AN OVERVIEW OF BREAKTHROUGH TECHNOLOGIES IN AQUACULTURE

ОБЗОР ПРОРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ АКВАКУЛЬТУРЫ

Обзорная статья

Руденко Р.А.^*

Донской государственный аграрный университет, Персиановский, Россия

* Корреспондирующий автор (6195756[at]mail.ru)

Аннотация

Мировые запасы дикой рыбы истощаются со все возрастающей скоростью. Аквакультура - это единственный способ обеспечить мир достаточным количеством морепродуктов. Традиционная аквакультура в Китае насчитывает 4000 лет и была очень успешной в последние три десятилетия. Однако аквакультура столкнулась с серьезными проблемами, включая лишь несколько улучшенных видов, трудоемкость, загрязнение окружающей среды, болезни и отсутствие возможности отслеживания продукции. Аквакультура нуждается в прорывных технологиях для увеличения производства рыбы [1]. Новые и прорывные технологии, включая редактирование генома, искусственный интеллект, оффшорное земледелие, системы рециркуляции аквакультуры, альтернативные белки и масла для замены рыбной пищи и рыбьего жира, оральную вакцинацию, блокчейн для маркетинга и интернет вещей, могут обеспечить решения для устойчивого развития и высокой прибыльности аквакультуры. В этом обзоре кратко представлены эти новые и прорывные технологии.

Ключевые слова: Рыба, Аквакультура, Инновации, Развитие.

AN OVERVIEW OF BREAKTHROUGH TECHNOLOGIES IN AQUACULTURE

Review article

Rudenko R.A.^*

Don State Agrarian University, Persianovsky, Russia

* Corresponding author (6195756[atmail.ru)

Abstract

The world's wild fish stocks are being depleted at an ever-increasing rate. Aquaculture is the only way to provide the world with enough seafood. in China, traditional aquaculture dates back 4,000 years and has been very successful in the last three decades. However, aquaculture faces serious challenges, including only a few improved species, labor intensity, environmental pollution, disease, and lack of traceability of products. Aquaculture also requires breakthrough technologies to increase fish production [1]. New and breakthrough technologies, such as genome editing, artificial intelligence, offshore farming, aquaculture recycling systems, alternative proteins and oils to replace fish food and fish oil, oral vaccination, blockchain for marketing and the Internet of things, can provide solutions for sustainable development and high profitability of aquaculture. This review briefly presents these new and breakthrough technologies.

Keywords: Fish, Aquaculture, Innovation, Development. Введение

За последние 50 лет применение науки и внедрение новых технологий (рис. 1) в развитии аквакультуры способствовали быстрому развитию аквакультуры. С точки зрения видов, кормов, производственных систем, болезней, продуктов, бизнес-структур и маркетинга аквакультура более диверсифицирована, чем другие секторы сельского хозяйства. Научно-технический прогресс принес пользу почти всем аспектам аквакультуры. Множество технологий (рис. 1) внесли значительный вклад в производство аквакультуры. Например, усовершенствованные репродуктивные технологии позволили людям ускорить жизненные циклы многих видов аквакультуры

Развитие живых кормов, в том числе микроводорослей, коловраток, креветок и других веслоногих ракообразных в инкубаториях, позволило устранить узкое место в выращивании некоторых видов морских гидробионтов [2]. Селекционное разведение с помощью количественной генетики значительно улучшило признаки, имеющие коммерческое значение, у более чем 60 видов аквакультуры.

Рис. 1 – Технологии, повлиявшие на производство аквакультуры

1. Информационные/цифровые технологии

Хотя в последние 50 лет развитие аквакультуры идет очень быстрыми темпами, еще многое предстоит сделать для повышения ее прибыльности и устойчивости. Нижеописанные информационные/цифровые технологии могут революционизировать индустрию аквакультуры [3].

1.1 Робототехника для выполнения трудоемкой работы

Производство аквакультуры - сложный процесс. Многие шаги, включая кормление, очистку прудов и сетей, мониторинг поведения и удаление больной рыбы, являются трудоемкими и дорогостоящими, что может быть сложно без использования машин. Кроме того, в индустрии аквакультуры не существует роботизированных систем, которые могут работать универсально для всех видов и систем аквакультуры из-за их большого разнообразия. Однако с технологической точки зрения решения этих сложных задач в аквакультуре всетаки существуют [4]. Роботы могут применяться для кормления, очистки прудов и сетей, введения вакцин и удаления больной рыбы. Поэтому разработки в этом направлении имеют огромный потенциал.

Например, автоматизированные подводные роботы уже использовались для проверки и очистки состояния сетей в лососевой промышленности, что привело к уменьшению числа ручных операций. Роботы также использовались для обследования здоровья рыбы, мониторинга ограждений и предотвращения побегов выращиваемой рыбы. На самом деле роботы могут сделать аквакультуру более прибыльной, потому что роботы способны работать непрерывно без перерыва в плохих условиях окружающей среды и без потребности в помощи человека. Поведение рыб можно отслеживать в режиме реального времени. Многие научно-исследовательские институты и компании, разработали и разрабатывают различные типы роботов для аквакультуры. Некоторые типы были протестированы и доказали свою эффективность [5]. Несмотря на все эти захватывающие роботизированные продукты, важно отметить, что полностью автоматизированная аквакультура в настоящее время все еще невозможна и может не осуществиться в краткосрочной перспективе (например, через 5-10 лет). Тем не менее, несомненно, что в ближайшие 5-10 лет произойдут существенные изменения в том, как выращивают рыбу с помощью роботов. Следует также отметить, что любая автоматизация с использованием робототехники должна учитывать специфику каждого вида, культурных систем и различных сред.

1.2 Беспилотные летательные аппараты для сбора данных

Как и роботы, упомянутые выше, дроны могут выполнять большую работу над и под водой для аквакультурной промышленности. Беспилотные летательные аппараты способны отслеживать рыбные фермы на суше и в море, особенно на морских аквакультурных площадках. Многие работы, включая проверку отверстий и повреждений в клетках, могут выполняться беспилотными летательными аппаратами. Многие научно-исследовательские институты и компании разрабатывают и производят беспилотные летательные аппараты для аквакультуры. Что еще более важно, дроны могут собирать новую информацию, которую трудно получить людям [6].

Эта информация может быть использована для создания алгоритмов для дальнейшего развития технологий повышения эффективности производства аквакультуры. Например Saildrone собирал данные о хозяйствах, анализировал рыбные запасы и отслеживал состояние окружающей среды. Эти данные могут быть легко применены к аквакультуре. Беспилотные летательные аппараты в сочетании с искусственным интеллектом (ИИ) и облачными вычислениями позволят сократить расходы и улучшить работу отрасли аквакультуры в целом. По оценкам, рынок беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве и аквакультуре к 2025 году составит 5,19 миллиарда долларов США.

1.3 ИИ позволяющий принимать быстрые и точные решения

Хотя роботы, беспилотные летательные аппараты и датчики обеспечивают быстрый сбор данных в режиме реального времени, все еще очень сложно принимать правильные решения, используя собранные данные из-за их большого объема. В настоящее время несколько научно-исследовательских институтов и стартапов в области технологий аквакультуры изучают и применяют искусственный интеллект (ИИ) для принятия более эффективных и быстрых решений. Благодаря ИИ производство аквакультуры может быть быстро увеличено в течение короткого периода, поскольку это делает аквакультуру менее трудоемкой областью [7].

Искусственный интеллект может быть использован на любом этапе в производстве аквакультуры. Например контроль за кормлением, контроль качества воды, вылов и обработка гидробионтов и т.д. В аквакультуре расходом ресурсов можно управлять с помощью искусственного интеллекта, а затраты могут быть снижены до 30 %. Таким образом, ИИ обеспечивает полный контроль над системами производства рыбы с меньшими затратами на техническое обслуживание и снижением затрат. Однако ИИ все еще имеет ограничения из-за небольшого количества имеющихся данных. Количество данных становится все более важным. Поэтому рыбные фермы и крупные компании, занимающиеся аквакультурой, должны делиться друг с другом данными в области производства и маркетинга аквакультуры [8].

Только при наличии достаточных данных о производстве аквакультуры каждого вида в различных условиях культивирования и создании баз данных в общедоступных системах, исследователи и фермеры смогут использовать их для разработки улучшенных алгоритмов выращивания и принятия более взвешенных решений.

1.4 Виртуальная реальность (VR) для обучения и консультирования

Виртуальная реальность (VR) способна преобразовывать окружающую среду в цифровой интерфейс, помещая виртуальные объекты в реальном времени в реальный мир. В индустрии аквакультуры существует несколько потенциальных применений виртуальной реальности, в том числе в преподавании и образовании [9].

Например, VR применялась для стимулирования интереса молодежи Норвегии к аквакультуре. НИТУ разработал систему виртуальной реальности, которая позволяет студентам видеть реальные действия и ситуации на рыбной ферме. В Китае Даляньский океанический университет также разработал/построил платформу виртуального моделирования, которая использует виртуальную реальность, мультимедиа и взаимодействие человека с компьютером что позволяет сильно сократить затраты на обучение по сравнению с традиционными способами.

1.5 Блокчейн как надежный инструмент отслеживания

Блокчейн был введен в 2008 году Накамото в качестве механизма управления данными в системе криптовалюты Биткоин. В блокчейне данные децентрализованы, при этом ни один человек, ни одна корпорация или ни одно правительство не владеет этими данными и не контролирует их, в то время как они доступны всем. Его основные преимущества заключаются в том, что данные в цепочке, образованной блоками данных, защищены и защищены от несанкционированного доступа. Например, приложения на основе блокчейна разрабатываются и применяются для поддержки обмена данными, обработки платежей, денежных переводов, распределенных облачных систем хранения данных и защиты цифровой идентификации [10].

Индустрия аквакультуры создала и собрала огромные данные о различных компаниях и фермерах. Однако эти данные обычно не передаются в централизованную систему. С помощью технологии блокчейн цепочка поставок в отрасли аквакультуры может стать цифровой, что обеспечит полную прослеживаемость от фермы до потребителей и объединит воедино заинтересованные стороны. Технология блокчейн способна безопасно и эффективно собирать, обмениваться и анализировать огромные массивы данных из различных отраслей аквакультуры.

Эта технология может принести большую пользу отрасли аквакультуры за счет решения проблем, связанных с затратами на отслеживание пищевых продуктов, мошенничеством с продуктами питания, пищевыми отходами и болезнями, связанными с продуктами питания. Блокчейн в аквакультуре способен сократить время обработки транзакций, повысить надежность и доверие между производителями, розничными торговцами, потребителями, правительствами и органами по сертификации. Цифровая прослеживаемость является важнейшим шагом для обеспечения безопасности пищевых продуктов.

Заключение

Эти технологии также создадут возможности для бизнеса и создание новых рабочих мест, в том числе для женщин и молодежи. С другой стороны, следует отметить, что некоторые новые и прорывные технологии могут создавать препятствия для мелких рыбоводов, у которых нет финансовых ресурсов для их внедрения. Важно обеспечить эффективное управление, чтобы новые технологии использовались для улучшения, а не подрывали устойчивость аквакультуры.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Шивокене Я.С. Численность и биомасса бактерий пищеварительного тракта прудовых рыб в зависимости от особенностей их питания / Я.С.Шивокене, О.П. Трепшене // Вопросы ихтиологии. - 1995.- Т.25, вып. 5. - С.821-827.
2. Шендеров Б.А. Медицинская микробная экология и функциональное питание / Б.А. Шендеров. – М.:, 1998. -413 с.
3. Фермерская аквакультура: Рекомендации. – М.: ФГНУ "Росинформагротех", 2007. – 192 с.
4. Абросимова Н.А.Липидная добавка для корма осетровых рыб / Н.А. Абросимова, Е.Г. Белов, Е.М. Саенко и др.- А.с. N1585909 /СССР/. – 2010. – ДСП.- 9 с.
5. Антипов В.А. Эффективность и перспективы применения пробиотиков /В.А.Антипов, В.М. Субботин //Ветеринария. – 2009. - №12. – С. 12 – 16.
6. Баденко Л. В. Выращивание двухгодовика севрюги на искусственных кормах с применением антибиотиков / Л. В.Баденко, Ю. С. Велокопытин, Т.Ф. Шувалова // Науно-техн. информ. BHJfpo, 2007, N-С.56-65.
7. Баталова Т.А. Коррекция нормофлоры кишечника человека /Т.А.Баталова, Д.Н.Лазарева, Л.М. Голубева // Материалы науч. – практич. конф. – Уфа, 2013. – С. 14 -17.
8. Бергнер Х.Р. Научные основы питания сельскохозяйственных животных / Х.Р.Бергнер, Х.А. Кетц; Пер. с нем. М.: Колос, 2013.- 597 с.
9. Берман Ш. А. Исследования о роли антибиотиков в кормлении карпа / Ш. А.Берман.- Известия АН Латв. ССР, 2016, N- С.151-154.
10. Бондаренко Л.Г. Стартовый комбикорм для рыб / Л.Г.Бондаренко, И.А.Бурцев, Т.А.Орлова.- А.с. N 1084005 /СССР/.- 2017.
11. Butler N. The transition from fossil fuels /N. Butler // Sustainable Energy, Cambridge Energy Forum.2019.
12. Day J.G. In vitro Culture and Conservation of Microalgae: Applications for Aquaculture, Biotechnology and Environmental Research /John G Day, Erica E, Benson, Roland A, Fleck // In Vitro Cellular & Developmental Biology Plant, 35(2): 127-136.
13. Olaizola M. Commercial development of microalgal biotechnology: from the test tube to the marketplace /M. Olaizola // Biomolecular Engineering, 2019. 20: 459-466.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Shivokene Ya. S. Chislennost' i biomassa bakterijj pishhevaritel'nogo trakta prudovykh ryb v zavisimosti  ot  osobennostejj ikh pitanija [The number and biomass of bacteria in the digestive tract of pond fish, depending on the characteristics of their nutrition] / Ya. S. Shivokene, O. P. Trepshene // Voprosy ikhtiologii [Issues of ichthyology].  - 1995. - Vol. 25, issue 5. - pp. 821-827 [in Russian]
2. Shenderov B. A. Medicinskaja mikrobnaja ehkologija i funkcional'noe pitanie [Medical microbial ecology and functional nutrition] / B. A. Shenderov. - M.: 1998. -413 p. [in Russian]
3. Fermerskaja akvakul'tura: Rekomendacii [Farm aquaculture: Recommendations]. - M.: FGNU "Rosinformagrotekh", 2007. - 192 p. [in Russian]
4. Abrosimova N. A. Lipidnaja dobavka dlja korma osetrovykh ryb [Lipid additive for sturgeon fish feed] / A. Abrosimova, E. G. Belov, E. m. Saenko, et al. - A. S. N1585909 /USSR/. - 2010 – chipboard.- 9 p. [in Russian]
5. Antipov V. A. Ehffektivnost' i perspektivy primenenija probiotikov [The effectiveness and prospects of the use of probiotics] / V. A. Antipov, V. M. Subbotin // Veterinarija [Veterinary medicine]. - 2009. - No. 12. - pp. 12-16. [in Russian]
6. Badenko L. V. Vyrashhivanie dvukhgodovika sevrjugi na iskusstvennykh kormakh s primeneniem antibiotikov [Growing a two-year-old sevryuga on artificial feeds with the use of antibiotics] / L. V. Badenko, Yu. S. Velokopytin, T. F. Shuvalova - 2007, N11. - pp. 56-65 [in Russian]
7. Batalova T. A. Korrekcija normoflory kishechnika cheloveka [Correction of the normoflora of the human intestine] / A. Batalova // Materialy nauch. – praktich. konf. [Proceedings of the scientific and practical conference] - Ufa, 2013. - pp. 14 -17 [in Russian]
8. Bergner H. R. Nauchnye osnovy pitanija sel'skokhozjajjstvennykh zhivotnykh [Scientific bases of nutrition of farm animals] / H. R. Bergner, H. A. Ketz / Translation from German. Moscow: Kolos, 2013. - 597 p. [in Russian]
9. Berman Sh. A. Issledovanija o roli antibiotikov v kormlenii karpa [Research on the role of antibiotics in carp feeding].- Izvestia AN Latv. SSR, 2016, N3. - pp. 151-154. [in Russian]
10. Bondarenko L. G. Startovyjj kombikorm dlja ryb. [Starting compound feed for fish] / L. G. Bondarenko, I. A. Burtsev, T. A. Orlova. - A. S. N 1084005 /USSR/.- 2017 [in Russian]
11. Butler N. The transition from fossil fuels /N. Butler // Sustainable Energy, Cambridge Energy Forum.2019.
12. Day J.G.In vitro Culture and Conservation of Microalgae: Applications for Aquaculture, Biotechnology and Environmental Research /John G Day, Erica E, Benson, Roland A, Fleck // In Vitro Cellular & Developmental Biology Plant, 35(2): 127-136.
13. Olaizola M. Commercial development of microalgal biotechnology: from the test tube to the marketplace /M. Olaizola // Biomolecular Engineering, 2019. 20: 459-466.