METHODS IMPROVING PRACTICAL IMPLEMENTATION OF TECHNOLOGY OF COMBINED RECIRCULATING FISH FARMING AND INTENSIVE CROP PRODUCTION
Abstract and keywords
Abstract (English):
The article focuses on the problem of adopting the effective methods for combined cultivation of food products in cities, which requires the rapidly deployable and scalable aquaponic urban farms for year-round cultivating the aquaculture and crop products. Experimental work on cultivating the agricultural products in a small-sized system of combined recirculating fish farming and intensive crop production (aquaponics) has been carried out. A well-grounded idea of the qualitative and quantitative requirements for feed formulations, the possibilities of their optimization due to including the ingredients of natural origin was obtained. With combined recirculating fish farming and intensive crop production the control over the physiological state of the aquatic organisms grown on feed on their own formulation is carried out on the analysis of special biochemical parameters, which complement the general characteristics of the limits of reference values of homeostasis constants and determine the physiological status of fish. Feeding rates (% of body weight) of fish determine the amount of organic load for nutrition of plant growing objects, in particular leafy greens. In the course of research it was found out that when feeding sterlet (100 g) with the developed feed with protein content 45% the feeding rate is 4% of the body weight. The equivalent area 1 m2 with leafy greenery accounts for 40–50 g of feed with a mass of water bodies up to 5.0 kg/m3.

Keywords:
aquaculture objects, joint cultivation, fish-breeding module, compound feed, sterlet, physiological and bio-chemical parameters
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение Главным лимитирующим фактором развития аквакультуры в городской среде, в том числе в форме «сити-фермерства», является дефицит оборудования (конструкций – систем совместного выращивания объектов аквакультуры и растениеводства), обусловленный высокой стоимостью и (или) недостаточной экологичностью, низкой эффективностью предлагаемых на рынке решений, а также отработанных и научно обоснованных биотехнологий для такого производства. Для расширения направления сити-фермерства в производственном масштабе необходима детальная проработка вопросов возможности использования новых объектов в малогабаритных модульных установках, в том числе функциональных, в системе, свободной от климатических рисков [1]. Практика использования объектов аквакультуры для совмещенного выращивания начала внедряться относительно недавно [2, 3] и, соответственно, информации по этому вопросу недостаточно, а опыт такого выращивания небольшой. Вопрос о возможности эффективного выращивания осетровых в быстроразвертываемых малогабаритных модульных установках заслуживает отдельного изучения. Осетровые являются одними из наиболее перспективных пресноводных объектов, но многие аспекты аквакультуры таких видов на основе быстроразвертываемой модульной установки недостаточно изучены. Оптимальный уровень питания и сбалансированный корм являются одними из наиболее важных факторов, которые влияют на эффективность выращивания рыб в контролируемых условиях. Для разработки оптимальной биотехнологии выращивания указанных объектов в контролируемых условиях многие технологические параметры должны быть проверены, например рецептура предлагаемого корма и норма органической нагрузки этого корма для выращивания листовой зелени. Возможность содержания осетровых рыб в моделируемых условиях определяет рациональное кормление и эффективность корма. На примере стерляди (Acipenser ruthenus L.) было предложено решение – повышение эффективности комбикорма за счет включения в рацион кардиопротекторных компонентов для снижения нагрузки на сердце в условиях совмещенного выращивания. Объективный метод контроля физиологического и биохимического статуса объектов аквакультуры – это биохимический анализ крови [4–7]. Цель исследования – проанализировать возможность использования нового комбикорма в установках совмещенного выращивания объектов аквакультуры (стерляди) и растений (листовой зелени) при помощи определения биохимических показателей водных объектов для дополнения общей характеристики физиологического статуса рыб. Материалы и методы Экспериментальные работы по совместному выращиванию стерляди и кормлению предлагаемым комбикормом проводились на базе Астраханского государственного технического университета в летний период 2021 г. Объектом исследований являлась стерлядь массой 100 г второго года выращивания, завезенная с садкового предприятия Астраханской области. При выборе культур растениеводства – листовой зелени (базилик, салат-латук) – руководствовались температурными режимами, которые имеют схожесть в потребности относительно основных гидрохимических параметров воды с осетровыми рыбами. Объекты содержались в быстроразвертываемой малогабаритной совмещенной системе рециркулятивной аквакультуры и интенсивного растениеводства (аквапоники), созданной на основе типовой конструкции «еврокуб», объемом 1 000 л (рис. 1). а б в Рис. 1. Быстроразвертываемая малогабаритная совмещенная система рециркулятивного рыбоводства и интенсивного растениеводства: а – конструкция системы; б – высадка рассады в верхний гидропонный модуль; в – посадка стерляди в аквапонный модуль Fig. 1. Fast deployment small-size combined recirculating fish farming system and intensive crop production: а – system design; б – planting seedlings in the upper hydroponic module; в – planting sterlet in the aquaponic module Объем рыбоводной части системы составляет до 700 л (0,7 м3) с гидропонным модулем 250 л (0,25 м3, эквивалент площади выращивания 2 м2), выращивание рыбы осуществляли при плотности посадки 20 шт. на рыбоводный модуль [2]. Содержание кислорода в воде – 10,0 мг/л, температура воды – 24,5 °С при расходе воды в рыбоводном модуле 2 л/мин. Кормление рыбы проводили по двум схемам: контроль и опыт. Длительность эксперимента составила 40 суток. Оценку адаптивной реакции организма проводили по показателям физиолого-биохимического состава крови, изменению относи-тельной массы сердца, визуальной оценке поведения рыбы, рыбоводным показателям темпов роста, выживаемости. Кардиосоматический индекс рыб (I, ‰) рассчитывали по формуле I = x / y ∙ 1 000, где х – вес сердца; у – общий вес рыбы. Анализ биохимического состава крови выращенных рыб выполняли по общепринятым методикам [4–7]. Физиологическое состояние оценивалось путем анализа гематологических показателей, отбор крови проводился in vivo по рекомендациям [7, 8], с соблюдением правил асептики и антисептики (рис. 2). Рис. 2. Прижизненный отбор крови у стерляди Fig. 2. Intravital blood sampling from sterlet Кровь для анализа брали прижизненно из хвостовой вены в пробирки Эппендорфа. Для гематологического анализа (концентрация гемоглобина, скорость оседания эритроцитов, лейкоцитарная формула, индекс сдвига лейкоцитов) в качестве антикоагулянта использовали гепарин. Подсчет лейкоцитарной формулы производили на сухих мазках, окрашенных с применением фиксатора-красителя по Май-Грюнвальду фирмы «Ольвекс-Диагности- кум» (Россия, г. Санкт-Петербург). На каждом мазке идентифицировали 200 лейкоцитов, с учетом их цитогенеза по классификации Н. Т. Ивановой [9]. Концентрацию гемоглобина в крови определяли фотометрически с помощью набора реактивов фирмы «Агат-Мед», СОЭ определяли на приборе Р. П. Панченкова [8]. Концентрацию содержания сывороточного белка в крови определяли с помощью наборов реагентов фирмы «Агат-Мед» (Россия, г. Москва), уровень холестерина в крови определяли энзиматическим методом, ß-липопротеиды определяли биохимическим методом. Для измерения оптической плотности полученных проб использовали спектрофотометр Unico 2100. Статистическую обработку полученных результатов проводили методом вариационной статистики с использованием программы Microsoft Excel 2019. Использовался критерий t по Стьюденту, достоверными считались различия показателей при р < 0,05. Параметры среды определялись общепринятыми гидрохимическими методами [10]. Выращивание стерляди производили на комбикормах собственной рецептуры. В состав рецептуры входили следующие компоненты: рыбная мука, дрожжи, жмых подсолнечный, соевый шрот, мука пшеничная, витамин В-4, премикс, масло подсолнечное, мука ракообразных, мука тыквенная, солерос. Предлагаемый комбикорм изготавливали известным способом влажного прессования [11]. Компоненты, согласно предлагаемому составу, сохраняют питательную ценность комбикорма, не нарушая протеинового баланса. Все компоненты тщательно смешивали до получения однородной массы. Полученную массу высушивали, дробили и просеивали до необходимого размера гранул (2,5–3,0 мм). Результаты исследований При анализе полученных экспериментальных данных было установлено, что предлагаемый комбикорм оказал положительное влияние на показатели роста стерляди, что выражалось в увеличении прироста массы тела по сравнению с контрольным вариантом в 1,4 раза с единовременным снижением кормовых затрат и улучшением других рыбоводно-биологических показателей (выживаемость, скорость роста). Из табл. 1 видно, что выживаемость стерляди при кормлении предлагаемым комбикормом со-ставила 90 % (с учетом погибших особей, взятых для определения кардиосоматического индекса), в то время как в контроле этот показатель не превышал 85,5 %. Таблица 1 Table 1 Биотехнологические показатели в мобильной системе совмещенного выращивания Biotechnological indicators of sterlet growing in a mobile system of combined cultivation Параметры биотехнологии Значение Объем емкости, м3 0,75 Уровень воды, см 70 рН 7,2 О2, мг/л 7,0 Кормление, раз/сут 2 Норма кормления, % 2 Плавучесть используемого корма тонущие, отрицательная Органическая нагрузка, количество комбикорма для выращивания листовой зелени, г/м2 40–50 Объекты: аквакультура растениеводство (листовая зелень) стерлядь салат-латук, базилик Период выращивания, сут 40 Рыбоводно-биологические показатели Масса стерляди в начале, г Контроль Опыт 88,4 ± 7,9 87,4 ± 8,7 Масса стерляди в конце, г 110,8 ± 6,4 118,4 ± 10,0 Абсолютный прирост, г 22,4 31,0* Среднесуточный прирост, г 0,56 0,77* Среднесуточная скорость роста, % 0,57 0,71* Кормовые затраты, ед. 2,2 1,6* Выживаемость, % 80,5 90 Период выращивания, сут 40 40 Физиолого-биохимические показатели стерляди Контроль Опыт Гемоглобин, г/л: в начале конце 45,36 ± 2,7 44,02 ± 6,3 51,86 ± 7,6 54,13 ± 5,9* Общий белок, г/л, в начале в конце 18,9 ± 2,34 20,3 ± 1,58 40,14 ± 1,73 41,86 ± 3,8* СОЭ, мм/ч: в начале в конце 2,4 ± 0,32 3,5 ± 0,36 1,5 ± 0,28 1,5 ± 0,22* холестерин, ммоль/л: в начале в конце 1,96 ± 0,47 2,11 ± 1,23 4,68 ± 0,28 3,5 ± 0,3* β-липопротеиды, г/л: в начале в конце 2,8 ± 0,24 2,23 ± 0,17 3,3 ± 0,16 3,74 ± 0,2* *Различия достоверны при р < 0,05. Установлено, что лучший результат по темпу роста имели особи стерляди, получавшие комбикорм, разработанный по предлагаемой рецептуре. Особи стерляди в опытной группе дружно потребляли задаваемые корма, и прирост за время проведения экспериментов составил 35,42 % от первоначальной массы. У молоди стерляди, выращенной на предлагаемом комбикорме, абсолютный прирост оказался в 1,4 раза выше, чем в контроле. Среднесуточный прирост у особей, выращенных на предлагаемом комбикорме, был выше на 37,72 %. Среднесуточная скорость роста у особей из опытной группы оказалась выше контрольной группы на 34,22 %. Наблюдалось интенсивное питание, комбикорм потреблялся без остатка. Кормовые затраты были достоверно ниже в опыте на предлагаемом комбикорме, кормовой коэффициент составил 1,6 в отличие от прототипа, где данный показатель оказался более высоким – 2,3. В условиях нарушения условий содержания у рыб учащается ритм дыхания, появляется тахикардия и увеличивается потребление кислорода, что создает нагрузку на сердце и может быть причиной наращивания его массы и, следовательно, увеличения кардиосоматического индекса [12]. В условиях экологического оптимума индекс сердца рыб наименьший [13]. Среднее значение кардиосоматического индекса у годовиков стерляди на предлагаемом комбикорме составило 1,05, оказавшись по результатам эксперимента меньше на 22,6 % по сравнению с контролем, где оно составило 1,36. Анализ основных биохимических показателей в крови выращенных особей показал достоверное отличие, что говорит о хорошем качестве предлагаемого комбикорма. Физиолого-биохимические показатели крови стерляди, выращенной на предлагаемом комбикорме, представлены выше (табл. 1). Также величина СОЭ ниже в сравнении с контролем, что говорит о воспалительных и патологических процессах в организме рыб, которые более интенсивно протекали у контрольной группы. Величина общего сывороточного белка, гемоглобина у опытной группы оказалась достоверно выше в сравнении с контролем (р < 0,05), что подтверждает высокий уровень жизнестойкости и адаптационных возможностей молоди на этом ответственном этапе развития. Показатели концентрации холестерина и β-липопротеидов у рыб, питавшихся предлагаемым комбикормом, были также выше, что подтверждено статистически (р < 0,05). Физиолого-биохимические показатели у осетровых рыб, выращенных на новом комбикорме, были в пределах оптимальных референсных значений. Новый продукционный комбикорм для осетровых позволяет улучшить качество годовиков стерляди и обеспечивает эффективность их выращивания. Наиболее важно, что решена задача нормализации состояния сердечно-сосудистой системы в период интенсивного роста, данный комбикорм при использовании способствовал улучшению общего состояния сердечной системы осетровых рыб. В ходе исследований установлено, что лейкоциты крови стерляди включают восемь видов клеток: агранулоциты – большие и малые лимфоциты и моноциты; гранулоциты – палочкоядерные и сегментоядерные нейтрофилы, сегментоядерные эозинофилы, промиелоциты, нейтрофильные миелоциты и метамиелоциты (рис. 3). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Рис. 3. Нативные форменные элементы крови стерляди (Аcipenser ruthenus): 1 – эритроцит; 2 – моноцит; 3 – лимфоцит; 4 – сегментоядерный эозинофил; 5 – сегментоядерный нейтрофил; 6 – палочкоядерный нейтрофил; 7 – нейтрофильный метамиелоцит; 8 – нейтрофильный миелоцит; 9 – промиелоцит; 10 – тромбоцит Fig. 3. Native blood cells of sterlet (Аcipenser ruthenus): 1 – erythrocyte; 2 – monocyte; 3 – lymphocyte; 4 – segmented eosinophil; 5 – segmented neutrophil; 6 – stab neutrophil; 7 – neutrophilic metamyelocyte; 8 – neutrophilic myelocyte; 9 – promyelocyte; 10 – platelet Анализ лейкоцитарной формулы крови стерляди представлен в табл. 2. Таблица 2 Table 2 Показатели форменных клеток лейкоцитарной формулы опытной группы стерляди Indicators of formed cells of the leukocyte formula Показатель Аcipenser ruthenus (n = 10), % Лимфоциты 74,6 ± 1,2 Нейтрофильный метамиелоцит 7,2 ± 0,4 Нейтрофильный миелоцит 5,8 ± 0,2 Палочкоядерные нейтрофилы 4,1 ± 0,8 Сегментоядерные нейтрофилы 3,8 ± 0,6 Сегментоядерный эозинофил 3,5 ± 0,6 Моноциты 0,7 ± 0,2 Промиелоцит 0,3 ± 0,6 На протяжении всего периода выращивания были обеспечены в целом стабильные условия, включая полноценное кормление, вследствие чего полученные результаты по соотношению различных групп лейкоцитов в крови у рыб согласовывались с литературными данными [6, 14]. В результате полученного анализа лейкоцитарной формулы выявлено, что кровь стерляди опытной группы носила лимфоидный характер. Доля лимфоцитов составила 74,6 %. Второе место по количеству занимали нейтрофилы, находящиеся на различных стадиях цитогенеза, большую часть составляли юные формы – нейтрофильные метамиелоциты и миелоциты, их количество составило 7,2 и 5,8 % соответственно. Количество палочкоядерных нейтрофилов было меньше, на их долю пришлось 4,1 % от общего количества лейкоцитов. Доли сегментоядерных нейтрофилов и эозинофилов находились почти на одном уровне, их количество составило 3,8 и 3,5 % соответственно. На мазках крови в малых количествах встречались моноциты и промиелоциты, доля которых составила 0,7 и 0,3 % соответственно от общего объема просчитанных клеток. Индекс сдвига лейкоцитов в крови стерляди на протяжении всего периода исследований находился в пределах физиологической нормы, данный показатель составил 0,33 %, что указывает на отсутствие патологических и воспалительных процессов в организме рыб. На мазках крови стерляди одиночно встречались тромбоциты двух видов: круглые, с малым содержанием цитоплазмы, и овальные, веретенообразные, с большим количеством цитоплазмы. Доля овальных тромбоцитов преобладала над круглыми формами. Эритроциты встречались стабильно на всех мазках крови. Наряду со зрелыми эритроцитами были обнаружены молодые эритроциты. В результате экспериментальной работы установлен объем образования питательных веществ, необходимых растениям в системе. Этот показатель зависит от количества потребляемого корма. В соответствии с рекомендациями [15] при использовании кормов с содержанием протеина до 45 % на эквивалент площади 1 м2 листовой зелени количество корма составило 40–50 г при массе водных объектов до 5,0 кг/м3 . Таким образом, получены биологические нормы совместного выращивания (табл. 3). Таблица 3 Table 3 Биологические нормы выращивания стерляди в рыбоводном модуле быстроразвертываемой аквапонической системы Biological standards for growing sterlet in the hatchery module of the rapidly deployable aquaponic system Показатель Значение Содержание стерляди Объем рыбоводного модуля, м3 0,6–0,7 Температура воды, °С 24–26 Уровень рН 7,2 Уровень О2, мг/л 7,5 Долив, % 20 Уровень воды, см 70 NH4, мг/л NO2/ NO3, мг/л 0,01–0,10 0,02–0,10 Плотность посадки < 100 гр., шт./м2 20 Рацион: протеин жир углеводы 45,0 7,0 10,0 Норма корма, % от массы тела* 2–4 Нормы органической нагрузки Количество корма**, г/м2 40–50 Плавучесть используемого корма тонущий *Нормы подачи корма при кормлении стерляди в рыбоводном модуле при совместном выращивании c листовой зеленью/овощами; **корм собственной рецептуры. Заключение Предлагаемая биотехнология для круглогодичного климатонезависимого совместного выращивания объектов аквакультуры и свежей натуральной листовой зелени в помещениях не требует использования почвенных ресурсов, солнечного света и т. д. Быстроразвертываемая модульная аквапоническая система на основе «еврокуба», соответствующего стандартам производства пищевой продукции, оборудована искусственным освещением, предназначена для выращивания объектов аквакультуры и овощей или фруктов. Эффективность биотехнологии совместного выращивания обусловлена использованием собственных методов выращивания и кормления, применением специализированных кормов направленного действия, в том числе и для формирования органической нагрузки на гидропонный модуль. В процессе выращивания стерляди на корме собственной рецептуры был установлен высокий уровень содержания в лимфе общего белка (в пределах референтных значений), значение этого показателя как биоиндикатора свидетельствует о высоком качестве используемого комбикорма, о благоприятных условиях выращивания, а также о повышенном обмене веществ гидробионтов. В результате полученного анализа лейкоцитарной формулы стерляди, получавшей экспериментальный корм, выявлено, что кровь стерляди носила лимфоидный характер. На первом месте по количеству были лимфоциты, на втором месте – нейтрофильные метамиелоциты. Доля других форменных элементов у обеих групп не превышала 5,8 %. Индекс сдвига лейкоцитов у контрольной и опытной группы стерляди в период исследований был зафиксирован в пределах референсных значений, это показатель отсутствия воспалительных процессов в организме у рыб. Колебания концентрации гемоглобина у опытной группы был достоверно выше (р ˂ 0,05), чем у контрольной выборки, что свидетельствует об активном состоянии метаболических процессов организма. Скорость оседания эритроцитов колебалась у обеих групп от 1,5 до 3,5 мм/ч и находилась в пределах физиологической нормы (1–6 мм/ч), что говорит об отсутствии воспалительных и патологических изменений в организме исследуемых рыб. В контрольном эксперименте наблюдался повышенный уровень кардиосоматического индекса. Среднее значение кардиосоматического индекса у годовиков стерляди на предлагаемом комбикорме оказалось по результатам эксперимента меньше на 22,6 % по сравнению с контролем.
References

1. Rutkin N. M., Lagutkin O. Yu., Lagutkina L. Yu. Urbanizirovannoe agroproizvodstvo (siti-fermerstvo) kak perspektivnoe napravlenie razvitiya mirovogo agroproizvodstva i sposob povysheniya prodovol'stvennoy bezopasnosti gorodov // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Rybnoe hozyaystvo. 2017. № 4. S. 95–103.

2. Evgrafova E. M., Lagutkina L. Yu., Kuz'mina E. G. Perspektiva ispol'zovaniya linya i avstraliyskogo raka v supereffektivnyh sistemah – akvaponike // Rybovodstvo i rybnoe hozyaystvo. 2019. № 9 (164). S. 62–70.

3. Lagutkina L. Yu. Perspektivnoe razvitie mirovogo proizvodstva kormov dlya akvakul'tury: al'ternativnye istochniki syr'ya // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Rybnoe hozyaystvo. 2017. № 1. S. 67–78.

4. Trinder P. Determination of glucose in blood using glucose oxidase with an alternative oxygen acceptor // Ann. Clin. Biochem. 1969. V. 6. P. 24.

5. Weichselbaum T. E. An accurate and rapid method for the determination of proteins in small amounts of blood serum and plasma // Am. J. Clin. Pathol. 1946. V. 7. P. 40.

6. Baryshkov Yu. A. Opredelenie obschih lipidov v syvorotke s pomosch'yu sul'fofosfovanilinovoy reakcii // Laboratornoe delo. 1966. № 6. S. 350–352.

7. Golodec G. G. Laboratornyy praktikum po fiziologii ryb. M.: Pischepromizdat, 1955. 92 s.

8. Polozyuk O. N., Ushakova T. M. Gematologiya: ucheb. posobie. R. n/D.: Donskoy GAU, 2019. 159 s.

9. Ivanova N. T. Atlas kletok krovi ryb. M.: Leg. i pisch. prom-st'., 1983. 184 s.

10. Sbornik instrukciy i normativno-metodicheskih ukazaniy po promyshlennomu razvedeniyu osetrovyh ryb v Kaspiyskom i Azovskom basseynah. M.: Izd-vo VNIRO, 1986. 271 s.

11. Ponomarev S. V., Gamygin E. A., Nikonorov S. I., Ponomareva E. N., Grozesku Yu. N., Bahareva A. A. Tehnologii vyraschivaniya i kormleniya ob'ektov akvakul'tury yuga Rossii: sprav., ucheb. posobie. Astrahan': Nova plyus, 2002. 198 s.

12. Evgrafova E. M., Pyatikopova O. V., Bedrickaya I. N., Yakovleva E. P., Dubovskaya A. V., Tangatarova R. R., Perunova M. E. Indeksy fiziologicheskih priznakov belugi i shipa i ih mezhvidovyh gibridov v usloviyah basseynovogo hozyaystva // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Rybnoe hozyaystvo. 2020. № 4. S. 154–164.

13. Shvarc S. S. Metod morfofiziologicheskih indikatorov ekologii zhivotnyh // Zoolog. zhurn. 1958. T. 37. № 4. S. 58–63.

14. Zhiteneva L. D., Poltavceva T. G., Rudnickaya O. A. Atlas normal'nyh i patologicheski izmenennyh kletok krovi ryb. R. n/D.: Rostov. knizh. izd-vo, 1989. 109 s.

15. Somerville C. Small-scale aquaponic food produc-tion. Integrated fish and plant farming // Food And Agriculture Organization Of The United Nations. Rome, 2014. URL: https://www.fao.org/3/i4021e/i4021e.pdf (data obrascheniya: 15.09.2021).


Login or Create
* Forgot password?