МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ АКВАКУЛЬТУРНЫХ ХОЗЯЙСТВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДОЕМА
Многие биотехнологические операции, выполняемые на аквафермах, однозначно приводят к внесению в водную среду продуктов метаболизма культивируемых гидробионтов (фекалии, псевдофекалии и экскреции), а также остатков несъеденного корма. В целом,
реципиентом растворимых отходов акваферм является водная
толща, а нерастворимые остатки накапливаются в донных отложениях.
Увеличивающееся поступление растворимых азота и фосфора
может привести к гипернутрификации - сверхобогащению биогенными
элементами гидроэкосистем, сопряженных с аквафермой. В
конечном итоге это вызывает их эвтрофикацию - повышение уровня
первичного продуцирования. Имеются указания на случаи «цветения
» фитопланктона в местах расположения садковых хозяйств.
Наибольшие количества твердых отходов (преимущественно в
виде органического углерода и азота) оседает на дно в непосредственной
близости от садков. Перенасыщение бентической экосистемы
органическими остатками вызывает резкое возрастание потребления
кислорода донными осадками. Как следствие, возможно ускорение
процессов реминерализации органического азота, снижение
биомассы макробентоса и изменение видового состава донных
сообществ. В экстремальных случаях наблюдается формирование
под садками безжизненных бескислородных зон, в которых концентрируются
двуокись углерода, метан и сероводород.
Имеются указания на обнаруженные локальные эффекты кислородного
дефицита в водной толще непосредственно на аквафермах,
обусловленного интенсивным дыханием объектов выращивания
в садках.
Существенную нагрузку на водные экосистемы оказывают активные
химические вещества, вносимые в воду с различными целями
в процессе культивирования гидробионтов: медицинские препараты,
средства дезинфекции, анастетики, биоциды, гормоны, стимуляторы
роста, средства отпугивания хищников и паразитов и др.
Опасность в данном случае представляет накопление долгоживу
щих соединений в тканях культивируемых организмов, их потенциальная
токсичность для некультивируемых гидробионтов, а также
стимулирование повышения сопротивляемости антибиотикам микробиальных
водных сообществ.
Высокая концентрация культивируемых объектов в районах
акваферм приводит к резкому повышению угрозы инфекционных и
стрессовых заболеваний гидробионтов.
Перечисленные виды негативных воздействий акваферм на сопряженные
экосистемы не позволяет рассматривать аквакультуру
как «экологически безопасный» или «экологически чистый» вид
антропогенной деятельности на морском побережье. Показательны
данные, полученные многими авторами для морских садковых хозяйств
по выращиванию лососевых. Типичная норвежская ферма с
годовой продукцией 200 т лосося и отлаженной системой контроля
и технологии питания поставляет в год в окружающую среду порядка
2 т фосфора, 18 т азота и потребляет около 100 т кислорода в
виде БПК-7. В шотландских водах ферма, культивирующая 50 т лосося
в год с использованием 100 т корма, загрязняет среду, производя
19,4 т органического углерода, 2,2 т органического азота и 4 т
растворимых нитратов. По-видимому, до 76% углерода и до 76%
азота, скармливаемых лососевым рыбам при их выращивании в
садках, поступает в водную среду, где их дальнейшая судьба будет
зависеть преимущественно от особенностей гидрологического режима
акватории.
Особенности распределения бентосных сообществ в районе
садковых ферм, как правило, таковы. Непосредственно под садками
макробентос отсутствует вовсе («абиотическая зона»). В радиусе
порядка 30 м от садков бентос представлен «оппортунистическими»
видами, толерантными к органическому (нетоксическому) загрязнению
(«зона оппортунистов»). На Белом море в «зоне оппортунистов
» встречается, например, полихета Capitella capitata. На удалении
от 30 до 100 м композиция бентоса постепенно восстанавливается
(«зона восстановления»). Аналогичная картина наблюдается в
местах сброса стоков из береговых тэнков, предназначенных для
культивирования лососевых рыб на берегу.
Процессы, протекающие при внесении корма в экосистему аквафермы,
представлены графически на рис. 47, отображающем пути
переноса остаточного органического материала, поступающего в
гидроэкосистему с садкового хозяйства. Очевидно, правильный расчет
возможной нагрузки от аквафермы (садка) на прибрежную морскую
экосистему является важнейшей задачей. Количественное описание
процессов переноса биогенных загрязняющих элементов возможно
с помощью видоизмененных уравнений баланса масс.
Рис. 47. Пути переноса загрязняющего органического вещества,
поступающего в водную среду с садковых хозяйств
Пусть:
UW - доля несъеденного корма / 100 (по отношению к общему
объему корма, внесенного в систему),
F - доля фекальных отходов / 100 (по отношению к съеденному
корму),
FCR - коэффициент превращения корма (отношение веса внесенного
в систему корма к весу, набранному культивируемыми организмами),
PD - продукция (прирост биомассы рыб),
О - общий выход взвешенного органического вещества.
154
Тогда:
T F - общий объем внесенного в систему корма = (если неизвес-
тен) P D • F C R ,
T U - общий объем несъеденного корма = T F - U W ,
ТЕ - общий объем съеденного корма = T F - T U ,
T F W - общий объем фекальных отходов = F • ТЕ,
О = T U + T F W . (1)
Полученные в экспериментах, проводимых на Белом и Баренцевом
морях в 1998-2002 гг., величины UW изменяются в пределах
от 1 до 30%; значения F изменяются от 25 до 30%.
Зная содержание углерода, азота и фосфора в кормах, можно
определить выход каждого из этих элементов во фракциях несъеденного
корма и в фекалиях.
U M ~ масса С, N или Р, поступающих с не съеденным кормом,
U M - T F • UW • К, (2)
ЕМ - масса С, N или Р, поступающих со съеденным кормом,
E M - ( T F - T U ) - К - Е (3)
ТМ - общая масса С, N или Р, поступающих со съеденным и
иесъеденным кормом,
ТМ - UM + ЕМ, (4)
где К - содержание каждого компонента в корме, %; Е ~ содержание
каждого компонента в фекалиях, %.
Зная содержание различных органических компонентов в мясе
рыбы, поступление этих компонентов в среду также можно рассчитать
по разнице между их содержанием в кормах и в рыбе:
L - Р ( F C ■ Cfeed “ Cfish), (5)
где L ~ нагрузка на акваторию от азота или фосфора, кг в год ;
Р - продукция рыбы (кг сырого веса в год),
F C - кормовой коэффициент (кг сырого веса корма / продукция
рыбы),
Cfeed - концентрация азота и фосфора в корме (% сырого веса),
Cnsi, - концентрация азота и фосфора в рыбе (% сырого веса).
155
Несколько более детальное описание поведения этих элементов
в гидроэкосистеме и оказываемой ими нагрузки на водную среду
может быть представлено следующим образом.
Нагрузка на акваторию от фосфора:
Кг Р = 04 • CdP) - (В • CfP); (6)
Нагрузка на акваторию от азота:
Кг N = (А • Cdn) - (В * Cfn), (7)
где А - сырой вес сухих гранул, использованных в течение года
(нормальное содержание воды в сухих гранулах - 8 -10 %); В - сырой
вес рыб в садке (по итогам получения урожая);
Cd = содержание фосфора (Cdp) и азота (Cdn) в сухих гранулах, в
% от сырого веса;
С( - содержание фосфора (CfP) и азота (Сг„) в рыбе, в % от сырого
веса.
Дисперсия привносимого органического вещества (распространение
с течениями от садка) и нагрузка от него на акваторию зависит
от объемов кормления, площади садковой фермы, глубины места,
скорости течения и скорости оседания частиц взвеси:
d = D ■ Cv I V, (8)
где d - дисперсия частиц органического вещества; D - глубина места;
Cv - скорость течения; V ~ скорость оседания частиц органического
вещества (не съеденного корма и фекалий).
Используя приведенные выше формулы, проведем количественную
оценку воздействия на гидроэкосистему для конкретного
случая. Будем рассматривать форелевое садковое хозяйство, размещенное
в Кандалакшском заливе, в губе Палкина (рис. 46, 48).
В 1994 г. в компании «Арктик Салмон» было закуплено 13,2 т
посадочного материала. Выращивание началось 10 июля и завершилось
3 октября сдачей 43 т товарной рыбы. Средняя температура
поверхности воды за весь период была 9,3 °С. Вес внесенного корма
за этот период составляет 50 т.
Таким образом:
PD = 43000 кг - 13200 кг = 29800 кг;
TF = 50000 кг;
FCR = TF/PD = 50000 кг/29800 кг = 1,7.
156
Рис 48. Форелевое садковое хозяйство в губе Панкина.
Кандалакшский залив. Белое море.
По полученным ранее экспериментальным данным было установлено,
что: доля несъеденного корма составляет 20% по отношению
к общему объему корма, внесенному в систему; доля фекальных
отходов составляет 25% по отношению к съеденному корму.
U W = 20%;
F = 25%, тогда
T U = T F -U W = 50000 кг • 20%/100% = 10000 кг;
ТЕ ~ T F - T U = 50000 кг - 10000кг = 40000 кг;
TFW - F - ТЕ = 40000 кг • 25%/100% = 10000 кг.
Таким образом, мы получаем общий выход взвешенного органического
вещества, поступающего в окружающую среду с аквафермы:
0 - T U + TFW = 10000 кг + 10000 кг = 20000 кг.
Теперь посчитаем выход углерода азота и фосфора во фракциях
несъеденного корма и в фекалиях. Экспериментальным методом
было установлено содержание углерода и азота в корме и в фекалиях.
Используя уравнение Редфельда (C:N:P=106:16:1), мы получаем
количественные характеристики для фосфора:
157
Кс = 44%; KN= 7,7%; Кр = 0,5%; 5е = 30%; EN = 10%; £ р= 0,6% .
Масса C,N и Р, поступающих в среду с несъеденным кормом,
будет равна:
U ^ = TF ■ UW ■ Кс=50000кг - 20% ■ 44%/10000% = 4400 кг;
Ш м = 50000кг • 20% ■ 7,7%/10000% = 770 кг;
UMP= 50000кг * 20% • 0,5%/10000% = 50 кг.
Масса тех же компонентов, поступающих со съеденным кормом,
равна соответсвенно:
(T F - T U )- К °- Е?= (50000 кг -10000 кг) 44% -30%/
/10000% = 5280 кг;
ЕМп = 40000кг • 7,7% • 10%/10000% = 308 кг;
ЕМ? = 40000кг • 0,5% • 0,6%/10000% = 1,2 кг .
Таким образом, мы можем посчитать общую массу С, N, Р, поступающих
со съеденным и несъеденным кормом:
ТМ° = UM° + EMF = 4400кг + 5280кг = 9680кг;
ТЫ** = 770 кг + 308кг = 1078 кг;
7МР= 50 кг + 1,2кг = 51,2 кг.
Рассчитаем теперь нагрузку от азота и фосфора, зная содержание
N и Р в мясе рыбы, в % от сырого веса. Эти данные могут быть
получены по результатам сертификации товарной продукции.
CnshN = 2,1%; CfiShP= 0,01%, тогда
L " = P D - (FCR ■ К**- Crish) = 29800 кг (1,7 ■ 7,7%/100% -
- 2,1%/100%) = 3275 кг;
Lp = 29800кг (1,7 * 0,5%/100% - 0,01%/100%) = 253 кг.
Для получения этих же показателей можно использовать более
детальный расчет.
Нагрузка на акваторию от азота:
KrN = (TF • KN) - (PD ■ CfishN) = (50000 • 7,7%/100%) -(29800 кг •
2,1%/100%) = 3224 кг.
Нагрузка на акваторию от фосфора:
КгР = (50000кг • 0,5%/100%) - (29800кг ■ 0,01%/100%) = 247 кг .
Другой пример - товарное выращивание радужной форели в
устье р. Выг. Посадочный материал - радужную форель доставляли
с юга Карелии, из хозяйства ЗАО «Янисъярви». Форель выращивалась
в 6-гранном садке площадью 78 м 2. Конечная плотность по158
садки составила 56 кг/м2. Садки зарыбляли во второй половине мая
при температуреводы 5-8 °С. Средняя начальная масса составляла
529 г, средняя конечная масса-1970 г. Средний прирост равнялся
10,3 г/экз/сут,кормовой коэффициент 1,5, длительность выращивания
140 сут. Большую роль в хорошем росте форели сыграло использование
финских кормов и 4-разовое кормление в строго установленные
сроки, а также выращивание этой рыбы на бывшей семужьей
реке. Это в какой-то степени компенсирует былую рыбохозяйственную
ценность лососевой реки, которая была утеряна из-за
постройки плотины ГЭС.
Таким образом:
PD = 4368 кг - 1290 кг = 3078 кг;
7 F = 1,5-3078 = 4617 кг;
FCR = TFIPD - 1,5;
UW - 20%;
F - 25%.
Тогда TU = T F ■ UW - 4617кг ■ 20%/100% = 923,4 кг
T E = T F - T U = 4617 кг-923,4кг = 3693,6кг
TFW = F ■ ТЕ = 3693,6 кг • 25%/100% = 923,4 кг.
Общий выход взвешенного органического вещества, поступающего
в окружающую среду с аквафермы, составил
О = T U + TFW = 923,4 кг + 923,4 кг = 1846,8 кг.
Выход углерода азота и фосфора во фракциях несъеденного
корма и в фекалиях: Кс=44%;
К *= 7,7%; £ р= 0,5%; £ с = 30%; Еы= 10%; 0,6% .
Масса C,N и Р, поступающих в среду с несъеденным кормом,
будет равна:
u a f = TF ■ UW ■ = 4617 кг • 20% • 44%/10000% = 406кг;
UMN = 4617 кг ■ 20% * 7,7%/10000% = 71 кг;
UMP = 4617 кг - 20% • 0,5%/10000% = 4,6 кг.
Масса тех же компонентов, поступающих со съеденным кормом,
равна соответственно:
ЕМ° = (T F -T U ) Кс • Ес = (4617кг- 923,4 кг) 44%
• 30%/10000% = 487 кг;
ЕМЫ= 3693,6 кг • 7,7% • 10%/10000% = 28 кг;
£МР = 3693,6 кг • 0,5% • 0,6%/10000% = 0,11 кг.
159
Таким образом, мы можем посчитать общую массу С, N, Р, поступающих
со съеденным и несъеденным кормом.
ТМ0 = UMс ч* ЕМс =406кг+487кг=893кг;
ТМ** = 71,1 кг + 28 кг = 99кг;
ТМ?= 4 ,6 кг + 0,11 кг = 4,71кг.
Нагрузка от азота и фосфора
Cfbh = 2,1%;
Cfishp=0,01%.
Тогда
Ln = PD СF C R * K CMl) = 3078 кг (1,5 • 7,7%/100% -
- 2,1 %/100%) = 291 кг;
Lp= 3078 кг • (1,5 ■ 0,5%/100% - 0,01%/100%) = 23 кг .
Для получения этих же показателей можно использовать более
детальный расчет:
Нагрузка на акваторию от азота:
KrN = (TF • KN) - (PD ■ CfishN) =( 4617 * 7,7%/100%) - (3078кг •
2,1%/100%) - 290 кг.
Нагрузка на акваторию от фосфора:
КгР=(4617кг ■ 0,5%/100%)-(3078кг • 0,01%/100%)=23 кг.
В обобщенном виде результаты применения этих уравнений
представлены на рис. 49. Необходимо отметить, что в действительности
усредненные величины биогенной нагрузки существенно
варьируют в каждом конкретном случае в зависимости от особенностей
района размещения садков, сезона, выращиваемого вида,
типа кормов и режима кормления, состояния здоровья культивируемых
рыб и т.д.
Полученные соотношения между величинами вносимого в садок
корма, неусваиваемой взвеси, растворяющегося органического
вещества и конечного урожая позволяют рассчитывать нагрузку на
естественную акваторию от садкового сооружения.
Рассчитаем теперь дисперсию привносимого вещества и нагрузку
от него на акваторию для условий губы Палкина (первый
пример). Для этого нам необходимо знать: глубину места (D ), скорость
течения (С,,), скорость оседания несъеденного корма (V).
D = 12м;
Cv = 0,05 м/с;
V = 0,06м/с
160
Данная скорость установлена на основании эксперимента. Замерялось
время оседания гранул, диаметром 5мм на глубину 0,5 м.
В результате нескольких опытов средняя скорость была принята
равной 0,06м/с.
а)
ш
Поступление
с кормом
100%
Взвесь
15-30%
2 1- 3 0%
Изъятие с
урожаем
4 9 - 6 0 %
Растворение
О
Вымывание
из осадков
б)
Поступление
с кормом
100% X V v Сз / 15-30%
Изъятие с
урожаем
-4-ГГ -Л Гг Г'
«Ьо L..
Взвесь
51-59%
16- 2 6 %
Растворение
v Вымывание
из осадков
Рис. 49. Динамика азота (а) и фосфора (б) в кг/т культивируемой рыбы за сезон.
Кормовой коэффициент 1,5. Содержание фосфора и азота в корме
0,9 и 7,2 % сухого веса соответственно.
Теперь мы можем определить величину дисперсии (cl):
d - D ' C yiV ~ 12 м ■ 0,05 м/с/0,06 м/с = Юм.
Это значит, что в губе Палкина, где течение невелико и наблюдаются
застойные являения, разнос избыточного органического вещества
от садков не превысит 10 м.
Рассчитаем теперь дисперсию привносимого вещества и нагрузку
от него на акваторию для второй фермы:
D = 3,3 м;
C v ~ 0,4 м/с;
V = 0,06 м/с.
Соответственно, дисперсия может быть рассчитана следующим
образом:
d — D ' CyfV = 3,3 м • 0,4 м/с/0,06 м/с = 22 м.
Графически данная закономерность отображена на рис. 50. Мы
видим, что в первом случае оседание неусваиваемого органического
161
вещества будет происходить в радиусе не более 10 м от садка, т.е. нагрузка
от сооружения аквакультуры на среду будет очень значительна.
Во втором случае дисперсия осуществляется в радиусе 22 м; соответственно,
нагрузка будет меньше в два раза. Очевидно, что для снижения
негативного воздействия садкового хозяйства на среду необходимо
таким образом подбирать условия, чтобы они “гасили” антропогенную
нагрузку от садкового устройства (в данном случае -
размещать садки в местах с большой проточностью, например, в
устье реки, как во втором случае).
Рис. 50. Дисперсия взвешенных органических частиц в районе садковой аквафермы
(D-глубина места, Cv -скорость течения, V{ и V2-скорость оседания частиц
корма и фекалий).
Описанные подходы и положения позволяют оценить уровень
воздействия садковых акваферм на сопряженные гидроэкосистемы.
