DYNAMICS OF HYDROCHEMICAL INDICATORS OF WATER IN A RECIRCULATING AQUACULTURE SYSTEM IN INTEGRATED CULTIVATION OF FISH AND PLANTS

ДИНАМИКА ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДЫ УЗВ ПРИ ИНТЕГРИРОВАННОМ ВЫРАЩИВАНИИ РЫБЫ И РАСТЕНИЙ

Научная статья

Ленченко С.О.^1, *, Львов Ю.Б.²

¹ ORCID: 0000-0001-8613-1105;

² ORCID: 0000-0002-1517-3604;

^{1, 2} Всероссийский научно-исследовательский институт интегрированного рыбоводства – филиал Федерального исследовательского центра животноводства – ВИЖ имени академика Л.К. Эрнста, пос. им. Воровского, Россия

* Корреспондирующий автор (svyat.lenchenko[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье представлены результаты исследований динамики гидрохимических показателей воды при интегрированном выращивании рыбы и растений. В УЗВ, объемом 1500 литров обитали следующие рыбы: Acipenser gueldenstaedtii, Carassius gibelio, Tinca tinca, Cyprinus carpio, на 36-ые сутки опыта к установке был подключен гроубокс, где выращивался салат Lollo Rossa Lettuce. На протяжении эксперимента вода в рыбоводной ёмкости не подменивалась и не доливалась. Динамика изменений гидрохимических показателей воды при использовании аквапонного модуля после подключения гроубокса связана с тем, что растения развитой корневой системой потребляют азотистые соединения. Наблюдаются более активные процессы по движению углеводистых веществ в системе, стабилизируется pH. Накопление биогенов, наблюдаемое в эксперименте свидетельствовало о недостаточном количестве их утилизаторов – растений.

Ключевые слова: аквапоника, гидрохимические показатели, гроубокс, растения, рыба.

DYNAMICS OF HYDROCHEMICAL INDICATORS OF WATER IN A RECIRCULATING AQUACULTURE SYSTEM IN INTEGRATED CULTIVATION OF FISH AND PLANTS

Research article

Lenchenko S.O.^1, *, Lvov Yu.B.²

¹ ORCID: 0000-0001-8613-1105;

² ORCID: 0000-0002-1517-3604;

^{1, 2} All-Russian Research Institute of Integrated Fish Farming, branch of the L.K. Ernst Federal Research Center for Animal Husbandry, Imeni Vorovskogo, Russia

* Corresponding author (svyat.lenchenko[at]yandex.ru)

Abstract

The article presents the results of studies of the dynamics of hydrochemical indicators of water in the integrated cultivation of fish and plants. A recirculating aquaculture system, with a volume of 1500 liters, contained the following fish: Acipenser gueldenstaedtii, Carassius gibelio, Tinca tinca, Cyprinus carpio, on the 36th day of the experiment, a growbox was connected to the system where Lollo Rossa Lettuce was grown. During the experiment, the water in the fish tank was not replaced or refilled. The dynamics of changes in the hydrochemical parameters of water when using the aquaponics module after connecting the growbox can be attributed to the fact that plants with a developed root system consume nitrogenous compounds. There are more active processes of the movement of carbohydrate substances in the system, the pH is stabilized. The accumulation of biogenic substances observed in the experiment indicated an insufficient number of their utilizers — plants.

Keywords: aquaponics, hydrochemical indicators, growbox, plants, fish.

Введение

Интегрированное выращивание рыбы и растений является перспективным направлением производства [1], [2]. При увеличении плотности рыб в УЗВ до 40–50 кг/м² продуктивность растений возрастает в 1,3 – 1,8 раза [3, С. 44]. При устойчивом росте суточный массы рыбы наблюдалась тенденция уменьшения рН среды, азотистых соединений, увеличения уровня растворенного кислорода [4, С.1127]. Накопление нитратов в листьях салата возрастало, в связи с наличием живых объектов и продуктов их жизнедеятельности [5, С. 69].

Цель работы – изучить динамику гидрохимических показателей воды установки замкнутого водоснабжения при интегрированном выращивании рыбы и растений. 

Материалы и методы исследований

Экспериментальные исследования проводили в течение 66 суток, на протяжении всего эксперимента вода в рыбоводной ёмкости не подменивалась и не доливалась. В УЗВ, объемом 1500 литров обитали рыбы: Acipenser gueldenstaedtii, Carassius gibelio, Tinca tinca, Cyprinus carpio. На 36-ые сутки опыта к установке был подключен гроубокс, где выращивался салат Lollo Rossa Lettuce. Гидрохимические анализы воды, измерение морфометрических показателей рыбы и растений проводили общепринятыми методами [3], [5], [6]. 

Результаты исследований

Результаты исследования динамики гидрохимических показателей воды УЗВ до подключения и при подключении гроубокса представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Гидрохимические показатели воды

Показатели	Результаты исследований
	До подключения гроубокса				Подключение гроубокса
	24.05.	04.06	18.06	25.06.	28.06.	12.07.	23.07.	28.07.
t, С0	17,0	17,6	17,6	20,0	20,7	21,1	18,5	20,0
рН	8,0	7,5	7,4	7,0	6,7	6,5	5,7	5,5
Кислород, мг/л	6,2	6,2	6,2	6,2	6,3	6,3	5,8	6,3
БПК, мг/дм	–	1,9	2,2	4,3	–	–	5,8	2,8
Аммоний-ион, мг /л	0,5	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7	1,0
Нитриты, мг N/л	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
Нитраты, мг N/л	7,0	7,0	10,0	10,0	10,0	15,0	15,0	15,0
Общая минерализация, мг/л	970,0	1060	1090	1110	1120	1180	1110	1110
Углекислота, мг/л	2,1	1,4	0,7	0,7	0,4	0,4	0,7	0,7
Фосфаты, мг/л	1,5	3,0	10,0	10,0	10,0	10,0	10,0	10,0
Цветность, Ц°	10,0	15,0	15,0	15,0	20,0	20,0	50,0	50,0
Мутность, ЕМФ	2,0	3,0	3,0	3,0	3,0	3,0	5,0	5,0

 

Концентрация кислорода варьировалась от 5,8 до 6,4 мг/л; показатели БПК составили от 0,8 до 5,8 мг/л. Концентрация нитритов была стабильной и оставалась в пределах нормы, равной 0,1 мг/л; нитраты не превышали допустимые значения, на протяжении экспериментов изменялись от 7,0 мг/л в начале эксперимента и до 20,0 мг/л на 47-ые сутки. При подключении гроубокса спустя несколько суток концентрация нитратов снизилась до 15,0 мг/л. Указанные показатели соответствовали нормативным значениям при выращивании рыбы в УЗВ.

Фосфаты концентрировались от 1,5 мг/л в начале опыта до 10,0 мг/л, что значительно превышало нормативные значения (0,2-0,5 мг/л). Концентрация аммоний-иона варьировалась от 0,5 мг/л в начале опыта до 1,0 мг/л на заключительном этапе эксперимента, что незначительно превышало предельно допустимые значения. Показатели pH в начале опыта были на уровне 8,0 и постоянно снижались, достигнув 5,5 в конце эксперимента. Большую часть эксперимента pH не соответствовали нормативным показателям, превышая предельно допустимые значения вначале опыта, а затем показатели были ниже. Значения pH 6,8-7,2 были достигнуты лишь в период 26-33-х суток эксперимента. Показатели углекислого газа в течение эксперимента изменялись неоднородно, минимальные значения – 0,4 мг/л, максимальные – 6,3 мг/л. Показатели минерализации воды (TDS) на всем протяжении эксперимента постоянно увеличивались от 970,0 до 1330,0 мг/л. Показатели цветности воды в УЗВ изменялись от 15 до 50 единиц по платинокобальтовой шкале. Мутность варьировалась от 3,0 до 5,0 единиц по формазину. Накопление биогенов, наблюдаемое в эксперименте свидетельствовало о недостаточном количестве их утилизаторов – растений. 

Обсуждение

В настоящее время накопилось достаточно эмпирических данных позволяющих определить приемлемые соотношения подсистем аквапоники. По мнению Keesman, K. et al., 2019 доля экскреции азота в фекальных потерях и экскреция аммиака составляет 0,25 и 0,75, соответственно [7, С. 267]. Rathod V. et al., 2019 считают, что при pH воды, близкого к нейтральному (6,0–6,5), питательные вещества легко доступны для растений, процесс преобразования аммиака в нитраты нитрифицирующими бактериями снижается при pH=6,0, что влияет на биофильтрацию [8, С. 12-13]. Rakocy J. et al., 2021 отметили, что в зависимости от качества используемого корма и вида рыб могут снижаться показатели фосфора, калия, кальция, магния и микроэлементов [10]. По данным Козырь А. В., 2019 при высоких концентрациях аммиак-аммония в воде происходит непосредственный контакт аммиака и крови, активно циркулирующей через жаберные лепестки, что отражается на физиологических показателях жизнедеятельности и развития рыб [9, С. 91]. 

Заключение

Динамика накопления исследуемых веществ после подключения гроубокса при использовании аквапонного модуля характеризовалась увеличением показателей концентрации фосфатов, минерализации воды (TDS); цветности воды; аммоний-иона; снижением концентрации нитратов; Растения с развитой корневой системой потребляют азотистые соединения, наблюдаются активные процессы по движению углеводистых веществ в системе, стабилизируется pH. Продукты метаболизма одного биологического кластера используются другим на последующих этапах до их полной утилизации внутри системы. В культивационной среде происходит накопление растворимых биогенов, таких как азот, фосфор и пр., которые можно рассматривать как трофическую базу для растительных организмов.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Львов Ю.Б. Способ определения допустимой нагрузки на водоём культивируемых объектов / Ю.Б. Львов, Е.И. Шишанова, А.В. Мазур // Рыбоводство и рыбное хозяйство. – 2017. – №10. – С. 53 – 61.
2. Юрина Н. А. Использование аквапонного метода / Н. А. Юрина // Международный научно-исследовательский журнал. – 2021.–№ 10 (112) Часть 1. – С. 73–76. –DOI: 10.23670/IRJ.2021.112.10.012
3. Матишов, Г.Г. Инновационная биотехнология получения экологически чистой продукции аквабиокультуры в модульной установке замкнутого водоснабжения / Г.Г. Матишов, Е. Н. Пономарева, А.В. Казарникова и др. // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Серия Естественные науки. Ростов-на-Дону, 2016. – № 3. – С. 41-48. DOI18522/0321-3005-2016-3-41-48
4. Яценко, В.Н. Сравнение эффективности гидропонной и аквапонной технологий на установках замкнутого водоснабжения / В.Н. Яценко, А.Л. Семенов, Т. В. Степанова и др. // Научно-образовательный журнал для преподавателей и студентов «Studnet». Воронеж, 2020. – № 12. – С. 1165-1178.
5. Матишов, Г.Г. Интегрированное выращивание рыбы и растений в модульной установке замкнутого водоснабжения / Г.Г. Матишов, Е.Н. Пономарева, А.В. Казарникова и др. // Рыбное хозяйство, 2017. – № 1. – С. 66-71.
6. Брайнбалле, Я. Руководство по аквакультуре в установках замкнутого водоснабжения / Я. Брайнбалле // Введение в новые экологические и высокопродуктивные замкнутые рыбоводные системы. – Изд-во: Международная организация «ЕВРОФИШ» при поддержке Субрегионального бюро ФАО по Центральной и Восточной Европе. – Копенгаген, 2010. – 70 с.
7. Keesman, K. Aquaponics Systems Modelling / K. Keesman, O. Körner, K. Wagner et al. // Aquaponics Food Production Systems, 2019. – P. 267-301 // DOI: 10.1007/978-3-030-15943-6_11267
8. Rathod, V. Aquaponics: enhance farmer income / V. Rathod, V. Sarman, D. Mahavadiya // Aqua star. – 2019. – P. 12-14.
9. Козырь, А.В. Влияние аквапонного модуля на содержание азотистых соединений в тепловодных установках замкнутого водоснабжения при выращивании клариевого сома (Clarias gaeripinus) / А.В. Козырь, Л.С. Цвирко // Вестник Полесского Государственного Университета. Пинск, 2019. – № 1. – С. 87-94.
10. Rakocy, J. Fish and Vegetable Production in a Commercial Aquaponic System / J. Rakocy, Donald B., R. Shultz et al. // 25 Years of Research at the University of the Virgin Islands, 2021. [Electronic resource]. URL: https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjjjPe_74P0AhUNmIsKHW0JBAIQFnoECAIQAQ&url=https%3A%2F%2Fag.arizona.edu%2Fazaqua%2Fista%2FISTA9%2FFullPapers%2FRakocy1.doc&usg=AOvVaw1qW_9cUpiRIedyCm_UmWJu (accessed 12.11.2021)

Список литературы на английском языке / References in English

1. L'vov Ju.B. Sposob opredelenija dopustimoj nagruzki na vodojom kul'tiviruemyh ob'ektov [A Method for Determining the Permissible Load on the Reservoir of Cultivated Objects] / L'vov Ju.B, Shishanova E.I., Mazur A.V. // Rybovodstvo i rybnoe hozjajstvo [Fish Farming and Fisheries]. – 2017. – №10. – pp. 53 – 61. [in Russian]
2. Jurina N. A. Ispol'zovanie akvaponnogo metoda [The Use of the Aquaponic Method] / N. A. Jurina // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. – 2021.–№ 10 (112) Part 1. – pp. 73–76. DOI: 10.23670/IRJ.2021.112.10.012 [in Russian]
3. Matishov, G.G. Innovacionnaja biotehnologija poluchenija jekologicheski chistoj produkcii akvabiokul'tury v modul'noj ustanovke zamknutogo vodosnabzhenija [Innovative Biotechnology of Obtaining Environmentally Friendly Aquatic Culture Products in a Modular Installation of Closed Water Supply] / G.G. Matishov, E. N. Ponomareva, A.V. Kazarnikova et al. // Izvestija VUZov. Severo-Kavkazskij region. Serija Estestvennye nauki. [Bulletin of Universities. The North Caucasus Region. Natural Sciences Series.] Rostov-na-Donu, 2016. – № 3. – pp. 41-48. DOI 10.18522/0321-3005-2016-3-41-48 [in Russian]
4. Jacenko, V.N. Sravnenie jeffektivnosti gidroponnoj i akvaponnoj tehnologij na ustanovkah zamknutogo vodosnabzhenija [Comparison of the Effectiveness of Hydroponic and Aquaponic Technologies on Closed Water Supply Installations] / V.N. Jacenko, A.L. Semenov, T. V. Stepanova et al. // Nauchno-obrazovatel'nyj zhurnal dlja prepodavatelej i studentov «Studnet» [Scientific and Educational Journal for Teachers and Students “Studnet”]. Voronezh, 2020. – № 12. – pp. 1165-1178. [in Russian]
5. Matishov, G.G. Integrirovannoe vyrashhivanie ryby i rastenij v modul'noj ustanovke zamknutogo vodosnabzhenija [Integrated Cultivation of Fish and Plants in a Modular Installation of Closed Water Supply] / G.G. Matishov, E.N. Ponomareva, A.V. Kazarnikova et al. // Rybnoe hozjajstvo [Fisheries], 2017. – № 1. – pp. 66-71. [in Russian]
6. Brajnballe, Ja. Rukovodstvo po akvakul'ture v ustanovkah zamknutogo vodosnabzhenija [Guide to Aquaculture in Closed Water Supply Installations] / Ja. Brajnballe // Vvedenie v novye jekologicheskie i vysokoproduktivnye zamknutye rybovodnye sistemy [Introduction to New Ecological and Highly Productive Closed Fish Breeding Systems]. – Publishing house: Mezhdunarodnaja organizacija «EVROFISh» pri podderzhke Subregional'nogo bjuro FAO po Central'noj i Vostochnoj Evrope. – Kopengagen, 2010. – p. 70 [in Russian]
7. Keesman, K. Aquaponics Systems Modelling / K. Keesman, O. Körner, K. Wagner et al. // Aquaponics Food Production Systems, 2019. – P. 267-301 // DOI: 10.1007/978-3-030-15943-6_11267
8. Rathod, V. Aquaponics: enhance farmer income / V. Rathod, V. Sarman, D. Mahavadiya // Aqua star. – 2019. – P. 12-14.
9. Trump, A.V. Vlijanie akvaponnogo modulja na soderzhanie azotistyh soedinenij v teplovodnyh ustanovkah zamknutogo vodosnabzhenija pri vyrashhivanii klarievogo soma (Clarias gaeripinus) [The effect of the aquapon module on the content of nitrogenous compounds in closed-water thermal water supply installations during the cultivation of clarias catfish (Clarias gaeripinus)] / A.V. Trump, L.S. Tsvirko // Bulletin of the Polessky State University. Pinsk, 2019. - No. 1. - pp. 87-94. [in Russian]
10. Rakocy, J. Fish and Vegetable Production in a Commercial Aquaponic System / J. Rakocy, Donald B., R. Shultz et al. // 25 Years of Research at the University of the Virgin Islands, 2021. [Electronic resource]. URL: https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjjjPe_74P0AhUNmIsKHW0JBAIQFnoECAIQAQ&url=https%3A%2F%2Fag.arizona.edu%2Fazaqua%2Fista%2FISTA9%2FFullPapers%2FRakocy1.doc&usg=AOvVaw1qW_9cUpiRIedyCm_UmWJu (accessed 12.11.2021)