей [46], что указывает на высокий уровень загрязнения исходных водоисточников органическими веществами.

Независимость производственного процесса от природно-климатических условий позволяет исключить экологические риски при выращивании рыбы, иногда возникающие при ее культивировании в прудах или естественных водоемах из-за антропогенного загрязнения окружающей среды и водных ресурсов.

Сегодня индустриальная аквакультура во всём мире получила бурное развитие. Она характеризуется применением высоких плотностей посадки рыбы, и достижением очень высокого выхода рыбопродукции с единицы объёма или площади.

Индустриальная аквакультура нацелена на быстрорастущие виды и породы рыб, которые адаптированы к обитанию в искусственно созданных условиях, приспособлены к питанию искусственными кормами, хорошо переносят высокие плотности посадки. Современная высокотехнологичная индустриальная аквакультура обладает всем необходимым для удовлетворения возрастающих потребностей населения в высококачественных рыбных продуктах [47].

При этом высшей формой развития индустриальной аквакультуры является выращивание рыбы и других гидробионтов в установках с замкнутым водоиспользованием. Наш собственный опыт 25-летних исследований, а также работы других учёных показали, что при эксплуатации подобных установок достигается полная независимость производственного процесса от природно-климатических условий, а также его непрерывность, независимо от времени года. Благодаря этому появляется возможность выращивания практически любых видов гидробионтов во всех климатических зонах мира.

Оптимизация абиотических факторов среды обитания гидробионтов в замкнутых системах позволяет в 3-6 раз сократить время их выращивания, созревания производителей и формирования маточных стад, круглогодично получать жизнестойкую молодь и крупный посадочный материал для зарыбления искусственных и естественных водоёмов. Одновременно достигается высокая выживаемость выращиваемых объектов, обеспечивается локализация и предотвращение массовых заболеваний.

Использование сверхплотных посадок (200 шт./м3 и выше) позволяет достигать в 1000-2000 раз бόльшую рыбопродуктивность по сравнению с прудовыми хозяйствами и, соответственно, сокращать занимаемую площадь и трудозатраты на единицу продукции.

Появляется возможность использовать для создания рыбоводных хозяйств относительно маломощные водоисточники, сокращая водопотребление в 160 раз. При этом соответственно уменьшается или полностью прекращается сброс сточных вод рыбоводных предприятий.

На базе рыбоводных установок можно создавать искусственные экосистемы, называемые агрогидроэкосистемы, включающие выращивание гидробионтов и утилизацию продуктов их жизнедеятельности. Важным преимуществом по сравнению с традиционными формами аквакультуры является компактность таких агрогидроэкосистем, что позволяет размещать их в любой климатической зоне в непосредственной близости от потребителей – крупных городов, где ощущается дефицит и дороговизна земельных и водных ресурсов.

Кроме того, выращивание рыбы в УЗВ позволяет уйти от сезонности в производстве, обеспечивая стабильность и ритмичность поставок экологически чистой рыбопродукции, в том числе с заданными функциональными свойствами. Это особенно важно, так как недостаточное использование рыбоперерабатывающих мощностей в целом по стране определяется сезонностью добычи водных биоресурсов и неравномерностью обеспечения сырьем рыбоперерабатывающих организаций.

За последние годы в мировой практике накоплен огромный положительный опыт в области разработки и эксплуатации рыбоводных установок с замкнутым водоиспользованием (УЗВ).

4.1. История возникновения и развития

Аквакультура в замкнутых системах является логическим продолжением развития индустриального рыбоводства в садках и бассейнах. В её основе лежат достижения двух направлений: выращивание рыбы на геотермальных водах, тёплых водах энергетических и других производственных объектов и холодноводное индустриальное рыбоводство.

В странах с умеренным климатом выход за пределы температур, наблюдаемых в естественных условиях, открыл поразительные, ранее неизвестные адаптационные и продукционные возможности традиционных объектов аквакультуры, а также возможность массового культивирования тепловодных гидробионтов.

В связи с этим возникло естественное желание рыбоводов использовать преимущества тепловодного рыбоводства. Однако простой подогрев воды перед подачей в рыбоводные ёмкости с прямоточным водоснабжением, предусматривающим однократное её использование и последующий сброс, является крайне энергоёмким и дорогим мероприятием. В связи с этим логично использовать однажды нагретую воду несколько раз, направив её через рыбоводные ёмкости по замкнутому циклу и лишь поддерживая в ней требуемую температуру, снижающуюся из-за неизбежных теплопотерь. Чтобы сделать такую систему независимой от температуры окружающей среды и снизить до минимума теплопотери, её необходимо разместить в отапливаемом помещении.

Параллельно на определённом этапе развития, индустриальное холодноводное рыбоводство, занимающееся выращиванием реафильных гидробионтов, требующих большого количества чистой проточной воды, столкнулось со всё возрастающим дефицитом пригодных для этих целей водоисточников. В связи с возникшей проблемой рыбоводы стали применять многократное использование воды по замкнутому циклу, что в свою очередь также позволило созданному индустриальному производству уйти от климатической зависимости.

Таким образом, на первый взгляд, поставленная задача – использование преимуществ независимого от климатических условий выращивания гидробионтов в регулируемом терморежиме без значительных затрат воды и тепла на её подогрев – решена. Но перед специалистами аквакультуры встала новая проблема. В воде, многократно (как правило, более трёх раз) используемой по замкнутому циклу, происходит значительное накопление загрязнений, выделяемых гидробионтами и остатками кормов, а значит необходимо очищать оборотную воду от накапливающихся загрязняющих веществ.

Загрязнением следует считать любые примеси, содержащиеся в воде, которые вредны для организмов, выращиваемых в ней или для потребителей этих организмов. Поэтому, в состав циркуляционных систем необходимо включать специальные устройства, аппараты и сооружения для очистки циркулирующей воды, обеспечивающие поддержание её качества на требуемом уровне.

По имеющимся у нас данным первое промышленное предприятие для выращивания рыбы с использованием замкнутой системы водоснабжения бассейнов было введено в эксплуатацию в 1951 году в Японии для выращивания карпа [48; 49; 50].

Первые установки с замкнутым водоиспользованием в США появились в 1957 году в Калифорнии для выращивания лососевых видов рыб [51].

В 60-х годах прошлого века исследования в этой области начались в Западной Европе. К началу 70-х годов в ФРГ стали появляться первые опытно-промышленные рыбоводные установки. В частности, была широко разрекламирована, в т.ч. и в нашей стране, компания «Штеллерматик». Интенсивно в этом направлении в тот же период велись исследования и разработки в бывшей ГДР.

Тогда же отмечена активизация аналогичных исследований в СССР.

Бурное развитие этого направления исследований отмечалось в 80-х годах прошлого века и в других промышленно развитых европейских странах, особенно тех, экономика которых традиционно тесно связана с рыбным хозяйством, например, в Норвегии, Дании, Франции, Голландии.

По нашим данным работы по промышленной аквакультуре в замкнутых системах в нашей стране ведут начало с 1966 года, когда В.К. Мозгов разработал способ круглогодичного выращивания рыб [52], а через год и устройство для его осуществления [53]. Но, к сожалению, эти отечественные изобретения в те годы не нашли практического применения, хотя являлись для своего времени определенным достижением в области аквакультуры.

Первая система с оборотным водоснабжением промышленного масштаба пущена в эксплуатацию в 1973 г. В форелевом хозяйстве «Сходня». Она разработана В.В. Лавровским в МСХА им. К.А. Тимирязева для инкубационно-малькового цеха с многократным использованием артезианской воды и очисткой её в биологических прудах-отстойниках [54, 55, 56]. Благодаря внедрению системы оборотного водоснабжения бассейнов, только за первые пять лет её эксплуатации, объём производства товарной рыбы в хозяйстве вырос в 3,7 раза [56].

В 1978 году специалистами эстонского рыболовецкого колхоза им. С.М. Кирова разработана первая в СССР промышленная установка для круглогодичного выращивания товарной рыбы «Биорек» с вращающимся дисковым биофильтром [57] для выращивания форели. Прототипом при её создании послужила немецкая установка «Штеллерматик». Достигнутая ихтиомасса – 900 кг (75 кг/м3).

Мощный рывок в развитии рыбоводства с использованием замкнутых систем в нашей стране произошёл в начале 80-х годов 20-го века. В конце 80-х годов прошлого столетия в стране более 1 тыс. тонн товарной рыбы производилось в хозяйствах на базе УЗВ.

При разработке крупных рыбоводных комплексов часто встаёт вопрос о том, до какого размера можно наращивать объём циркуляции воды в отдельно взятой УЗВ или делить его на несколько самостоятельных однотипных рыбоводных систем (модулей).

С одной стороны, чем крупнее объём циркулирующей в системе воды, тем дешевле удельные энергетические затраты на её перекачку, стабильнее температурный и гидрохимический режимы. При этом сокращается спецификация оборудования, но крупнее по производительности её элементы.

С другой стороны, разбивка одной крупной системы на несколько мелких, позволяет автономно поддерживать в них разные абиотические условия среды, выращивать разные виды рыб, обеспечивать локализацию последствий аварийных ситуаций и возможных заболеваний. Возможен поэтапный вывод этих систем из эксплуатации на планово-профилактический ремонт и лечебно-профилактические мероприятия. Температурный и гидрохимический режимы в меньших УЗВ менее инертны и легче поддаются регулировке.

Ярким примером модульного принципа комплектования рыбоводного комплекса являлось подсобное рыбоводное хозяйство ВНИИ «Электрон» в Санкт-Петербурге (рисунок 3), насчитывавшее 26 одинаковых циркуляционных систем (модулей), каждая из которых имела бассейн объёмом 5 м3 и аэротенк объёмом 17 м3 [58].

Фото чб 2

Рисунок 3 – Рыбоводные модули хозяйства ВНИИ «Электрон» в период монтажных работ (фото Е.П. Попова)

Необходимо учитывать и то обстоятельство, что технологическое оборудование по мере роста производительности увеличивает свои габариты и вес, что с какого-то момента делает невозможным его ремонт или замену без специальных грузоподъёмных механизмов (тельферов, кран-балок), и требует их введения в состав оборудования рыбоводного комплекса. Как следствие увеличиваются габариты здания, требования к прочности перекрытий и фундаментов, а значит общие капитальные затраты.

Исходя из вышеназванных причин, наиболее оптимальным количеством циркулирующей воды в одной установке является расход около 100-150 м3/час. Многомодульность создания рыбоводного комплекса отчасти можно заменить резервным оборудованием и заменой одного аппарата в системе на несколько аналогичных – меньшей производительности. Это облегчает их вывод из эксплуатации для ремонтно-профилактических работ.

4.2. Критерии оценки

Для объективного сравнения эффективности создаваемых установок желательно привести их эксплуатацию к неким единым условиям. В тепловодных УЗВ такими условиями можно считать 100 кг товарного карпа на 1 м3 бассейна при одинаковых температуре воды и кормлении. При этом для сравнительной оценки эффективности работы различных типов действующих установок, следует определять одновременно несколько показателей:

1. Соотношение объёмов рыбоводных бассейнов и сооружений водоподготовки является основным критерием эффективности работы сооружений водоподготовки в составе УЗВ (чем ниже соотношение, тем дешевле установка);

2. Количество подпиточной воды, в % от общего объёма системы в сутки (однако уменьшение объёма аппаратов водоочистки, так же как и снижение расхода подпиточной воды, не являются самоцелью и не должны быть в ущерб качеству очищаемой оборотной воды);

3. Соотношение массы рыбы и объёма воды в установке (удельная ихтиомасса) в конце технологического цикла выращивания;

4. Показатели качества оборотной воды после сооружений водоочистки по аммонию, нитритам и нитратам.

Только комплексная сравнительная оценка установок одновременно по всем четырём перечисленным показателям может дать достоверные результаты.

Пример такой комплексной оценки показан в таблице 3.

Таблица 3 – Сравнительная характеристика некоторых рыбоводных установок [59]

Наименование рыбоводной системы Соотношение объёмов бассейнов и водоподготовки Удельная ихтиомасса,

кг/м3

Подпитка, % от общего объема в сутки Гидрохимические показатели, мг/л
NH4+ NO2 NO3
ПО «Пермьнефтеоргсинтез» 18,0 4,8 5,0 60,0 0,8 4,0
ф/х «Сходня» 100 0,6 20,0 3,3 0,3 2,0
Калужский турбинный

завод

3,7 42,9 10,0 0,7 0,8 170,0
Завод «Электрощит» 2,5 28,6 нет данных 40,0 4,5 1,3
ПО «Нижнекамскнефтехим» 2,2 31,6 4,0 4,2 1,1
ВИЗ РКУ(к)-240 3,0 41,7 нет данных 10,0 3,5 3,0
Проске Х. (ФРГ) 1,1 нет данных нет данных критические концентрации
ЛНПО «Союз» 1,9 31,8 5,0 0,9 0,5 24,0
Нагель Л. (ФРГ) 3,3 25,0 2,0 1,3 0,2 1800
«Биорек» 2,0 23,8 12,5 10,0 1,3 55,0
«Штеллерматик» (ФРГ) 3,0 26,7 13,5 3,3 1,3 55,0
ПО «Электрон» 3,4 33,3 7,0 98,0 27,0 32,0
ВНИИПРХ – ЛИСИ 1,5 40 20,0 10,0 1,3 55,0

4.3. Водоснабжение циркуляционных систем и рыбоводных ёмкостей

Подпиточная вода. Подпиточная вода поступает от исходного источника водоснабжения установок и предназначена для первоначального заполнения объёма циркуляционной системы и последующего восполнения потерь воды от испарения, всевозможных протечек, технологических потерь в результате сброса осадков из аппаратов водоподготовки и из рыбоводных ёмкостей при их обловах.

Желательно, чтобы качество подпиточной воды соответствовало приведённым ниже нормативным требованиям (таблица 11). Однако так бывает далеко не всегда, и в этом случае приходиться нести дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты на поддержание качества исходной подпиточной воды. Так в воде артезианских скважин могут присутствовать сероводород, избыточный фтор, закисное железо, другие нежелательные элементы и соединения, поэтому перед использованием следует убедиться в надлежащем качестве поступающей воды (включая метод биотестирования) и при необходимости принять меры к её предварительной подготовке.

Не смотря на возможные недостатки качества артезианской и водопроводной подпиточной воды – это наиболее желательные источники водоснабжения. Они имеют достаточно постоянный температурный и гидрохимический режимы и лишены всевозможных болезнетворных организмов. Подпитка циркуляционных систем из открытых водоёмов нежелательна, так как состав такой воды часто не постоянен, как в количественном, так и в качественном отношении, связан со временем года и состоянием окружающей среды.

Особенно нецелесообразно использовать поверхностные источники водоснабжения в контексте получения экологически чистой рыбопродукции.

Минимально рекомендуемая мощность водоисточника подпитки должна обеспечивать подачу воды в количестве 10-20 % от общего объёма системы в сутки, даже если реальная потребность в ней ниже этого уровня. Но лучше иметь возможность заменить 50-100 % объёма воды в УЗВ в течение суток. Это является определённой гарантией сохранения содержащихся гидробионтов в случае возникновения аварийной ситуации.

Подпиточную воду в систему циркуляции рекомендуется подавать после аппаратов очистки оборотной воды, перед подачей в оксигенатор. В этом случае она будет разбавлять уже очищенную оборотную воду, улучшая её качество. Эту процедуру можно осуществлять, как постоянно, соответственно отрегулировав расход подпиточной воды, так и периодически, по мере снижения уровня воды в водосборной ёмкости, обеспечивающей работу циркуляционных насосов (эрлифтов).

В крупных полносистемных рыбоводных комплексах, имеющих инкубационно-личиночные участки, подпиточную воду следует направлять на водоснабжение таких участков (по прямоточному принципу) с последующей подачей в качестве подпитки в выростные и товарные рыбоводные системы, учитывая невысокий уровень загрязнения такой воды. В качестве подпитки можно также использовать воду от воздушных водокольцевых насосов, используемых в хозяйстве для аэрации воды в системах биоочистки.

Оборотная вода. Как уже говорилось выше, эксплуатация циркуляционных систем подразумевает многократное использование воды в рыбоводных ёмкостях, предусматривающее её очистку и другую необходимую подготовку (оксигенация, терморегуляция, обеззараживание и др.). При интенсивном промышленном выращивании гидробионтов используются очень высокие плотности посадки, поэтому помимо качества воды, большое значение имеет уровень водообмена в бассейнах. Он необходим исходя из четырёх факторов:

– подачи с водой требуемого количества кислорода;

– своевременного удаления продуктов метаболизма, остатков корма и их транспортирования до аппаратов очистки;

– обеспечения необходимых температурных условий;

– создание определённого тонуса рыбам. Японские учёные при выращивании симы установили, что при скорости движения воды в круглом бассейне 13 см/сек. За 11 месяцев рыба достигала 141 г, что более чем в 2 раза превышало среднюю массу рыбы при минимальном расходе воды, но сходном кислородном режиме [60].

В практике аквакультуры водоснабжение может характеризоваться несколькими показателями:

– расход воды – объём используемой воды в единицу времени, выражается в м3/час; л/мин. И т.д.;

– удельный расход воды (УРВ) – объём используемой воды в единицу времени в пересчете на массу гидробионтов или их количество, выражается соответственно в м3/час на 1 кг (и т.п.) или м3/час на 1 шт.;

– скорость протока (потока) – показатель скорости движения воды в единицу времени, выражается м/сек. Встречается бытовое выражение: «скорость протока», подразумевающее – «расход воды», однако с научной точки зрения это не верно;

– водообмен – показатель, характеризующий кратность смены воды в конкретной рыбоводной ёмкости (водоёме) в единицу времени, выражается в раз/сут.; раз/час; раз/мин. И т.д.;

– время полной смены воды (ВПС) – показатель, указывающий за какое время вода в данной конкретной ёмкости (водоёме) смениться полностью, измеряется в сутках, часах, минутах, секундах.

Наиболее показателен в качестве меры водоснабжения рыбоводных ёмкостей удельный расход воды (УРВ), то есть расход воды на единицу массы выращиваемых гидробионтов, поскольку они являются основными потребителями кислорода. Соответственно чаще всего лимитирующим фактором плотности посадки водных организмов является кислородный режим, поэтому и расчёты необходимого удельного расхода воды, протекающего через ёмкости, выполняются с учётом кислородных потребностей рыбы, концентрации растворённого в воде кислорода на втоке и минимально допустимой его концентрации на вытоке. Так, например, удельный расход воды в бассейнах с карпом должен обеспечивать на вытоке концентрацию растворённого кислорода 4,0 мг/л, а при содержании форели – около 7 мг/л.

Величина УРВ при одной и той же массе гидробионтов обратно пропорционально зависит от концентрации растворённого в воде кислорода: чем выше концентрация, тем ниже требуемый расход. При использовании оксигенации воды её расход может быть сокращён до 10 раз.

Однако, когда кислородный режим не является лимитирующим фактором, расчёты расхода воды осуществляют с учётом уровня выделения метаболитов гидробионтами и соответственно величины их концентраций на втоке и вытоке бассейна.

Уровень водообмена играет важную роль и для работы аппаратов водоочистки. Чем ниже скорость водообмена в бассейнах, тем меньшее количество воды в единицу времени должно быть очищено. Это позволяет снижать объёмы аппаратов очистки воды, сохраняя её качество на требуемом уровне. Кроме того, чем дольше вода находится в рыбоводном бассейне, тем выше концентрация загрязняющих веществ в ней на вытоке, а эффективность очистки воды с более концентрированными загрязнениями, как известно, значительно выше. Поэтому снижение удельного расхода воды путём применения оксигенации ведёт к экономии занимаемых установкой площадей, электроэнергии, потребляемой насосами, и повышает эффективность удаления растворённых загрязняющих веществ.

Таким образом, величина водообмена зависит от целого ряда биотехнических, технических, конструктивных факторов и может меняться в широких пределах. От обычно используемого часового водообмена, до 20-кратного в час.

Оборудование для водоподачи. Для циркуляции воды в рыбоводных установках, используются насосы и эрлифты.

Насосы. Чаще всего циркуляция осуществляется центробежными насосами, при этом их двигатели потребляют электроэнергию. Насосы являются основным электропотребляющим оборудованием в УЗВ и поэтому важно правильно осуществлять их подбор. Величина затрат энергии пропорциональна расходу перекачиваемой воды и напору, создаваемому насосом. Чем меньше потребность в напоре, тем экономичнее насосная установка. Потребность в напоре определяется разницей уровней в передающей и приёмной ёмкостях, гидравлическим сопротивлением трубопроводов и включённых в них приборов (напорные механические фильтры, оксигенаторы, теплообменники, бактерицидные установки).

Эрлифты – устройства для подъёма жидкости при помощи сжатого воздуха. Если в нижнюю часть трубы, опущенной в воду, вводить сжатый воздух через наконечники специальной конструкции под достаточным давлением, то образовавшаяся в трубе воздушно-водяная эмульсия малого удельного веса будет подниматься по трубе эрлифта вверх по принципу сообщающихся сосудов. Чем больше в ней пузырьков воздуха, тем легче эмульсия и выше скорость её подъёма.

В зависимости от конструктивных особенностей УЗВ, в ней может быть один, два и более контуров циркуляции. Кроме того, в зависимости от высотного расположения оборудования в одном контуре может быть как одна, так две или более точек установки перекачивающего оборотную воду оборудования.

Понятно, что чем меньше такого оборудования используется в составе системы циркуляции, тем надёжнее и дешевле её эксплуатация. В этой связи наиболее рациональная схема та, в которой имеется один насос (эрлифт) или насосная (эрлифтная) группа. При этом один раз подняв оборотную воду в наивысшую точку расположения имеющегося в системе оборудования, дальнейшее её прохождение через составляющие систему элементы обеспечивается в режиме самотёка под действием силы тяжести. Примером такой системы циркуляции может служить установка ЛНПО «Союз» (рисунок 4), в которой оборотная вода, будучи поднята из накопительной ёмкости насосом через напорный механический фильтр в верхнюю точку аэротенка-отстойника, денитрификатора, далее самотёком последовательно поступает в оксигенатор, рыбоводные бассейны и вновь – в накопительную ёмкость.

word image 628 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 4 – Схема УЗВ ЛНПО «Союз»: 1-рыбоводные бассейны; 2-водосборная ёмкость; 3-механический фильтр ФНС; 4-денитрификатор; 5-аэротенк-отстойник с пористым наполнителем; 6-оксигенатор

Понятно, что системы циркуляции воды, с горизонтальным расположением оборудования часто требуют для последовательного перекачивания одного и того же потока воды второй и даже третий насос (эрлифт), что соответственно увеличивает число ёмкостей для их работы и энергозатраты в два и более раз.

Примером может служить разработанная когда-то УЗВ ВНИИПРХ (рисунок 5) [61] и другие. Помимо того, что такие системы не достаточно экономичны, они требуют синхронизации работы последовательно установленного водоперекачивающего оборудования. В противном случае, если один насос качает больше воды, чем другой, то в одной точке системы может происходить переполнение ёмкостного оборудования оборотной водой, тогда как в другой – падение уровня. В итоге это ведёт к сбою баланса циркуляции, неконтролируемой потере оборотной воды из переполненных элементов и в итоге к полной остановке водооборота.

Рисунок 2

Рисунок 5. Схема УЗВ ВНИИПРХ: 1-рыбоводные бассейны (8 шт.); 2-оксигенатор; 3-терморегулятор; 4-насосы; 5-фильтр-отстойник; 6-биофильтр; 7-подпитка с терморегуляцией

Насос или эрлифт являются важнейшими элементами системы, которые можно сравнить с сердцем живого организма. Их остановка влечёт за собой катастрофические последствия, так как при этом прекращается обеспечение гидробионтов кислородом, удаление загрязнений из рыбоводных ёмкостей и массовая гибель культивируемых организмов в период от нескольких десятков минут до нескольких часов (в зависимости от вида, возраста и плотности посадки).

В этой связи в составе системы циркуляции необходимо иметь запасное насосное оборудование, которое полностью обеспечивает возможность циркуляции воды в полном объёме в случае выхода из строя основного насоса. Наличие такого оборудования, не только предотвратит тяжёлые последствия аварийной ситуации, но и позволит в плановом режиме осуществлять ремонтно-профилактические работы.

Аналогичные требования к наличию запасных воздуходувок следует предъявлять при использовании для циркуляции оборотной воды эрлифтов.

Водосборная ёмкость. Важным и неотъемлемым элементом эксплуатации водоперекачивающего оборудования является наличие водосборной ёмкости, которая обеспечивает возможность поступления в него оборотной воды для дальнейшей её подачи по системе циркуляции. При этом сколько воды в единицу времени забирается из ёмкости, столько же и должно в неё поступать. Только в этом случае уровень воды в ней будет постоянным. Если отмечается быстрое падение уровня, это говорит об утечке воды из системы циркуляции. Такую утечку следует немедленно устранить, в противном случае уровень воды в ёмкости упадёт ниже допустимого, в насос (эрлифт) вместо воды попадёт воздух и циркуляция прекратиться.

Понятно, что чем больше объём водосборной ёмкости, тем больше времени до остановки насоса есть у персонала для обнаружения и устранения причины падения уровня воды. Однако слишком объёмные ёмкости требуют больших капитальных затрат. Компромиссным следует считать вариант, когда объём воды из ёмкости выкачивается в течение 15-20 минут при полном отсутствии поступления в неё воды. Другими словами при расходе воды 100 м3/час объём воды в ёмкости должен быть не менее 25 м3, а сама ёмкость должна быть оснащена уровнемером с подключением звуковой сигнализации.

Переполнение ёмкости указывает на чрезмерную подачу подпиточной воды или падение производительности насоса (вследствие попадания воздуха, засорения трубопровода инородными предметами). Всасывающий патрубок насоса должен быть защищён сеткой от попадания в него инородных предметов (погибшей рыбы, крупных элементов загрузочного материала, потерянных предметов инвентаря).

Трубопроводы. Важной неотъемлемой составляющей систем циркуляции являются её трубопроводы, направляющие движение подпиточной, оборотной и сбрасываемой воды. Трубопроводы могут быть как напорные – вода в них находится под давлением, создаваемым насосом, так и самотёчные. Кроме того, для этой цели могут использоваться открытые лотки и каналы, вода в которых движется только самотёком.

При создании циркуляционных систем важно правильно осуществить подбор диаметра трубопроводов, размеров лотков и каналов, которые должны полностью обеспечить необходимую пропускную способность, а так же иметь её запас в 25-30 %. В определённых участках системы трубопроводов рекомендуется предусматривать люки для их очистки и обслуживания. Вместе с тем известно, что при высоких скоростях движения воды стоимость создания и эксплуатации трубопроводов уменьшается [62].

Важным моментом в эксплуатации водопроводящих путей является борьба со всевозможными засорениями и зарастанием. В этой связи водные (особенно самотёчные коммуникации) должны быть защищены от попадания в них посторонних предметов, живых и погибших гидробионтов, накопления всевозможных осадков.

Часто в системах циркуляции воды отмечается интенсивное биологическое обрастание стенок трубопроводов, особенно металлических, где более неровные внутренние поверхности. Оно особенно ощутимо при массовом развитии мшанок (Ectoprocta, или Bryozoa) – водных сидячих колониальных животных, которые заносятся с водой и рыбой из естественных водоёмов. Колонии имеют множество форм: в виде корочек, комков и внешне похожи на моховой покров, который значительно снижает внутренние размеры трубопроводов и лотков, а при низкой скорости потока может перекрыть их полностью.

В качестве активного альгицида и фунгицида для этих целей в УЗВ предложено использовать дешёвый и эффективный препарат «Анавидин» в концентрации 0,01 мг/л [63]. При этом в процессе обработки не требуется отсадки рыб и прочих культивируемых водных организмов. Важным моментом является безвредность данной концентрации препарата для биоценоза активного ила биологических фильтров.

Чтобы избежать накопления осадка в лотках и каналах необходимо соблюдать перепад высот при их последовательном расположении от 0,3 до 1 м. Максимальная скорость воды, необходимая для очистки дна канала составляет 0,24-0,3 м/сек. При этом на поверхности скорость потока всегда наибольшая, а на дне она минимальна.

Рыбоводные ёмкости. В зависимости от назначения циркуляционной установки в её составе могут использоваться всевозможные инкубационные аппараты различных конструкций, аквариумы, лотки и бассейны, объединяемые общим названием – рыбоводные ёмкости, которые предназначены для размещения, содержания гидробионтов на разных жизненных стадиях и осуществления всех рыбоводно-технологических операций. Как правило, в составе УЗВ используются стандартные инкубационные аппараты, разработанные для тех или иных объектов разведения, которые описаны в специальной литературе. Большое разнообразие аквариумных циркуляционных систем также широко известно из литературы по аквариумистике.

Наибольший интерес с точки зрения промышленных УЗВ представляют рыбоводные ёмкости для массового выращивания молоди, посадочного материала и товарной рыбопродукции. В зависимости от поставленной рыбоводной цели они отличаются друг от друга размерами и конфигурацией. В составе УЗВ используют ёмкости круглой, квадратной, прямоугольной, цилиндрической формы. Для молоди они более мелкие, относительно небольшого размера, а для товарного выращивания – большего объёма, до нескольких десятков кубометров. Не смотря на такое разнообразие форм и размеров, существуют некие общие требования к бассейнам, которые должны выполняться при их конструировании и эксплуатации:

– равномерность поступления воды, и кислорода с ней;

– хорошее перемешивание всех слоёв воды и отсутствие застойных зон;

– возможность концентрации и выноса взвешенных загрязняющих веществ (самоочищение);

– относительно гладкие стенки и дно бассейнов;

– нетоксичность используемых материалов, их дешевизна и антикоррозийность (что впрочем, относится ко всем конструктивным элементам системы);

– доступность для осуществления рыбоводных мероприятий (кормление, облов, дезинфекция и т.д.);

Подача воды в каждую ёмкость должна быть независимой и регулируемой запорной арматурой. В случае последовательного каскадного расположения бассейнов следует иметь обводную трубопроводную линию, обеспечивающую непрерывную циркуляцию воды при отключении от водоподачи одного из бассейнов.

Сухие запасы стенок бассейна над водой должны составлять около 0,3 м. Днище бассейна необходимо выполнять с уклоном от водовпуска к водовыпуску и, желательно, от боковых стен к продольной оси. Водоотведение из бассейна должно быть свободным, без подпора и независимым, для возможности полного опорожнения ёмкости.

Конструкция водослива должна обеспечивать поддержание постоянного уровня воды, что бы в случае прекращения её подачи бассейны оставались наполненными. Обязательно следует предусматривать разрыв струи, что позволит избежать «засифонивания» воды из ёмкости с последующим неконтролируемым её опорожнением.

В бассейнах перед водосбросными отверстиями необходимо устанавливать рыбозаградительные решётки. При выращивании посадочного материала, товарной рыбы и особей старших возрастных групп это не создаёт серьёзных проблем для водообмена. Однако, когда речь идёт о содержании молоди, приходится использовать достаточно мелкие сетки, которые быстро забиваются при интенсивном водообмене и требуют регулярной очистки.

Что касается формы используемых бассейнов, то непосредственно для результатов выращивания этот фактор имеет существенное значение при содержании молоди рыб. Влияние проявляется через структуру потоков воды, распределение растворённого кислорода и удаление осадков.

Было показано, что эффективность выращивания молоди форели при круговом движением воды, по сравнению с прямым выше на 50 % и более. Это объясняется наиболее равномерным распределением воды, исчезновением застойных и слабо омываемых зон, повышением однородности водной среды и соответствующим равномерным распределением молоди в ёмкости. При этом экскременты концентрируются у центрального водослива, что положительно влияет на самоочистку бассейна. Хорошо себя зарекомендовали как круглые, так и квадратные бассейны с закруглёнными углами и центральным водосливом. Причём последним отдано предпочтение, так как они рациональнее используют площадь помещения, что является единственным преимуществом прямоугольных бассейнов по сравнению с круглыми.

Что касается товарного выращивания рыбы, то при удельной ихтиомассе 50-100 кг/м3 вода в бассейне любой формы настолько интенсивно перемешивается рыбами, что существенного влияния его формы на гидрохимические показатели и рыбоводные результаты не отмечено.

В конце 70-х начале 80-х годов прошлого столетия в индустриальном рыбоводстве стали использовать рыбоводные ёмкости вертикального типа, называемые «силосы», представляющие собой цилиндры с конусным дном, высота стенок которых превышает их диаметр в 1,5-2 раза и более.

Практика показала, что в силосах можно успешно выращивать различные виды рыб от 100 мг до товарной массы. При этом применение силосных ёмкостей позволяет значительно экономить производственные площади и рационально использовать строительный объём помещений. При этом темп роста рыбы оказался выше, а расход корма на прирост ниже, чем в обычных бассейнах.

На результаты выращивания гидробионтов оказывают влияние не только форма и конструкция рыбоводных ёмкостей, но и цвет их внутренней поверхности. Так при подращивании личинок окуня (Perca fluviatilis L.) до 15-суточного возраста наилучшие результаты по скорости роста и выживаемости оказались в белом и светло-сером бассейнах, по сравнению с чёрным и тёмно-серым [64]. Похожие результаты получены в Греции при выращивании молоди полосатого карася (Diplodus sargus), который также быстрее рос в белом и голубом бассейнах, по сравнению с бассейном чёрного цвета [65].

В целом, казалось бы, достаточно «пассивные» по выполняемой функции сооружения в составе системы циркуляции УЗВ – рыбоводные ёмкости, способны оказывать большое влияние на результаты культивирования гидробионтов через свои конструктивные особенности, особенно на ранних стадиях их развития. Поэтому рациональная конструкция бассейнов является важной составляющей создания и эксплуатации индустриальных рыбоводных хозяйств.

5. Основные загрязнения, методы, аппараты и сооружения очистки оборотной воды

Основной источник загрязнения оборотной воды в УЗВ – это метаболиты гидробионтов, не съеденные остатки корма, отработавший активный ил системы биоочистки, которые имеют органическую природу и представляют собой комплекс взвешенных и растворённых загрязняющих веществ.

Данные о количестве образующихся в процессе выращивания рыбы взвешенных веществ варьируют достаточно широко.

Главным образом, количество взвешенных веществ зависит от целого ряда факторов, связанных с кормлением: способа и режима его осуществления, величины суточного рациона, вида и рецептуры корма, качества его изготовления, поедаемости и некоторых других факторов.

В частности установлено, что в процессе выращивания карпа на 1 кг потребляемого рыбой корма в воду выделяется около 200-400 г взвешенных веществ.

Непосредственное негативное влияние взвешенных веществ на гидробионтов выражено незначительно (за исключением икры или личинок), главным образом через повышение мутности и снижение освещённости в толще воды, что ограничивает возможности визуального восприятия окружающей среды водными животными. Существуют рекомендации, что при инкубации икры содержание взвешенных веществ не должно превышать 1-2 мг/л, а при подращивании личинок – 2-5 мг/л.

Важнее то, что высокая концентрация взвешенных веществ является источником накопления растворённых органических загрязнений, что в свою очередь способствует снижению концентрации растворённого кислорода, росту содержания аммонийных соединений и двуокиси углерода.

Что касается рыб старших возрастных групп, то взвешенные вещества не обнаруживали неблагоприятного действия на карпа, пока не достигли концентрации 20000 мг/л, а в течение недели карпы переносили и более высокую концентрацию взвесей – 100000 мг/л [66]. Более длительные наблюдения (несколько месяцев) показали, что различные рыбы нормально переносили взвешенные вещества в концентрации 80-100 мг/л, но при её росте до 200-300 мг/л отмечались патологические изменения в жабрах и загнивание хвостовых плавников. В итоге допустимым пределом содержания взвешенных веществ при длительной экспозиции рекомендовано считать концентрацию 80 мг/л. [67].

5.1. Растворённые органические и азотные вещества

Основным продуктами обмена веществ водных организмов являются белковые соединения, аминокислоты, мочевина и мочевая кислота, поэтому изучению динамики азотных метаболитов уделяется особенно большое внимание.

Костистые рыбы, миноги и миксины являются ярко выраженными аммонотеликами – у которых главным продуктом обмена азотистых веществ является аммиак. До 20 % азота выделяется также в виде мочевины.

Уровень растворённых органических загрязнений характеризуется такими показателями, как окисляемость по ХПК (химическое потребление кислорода в профильтрованной пробе воды – или бихроматная окисляемость) и БПК (биологическое потребление кислорода – или перманганатная окисляемость).

Допустимым значением для карповых прудовых хозяйств считается окисляемость до 50 мгО2/л (по ХПК) [68]. Учитывая, что в УЗВ ключевым звеном является биологическая очистка воды, низкий уровень ХПК (до 20 мгО2/л) соответствует малой нагрузке на её сооружения, а оптимальной считается величина ХПК 20-60 мгО2/л. Увеличение ХПК до 70-100 мгО2/л указывает на перегрузку системы циркуляции органическими веществами [69].

Одним из показателей, достаточно полно отражающим химические изменения в воде является окислительно-восстановительный потенциал – rH среды профильтрованной пробы оборотной воды, статистически связанный с растворённым органическим веществом. Чем выше этот показатель, тем меньшая концентрация органических веществ присутствует в воде. При этом оптимальный диапазон, составляет 150-450 мв.

Сами по себе растворённые органические вещества в оборотной воде циркуляционных систем малотоксичные для гидробионтов. Однако они являются питательной средой для чрезмерного развития всевозможных микроорганизмов, в том числе и патогенных. Кроме того, в результате биологических окислительных процессов аммонификации, органические вещества являются источником накопления аммонийных соединений, других вредных веществ, что сопровождается активным потреблением растворённого в воде кислорода. Всё это значительно ухудшает среду обитания гидробионтов и отрицательно сказывается на результатах их культивирования. Рекомендуемая периодичность контроля уровня органического загрязнения оборотной воды – 1 раз в неделю.

Установлено, что количественную связь между содержанием органических веществ по ХПК и выделяющимся аммонием можно выразить уравнением [70]:

NH4+ – N = 0,388 ХПК 0,378.

Определяющее влияние на загрязнение воды, в том числе соединениями азота, оказывает количество внесённого корма и особенно его избыточное количество. 19 % поступающего с кормом азота потреблялось рыбой, 4% накапливалось в осадках, а 61 % переходил в растворённое состояние [71].

Другим источником аммонийных соединений является процесс обмена веществ гидробионтов. Рыбы выделяют в воду значительное количество азотсодержащих загрязнений в виде мочевины и аммония, причём по разным данным от 20 до 90 % потреблённого азота пищи выделяется в восстановленной до форме.

В обычном состоянии выделение аммония через жабры возможно, если значение рН воды равно или меньше, чем крови (7,3-7,5), тогда аммоний диффундирует из крови в воду беспрепятственно. При аммиачной интоксикации (при высоком рН воды) происходит блокирование выделения аммония из жабр в воду. Развивается жаберный некроз, увеличивается частота дыхания, появляются судороги, вращательные движения.

Токсичность аммиака для рыб в значительной степени зависит от рН, при этом для рыб ядовита только неионизированная форма аммиака, а ионизированная мало токсична, или вообще не токсична. Неионизированной формой аммиака является свободный аммиак (NН3), который растворён в воде. Ионизированным аммиаком называют аммиак, который находится в водной среде в виде ионов аммония (). Через тканевый барьер животных может проходить только неионизированный аммиак, в то время, как положительно заряженный ион пройти не может [Steffens, 1968]. Химические методы анализа позволяют определить суммарную концентрацию аммония и аммиака (NН3 + ) в воде. Метод пересчёта концентраций неионизированного аммиака можно осуществить с помощью специальной таблицы 4.

Доля неионизированного аммиака, кроме величины рН, зависит и от некоторых других факторов. Известно, что с повышением температуры на 10ºС его доля в растворе удваивается [72].

Влияние солёности непосредственно на токсичность аммиака не выявлено [73], однако в морской воде по сравнению с пресной, при одинаковых рН и концентрации аммонийного азота, количество неионизированного аммиака меньше в среднем на 25-28 % [74].

Не менее токсичным для гидробионтов является продукт первой стадии нитрификации – окисления аммонийного азота – нитриты. Нитритный токсикоз вызывает у рыб окисление феррогемоглобина крови до ферригемоглобина.

Таблица 4 – Содержание свободного аммиака (%) в растворах гидроокиси аммония при различных значениях рН и температуры [50]

Темпе-ратура,оС Активная реакция среды (рН)
6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0
0

1

2

3

4

5

0,0083

0,0090

0,0098

0,0106

0,0115

0,0125

0,026

0,028

0,031

0,336

0,036

0,040

0,083

0,090

0,098

0,106

0,115

0,125

0,261

0,284

0,308

0,335

0,363

0,394

0,82

0,89

0,97

1,05

1,14

1,23

2,55

2,77

3,00

3,25

3,52

3,80

7,64

8,25

8,90

9,60

10,3

11,1

20,7

22,1

23,6

25,1

26,7

28,3

45,3

47,3

49,4

51,5

53,5

55,6

6

7

8

9

10

0,136

0,147

0,0159

0,0172

0,0186

0,043

0,046

0,050

0,054

0,058

0,135

0,147

0,159

0,172

0,186

0,427

0,462

0,501

0,542

0,586

1,34

1,45

1,57

1,69

1,83

4,11

4,44

4,79

5,16

5,56

11,9

12,8

13,7

14,7

15,7

30,0

31,7

33,5

35,3

37,1

57,6

59,5

61,4

63,3

65,1

11

12

13

14

15

0,0201

0,0218

0,0235

0,0254

0,0274

0,064

0,069

0,074

0,080

0,087

0,201

0,217

0,235

0,253

0,273

0,633

0,684

0,738

0,793

0,859

1,97

2,13

2,30

2,48

2,67

5,99

6,44

6,92

7,43

7,97

16,8

17,9

19,0

20,2

21,5

38,9

40,8

42,6

44,5

46,4

66,8

68,5

70,2

71,7

73,3

Продолжение таблицы 4

16

17

18

19

20

0,0295

0,0318

0,0343

0,0369

0,0397

0,093

0,101

0,108

0,117

0,125

0,294

0,317

0,342

0,368

0,396

0,925

0,996

1,07

1,15

1,25

2,87

3,08

3,31

3,56

3,82

8,54

9,14

9,78

10,5

11,2

22,8

24,1

25,5

27,0

28,4

48,3

50,2

52,0

53,9

55,7

74,7

76,1

77,4

78,7

79,9

21

22

23

24

25

0,0427

0,0459

0,0493

0,0530

0,0569

0,135

0,145

0,150

0,167

0,180

0,425

0,457

0,491

0,527

0,566

1,33

1,43

1,54

1,65

1,77

4,10

4,39

4,70

5,03

5,38

11,9

12,7

13,5

14,4

15,3

29,9

31,5

33,0

34,6

36,3

57,5

59,2

60,9

62,6

64,3

81,0

82,1

85,2

84,1

85,1

26

27

28

29

30

0,6100

0,6540

0,0701

0,0752

0,0805

0,193

0,207

0,220

0,237

0,254

0,607

0,651

0,697

0,747

0,799

1,89

2,03

2,17

2,32

2,48

5,75

6,15

6,56

7,00

7,46

16,2

17,2

18,2

19,2

20,3

37,9

39,6

41,2

42,9

44,6

65,9

67,4

68,9

70,4

71,8

85,9

86,8

87,5

88,3

89,0

Ионы хлора снижают токсичность нитритов. Снизить токсическое действие нитритов можно внесением хлорида натрия в сочетании с хлоридом кальция из расчёта 5 мгCl/м3 на каждые 0,1 г нитритного азота в 1 м3 воды. При отсутствии CaCl2 – дозу поваренной соли увеличивают до 8 г/м3 [69]. В зависимости от наличия хлоридов допускают следующие концентрации нитритов (таблица 5).

Таблица 5 – Допустимая концентрация нитритов в зависимости от содержания хлоридов [75]

Хлориды, мг/л Нитриты, мг/л
для лососевых для карповых
1 0,01 0,02
5 0,05 0,10
10 0,09 0,18
20 0,12 0,24
40 0,15 0,30

Полное восстановление организма рыб после функциональной и гемолитической анемии, вызванной кратковременным действием летальных концентраций нитритов, происходит только через 24 дня [76].

Кроме нитритов, в системах с циркуляцией воды происходит накопление нитратов – продуктов второй, завершающей стадии нитрификации. Однако этот окисел азота является малотоксичным. Опыт эксплуатации хозяйств с замкнутым водоснабжением бассейнов показал, что рыбы нормально растут при концентрации нитратов до 20 мг/л и более. А немецкие исследователи утверждали, что рост карпа и форели не угнетают концентрации нитратов 1800 и 275 мг/л соответственно [77].

Все вышеперечисленные показатели содержания неорганического азота являются основными величинами, характеризующими работу системы очистки оборотной воды, а значит и всей системы в целом. При этом для оценки её работы имеют значение не только каждый показатель в отдельности, но и их сочетание относительно друг друга.

Так если в воде отмечено высокое содержание аммонийного азота при низких концентрациях нитритов и нитратов, это указывает на низкую скорость процесса нитрификации. Повышенное содержание нитритов говорит о перегрузке загрязнениями, когда система биологической очистки воды не успевает осуществить полную нитрификацию. Присутствие нитритов может также указывать на наличие неконтролируемых процессов денитрификации. И, наконец, нормативное содержание аммония и нитритов на фоне роста нитратов – указывает на нормальную работу системы биологической очистки воды.

При проведении гидрохимических исследований по содержанию неорганических соединений азота, результаты анализов могут быть представлены как в виде концентрации тех или иных ионов, так и по величине содержащегося азота, соотношение которых представлено ниже [78]:

– неионизированный (свободный) аммиак NH3 1 мг/л = 1,2159 мг/л аммиачного азота (NH3 – N);

– ионизированный аммиак (аммоний) NH4+ 1 мг/л = 1,2873 мг/л аммонийного азота (NH4 – N);

– нитриты NО2 1 мг/л = 3,3333 нитритного азота (NО2 – N) мг/л;

– нитраты NО3 1 мг/л = 4,4267 нитратного азота (NО3 – N) мг/л.

В пусковой период сооружений биологической очистки рекомендуется проводить эти исследования ежедневно (иногда несколько раз в сутки), а по выходу системы очистки на рабочий режим – 2-3 раза в неделю. При этом, чем крупнее по объёму замкнутая система, тем более стабилен её гидрохимический режим и инертнее динамика его изменений, соответственно в малых циркуляционных системах (объёмом до 10 м3), контроль этих и других показателей следует осуществлять чаще, чем в крупных.

Чтобы поддерживать перечисленные выше гидрохимические показатели в заданных параметрах, в УЗВ используются различные методы очистки воды. При этом их можно разделить на физико-химические, механические и биологические. Они могут применяться как каждый в отдельности, так и в комплексе, дополняя друг друга. Иногда некоторые авторы выделяют физические и химические методы очистки воды, однако на наш взгляд этого делать не стоит, так как некоторые методы имеют одновременно как физическую, так и химическую природу.

5.2. Физико-химические методы водоочистки

Различные физико-химические методы (окисление, адсорбция, ионообмен, коагуляция, ультрафиолетовое облучение и др.) наиболее широко используются в установках аквариумного типа, либо в системах для инкубации икры и подращивания личинок, то есть там, где расход циркулирующей воды относительно невелик. В крупных промышленных установках эти методы применяются значительно реже, что связано с большими затратами энергии и различных реагентов: чем крупнее установка, тем выше эти затраты, сложнее её конструкция и, соответственно, эксплуатация. Кроме того, существует опасность непосредственного губительного воздействия некоторых реагентов на выращиваемые объекты.

Наиболее часто из физико-химических методов в рыбоводных установках используют озонирование.

Установлено, что озон способен окислять органические вещества с длинными молекулярными цепями, недоступные для биологического окисления. При этом по данным С. Спотта [74] при обычных дозах и непродолжительном контакте озонирование не снижает содержание растворённых органических веществ путём прямого окисления (а лишь делает их доступнее для биологического окисления). В результате образуются молекулы с более короткой молекулярной цепью, способные разлагаться биологическим путём [79].

Сложнее обстоит дело со способностью озона очищать воду от азотных загрязнений. Долгое время среди специалистов аквакультуры бытовали самые разные мнения по данному вопросу вплоть до полного отрицания такой возможности. В частности С. Спотт [74] отмечал, что озон не переводит общий аммоний в более окисленные соединения и не окисляет нитриты. Ф. Уитон [62] утверждал, что озон почти не вступает в реакцию с аммиаком.

В настоящее время известно, что озон оказывает сильное влияние на круговорот азота, однако он окисляет аммоний через нитриты до нитратов при значении рН выше 7, прежде всего в морской воде, рН которой соответствует значениям 8,2-8,5, а так же с участием брома, который присутствует только в морской воде. Таким образом, по данным М. Сандера [79], в пресной воде аммоний не окисляется озоном.

Кроме того, известно, что озон способен окислять нитриты, как в пресной, так и морской воде [79].

Помимо положительных моментов использования озона в составе системы водоподготовки циркуляционных установок в морских УЗВ, озон может полностью удалить из воды йод и марганец, переводит железо из доступной для гидробионтов двухвалентной формы в трёхвалентную и вступает во взаимодействие с бромом, образуя токсичные для водных организмов гипобромиды (химический аналог гипохлоридов) [80].

Очень важное свойство озона – его антимикробное, бактерицидное действие (таблица 5). Озон убивает бактерии и вирусы в 10 раз быстрее, чем хлор или его соединения, сохраняя при этом химическую чистоту водной среды.

Для лечения годовиков и двухлеток карпа, больных сапролегниозом, триходиниозом, апиосомозом, хилодонеллёзом и другими эктопаразитарными заболеваниями, рекомендуется использовать воду с концентрацией озона 0,3-0,5 мг/л.

Применяя метод озонирования для водоподготовки, следует помнить, что даже низкие концентрации остаточного озона могут вызывать гибель гидробионтов. Ф. Уитон [62] отмечал, что любые измеряемые концентрации озона для них токсичны.

Есть данные, что водоросли погибают при концентрации 0,5-1,0 мг/л, личинки дрейссены – 0,9-3,0 мг/л, циклопы, дафнии, коловратки, олигохеты – 2 мг/л [81].

По сравнению с беспозвоночными, рыбы более чувствительны к воздействию озона. В результате в качестве предельно допустимой величины остаточного количества озона, не вызывающей вредных изменений в организме рыб, рекомендована концентрация 0,002 мг/л.

Таблица 6 – Рекомендации по использованию озона для борьбы с патогенными организмами [82]

Цель обработки Концентрация озона, мг/л Экспозиция, мин. Кратность обработки
Уничтожение микроорганизмов:

– в чистой воде

– в прудовой воде

– в мутной воде

0,008-1,0

0,1-0,2

5-10

1

3-8

20-60

1

1

1

Уничтожение спорообразующих форм:

– в чистой воде

– в мутной воде

0,1-0,2

5-10

3-8

20-60

Многократ-но через интервалы произраста-ния спор

Продолжение таблицы 6

Уничтожение вирусов:

– в чистой воде

– в мутной воде

0,16-0,4

0,48-1,2

0,2

0,5

1

1

Уничтожение дрожжевых микроорганизмов 0,3-0,5 3-8 1
Уничтожение личинок гельминтов рыб 0,4-0,7 3-6 1
Уничтожение жгутиконосцев и реснитчатых инфузорий 0,3-0,5 2-5 1
Уничтожение в термальных водах:

– личинок диплостом

– триходин

– циклопов

– сапролегнии

0,5

0,5

2-3

0,5

30

45

10-45

5

1

1

1

через 2 дня

Дезинфекция инвентаря 1-5 5-30 1
Осветление воды 4-6 30 1

Чтобы исключить негативное влияние остаточных концентраций озона на выращиваемых гидробионтов, воду после озонирования рекомендуется отстаивать в течение 15 минут, либо пропускать её через активированный уголь. Оба варианта требуют использования дополнительной ёмкости, то есть увеличения общего объёма водоподготовки в целом. Так если расход оборотной воды составляет 100 м3/час, то объём ёмкости должен быть не менее 25 м3.

Озонирование достаточно энергоёмко, требует использования дополнительного специального оборудования и квалифицированного обслуживания. Для получения 500 г озона из чистого кислорода требуется 6 квт/час электроэнергии, а при выработке из воздуха – 12 квт/час [82].

Озон остро токсичен для людей, при этом его трудно обнаружить и улавливать в атмосфере помещения, что очень опасно для обслуживающего персонала. Естественная его концентрация в атмосферном воздухе 0,005-0,02 мг/м3, а порог его восприятия человеком 0,015-0,2 мг/м3. Необходимо помнить, что озон разрушает каучук, поэтому его нельзя пропускать по резиновым трубкам.

Адсорбция. Процесс адсорбции характеризуется осаждением растворённого в оборотной воде органического вещества на поверхности твёрдых (активированный уголь, цеолиты, хитозан и др.) или газообразных (пузырьки воздуха) сред. При этом если химические связи загрязняющих веществ и адсорбента достаточно сильны, помимо физической, возникает ещё и химическая адсорбция.

Во время использования адсорбенты постепенно насыщаются извлечёнными из воды веществами. В итоге в лучшем случае они просто перестают выполнять свои функции, а в худшем – происходит обратный процесс десорбции, т.е. внезапный выброс в оборотную воду накопленных загрязнений. В этой связи особое значение приобретает своевременная замена и регенерация используемых материалов. Поэтому в установках приходится иметь два сорбционных контактора (один рабочий, а другой – резервный), что увеличивает объём УЗВ и её стоимость. Регенерация адсорбента достаточно не простое мероприятие, требующее специальных условий, реагентов и оборудования.

Наибольшее распространение получила адсорбция с применением активированного угля. Сырьём для его получения может служить практически любой углеродсодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности и других производств.

Известно, что активированный уголь позволяет удалять только окислители и органические вещества [79]. Удаление активированным углём аммонийного азота малоэффективно.

Для очистки воды от растворённых органических веществ, выделяемых каждой тонной рыбы необходимо ежесуточно не менее 10 кг активированного угля.

Перспективно использование в качестве метода сорбционной очистки оборотной воды флотации. Как правило, флотаторы представляют собой колонны вертикального типа, в нижнюю часть которых подаётся распыляемый воздух, а очищаемая вода движется сверху вниз навстречу потоку пузырьков. В верхней части колонны имеется зона накопления пены и камера для её отбора. Эффективность процесса флотации зависит от размера пузырьков газа, скорости их подъёма. Показано, что наиболее эффективен процесс пенообразования при диаметре пузырьков до 5 мм, а оптимальным считают диаметр 1-1,5 мм.

Установлено, что оптимальное соотношение потока очищаемой воды и потока воздуха при флотационном удалении органических загрязнений составляет 6:1. Продувая через загрязнённую воду воздух и переводя органические вещества в пену, можно удалить до 40 % органики, а ХПК пены во флотаторе доходит до 2000-4000 мг/л [79].

С. Спотт [по Лавровском, 55] считал, что с помощью флотатора можно удалить до 92 % аммонийного азота. Кроме того, флотатор вместе с пеной выводит другие соединения азота, свободную углекислоту, фосфаты и прочие вещества.

Важно, что бы флотатор способствовал удалению белковых соединений из очищаемой воды до того, как они будут разлагаться биологически, снижая тем самым нагрузку на сооружения биологической очистки воды.

Недостатком флотационной очистки воды является возможное выведение вместе с пеной микроэлементов, например, кальция, что было обнаружено в одном из морских аквариумов Амстердама [83].

Ионообмен. Неорганические биогенные вещества могут удаляться из воды в ионообменниках. Это в частности ионы аммония, нитритов, нитратов, фосфатов. Одним из таких материалов являются цеолиты. Они занимают промежуточное положение между сорбентами и ионообменными материалами, так как представляют собой группу минералов, обладающих одновременно адсорбционными и ионообменными свойствами.

При низких концентрациях загрязняющих веществ цеолиты действуют как ионообменные материалы, а при высоких – как сорбенты, нейтрализуя при этом 90-99 % аммиака. При выращивании 1 тонны карпа необходимо около 300 кг клиноптилолита ежесуточно. Одним из важных преимуществ цеолитовых материалов является способность поглощать аммонийный азот сразу, без проведения пускового периода (в противоположность биологическому окислению) и в широком диапазоне температур, что делает его перспективным в циркуляционных установках для лососевых видов рыб при температуре воды 8-12оС и ниже.

Иногда цеолиты используются в качестве загрузки для биофильтров. Обеспечивающий изъятие аммиака в количестве 1,95 мг/кг загрузки в час. Однако увеличение солёности снижает поглотительную способность цеолитов. Так при солёности воды всего 5 ‰ извлечение аммония путём ионообмена уменьшается в 10 раз [74; 62].

Ультрафиолетовое облучение. В целях обеззараживания воды (снижения уровня бактериального загрязнения) в аквакультуре широко применяется ультрафиолетовое (УФ) облучение. Специальные ультрафиолетовые лампы создают соответствующее излучение, которое, воздействуя на ДНК микроорганизмов, убивает их. Рекомендуемая длина волны при этом составляет 254 нм [84]. Эффективность облучения зависит от его продолжительности, размеров микроорганизмов, интенсивности излучения и глубины проникновения лучей в толщу воды. Важным моментом является независимость эффективности процесса ультрафиолетового облучения от температуры воды.

При оптимальных условиях УФ-лучи способны проникать на глубину не более 5 см, поэтому оптимальная толщина слоя обрабатываемой воды 1-3 см [85]. На сегодняшний день разработаны установки самой разной производительности. Ориентировочные рекомендуемые энергозатраты при использовании этого метода обработки составляют 1,5 вт на расход воды 1 л/мин. [85]. Средняя продолжительность работы лампы составляет около 5 тыс. часов, т.е. примерно через 6 месяцев её следует заменять [86]. В процессе эксплуатации стенки лампы очищают от обрастаний, для чего в промышленных стерилизаторах предусмотрены специальные устройства. Следует помнить, что непосредственное облучение гидробионтов может оказывать на них вредное воздействие, вызывая ожоги и угнетение иммунитета. Излучение открытых ламп опасно для обслуживающего персонала (особенно для глаз).

5.3. Механические методы очистки

Роль и значение механической очистки воды. Механическую (физическую) очистку воды применяют для уменьшения концентрации в ней взвешенных веществ.

Главное негативное влияние взвешенных веществ заключается в загрязнении оборотной воды токсичными продуктами их распада при окислении. Так, 70 % аммонийного азота в оборотной воде накапливается не в результате его непосредственного выделения гидробионтами, а от распада взвесей. Даже частичное удаление взвешенных веществ позволяет сразу изъять от 10 до 20 % аммонийного азота и 31-71 % органических загрязнений [87; 85].

Учитывая, что процесс накопления взвешенных веществ осуществляется в рыбоводных ёмкостях и сооружениях биоочистки, следует предусматривать две стадии механической очистки оборотной воды: первичную – после рыбоводных ёмкостей перед биоочисткой (улавливание экскрементов и остатков кормов) и вторичную – после биоочистки (улавливание выносимого отмершего и избыточного активного ила).

При этом взвешенные вещества, образующиеся на первой стадии технологического процесса, выделяют значительно быстрее и больше вторичных загрязнений, чем выносимый активный ил. Поэтому осуществлять механическую очистку воды до её биологической очистки наиболее важно, уменьшая нагрузку на последнюю.

Повышенное содержание взвешенных загрязняющих веществ (до 39,2 мг/л), поступающих на биологическую очистку, угнетало жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий. В результате в оборотной воде после биологической очистки оказалось повышенное содержание недоокисленных нитритов, а нитратов было значительно меньше, по сравнению с результатами эксплуатации установки с первичной механической очисткой (таблица 7). Это указывает на замедление процесса нитрификации при повышенном содержании взвешенных органических веществ. Отмечено резкое увеличение окисляемости и концентрации углекислоты, смещение в кислую сторону активной реакции среды.

Таблица 7 – Основные показатели качества воды при эксплуатации УЗВ с первичной механической очисткой и без неё

Показатели Результаты анализов
с механической

очисткой

без механической

очистки

Температура, оС 27 27
Растворённый кислород, мг/л 14,8 ± 2,2 9,4 ± 1,4**
Окисляемость, мг О2 22,0 ± 3,4 46,4 ± 5,7**
Аммонийный азот, мг/л 1,2 ± 0,3 1,3 ± 0,6
Нитриты, мг/л 0,2 ± 0,1 1,6 ± 0,4***
Нитраты, мг/л 23,2 ± 1,4 10,2 ± 0,9
Активная реакция среды (рН) 6,8 ± 0,1 6,5 ± 0,2
Углекислота, мг/л 10,9 ± 3,1 35,0 ± 3,8**
Взвешенные вещества, мг/л 5,3 ± 2,3 39,2 ± 8,7***

Примечание: разность достоверна при * Р< 0,05; **Р<0,01; ***Р<0,001

Ухудшение гидрохимических показателей привело к значительному снижению среднесуточного прироста карпа с 4,3 г/сут. В первом варианте эксплуатации, до 2,7 г/сут. Во втором и соответствующему снижению удельной скорости роста (таблица 8). В результате выход продукции при использовании первичной механической очистки воды составил 234,9 кг карпа и был достоверно выше, чем при её отсутствии – всего 185,1 кг. И хотя гибели рыбы в обоих вариантах опыта отмечено не было, рост карпа при отсутствии механической очистки воды значительно замедлился. При этом отмечено увеличение кормовых затрат до 3,2 кг/кг прироста при снижении потребления корма.

Таким образом, экономия на аппаратах первичной механической очистки воды обернулась снижением рыбопродукции бассейнов за 40 дней выращивания на 21,2 %.

То-есть первичная механическая очистка воды является одним из основных условий успешной эксплуатации УЗВ.

В промышленных рыбоводных установках она осуществляется главным образом двумя основными методами: осаждением взвешенных веществ или фильтрованием.

Таблица 8 – Результаты выращивания карпа при эксплуатации УЗВ с первичной механической очистки воды и без неё

Показатели Режим работы УЗВ
с механической очисткой без механической очистки
Период опыта, сут. 40 40
Плотность посадки, шт./м3 200 200
Средняя масса, г:
исходная 121,6 122,4
конечная 293,6 231,4
Коэффициент вариации по массе, %:
исходный 9,2 8,7
конечный 13,6 18,2
Среднесуточный прирост, г 4,3 2,7
Удельная скорость роста 0,022 0,016
Ихтиомасса, кг:
исходная 97,3 97,9
конечная 234,9 185,1
Прирост ихтиомассы, кг 137,6 87,2
Затраты корма, кг/кг прироста 2,2 3.2
Выживаемость, % 100 100

Осаждение. Осаждение взвешенных веществ основано на естественном выпадении твёрдых частиц из толщи воды на дно ёмкости под действием силы тяжести. В рыбоводных установках для осаждения взвесей чаше всего применяются обычные отстойники.

По нашим данным эффект очистки в отстойниках рыбоводных установок составляет не более 40 % при времени отстаивания 1,5 часа. Однако имеются и другие более оптимистичные сведения об эффективности гравитационного осветления воды от рыбоводного осадка: 88 % при отстаивании в течение 60 минут [78]. Во многом такую разницу в результатах отстаивания можно объяснить разной крупностью осаждаемых частиц и соответственно разной скоростью их седиментации, а также некоторыми другими факторами.

Из-за длительности процесса отстаивания требуются отстойники больших объёмов, и они занимают большие площади, что значительно увеличивает капитальные затраты. Так для очистки потока воды с расходом 100 м3/час необходимо иметь отстойник объёмом как минимум 100-150 м3. Кроме этого, скапливающийся в отстойнике осадок, разлагаясь, вызывает вторичное загрязнение воды продуктами своего распада. В отстойниках имеют место теплопотери, а затраты на подогрев воды в установках интенсивного выращивания теплолюбивых рыб могут достигать 10-15 % себестоимости рыбопродукции.

В целях уменьшения отмеченных недостатков в составе УЗВ иногда используются полочные или трубчатые отстойники. Эти аппараты представляют собой ёмкости, в объёме которых размещены плоские наклонные пластины (полки) или трубы. Они позволяют сократить путь оседающих частиц в толще воды, а значит и время отстаивания. Это даёт возможность уменьшить объём аппарата, сохранив его производительность и повысить эффект очистки до 74 %.

Однако биологические обрастания пластин и трубок препятствуют сползанию осадка, поэтому необходимо очищать такие отстойники каждые 4-5 дней (что достаточно трудоёмко), иначе он начинает давать вторичные загрязнения в виде аммонийного азота.

Дно отстойника должно иметь конусную (пирамидальную) форму, а патрубок отведения осадка следует располагать в самой нижней его части. Иначе на дне образуется застойная зона, где скапливается не удалённый осадок, обильно выделяющий вторичные растворённые загрязнения. При этом угол наклона конусного дна отстойника должен составлять не менее 45о. Только такой наклон обеспечивает самопроизвольное сползание осадка к сбросному патрубку. В противном случае скапливающийся на дне осадок, даже на наклонных поверхностях, приходится удалять гидросмывом, специальными скребковыми, сифонными и прочими устройствами, что чревато повторным взмучиванием осадка и частичным выносом взвесей из отстойника.

В аквакультуре известно удаление взвешенных веществ в гидроциклонах и пластинчатых сепараторах, работа которых основана на использовании центробежных сил, создаваемых спиралевидным потоком воды. Конструктивно гидроциклоны достаточно просты, их может обслуживать персонал невысокой квалификации. Они компактны, занимают незначительную площадь, не имеют вращающихся частей или приводов. Капитальные затраты на создание гидроциклонов по сравнению с отстойниками ниже в 6-10 раз.

Эффективность очистки в гидроциклонах тем выше, чем выше скорость движения очищаемой воды. Различают безнапорные и напорные аппараты. Безнапорные циклоны достаточно эффективно работают в аквариумах и промышленных рыбоводных установках, задерживая примерно 15 % взвесей, выпуск осадка должен производиться не реже одного раза в сутки.

Напорные гидроциклоны позволяют уменьшить продолжительность очистки воды с 20 до 7,5 минут, т.е. значительно сократить объём аппаратов механической очистки воды.

В производственных условиях рыбоводного хозяйства Новосибирской ТЭЦ-2 эффект очистки воды от взвешенных веществ в гидроциклоне достигал 70 % [88]. Исследования, проведённые Е.Я. Яковенко [89] показали, что при концентрации взвешенных веществ 100-200 мг/л эффект очистки при выращивании рыбы достигал 80-87 %. При этом качество кормов не оказывало влияния на эффективность работы аппарата.

В рыбоводной практике гидроциклоны использовались в единичных случаях. Причина тому – необходимость в высоком давлении на входе, а, следовательно, высокие энергетические затраты.

Использование гидроциклонов и сепараторов в установках связано с расходом электроэнергии (0,04-0,14 квт на 1 л в минуту обрабатываемой воды) [62] и повышенными потерями оборотной воды: от 3-8 % до 10-12 % от поступающей на очистку. Это вызвано постоянным оттоком из аппаратов концентрированных взвесей, что приводит к соответствующему увеличению расхода подпиточной воды и затрат на терморегуляцию.

Фильтрование. Фильтрование воды осуществляется в специальных фильтрах, где фильтрующим элементом являются всевозможные сетки, либо объёмная гранулированная загрузка (гравийные, песчаные, диатомовые фильтры, гранулы или волокна из синтетических материалов). Фильтрование воды позволяет увеличить эффект очистки и в десятки раз снизить габаритные размеры аппаратов по сравнению с отстаиванием, сохранив высокую производительность. Эффективность работы фильтров определяется размером фракции фильтрующего материала (размером отверстий сетчатых материалов) и скоростью прохождения воды через фильтрующий элемент.

При выборе механического фильтра, включаемого в состав замкнутой установки, учитываются четыре основных параметра: габариты, энергоёмкость, простота обслуживания и эффективность изъятия загрязнений [78].

Песчано-гравийные и другие подобные фильтрующие аппараты для очистки воды от взвесей более эффективны, чем отстойники. Однако они обладают рядом недостатков. При сравнительно больших объёмах, эти аппараты имеют низкую производительность. Кроме этого, периодически происходит заиливание фильтрующего материала (чем меньше размер пор или отверстий – тем быстрее это происходит). Поэтому такие фильтры требуют систематической промывки с большим расходом воды под высоким давлением.

Песчаные фильтры оказались непригодны для очистки воды в рыбоводных установках потому, что со временем поверхность песчинок покрывается слоем биоплёнки. Биоплёнка притягивает загрязнения, разрастается и закупоривает фильтр, сращивая песчинки в единый конгломерат, а обратная промывка сросшегося слоя песка не восстанавливает его фильтрующих свойств.

Избежать негативных явлений, связанных с зарастанием и регенерацией фильтрующего материала, позволяют механические фильтры с плавающей зернистой загрузкой из полиэтиленовых гранул диаметром 2,5 мм с плотностью 0,93 – 0,95.

Схема такого фильтра представлена на рисунке 6. Фильтрующий слой гранул 1 размещается в корпусе 2, имеющем кольцевой лоток 3, выход в который защищён сеткой 4. Для подачи воды в фильтр внутри корпуса устроена труба 5.

Фильтр совмещает в себе два метода механической очистки. Сначала загрязнённая вода отстаивается в нижней части аппарата, а затем, медленно поднимаясь вверх, фильтруется через слой плавающих гранул. По мере накопления осадка на фильтрующем материале, его необходимо периодически промывать или встряхивать путём подачи сжатого воздуха с отключением фильтра из системы циркуляции через каждые 24 часа.

word image 629 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 6 – Фильтр с плавающей загрузкой: 1 – фильтрующий слой гранулы; 2 – корпус; 3 – кольцевой лоток; 4 – сетка; 5 – подающая труба [62]

Вместе с тем, длительное пребывание органических взвесей на фильтрующем материале или в отстойнике ведёт к значительному вторичному загрязнению воды растворёнными органическими и аммонийными соединениями на фоне избыточного потребления кислорода и изменения рН водной среды.

В идеале, в целях предотвращения вторичного накопления растворённых загрязняющих веществ, в десятки раз увеличивающих нагрузку на сооружения очистки оборотной воды, органические взвеси должны быть изъяты из оборотной воды как можно быстрее. Однако непрерывное изъятие образующихся взвесей связано с повышенным расходом подпиточной воды и затратами на её подогрев (охлаждение) до требуемой температуры.

Рыбоводный осадок, активно выделяет вторичные загрязнения спустя 22-24 часа после хранения в воде установок. Этим определяется максимально допустимое время цикла очистки отстойников или промывки фильтров рыбоводной установки от накопившегося осадка.

Из всего вышесказанного следует, что в составе УЗВ наиболее целесообразно использовать такой аппарат для первичной механической очистки воды, который имеет малые габариты, высокую производительность, обеспечивает необходимое качество оборотной воды, работает непрерывно, то есть без выключения из работы на период промывки, обеспечивая быстрое изъятие взвесей из оборотной воды.

В наибольшей степени этим требованиям отвечают всевозможные мелкоячеистые сетчатые фильтры (микрофильтры), как напорной, так и безнапорной конструкций.

Внешний вид и схема работы одного из подобных фильтров представлены на рисунках 7а, б (проспект «Hydrotech Drumfilter»).

word image 630 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 7 а – Безнапорный сетчатый механический фильтр для установки внутри водосборной ёмкости

word image 631 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 7 б – Схема работы безнапорного сетчатогой механического фильтра: фиолетовый цвет – загрязненная вода; голубой – очищенная вода; красный – сбор и отвод отфильтрованных взвесей

Практика создания современных УЗВ показывает высокую эффективность применения именно фильтрующих сетчатых аппаратов для очистки воды от взвешенных веществ, особенно на первичной стадии.

5.4. Биологическая очистка воды

Метод биологической очистки воды основан на способности микроорганизмов использовать в качестве питательного субстрата многие органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в очищаемой воде, в результате происходит их превращение в малотоксичные формы. Полный цикл биологической очистки включает в себя три стадии. Первая стадия представляет собой минерализацию азотсодержащих органических веществ (аммонификацию), в результате которой органические кислоты, мочевина переходят в минеральную аммонийную форму (NH4+ + NH3).

Вторая стадия – нитрификация – осуществляет последовательный переход аммонийного азота в нитриты и нитраты. И последняя, третья стадия – денитрификация, в результате которой азот нитратов переходит в газообразный азот.

Аэробная биологическая очистка. Аммонификация и нитрификация протекают в аэробных условиях среды при интенсивном потреблении бактериями растворённого кислорода. В большинстве существующих циркуляционных систем именно эти две стадии используют для очистки воды, и называют аэробной биологической очисткой. Практически этого вполне достаточно для выращивания товарной рыбопродукции.

Последнюю фазу аммонификации можно представить в виде разложения мочевины, в результате чего образуются углекислый газ и аммиак:

NH2

О = С < + H2O → CO2 + 2NH3

NH2

Приоритет открытия в конце 19 века биологической природы процесса нитрификации принадлежит российскому учёному С.Н. Виноградскому, который также установил, что процесс нитрификации проходит в два этапа: сначала аммонийный азот превращается бактериями Nitrosomonas в нитриты:

2NH+4 + 3O2 = 2NO2 + 4H+ + 2H2O + энергия,

а затем нитриты бактериями Nitrobacter окисляются до нитратов:

2NO2 + O2 → 2NO3

При этом энергия, высвобождаемая в процессе химической реакции, используется бактериями для жизнедеятельности и наращивания своей биомассы.

Исходя из кислородных потребностей бактерий Nitrosomonas, Nitrobacter, для полного окисления 1 г аммония до нитратов (по азоту) необходимо затратить от 4 до 4,6 г кислорода [62].

Поскольку вышеназванные процессы очистки воды имеют биологическую природу, становится понятно, что их нельзя включить в работу одномоментно, как другие методы очистки, так как для развития требуемого количества необходимых бактерий должно пройти определённое время.

Этот период времени называют «пусковой период». Он характеризуется постепенными количественным и качественным развитием сообщества микроорганизмов активного ила, сопровождающимся последовательными изменениями гидрохимического состава очищаемой воды.

Активный ил аэробной биоочистки – это биоценоз микроорганизмов-минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества очищаемой жидкости. Активный ил по внешнему виду представляет собой мелкие хлопья от светло- до тёмно-коричневого цвета, которые состоят из большого числа многослойно расположенных клеток.

Начальный период эксплуатации любой установки с замкнутым водоиспользованием характеризуется тем, что в сооружениях биологической очистки воды отсутствует необходимое количество микроорганизмов активного ила. Как и для всего живого, им требуется время для своего размножения и наращивания биомассы, достаточной для окисления поступающих из рыбоводных ёмкостей (бассейнов) загрязнений. Чем больше загрязнений в единицу времени поступает из бассейнов, тем большая биомасса активного ила требуется для их окисления.

В качестве примера можно привести полученные нами данные пускового периода одного из биофильтров с плавающим наполнителем рыбоводной установки (рисунок 8).

Рисунок 7

_ . _ . _ . _ аммоний; __ __ __ __ нитриты; ____________ нитраты

Рисунок 8 – Динамика соединений азота в пусковой период биоочистки

Постепенное развитие процесса аммонификации привело к соответствующему накоплению аммония, концентрация которого достигла в данном случае своего пика на седьмой день наблюдений и составила 2,54 мг/л. Затем содержание аммония резко снизилось и в дальнейшем удавалось обнаружить только его следы. Очевидно, что последовала первая фаза нитрификации – накопление ядовитых для рыб нитритов, благодаря окислению аммония в соли азотистой кислоты бактериями рода Nitrosomonas. Максимальная концентрация нитритов отмечена на 9-й день и составила 3 мг/л. По мере накопления нитритов, начинается активное развитие бактерий другого рода – Nitrobacter, которые окисляют соли азотистой кислоты до солей азотной кислоты. В результате следует вторая фаза нитрификации. При этом содержание нитратов достигло максимума на 19-й день, составив 7,0 мг/л, и в дальнейшем сохранялось приблизительно на этом уровне, так как в систему добавлялась свежая вода.

Длительность пускового периода биоочистки во многом зависит от температуры очищаемой воды и составляет в обычных условиях (15-30оС) в среднем от 20 до 60 суток. Выход на режим биофильтров в установках для выращивания холодолюбивых рыб растягивается до 1-2 месяцев, а в солёной воде – до 2-3 месяцев.

В идеале пусковой период сооружений биологической очистки в УЗВ следует проводить заблаговременно, когда в рыбоводных ёмкостях ещё нет гидробионтов. Это позволяет избежать риска губительного воздействия на них высоких концентраций аммиака и нитритов в момент формирования биоценоза активного ила. В этом случае в качестве источника загрязнений (органического и аммонийного питания для развития бактерий) в систему циркуляции следует вносить какую-либо органику, и минеральные соли, например, хлорид аммония, другие искусственные питательные среды.

Чтобы сократить этот опасный период и оперативно начать технологический процесс содержания гидробионтов, в практике аквакультуры используют специальные «водные кондиционеры» и ускорители, представляющие собой концентрированные смеси культур бактерий – нитрификаторов, либо активного ила из действующих аппаратов биоочистки.

Таким образом, проведение пускового периода сооружений биоочистки в УЗВ можно осуществить тремя основными способами:

– внесением всевозможных реагентов в качестве питательной среды для микроорганизмов;

– добавлением популяции бактерий в виде чистых культур и бактериальных смесей, всевозможных субстратов из других биофильтров или природных источников;

– постепенной подсадкой гидробионтов в систему.

После выхода на рабочий режим сооружений биологической очистки воды в их объёме развивается определённое количество микроорганизмов-окислителей органики и нитрификаторов, очищающих оборотную воду, между которыми устанавливается определенное биологическое равновесие. Одними из основных показателей, характеризующих работу этих сооружений, являются:

– окислительная мощность сооружения – количество аммонийного азота, удаляемого в единице объёма сооружения в единицу времени;

– окислительно-восстановительная мощность – количество общего азота, удаляемого в единице объёма сооружения в единицу времени.

Очевидно, что эффективная работа этих сооружений зависит от того, насколько близки к оптимальным созданные условия для развития и жизнедеятельности окисляющих органику и нитрифицирующих бактерий.

Наши наблюдения показывают, что окислительные процессы в биологических фильтрах протекают в оптимальном режиме, если на вытоке из аппарата концентрация растворённого кислорода не опускается ниже 4 мг/л. Слишком высокие концентрации кислорода в вытекающей из биофильтра воде указывают на избыточный расход воздуха, подаваемого для аэрации.

Рекомендуемая активная реакция среды нейтральная – рН 6,5-7,5, значения рН в диапазоне от 9,8 до 10,0 могут считаться допустимыми.

Оптимальная температура воды для осуществления нитрификационных процессов составляет 25ºС.

Важную роль играет и время пребывания (контакта) очищаемой воды в сооружениях биоочистки. Так, его продление с 30 до 38 минут приводит к увеличению нитрифицирующей способности фильтра с 48 до 60 % по окислению аммония [85].

Производительность сооружений биологической очистки зависит от расхода подаваемой на очистку воды в пересчёте на их объём (гидравлическая нагрузка), концентрации азотных загрязнений, типа и конструкции самого сооружения, некоторых других факторов.

С ростом ихтиомассы в бассейнах установки происходит увеличение концентрации загрязняющих веществ, и это вызывает соответствующее увеличение концентрации активного ила в биофильтре. Такая зависимость подтверждена проведёнными исследованиями (рисунок 9).

Рисунок 6

Рисунок 9 – Динамика дозы ила в зависимости от ихтиомассы

Биомасса активного ила постоянно возрастает вследствие активной деятельности микроорганизмов, и в определённый момент начинает опережать прирост загрязнений, поступающих на очистку. Избыточную часть биомассы необходимо своевременно удалять, иначе потребуется дополнительно расходовать на ее окисление большое количество растворённого кислорода. В противном случае в результате анаэробных процессов происходит явление «вспухания» избыточного ила, которое проявляется во всплытии крупных его кусков (до 10-15 см в диаметре) на поверхность воды в сооружениях биоочистки, сопровождаемое активным газовыделением и резким ростом концентрации аммонийного азота и нитритов в оборотной воде.

Следует помнить, что физический смысл биоочистки заключается в переводе растворённых загрязнений в биомассу микроорганизмов, которая затем в виде осадка должна быть удалена из очищаемой воды. Поэтому в этом смысле процесс биологической очистки нельзя считать завершённым, если образовавшаяся при этом избыточная биомасса бактерий не будет изъята из оборотной воды.

Периодичность и количество отводимого осадка определяется скоростью его образования, которая в свою очередь зависит от многих вышеназванных факторов, влияющих на работу биоочистки (количество рыбы, уровень кормления, температурные, гидрохимические, гидрологические параметры и т.д.).

Существует мнение, что необходима непрерывная круглогодичная эксплуатация замкнутых систем, так как перерыв в их работе вызывает гибель сообществ микроорганизмов в биофильтре, после чего требуется длительное восстановление процесса биологической очистки. Мнение это верно лишь отчасти, так как погибает далеко не весь биоценоз активного ила, а только его часть. Число жизнеспособных клеток уменьшается на два-три порядка. Бактерии-нитрификаторы впадают в анабиоз (инактивируются) и могут находиться в нём довольно длительное время (несколько лет) [79]. При восстановлении благоприятной среды обитания они достаточно быстро активизируются и размножаются. В частности, наш опыт показывает, что после остановки эксплуатации биофильтра на 1-2 месяца, восстановление работы биоочиски в тепловодной УЗВ происходит за 3-5 дней, а в холодноводных за 6-10 суток.

Денитрификация (анаэробная очистка воды). В результате последовательного осуществления процессов аммонификации и нитрификации в оборотной воде происходит накопление нитратов. После этого наступает последняя, третья стадия биологической очистки воды – денитрификация, в результате которой азот нитратов переходит в газообразный азот.

Обычно содержание нитратов в УЗВ регулируется добавлением свежей воды. В среднем в процессе эксплуатации циркуляционных систем в сутки на подпитку расходуется 5-10 % воды от общего их объёма и её величина зависит главным образом от количества содержащейся рыбы, интенсивности кормления и конструктивных особенностей установок.

Однако бывают случаи, когда возможность подачи подпиточной воды ограничена. Практика эксплуатации циркуляционных установок показывает, что стадию денитрификации в составе системы очистки целесообразно использовать для снижения расхода подпиточной воды менее 3-4 % общего объёма системы. Поэтому рекомендуется осуществлять стадию денитрификации только в особых случаях, когда возможности подачи подпиточной воды ограничены.

Поскольку токсичность нитратов для гидробионтов не высока, нет необходимости полностью очищать от них оборотную воду, так как это достаточно дорого и не имеет практического смысла. Достаточно подвергать денитрификации около 10 % расхода циркулирующей воды (как бы имитируя подпитку).

Денитрификация – восстановление нитратов до свободного азота – проходит в два этапа:

NO3 + 1/3CH3OH → NO2 + 1/3CO2 + 2/3H2O

NO2 + ½CH3OH → ½ N2 + ½CO2 = ½H2O + OH

Этот процесс анаэробный и идёт интенсивнее в среде, обеднённой кислородом.

При анаэробном дыхании бактерии-денитрификаторы усваивают окись азота вместо кислорода. Ионы водорода, необходимые для хода реакции, бактерии берут из растворённых в воде органических веществ, которые окисляются до двуокиси углерода и воды.

Процесс денитрификации осуществляется обычно в таких же аппаратах, как и нитрификация, но при этом воздух для аэрации воды в них не подаётся, с целью создания анаэробных условий.

Экспериментально получены значения восстанавливающей способности денитрификатора (постоянная денитрификации) в пересчёте на площадь поверхности загрузочного материала, которые могут быть использованы для расчёта его параметров. При температуре воды 14оС она составляет 2,32 г NО3 – N/м2 в сутки, а при 27оС – 3,56 г NО3 – N/м2 в сутки [78].

Поскольку процесс денитрификации является биологическим, для его полноценного осуществления тоже требуется время на формирование соответствующего биоценоза микроорганизмов-денитрификаторов. Также необходимо своевременное удаление накапливающейся избыточной биомассы активного ила.

Продолжительность пускового периода денитрификаторов составляет 2-3 недели. В холодноводной УЗВ для выращивания лососёвых формирование биоплёнки в сооружениях биоочистки, включая денитрификатор завершалось на 40-е сутки [75].

Процесс денитрификации эффективно протекает при рН > 7,0, оптимальный уровень рН при этом составляет 8,5, а при рН 6,0-6,5 процесс денитрификации практически не идёт.

Концентрация растворённого в воде кислорода не должна быть выше 2 мг/л.

Оптимальное время пребывания очищаемой воды в денитрификаторе составляет 1,5-2,0 часа.

Для успешного осуществления процесса денитрификации необходимо наличие в очищаемой воде достаточного количества содержащей углерод органики. Учитывая, что в УЗВ поступающая в денитрификатор вода, прошедшая ранее биологическую нитрификацию, имеет высокое содержание нитратов, но бедна органикой, в качестве источника органического питания для бактерий-денитрификаторов в воду добавляют метанол.

Кроме метанола в аквакультуре использовали и другие источники органического углерода: углеводы (сахар, крахмал, глюкоза), спирты, органические кислоты, продукты распада белков и так далее.

Для полного превращения 1 кг нитратного азота в газообразный азот (N2) требуется 0,9-1,6 кг уксусной кислоты, либо 0,65-0,75 кг этанола или 1,9 кг метанола, а отсутствие их достаточного количества для завершения процесса денитрификации увеличивает содержание нитритов в воде [78].

Однако, не следует забывать, что отработанная вода, вытекающая из рыбоводных бассейнов, содержит достаточное количество органических веществ, которые и могут быть использованы при денитрификации в качестве органического субстрата для бактерий, кроме того, таким же субстратом может служить и осадок из системы очистки.

Для осуществления биологической очистки воды существуют специальные сооружения.

Аэротенки. Аэротенк – аппарат для биологической очистки воды, в котором этот процесс идёт в аэробной среде при интенсивной подаче сжатого воздуха в очищаемую воду. При этом активный ил поддерживается во взвешенном состоянии за счёт интенсивного перемешивания воды сжатым воздухом. Очистка насыщенной растворённым кислородом воды в аэротенке без её активной аэрации внутри аппарата невозможна из-за выпадения активного ила в осадок.

По мере роста рыбы в бассейнах УЗВ в сооружениях биоочистки необходимо постоянно и пропорционально наращивать количество активного ила. В аэротэнке такая возможность очень ограничена только в пределах (максимум 3-5 г/л) из-за его плохой осаждаемости (ил выносится с водой).

Поддержание необходимой концентрации ила в обрабатываемой воде аэротенка – самая трудная задача при его эксплуатации. Сложно постоянно определять какое количество возвратного ила необходимо подавать именно в данный период выращивания и одновременно какое количество избыточного ила выводить из системы, чтобы избежать излишних затрат кислорода на его окисление. То есть аэротенк – это не саморегулирующаяся система.

Характерная особенность установок с использованием аэротенков и их модификаций – мутная вода, так как отделение ила перед подачей воды в бассейн проблематично, а для некоторых установок вообще не предусматривается.

Чтобы обеспечить достаточную степень обработки воды приходится увеличивать время её очистки до 5-6 часов. В результате объём аэротенков в 5-10 раз должен превышать объём рыбоводных бассейнов.

Из-за перечисленных недостатков на сегодняшний день в составе современных циркуляционных рыбоводных установках аэротенки практически не используются из-за больших габаритов и соответственно высоких капитальных затрат для их размещения в закрытых помещениях.

Биофильтры. Биофильтр – сооружение для биологической очистки воды в виде резервуара, заполненного загрузочным материалом естественного или искусственного происхождения, который служит субстратом для закрепления на его поверхности биоценоза активного ила в виде биологической плёнки. Благодаря этому в биофильтрах удаётся поддерживать значительно бόльшую концентрацию активного ила в единице объёма аппарата (в 25-50 раз выше или 100 г/л против 2-5 г/л), чем в аэротенке, что позволяет сократить объём сооружений биоочистки и соответственно снизить затраты на их строительство и эксплуатацию.

По конструктивным особенностям загрузочного материала биофильтры делятся на два типа: с объёмной и плоскостной загрузкой.

К первому типу относятся биофильтры, в которых в качестве загрузочного материала используют песок, щебень, шлак, гравий, керамзит и другие материалы плотностью 500-1500 кг/м3 и пористостью 40-50 %.

Ко второму типу относятся биофильтры, где в виде загрузки используются всевозможные кольца, обрезки труб, жёсткие каркасные конструкции в виде решёток, блоков, собранные из чередующихся плоских и гофрированных листов.

Чем больше поверхность загрузочного материала, тем больше бактерий может поселиться в кубическом метре активной зоны фильтра, тем выше производительность сооружения. Поэтому субстрат оценивают по развитости его поверхности, которая выражается удельной площадью в единице объёма активной зоны биофильтра, занимаемой субстратом (м23).

Применение биофильтра взамен аэротенка даёт возможность сделать биологическую очистку саморегулирующейся, то есть в каждый момент времени иметь оптимальное соотношение величины биоценоза, ведущего очистку, и величины поступающих загрязнений из рыбоводных бассейнов, с постоянным удалением выносимого избыточного количества микроорганизмов. При правильном расчёте на максимум нагрузки в конце цикла выращивания рыбы, на поверхности субстрата биофильтра развивается столько биологической плёнки, сколько необходимо в данный период для очистки воды от поступающих с ней загрязнений. При увеличении количества загрязнений, пропорционально увеличивается и количество биоплёнки, и, наоборот: при недостатке питания (сокращении объёма подаваемых загрязнений) – излишняя биоплёнка отмирает. Отделившаяся от загрузочного материала отмирающая биоплёнка выносится с очищенной водой и должна быть выделена во избежание вторичного загрязнения воды (как правило, отстаиванием).

Как всё живое, микроорганизмы биологической плёнки рождаются, живут, наращивая свою биомассу, и умирают. На смену им приходят новые поколения микроорганизмов. В случае, когда толщина биоплёнки превышает 3 мм, под ней образуется анаэробный слой, который быстро нарастает. Если при этом в биофильтре не решены проблемы удаления отмирающей биоплёнки, то она разлагается и загрязняет воду, а биофильтр «заиливается» и перестаёт пропускать её через себя. Иногда в субстрате образуются каналы, по которым вода проходит с наименьшим сопротивлением, не соприкасаясь со значительной частью его поверхности. В результате вода не очищается, а в фильтре образуются бескислородные зоны, аэробные процессы биоочистки нарушаются. Эта проблема одна из самых главных и в разных конструкциях биофильтров имеет свои решения.

Все биологические фильтры можно разделить на две группы: орошаемые и затопленные. В орошаемых (ещё их называют капельными или сухими) – загрузочный материал в корпусе биофильтра не заливается очищаемой водой, а равномерно орошается ею сверху. Вода тонким слоем стекает по поверхности загрузочного материала, покрытого биологической плёнкой, которая осуществляет её очистку. Преимущество такого типа биофильтров заключается в том, что процесс очистки происходит в воздушной среде и не требует принудительной аэрации, а значит и дополнительных затрат электроэнергии.

Есть данные, что работа капельного фильтра несколько эффективнее, чем погружного, так как в нём выше обеспеченность кислородом за счёт воздуха, находящегося в промежутках между отдельными элементами субстрата. Вода, скатываясь по его поверхности, обогащается кислородом воздуха. Кроме того, в тонком слое воды, текущем по поверхности загрузки, выше турбулентность, чем в воде, плавно проходящей через толщу залитого материала [55; 78].

Важным моментом является равномерное распределение очищаемой воды в таких биофильтрах по всей поверхности загрузочного материала.

Однако при использовании такой конструкции биофильтров необходим большой (3-3,5 м) перепад уровней воды, подаваемой на очистку и очищенной. Вода, проходящая через загрузочный материал, вновь стекает вниз, непродуктивно теряя высоту подъёма. Это требует дополнительного насоса для подъёма воды на теряемый уровень, что усложняет эксплуатацию установки и повышает её энергоёмкость.

Иногда в составе рыбоводных установок встречаются комбинированные биофильтры, верхняя часть которых является орошаемой, а нижняя – затопленной (двухступенчатая очистка). Таким биофильтрам свойственны как недостатки, так и преимущества обоих вышеназванных конструкций.

В затопленных (погружных) биофильтрах загрузочный материал полностью находится в толще воды. Такие биофильтры не требуют большого перепада уровня воды в установке, однако почти всегда нуждаются в принудительной аэрации своего объёма. Воздух для аэрации затопленных биофильтров обычно подаётся в нижнюю часть.

Изначально в качестве загрузочного материала биофильтров в УЗВ применяли загрузку из песка, гравия, шлака, коралловой или диатомовой крошки, стеклянных и керамических элементов.

Такая загрузка имеет большой удельный вес, практически неподвижна, очень быстро заиливается отмирающим активным илом. Если в небольших аквариумных УЗВ не составляет большого труда быстро вынуть и промыть такой загрузочный материал, то в промышленных установках, где объём биофильтра составляет десятки кубических метров, эта процедура очень трудоёмка, растягивается на длительное время и требует прекращения работы УЗВ. При этом заиливание происходит тем быстрее, чем мельче фракция загрузочного материала.

Таким образом, возникает принципиальное противоречие: с одной стороны, чем меньше фракция загрузочного материала, тем больше удельная поверхность биофильтра (таблица 9), но количество пустот между отдельными элементами субстрата резко сокращается, что вызывает быстрое засорение загрузочного материала. Многолетняя практика нашей работы показывает, что компромиссное решение этого вопроса для данного типа загрузки в биофильтрах большого объёма находится в диапазоне размера частиц 20-40 мм. Соответственно и объём такого биофильтра должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить требуемую удельную поверхность загрузочного материала.

Таблица – 9 Примерная величина рабочей поверхности биофильтра в зависимости от размера частиц загрузочного материала [90]

Показатели Количество
Размер частиц, мм 2,5 5,0 7,5 10 15,0 20 25 50 75
Удельная поверхность, м23 1433 732 500 360 266 186 150 77 50

Иногда приходится сталкиваться с заблуждением, что если перед подачей воды в биофильтр обеспечена её предварительная механическая очистка, то засорения его субстрата можно избежать. На самом деле это не так, засорение всё равно произойдёт несколько позже из-за отмирающей в биофильтре биоплёнки. В среднем полное засорение биофильтра в промышленных УЗВ из-за отсутствия выноса отмершей биоплёнки происходит не позднее 5-6 месяцев его непрерывной работы при размере фракции загрузочного материала 3-6 см.

Чтобы этого избежать, необходимо периодически промывать биофильтр обратным током воды большого расхода и давления, либо продувать загрузку сжатым воздухом, что трудоёмко и приводит к временному нарушению биологического равновесия в нём. При этом промывная вода с осадком должна выводиться из системы.

Оптимальное количество гравия в биофильтре составляет 15-40 м3 на 1 тонну выращиваемой рыбы, что соответствует 1,5-4 м3 биофильтра на каждый 1 м3 бассейна. Кроме того, необходим ещё и бассейн-отстойник. Это ведет к большим потерям производственных объёмов и площадей.

Вторая проблема биофильтра со статичной загрузкой – высокая нагруженность верхних слоёв субстрата продуктами загрязнения. Нижележащие слои субстрата омываются водами, из которых уже изъята часть загрязнений. Этот эффект настолько существенен, что снижает эффективность работы всего объёма биофильтра до 40 % от потенциально возможного уровня [78].

Все вышеперечисленные недостатки привели к тому, что в рыбоводных установках гравийные и им подобные биофильтры чаще всего применяют в малонагруженных системах с ихтиомассой 2 – 10 кг/м3.

Блочная загрузка. Трудности очистки гравийных фильтров побудили конструкторов к поиску самоочищающихся загрузок биофильтров. Для этих целей стали использовать блочную загрузку в виде колец Рашига, обрезков труб, решёток, плоских и гофрированных листов, стеклянных блоков с отверстиями, устанавливаемые один над другим, объёмных блоков в виде пчелиных сот из синтетических материалов.

При использовании таких загрузок необходимость в обратной промывке часто отпадает, так как отмирающие участки биоплёнки могут свободно выноситься из субстрата и оседать в конусной отстойной части биофильтра. Необходимо лишь предусмотреть в самой его нижней части дренажный трубопровод сброса осадка.

Удельная площадь такого субстрата колеблется от 50 до 200 м23. Дальнейшее повышение удельной площади загрузки такого вида невозможно, так как отверстия для пропуска воды сужаются и с течением времени наглухо зарастают биоплёнкой. Производительность единицы объёма биофильтра с пластмассовой загрузкой в 4-7 раз выше, чем с керамзитовой или гравийной. При этом как зарубежный, так и отечественный опыт строительства подобных биофильтров показывает снижение капитальных затрат в 1,5-2 раза по сравнению с созданием гравийных биофильтров [91].

Вращающиеся биофильтры и их аналоги. Недостатком биофильтров таких конструкций является необходимость использования электродвигателя, т.е. повышенная энергоёмкость, наличие механических вращающихся частей (рисунок 10). Это увеличивает риск выхода аппарата из строя, с чем сталкивались некоторые исследователи. Подобные технические решения не обеспечивают стабильных условий обитания биологической плёнки, в связи с чем не достигается требуемое качество оборотной воды, если соотношение объёмов рыбоводных ёмкостей и аппаратов водоподготовки ниже, чем 1 : 3-4.

Фото чб 1

Рисунок 10 – Макет системы датской фирмы «Euromatic» с вращающимися биобарабанами (фото Е.П. Попова)

Плавающая загрузка. Важным этапом в развитии рыбоводных циркуляционных систем стало использование плавающих наполнителей для биофильтров. Ниже представлена одна из наиболее удачных, разработанных нами, конструкций такого типа аппарата (рисунок 11) [59].

Биофильтр работает следующим образом. Загрязнённая вода поступает в аппарат по водоподающему трубопроводу 2 сверху в зону аэрации I, в которой свободно плавает загрузка 11. Аэрация воды осуществляется сжатым воздухом, подаваемым по воздухопроводу 3. Движение воды в аэрационной зоне I сверху вниз. Из зоны аэрации вода поступает в зону отстаивания II. Очищенная вода подогревается за счёт пара, подаваемого в трубопровод 1 в верхней части зоны отстаивания II до необходимой температуры, переливается через зубчатый перелив 5 в водосборный желоб 6 и отводится по трубопроводу 7. Образующийся осадок периодически сбрасывается из аппарата по трубопроводу 9. Для его полного опорожнения используется трубопровод 14. Перепад уровней воды в биофильтре и отводящем лотке 15 см.

Схемы0003

Рисунок 11 – Биофильтр с плавающей загрузкой

Позднее была разработана горизонтальная конструкция подобного биофильтра, сохраняющая преимущества и принципы работы своего прототипа (рисунок 12).

Биофильтр обладает саморегуляцией. По мере того, как масса выращиваемой рыбы увеличивается, увеличивается и количество загрязняющих веществ, что в свою очередь вызывает увеличение биомассы активного ила на загрузке и в объёме аэротенка. Если же часть рыбы из установки удаляется, либо полностью заменяется новой партией меньшей ихтиомассой, количество загрязняющих веществ уменьшается, происходит отмирание избыточной биомассы активного ила в соответствии с тем, на сколько сократилось количество поступающих в биофильтр органических загрязнений. Выносимый активный ил осаждается в конической части аппарата и отводится из него.

word image 632 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

а

Схемы0004

б

Рисунок 12 – Биофильтр с плавающим наполнителем горизонтального типа: а – внешний вид; б – технологическая схема

Благодаря тому, что загрузка плавающая и имеет возможность свободно перемещаться внутри аппарата в толще воды, находясь во взвешенном состоянии, биомасса активного ила равномерно распределяется по всему объёму, как на плавающем субстрате, так и во взвешенном состоянии. Тем самым удаётся избежать негативного явления, при котором основная масса микроорганизмов находится в верхнем слое загрузки, а нижние слои вносят малый вклад в процесс очистки. Перепад уровней поступающей и отводимой воды в биофильтре минимальный, что позволяет оптимально скомпоновать установку в одном здании с одной группой насосов, забирающих воду из ёмкости-накопителя.

Важным технологическим условием эффективной эксплуатации аппаратов с плавающим наполнителем является его количество в зоне аэрации. Поскольку смысл использования плавающего наполнителя заключается в его равномерном непрерывном движении по всему объёму зоны аэрации, исключающее возникновение застойных зон, загрузочный материал должен иметь определённую степень свободы для перемещения в корпусе сооружения.

Стремление увеличить производительность аппарата, максимально заполнив весь объём аэрационной зоны как можно бόльшим числом плавающих гранул (шариков, колец и т.д.) приводит к обратному эффекту. Чрезмерное наполнение объёма биофильтра увеличивает силу и частоту соприкосновения движущихся гранул между собой, и их гладкая поверхность слишком легко освобождается от активного ила, уменьшая его количество на гранулах.

При этом некоторые разработчики циркуляционных систем допускают принципиальную ошибку. Они используют для насыщения воды кислородом не барботажный способ аэрации непосредственно внутри аппарата биоочистки, а предварительное её насыщение в оксигенаторе, справедливо полагая, что насыщенная кислородом вода будет очищаться бактериями значительно эффективнее. Однако при этом забывается роль барботажной аэрации, как силы, заставляющей активно перемещаться плавающий наполнитель. Тем самым сводится на нет весь смысл использования плавающего наполнителя в биологических фильтрах: появляются застойные зоны, заиливание загрузочного материала, необходимость его периодических промывок.

Псевдосжиженный загрузочный материал в биофильтрах. В последнее десятилетие появились фильтры с так называемым взвешенным субстратом, в котором мелкий песок или мелкие тонущие гранулы поддерживается во взвешенном (плавающем) состоянии восходящим снизу-вверх потоком обрабатываемой воды. Обычно такие фильтры имеют цилиндрический корпус, в который вода подаётся снизу и заставляет песок постоянно двигаться. При этом вся поверхность песка заселяется нитрифицирующими бактериями, что обеспечивает значительное увеличение удельной производительности такого устройства [86], где удельная поверхность загрузочного материала достигает 3000-5000 м23 [92].

Как показывают первые итоги эксплуатации, подобные аппараты, способны значительно (на порядок) сократить необходимый объём сооружений биологической очистки (а значит и капитальные затраты на их строительство).

Вместе с тем поддержание загрузочного материала во взвешенном состоянии требует использования высоконапорного (более энергоёмкого) циркуляционного насоса. Необходимо поддерживать постоянное давление очищаемой воды, так как его снижение приведёт к залеганию субстрата, а увеличение – к его выносу. При отключении такого биофильтра из работы на несколько суток может произойти залегание и слёживание субстрата, поэтому восстановление его работы требует подачи исходного расхода очищаемой воды со значительно бόльшим давлением, чем предусмотрено обычным режимом эксплуатации. Всё это увеличивает эксплуатационные затраты на биологическую очистку воды.

Общие рекомендации по проектированию и расчёту биофильтров. Число независимых (работающих параллельно) секций или отдельных биофильтров рекомендуется иметь не менее двух. Особенно это актуально для аппаратов, требующих периодических промывок субстрата. В этом случае обеспечивается возможность вывода аппарата из системы циркуляции на время его промывки или ремонтно-профилактических работ. При этом оставшийся работающим биофильтр (или его секция) должен обеспечивать прохождение всего расхода циркулирующей воды. В случае если биофильтр в системе всего один, рекомендуется предусматривать обводной трубопровод с запорной арматурой, который при необходимости позволит исключить аппарат водоочистки из системы циркуляции на время ремонтных работ или лечебно-профилактических обработок гидробионтов. Конечно, качество оборотной воды станет постепенно ухудшаться, однако её циркуляция через бассейны будет сохранена.

При этом расчёт водораспределительной и отводящей сети следует проектировать по максимальному расходу с коэффициентом запаса 1,3.

Для расчёта производительности биофильтров тепловодных УЗВ рекомендуют использовать величину удельной производительности площади загрузки 1,0 г/м2 аммонийного азота в сутки при температуре воды 23-27оС, а для форелевых хозяйств – 0,3-0,5 г/м2 в сутки.

При расчёте биологических фильтров количество выделяемых загрязнений следует рассчитывать для общей массы содержащихся гидробионтов, которую планируется получить в конце этапа (цикла) выращивания, когда нагрузка на очистную систему максимальна.

Для этого специалисты ВНИИПРХ рекомендовали использовать следующую формулу определения количества общего азота растворённых веществ, выделяемых рыбой [93]:

Rn= 2 x M x 3,12 x m -0,15 x 2,25 0,1(T-27), где:

Rn – количество азота, выделяемого ихтиомассой, кг/сут.;

М – общая ихтиомасса в системе, тонн;

m – средняя масса одной рыбы, г;

Т – температура воды, оС.

Зная количество общего азота растворённых веществ, выделяемых рыбой и удельную производительность поверхности загрузки биофильтра, подсчитывают общую площадь активной поверхности, необходимой для окисления этих токсичных веществ. Затем через величину удельной площади поверхности загрузки биофильтра находят необходимый его объём. Как правило, удельная площадь поверхности плоскостной (блочной) загрузки биофильтра определяется её паспортными данными, либо путём специальных вычислений. Также в паспортных данных биофильтра может быть приведена удельная его производительность по тем или иным загрязнениям в пересчёте на его объём, т.е. г/м3 в сутки, которая также может быть определена в процессе опытной эксплуатации, в том числе на модельном объекте.

Желательно проектировать производительность биофильтров с некоторым запасом (10-15 %). Если биологический фильтр планируется использовать в системах с солоноватой или морской водой, то его расчётную производительность следует увеличить ещё на 10-20 %.

Многолетняя практика нашей работы показывает, что при «стандартных» условиях эксплуатации УЗВ, т.е. когда в рыбоводном бассейне объёмом 1 м3 содержат 100 кг товарного карпа, для очистки оборотной воды необходимо иметь 0,7-1,0 м3 объёма биологического фильтра (зоны активной аэрации), а, учитывая объём зоны отстаивания, эта величина возрастает до 1,5-2,0 м3. Таким образом, при соотношении объёма рыбоводных ёмкостей к объёму биологического фильтра (включая зону отстаивания) 1,0 : 1,5-2,0 качество оборотной воды и эффективность выращивания рыбы, как правило, соответствуют нормативным требованиям.

Поэтому, не утруждая себя расчётами по приведённой выше формуле, можно ориентировочно сказать какой объём биологического фильтра необходим для очистки воды в той или иной установке. Причём, чем больше это соотношение, тем устойчивее параметры эксплуатации УЗВ и наоборот: снижение этого соотношения, например, до величины 1:1, хотя и возможно, но уменьшает устойчивость необходимых параметров эксплуатации, и требует бóльшего внимания и квалификации персонала для их стабильного поддержания.

Понятно, что чем выше соотношение объёмов сооружений биоочистки и рыбоводных ёмкостей, тем больше капитальные затраты. Поэтому подавляющее большинство компаний-проектировщиков на рынке УЗВ имеют тенденцию слишком высоко оценивать допустимые нагрузки на предлагаемые ими системы водоочистки в погоне за конкурентными преимуществами. В этой связи рекомендуется с осторожностью подходить к тем или иным проектам УЗВ, если они по своим техническим характеристикам слишком сильно отклоняются от приведённых выше параметров и соотношений объёмов бассейнов и системы водоочистки.

6. Параметры водной среды

6.1. Температура воды

Влияние температурного фактора при выращивании гидробионтов имеет первостепенное значение. Обычно их подразделяют на эвритермных и стенотермных. Первые обитают при широких колебаниях температуры, вторые – приспособлены к узкому интервалу температур (тропические, арктические и глубоководные виды). С возрастом температурный оптимум становится шире, поэтому влияние этого показателя на рост наиболее сильно проявляется на ранних стадиях развития.

Повышение или понижение температуры в допустимых пределах вызывает соответствующие сдвиги в жизнедеятельности гидробионтов. При этом многие рыбы обладают способностью различать градиенты температур менее 1оС [62]. Повышение температуры увеличивает потребление кислорода, экскрецию аммонийного азота, активизирует другие процессы метаболизма, усиливает поиск, потребление, переваривание пищи, ускоряет всасывание растворённых веществ из окружающей среды, повышает чувствительность к токсикантам, ускоряет развитие и половое созревание.

В холоде живые организмы впадают в состояние покоя (анабиоза). Температуру, при которой это происходит, называют «условный биологический ноль». Для разных видов рыб эта температура различна: так для холодолюбивых (лососи, сиги) она близка к 0оС, для теплолюбивых (карп, растительноядные, канальный сом) – составляет 10-14оС. Осетровые занимают промежуточное положение [94].

Выращивание рыбы в установках с замкнутым водоиспользованием придаёт температурному фактору особое значение, так как он является полностью управляемым параметром создаваемой искусственной экосистемы. Это в свою очередь позволяет воздействовать на жизненные функции содержащихся гидробионтов и, что особенно важно, на репродуктивные циклы водных организмов. Появляется возможность в ускоренном режиме формировать их маточное поголовье, получать потомство в требуемые сроки, независимо от времени года, и, как следствие, круглогодично осуществлять получение и реализацию рыбопродукции в режиме многоцикличного (полицикличного) выращивания.

Следует помнить, что влияние температуры на рыб тесно связано с другими факторами окружающей их водной среды и воздействует на организм в совокупности с ними. При выборе температуры выращивания гидробионтов в системах с замкнутым водоиспользованием приходится учитывать влияние метаболитов рыб, расход кислорода на оксигенацию, скорость распада взвешенных загрязняющих веществ, условия существования микроорганизмов в сооружениях биоочистки воды, изменение экскреции аммонийного азота, углекислоты и некоторые другие факторы. Практически не существует единой оптимальной температуры воды для того или иного вида без её связи с другими факторами среды.

Поддержание требуемого температурного режима в УЗВ при выращивании гидробионтов сводится к восполнению неизбежных теплопотерь, возникающих при контакте циркулирующей оборотной воды с окружающей средой, и к доведению температуры подпиточной воды до заданного уровня.

Важным моментом работы проточных водонагревателей является подбор скорости движения нагреваемой технологической воды в трубках, которая исключает их зарастание биоплёнкой. Эта скорость должна быть не менее 1,5 м/сек. [78].

Поскольку удельная теплоёмкость воды составляет 1 ккал/кг на 1оС, это означает, что для нагрева 1 л воды на 1оС необходимо затратить 1 ккал тепла. Полученную в результате расчётов величину рекомендуется увеличить на 10-30 % в целях учёта теплопотерь при передаче тепла оборотной воде от теплоносителя.

Известно, что при эксплуатации промышленных циркуляционных систем без терморегуляции температура оборотной воды, как правило, соответствует температуре воздуха в помещении. В этой связи поддерживать низкую температуру воды в тёплом помещении достаточно проблематично. Это требует повышенных энергозатрат, ведёт к обильной конденсации влаги на всех элементах установки, приводит к сырости в помещении и коррозии оборудования.

Существует большое количество серийно выпускаемого относительно недорогого оборудования для охлаждения воздуха в помещении (вплоть до отрицательных температур). В этой связи рекомендуется размещать холодноводные УЗВ в помещениях, охлаждаемых до требуемой температуры. Это значительно снижает капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению с использованием проточных водоохладителей. При этом само помещение должно иметь хорошую термоизоляцию.

6.2. Растворённый кислород

Рыбы и многие другие гидробионты дышат растворённым в воде кислородом, главным образом через жабры, поэтому содержание его в воде имеет для них первостепенное значение.

Наиболее требовательны к содержанию кислорода в воде холодноводные и реофильные рыбы, типичным представителем которых является форель. Теплолюбивые рыбы, например, карп и тиляпия, относительно не требовательны к содержанию растворённого в воде кислорода и легко переносят уменьшение его концентрации до 3-4 мг/л.

Существует общая закономерность, состоящая в том, что в благоприятной экологической обстановке минимальное постоянное содержание растворённого кислорода, равное 5 мг/л, удовлетворяет потребности рыб на основных стадиях и процессах жизненного цикла, включая рост молоди, плодовитость, выклев из икры, морфологию, выживаемость личинок и т.д. [72].

В воде может быть растворено строго определённое количество кислорода, называемое равновесной концентрацией, принимаемой за 100 % насыщения [56]. Зависимость равновесной концентрации кислорода в воде от её температуры и солености при нормальном атмосферном давлении представлена в таблице 10.

Таблица 10 – Растворимость кислорода в воде (мг/л)* при давлении атмосферы 760 мм. Рт. Ст. в зависимости от температуры и солёности [66]

Температура, оС Солёность, ‰
0 10 20 30 35
10 11,3 10,6 9,9 9,3 9,0
12 10,7 10,1 9,5 8,9 8,7
14 10,3 9,7 9,1 8,6 8,3
16 9,9 9,3 8,7 8,2 8,0
18 9,5 8,9 8,4 7,9 7,7
20 9,1 8,6 8,1 7,6 7,4
22 8,7 8,2 7,8 7,3 7,1
24 8,4 7,9 7,5 7,1 6,9
26 8,1 7,7 7,2 6,8 6,6
28 7,8 7,4 7,0 6,6 6,4
30 7,6 7,1 6,8 6,4 6,2
32 7,3 6,9 6,5 6,2 6,0
34 7,0 6,7 6,2 6,0 5,8

* справочно: иногда концентрация указывается в мл/л (1 мг/л О2 = 0,6998 мл/л)

Известно, что рост рыбы сильно замедляется при насыщении воды кислородом ниже 45-55 %.

Чрезмерное насыщение воды кислородом также может быть для рыбы губительно. Предельный уровень насыщения воды кислородом для большинства рыб составляет 250-300 %. При насыщении воды кислородом выше такого уровня у них появляются пузырьки газа в кровеносных сосудах, затем наступают судороги и смерть.

При использовании высокой плотности посадки и высоких температурах особенно важно поддерживать требуемый уровень насыщения воды кислородом. При расчёте кислородного баланса в рыбоводных бассейнах необходимо учитывать количество кислорода в поступающей и вытекающей воде, расход кислорода на дыхание гидробионтов, окисление растворённых органических веществ, диффузионный газообмен с атмосферой.

Потребность рыбы в кислороде очень сильно варьирует в зависимости от конкретно складывающихся условий выращивания и колеблется в широких пределах, например, при товарном выращивании карпа – от 100 мг/кг в час до 600 мг/кг в час.

При кислородоснабжении рыбоводных бассейнов с высокой плотностью посадки целесообразно использовать технический кислород, доводя при этом его концентрацию в поступающей в бассейн воде до 15-20 мг/л. Использование технического кислорода позволяет в 2-5 раз увеличивать плотности посадки рыбы и снижать расход воды в 2-4 раза. Рыба при этом растёт значительно быстрее, уменьшаются её отход и затраты корма за счёт лучшего его использования.

В свою очередь уменьшение расхода циркулирующей воды позволяет снижать диаметр используемых трубопроводов, а также мощность циркуляционных насосов, что сокращает капитальные и эксплуатационные затраты. Однако чрезмерный расход кислорода отрицательно сказывается на себестоимости получаемой продукции.

Содержание растворённого кислорода в оборотной воде является важнейшим технологическим показателем эксплуатации УЗВ, который к тому же зависит от целого ряда факторов и подвержен быстрым и частым колебаниям. В этой связи обязательным условием успешной эксплуатации промышленных УЗВ является систематический, а в идеале постоянный в автоматическом режиме, контроль концентрации растворённого кислорода, в первую очередь на вытоке из рыбоводных ёмкостей и сооружений биологической очистки.

Насыщение воды кислородом может осуществляться путём обычной аэрации за счёт распыления пузырьков воздуха в толще воды (барботаж). Особенно эффективен этот способ при начальном содержании кислорода в аэрируемой воде 0-4 мг/л и дальнейшем насыщении до 5-7 мг/л [56]. Скорость насыщения кислородом резко растёт при диаметре пузырьков менее 5 мм [62]. Однако при пропускании воздуха через воду в нём растворяется не более 1-4 % кислорода от общего количества, а остальной выходит в атмосферу.

Существуют другие конструкции всевозможных механических аэраторов, осуществляющих перемешивание воды и атмосферного воздуха, либо её разбрызгивание в воздушной среде.

Известны конструкции, основанные на эффекте подсасывания атмосферного воздуха за счёт разряженности его давления в специальных устройствах – эжекторах. Относительные малогабаритность и небольшой вес подобных конструкций позволяют монтировать их непосредственно на напорной трубе и т поддерживать количество растворённого в воде кислорода на уровне 100-150 % насыщения, что при температуре оборотной воды 25оС составляет 8-12 мг/л.

Вместе с тем в современных рыбоводных установках удельная ихтиомасса в бассейнах при товарном выращивании может достигать 100 кг/м3 и более. Ранее предпринимались попытки насыщения воды чистым кислородом путём его распыления в воде. Однако эффект такого насыщения, крайне расточителен – только 5-10 % кислорода успевает растворяться в воде, а остальной уходит в атмосферу. Поэтому прибегают к повышению концентрации кислорода в воде на входе в бассейн сверх равновесного насыщения.

Для осуществления этой задачи разработаны специальные аппараты – оксигенаторы. Сегодня разработан широкий спектр конструкций оксигенаторов, различной производительности до 1000 м3/час, процесс работы которых полностью автоматизирован. В зависимости от используемого давления кислорода в оксигенаторах их можно разделить на безнапорные, низконапорные и высоконапорные.

Во всех из них насыщение кислородом ведётся не из атмосферного воздуха, а из смеси газов, большую часть которой (более 90 %) составляет кислород. При этом в последних двух типах этот процесс осуществляется при повышенном давлении газа, создаваемом в аппаратах. Это позволяет получать значительно бóльшую концентрацию растворённого в воде кислорода, на много превышающую уровень нормального насыщения. В данном случае этот показатель лимитируется допустимым, как отмечалось выше, уровнем в 250-300 % насыщения.

В качестве примера, на рисунке 13 представлена зависимость уровня насыщения воды кислородом от температуры воды и давления в аппарате для оксигенаторов, при нулевой входной концентрации. Очень важно, чтобы газовая смесь, подаваемая в оксигенатор, содержала в своём составе не менее 90 % кислорода.

word image 633 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 13 – Зависимость концентрация кислорода в воде на выходе из оксигенатора от давления и температуры [78]

Принципиальная конструкция оксигенатора представляет собой герметичную цилиндрическую ёмкость с соотношением диаметра к высоте 1:3 – 1:5. В верхней части корпуса находится водоподающий трубопровод. Вода мелко разбрызгивается в кислородной среде, создаваемой внутри аппарата за счёт подачи чистого кислорода. Снизу осуществляется отвод насыщенной кислородом воды. Зависимость объёма оксигенатора от расхода воды в нём представлена на рисунке 14.

word image 634 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

Рисунок 14 – Зависимость объёма оксигенатора от расхода воды [56]

При расчёте количества кислорода, которое необходимо подать в оксигенатор, следует учитывать его потери в процессе оксигенации, которые, в зависимости от конструкции могут составлять 10-20 %.В хозяйствах аквакультуры могут использоваться различные источники технического кислорода. Для сравнительно небольших рыбоводных установок можно использовать привозные стандартные кислородные баллоны.

Если потребности в кислороде более значительны, можно использовать жидкий кислород с предварительной его газификацией на месте потребления. Специальные ёмкости – газификаторы устанавливаются непосредственно в хозяйстве (с учётом обязательных требований безопасности) и периодически заполняются привезённым на специальном автотранспорте кислородом.

Однако наиболее технологичны всевозможные генераторы кислорода, позволяющие получать газообразный кислород высокой степени чистоты непосредственно на месте использования. Эти аппараты предназначены для получения кислорода из воздуха путём его разделения на кислород и азот.

Выбор источника кислорода при проектировании индустриальных рыбоводных хозяйств зависит от конкретных технико-экономических условий.

Вместе с тем при работе с любым кислородным оборудованием следует соблюдать ряд предусмотренных нормативными документами мер и требований техники безопасности и пожарной безопасности. Генераторы кислорода и другие кислородные источники, в зависимости от предъявляемых к ним требований, надо размещать в отдельных хорошо проветриваемых помещениях, вынесенных за пределы основного здания, либо на удалённых специально оборудованных площадках. В процессе изъятия кислорода из атмосферного воздуха выброс азота от кислородогенератора должен осуществляться в окружающую среду вне помещения.

6.3. Активная реакция среды (рН)

Показатель рН, обусловленный концентрацией водородных ионов, является одним из важных абиотических факторов среды обитания рыб. Воздействие рН на жизнедеятельность гидробионтов связано с изменением уровня глюкозы и концентрации гемоглобина в крови рыб и со способностью гемоглобина использовать растворённый в воде кислород при различных концентрациях водородных ионов. При низких значениях рН наступает депрессия функциональной активности имунной системы рыбы. Увеличение рН более 9,0 вызывает рост концентрации аммонийного азота в крови.

В системах оборотного водоснабжения необходимо учитывать и то обстоятельство, что оптимальным диапазоном для нитрифицирующих бактерий является рН 7,1-7,8 [74], а значение рН ниже 6,5 препятствует процессу нитрификации. Имеется возможность регулирования этого показателя путём дозирования щёлочи или кислоты в оборотную воду в зависимости от того, в кислую или щелочную сторону необходимо сместить значение рН. При этом с целью достижения максимального роста рыбы рекомендуется не допускать колебаний этого показателя более 0,2-0,5 единиц в сутки. При использовании сильных щелочей или кислот следует пользоваться 2-10 %-ными растворами, добавляя их капельным методом и строго наблюдая за динамикой параметра. Вносить реагенты при корректировке рН рекомендуется в отдельную ёмкость, располагаемую после аппаратов водоочистки.

6.4. Требования к качеству оборотной воды

Помимо перечисленных выше, необходимо учитывать и некоторые другие гидрохимические показатели: щёлочность, жёсткость, количество углекислого газа, фосфатов, сульфатов, хлоридов, ионов железа и др.. Они также воздействуют на рост живых организмов либо непосредственно, либо воздействуя через микроорганизмы биологической очистки воды на её качество и тем самым на жизнедеятельность и рост гидробионтов.

Обобщая и сопоставляя все имеющиеся литературные данные, рассмотренные выше, можно заключить, что оборотная вода, поступающая в рыбоводные бассейны, должна отвечать требованиям, представленным в таблице 11.

Таблица 11 – Требования к качеству оборотной воды

Показатели ОСТ 15.372-87 для поступающей воды

(форель / карп)

Технологическая норма Кратковременно допустимые значения
Взвешенные вещества, мг/л до 10 / 20 до 30
Активная реакция среды (рН) 7,0-8,0 / 6,5-8,5 6,8-7,2 6,8-8,5
Нитриты, мг N/л до 0,02 до 0,1-0,2 до 1,0
Нитраты, мг N/л 1,0 / 2,0 до 60 100
Аммонийный азот, мг N/л 0,5 / 1,0 2-4 до 10

Продолжение таблицы 11

Аммиак свободный, мг N/л до 0,05 до 0,05 до 0,1
Окисляемость бихроматная, мг О/л до 30 / 50 20-60 70-100
Окисляемость перманганатная, мг О/л до 10 / 15 10-15 до 40
Кислород, мг/л:
на выходе из бассейнов 5-12 2-3
после биологической

очистки

4-8 2
Углекислота, мг/л 10 / 25 25 30
Сероводород, мг/л 0 0 0,002
Фосфаты, мг/л 0,3 / 0,5 0,2-0,5 2,0
Железо общее, мг/л 0,5 / 1,8 0,5 2,0
Железо закисное, мг/л 0,1 / 0,2 0,1 0,5
Щёлочность, мг/л 30-200 300
Жёсткость общая, Н0 5-8 20-25
Хлориды, мг/л 10,0 15,0
Сульфаты, мг/л 10,0 15,0
Свободный хлор, мг/л 0 0,003
Кобальт, мг/л 0,01
Марганец, мг/л 0,005
Цинк, мг/л 0,05

Соблюдение перечисленных выше параметров оборотной воды является гарантией получения в УЗВ экологически чистой рыбы, или сырья, отвечающих требованиям продукта функционального питания.

7. Типовые технологические схемы УЗВ

Анализ многолетних и многочисленных собственных и других исследования в сфере создания и эксплуатации замкнутых систем позволил сформулировать основные принципы и последовательность осуществления технологических операций водоподготовки, требования к составу необходимого оборудования в УЗВ и типовые схемы его последовательного расположения (рисунок 15а, б).

Типовая последовательность осуществления технологических операций водоиспользования включает в себя:

1. Размещение и содержание гидробионтов в рыбоводных ёмкостях (инкубационные аппараты, аквариумы, лотки, бассейны, силосы), в которых осуществляются все рыбоводно-технологические операции.

2. Первичная механическая очистка (отстойники, фильтры), предназначенная для удаления из воды, вытекающей из рыбоводных ёмкостей, взвешенных веществ (главным образом экскрементов и остатков не съеденного корма).

3. Биологическая очистка воды (аэротенки, биофильтры, денитрификаторы и др.) предназначенная для очистки воды от растворённых органических и азотных загрязнений.

4. Вторичная механическая очистка (отстойники, фильтры) предназначенная для очистки воды от взвешенных веществ, главным образом активного ила, образующегося и выносимого из сооружений биоочистки;

5. Терморегуляция для регулировки и поддержания заданной температуры оборотной воды. Как правило, это её подогрев, однако для холодноводных УЗВ используются водяные охладители.

word image 635 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

а

word image 636 Разработка инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре

б

Рисунок 15 – Типовые структурные схемы циркуляционных установок без блока денитрификации: а) с напорным первичным механическим фильтром и безнапорным (низконапорным) оксигенатором; б) с безнапорной первичной механической очисткой и напорным оксигенатором

6. Бактерицидная обработка оборотной воды (УФ-облучение, озонирование и др.) предназначена для снижения уровня бактериального загрязнения циркулирующей воды. Как правило, используется в инкубационных системах, при выращивании молоди и посадочного материала. При товарном выращивании часто не используется, хотя её наличие желательно.

7. Насыщение воды атмосферным (аэрация) или чистым (оксигенация) кислородом. Важнейшее необходимое условие при содержании гидробионтов в индустриальных условиях с высокой плотностью посадки.

8. Перекачка оборотной воды (насосы, эрлифты) необходима для осуществления последовательного непрерывного перемещения оборотной воды по всем вышеназванным элементам системы, обеспечивающим выполнение вышеперечисленных функций и в итоге – нормальную жизнедеятельность культивируемых гидробионтов.

9. Накопление оборотной воды в специальной ёмкости, необходимой для обеспечения питания насоса и выполнения некоторых других вспомогательных функций (например, приёма подпиточной воды, регулировки рН, солёности и др.).

В зависимости от функциональных задач, стоящих перед конкретной системой циркуляции, при необходимости она может дополняться соответствующим вспомогательным оборудованием. Иногда одно используемое сооружение может совмещать в себе несколько функций.

Правильность подбора и размещения основного и вспомогательного оборудования является залогом эффективной эксплуатации всей рыбоводной циркуляционной системы в целом.

8. Производство экологически чистой форели, отвечающей требованиям продукта функционального питания с применением УЗВ

8.1. Краткая биологическая характеристика форели

Значительному увеличению производства рыбы способствует расширение ассортимента культивируемых объектов, особенно за счет видов, дающих деликатесную продукцию. Среди таких видов рыб следует выделить радужную форель (Oncorhynchus mikiss Walbaum) (рисунок 16, 17). Она является одной из ценных рыб, которая пользуется высоким спросом в крупных промышленных, курортных и туристских центрах. Поскольку радужной форели присуща биологическая пластичность, она хорошо приспосабливается к искусственным условиям содержания, кормления; обладает высокой скоростью роста даже при значительной плотности посадки, особенно в первые три года жизни [95].

Радужная форель

Рисунок 16 – Радужная форель (самец)

Форель

Рисунок 17 – Радужная форель (самка)

В естественных условиях радужная форель обитает в холодных и прозрачных пресноводных водоемах, хорошо растет и в обычных водоемах с незагрязненной водой и достаточным содержанием растворимого кислорода. Температура воды в диапазоне 11-18оC не вызывает изменений в реакции организма форели, отражающихся на росте рыбы. Она может жить в широком температурном диапазоне – от 0 до 30оC. Оптимальная температура для нее в летнее время составляет 17 – 20оC при температуре более 20оC интенсивность питания форели падает, а при 25оC – прекращается. В зимнее время при температуре воды 2-3оC форель продолжает питаться, прирост массы тела может составлять 75-150%; при температуре воды близкой к 0оC рост прекращается.

Радужная форель очень требовательна к содержанию растворимого кислорода в воде, является оксифильной рыбой, хотя может переносить и сравнительно низкие концентрации кислорода. Содержание кислорода в воде около 5 мг/л является для ее роста критическим и дальнейшее уменьшение на 1 мг/л замедляет рост на 30%. Содержание кислорода в воде, поступающей в рыбоводные сооружения на втоке, должно составлять не менее 10 – 11 мг/л и 7 мг/л на вытоке из них [95].

Радужная форель так же требовательна и к другим физико-химическим параметрам воды: рН, концентрации азотистых соединений, железа и другим [96].

Радужная форель – хищная рыба, поэтому наряду с вышеизложенными факторами, значительную роль в эффективности ее производства имеют корма. В зависимости от размера и возраста рыбы разработаны соответствующие рецептуры отечественных и импортных кормов. Россия – РГМ; Финляндия – Edel Raisio; Германия – «Aquavalent» Kraft Beeskow и др. В их состав входит много компонентов (основную часть которых составляет рыбная мука, шроты, жмыхи, витамины и др.) и они должны содержать 40% и более протеина; до 22% и более жира. Нормативные затраты таких кормов на 1 кг прироста должны быть на уровне 0,9-1,1 кг.

Считается, что успешное производство форели на 59% зависит от количества и качества корма, на 24% – от технологии и на 17% – от селекционно-племенной работы [97].

8.2. Опыт форелеводства в замкнутых системах

В настоящее время в нашей стране лососеводство испытывает интенсивное развитие. Производство лососевых за 5 лет выросло более чем в 2 раза – до 90,8 тыс. тонн. Из них более 86% выращивается на предприятиях Северо-Западного федерального округа (СЗФО) [2], который по итогам 2019 года занял в России первое место по темпам развития аквакультуры. Лидерами в этой отрасли являются Республика Карелия, Мурманская и Ленинградская области, где очень заметно продвинулась индустриальная аквакультура. Увеличение объемов производства связано с формированием новых рыбоводных участков, технологической модернизацией рыбоводных хозяйств, увеличением их производственных мощностей, а также мерами государственной поддержки аквакультуры, реализуемыми на территории СЗФО [98]. На лидирующие позиции по производству рыбы стали выходить регионы, где ведется интенсивное выращивание рыбы с использованием высокоиндустриальных, современных технологий. Именно они демонстрируют самые высокие темпы роста. Хорошо известны такие крупные инвестиционные проекты, как «Русское море – аквакультура» и «Русский лосось», позволившие за последние годы в десятки раз увеличить объемы товарного выращивания рыбы в Мурманской области.

В Ленинградской области расположено более 40 предприятий, специализирующихся на товарном рыбоводстве (главным образом это форелеводство). Более трех четвертей всего объема товарной рыбоводной продукции выращивается в естественных водоемах Приозерского и Выборгского районов, имеющих доступ к Выборгскому заливу и Ладожскому озеру. За последние годы рост объема производства составлял до 15% в год. В Ленинградской области, имеется своя база по производству рыбопосадочного материала – «Федеральный селекционно-генетический центр рыбоводства» в Ропше, который дает около 1 млн штук малька в год.

Вместе с тем задача обеспечения товарных форелевых рыбоводных хозяйств качественным рыбопосадочным материалом по-прежнему остается одной из главных проблем, сдерживающих это направление рыбоводства. В этой связи в Мурманской области рассматривается проект строительства современного комплекса для производства посадочного материала лосося и форели. Аналогичная задача стоит в Карелии, где планируется запустить селекционно-племенной центр по производству оплодотворенной икры и молоди в 2024 году. Однако такие инвестиции могут позволить себе только крупные компании.

В этой связи не лишним будет вспомнить имеющийся положительный опыт использования циркуляционных установок для быстрого создания ремонтно-маточных стад, внесезонной инкубации икры и получения крупного посадочного материала, с целью последующего зарыбления садков и бассейнов для товарного выращивания в традиционных условиях.

Выращивание лососевых рыб относится к холодноводному направлению аквакультуры, требующему большого количества проточной воды высокого качества. Именно относительный дефицит таких водоисточников во многом и привёл когда-то специалистов аквакультуры к разработке замкнутых рыбоводных систем. Именно одно из наиболее развитых в технологическом и техническом плане направлений рыбоводства – форелеводство – дало толчок развитию индустриальных бассейновых и садковых рыбоводных хозяйств.

В форелеводстве часто применяется повторное (многократное) водоиспользование с последовательным каскадным расположении бассейнов, без какой-либо очистки. При этом в каждом последующем лотке плотность посадки рыбы, как правило, снижают на 10% относительно предыдущего. В поисках более рационального использования проточной воды и снижения её потребления столь водоёмким направлением аквакультуры, разработчики постепенно пришли к применению циркуляционных установок.

Первые установки с замкнутым водоснабжением бассейнов по выращиванию радужной форели и других лососей были созданы в США примерно в 1957 году [99], которые затем нашли своё применение и в европейских странах. В частности, в бывшей ГДР именно за счёт использования УЗВ было значительно увеличено и стабилизировано получение посадочного материала форели [100].

Впервые в СССР промышленная система оборотного водоснабжения бассейнов инкубационно-личиночного цеха форелевого хозяйства «Сходня» (Московская обл.) была использована в 1973 году с очисткой воды в биологических прудах [99]. А первая циркуляционная установка промышленных объёмов, хорошо известная специалистам, была создана в Эстонском колхозе им. С.М. Кирова, называлась «Биорек» и являлась аналогом немецкой установки «Штеллерматик» с вращающимся биологическим фильтром. Именно на этой установке отечественными специалистами в основном и отрабатывалась биотехника полносистемного выращивания форели в УЗВ. Кроме того, работы по созданию полносистемного форелевого хозяйства на базе УЗВ и последующее выращивание рыбы осуществлялось в рыболовецком колхозе «Балтика» (Ленинградской обл.) [101].

Вместе с тем товарное выращивание форели в УЗВ не является столь актуальным вопросом для севера и северо-запада нашей страны, так как эти регионы обладают благоприятными природно-климатическими условиями для осуществления лососеводства в естественных условиях многочисленных водных объектов, в том числе в морских акваториях Белого и Баренцева морей.

Применение таких УЗВ более актуально с точки зрения раннего получения оплодотворенной икры и крупного посадочного материала. При этом их работу следует подстраивать под естественный годовой цикл производства рыбопродукции. Поскольку известно, что температура оборотной воды в УЗВ стремится к температуре окружающего её воздуха, установка для инкубации икры форели должна быть размещена в отдельном помещении, где в зимнее и весеннее время можно поддерживать температуру воздуха, близкую к оптимальным температурам воды в период инкубации икры и свободных эмбрионов. Бассейны для маточного стада также рекомендовано размещать в отдельном помещении с более низкой температурой воздуха (и соответственно воды) в преднерестовый и нерестовый периоды [102].

Поскольку радужная форель является распространённым и традиционным объектом аквакультуры, её отношение к основным технологическим факторам водной среды достаточно хорошо изучены.

В нашей стране данные, касающиеся выращивания форели в УЗВ, накоплены в основном в период существования СССР и главным образом были получены на базе установки «Биорек» при выращивании форели Дональдсона – породной группы радужной форели, выведенной в результате длительной селекции в США, при этом основное внимание уделялось увеличению размеров и плодовитости.

Работы по рыбохозяйственному освоению форели Дональдсона были начаты в 1982 году. Результаты исследований показали, что эта форель обладала большей потенцией роста по сравнению с культивируемой в хозяйствах радужной форелью. При этом наилучшие результаты по жизнестойкости, темпу роста, ускоренному половому созреванию были получены в условиях регулируемых оптимальных параметров среды в УЗВ. Уже через год исследователям удалось получить икру от впервые созревших производителей, выращенных в УЗВ «Биорек». Первые самки созревали при средней массе 1 кг, однако полученная от них икра оказалась низкого качества и практически не оплодотворялась. Самцы созревали на 1-2 месяца раньше самок в возрасте 9-12 месяцев, но качество их спермы также было ниже по сравнению с самцами старшего возраста. К первому нересту созревало 100 % самцов и 80 % самок (ко второму все – 100 %).

В этой связи формирование маточного стада форели в УЗВ рекомендуется начинать с отбора пар повторно нерестящихся производителей, отдельной инкубации качественной икры и раздельного выращивание молоди при посадках в 2-3 раза более низких по сравнению с нормативами промышленного производства посадочного материала. Масса сеголетков в этих условиях должна составлять 500 г, и в этом возрасте уже производится отбраковка части самцов, достигших половой зрелости для составления нужной пропорции в стаде производителей, масса которых в возрасте одного года должна составлять около 1 кг, созревание самок происходит в возрасте до 1,5 лет [103]. Основные технологические принципы работы на данном этапе практически воспроизводят традиционные методы формирования маточных стад форели в индустриальных хозяйствах [95; 104], за исключением главного отличия по более быстрым срокам созревания и более крупной массе получаемых производителей [102, 103].

Температуру воды при содержании производителей в межнерестовый период рекомендовано поддерживать на уровне 16-17оС, а за 1,5 месяца до нереста и в период нереста снижать до 13-8оС. При этом в бассейны рекомендуют подавать воздух, не только для аэрации, но и для создания внутри него дополнительной циркуляции, которая благотворно воздействует на производителей при созревании гонад.

В преднерестовый период до созревания первых самок, особей кормят полноценным витаминизированным кормом с увеличением количества премикса до 2-3 %, но суточную норму уменьшают до 0,5 % от массы форели. Кормление прекращают за 4 дня до сортировки производителей по половым признакам, которую проводят за 2 недели до нереста. Кормление пастообразными смесями исключается, так как они загрязняют воду.

Рекомендуемый срок эксплуатации самцов в УЗВ составляет 1-2 года, при этом установлено, что их можно использовать 5-6 (не более 8) раз за нерест с интервалом 3 суток, самок – в течение 2-3 лет (включая первый нерест), далее необходима отбраковка производителей из-за достижения крупных размеров [102; 105].

Проведённые американской компанией «Clear Springs Trout Company» эксперименты показывают, что под влиянием усиленного питания, постоянной температуры воды 15оС и контролируемого фотопериода, половые продукты форели могут созревать до 4 раз в год. Однако, при четырехразовом нересте качество икры получается довольно низким, при трёхразовом – допустимое для рыбоводных целей, а при двухразовом – хорошее, что позволяет предприятию получать икру в течение всего года [106].

В процессе отработки инкубации икры форели и выдерживания свободных эмбрионов в УЗВ было показано, что их выживаемость зависела от возраста полового созревания самок и качества половых продуктов. При этом наибольший отход наблюдался в период инкубации икры до стадии «глазка» и при выдерживании свободных эмбрионов, хотя он не превышал существующие нормативы для прямоточных систем, а выживаемость выдерживаемых эмбрионов была выше нормативных требований [107].

В дальнейшем интенсивность роста личинок обеспечивала достижение средней массы особей 1 г в течение 30-40 дней при выживаемости до 95 %, затратах корма 0,8-0,9 кг/кг привеса и плотности посадки в мальковых бассейнах типа «силос» до 30 тыс. шт./м3. Последующее опытное выращивание посадочного материала форели в УЗВ из полученной молоди средней массой 1 г показало, что при исходной плотности посадки рыбы 5 тыс. шт./м3 форель достигает веса 10 г через 35 дней, и далее – 20 г за 25 суток, при выходе рыбопродукции молоди массой 10 и 20 г – соответственно 40 и 60 кг/м3, а выживаемости 90-98 % [103].

Другими исследователями установлено, что основные физиолого-биохимические и гематологические показатели сеголетков форели Дональдсона и стальноголового лосося, выращенных в регулируемых условиях УЗВ оказались в норме или близки к таковой [108].

В целом результаты многолетней эксплуатации УЗВ «Биорек» показали, что масса форели увеличивалась от 0,2 до 50 г за 120-140 дней выращивания, а за год достигала 1 кг [109]. При этом максимальный индивидуальный прирост рыбы и минимальные затраты корма отмечены при ихтиомассе в бассейне 70 кг/м3 [110], а максимально достигнутая нагрузка по товарной форели составила 83,3 кг/м3 бассейна [102].

Отмечено, что превосходство в скорости роста форели, выращиваемой в УЗВ, проявляется особенно заметно на стадии получения посадочного материала, когда она в 2-3 раза превышала таковую по сравнению с традиционными методами выращивания. Это также предопределило схему преимущественного использования УЗВ на этапе получения посадочного материала форели во внесезонные сроки с последующей её пересадкой в хозяйства нагульного типа. В результате общий срок производства товарной продукции сокращается до 1 года и менее. Примером комбинированного выращивания товарной форели с использованием УЗВ и прямоточных бассейнов являлось хозяйство рыболовецкого колхоза им. С.М. Кирова, где в течение зимнего времени в УЗВ «Биорек» выращивался крупный (100-200 г) посадочный материал, который в дальнейшем, при наступлении благоприятных условий, пересаживали в бассейны, где он достигал к концу первого года 400-800 г. То есть получаемая продукция переходила в разряд ценной и более дорогой, что повышало рентабельность работы хозяйства в целом [103].

В условиях Ленинградской области, за счёт проведения ранних сроков нереста и выращивания посадочного материала форели в УЗВ, удаётся зарыблять озёрные садки рыбой массой 20 г, а не 5 г, как при традиционной технологии. В свою очередь к концу сезона выращивания форель достигает товарной массы 500 г, против 165 г, то есть за один сезон [92].

На основании положительного опыта содержания форели в солоноватых водах, были разработаны рекомендации по комбинированному выращиванию её посадочного материала массой до 50 г в УЗВ для последующего получения товарной рыбы в морских садках. Процесс культивирования рекомендуется начинать с момента инкубации икры при солёности 3-5‰. Затем, с момента начала подращивания личинок, её постепенно увеличивают до 5,0-7,5‰. При подращивании личинок до 500 мг температуру воды рекомендовано поддерживать в диапазоне 15-18оС. В ходе дальнейшего выращивания температуру воды постепенно повышают до 20оС. Поскольку наличие солей в оборотной воде снижает негативное воздействие на рыб соединений азота, нормативы допускают содержание азота нитритов от 0,1 до 0,3 мг/л, а нитратов – от 100 до 200 мг/л [111]. Общая продолжительность выращивания рыбы в УЗВ при этом составляет 165 суток (таблица 111).

Таблица 11 – Некоторые параметры технологии выращивания молоди

форели в УЗВ на солоноватых водах (солёность 5,0-7,5‰) [103]

Плотность посадки, шт./м3 Средняя масса, г Выживаемость, % Время выращивания, сут.
Исходная конечная
10 000 0,1 0,5-1,0 70 45
5 000 0,5 5,0 80 50
2 000 5,0 50,0 80 70

Что касается специфических особенностей возникновения заболеваний лососёвых в условиях циркуляционных установок, то сведения об этом практически отсутствуют. Скорее данные носят общий характер, свойственный всем УЗВ в целом.

Известна гибель радужной форели от газопузырькового заболевания при насыщении воды азотом до 109-120%, сопровождавшаяся множественными патологическими отклонениями состояния организма, как функционального, так и структурного характера. При этом после уменьшения насыщения до 103,8% гибель рыбы прекратилась [112; 113]. В этой связи не рекомендуется превышать уровень насыщения воды азотом выше 100% [114].

В целом можно констатировать, что содержание ремонтно-маточного стада, инкубация икры и выращивание посадочного материала форели в условиях УЗВ достаточно хорошо отработаны и этот опыт может быть с успехом использован для расширения производства посадочного материала и дальнейшего наращивания объемов производства товарной продукции форелеводства.

8.3. Форель, как натуральный продукт высокого содержания Омега-3 жирных кислот

При условии выращивания в экологически чистых условиях форель априори отвечает требованиям продукта функционального питания. Это связано с тем, что в отличие от многих других видов культивируемая форель относится к рыбам, мускулатура которых богата жиром. Соединительная ткань образует «каркас» мышц. Большая часть ее представлена рыхлой соединительной тканью, формирующей эндомизий в виде тонких волокон, окутывающих отдельные мышечные волокна и перимизия, разделяющего отдельные пучки волокон. При этом крупная форель характеризуется несколько меньшим, чем мелкая содержанием соединительной ткани. Таким образом радужная форель – функциональный продукт натурального происхождения, источник жирных омега-3 кислот.

Ненасыщенные жирные кислоты – это жирные кислоты, которые содержат, по крайней мере, одну двойную связь в цепи жирной кислоты. В зависимости от насыщенности, они делятся на две группы:

– мононенасыщенные жирные кислоты, содержащие одну двойную связь;

– полиненасыщенные жирные кислоты, содержащие более чем одну двойную связь.

Полиненасыщенные жирные кислоты являются одним из наиболее перспективных функциональных ингредиентов [115].

Эти кислоты считаются более здоровыми, чем насыщенные жирные кислоты. Некоторые из них (линолевая, олеиновая, миристолеиновая, пальмитолеиновая и арахидоновая) имеют способность снижать уровень холестерина и кровяного давления, тем самым уменьшая риск сердечных заболеваний.

Норма потребления омега-3 жирных кислот для взрослого человека составляет 1–3 г в сутки.

К сожалению, в настоящее время среднедушевой уровень потребления Омега-3 полиненасыщенных жирных кислот в России составляет порядка 130 – 150 г в год на человека, что примерно на 2/3 ниже нормы, рекомендованной Всемирной организацией здравоохранения (из расчета 1 г в сутки) [116].

Уровень современного потребления и прогноз его роста в нашей стране представлен на рисунке 18.

Информация о том, что пищевой продукт является источником омега-3 жирных кислот, а также любая информация, имеющая такое же значение для потребителя, может быть приведена в маркировке пищевого продукта только при условии, если сумма омега-3 жирных кислот составляет не менее 0,2 г на 100 г [115].

http://www.vniro.ru/images/my_ico_vniro/1_11.JPG

Рисунок 18 – Потребление Омега-3 жирных кислот и прогноз его роста в России

Информация о том, что пищевой продукт является источником высокого содержания Омега-3 жирных кислот, а также любая информация, имеющая такое же значение для потребителя, может быть приведена в маркировке пищевого продукта только при условии, если сумма омега-3 жирных кислот составляет не менее чем 0,4 г на 100 г.

Наши исследования показали, что мясо форели средней массой 380 г, выращенной в модельной УЗВ, содержало в своем составе 1,28 г омега-3 жирных кислот на 100 г продукта. Таким образом, выращенная рыба является источником высокого содержания Омега-3 жирных кислот.

Соответственно для получения суточной нормы их потребления человеку достаточно съесть 100-200 г мяса форели. При этом усвояемость Омега-3 жирных кислот составит около 69% [117].

8.4. Прижизненное обогащение мяса форели селеном в УЗВ

8.4.1. Значение селена в питании

Селен представляет собой физиологически важный микроэлемент, незаменимый в питании человека и животных. В естественных условиях селен поступает в организм в виде селеносодержащих аминокислот – селенометионина и селеноцистеина. Селен и его соединения стимулируют синтез белков, в том числе фракцию иммуноглобулинов, повышая иммунный статус организма, улучшают процессы тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, стимулируют рост организма.

Правительство Российской Федерации определило дефицит селена, наряду с недостаточностью других микроэлементов, как значительную угрозу для населения и национальной экономики. Несмотря на то, что потребление селена в большей части России достаточное для предотвращения острых селенодефицитных заболеваний, тем не менее, оно достаточно низкое и не может поддерживать оптимального состояния здоровья. Селен в питательной, органической форме (селенометионин) следует добавлять в корма для животных и птицы в больших объемах, чем считалось ранее, для увеличения его содержания в яйцах, мясе и молоке – трех основных источниках пищевого селена для людей [118; 6].

В человеческом организме минерал накапливается в печени, почках, селезенке, сердце, костном мозге, легких, коже и семенных канатиках. Суммарная концентрация микроэлемента во внутренних органах не превышает четырнадцати миллиграмм (спичечной головки). В микродозах он содержится в ядрах всех клеток. Для лучшего усвоения селена, рекомендуется одновременно принимать витамины Е, С.

Селенметионин, селенцистеин (природная форма соединения) обладает наивысшей степенью усвояемости – до 98%. Из животной формы организм поглощает только 30% элемента, из неорганической (селенит натрия) – 10%. Термическая обработка на 30 – 60 % снижает содержание микроэлемента в продуктах питания. При этом, неконтролируемое употребление средств в таблетированной форме может привести к передозировке соединения в организме.

Суточная потребность человека в селене зависит от возраста и пола: младенцам 1-3 лет необходимо – 20 мкг; детям 4-8 лет – 30 мкг; школьникам 9-13 лет – 40 мкг; подросткам 14-18 лет – 55 мкг; женщинам от 19 лет и старше – 55 мкг; мужчинам от 19 лет и старше – 70 мкг. Согласно международным нормам, если в пищевых и кормовых продуктах содержится менее 100 мкг/кг, то такой рацион характеризуется как селендефицитный. [119; 120].

Искусственное снабжение организма селеном при его алиментарном дефиците может осуществляться в виде селенита или селената натрия, а так же в форме органических соединений селена микробиального происхождения. Все эти соединения легко всасываются в желудочно-кишечном тракте. Селенит, в свою очередь, участвует в обмене серосодержащих соединений, например, в превращении метионина в цистин, а также заменяет витамин Е в ряде биохимических реакций. Установлено, что селен и витамин Е являются компонентами естественной антиоксидантной системы, регулирующей процессы свободнорадикального перекисного окисления липидов: витамин Е прекращает аутоокисление липидов, снижая уровень свободных радикалов, а селен разрушает липопероксидазы, входя в структуру глютатионпероксидаз. Таким образом, селенит обладает антиокислительными свойствами и выступает как стабилизатор биомембран [120].

Поступая из воды через жабры, селен разносится кровью по всему организму рыб и находится в тканях в основном в неорганической форме; поступив в печень, переходит в органическую форму, и в случае его избытка может выводиться из организма. Рыбы обладают выраженной способностью аккумулировать селен из воды и корма. Однако большинство территорий России дефицитны по селену. Его избыток в почвах и в воде обнаружен только в ряде биогеохимических провинций Южного Урала и Тувы, поэтому пища – основной источник селена для рыб. Потребность в селене у различных видов рыб варьирует в пределах 0,15-0,50 мг/кг корма. Потребность радужной форели в селене колеблется в пределах от 0,15 до 1,25 мг/кг корма, карпа — 0,15-0,25 мг. Корма, содержащие около 2% и более рыбной муки, удовлетворяют потребность рыб в селене [121].

Интенсивное жиронакопление при выращивании рыб на теплых водах приводит к ухудшению их физиологического состояния и качественных показателей товарной продукции. Одним из способов снижения вредного влияния аккумулируемых в организме липидов могут служить добавки в корма биологически активных веществ, антиоксидантов, таких как препарат «Эсвекс», включающего в себя токоферол и селен [122].

«Эсвекс» содержит действующие вещества: селенита натрия и токоферола ацетата (витамина Е). Витамин Е регулирует окислительно-восстановительные процессы и влияет на углеводно-жировой обмен, усиливает действие витаминов А и D3, оказывает влияние на состояние иммунитета, общую сопротивляемость организма. Биологическая роль селена связана с его антиоксидантными свойствами. Он способствует выведению токсических веществ из организма, повышению иммунитета животных. Введение препарата в организм приводит к быстрому возрастанию уровня витамина Е и селена в организме животных, нормализации обменных процессов.

8.4.2. Материал и методы исследования

Опыт проводился в условиях аквариальной кафедры аквакультуры и пчеловодства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Цель опыта – определить влияние добавки в корма препарата «Эсвекс» на организм сеголеток радужной форели в условиях модельной установки с замкнутым водоиспользованием (таблица 12).

Таблица 12 – Технические характеристики опытной установки

Показатели Исходный вариант
Объемы, м3
бассейнов 2,0
бака-накопителя 0,2
механического фильтра 0,1
биофильтра

вспомогательное оборудование

2,0

0,3

Общий объем УЗВ, м3 4,6
Расход свежей воды на подпитку:
м3/сут. 0,24
% 5,2
Расход циркулирующей воды, м3/час 6,0
Соотношение объема бассейнов к объему водоподготовки 1:1,3

Установка состояла из двух рыбоводных бассейнов рабочим объемом по 1 м3 каждый, бака-накопителя отработанной воды, двух циркуляционных насосов (один из них резервный), механического фильтра, биофильтра, аэратора. Площадь каждого бассейна составляла 2 м2, глубина – 0,5 м. Температура воды в период опыта составляла 13-15ºС, а содержание кислорода не менее 90% насыщения.

Исследования проводили в двух вариантах, при одинаковой плотности посадки и начальной массе тела сеголетков в течение 110 суток (таблица 13).

Таблица 13 – Схема проведения опыта

Вариант Плотность посадки, шт./м3 Средняя исходная масса, г Ихтиомасса, кг/м3 Условия кормления
Контроль 60,0 103,3 6,2 Основной рацион (ОР)
Опыт 60,0 103,3 6,2 ОР+1 мл/кг корма «Эсвекс»

Указанная доза препарата была выбрана исходя из предыдущего опыта его использования при кормлении форели в садках [122].

При проведении исследований систематически контролировали основные гидрохимические показатели с интервалами в 2-3 суток: концентрации растворённого кислорода и азотистых соединений, pH. Эти показатели регистрировали с помощью портативного мультипараметрового зонда YSI-85 и YSI-556 (содержание кислорода, солёность и pH, производство «Yellow Springs Instruments», США) и pH-211 (pH, производство «Hanna Instruments», США). Концентрации аммония, нитритов и нитратов определяли колориметрированием проб на фотоэлектрическом фотометре КФК-3-01 (Россия) со спектральным диапазоном от 315 до 990 нм [123]. Температуру воды в экспериментах поддерживали автоматически и ежедневно контролировали данный показатель, как по данным приборов, так и прямым измерением с помощью термометра.

Контроль за ростом осуществлялся 1 раз в 15 дней путем вылова и взвешивания 10% исследуемых рыб.

В контроле рыбу кормили продукционным кормом для форели «ЛимКорм 42/17». Комбикорм «ЛимКорм 42/17» – эффективный, сбалансированный корм с пониженным уровнем сырого жира для товарного выращивания форели. Рекомендуется для использования в условиях повышенных температур воды (таблица 14).

Таблица 14 – Характеристика форелевого корма «ЛимКорм 42/17»

Показатель Содержание
Протеин, не менее 42 %
Жир, не менее 17 %
Зола, не более 10 %
Клетчатка, не более 2,5 %
Переваримая энергия, не менее 18,9 Мдж/кг
Энерго-протеиновое отношение 45,0 кДж/г

Основные ингредиенты корма: рыбная мука, пшеница, экстраты растительного белка (концентрат белка подсолнечника, кукурузный глютен), шрот соевый, рыбий жир, растительное масло, порошковый гемоглобин, премикс, комплекс биологических добавок.

«Эсвекс» вносили в корм широко практикуемым ихтиопатологами методом – протравливания [124], равномерно распыляя препарат на корм и давая ему просохнуть. Корма готовили по необходимости – порционно. В период осуществления опыта было проведено обследование 10 контрольных и 10 опытных экземпляров из каждой группы рыб, выращиваемых с добавлением препарата.

Определение количества гемоглобина в крови проводилось колориметрическим способом (гематиновый метод Сали), основанным на образовании устойчивого раствора коричневого цвета при взаимодействии гемоглобина с соляной кислотой. Химический состав мышц рыб определяли по методикам, описанным A.A. Лукашик и В.А. Тащилиным [125]. Гематологические исследования проводили согласно методикам Н.Т. Ивановой [126].

Морфометрические показатели рыб определялись путем измерений различных частей тела [127]. Особей вскрывали и подвергали полному морфологическому анализу. Определяли массу внутреннего жира, печени, желудочно-кишечного тракта, сердца, головной и туловищной почек, гонад. От тела отделяли голову, плавники, кожу с чешуей, мышцы и стволовой скелет [128; 129]. Рассчитывали относительную массу отдельных органов и частей тела в процентах от массы тела. Определяли коэффициенты роста тела и отдельных его частей.

Пробы мускулатуры для биохимических исследований, брали на уровне спинного плавника.

Изучение накопления селена в тканях рыб при введении в рацион препарата «Эсвекс» в конце выращивания определяли по общепринятой методике [118; 130].

Математическую обработку полученных результатов проводили по Г.Ф. Лакину [131].

8.4.3. Результаты исследований

Систематический контроль качества циркулирующей воды по изучаемым показателям показал его соответствие существующим требованиям во всех вариантах и на всех этапах проводимых исследований (таблица 15).

Таблица 15 – Качество циркулирующей воды в процессе исследований

Показатели Диапазон колебаний Технологичес-кая норма (Жигин, 2011) Кратковре-менно допустимые значения (Жигин, 2011)
Активная реакция среды (рН) 7,3-7,8 6,8-7,2 6,8-8,5
Нитриты, мг N/л 0 – 0,17 до 0,1-0,2 до 1,0
Нитраты, мг N/л 25,7 – 60,7 до 60 100
Аммонийный азот, мг N/л 0,5 – 1,13 2-4 до 10
Аммиак свободный, мг N/л до 0,0013 до 0,05 до 0,1
Кислород (на выходе из емкостей), мг/л: 5,3-8,2 5,0 4,0

Добавка в корм селен содержащего препарата не оказала статистически значимого влияния на рыбоводные показатели. Однако выживаемость рыб в опыте была выше и составила 86,7% против 75% в контроле, что повлияла на рыбопродуктивность, которая оказалась выше на 17,5% в опытном бассейне (таблица 15).

Таблица 15 – Влияние добавки в рацион форели препарата «Эсвекс»

Показатели Вариант опыта
Опыт Контроль
Исходная плотность посадки, шт./м3 60,0 60,0
Общее кол-во, шт. 60,0 60,0
Выживаемость, шт.

%

52,0

86,7

45,0

75,0

Средняя масса, г:

исходная

конечная

103,3 ± 8,06

385,7 ± 28,0

103,3 ± 8,04

380,7 ± 27,2

Абсолютный прирост массы, г 282,4 277,4
Общая ихтиомасса, г: исходная

конечная

6,2

20,1

6,2

17,1

Абсолютный прирост ихтиомассы, кг 13,9 10,9
Среднесуточный прирост, г 2,57 2,52
Расход корма, кг 18,1 15,3
Затраты корма, г/г 1,3 1,4
Рыбопродуктивность, кг/м3 20,1 17,1

Кроме этого у рыб из опытного варианта наблюдалась тенденция к увеличению некоторых количественных показателей соматических структур, в частности порки, тушки и мышц (таблица 16).

При использовании в опыте корма с добавкой селена, коэффициент жирности рыб по сравнению с контролем уменьшился на 46,4%, а индекс печени – на 16,9%.

Известно, что ожирение рыб часто обусловлено не замедлением распада липидов, а ускорением их синтеза. По-видимому, применение добавки селена дает возможность достаточно эффективно снижать интенсивность и масштабы жиронакопления у форели. При этом он не оказал влияния на другие изучаемые показатели.

Таблица 16 – Морфофизиологическая характеристика форели

(% от массы тела)

Показатель Опыт Контроль
Масса рыб, г 347,1 342,6
Длина тела по Смитту, см 29,2 28,9
Коэффициент упитанности по Фультону, ед. 1,39 1,42
Порка 81,5±0,2 79,9±0,6
Голова 8,9±0,4 9,2±0,5
Плавники 2,0±0,10 2,0±0,04
Тушка 70,2±1,1 68,2±0,2
Кожа 5,6±0,3 4,9±0,6
Мышцы 57,1±0,9 54,0±1,2
Внутренний жир 1,70±0,17 3,17±0,21*
Печень 0,89 ± 0,19 1,04 ± 0,18*
Гонады 0,06±0,03 0,05±0,01

*разность достоверна при Р ≤ 0,05

Существенных отличий по клиническим показателям крови у опытных и контрольных рыб не установлено (таблица 17). Однако содержание ряда биохимических показателей в плазме крови рыб при использовании «Эсвекса» несколько изменяется, хотя существенных отклонений в системе крови у рыб, получавших в качестве добавок биологически активные вещества, не выявлено. Напротив, стабилизация жирового обмена позволяет улучшить физиологическое состояние рыб и снизить отход.

Таким образом, применение добавки селена способствует повышению выживаемости форели из-за стабилизации жирового обмена и снижению накопления внутреннего полостного жира.

Анализ мышечной ткани выращенной форели показал, что в опытной группе содержание селена составило 20,1 мкг/100 г, что на 7,3 мкг больше, чем в контроле (12,8 мкг/100 г).

Таблица 17 – Клинические и биохимические показатели крови рыб

Показатели Опыт Контроль
Эритроциты, шт./л /*1012

Гемоглобин, г/л

Гематокрит, %

Тромбоциты, шт./л х 109

Общий белок, г/л

Мочевина, ммоль/л

Глюкоза, ммоль/л

Холестерин, ммоль/г

АСТ, ед./л

АЛТ, ед./л

ЛДГ, ед./л

Щелочная фосфатаза, ед./л

0,29±0,05

69,4±2,2

4,68±0,82

238,7±89,9

43,7±1,5

1,93±0,2

0,92±0,17

9,38±0,47

443,5±70,6

34,6±3,5

1988,5±274,7

795,6±91,3

0,29±0,05

75,7±4,8

4,32±0,77

242,7±87,1

42,8±2,8

1,67±0,12

1,69±0,35

9,09±0,86

532,3±84,4

33,9±2,9

2410,2±371,8

833,5±41,3

Сопоставляя эти данные с величиной суточной потребности человека в селене (70 мкг для мужчин и 55 мкг для женщин) можно заключить, что рыба, выращенная в контроле содержала в мясе 18,3-23,3% суточной нормы и в соответствии с ГОСТ Р 55577-2013 может быть отнесена к продукту – «источник селена», а форель, получавшая в корм селенсодержащую добавку в зависимости от пола потребителя близка или соответствует продукту с «высоким содержанием селена», так как этот показатель составлял 28,7-36,6% от суточной нормы потребления мужчины и женщины соответственно (таблица 18).

Таблица 18 – Категория форели по содержанию селена в зависимости от суточной нормы его потребления, % по ГОСТ Р 55577-2013

Категория продукта Содержание от суточной нормы потребления Контроль Опыт
для мужчин для женщин для мужчин для женщин
Обычный менее 15
Источник селена 15-30 18,3 23,3 28,7
Высокое содержание селена более 30 36,6

Таким образом, благодаря введению в кормовой рацион форели, выращиваемой в УЗВ, селен содержащего препарата «Эсвекс» в количестве 1 мл/кг корма, удалось не только повысить ее выживаемость на 11,7% и рыбопродуктивность на 17,5 %, но и увеличить содержание селена в мясе, получив экологически чистый и функциональный продукт питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задачей государственной политики в области здорового питания населения является расширение отечественного производства основных видов сырья, отвечающего современным требованиям качества и безопасности, наряду с производством пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, в том числе продуктов функционального назначения. Одним из уникальных и безопасных видов сырья для получения продуктов функционального питания являются рыба и морепродукты.

Поэтому проведенные нами исследования, с целью предложить инновационную технологию производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания с применением установок с замкнутым водоиспользованием (УЗВ), посвящены решению актуальных задач, стоящих перед рыбохозяйственным комплексом и перерабатывающей промышленностью, в деле обеспечения населения качественными и полезными продуктами питания.

Функциональные продукты – продукты питания, содержащие ингредиенты, которые приносят пользу здоровью человека, повышают его сопротивляемость к заболеваниям, способны улучшить многие физиологические процессы в организме человека, позволяя ему долгое время сохранять активный образ жизни.

В отличие от общепринятого понятия рационального питания, под термином «функциональное питание» подразумевается использование таких продуктов естественного происхождения, которые при систематическом употреблении оказывают позитивное регулирующее действие на определенные системы и органы макроорганизма или их функции, улучшая физическое и психическое здоровье человека.

Объем российского производства функциональных продуктов питания увеличился с 2006-го по 2011 год практически на 160% в натуральном выражении, при этом рост объема рынка продолжается в пределах 2-3% в год.

Рыба является одним из важнейших источников пищи человека. Ее ценность, как продукта питания, определяется в первую очередь наличием большого количества полноценных белков, содержащих все восемь жизненно необходимых незаменимых аминокислот. Все это делает рыбу незаменимой и особенно ценной в детском, лечебном и диетическом питании.

Однако потребление рыбы в нашей стране на душу населения за последние 5 лет по данным Росстата, снизилось — на 29% у женщин и на 28% у мужчин, что является отрицательной тенденцией.

В условиях современного рынка производство качественной, рентабельной, конкурентноспособной продукции просто невозможно без использования передовых технологий и инновационных решений в области обеспечения людей продуктами питания. Инновации в сфере пищевых технологий подчинены поиску способов и средств, обеспечивающих экономичное получение и гарантирующих максимальные безопасность и качество пищевых продуктов, включая пищевую ценность, органолептические свойства, а также свойства, определяющие пользу для здоровья, совокупность которых непосредственно зависит от ингредиентного состава пищевого продукта. Создание изделий массового потребления повышенной пищевой и биологической ценности, а также продуктов профилактического и диетического назначения требует расширения и совершенствования сырьевой базы отечественной промышленности. Одним из таких направлений может стать производство нового поколения продукции в условиях аквакультуры.

Известно, что функциональные продукты по своим свойствам и способу происхождения разделяются на: натуральные и искусственные (обогащенные).

Натуральные функциональные продукты изначально содержат в своем составе большое количество витаминов, микроэлементов, белков и других полезных компонентов.

Искусственные функциональные продукты обогащены полезными компонентами посредством специальной технологической обработки.

Рыбы относятся к натуральному сырью животного происхождения и имеют в своем составе витамины, белки, жиры, минералы и другие компоненты в сбалансированных пропорциях. Их систематическое употребление способствует нормализации и ускорению процесса метаболизма. При этом мясо рыбы не относится к лекарственным средствам и биологически активным добавкам и его употребление исключает последствия передозировки перечисленных выше веществ. Таким образом выращенная рыба, при определенных условиях может считаться продуктом функционального питания.

Рассматривая направление получения продуктов функционального питания путем обогащения животного сырья полезными компонентами посредством специальной технологической обработки, следует отметить два пути его осуществления:

– прижизненное обогащение живого организма полезными нутриентами путем их включения в рацион животных (в т.ч. рыб) с последующим накоплением в их органах и тканях;

– введение нутриентов в полученное животное сырье в процессе его переработки.

Анализ доступной нам литературы показывает, что в целом оба направления получения продуктов функционального питания из животного сырья применяется, как в мировой, так и отечественной практике. Однако для этих целей наиболее часто используются мясомолочный скот и молочные продукты, а также птица и их яйца. К сожалению, рыба, как возможное сырье или продукт функционального и специализированного назначения часто не рассматривается и даже не упоминается в официальных документах.

Метод прижизненного обогащения живого организма менее распространен и предполагает получение сырья с заданным компонентным составом. Если говорить о рыбоводной продукции, то прижизненное обогащение выращиваемых рыб для получения функциональных продуктов еще не нашло широкого применения, чаше практикуется введение нутриентов в полученное сырье из морских видов рыб в процессе его переработки.

Исследования по получению функциональных продуктов в аквакультуре весьма ограничены, фрагментарны и начаты сравнительно недавно. Вместе с тем стремительно развивающийся сегмент сырьевых ресурсов в виде аквакультуры, требует самого пристального внимания учёных и специалистов, как потенциальный источник для производства функциональной продукции.

При этом следует отметить, что введение в рацион различных биологически активных добавок и других нутриентов (витамины; пробиотики; пребиотики; минеральные вещества и т.д.) в корма для рыб практикуется достаточно широко. Однако цель этих мероприятий не предусматривает разработки методов получения функциональной пищевой рыбопродукции, а заключается в улучшении физиологического состояния выращиваемых рыб, повышении скорости их роста, и в итоге – повышении рыбопродуктивности.

Отдельно следует выделить серию исследований по обогащению различных видов выращиваемых рыб йодом, которые были проведены в Саратовском государственном аграрном университете [35; 36 и др.]. Эти работы отличает комплексный подход к изучению проблемы, заключающийся в том, что авторами изучены не только влияние йодсодержащих препаратов на морфофизиологические и рыбоводно-биологические показатели объектов выращивания, но и на пищевое качество полученной рыбоводной продукции, а также на содержание йода в органах и тканях изучаемых особей. В результате была наглядно продемонстрирована возможность прижизненного обогащения рыб столь важным нутриентом, как йод.

Помимо исследований с введением в корма йодсодержащих препаратов, были проведены немногочисленные опыты по влиянию селенсодержащих препаратов на динамику накопления и распределения селена в организме рыб.

Таким образом, как и из любого животного сырья функциональные продукты питания из рыбы могут быть получены традиционными методами или в результате технологических модификаций — за счет обогащения биоактивными веществами.

Поскольку функциональные продукты изготавливаются только из экологически чистого сырья высокого качества, выращенная в аквакультуре продукция должна полностью соответствовать указанному требованию.

При этом гарантированное получение экологически чистой рыбоводной продукции можно добиться только в случае применяя индустриальных рыбоводных установок с замкнутым водоиспользованием (УЗВ). Это связано с глобальным загрязнением окружающей среды, что в полной мере относится к водным экосистемам, являющимся одними из главных источников пищевых ресурсов. Лимитирующими факторами выступают земельные и водные ресурсы, а также их экологическое состояние

При этом выращивание рыбы и других гидробионтов в установках с замкнутым водоиспользованием является высшей формой развития индустриальной аквакультуры. Наш собственный опыт 25-летних исследований, а также работы других учёных показали, что при эксплуатации подобных установок достигается полная независимость производственного процесса от природно-климатических условий, а также его непрерывность, независимо от времени года. Благодаря этому появляется возможность выращивания практически любых видов гидробионтов во всех климатических зонах мира.

Кроме того, выращивание рыбы в УЗВ позволяет уйти от сезонности в производстве, обеспечивая стабильность и ритмичность поставок экологически чистой рыбопродукции, в том числе с заданными функциональными свойствами.

Анализ многолетних и многочисленных собственных и других исследования позволил нам сформулировать основные принципы создания и эксплуатации рыбоводных установок, конструкции аппаратов, оптимальные методы водоподготовки, комплексные критерии оценки создаваемых циркуляционных систем. Выработаны последовательность осуществления технологических операций водоподготовки, требования к составу необходимого оборудования в УЗВ и типовые схемы его последовательного расположения. Сформулированы требования к качеству оборотной и подпиточной воды по основным гидрохимическим показателям.

Соблюдение перечисленных выше принципов является гарантией получения в УЗВ экологически чистой рыбы, или сырья, отвечающих требованиям продукта функционального питания.

Индустриальная аквакультура нацелена на быстрорастущие виды и породы рыб, которые адаптированы к обитанию в искусственно созданных условиях, приспособлены к питанию искусственными кормами, хорошо переносят высокие плотности посадки.

Одним из таких видов, дающих деликатесную продукцию, является радужная форель (Oncorhynchus mikiss Walbaum). Эта рыба заслуженно пользуется высоким спросом в крупных промышленных, курортных и туристских центрах.

В настоящее время в нашей стране лососеводство (включая форелеводство) испытывает интенсивное развитие. Производство лососевых за 5 лет выросло более чем в 2 раза – до 90,8 тыс. тонн.

В целом можно констатировать, что содержание ремонтно-маточного стада, инкубация икры и выращивание посадочного материала форели в условиях УЗВ достаточно хорошо отработаны и этот опыт может быть с успехом использован для расширения производства товарной продукции форелеводства с высокими потребительскими качествами.

При условии выращивания в экологически чистых условиях форель априори отвечает требованиям продукта функционального питания. Это связано с тем, что в отличие от многих других видов, культивируемая форель относится к рыбам, мускулатура которых богата жиром. Таким образом радужная форель – функциональный продукт натурального происхождения, источник Омега-3 жирных кислот, норма потребления которых для взрослого человека составляет 1–3 г в сутки.

К сожалению, в настоящее время среднедушевой уровень потребления Омега-3 полиненасыщенных жирных кислот в России составляет порядка 130 – 150 г в год на человека, что примерно на 2/3 ниже нормы, рекомендованной Всемирной организацией здравоохранения (из расчета 1 г в сутки).

Наши исследования показали, что мясо форели средней массой 380 г, выращенной в модельной УЗВ, содержало в своем составе 1,28 г Омега-3 жирных кислот на 100 г продукта. Таким образом, выращенная рыба является источником высокого содержания этих нутриентов. Соответственно для получения суточной нормы их потребления человеку достаточно съесть 100-200 г мяса форели.

Другой нутриент – селен представляет собой физиологически важный микроэлемент, незаменимый в питании человека и животных.

Правительство Российской Федерации определило дефицит селена, наряду с недостаточностью других микроэлементов, как значительную угрозу для населения и национальной экономики. Оно достаточно низкое и не может поддерживать оптимального состояния здоровья.

В этой связи нами в условиях аквариальной кафедры аквакультуры и пчеловодства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева проведены исследования, цель которых – определить влияние добавки в корма селен содержащего препарата «Эсвекс» на организм сеголеток радужной форели в условиях модельной установки с замкнутым водоиспользованием.

Результаьы показали, что введение в комбикормкорм данного препарата не оказало статистически значимого влияния на рыбоводные показатели. Однако выживаемость рыб в опыте была выше и составила 86,7% против 75% в контроле, что повлияло на рыбопродуктивность, которая оказалась выше на 17,5% в опытном бассейне.

Анализ мышечной ткани выращенной форели показал, что в опытной группе содержание селена составило 20,1 мкг/100 г, что на 7,3 мкг больше, чем в контроле (12,8 мкг/100 г).

Сопоставляя эти данные с величиной суточной потребности человека в селене (70 мкг для мужчин и 55 мкг для женщин) можно заключить, что рыба, выращенная в контроле содержала в мясе 18,3-23,3% суточной нормы и в соответствии с ГОСТ Р 55577-2013 может быть отнесена к продукту – «источник селена», а форель, получавшая в корм селен содержащую добавку, в зависимости от пола потребителя, близка или соответствует продукту с «высоким содержанием селена», так как этот показатель составлял 28,7-36,6% от суточной нормы потребления мужчины и женщины соответственно.

Таким образом, благодаря введению в кормовой рацион форели, выращиваемой в УЗВ, селен содержащего препарата «Эсвекс» в количестве 1 мл/кг корма, удалось не только повысить ее выживаемость на 11,7% и рыбопродуктивность на 17,5 %, но и увеличить содержание селена в мясе, получив экологически чистый и функциональный продукт питания.

В целом проведенные исследования позволяют предложить новое направление развития инновационной биотехнологии производства экологически чистой рыбы, отвечающей требованиям продукта функционального питания, в высокотехнологичной индустриальной аквакультуре путем получения натуральной продукции, а также целенаправленного прижизненного обогащения мяса рыб заданными нутриентами, через введение их в организм через скармливаемые комбикорма.

По-видимому, следует говорить о создании, помимо стартовых и продукционных (финишных) рыбных комбикормов, еще и линейку специализированных комбикормов, обогащенных требуемыми нутриентами с определением сроков их введения в рацион и продолжительности скармливания перед реализацией рыбы, а также целого ряда других вопросов кормопроизводства.

Разработка таких технологий предполагает подбор видов и пород гидробионтов, препаратов с соответствующими нутриентами, способов обогащения ими комбикормов, подбор оптимальных дозировок, способствующих не только повышению рыбопродуктивности, но оптимальному уровню обогащения выращиваемого организма в количестве, соответствующем продукту функционального питания. Требуется проведение медико-биологических исследований по усвоению человеческим организмом полученной рыбоводной продукции.

Такие комплексные и многоплановые исследования следует проводить в рамках интердисциплинарных коллективов, состоящих из специалистов аквакультуры по производству высококачественной рыбы (генетический отбор, модификация с помощью дифференцированных систем откорма и содержания), технологов рыбоперерабатывающего производства, специалистов и врачей диетологов, а также ветеринаров.

Исследования должны включать развитие новых технологий производства, клинические тесты, с помощью которых проверяется влияние новых продуктов на здоровье человека, а также экономический анализ и маркетинговые исследования. Итогом всего пакета исследований должна стать комплексная разработка новых технологий производства высококачественного сырья аквакультурного происхождения, а также инновационных технологий его переработки, обеспечивающих сохранение биоактивных компонентов в готовых продуктах, при сохранении их традиционной формы и сенсорных свойств.

Подобная стратегия исследований должна способствовать повышению уровня инновационности и конкурентоспособности аграрно-продовольственного сектора на внутреннем и мировом рынках продовольствия, а также улучшению здоровья населения [14].

Список использованной литературы и источников

Приложения

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *