Система для культивирования гидробионтов

System for cultivation of hydrodbionts

 

Беляев Б.Н.

Boris N. Belyaev

 

Институт морских биологических исследований им. А.О. Ковалевского (Севастополь, Россия)

 

УДК 582.273:574.5

 

Описана работа системы культиваторов «микроводоросли – моллюски – макрофиты», воплотившая многолетний опыт создания технических устройств и разработок способов культивирования гидробионтов. Она состоит из блока вертикально ориентированных плоских культиваторов микроводорослей и двух блоков цилиндрической формы, которые могут быть использованы для культивирования макрофитов, инкубации донной и пелагической икры, подращивания моллюсков, личинок и мальков рыб. Последовательность их работы задаёт блок АСУ, регулирующий слив, налив, обогащение среды элементами минерального питания и удаление отходов.

Ключевые слова: культивирование; макрофиты; моллюски; инкубация икры; мальки рыб; питательная среда; АСУ. 

 

Введение

Представляемая разработка была выполнена в рамках темы «Теоретико-экспериментальные исследования механизмов функционирования морских (и галофильных) фототрофных систем на клеточном и популяционном уровне» для изучения процессов биоконверсии питательной среды и влияния экзометаболитов моллюсков на ростовые и биохимические показатели макрофитов в системе «микроводоросли – моллюски – макрофиты» при контролируемых условиях.

В качестве ориентира были взяты работы по оптимизации роста объектов марикультуры с целью увеличения продуктивности за счёт выращивания их в поликультуре, в которых рассмотрены различные варианты комбинаций гидробионтов и их взаимодействий. Например, в бикультуре мидии и беломорской ламинарии сахаристой, выращиваемых в одном технологическом цикле, объекты могут помещаться либо в одном садке, либо попеременно на вертикальных поводцах: водоросли для мидии являются поставщиком кислорода, а те, в свою очередь, – поставщиком органики (Макаров, 1987). В бикультуре морского ежа и ламинарии водоросли используются ещё и в качестве корма (Крупнова, Павлючков, 2005).

Более сложные трофические отношения предусматривает выращивание моллюсков в садках в поликультуре с водорослями и ракообразными (Масленников, Кашин, 2000). Метаболиты моллюсков стимулируют развитие организмов мейофауны, которые являются естественной пищей для личинок и молоди ракообразных. Дополнительное размещение на установке поводцов с водорослями и совместное выращивание позволяет улучшить условия существования для всех культивируемых организмов. Водоросли поглощают выделяемые моллюсками и ракообразными метаболиты, осветляют воду и выделяют необходимый для дыхания гидробионтов кислород. При этом совместное выращивание с водорослями позволяет снизить общую себестоимость конечной продукции.

Однако организмы-обрастатели, поселяясь на внешней и внутренней поверхности садка, затеняют его и снижают водообмен внутри садка, что приводит к невозможности выращивания водорослей, которые могут представлять особую ценность в поликультуре. Последнее обстоятельство возвращает нас к бикультуре «моллюски – водоросли» с открытыми вертикально расположенными поводцами, в которой процесс обмена кислородом и метаболитами между объектами – величина случайная, зависящая от внешних факторов: температуры, освещенности и подвижности водной среды.

Такой неопределённости лишена аквакультура в системах инженерного типа, базирующихся на берегу. В пользу этого направления говорит тот факт, что продуценты – начальное звено в трофической цепи аквакультуры – в любом случае культивируются только на берегу. Может возникнуть вопрос о стоимости, поскольку, в отличие от береговых систем, питание гидробионтов на плантациях бесплатное. Но оборудование, постановка и само обслуживание плантаций – дело довольно трудоёмкое и недешевое. Целенаправленное же культивирование в поликультуре на берегу такого, например, объекта, как гелидиум (источник R-фикоэритрина), может оправдать затраты на береговые сооружения по причине высокой стоимости последнего – от 3250 до 14000 $ (182130–784560 рублей) за 1 грамм очищенного продукта (Минюк, 2008).

В ФГБУН ИМБИ им. А.О.Ковалевского на протяжении ряда лет совершенствовали устройства и технологии культивирования черноморского гелидиума с целью увеличения выхода R-фикоэритрина. Последняя из разработанных технологий позволяет получать 87–105 г сырой массы в сутки с 1 м2 культиватора глубиной до 50 см. При минимальном количестве АСВ (абсолютно сухого вещества) около 36% и содержании в нём на 1 г до 12 мг фикоэритрина она обеспечивает урожай 1130–1460 кг чистого R-фикоэритрина с одного гектара зеркальной поверхности культиваторов в год (при непрерывной их работе в течение 300 дней в году) за счёт того, что выход фикоэритрина с единицы площади культиваторов  увеличивается в 2,5 раза по сравнению с разработанным ранее способом (Беляев, 2011). Новая технология оформлена в виде заявки в Роспатент № 2017139062 от 09.11.2017 г.

Факт положительного влияния метаболитов моллюска Anadara kagoshimensis на содержание R-фикоэритрина в талломах культивируемого гелидиума (Бородина и др., 2014) послужил толчком к проектированию системы для культивирования гидробионтов в условиях поликультуры «микроводоросли – моллюски – макрофиты», позволяющей оптимизировать выход конечной продукции – макрофитов с заданными свойствами. На установку был выдан патент РФ № 164006 (Беляев, 2016).

 

Конструкция системы

Система состоит из четырёх блоков: блока культиваторов микроводорослей (КМВ), двух блоков для культивирования гидробионтов – рабочих объёмов (РО) и блока автоматической системы управления (АСУ) с исполнительными механизмами. Рабочие объёмы второго и третьего блоков системы аналогичны и являются модернизацией рабочих объёмов установки по авторскому свидетельству СССР № SU 1130300 A (Беляев, Владимирцев, 1984). Они могут быть использованы для инкубации пелагической и донной икры, отложенной на субстрат, подращивания моллюсков и мальков морских рыб, культивирования макрофитов и располагаются на втором и первом (нижнем) ярусах многосекционной стойки с горизонтальными раздаточными валами, передающими крутящий момент от электродвигателей. Продукцию блока КМВ (третий ярус) используют в качестве корма для моллюсков или мальков рыб на ранних стадиях развития, культивируемых в РО второго яруса. Первый ярус отводится для РО с макрофитами. АСУ управляет циклами слива, долива и перелива культуральной среды из блока в блок и работой механических узлов.

 

УСТАНОВКА ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ГИДРОБИОНТОВ
Патент № 16 40 06 Гос. реестр полезных моделей

Рис.1. Блок культивирования гидробионтов (рабочий объём) в разрезе

 

Рабочие объемы цилиндрической формы 1 (рис. 2) снабжены донными прямолинейными уголковыми скребками – грязесборниками 2 с технологическими отверстиями 3 в периферийной части горизонтальных заслонок 4. На рис. 3 показано, как скребок сочленен с наконечником квадратного сечения 5 вертикального вала 6 с фланцами 7 и 8 (рис. 1), пяткой 9, фиксирующей нижний конец вала по центру объёма благодаря углублению в его дне. Верхний конец вала 6 фиксируется по центру цилиндра трехлучевой рамой 10 (рис. 1), закрепляемой на цилиндре фиксаторами 11 и позволяющей крепить на ней светильники (на схеме не показаны). Прижатие скребка ко дну осуществляется с помощью шайбы – гровера 12 (рис. 3) и пружины 13. Вращающий момент на вал 6 воспринимается конической шестернёй 14 от одного из горизонтальных раздаточных валов (на схеме не указан) секционной стойки, приводимых во вращение общим двигателем, или от индивидуального электродвигателя.

Для предотвращения попадания гидробионтов под воздействие скребка рабочие объёмы оборудуют горизонтальными сетками 15, натянутыми между двумя кольцами 16 и 17, с возможностью фиксирования их по высоте закреплением держателей 18 на стенках цилиндра (рис. 1, 2). Для сбора и удаления осадков в дне имеется радиальный желоб 19, сообщающийся трубопроводом 20 со сливным патрубком 21 через нормально замкнутый (НЗ) электромагнитный клапан 22, а для слива гидробионтов вместе с культуральной средой – канал 23 с заслонкой 24 (рис. 1, 2). Для регулирования газового режима объёмы оснащают воздухопроводом 25 с кольцевым распылителем 26, а для регулирования процесса слива и долива культуральной среды – датчиками верхнего уровня (ДВУ) 27 и нижнего (ДНУ) 28 (рис. 1), а также микроконтактом 29, фиксирующим положение отверстия 3 над желобом 19 (рис. 2).

УСТАНОВКА ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ГИДРОБИОНТОВ
Патент № 16 40 06 Гос. реестр полезных моделей

Рис.2. Вид сверху на блок культивирования гидробионтов

Рис.3. Фрагмент разреза на рис. 1

Рис.4. Сечение А–А на рис. 2

 

Работа системы в упрощенном варианте

Для инкубирования донной или пелагической икры, например камбалы-калкана, выдвигают рабочие объемы 1 из секции с помощью поворотных кронштейнов, проворачивают валы 6 против часовой стрелки так, чтобы разомкнулись  микроконтакты 29, из резервуара (рис. 5) заполняют объёмы чистой профильтрованной морской водой до верхнего уровня, который ограничивают положением ДВУ 27, загружают оплодотворенную икру, предварительно установив сетки 15 с ячеей соответствующего размера, и возвращают объёмы в секцию, при этом конические шестерни 14 входят в зацепление с шестернями раздаточного вала, и скребки 2 начинают оборот против часовой стрелки. Подачей воздуха так регулируют интенсивность перемешивания объёма воды (на рис. 1 показано стрелками), чтобы жизнеспособные икринки оставались в толще объёма,  а поврежденные опускались на дно сквозь сетку 15.

Рис. 5. Блок-схема АСУ

 

При завершении оборота в положении, когда отверстие 3 в заслонке 4 оказывается над желобом 19, скребок замыкает микроконтакт 29, и с выхода одновибратора ОВ-1 напряжение через схему антисовпадений СА-1 поступает на обмотку нормально замкнутого клапана 22-1 и начинается слив из ёмкости РО-1, а с выхода одновибратора ОВ-Д через схему антисовпадений СА-Д – на обмотку нормально замкнутого  электромеханического пускателя электродвигателя «П», что приводит к остановке вращения валов на время длительности импульса с выхода одновибратора ОВ-Д. (рис. 6). Водой из придонного слоя происходит смыв попавших в желоб 19 осадков в течение действия выходного импульса одновибратора ОВ-1.

При осушении контакта ДНУ 28-1 формируется сигнал, который через схему антисовпадений СА-1 прерывает подачу напряжения на обмотку НЗ ЭМ клапана 22-1, приводя его в закрытое состояние, и запускает (показано пунктиром на рис. 5) одновибратор ОВ-Р, подающий через схему антисовпадений СА-Р напряжение на нормально замкнутый клапан 22-Р резервуара чистой воды, из которого происходит наполнение рабочего объема РО-1 до контакта ДВУ 27-1. При этом формируется сигнал, поступающий на вход схем антисовпадений СА-Р, приводящий НЗ ЭМ клапан 22-Р в исходное состояние, и на вход СА-Д, в результате чего НЗ пускатель «П» приходит в исходное состояние и начинается новый оборот скребка рабочего объёма.

Рис. 6. Временная диаграмма сигналов АСУ

 

Работа системы «микроводоросли – моллюски – макрофиты»

В качестве начального звена такой системы используют культиваторы микроводорослей, включенные в общую автоматизированную систему слива и долива культуральной среды. Под культивирование макрофитов отводят рабочие объёмы, располагаемые на нижнем (первом) ярусе системы, которые оборудуют датчиками верхнего и нижнего уровней и светильниками, закрепляемыми на рамах 10, для подращивания моллюсков – рабочие объёмы второго яруса, а культиваторы микроводорослей со светотехникой располагают на третьем ярусе. Объёмы второго и третьего ярусов оборудуют только датчиками верхнего уровня.

При замыкании микроконтакта 29 рабочего объёма нижнего яруса РО-1 сигнал одновременно поступает на одновибраторы ОВ-1 и ОВ-Д, выходные напряжения которых через схемы антисовпадений СА-1 и СА-Д открывают НЗ клапан 22-1 и останавливают электродвигатель ЭД, прекращая вращение валов 6. Длительность импульса ОВ-1 устанавливают так, чтобы культуральная жидкость, очищенная макрофитами, из РО-1 гарантированно слилась до уровня ДНУ 28-1 (в спецёмкость или на рельеф), а длительность импульса ОВ-Д – таким образом, чтобы успел завершиться процесс «слива – долива» всех трех звеньев системы.

При осушении контакта ДНУ 28-1 импульс с его выхода, воздействуя на СА-1, закрывает НЗ клапан 22-1 и запускает ОВ-2, напряжение которого через схему антисовпадений СА-2 открывает НЗ клапан 22-2, и культуральная среда из РО-2 сливается в РО-1, при наполнении которого сигнал ДВУ 27-1 поступает на второй вход СА-2, в результате чего НЗ клапан 22-2 приходит в исходное состояние, и на вход ОВ-3, сигнал которого через схему антисовпадений СА-3 открывает НЗ клапан 22-3.

При открытом клапане 22-3 суспензия микроводорослей из культиватора КМВ будет сливаться в РО-2 до тех пор, пока не достигнет контакта ДВУ 27-2, с выхода которого импульс посредством СА-3 перекроет клапан 22-3 и запустит ОВ-Р, напряжение которого через схему антисовпадений СА-Р открывает НЗ клапан резервуара с водой, которой будет наполняться ёмкость КМВ. При её заполнении ДВУ 27-3 сформирует сигнал, который посредством СА-Р перекроет НЗ клапан 22-Р, запустит дозаторы растворов микроэлементов Доз. 3 и Доз. 1 для подкормки микроводорослей и макрофитов, а также посредством СА-Д запустит электродвигатель установки, дав старт очередному обороту скребков в рабочих объёмах.

 

Результаты

Предложенная система – это результат как совершенствования технических устройств (Беляев, Владимирцев, 1984; Беляев. 2001, 2016), так и способов культивирования гидробионтов (Чепурнов и др., 1981; Калугина-Гутник, 1991; Беляев, 2011). Конструкция рабочего объёма установки позволяет, не прерывая процесса, инкубировать икру и подращивать личинок камбалы-калкана до стадии метаморфоза, когда мальки начинают опускаться на дно (в данном случае на сетку); инкубировать донную икру, отложенную на субстрат, и подращивать мальков бычка-кругляка; подращивать моллюсков и как прикрепляемые, так и неприкрепляемые макрофиты. Кроме того, конструкция рабочего объёма позволяет использовать его в качестве среднего и конечного звеньев в многоцелевой полузамкнутой системе «микроводоросли – моллюски – макрофиты», где микроводоросли используют в качестве корма для моллюсков или мальков рыб, а их органические выделения – для подкормки макрофитов.

Разработанная система автоматического управления процессом обеспечивает его циклическую непрерывность, включающую кратковременные остановки на время удаления осадков и перезарядки блоков (слива и долива питательной среды), а также более длительные остановки в ручном режиме на время перезагрузки рабочих объёмов, например при удвоении биомассы гидробионтов.

 

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ИМБИ по теме «Исследование механизмов управления продукционными процессами в биотехнологических комплексах с целью разработки научных основ получения биологически активных веществ и технических продкутов морского генезиса» в соответствии с Государственным заданием № 007-00080-18-00 на 2018 год. Тема № 0828-2018-0004, номер госрегистрации АААА-А 18 – 118021 350003-Б.

 

Список литературы

  1. Беляев Б.Н. Техническое обеспечение культивирования макрофитов. // Рыб. хоз. Украины. 2001. №5. С. 21–24.
  2. Беляев Б.Н. Способ культивирования черноморской водоросли Gelidium latifolium (Grev.) Born. et Thur.(Rhodophyta) // Пат. UA № 96379 С2 / МПК A01G 33/00 / ИнБЮМ НАН Украины / Опубл. 25.10.2011. Бюл. №20.
  3. Беляев Б.Н. Установка для культивирования гидробионтов // Пат. RU № 164006 U1, МПК А01К 61/00/ ФГБУН ИМБИ им. А.О.Ковалевского РАН / Опубл. 20.08.2016. Бюл. №23.
  4. Беляев Б.Н., Владимирцев И.Б. Установка для инкубации икры и выдерживания личинок рыб // А.С. 1130300 СССР: МКИ4 А01К 61/00 / ИнБЮМ АН УССР. Опубл. 23.12.1984. Бюлл. №47.
  5. Бородина А.В., Береговая Н.М., Беляев Б.Н. Влияние экзометаболитов моллюсков Anadara kagoshimensis (Tokunaga, 1906) на макрофиты Gelidium sp // Intern. scientific conf. «Science, technology and life – 2014» ( Czech Republic, Karlovy Vary, 27–28 dec. 2014). – Karlovy Vary, 2014. – P. 66–71.
  6. КалугинаГутник А.А., Миронова Н.В., Беляев Б.Н., Пархоменко А.В., Сысоев В.В. Способ культивирования черноморской красной водоросли Gracilaria verrucosa (Huds.) Papenf. // А.С. № 1634708 СССР: МКИ5 C12 N1/12, A01G33/00 / ИнБЮМ АН УССР / Опубл. 15.03.1991. Бюл. №10.
  7. Крупнова Т.Н., Павлючков В.А. Способ совместного промышленного культивирования морского ежа и ламинарии // Пат. РФ RU № 2254713 С1/ А01К 61/00/ ФГУП ТНИРХЦ/ Опубл. 27.06.2005. Бюл. №18.
  8. Макаров В.Н. Рост беломорской ламинарии сахаристой в условиях бикультуры – ламинария–мидия // Промысловые водоросли и их использование. – М.: ВНИРО, 1987. С. 10–15.
  9. Масленников С.И., Кашин И.А. Способ выращивания гидробионтов в поликультуре // Пат. РФ № 2149541, МПК7 А01К 61/00/ ИБ ДВО РАН/ Опубл. 27.05.2000. Бюл. №15 (ч.2).
  10. Минюк Г.С., Дробецкая И.В., Чубчикова И.Н., Терентьева Н.В. Одноклеточные водоросли как возобновляемый биологический ресурс: обзор // Морской экологический журнал. 2008. №2. С. 5–23.
  11. Чепурнов А.В, Битюкова Ю.Е., Ткаченко Н.К., Беляев Б.Н. Способ искусственного разведения черноморской камбалы-калкана // А.С. № 847961 СССР: МКИ3 А01К 61/00 / ИнБЮМ АН УССР. Опубл. 23.07.1981. Бюлл. №27.

Статья поступила в редакцию 20.04.2018

 

 

System for cultivation of hydrodbionts

Boris N. Belyaev

A.O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research RAS (Sevastopol, Russia)

The work of the system of cultivators «microalgae – mollusks – macrophytes», embodied many years of experience in the creation of technical devices and the development of methods of cultivation of hydrobionts, is described. The sequence of work of vertically oriented flat cultivators of microalgae and two blocks of cylindrical shape, which can be used for the cultivation of macrophytes, as well as incubation of bottom and pelagic caviar, growing mollusks, larvae and fish fry, sets the ACS, regulating draining, pouring, enrichment of the environment with elements of mineral nutrition and waste disposal.

Keywords: cultivation; macrophytes; mollusks; incubation of caviar; fish fry; nutrient medium; ACS.

 

 

Об авторе

Беляев Борис Николаевич - Belyaev Boris N.

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, Институт морских биологических исследований им. А.О.Ковалевского РАН  (ФГБУН ИМБИ), Севастополь, Россия (A.O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research RAS – IMBR RAS, Russia, Sevastopol), Отдел биотехнологий и фиторесурсов

belyaevbob@yandex.ru

Корреспондентский адрес: Россия, 299011, Севастополь, пр. Нахимова, 2, ФГБУН ИМБИ; тел. (8692)-55-07-95.

 

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Беляев Б.Н. Система для культивирования гидробионтов // Вопросы современной альгологии. 2018. № 2 (17). URL: http://algology.ru/1349

 

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

  

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

 

 

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

  

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

 








ГЛАВНАЯ

НОВОСТИ

О ЖУРНАЛЕ

АВТОРАМ

17 номеров журнала

ENGLISH SUMMARY

ОБЗОРЫ И СТАТЬИ

ТЕМАТИЧЕСКИЕ РАЗДЕЛЫ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ


АКВАРИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
И  ИХ  СОДЕРЖАНИЕ


КОНФЕРЕНЦИИ

АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЙ СЕМИНАР

СТУДЕНЧЕСКИЕ РАБОТЫ

АВТОРЕФЕРАТЫ

РЕЦЕНЗИИ


ПРИЛОЖЕНИЕ к журналу:


ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОПРЕДЕЛИТЕЛИ И МОНОГРАФИИ

ОТЕЧЕСТВЕННАЯ АЛЬГОЛОГИЯ
СЕГОДНЯ


ИСТОРИЯ АЛЬГОЛОГИИ

КЛАССИКА
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ АЛЬГОЛОГИИ


ПУБЛИКАЦИИ ПРОШЛЫХ ЛЕТ

ВЕДУЩИЕ АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЕ
ЦЕНТРЫ


СЕКЦИЯ  АЛЬГОЛОГИИ  МОИП

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ РАЗДЕЛ

СЛОВАРИ И ТЕРМИНЫ



НАШИ ПАРТНЕРЫ


ПРЕМИИ

КОНТАКТЫ

Новые публикации



Карта сайта






Рассылки Subscribe.Ru
Журнал "Вопросы современной альгологии"
Подписаться письмом


Облако тегов:
микроводоросли    макроводоросли    пресноводные    морские    симбиотические_водоросли    почвенные    Desmidiales(отд.Сharophyta)    Chlorophyta    Rhodophyta    Conjugatophyceae(Zygnematophyceae)    Phaeophyceae    Диатомеи     Dinophyta    Prymnesiophyta_(Haptophyta)    Cyanophyta    Charophyceae    бентос    планктон    перифитон    кокколитофориды    Экология    Систематика    Флора_и_География    Культивирование    Химический_состав    Минеральное_питание    Ультраструктура    Загрязнение    Биоиндикация    Размножение    Морфогенез    Морфология_и_Морфометрия    Физиология    Морские_травы    Использование    ОПРЕДЕЛИТЕЛИ    Фотосинтез    Фитоценология    Черное_море    Белое_море    Баренцево_море    Карское_море    Дальний_Восток    Азовское_море    Каспийское_море    Чукотское_море    КОНФЕРЕНЦИИ    ПЕРСОНАЛИИ    ИСТОРИЯ    РЕЦЕНЗИЯ    Биотехнология    Динамические_модели    Экстремальные_экосистемы    Ископаемые_водоросли    Сезонные_изменения    Биоразнообразие    Аральское_море    первичная_продукция    Байкал    молекулярно-генетический_анализ    

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147