La аквакультура с использованием микроводорослей Аквакультура стала одной из самых динамичных и перспективных областей в производстве водных организмов. Всего за несколько десятилетий она прошла путь от почти экспериментальной основы для личинок и моллюсков до ключевого компонента в моделях интенсивного производства, биофлоковых системах, симбиотических системах и крупномасштабных биоперерабатывающих предприятиях. Современная аквакультура сегодня непостижима. de pecesракообразных и двустворчатых моллюсков без учета роли культивируемого фитопланктона.
Микроводоросли обеспечивают высококачественное питание, улучшение качества воды и экосистемные услуги Воспроизвести их с помощью традиционных методов сложно. От получения «зеленой воды» в деревенских прудах до сложных фотобиореакторов с компьютерным управлением — спектр применений огромен. В этой статье мы спокойно и понятно объясним, что это такое, как их выращивают, как интегрируют в системы аквакультуры, их преимущества и недостатки, а также в каком направлении развиваются самые передовые исследования.
Что такое микроводоросли и почему они так важны в аквакультуре?
Микроводоросли — это фотосинтезирующие одноклеточные микроорганизмы Они обитают преимущественно в водных средах, как морских, так и пресноводных. Они составляют ядро фитопланктона и являются основой пищевой цепи в морях, лагунах и эстуариях. Многие виды являются строгими автотрофами (производят собственную пищу из света, CO₂ и неорганических питательных веществ), но существуют также гетеротрофные и миксотрофные формы, способные использовать органические соединения.
С биологической точки зрения можно выделить следующие: прокариотические и эукариотические микроводорослиПрокариоты, такие как цианобактерии, не имеют четко выраженного клеточного ядра; эукариоты (хлорофиты, хризофиты, бацилляриофиты, гаптофиты, динофлагелляты, эвгленофиты и др.) имеют организованные органеллы. В аквакультуре такие группы, как хлорофиты, хризофиты, диатомовые водоросли и некоторые гаптофиты, широко используются благодаря их питательному составу и хорошей способности к массовому выращиванию.
Хотя по оценкам, их больше, чем 30 000 видов микроводорослейЛишь несколько десятков видов были изучены углубленно, и около десяти культивируются в коммерческих целях. Их значение не ограничивается кормлением водных организмов: они также приобретают все большее значение в пищевой промышленности, кормах для животных, удобрениях, биотопливе и косметике, но здесь мы сосредоточимся на их роли в аквакультуре.
В водных экосистемах микроводоросли отвечают за следующее: очень важная часть производства кислорода а также глобальная фиксация CO₂. Применительно к инкубаторию это приводит к улучшению условий выращивания при разумном управлении, хотя при отсутствии контроля может также вызывать серьезные проблемы (аноксия, колебания pH, внезапная гибель).
Основные виды микроводорослей, используемые в аквакультуре.
В последние десятилетия сформировалась небольшая группа видов, которые считаются «Эталонные» микроводоросли для инкубаторов и систем откорма, благодаря своей питательной ценности, усвояемости и способности расти в относительно стабильных массовых культурах.
Среди наиболее используемых:
- Хлорелла (Пресноводный и морской хлорофит): очень богат белком и витаминами, используется как в аквакультуре, так и в пищевых добавках для человека. В аквакультуре служит прямым кормом для рыб и креветок, а также входит в состав кормовых смесей для личинок.
- спирулина (Цианобактерии): известны высоким содержанием антиоксидантов и незаменимых жирных кислот. В основном используются в качестве добавки и натурального красителя в кормах для животных для усиления цвета и улучшения здоровья.
- Дуналиэлла (Хлорофилии): производитель каротиноидных пигментов с антиоксидантными свойствами; используется в качестве натурального красителя в пищевых продуктах. de peces а в некоторых случаях — в качестве источника биологически активных соединений.
- Нанохлоропсис (маленький эукариот): ценится за высокое содержание омега-3 жирных кислот и очень малый диаметр клетки, идеально подходит для питания. личинки de peces и ракообразных.
- Tetraselmis suecica и другие виды Tetraselmis: более крупные, подвижные хлорофиты с хорошим содержанием белка и липидов, широко используемые в морских фермах и в экспериментах по биофлоку.
- Isochrysis galbana и Isochrysis sp.Морские хризофиты, богатые ДГК, играют ключевую роль на личиночных стадиях двустворчатых моллюсков и морских рыб.
- Chaetoceros muelleri y Thalassiosira weissflogii (диатомовые водоросли): играют важную роль в питании моллюсков и креветок благодаря содержанию ЭПК (эйкозапентаеновой кислоты) и особенностям клеточной стенки.
Сравнительные исследования показали, что источник азота в культуральной среде Это влияет на продуктивность и состав этих микроводорослей. Например, исследования с Chaetoceros muelleri, Thalassiosira weissflogii, Isochrysis sp. и Tetraselmis suecica показали, что мочевина и удобрения, такие как Nutrilake, могут изменять скорость деления, сухую биомассу, содержание белка, углеводов и липидов, при этом реакция может различаться в зависимости от вида.
Применение микроводорослей в аквакультуре: гораздо больше, чем просто еда.
Наиболее известное применение — это его функция в качестве живой корм с высокой питательной ценностьюНо это еще не все. Микроводоросли также выступают в качестве биофильтров, производителей кислорода, генераторов биопродуктов и являются центральным компонентом в технологиях экологически чистой воды и симбиотической аквакультуре.
Кормление личинок и молоди
На ранних стадиях de pecesракообразных и моллюсков, рацион должен быть Чрезвычайно питательный и легкоусвояемыйключевой принцип в питание для аквакультурыМикроводоросли обеспечивают организм высококачественными белками, длинноцепочечными полиненасыщенными жирными кислотами (ЭПК, ДГК), витаминами и пигментами, необходимыми для правильного развития органов, клеточных мембран и нервной системы.
В морском разведении личинок креветок (как Литопеней ваннамеиКультуры Tetraselmis и Isochrysis сыграли ключевую роль в достижении высокой выживаемости от стадии зоэа III до постличинки. Эти микроводоросли обеспечивают организм ЭПК (C20:5) и ДГК (C22:6) — жирными кислотами, не встречающимися в наземных источниках и необходимыми для здорового роста в морской среде.
Они также используются как Добавка в корм для молоди и взрослых рыб.Либо непосредственно обезвоженные, либо добавленные в корма или концентраты. Для улучшения окраски, увеличения веса, иммунного ответа и качества филе добавляют спирулину, нанохлоропсис или смеси диатомовых водорослей.
Улучшение и контроль качества воды
Микроводоросли ведут себя как биологические установки очистки сточных водОни поглощают нитраты и фосфаты из воды — два питательных вещества, избыток которых приводит к эвтрофикации и неконтролируемому размножению нежелательных водорослей. Включение их в систему снижает накопление азотных и фосфорных соединений, поддерживая более стабильную среду для сельскохозяйственных животных.
Эти микроорганизмы осуществляют фотосинтез. Они производят кислород и потребляют CO₂.Это помогает поддерживать приемлемый уровень растворенного кислорода в течение дня и частично смягчает потоки углекислого газа. Однако этот эффект имеет две стороны: избыточная биомасса может вызывать сильную ночную аноксию и колебания pH, как мы увидим позже в разделе о зеленой воде.
Биофильтрация и очистка воды
В более технологически совершенных системах микроводоросли используются в качестве... биофильтры в рециркуляционных контурахЦель состоит в том, чтобы они удалили растворенные питательные вещества. некоторые тяжелые металлы а также часть органических веществ, что снижает необходимость в частой замене воды.
Доказано, что некоторые виды могут удерживают тяжелые металлы и сокращают популяции патогенных бактерий. конкурируя за питательные вещества или производя антимикробные метаболиты. В системах рециркуляционного аквакультуры (RAS) и в прудах, подключенных к фотобиореакторам, это приводит к снижению нежелательной микробной нагрузки и уменьшению загрязнения сточных вод.
Производство высокоценных биопродуктов
Хотя это и не является основным применением на ферме. de pecesВыращивание микроводорослей в аквакультуре все чаще связывается с биоперерабатывающий завод по переработке водорослейИз полученной биомассы можно извлекать масла, богатые омега-3 жирными кислотами, каротиноидными пигментами, антиоксидантами, полисахаридами и другими соединениями, представляющими интерес для производства высококачественных кормов, удобрений, биотоплива и фармацевтической продукции.
Европейский проект SABANA (Sustainable Algae Biorefinery for Agriculture and Aquaculture) продемонстрировал в промышленных масштабах возможность выращивания микроводорослей с использованием... городские и сельскохозяйственные сточные воды, а также морская водаИнтеграция очистки воды с производством продуктов с добавленной стоимостью: кормов для рыб, органических удобрений и биотоплива. Такой подход идеально вписывается в концепцию циклической биоэкономики и напоминает... Модель повышения ценности водорослей Бойро: сократить выбросы, улучшить качество воды и создать рабочие места в прибрежных регионах.
Культивирование микроводорослей: системы, питательные среды и ключевые параметры.
Одной из главных привлекательных особенностей микроводорослей является их очень высокие темпы роста и способность к адаптации в самых разнообразных условиях. В оптимальных условиях некоторые виды могут удваивать свою биомассу за считанные часы, что позволяет осуществлять непрерывное производство, адаптированное к потребностям рыбоводного хозяйства.
Открытые системы и закрытые фотобиореакторы
Сельскохозяйственные культуры можно разделить на категории. открытые системы (мелководные пруды, заброшенные лагуны, строительные резервуары, большие мешки для мусора на открытом воздухе) или в закрытые системы (Трубчатые фотобиореакторы, плоские фотобиореакторы, стерильные пакеты, лабораторные колбы). У каждого варианта есть свои преимущества и недостатки.
- В открытые системы Они используют солнечный свет, требуют меньших первоначальных инвестиций и хорошо подходят для теплого климата с хорошим солнечным излучением. Однако поддержание чистых монокультур, контроль загрязнения другими водорослями или простейшими и точное регулирование таких параметров, как температура и соленость, представляют собой более сложную задачу.
- закрытые фотобиореакторы Они позволяют строго контролировать освещение, температуру, питательные вещества, pH и аэрацию. Они являются предпочтительным вариантом для асептических культур, этапов производства инокулята и экспериментальных исследований. Их главный недостаток — стоимость установки и эксплуатации, особенно при использовании искусственного освещения.
На практике многие объекты объединяются. небольшие контролируемые объемы в лабораторных условиях (для поддержания чистых штаммов и получения инокулята) с использованием больших резервуаров или небольших прудов для массового выращивания, предназначенных для кормления личинок или получения биомассы для других целей.
Физические параметры: освещенность, температура, аэрация и глубина.
Для успешного роста и развития сельскохозяйственных культур необходимо тщательно скорректировать ряд параметров. освещение Обычно для многих видов устанавливается освещение в диапазоне от 2.000 до 4.000 люкс, а фотопериоды могут варьироваться от непрерывного освещения (для максимизации скорости деления) до циклов день/ночь, аналогичных естественному освещению, что способствует более стабильному и здоровому росту.
La оптимальная температура Глубина варьируется в зависимости от группы: многие диатомовые водоросли лучше всего растут при температуре от 15 до 20 °C, и лишь немногие выдерживают температуру выше 28 °C, в то время как некоторые хлорофиты, такие как Chlorella, могут выдерживать широкий диапазон температур (приблизительно 12,5–30 °C в открытых культурах). Глубина резервуара имеет решающее значение для достаточного проникновения света; в очень глубоких системах нижний слой может быть практически в темноте.
La Aireación Это помогает гомогенизировать питательные вещества, предотвращать осаждение и обеспечивать подачу CO₂. В крупномасштабных культурах рекомендуется вводить небольшие количества CO₂ (около 0,5%) для улучшения фотосинтеза и стабилизации pH. Форма емкости также играет роль: в некоторых плохо спроектированных резервуарах диатомовые водоросли имеют тенденцию накапливаться в зонах с низкой турбулентностью, замедляя общий рост.
Химические требования и питательные среды
Микроводорослям, помимо света и CO₂, необходим ряд других факторов. макроэлементы и микроэлементы Эти требования должны быть скорректированы для каждого вида и системы. К основным макроэлементам относятся углерод, азот (в форме нитрата, аммония или мочевины), фосфор, кремний (для диатомовых водорослей), магний, калий, кальций и сера. Микроэлементы, такие как железо, цинк, марганец, медь, молибден, бор и кобальт, необходимы в гораздо меньших концентрациях, но не менее важны.
Для обеспечения постоянного состава среды используются многочисленные стандартные формулыЭти среды подходят как для обогащенных морских, так и для пресноводных культур. К числу известных сред относятся CHU 10, Мигель (Аллен-Нельсон), Эрд-Шрайбер, Яшима и его модификации, рецептуры Гийяра (f/2 и варианты), MET 44 для Bacillariophyceae, а также специальные пресноводные среды с макро- и микроэлементами, витаминами и буферами типа Трис. Каждая из них лучше подходит для определенных групп (хлорофиты, хризофиты, диатомовые водоросли и др.) и условий культивирования.
В крупномасштабном коммерческом производстве это распространенная практика. обогащать морскую воду сельскохозяйственными удобрениями (мочевина, трифосфат, нитрат аммония) из-за их низкой стоимости, или даже использование органических удобрений в примитивных прудах, предназначенных для травоядных видов, таких как карп. Важно сбалансировать соотношение N:P:K и обеспечить отсутствие дефицита ключевых микроэлементов.
Методы выделения, очистки и бактериологического контроля
Для получения надежных культур применяются различные методы. выделение и очистка штаммовК числу наиболее часто используемых методов относятся капиллярное пипетирование под микроскопом (для отбора отдельных клеток размером более 10 мкм), посев на агаровые пластины со специальными средами для микроводорослей, а также серийные разведения в сочетании с клональными субкультурами до получения монокультур.
Очистка часто дополняется тщательным использованием Антибиотики Для снижения бактериальной нагрузки без чрезмерного повреждения водорослей используются такие питательные среды, как среда Зоубелла, для мониторинга наличия бактерий. Образцы помещают в чашки Петри, и наблюдается их рост. На основе характера образования колоний можно определить, необходима ли дальнейшая обработка или культура здорова.
Методы стерилизации и дезинфекции
Крайне важно поддерживать чистоту субстрата и воды, предотвращая попадание загрязнений. В аквакультуре микроводорослей эти факторы сочетаются в совокупности. химические и физические методы стерилизацииСреди химических веществ особенно выделяются использование гипохлорита натрия для дезинфекции контейнеров и морской воды (с последующей нейтрализацией тиосульфатом), формальдегида для обработки сильно загрязненных помещений, а также 70%-ных растворов этилового спирта для обработки стекла и лабораторного оборудования.
Что касается физических методов, то влажная жара Прерывистая подача (тиндаллизация) и автоклавирование являются классическими методами обработки питательных сред, витаминов и стеклянной посуды. Фильтрация с использованием мембран (0,45–5 мкм) или синтетических картриджей применяется как для питательных сред, так и для систем аэрации. ультрафиолетовое излучение Это средство оказалось очень полезным для дезинфекции морской воды и значительного снижения бактериальной нагрузки на рыбоводческих фермах. de pecesустрицы и микроводоросли.
Многочисленные исследования количественно оценили снижение количества бактерий и вирусов на основе... Доза УФ-излучения (мкВт·с/см²)продемонстрировали эффективность, близкую к 100%, при различных скоростях потока и конфигурациях систем рециркуляции, накопительных резервуаров и установок очистки сточных вод.
Виды выращивания: статическое, полунепрерывное и непрерывное.
В зависимости от потребностей фермы и масштабов производства используется несколько таких устройств. схемы операций:
- Статическое выращиваниеВ определенный объем вносят инокулят, дают ему вырасти до экспоненциальной фазы или целевой плотности, после чего все содержимое собирают. Это типичный подход для получения инокулята или для использования всего объема в качестве корма в определенные моменты времени.
- Полунепрерывное выращиваниеЧасть объема периодически отбирается и пополняется свежей средой, поддерживая плотность в определенном диапазоне. Эта система широко используется для обеспечения постоянного притока личинок и фильтрующих организмов, регулируя скорость разбавления для максимизации устойчивого производства.
- Непрерывное культивирование (Турбидостаты, хемостаты): постоянный приток и отток среды и культуры, поддержание стабильного объема и плотности в динамическом равноверии. Требует более тщательного контроля, но обеспечивает очень однородную биомассу.
Математические модели, такие как модели Монод и Друп Эти методы использовались для описания зависимости между плотностью клеток, скоростью разбавления и продуктивностью в полунепрерывных культурах таких видов, как Tetraselmis suecica, Isochrysis galbana и Chlorella saccharophila. Оптимальная скорость разбавления определяется по параболическим кривым продуктивности, что позволяет максимизировать собираемую биомассу при сохранении стабильности культуры.
Использование «зелёной воды» в аквакультуре: преимущества, риски и связь с симбиотической аквакультурой.
Вызов «зеленая вода» Это широко распространенное понятие в недорогом экстенсивном и интенсивном рыбоводстве. Оно относится к водоемам (прудам, лагунам, сельским водоемам), где доминирует сообщество микроводорослей, придающее воде насыщенный зеленый цвет благодаря хлорофиллу.
С практической точки зрения, зеленую воду можно получить двумя основными способами: посредством контролируемые лабораторные культуры и путем переноса в систему культивирования, или путем стимулирования роста фитопланктона в самом пруду посредством удобрения и регулирования водообмена.
Зеленая вода, полученная в лаборатории
Этот подход работает на небольшие резервуары или герметичные пластиковые пакетыВ этой системе отбираются определенные виды (например, Tetraselmis sp. и Isochrysis sp. для личинок креветок), а освещение, температура и питательные вещества регулируются с помощью селективных питательных сред. В результате получается вода, богатая полезными микроводорослями и относительно свободная от загрязнений.
Этот тип зеленой воды сыграл решающую роль в достижении успеха в размножение ключевых видов например, Litopenaeus vannamei, поскольку это позволяет обеспечить поступление ЭПК и ДГК в соответствующих пропорциях и с размерами клеток, подходящими для разных стадий развития личинок.
Зеленая вода, полученная на открытом воздухе
Второй подход более простой и экономичный. Он заключается в управлении Замена воды и внесение удобрений В сельских прудах или водоемах это делается таким образом, чтобы стимулировать рост естественного фитопланктона. Конкретные виды не отбираются: добавляются питательные вещества (азот, фосфор, калий и микроэлементы), и местным микроводорослям позволяют размножаться.
В этих системах часто доминируют оппортунистические жанры, такие как Хлореллакоторые эффективно используют питательные вещества, поступающие в процессе выращивания. В результате может образоваться обильный природный источник пищи для тилапии, креветок рода Penaeus и других планктоноядных или всеядных видов, потребляющих значительную часть планктона.
Ограничения в питании и экологические риски, связанные с «зеленой водой»
Хотя микроводоросли являются Отличный источник незаменимых жирных кислот.Зелёная вода, считающаяся единственным трофическим ресурсом, часто испытывает дефицит легкоусвояемых белков и других питательных веществ, которые обеспечиваются бактериями и зоопланктоном, связанными с технологиями биофлока. Биофлоки объединяют бактериальный материал (с содержанием белка 43-50%), микроводоросли, простейшие, микроракообразные, коловратки и нематоды, создавая гораздо более сбалансированный «коктейль».
Кроме того, чрезмерная концентрация микроводорослей может спровоцировать следующие события: ночная аноксияДнём водоросли вырабатывают кислород, но ночью, когда фотосинтез прекращается, они потребляют кислород для дыхания. При очень высокой биомассе концентрация кислорода может упасть ниже 2 мг/л за несколько часов, что приводит к массовой гибели водорослей. de peces или креветки.
Ещё одна распространённая проблема — это… сильные колебания pHВ течение дня микроводоросли потребляют CO₂ и бикарбонат, уменьшая образование угольной кислоты и повышая pH. Ночью, когда фотосинтез прекращается, CO₂ накапливается, и pH резко падает. Эти изменения влияют как на метаболизм животных, так и на ключевые микробные процессы, такие как нитрификация. Кроме того, постоянное потребление щелочи может препятствовать затвердеванию экзоскелета у креветок, делая их более уязвимыми для каннибализма и патогенов.
В экстремальных ситуациях случаются эпизоды «внезапная смерть»Внезапное изменение условий (например, сильный дождь, изменяющий pH и соленость) может вызвать массовую гибель микроводорослей; их оседание на дно и последующее разложение создают бескислородный слой, выделяют сероводород и образуют токсичный коктейль, смертельный для креветок и донных рыб. Типичным симптомом является то, что пруд становится прозрачным в течение нескольких часов, а в нем плавают мертвые животные.
Симбиотическое рыбоводство и контроль микроводорослей с использованием биофлока
В системах симбиотическое рыбоводствоТакие технологии, как биофлок и аквамимикрия, направлены на то, чтобы бактериальное сообщество и связанный с ним консорциум микроорганизмов доминировали в системе и сдерживали цветение микроводорослей. Бактерии производят, помимо прочих соединений, ферменты, такие как целлюлазы, способные разрушать клеточные стенки многих водорослей, предотвращая их полное доминирование в окружающей среде.
В этих системах цвет воды обычно коричневый, зеленовато-коричневый или кофейныйЦвет никогда не бывает насыщенно-зеленым. Микроводоросли присутствуют, образуя часть хлопьев и способствуя удалению аммиака и нитратов, а также выработке кислорода, но их популяции относительно контролируются микробной активностью и сложной трофической сетью биофлока.
Инновации, рециркуляция и крупные проекты с использованием микроводорослей.
Помимо традиционных инкубаторов, аквакультура микроводорослей вступает в фазу, когда приоритет отдается... эффективность использования воды, питательных веществ и энергииНаглядным примером является работа, проведенная на Канарских островах с Tetraselmis striata в открытых резервуарах объемом до 10 000 литров, работающих в полунепрерывном режиме.
В результате этого исследования были достигнуты следующие результаты В течение двух месяцев обеспечьте рециркуляцию 100% питательной среды. После сбора урожая центрифужная надосадочная жидкость использовалась повторно без дополнительной обработки. Не было обнаружено существенных различий в продуктивности, биохимическом составе или микробиологическом качестве по сравнению с культурами, выращенными в пресной воде, что демонстрирует техническую осуществимость моделей с почти полной рециркуляцией.
На промышленном уровне эти стратегии позволяют сократить объем образующихся сточных вод до 84% и сократить примерно на 51% энергию, затрачиваемую на перекачку морской воды, что эквивалентно снижению общего энергопотребления производственного процесса примерно на 7,5%. Урожайность на открытом воздухе достигла приблизительно 43,7 тонн с гектара в год, а содержание белка превысило 50% в беззольном выражении, что делает его весьма привлекательным для корма в аквакультуре.
Кроме того, полученная биомасса соответствовала следующим требованиям: Европейские стандарты безопасности в отношении тяжелых металлов и микробиологического качества как для продуктов животного происхождения, так и, потенциально, для продуктов питания человека. На предприятиях площадью около 10 гектаров подобная модель позволит предотвратить выброс не менее 3 тонн нитратов и 1 тонны фосфатов в год, что подтверждает роль аквакультуры микроводорослей как решения проблем загрязнения питательными веществами.
Параллельно развиваются такие проекты, как SABANA, и ведется деятельность центров, подобных этому. ICMAN-CSICАндалузский центр аквакультурных технологий (CTAQUA) и компании, специализирующиеся на морском фитопланктоне, демонстрируют, как интеграция биотехнологий микроводорослей, очистки сточных вод и аквакультуры способствует укреплению существующих связей. модели циклической биоэкономики на региональном и европейском уровнях.
В настоящее время микроводоросли прочно обосновались в данной местности. херрамента поперечная В аквакультуре фитопланктон позволяет кормить требовательных личинок, частично стабилизировать качество воды, сокращать сбросы, использовать отходы, производить ценные соединения и поддерживать более устойчивые симбиотические системы. Задача состоит в дальнейшем совершенствовании методов культивирования, контроля и рециркуляции, а также в обучении рыбоводов методам управления, которые позволяют использовать преимущества фитопланктона, минимизируя при этом риски аноксии, дисбаланса pH или массовой гибели, связанные с неэффективным контролем фитопланктона.
