Аквакультура робить значний внесок у світове продовольче забезпечення. Оскільки попит на здоровий білок зростає, його важливість, ймовірно, продовжуватиме зростати. На жаль, це також загострює деякі екологічні проблеми, оскільки більш інтенсивна аквакультура вносить додаткові поживні речовини у водні екосистеми. Культури водоростей і мідій, які екстрагують багато поживних речовин з води, пропонують рішення.
Світова аквакультура – це більше аніж просто виробництво риби, безхребетних і водоростей для безпосереднього споживання людиною. Численні продукти також використовуються як сировина для виробництва кормів для тварин, палива, косметики, нутрицевтиків і фармацевтичних препаратів, а також інших продуктів – від ферментів до риб’ячої шкіри. Традиційна аквакультура також виробляє різні “відходи”, які можуть забруднювати прилеглі водні екосистеми. В основному це нез’їдені корми та екскременти риби, які все ще багаті на поживні речовини, особливо сполуки азоту та фосфору Порівняно з кількістю сільськогосподарських поживних речовин, які потрапляють у річки з орних земель і вимиваються в море, кількість поживних речовин від аквакультури набагато менша, але все одно сприяє забрудненню або навіть евтрофікації прибережних вод. За консервативними оцінками, у 2017 році лише від китайської аквакультури надійшло майже 99100 тонн загального азоту та 16100 тонн загального фосфору. Індустрія аквакультури приділяє все більше уваги цьому питанню, оскільки прагне стати більш сталою. Екологічні закони та правила посилюються майже скрізь через зростаючу глобальну стурбованість потенційним впливом аквакультурної діяльності на навколишнє середовище. Великі дослідницькі проекти шукають шляхи більш ефективного захисту прибережних екосистем і морського середовища. Наразі ми порівняно мало знаємо про те, які технології можна використовувати для зменшення або, ще краще, запобігання шкоди, завданої довкіллю «відкритою» аквакультурою. However, there are some possible interventions that could potentially help curb nutrient emissions. Розчинені неорганічні поживні речовини, що утворюються в процесі метаболізму і виводяться рибою через зябра, нирки або кишечник (NH4 і PO4), навряд чи можна видалити за допомогою технічних засобів. Хоча це частково можливо у випадку з твердими органічними поживними речовинами у фекаліях та невикористаному кормі, це буде дуже трудомістким і, відповідно, дорогим процесом. Зменшення споживання поживних речовин можна досягти набагато економічніше за рахунок оптимізації управління кормами. Хоча це і не зменшує забруднення довкілля суттєво, але його все одно слід впроваджувати. Тим більше, що це також вигідно самим рибоводам – кожен грам нез’їденого корму є економічною втратою для бізнесу.
Надходження поживних речовин зазвичай перевищує винос поживних речовин
Зменшення надходження поживних речовин у воду зменшує деякі проблеми, але не вирішує їх. Можливо, природа може слугувати прикладом, оскільки вона використовує дві стратегії одночасно. Одна з них – це ефект розбавлення, спричинений гідродинамічною турбулентністю у воді. Вітер, хвилі і течії мають тенденцію швидко розсіювати поживні речовини в навколишньому середовищі. Хоча це не усуває поживні речовини, їхній негативний вплив менш виражений, оскільки концентрація зменшується. Друга стратегія є набагато ефективнішою, оскільки покладається на введення поживних речовин у морські харчові ланцюги. Тверді частинки поживних речовин осаду осідають на дно, де їх зазвичай з’їдають придонні тварини. Це працює відносно добре, доки кількість осаду не перевищує здатність до поглинання організмами, що живуть на дні. Розчинені поживні речовини також швидко знаходять споживачів у природі. Це насамперед водорості, які можна умовно поділити на мікроводорості та макроводорості відповідно до їхнього розміру. Якщо мікроводорості, які здебільшого вільно плавають у воді, як фітопланктон, крихітні і можуть бути виявлені лише під мікроскопом, то макроводорості набагато більші. Вони ростуть на морському дні та твердих структурах аж до тих глибин, куди може проникати світло. Обидві групи водоростей об’єднує здатність до фотосинтезу та перетворення вуглецю на багаті на енергію сполуки. Ця здатність ставить мікро- та макроводорості на самий початок водних харчових ланцюгів. Вони є “первинними виробниками”, від яких залежить майже все водне життя, від зоопланктону до вищих хижаків. Однак водорості також потребують поживних речовин з аквакультури для фотосинтезу. Це усвідомлення замикає коло: культури водоростей можуть допомогти екстрагувати деякі поживні речовини з води і використовувати їх для власного розвитку. Вони діють як природні “очисні споруди”, які зменшують вміст поживних речовин у воді, тим самим очищаючи її.
Водорості поглинають поживні речовини з води, наприклад, ті, що продукуються рибними фермами, і таким чином допомагають зберегти мілководні прибережні води чистими
Завдяки своїй очисній функції водорості відіграють життєво важливу роль у водних екосистемах. Але не все так просто, адже водорості, особливо мікроскопічні мікроводорості, можуть бути як прокляттям, так і благословенням. З одного боку, як первинні продуценти, вони є основою водного життя і навіть дають нам можливість зменшити екологічні проблеми через свій “поживний голод”. З іншого боку, вони самі можуть стати небезпекою, якщо маси водоростей, відомі як “цвітіння водоростей”, розвиваються в надмірно удобрених і тому надзвичайно багатих на поживні речовини (евтрофних) морських акваторіях. Щільні килими водоростей часто плавають на поверхні, позбавляючи рослини на дні світла для фотосинтезу і загрожуючи життю багатьох донних тварин. Особливо небезпечним є цвітіння токсичних водоростей, які виробляють отруйні речовини і можуть спричинити захворювання або навіть загибель багатьох водних тварин, у тому числі риб. Так само небезпечно, коли мікроводорості в певний момент гинуть, і продукована біомаса руйнується і опускається на морське дно. Тоді гнилісні бактерії негайно починають роботу на багатому на поживні речовини “цвинтарі водоростей”. У процесі розкладання вони витягують з води стільки кисню, що виникає дефіцит кисню, і біля дна можуть утворюватися безкисневі зони.
Потенціал водоростей далеко не вичерпаний
Майже всі види водоростей, переважно макроводоростей, вирощуються у великих обсягах в аквакультурі по всьому світу. Майже всі вони прямо чи опосередковано використовуються для споживання людиною. Наприклад, їстівні водорості, такі як види Porphyra (Nori), які ми знаємо як обгортку для суші-ролів, використовуються безпосередньо. Непряме використання означає, що цінні інгредієнти, такі як агарагар або карагенан, видобуваються з водоростей і використовуються для багатьох продуктів харчової промисловості та інших застосувань. На відміну від культур макроводоростей, виробництво мікроводоростей лише нещодавно привернуло до себе більший інтерес. Ця тенденція зумовлена попитом на цінні інгредієнти мікроводоростей, що містять білки, вуглеводи та жири, мікроелементи та біологічно активні або функціональні речовини. До них відносяться незамінні омега-3 жирні кислоти EPA та DHA, а також каротиноїди, які є важливими для харчування тварин і людини. Водорості, екстракти водоростей та інгредієнти водоростей використовуються як кормові добавки в харчуванні тварин. Вважається, що вони зміцнюють імунну систему і підвищують опірність до хвороб, покращують показники росту і мають антиоксидантну та протизапальну дію. Майже всі прогнози також припускають, що в майбутньому мікроводорості зможуть замінити рибне борошно та риб’ячий жир у кормах для аквакультури. Мікроводорості в суспензії вже широко використовуються як добавка, щоб “оживити” низьку поживну цінність науплій Артемії, яку риборозвідні часто використовують для вигодовування личинок риби та креветок. Цей метод, відомий як “збагачення”, забезпечує личинкам додаткову порцію вітамінів, жирних кислот і мікроелементів, що забезпечує значно вищий рівень виживання.
Більш цілеспрямоване використання екологічних ‘послуг’
Хоча культури водоростей, завдяки поглинанню поживних речовин, роблять значний внесок в очищення води та здоров’я водних екосистем, ця безкоштовна екосистемна послуга до цього часу майже не використовувалася. Цей екологічно чистий варіант піддається використанню, оскільки вирощування водоростей вимагає відносно невеликих зусиль і є порівняно недорогим. Більше того, корисний вплив водоростей виходить далеко за межі поглинання поживних речовин, оскільки вони також виробляють високий рівень кисню, стабілізують рівень рН, пригнічують шкідливі бактерії, діють як природні біофільтри та слугують укриттям і їжею для риби. Ці переваги вже цілеспрямовано використовуються при вирощуванні личинок риби та креветок у зеленій воді, яка містить високу концентрацію мікроводоростей. У порівнянні з майже клінічно чистою прозорою водою, успіх вирощування в цих умовах значно вищий. Хоча потенціал водоростей як “постачальника екологічних послуг” був визнаний, він ще не був повністю використаний. Проте вже ведуться роботи з розробки відповідних технологій для використання мікроводоростей і макроводоростей для очищення стічних вод. Природний метод, який використовують водорості для екстрагування поживних речовин з води, є не що інше, як геніальний: сполуки азоту і фосфати перетворюються на біомасу, яку відносно легко видалити з системи і часто навіть можна використовувати з економічною вигодою. Навряд щось може бути більш сталим. Крім того, водорості можна вирощувати в морі або в компактних біореакторах, тому вони не конкурують з дуже обмеженими орними землями.
Однак не лише водорості мають здатність поглинати поживні речовини та очищати воду, але й інші групи видів. До них відносяться риби, що живляться за допомогою фільтрації, та численні молюски, такі як устриці та інші двостулкові. У той час як водорості поглинають лише розчинені неорганічні поживні речовини, мідії та риби-фільтратори використовують свої зяброві фільтри, що
просіюють з води багаті на поживні речовини органічні частинки. Переважно планктон, але також і детрит. Оскільки вони роблять це невибірково, а не за типами їжі, їх також називають “суспензійними тваринами”. Завдяки тому, що вони живляться через фільтр, вирощувані суспензійні риби значно зменшують кормовий баланс в аквакультурі, оскільки вони ростуть без додаткового корму. Хоча відносна частка видів, яких не годують, у світовому виробництві аквакультури впала з понад 40% до 2000 року до 27,8% у 2020 році, це лише математичний ефект, оскільки, хоча абсолютний обсяг виробництва залишився майже на тому ж рівні, світове виробництво аквакультури зросло більш ніж утричі. У 2020 році в аквакультурі в усьому світі було вироблено 24,3 мільйона тонн видів тварин, яких не годують під час вирощування. З них 8,2 мільйона тонн – це риба, що живиться за рахїунок фільтрації (переважно білий та строкатий товстолобики), а 16,2 мільйона тонн – водні безхребетні, переважно морські види мідій.
Очищення води за рахунок ультвування мідій?
Мідії особливо ефективні як суспензійні тварини. Деякі види фільтрують навіть крихітні частинки розміром розміром лише 0,004 міліметра з води за допомогою зябрового сита, таким чином значно зменшуючи каламутність водойми. Зібрана багата на поживні речовини кашка з водоростей потім перетворюється на тканини тіла та мушлі. Ось чому мідійні поля часто називають “самоочисними пилососами” або “кишками водної екосистеми”. Однак в окремих випадках їхня ефективність очищення залежить від того, скільки води проходить через зябра за годину або добу. Ця величина може варіюватися від тварини до тварини і залежить, серед іншого, від розміру тварини та її положення в мідійному полі. Літературні дані для окремих дорослих устриць коливаються від 75 до 120 літрів на добу. Фільтраційна здатність мідій становить близько 2 літрів на добу (але також від 1 до 5 літрів на годину). Хоча цифри дуже різняться, зрозуміло, наскільки важливу роль ці “природні фільтри” можуть відігравати у підтримці чистоти місцевих екосистем. До цього додається їхня економічна цінність, оскільки багато видів, від устриць і молюсків до гребінців і мідій, можна використовувати як високоякісну їжу для споживання людиною або в переробленому вигляді як корм для тварин.
Культивування мідій не лише продукує високоякісні їжу, але й також фільтрує безліч планктону та детриту з води.
Звичайно, що використовувати мідії для вживання в їжу можна за умови, що молюски не містять важких металів, патогенних мікробів або токсичних речовин. У цьому полягає суть їхньої неселективної фільтрації: вони відфільтровують цінні та багаті на поживні сполуки речовини з води, а також непотрібні відходи і токсини. Мідії є ефективними системами очищення і в той же час надійні майстри виживання, які можуть впоратися практично з будь-якими умовами навколишнього середовища і рідко хворіють навіть у забрудненій воді. Це відкриття наштовхнуло деяких вчених на думку, що мідії можна використовувати не лише для видалення поживних речовин з водних систем, але й для фільтрації забруднювачів та мікропластику зі стічних вод, тобто для повного очищення. Очевидна ідея. Оскільки мідії фільтрують усі види забруднювачів навколишнього середовища з води і накопичують їх у тканини свого тіла, їх часто використовують як індикатори якості води в місцях їхнього вирощування. Забруднені мідійні грядки є раннім попереджувальним знаком проблем із забрудненням. Початкові випробування біологічного очищення води за допомогою мідій показали, що цей підхід працює і є доцільним. Звичайно, такі забруднені мідії повністю непридатні для споживання і підлягають утилізації. Однак досягнутий ефект очищення та отримана чиста вода варті того, щоб втратити їх як їстівний ресурс.
Мережа трофічних рівнів та захист клімату
Виробництво риби в аквакультурі є одним з найбільш привабливих джерел виробництва тваринного білка і, можливо, єдиним способом задовольнити попит зростаючого світового населення. У 2020 році на аквакультуру вже припадало 46% світового постачання риби у цілому (для споживання +технічні цілі), яке становило 179 мільйонів тонн, і очікується, що до 2030 року ця частка збільшиться до 53%. Це також посилює тиск на рибних фермерів щодо вирішення проблеми надходження поживних речовин у водойми. Це пов’язано з тим, що з кожним додатковим вирощеним екземпляром риби у воду потрапляє все більше залишків корму, риб’ячих фекалій, розчинених і твердих частинок відходів. Одним із варіантів є інтегрована мультитрофічна аквакультура (IMTA), яка поєднує вирощування різних видів тварин і рослин, що належать до різних трофічних рівнів. Наприклад, лосось, морські огірки та морські їжаки, мідії та макроводорості. Тверді відходи, що опускаються на морське дно з лососевих садків, переробляються бентосними тваринами, що поїдають відкладення. З іншого боку, частинки, які течією дрейфують убік від лососевих садків, утилізуються мідіями у суспензійних культурах, які діють як стіна, що захищає лососеві садки ззовні. Частина розчинених у воді поживних речовин поглинається сусідніми культурами водоростей, стимулюючи їх ріст. Системи IMTA вже довели свою практичну придатність у деяких місцях. IMTA вважається успішним прикладом екологічної аквакультури. Незважаючи на помітні успіхи, наразі вони майже не відіграють жодної ролі у світовій аквакультурі, головним чином через відсутність або неадекватність структур управління та суперечки щодо використання простору в безпосередній прибережній зоні. Однак культури водоростей і мідійно-макроводоростеві концепції IMTA пропонують додаткові переваги, оскільки водорості також поглинають величезну кількість CO2 з атмосфери. Вуглекислий газ, який просочується з атмосфери в приповерхневі шари води, порушує початковий вуглецевий баланс і сприяє закисленню океану. Культури водоростей можуть пом’якшити ці процеси, принаймні на місцевому рівні, і протидіяти падінню рівня рН. Подібні ефекти спричиняють мідії та інші молюски, які також відіграють центральну роль у місцевих вуглецевих циклах. Вони поглинають частину вуглецю і зв’язують його у вигляді карбонату кальцію (CaCO3) під час росту. Як водорості, так і мідії можуть впливати на кругообіг вуглецю прибережних екосистем і покращувати здатність шельфових морів поглинати вуглець. Сезонно цей ефект тимчасово змінюється на протилежний (під час літньої фази росту великі культури мідій виділяють в атмосферу більше CO2, ніж поглинають), але загальний баланс все одно залишається позитивним. Океани мають важливе значення як поглиначі CO2 для захисту клімату.
Manfred Klinkhardt
Посилання на оригінал журналу Eurofish Magazine Issue 2 2024 (March / April)
