Обзорная статья
УДК 639.3.05
DOI: https://doi.org/10.48612/dalrybvtuz/2024-67-09
EDN: DBGKIX
Использование биофлок-технологии при подращивании гидробионтов на базе установок замкнутого водоснабжения: возможности применения технологии в условиях Дальнего Востока России
Сергей Александрович Низяев
Сахалинский государственный университет, Южно-Сахалинск, Россия;
кандидат биологических наук, ведущий инженер лаборатории химико-биологических исследований, SPIN-код: 8837-2677, AuthorID: 395356, ResearcherID: AAX-8701-2021, http://orcid.org/0000-0001-7426-1535
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Елена Максимовна Латковская
Сахалинский государственный университет, Южно-Сахалинск, Россия;
кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии, биологии и природных ресурсов, зав. лабораторией химико-биологических исследований, SPIN-код: 9855-3629, AuthorID: 152625, Scopus Author ID: 26027600100, ResearcherID: AAX-1484-2021, http://orcid.org/0000-0002-1198-0038
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Юрий Андреевич Ревин
Ассоциация социальных предпринимателей Сахалинской области, Южно-Сахалинск, Россия;
координатор проектов по марикультуре, Ассоциация социальных предпринимателей Сахалинской области
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Аннотация. В статье проведен анализ преимуществ и недостатков аквакультурных систем, использующих микроорганизмы разной трофической принадлежности для контроля качества воды при содержании морских гидробионтов в замкнутом цикле. Обсуждаются элементы азотного и углеродного обмена в замкнутом цикле, особенности и потребности в ресурсах, необходимых для достижения и стабильности гидрохимических параметров, приемлемых для подращивания гидробионтов. Особое место отводится рассмотрению технологии биофлок (BioFloc Technology – BFT), которая на Дальнем Востоке России пока не используется. Системы BioFloc существенным образом отличаются от традиционных систем кормления гидробионтов и контроля гидрохимических параметров в УЗВ и представляют собой технологический прорыв в аквакультуре. Выявленные ограничения и недостатки использования биофлоков в индустриальной аквакультуре для северных районов заключаются в повышении энергопотребления для активной аэрации, увеличение эмиссии СО2, ограниченном перечне бореальных видов, дополнительном контроле видового состава микроорганизмов. Тем не менее представляется, что для субарктических регионов Дальнего Востока использование биофлоков в индустриальной аквакультуре имеет ряд неоспоримых преимущества, значительно снижая капитальные и эксплуатационные расходы на содержание морских гидробионтов при их правильном выборе для культивирования, а также нагрузку на окружающую среду.
Ключевые слова: индустриальная аквакультура, УЗВ, биотехнология, биофлок, биобезопасность
Благодарности: Работа выполнена в рамках проекта «Приоритеты 2030 ФГБОУ ВО «Сахалинский государственный университет».
Список источников
1. The state of world fisheries and aquaculture 2022: Report. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), Towards Blue Transformation, Rome, 2022. URL: https://www.fao.org/3/cc0461ru/online/sofia/2022/capture-fisheries-production.html (accessed: 20.01.2023).
2. Enyindah C., Etuk M., Anwuri P.A. The role of technology on aquaculture // Academia Letters. 2021. No. 2304. https://doi.org/10.20935/AL2304.
3. Ceccaldi H.J. Some possible ways forward development of aquaculture // Journal of Marine Biology and Aquaculture (JMBAC). 2016. Vol. 4(6). P. 1‒12. DOI: 10.15406/jamb.2016.04.00104.
4. Frankic A.M., Hershner C. Sustainable aquaculture: developing the promise of aquaculture // Aquaculture International. 2003. Vol. 11. P. 517–530.
5. Browdy C.L., Bratvold D., Stokes A.D., Mcintosh R.P. Perspectives on the application of closed shrimp culture systems // Jory E.D., Browdy C.L. (eds) The new wave, proceedings of the special session on sustainable shrimp culture. Baton Rouge, USA: The World Aquaculture Society, 2001. P. 20–34.
6. De Schryver P., Crab R., Defoirdt T., Boon N., Verstraete W. The basics of bio-flocs technology: the added value for aquaculture // Aquaculture. 2008. Vol. 277. P. 125–137.
7. Bender J., Lee R., Sheppard M., Brinkley K., Philips P., Yeboah Y., Wah R.C. A waste effluent treatment system based on microbial mats for black sea bass Centropristis striata recycled water mariculture // Aquacultural Engineering. 2004. No. 31. P. 73–82.
8. Pinho S., Leal M.M., Shaw C., Baganz D., Baganz G., Staaks G. et al. Insect-based fish feed in decoupled aquaponic systems: Effect on lettuce production and resource use // PLoS ONE. 2024. Vol. 19(1). e0295811. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0295811.
9. Черданцев В.П. Экономическая целесообразность использования насекомых на корма при разведении объектов аквакультуры // Московский экономический журнал. 2023. Т. 8, № 3. DOI: 10.55186/2413046X_2023_8_3_108.
10. Daniel N. A review on replacing fish meal in aqua feeds using plant protein sources // International Journal of Fisheries and Aquatic Studies. 2018. Vol. 6(2). P. 164–179. URL: https://www.fisheriesjournal.com/archives/2018/vol6issue2/PartC/6-1-35-823.pdf (accessed: 22.12.2023).
11. Кучихин Ю.А. Перспектива и возможности применения белого люпина (lupinus albus) в кормах аквакультуры для донных видов рыб // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК – продукты здорового питания. 2022. № 4. С. 225–230. DOI: 10.24412/2311-6447-2022-4-225-230.
12. Hoang M.N., Nguyen P.N., Bossier P. Water quality, animal performance, nutrient budgets and microbial community in the biofloc-based polyculture system of white shrimp, Litopenaeus vannamei and gray mullet, Mugil cephalus // Aquaculture. 2020. Vol. 515. 734610.
13. Bouwmeester M.M., Goedknegt M.A., Poulin R., Thieltges D.W. Collateral diseases: Aquaculture impacts on wildlife infections // Journal of Applied Ecology. 2020. Vol. 58(3). P. 453–464. https://doi.org/10.1111/1365-2664.13775.
14. Ahmed N., Thompson S., Glaser M. Global aquaculture productivity, environmental sustainability, and climate change adaptability // Journal of Environmental Management. 2019. Vol. 63. P. 159–172.
15. Emerenciano M., Cuzon G., Goguenheim J., Gaxiola G. Floc contribution on spawning performance of blue shrimp Litopenaeus stylirostris // Aquaculture Research. Vol. 44(1). P. 75–85. DOI: 10.1111/j.1365-2109.2011.03012.x.
16. Avnimelech Y. Biofloc Technology – A practical guide book. Baton Rouge: The World Aquaculture Society, 2009. 182 p.
17. Seymour J.R., Amin S.A., Raina J.B., Stocker R. Zooming in on the phycosphere: the ecological interface for phytoplankton-bacteria relationships // Nature Microbiology. 2017. Vol. 2, No. 17065. doi: 10.1038/nmicrobiol.2017.65.
18. Semwal A., Kumar A., Upreti U., Pathak Y. Biofloc technology: An emerging avenue in aquaculture // Agri-India Today. 2021. Vol. 1(4). P. 19–23. URL: https://www.researchgate.net/publication/354380499_biofloc_technology_an_emerging_avenue_in_aquaculture (accessed: 10.01.2023).
19. Kim J.H., Sohn S., Kim, S.K., Kim S.R., Kim S.K., Kim S.M., Kim N.Y., Hur Y.B. Effects on the survival rates, hematological parameters, and neurotransmitters in olive flounders, Paralichthys olivaceus, reared in bio-floc and seawater by Streptococcus iniae challenge // Fish Shellfish Immunology. 2021. Vol. 113. P. 79–85.
20. Григорьева Н.И., Журавель Е.В., Мазур А.А. Сезонные изменения качества воды в заливе Восток (залив Петра Великого, Японское море) // Водные ресурсы. 2020. Т. 47, № 2. С. 162–169. DOI: 10.31857/S0321059620020066; EDN: GUQNRI.
21. Коренева Т.Г., Латковская Е.М., Частиков В.Н. Сезонная динамика гидролого-гидрохимических характеристик и концентрации хлорофилла a в зал. Анива в 2003 г. // Вода: химия и экология. 2014. № 4(70). С. 33–45. EDN: SCKVRV.
22. Hargreaves J.A. Nitrogen biogeochemistry of aquaculture ponds // Aquaculture. 1998. Vol. 166, No. 3–4. P. 181–212.
23. Folke C., Kautsky N. The role of ecosystems for a sustainable development of aquaculture // Ambio. 1989. No. 18. P. 234–243.
24. Yogev U., Sowers K.R., Mozes N., Gross A. N and carbon balance in a novel near-zero water exchange saline recirculating aquaculture system // Aquaculture. 2017. Vol. 467. P. 118–126.
25. Avnimelech Y. Carbon/nitrogen ratio as a control element in aquaculture systems // Aquaculture. 1999. Vol. 176, No. 3–4. P. 227–235.
26. Semwal A., Kumar A., Upreti U., Pathak Y. Recirculatory Aquaculture System (RAS) // Agri-India Today. 2021. Vol. 1(5), 0521. URL: https://www.researchgate.net/publication/354380932_recirculatory_aquaculture_system_ras?_tp=eyjjb250zxh0ijp7imzpcnn0ugfnzsi6inbyb2zpbguilcjwywdlijoichjvzmlszsj9fq (accessed: 10.01.2023).
27. Hargreaves J.A. Biofloc production systems for aquaculture // Southern Regional Aquaculture Center (SRAC) Publication. 2013. No. 4503. 11 p.
28. Ebeling J.M., Timmons M.B., Bisogni J.J. Engineering analysis of the stoichiometry of photoautotrophic, autotrophic, and heterotrophic removal of ammonia–nitrogen in aquaculture systems // Aquaculture. 2006. Vol. 257, No. 1–4. P. 346–358. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2006.03.019.
29. Li L., Tan L., Yang W., Xu X., Shen Y., Li J. Conjoint applications of meta-analysis and bioinformatic data toward understanding the effect of nitrate on fish // Science of the Total Environment. 2021. Vol. 794, 148645. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.148645; https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721037177?via%3Dihub (accessed: 10.01.2023).
30. Koltai T., Hancz C., Magyary I., Horn P. () Studies on the effect of nitrate selective resin on the water quality and growth rate of common carp (Cyprinus carpio L.) reared in recirculating system // Acta Agraria Kaposváriensis. 2002. Vol. 6(2). P. 277–283.
31. Monsees H., Klatt L., Kloas W., Wuertz S. Chronic exposure to nitrate significantly reduces growth and affects the health status of juvenile Nile tilapia (Oreochromis niloticus L.) in recirculating aquaculture systems // Aquaculture Research. 2016. Vol. 48(7). P. 3482–3492.
32. Timmons M.B., Ebeling J.M., Wheaton F.W., Summerfelt S.T., Vinci B.J. Recirculating Aquaculture Systems. 2nd ed. New York: Cayuga Aqua Ventures, 2002. 769 p.
33. McCarthy J.J. The kinetics of nutrient utilization // Physiological bases of phytoplankton ecology // Bulletin – Fisheries Research Board of Canada. 1981. Vol. 210. P. 211–233.
34. Cheng P., Shan S., Zhu Z., Liu K., Namsaraev Z., Dubovskiy I., Xu Q. The role of microalgae culture modes in aquaculture: a brief opinion // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2023. Vol. 11, 1196948. DOI: 10.3389/fbioe.2023.1196948.
35. Sicuro B. World aquaculture diversity: Origins and perspectives // Reviews in Aquaculture. 2021. Vol. 133. P. 1619–1634. DOI: 10.1111/raq.12537.
36. Pribyl P., Cepak V. Screening for heterotrophy in microalgae of various taxonomic positions and potential of mixotrophy for production of high-value compounds // Journal of Applied Phycology. 2019. Vol. 313. P. 1555–1564. https://doi.org/10.1007/s10811-019-1738-9.
37. Fan J., Huang J., Li Y., Han F., Wang J., Li X. et al. Sequential heterotrophy-dilution-photoinduction cultivation for efficient microalgal biomass and lipid production // Bioresource Technology. 2012. Vol. 112. P. 206–211. DOI: 10.1016/j.biortech.2012.02.046.
38. Pinho S.M., Flores R.M.V., David L.H., Emerenciano M.G., Quagrainie K.K., Portella M.C. Economic comparison between conventional aquaponics and FLOCponics systems // Aquaculture. 2022. Vol. 552, 737987.
39. Yu Y.-B., Choi J.-H., Lee J.-H., Jo A.-H., Han S.W., Han S.-H., Choi H.J., Choi C.Y., Kang J.-C., Min E. et al. Biofloc application using aquaponics and vertical aquaculture technology in aquaculture: Review // Fishes. 2023. Vol. 8(11). P. 543. https://doi.org/10.3390/fishes8110543.
40. Hargreaves J.A. Biofloc production systems for aquaculture // Southern Regional Aquaculture Center (SRAC) Publication. 2013. No. 4503. 11 p.
41. Han P., Lu Qian, Fan L., Zhou W. A review on the use of microalgae for sustainable aquaculture // Applied Sciences. 2019. Vol. 9, 2377. DOI: 10.3390/app9112377.
42. De Schryver P., Crab R., Defoirdt T., Boon N., Verstraete W. The basics of bio-flocs technology: The added value for aquaculture // Aquaculture. 2008. Vol. 277. P. 125–137.
43. Ogello E.O., Outa N.O., Obiero K.O., Kyule D.N., Munguti J.M. The prospects of biofloc technology (BFT) for sustainable aquaculture development // Scientific African. 2021. Vol. 14(1). e01053. https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2021.e01053.
44. Yu Y.-B., Choi J.-H., Lee J.-H., Jo A.-H., Lee K.M., Kim J.-H. Biofloc technology in fish aquaculture: A review // Antioxidants. 2023. Vol. 12(2), 398. https://doi.org/10.3390/antiox12020398.
45. Emerenciano M., Gaxiola G., Cuzon G. Biofloc Technology (BFT): A review for aquaculture application and animal food industry. London: InTech, 2013. http://dx.doi.org/10.5772/53902.
46. Luo G., Gao Q., Wang C., Liu W., Sun D., Li L. et al. Growth, digestive activity, welfare, and partial cost-effectiveness of genetically improved farmed tilapia (Oreochromis niloticus) cultured in a recirculating aquaculture system and an indoor biofloc system // Aquaculture. 2014. Vol. 422. P. 1–7.
47. Lakra W.S., Goswami M., Trudeau V.L. (Eds) Frontiers in aquaculture biotechnology. Elsevier, Academic Press, 2022. 298 р.
48. Nurhatijah N., Muchlisin Z.A., Sarong M.A., Supriatna A. Application of biofloc to maintain the water quality in culture system of the tiger prawn (Penaeus monodon) // AACL Bioflux. 2016. Vol. 9, No. 4. URL: http://www.bioflux.com.ro/aacl.
49. McCusker S., Warberg M.B., Davies S.J., Valente C.D.S., Johnson M.P., Cooney R. et al. Biofloc technology as part of a sustainable aquaculture system: A review on the status and innovations for its expansion // Aquaculture, Fish and Fisheries. 2023. Vol. 3. P. 331–352. https://doi.org/10.1002/aff2.108.
50. Martinez-Porchas M., Ezquerra-Brauer M., Mendoza-Cano F., Chan-Higuera J.E., Vargas-Albores F., Martinez-Cordova L.R. Effect of supplementing heterotrophic and photoautotrophic biofloc, on the production response, physiological condition and post-harvest quality of the white leg shrimp, Litopenaeus vannamei // Aquaculture Reports 2020. Vol. 16, 100257. https://doi.org/10.1016/j.aqrep.2019.100257.
51. Xu W.J., Morris T.C., Samocha T.M. Effects of C/N ratio on biofloc development, water quality, and performance of Litopenaeus vannamei juveniles in a biofloc-based, high-density, zero-exchange, outdoor tank system // Aquaculture. 2016. Vol. 453. P. 169–175.
52. Ткачева И.В., Поляхов В.С. Способ водоподготовки для запуска биофлоковой системы на основе пробиотиков с разными композициями // Рыбоводство и рыбное хозяйство. 2019. № 11(166). С. 60–65.
53. Castro-Nieto L.M., Castro-Barrera T., De Lara-Andrade R., Castro-Mejía J., Castro-Mejía G. Biofloc systems: a technological breakthrough in aquaculture // Revista Digital del Departamento El Hombre y su Ambiente. 2012. Vol. 1(1). P. 1–5.
54. Crab R., Kochva M., Verstraete W., Avnimelech Y. Bio-flocs technology application in over-wintering of tilapia // Aquaculture Engineering. 2009. Vol. 40. P. 105–112.
55. Khanjani M.H., Sharifinia M., Emerenciano M.G.C. Biofloc technology (BFT) in aquaculture: What goes right, what goes wrong? A scientific-based snapshot // Aquaculture Nutrition. 2024. Vol. 2024, No. 7496572. 24 p. https://doi.org/10.1155/2024/7496572.
56. Samocha T.M. Sustainable biofloc system for marine shrimp. Elsevier, Academic Press, 2019. https://doi.org/10.1016/C2018-0-02628-6.
57. Harun A.A.C., Mohammad N.A.H., Ikhwanuddin M., Jauhari I., Sohaili J., Kasan N.A. Effect of different aeration units, N types and inoculum on biofloc formation for improvement of Pacific whiteleg shrimp production // The Egyptian Journal of Aquatic Research. 2019. Vol. 45. P. 287–292. https://doi.org/10.1016/j.ejar.2019.07.001.
58. Gaona C.A.P., de Almeida M.S., Viau V., Poersch L.H., Wasielesky W.J. Effect of different total suspended solids levels on a Litopenaeus vannamei (Boone, 1931) BFT culture system during biofloc formation // Aquaculture Research. 2015. Vol. 48(3). P. 1070–1079. https://doi.org/10.1111/are.12949.
59. Emerenciano M., Martinez-Cordova L.R., Martinez-Porchas M., Miranda-Baeza A. Biofloc technology (BFT): a tool for water quality management in aquaculture // Tutu H. (ed.) Water Quality. London: Intech, 2017. P. 91–109. https://doi.org/10.5772/66416.
60. Ogunkalu O.A. Application of biofilms in aquaculture systems // Academia Letters. 2021. Article No. 2002. https://doi.org/10.20935/AL2002.
61. Suryakumar B., Avnimelech Y. Adapting biofloc technology for use in small scale ponds with vertical substrate // World Aquaculture. 2017. URL: https://www.researchgate.net/publication/320181276_Adapting_Biofloc_Technology_for_Use_in_Small_Scale_Ponds_with_Vertical_Substrate (accessed: 13.02.2024).
62. Negri M., Romera D.M., Garcia F. Integrated multitrophic aquaculture in ponds using substrate for periphyton as natural source of food // Boletin do Instituto de Pesca. 2023. Vol. 49, No. e783. https://doi.org/10.20950/1678-2305/bip.2023.49.e783.
© Низяев С.А., Латковская Е.М., Ревин Ю.А., 2024
Для цитирования: Низяев С.А., Латковская Е.М., Ревин Ю.А. Использование биофлок-технологии при подращивании гидробионтов на базе установок замкнутого водоснабжения: возможности применения технологии в условиях Дальнего Востока России // Научные труды Дальрыбвтуза. 2024. Т. 67, № 1. С. 96–115.
Статья поступила в редакцию 28.02.2024; одобрена после рецензирования 01.03.2024; принята к публикации 20.03.2024.
Review article
The use of bioflock technology in the cultivation of aquatic organisms on the basis of recirculating water supply installations: the possibilities of using the technology in the conditions of the Russian Far East
Sergey A. Nizyaev
Sakhalin State University, Yuzhno-Sakhalinsk, Russia,
PhD in Biology Sciences, Leading Engineering of the Laboratory of chemical and biological research, SPIN -code: 8837-2677, AuthorID: 395356, ResearcherID: AAX-8701-2021, http://orcid.org/0000-0001-7426-1535
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Elena V. Latkovskaya
Sakhalin State University, Yuzhno-Sakhalinsk, Russia,
PhD in Biology Sciences, Associate Professor of the Department, Head of the Laboratory of chemical and biological research, SPIN- code: 9855-3629, AuthorID: 152625, Scopus Author ID: 26027600100, ResearcherID: AAX-1484-2021, http://orcid.org/ http://orcid.org/0000-0002-1198-0038
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Yury A. Revin
Association of Social Entrepreneurs of the Sakhalin Region, Yuzhno-Sakhalinsk, Russia,
Coordinator of mariculture projects, Association of Social Entrepreneurs of the Sakhalin Region
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Abstract. The article analyzes the advantages and disadvantages of aquaculture systems that use microorganisms of different trophic affiliation to control water quality when keeping marine aquatic organisms in a closed cycle. The elements of nitrogen and carbon exchange in a closed cycle, the features and requirements for resources necessary to achieve and stable hydrochemical parameters acceptable for the cultivation of hydrobionts are discussed. A special place is given to the consideration of the BioFloc Technology (BFT), which is not yet used in the Russian Far East. BioFloc systems differ significantly from traditional systems for feeding aquatic organisms and monitoring hydrochemical parameters in recirculating aquaculture and represent a technological breakthrough in aquaculture. The identified limitations and disadvantages of the use of bioflocks in industrial aquaculture for the northern regions are an increase in energy consumption for active aeration, an increase in CO2 emissions, a limited list of boreal species, and additional control of the species composition of microorganisms. Nevertheless, it seems that for the subarctic regions of the Far East, the use of bioflocks in industrial aquaculture has a number of undeniable advantages, significantly reducing the capital and operating costs for the maintenance of marine aquatic organisms if they are correctly selected for cultivation, as well as the burden on the environment.
Keywords: industrial aquaculture, RAS, biotechnology, biofloc, biosafety
Acknowledgments: The work was carried out within the framework of the project "Priorities 2030 of Sakhalin State University".
© Nizyaev S.A., Latkovskaya E.V., Revin Y. A., 2024
The article was submitted 28.02.2024; approved after reviewing 01.03.2024; accepted for publication 20.03.2024