Source material

Глава 13 Рыбные диеты в Аквапонике

1. 13.1 Введение

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Водные продукты питания считаются полезными для питания и здоровья человека и будут играть важную роль в будущем устойчивом здоровом рационе питания (Beveridge et al. 2013). Для достижения этой цели глобальный сектор аквакультуры должен способствовать увеличению количества и качества рыбных запасов в период до 2030 года (Thilsted et al. 2016). Этот рост следует поощрять не только путем увеличения производства и/или количества видов, но и путем диверсификации систем. Однако рыба аквакультуры только недавно была включена в обсуждение вопросов продовольственной безопасности и питания (FSN) и будущих стратегий и политики, что свидетельствует о важной роли этого производства в предотвращении недоедания в будущем (Bénét et al. 2015), поскольку рыба является хорошим источником белка и ненасыщенные жиры, а также минералы и витамины. Важно отметить, что многие африканские страны поощряют развитие аквакультуры в качестве ответа на некоторые из существующих и будущих проблем в области производства продовольствия. Даже в Европе предложение рыбы в настоящее время не является самодостаточным (с несбалансированным внутренним предложением и спросом) и все больше зависит от импорта. Поэтому обеспечение успешного и устойчивого развития глобальной аквакультуры является императивной повесткой дня для мировой и европейской экономики (Kobayashi et al. 2015). Устойчивость, как правило, требуется для того, чтобы продемонстрировать три ключевых аспекта: экологическую приемлемость, социальную справедливость и экономическую жизнеспособность. Системы Aquaponic предоставляют возможность быть устойчивыми, объединяя системы животноводства и растениеводства экономически эффективным, экологически чистым и социально выгодным образом. В отношении <> (2009 год) устойчивое развитие представляет собой баланс между экологическим благосостоянием и благосостоянием человека, а в случае аквакультуры экосистемный подход лишь недавно был воспринят в качестве приоритетной области исследований.

   Аквакультура была самым быстрорастущим сектором производства продовольствия в течение последних 40 лет (Tveterås et al. 2012), являясь одним из наиболее перспективных видов сельскохозяйственной деятельности для удовлетворения ближайших мировых потребностей в продовольствии (Kobayashi et al. 2015). Общая статистика производства аквакультуры (FAO 2015) свидетельствует о ежегодном приращении мирового производства на 6%, что, как ожидается, обеспечит до 63% мирового потребления рыбы к 2030 году (FAO 2014), при этом численность населения в 2050 году составит, по оценкам, 9 миллиардов человек. В случае Европы прогнозируемое увеличение наблюдается не только в морском секторе, но и в продукции, производимой на суше. Некоторые из ожидаемых проблем для роста аквакультуры в ближайшие годы — сокращение использования антибиотиков и других патологических методов лечения, развитие эффективных систем и оборудования аквакультуры, а также диверсификация видов и повышение устойчивости

   область производства кормов и использования кормов. Переход от рыбной муки (FM) в кормах к другим источникам белка также является важной проблемой, а также соотношение «рыба в рыбу». Существует давняя история, начиная с 1960-х годов, поощрения роста сектора аквакультуры в направлении обеспечения надлежащей устойчивости, включая поощрение адаптации и создания новых и более устойчивых кормов, сокращение разливов кормов и сокращение коэффициента конверсии пищевых продуктов (FCR). Хотя аквакультура признана наиболее эффективным сектором животноводства, по сравнению с наземным животноводством все еще существуют возможности для повышения эффективности использования ресурсов, диверсификации видов или методов производства и, кроме того, существует явная потребность в экосистемном подходе, полное преимущество биологического потенциала организмов и обеспечение адекватного учета экологических и социальных факторов (Kaushik 2017). Такой рост производства аквакультуры необходимо будет поддерживать за счет увеличения ожидаемого общего производства кормов. Чтобы поддержать ожидаемый рост аквакультуры к 2030 году, необходимо будет ежегодно производить около трех миллионов дополнительных тонн кормов. Кроме того, необходимо заменить рыбную муку и рыбий жир (FO) растительными и наземными заменителями, что требует проведения существенных исследований в области кормов для животноводства.

   Индустрия животноводства и аквакормов является частью глобального производственного сектора, которому также уделяется основное внимание при разработке будущих стратегий развития. Ежегодное исследование Alltech (Alltech 2017) показывает, что общий объем производства кормов для животных провалился через 1 миллиард метрических тонн, с ростом производства на 3,7% по сравнению с 2015 годом, несмотря на снижение количества комбикормовых заводов на 7%. Китай и США доминировали в производстве в 2016 году, составив 35% от общего объема производства кормов в мире. Исследование показывает, что в 10 ведущих странах-производителях более половины мировых комбикормовых заводов (56%) и на них приходится 60% общего производства кормов. Такая концентрация в производстве означает, что многие из ключевых ингредиентов, традиционно используемых в составах для коммерческих кормов для аквакультуры, представляют собой товары, торгуемые на международном рынке, в результате чего производство аквакормов подвергается любой нестабильности на мировом рынке. Например, к 2030 году ожидается удвоение цен на рыбную муку, в то время как рыбий жир, вероятно, вырастет более чем на 70% (Msangi et al. 2013). Это свидетельствует о важности сокращения количества этих ингредиентов в кормах для рыб при одновременном повышении интереса и уделении особого внимания новым или альтернативным источникам (García-Romero et al. 2014a, b; Robaina et al. 1998, 1999; Terova et al. 2013; Torrecillas et al. 2017).

   В то время как для производства аквакультуры были разработаны новые морские платформы, значительное внимание уделяется также морским и пресноводным рециркулирующим системам аквакультуры (РАС), поскольку эти системы потребляют меньше воды на килограмм используемого корма для рыбы, что увеличивает производство рыбы и уменьшает воздействие на окружающую среду аквакультура, включая сокращение потребления воды (Ebeling and Timmons 2012; Kingler and Naylor 2012). RAS могут быть интегрированы с растениеводством в аквапонных системах, которые легко вписываются в местные и региональные модели продовольственных систем (см. главу 15), которые могут применяться в крупных населенных центрах или вблизи них (Love et al. 2015a). Вода, энергия и корма для рыб являются тремя крупнейшими физическими источниками для аквапонных систем (Love et al. 2014, 2015b). Приблизительно 5% корма не потребляется выращиваемой рыбой, в то время как остальные 95% употребляются в пищу и перевариваются (Khakyzadeh et al. 2015). Из этой доли 30— 40% удерживается и преобразуется в новую биомассу, в то время как

   Разработка аквапонных кормов и круговая биоэкономика

   

   Рис. 13.1 Схематическое представление многодисциплинарного подхода к локальному валоризации биопобочных продуктов для аквапонных диет. (На основе «R+D+I к развитию аквапоники на ультрапериферических островах и круговой экономике»; проект ISLANDAP, Interreg MAC/1.1A/2072014-2019)

   оставшиеся 60— 70% выделяются в виде фекалий, мочи и аммиака (FAO 2014). В среднем 1 кг корма (30% сырого белка) во всем мире выделяет около 27,6 г N, а 1 кг рыбной биомассы высвобождает около 577 г БПК (биологическая потребность в кислороде), 90,4 г N и 10,5 г P (Tyson et al. 2011).

   В настоящее время аквапоника представляет собой небольшой, но быстро развивающийся сектор, который явно подходит для того, чтобы воспользоваться следующими политическими и социально-экономическими проблемами: 1) водные продукты удовлетворяют потребности в продовольственной безопасности и питании; 2) рыбные районы созданы во всем мире, 3) аквакультура является ключевым сектором, но глобальные ингредиенты и глобальное производство кормов находится в центре внимания, 4) инновации в сельском хозяйстве способствуют биоразнообразию более устойчивым образом и как часть циркулярной экономики и 5) наблюдается больший прием продуктов местного производства. Эти аспекты связаны с рекомендациями Международного союза охраны природы (Le Gouvello et al. 2017), которые касались устойчивости аквакультуры и кормов для рыб, которые рекомендовали предпринять усилия для локализации производства аквакультуры и применения кругового подхода, а также внедрение программы контроля качества новых продуктов и побочных продуктов, а также переработки местных рыбных кормов в регионах. До сих пор аквапоника как «мелкомасштабные рыбохозяйственные хозяйства» может служить примерами для осуществления биоэкономики и местного производства, способствуя тем самым использованию продуктов и побочных продуктов из органического вещества, не пригодных для использования в других целях, например, выращиваемых насекомых и червей, макро- и микроводорослей, гидролизаты рыбы и побочных продуктов, новые агроэкологические растения и местные биоактивы и микроэлементы, сокращая при этом воздействие на окружающую среду за счет качественного производства продуктов питания (рыбы и растения) и перехода к нулевому образованию отходов. Кроме того, аквапоника является хорошим примером для поощрения многодисциплинарного подхода к изучению вопросов устойчивого производства и валоризации биоресурсов, например, «Islandap Project» (INTERREG V-A MAC 20142020) (Рис. 13.1).

   В следующих разделах этой главы рассматривается современное состояние рыбных рационов, ингредиентов и добавок, а также проблемы питания/устойчивого развития, которые необходимо учитывать при производстве конкретных аквапонных кормов.

2. 13.2 Устойчивое развитие рыбного питания

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Устойчивое развитие рыбного питания в аквакультуре должно соответствовать задачам аквапоники в связи с растущей потребностью в производстве высококачественных продуктов питания. Манипулирование азотным, фосфором и минеральным содержанием рыбных рационов, используемых в аквапонике, является одним из способов повлиять на темпы накопления питательных веществ, тем самым снижая потребность в искусственном и внешнем дополнении питательных веществ. Согласно Rakocy et al. (2004), рыба и кормовые отходы обеспечивают большую часть питательных веществ, необходимых растениям, если сохраняется оптимальное соотношение между ежедневным поступлением кормов для рыбы и районами выращивания растений. Твердые рыбные отходы, называемые «осадком» в аквапонных системах, приводят к потере примерно половины имеющихся питательных веществ, особенно фосфора, которые теоретически могут быть использованы для производства биомассы растений, но информация по-прежнему ограничена (Delaide et al. 2017; Goddek et al. 2018). В то время как цель устойчивого питания рыб в аквакультуре в будущем будет достигнута за счет использования специально разработанных рационов питания, корма для рыб в аквапонике должны отвечать питательным требованиям как к рыбе, так и к растениям. Повышение устойчивости отчасти будет обусловлено меньшей зависимостью от рыбной муки (FM) и рыбьего жира (FO) и новых, высокоэнергетических, низкоуглеродных сырьевых ингредиентов. Для сохранения биоразнообразия и устойчивого использования природных ресурсов необходимо ограничить использование диких рыбных запасов FM и FO в аквакормах (Tacon and Metian 2015). Однако при замене диетических FM альтернативными ингредиентами могут изменяться показатели, состояние здоровья и качество конечного продукта. Таким образом, исследования в области питания рыб сосредоточены на эффективном использовании и преобразовании пищевых компонентов для обеспечения необходимых основных питательных веществ, которые позволят максимизировать показатели роста и обеспечить устойчивую и устойчивую аквакультуру. Замена FM, который является отличным, но дорогостоящим источником белка в рационах рыб, не является простой из-за уникального аминокислотного профиля, высокой усвояемости питательных веществ, высокой вкусовости, достаточного количества микроэлементов, а также общего отсутствия антипитательных факторов (Gatlin et al. 2007).

   Многие исследования показали, что FM может быть успешно заменен соевым шромом в аквакормах, но соевый шрот имеет антипитательные факторы, такие как ингибиторы трипсина, агглутинин сои и сапонин, которые ограничивают его использование и высокие проценты замещения при выращивании плотоядных рыб. Замена высокой FM растительными кормами в рыбных рационах также может снизить биодоступность питательных веществ в рыбе, что приводит к изменению питательных веществ в конечном качестве продукта (Gatlin et al. 2007). Это также может вызвать нежелательные нарушения водной среды (Hardy 2010) и снизить рост рыбы из-за снижения содержания незаменимых аминокислот (особенно метионина и лизина) и снижения вкусовых качеств (Krogdahl et al. 2010). Gerile and Pirhonen (2017) отметили, что 100% замена FM кукурузной клейковины значительно снизила темпы роста радужной форели, но замена FM не повлияла на потребление кислорода или плавательную способность.

   Высокий уровень растительного материала может также повлиять на физическое качество гранул и может осложнить процесс изготовления во время экструзии. Большинство альтернативных источников питательных веществ растительного происхождения для кормов для рыб содержат широкий спектр антипитательных факторов, которые мешают метаболизму рыбного белка, нарушая пищеварение и утилизацию, что приводит к увеличению выбросов N в окружающей среде, что может повлиять на здоровье и благосостояние рыб. Кроме того, диеты, включая высокий уровень фитиновой кислоты, изменяют фосфор и пищеварение белка, что приводит к высоким выбросам N и P в окружающую среду. Потребление и вкусовые качества корма, усвояемость и удержание питательных веществ могут варьироваться в зависимости от допуска и уровня рыб и могут изменять количество и состав рыбных отходов. Принимая во внимание эти результаты, рецептуры рыбного рациона в аквапонике должны исследовать «толерантность» диетических факторов (например, фитат) для различных ингредиентов корма и для каждого вида рыб, используемых в аквапонике, а также последствия добавления таких минералов, как Zn и фосфат в рационах. Следует также отметить, что, даже если растительный материал рассматривается в качестве экологически приемлемого варианта замены FM в аквакормах, растения нуждаются в орошении и, таким образом, могут вызывать экологические последствия в виде их воды и экологических последствий (Pahlow et al. 2015) от стока питательных веществ с полей.

   Наземные побочные продукты животного происхождения, такие как нежвачные животные белки (ПАП), полученные от выращиваемых моножелудком животных (например, птица, свинина), пригодные для употребления в пищу в момент убоя (материалы категории 3, постановление ЕС 142/2011; постановление ЕС 56/2013), также могут заменить FM и поддержать круговая экономика. Они обладают более высоким содержанием белка, более благоприятными аминокислотными профилями и меньшим количеством углеводов по сравнению с ингредиентами растительных кормов, но также не имеют антинутриционных факторов (Hertrampf and Piedad-Pascual 2000). Показано, что мясная и костная мука может служить хорошим источником фосфора, если она включена в рацион Nile Tilapia (Ashraf et al. 2013), хотя она строго запрещена в кормах жвачных животных из-за опасности инициирования губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота (коровьего болезнь). Некоторые виды насекомых, такие как черная солдатская муха (Hermetia illucens), могут использоваться в качестве альтернативного источника белка для устойчивых кормовых рационов рыб. Основные экологические преимущества земледелия насекомых заключаются в том, что a) требуется меньшее количество земельных и водных ресурсов, b) сокращение выбросов парниковых газов и с) насекомые обладают высокой эффективностью конверсии кормов (Henry et al. 2015). Вместе с тем сохраняется необходимость в проведении дальнейших исследований для сбора данных по вопросам качества и безопасности и выявления рисков для рыб, растений, людей и окружающей среды.

   Важно отметить, что рыба не может синтезировать несколько основных питательных веществ, необходимых для их метаболизма и роста, и зависит от корма для этого питания. Однако есть определенные группы животных, которые могут использовать диеты с дефицитом питательных веществ, поскольку они содержат симбиотические микроорганизмы, которые могут обеспечить эти соединения (Douglas 2010), и, таким образом, рыба может получить максимальную выгоду, когда предложение микробов их основных питательных веществ масштабируется к спросу. Недостаточное предложение ограничивает рост рыбы, в то время как избыточное предложение может быть вредным из-за необходимости нейтрализовать токсичность, вызываемую несущественными соединениями. Степень, в которой микробная функция варьируется в зависимости от потребностей различных видов рыб и каковы лежащие в их основе механизмы, в значительной степени неизвестна. Важно отметить, что микробиота кишечника водных животных теоретически может играть решающую роль в обеспечении необходимых питательных веществ и обеспечении устойчивости в рыбоводстве (Kormas et al. 2014; Mente et al. 2016). Дальнейшие исследования в этой области помогут облегчить выбор ингредиентов для использования в кормах для рыб, которые способствуют разнообразию микробиоты кишечника для улучшения роста и здоровья рыб.

   Продолжаются исследования по вопросам использования альтернативных источников растительного и животного белка и низкотрофических кормовых ингредиентов для рыб. Замена морских сырьевых ингредиентов в кормах для рыб, которые могут использоваться непосредственно в пищевых целях, должна снизить рыбопромысловое давление и способствовать сохранению биологического разнообразия. Низкий трофический уровень организмов, таких как черная солдатская муха, которые могут служить ингредиентами аквакорма, могут выращиваться на побочных продуктах и отходах других видов сельскохозяйственной промышленной практики с учетом различных питательных качеств пищи, тем самым добавляя дополнительные экологические выгоды. Однако усилия, направленные на достижение успеха в условиях циркулярной экономики и рециркуляции органических и неорганических питательных веществ, должны осуществляться с осторожностью, поскольку нежелательные соединения в сырье и морепродукты могут повысить риск для здоровья животных, благосостояния, производительности роста и безопасности конечного продукта потребители. Исследования, постоянный мониторинг и отчетность по загрязняющим веществам, выращенным в водном хозяйстве, с учетом максимальных предельных значений в кормовых ингредиентах и рационах питания имеют важное значение для внесения изменений и введения новых правил.

3. 13.3 Кормовые ингредиенты и добавки

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   13.3.1 Источники белка и липидов для аквакормов

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

   

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

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

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

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

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

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

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

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

   13.3.2 Использование специализированных кормовых добавок для аквапоники

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

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

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

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

   Распространенная нехватка питательных веществ в системах Aquaponic

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

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

   1. _Прямая минеральная добавка в аквапонических кормах _

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

   2. Совместное добавление минералов путем кормовых добавки

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

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

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

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

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

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

4. 13.4 Физиологические ритмы: Соответствие питанию рыб и растений

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Конструкция кормов для рыб имеет решающее значение в аквапонике, поскольку корм для рыб является единственным или, по крайней мере, основным источником питательных веществ как для животных (макроэлементов), так и для растений (минералов) (рис. 13.3).

   Азот вводится в аквапонную систему через белок в кормах для рыб, который метаболизируется рыбой и выводится в виде аммиака. Интеграция рециркулирующей аквакультуры с гидропоникой может уменьшить выброс нежелательных питательных веществ в окружающую среду, а также получить прибыль. В одном из первых экономических исследований удаление фосфора в интегрированной системе форели и салата и базилика оказалось экономичным (Adler et al. 2000). Интеграция норм кормления рыбы также имеет первостепенное значение для удовлетворения потребностей растений в питании. На самом деле, фермеры должны знать количество кормов, используемых в аквакультуре, чтобы рассчитать, сколько питательных веществ необходимо дополнить для содействия росту растений в гидропонной установке. Например, в тилапио-клубничной аквапонной системе общее количество кормов, необходимых для производства ионов (например, NOSub3/subsup—, /sup cuB2/sUP, HSUB2/sUP, HSUB2/subposub4/sUP и KSUP) для растений, было рассчитано при различной плотности рыб с более высоким показателем плотности 2 кг рыбы/msUP п для снижения стоимости добавок гидропонного раствора (Villarroel et al. 2011).

   

   Рис. 13.3 Поток питательных веществ в аквапонной системе. Обратите внимание, что корм рыбы, через сточные воды из системы аквакультуры, обеспечивает минералы, необходимые для выращивания растений в гидропонной системе. Время приема пищи должно быть разработано таким образом, чтобы соответствовать ритмам кормления/экскреции рыбы и ритмам поглощения питательных веществ в растениях

   Хорошо известно, что растения имеют суточные ритмы, а циркадная ритмичность движения листьев была впервые описана в растениях де Майран в начале восемнадцатого века (McClung 2006). Циркадные ритмы в растениях контролируют все от времени цветения до питания растений, поэтому эти ритмы необходимо учитывать особенно при использовании искусственного садоводческого освещения. Рыба также привязана к ежедневным ритмам в большинстве физиологических функций, включая кормление и поглощение питательных веществ. Не стоит удивляться тому, что рыба проявляет ритмы кормления, поскольку доступность пищи и присутствие хищников практически не постоянны, но ограничивается определенным временем дня/ночи (López-Olmeda and Sánchez-Vázquez 2010). Таким образом, рыбу следует кормить в нужное время в соответствии с ритмами аппетита: днем для дневных видов рыб, а ночью - для ночных рыб. Хорошо известно, что у рыб наблюдаются ежедневные закономерности дезаминирования белков и азотных отходов, связанные с их питательным состоянием и ритмами кормления (Каушик 1980). Время кормления влияет на экскрецию азота, поскольку, согласно данным Gelineau et al. (1998), производство аммиака и катаболизм белков были ниже у рыб, скармливаемых на рассвете (в фазе с ритмом кормления), чем у рыб, кормящих в полночь (вне фазы). Интересно, что экскреция мочевины демонстрирует циркадную ритмичность, которая сохраняется у голодных рыб в постоянных условиях (Kajimura et al. 2002), выявляя ее эндогенное происхождение. Кроме того, проницаемость мочевины (определяемая как содержание мочевины в организме после погружения в раствор мочевины) совпала с акрофазой, т.е. пиком суточного ритма экскреции, что указывает на то, что мочевина не проникает в клетки простой диффузией, но существует циркадный контроль. Растения также показывают суточные ритмы поглощения азота, как это было ранее описано Пирсоном и Стиром (1977), которые обнаружили суточную структуру поглощения нитратов и нитрат-редуктазы в перцах, находящихся в постоянной среде. Концентрация нитратов в листьях шпината также увеличивалась в ночное время по мере увеличения скорости поглощения нитратов корнями в это время (Steingrover et al. 1986). В аквапонике данные указывают на необходимость согласования ритмов экскреции рыб и ритмов поглощения питательных веществ в растениях. Для оптимизации производительности и экономической эффективности аквапонных систем необходимо тщательно разработать рацион рыбы и графики кормления, чтобы обеспечить питательные вещества на нужном уровне и в нужное время, чтобы дополнять как рыбу, так и растения.