ReefCentral.ru для iOS
DyMiCo - новые технологии в содержании и разведении морских беспозвоночных при помощи инновационной технологии фильтрации. Часть 1.
07.04.2016
Разделы: Химия
Техника
Автор: Тим Уиджгерде

Содержание и разведение экзотических морских видов – очень увлекательное занятие, где открытия случаются с завидной регулярностью. В настоящее время не так легко содержать в закрытых аквариумных системах морских беспозвоночных, которые полностью полагаются на гетеротрофный тип питания. Несмотря на сложности в их содержании и разведении, эти организмы в больших количествах ежегодно экспортируются в западные страны, где они очень востребованы на аквариумном рынке. Поскольку в настоящее время морские экосистемы находятся в состоянии упадка, растет интерес к искусственному разведению этих востребованных животных. В первой части этой статьи я расскажу об инновационной технологии фильтрации под названием DyMiCo (Dynamic Mineral Control, динамический контроль над содержанием минералов), которая позволяет аквариумистам держать в закрытых системах и разводить разнообразные морские организмы, особенно те, которым для выживания необходим живой планктон.

Коралловые рифы представляют экологическую и экономическую ценность, но в настоящее время они находятся в состоянии упадка (Hughes et al. 2003; Hoegh-Guldberg et al. 2007). Это связано с глобальными климатическими изменениями и местными антропогенными факторами, включающими загрязнение, изменение береговой линии и чрезмерный вылов рыб (Hughes et al. 2003). Чрезмерный вылов рыб наносит вред рифам в Азии, в частности, в Индонезии и у берегов Филиппин, где обитатели рифов вылавливаются для международного аквариумного рынка (Wabnitz et al. 2003). Подогреваемая высоким спросом на тропические виды в качестве домашних питомцев, эта торговля наносит ущерб окружающей среде, потому что лишь небольшая часть экспортируемых животных разводится искусственно (на фермах, в аквариумах). Поскольку международная аквариумная торговля способна усугубить пагубное влияние климатических изменений и прочих результатов деятельности человека, необходимо стимулировать экологически рациональное искусственное разведение рифовых организмов. Основные кандидаты на искусственное разведение – губки и кораллы, потому что они востребованы не только в аквариумистике, но и в фармакологии. Основное условие – знание принципов их разведения, а в отношении многих видов знаний недостаточно, что существенно осложняет искусственное разведение этих беспозвоночных.

Для улучшения ситуации с разведением любых видов, очень важно хорошо разбираться в факторах, оказывающих влияние на их рост. На сегодняшний день уже известно несколько основных факторов, влияющих на разведение морских беспозвоночных, в частности, освещение, течение, качество воды и питание (пересмотрено для кораллов Osinga et al. 2011). Благодаря современным технологиям можно весьма эффективно имитировать освещение и течение среды для типичного рифового организма. То же самое касается качества воды, хотя концентрация неорганического азота и фосфора в системах на порядок выше, чем у естественного рифа. Питание, а в данном конкретном случае - планктон, остается главной проблемой закрытых систем. Либо соответствующий корм недоступен аквариумистам, либо же необходимое количество кормлений осложняет задачу поддержания качества воды. В первой части статьи я бы хотел познакомить вас с системой фильтрации, позволяющей аквариумистам поддерживать популяцию живого планктона без ущерба для качества воды, что в значительной степени способствует содержанию и разведению многих видов беспозвоночных.

rotterdam_zoo_dymico3.jpg

rotterdam_zoo_dymico4.jpg
В DyMiCo системе в зоопарке Роттердама (Нидерланды) в главном выставочном аквариуме живут кораллы из Карибского региона, а в фильтрующей части – кораллы из индо-тихоокеанского региона.
Обратите внимание на пышущие здоровьем красные горгонарии (Swiftia exserta), которым для выживания необходим планктон и растворенные питательные вещества. 

Гетеротрофные животные и планктон

Перед тем, как обсуждать технологию DyMiCo, я хотел бы сразу отметить, что поддержание живой популяции планктона в аквариуме является необходимым условием для разведения многих организмов, особенно это касается полностью гетеротрофных существ. Так кто такие гетеротрофные животные и почему так сложно за ними ухаживать?

На основе метаболизма жизнь на Земле можно обобщенно разделить на две группы: автотрофные и гетеротрофные организмы. К автотрофным организмам относятся те, которые потребляют неорганические молекулы, например, углекислый газ (CO2) для выстраивания органических молекул, включая углеводы, спирты, жирные кислоты и аминокислоты. В данном случае я использую термин «органические» для молекул с углеродной цепочкой, или «позвоночником». Глюкоза, простой углевод, содержит цепочку из шести углеродных атомов и является очень важной для жизни на Земле благодаря содержащейся в ней химической энергии. В качестве простых примеров автотрофных организмов можно привести растения, в частности, одноклеточные водоросли и цианобактерии. Эти организмы считаются фото-автотрофными, поскольку они используют энергию солнца для конвертации CO2 и бикарбоната (HCO3-) в органические молекулы, которые они применяют для поддержания своего обмена веществ и роста. Автотрофные организмы также называются первичными продуцентами, потому что они представляют собой первый этап пищевой цепи, которая ведет к выработке биомассы из неорганических молекул. Гетеротрофные организмы – те, которые не способны вырабатывать собственные органические молекулы из неорганических (хотя они способны взаимопревращать органические молекулы), соответственно, им приходится добывать их из окружающей среды. Потребление питательных органических веществ может происходить как путем непосредственного потребления из раствора (в частности, морской воды), так и посредством поглощения и переваривания других организмов. Распространенные примеры гетеротрофных организмов – травоядные, или питающиеся растениями, животные, такие как ламантины или морские ежи. Эти организмы называются первичными потребителями. В качестве примеров гетеротрофных организмов, представляющих интерес для данной статьи, можно привести некоторые виды губок, кораллов и иглокожих. Рифообразующие кораллы, также как и многие другие рифовые организмы, несут в своих тканях симбиотические водоросли-динофлагелляты (zooxanthellae - зооксантеллы), соответственно, их можно считать политрофными (многоядными), поскольку они используют и автотрофный (фотосинтез), и гетеротрофный (потребление планктона и органических частиц) способ питания.

antwerp_zoo_dymico_2.jpg
Еще одна система в зоопарке Антверпена (Бельгия), где доминируют октокораллы,
а также обитают рыбы-хирурги, рыбы-химеры, губаны и моллюски-тридакны. 

Поскольку гетеротрофным организмам, в частности, морским беспозвоночным, необходимо питание для удовлетворения энергетических потребностей, роста и размножения, аквариумистам необходимо обеспечить эти потребности в той или иной форме. В большинстве случаев это не составляет труда, потому что в настоящее время на рынке представлено большое количество высококачественных коммерческих кормов. Например, рыбы зачастую отлично себя чувствуют в искусственной среде, потому что существует множество подходящих им кормов. Большинство рифовых кораллов образует мутуалистический симбиоз с зооксантеллами, которые обеспечивают своего «хозяина» значительным количеством органического углерода. Такие кораллы обычно хорошо растут в обычных системах. Однако, животные, которым необходимы лишь определенные корма, в недостаточном количестве присутствующие в закрытой системе, не в состоянии расти и со временем погибают. Такие животные называются специализированными (в противоположность универсальным, которые способны использовать разнообразные корма), к ним относится внушительное количество морских видов. Таким образом, мы подошли к планктону как «продукту питания», жизненно необходимому корму многих организмов – основных кандидатов на искусственное разведение. Но что же такое планктон на самом деле?

Планктон, от греч. planktos или «плавучий», - общее название огромной группы организмов, находящихся в толще воды. К ним относятся бактерии, водоросли и мелкие животные, в частности, ракообразные. Как правило, планктон подразделяется на несколько категорий в зависимости от размера частиц. В данной статье мы будем использовать следующие размерные категории: пико-, нано-, микро- и мезопланктон. Пикопланктон представлен организмами размером от 0.2 до 2 микрометров, например, цианобактерии, архебактерии и протисты (одноклеточные организмы); нанопланктон представлен организмами размером от 2 до 20 микрометров и включает водоросли и крупные одноклеточные организмы; микропланктон состоит из мелких ракообразных, таких как коловратки, простейшие и личинки размером от 20 до 200 микрометров; и, наконец, мезопланктон включает крупных ракообразных и личинки разнообразных животных, размер которых варьируется от 200 до 2000 микрометров. В целом, планктон используется в качестве основного источника пищи многими животными, обитающими в воде, включая мировые океаны. Животные, которые питаются планктоном, называются фильтраторами и организмами, питающимися пелагической пищей: они отфильтровывают или захватывают частицы из воды с целью их усвоения. Животные-фильтраторы активно отфильтровывают растворенные и взвешенные в воде вещества, пропуская воду через фильтрующие структуры организма; к фильтраторам относятся зоопланктон, оболочники, двустворчатые моллюски и губки. Животные, питающиеся пелагической пищей, активно захватывают появляющиеся в непосредственной близости от них частицы корма из воды при помощи своих щупалец. Такой метод питания используют, в частности, мадрепоровые кораллы, октокораллы и криноиды (морские лилии).

На протяжении многих лет зоопланктон не считался важным источником пищи для морских организмов; считалось, что концентрация зоопланктона у рифов слишком мала, чтобы играть более или менее серьезную роль. Тем временем, были проведены более точные исследования с применением усовершенствованных методов измерений. Количество планктона может быть весьма значительным, особенно в условиях повышенного содержания питательных веществ, таких как азот, фосфор и железо. Это приводит к так называемому цветению фитопланктона, что благотворно сказывается на многих планктонных животных. Фитопланктон, включая цианобактерии, в частности, Synechococcus, может достигать очень высокой концентрации, вплоть до миллиардов клеток на литр воды; он является основным источником пищи для многих беспозвоночных. Несмотря на то, что концентрация зоопланктона в рифовых водах обычно находится в пределах от 0.007 и 4.4 экземпляров L-1 (Heidelberg et al., 2004, 2010; Palardy et al. 2006; Yahel et al. 2005), наличие этих маленьких животных и их личинок является жизненно-важным для здоровья многих фильтраторов и организмов, питающихся пелагической пищей. Это связано с тем, что эти мелкие организмы поставляют важные элементы, такие как азот и фосфор, необходимые для синтеза новых тканей и восстановления поврежденных. И именно таких фильтраторов и питающихся пелагической пищей животных сложно разводить или содержать в любой закрытой системе, потому что мелкий планктон, несмотря на наличие огромного количества продукции на рынке, обычно не представлен в достаточном количестве. С этим связаны мрачные показатели выживания таких животных в обычных аквариумах. Хорошо известный и распространенный пример - губки (например, Haliclona spp., Trikentrion flabelliforme), двустворчатые моллюски (Lima scabra), гидроидные (например, Distichopora и Stylaster spp.), иглокожие, такие как морские лилии (например, Comatula, Comanthus и Himerometra spp.) и октокораллы (например, Dendronephthya spp. и горгонарии, например, Menella, Diodogorgia и Swiftia spp.). Несмотря на то, что мы совсем немного знаем о пищевых привычках этих животных, они в большом количестве импортируются в западные страны, где они проживают короткую жизнь в качестве декоративного украшения аквариумов.

Фильтрация – вечный противник планктона?

Большинство морских систем являются закрытыми и зависят от скиммеров для поддержания высокого качества воды. Посредством смешивания воды и воздуха при помощи аспиратора или эдукторных насосов, мельчайшие пузырьки воздуха удаляют органические молекулы (отходы) из воды аквариума, собирая их в специальные емкости. Этот процесс особенно хорошо работает с морской водой вследствие низкого поверхностного натяжения, благодаря чему пузырьки получаются очень мелкие и, соответственно, более эффективные для удаления органических отходов. И хотя фракционирование пены способствовало успеху в разведении и выращивании рыб и беспозвоночных, в частности, жестких кораллов, виды, которым необходим планктон, в системах, где использовалась подобная технология, чувствовали себя не лучшим образом. Это может быть связано, в большой степени, с разрушительной природой процесса фракционирования пены. Проблема кажется очевидной: механическое разрушение и удаление мелких организмов, благодаря которым в системе и появляется планктон. Прочие способы фильтрации, такие как песочный и биологический фильтры, с их высокой пропускной способностью, не исключают эту проблему. И действительно, Фельдман и др. (Feldman et al., 2011) продемонстрировали, что в аквариуме, оснащенном флотатором, концентрация бактерий значительно ниже, чем у естественного рифа, примерно на порядок величины. Из всего сказанного выше следует вопрос:

Как можно поддерживать высокое качество воды и популяцию планктона одновременно, имитируя естественную среду?

К счастью, новая технология может стать ответом на вопрос. Эта технология называется DyMiCo, аббревиатура от Динамический контроль содержания минералов (Dynamic Mineral Control).

Поддержание живой воды – Динамический контроль содержания минералов (Dynamic Mineral Control)

Поскольку скиммеры, песочные фильтры и плотно набитые биофильтры, используемые в большинстве систем, не справляются с заданием поддержания в системе «планктонного супа», необходимого многим (бес)позвоночным, требуется другой подход. Примерно в 2000 году, небольшая компания, известная как EcoDeco, начала работать над новой концепцией, основанной на очень старой идее. Используя законы природы, а точнее, биогеохимические процессы, протекающие в океанах, компания решила создать нечто новое. Питер Хенкеманс, основатель и директор компании EcoDeco, взялся за разработку новой системы фильтрации, которая должна была стать простой, эффективной и, что самое главное, естественной. Конечная цель была использовать эту систему для разведения находящихся под угрозой исчезновения кораллов и других морских организмов. Он создал и запатентовал свою систему как DyMiCo, или динамический контроль содержания минералов (Dynamic Mineral Control). Сейчас, двенадцать лет спустя, несколько организаций используют технологию EcoDeco и демонстрируют весьма впечатляющие результаты. Без подмен воды и механической фильтрации эти системы процветают. Но как же на самом деле работает эта технология?

Система DyMiCo основана на следующем принципе: при помощи денитрификационного реактора, который динамически (Dy) реагирует на систему, содержание веществ (Mi), таких как нитраты и фосфаты, можно контролировать (Co). Проще говоря, данная технология – это управляемый компьютером денитрификационный реактор. DyMiCo отслеживает и контролирует биогеохимические процессы, протекающие в реакторе, при помощи двух параметров: окислительно-восстановительный потенциал (ORP) и уровень pH. Эти параметры измеряются внутри реактора посредством использования так называемой поровой (диффузной) воды, которая проходит через реактор. По мере того, как компьютер получает результаты проб ORP и pH в реакторе, он постоянно управлеет количеством воды, проходящей через реактор для денитрификации. Кроме того, он регулирует количество органического углерода, поставляемого в реактор, таким образом управляя ORP через бактериальный метаболизм. В результате, предупреждается недостаток углерода для гетеротрофных денитрифицирующих бактерий, поскольку для разбивания нитратов им необходим источник углерода. Точно также как люди дышат кислородом, бактерии в реакторе DyMiCo дышат нитратами для получения энергии из органического источника углерода. В процессе серии биохимических реакций, нитраты в конечном итоге превращаются в газообразный азот (N2), который рассеивается в толще воды.

Для тех, кто хорошо осведомлен о фильтрации и роли бактерий в этом процессе, DyMiCo может напомнить глубокий песчаный слой (Deep Sand Bed, DSB) и метод Джоберта. По сути, так оно и есть, потому что все три системы используют денитрификацию для поддержания высокого качества воды. Однако, DyMiCo идет на несколько шагов вперед благодаря измерению биохимических процессов, протекающих в реакторе, и использует полученную информацию для поддержания оптимальных показателей ORP для денитрификации посредством регулирования пропускной способности и количества углерода в реакторе. Более того, добавление CO2 обеспечивает поддержание слегка кислотного pH, позволяя прибору выступать как в качестве кальциевого реактора, так и денитрификационного устройства. Системам, где используется DyMiCo, не требуется скиммер или кальциевый реактор.

Основной цикл блока управления DyMiCo состоит из нескольких этапов; во-первых, содержащая нитраты вода направляется в реактор при помощи насоса. Далее, порция органического углерода и CO2 добавляется в реактор, где перемешивается по всему реактору при помощи технологического насоса. И заключительный этап – это лаг-фаза (стадия покоя), позволяющая содержащимся в реакторе бактериям разбивать нитраты, поступившие со свежей порцией воды. Цикл повторяется непрерывно и динамически настраивается в зависимости от показателей ORP и pH, полученных из диффузной воды в реакторе. На приведенной ниже схеме – краткий обзор принципов работы DyMiCo.

image001.jpg
Схема работы DyMiCo. Насос перемещает воду через реактор и возвращает ее обратно в систему после денитрификации. Технологический насос обеспечивает равномерное перемешивание углерода и CO2 по всему реактору; добавляются они при помощи углеродного насоса и CO2 цилиндра. Значения ORP и pH в реакторе автоматически регулируются компьютером, который динамически корректирует добавление углерода, CO2 и воды, обеспечивая оптимальную скорость денитрификации. Можно использовать промывочный насос для промывания системы обратным потоком с целью ее очистки.
Фото: Тим Уиджгерде 

Конечный результат использования DyMiCo в закрытой системе – чистая вода с живой популяцией планктона, включая разноногих ракообразных, равноногих ракообразных, веслоногих ракообразных, мелких креветок и их науплии. Как следствие, многие беспозвоночные, такие как губки, кораллы и иглокожие, отлично себя чувствуют в системе. В таких системах, в большинстве случаев, нет необходимости в подменах воды. Что еще лучше, общее потребление электроэнергии средней системы DyMiCo сравнимо с энергопотреблением компьютера. Стандартная модель может использоваться для фильтрации системы объемом до 30 000 литров, или около 7900 галлонов, с общим энергопотреблением всего лишь 300 ватт. Наполнитель фильтра для удаления фосфатов (гранулированный оксид железа, GFO) или органического углерода (активированный уголь) не столь важны, потому что реактор способен изолировать различные формы неорганического фосфора и органического углерода. Можно использовать распылитель, чтобы не допустить снижения уровня pH и концентрации кислорода в воде, особенно когда система плотно заселена обитателями.

image003.jpg
Основной компонент DyMiCo – это реактор или песчаный слой, в данном случае расположенный под черным насосным блоком. Реактор заполнен разновидностью известняка и регулируется под объем системы и требования к качеству воды. В данном случае, размер реактора 1000 л (263 галлона) или примерно 8% от общего объема системы.
Фото: Тим Уиджгерде 

image005.jpg
Второй компонент системы DyMiCo: насосный блок, который расположен над реактором. Левый технологический насос направляет внутренний цикл воды через реактор, обеспечивая доставку источника углерода и СО2 и их тщательное перемешивание по всему песчаному слою. Насос справа возвращает чистую воду в систему, создавая пониженное давление, благодаря чему насыщенная нитратами вода поступает в реактор. Два датчика измеряют показатели ORP и pH диффузной воды в реакторе и передают данные в компьютер.
Фото: Тим Уиджгерде 

image007.jpg
И последний компонент, который необходим для работы системы – блок управления, который представляет собой компьютер, получающий информацию от датчиков ORP и pH, установленных в насосном блоке. Добавление углерода, СО2 и пропускная способность воды регулируются в зависимости от значений ORP и pH, полученных в воде реактора.
Фото: Тим Уиджгерде 

Типичные параметры воды

Система DyMiCo уже доказала способность поддерживать параметры воды, подходящие для разведения морских организмов, включая беспозвоночных. Содержание неорганических макроэлементов, таких как кальций (Ca2+) и магний (Mg2+) неизменно высокое, потому что субстрат реактора, разновидность известняка, медленно растворяется и высвобождает эти элементы в воду системы. Щелочность, в данном случае определяемая как способность морской воды сопротивляться изменению уровня pH, обычно очень высокая по той же самой причине; анионы бикарбоната (HCO3-) и карбоната (CO32-) высвобождаются вместе с выше упомянутыми катионами. Содержание калия (K+) и микроэлементов, таких как йод (I-, IO3-), которые важны для различных биологических процессов, можно поддерживать, используя высококачественную искусственную соль, подмены воды и добавки.

image009.gif
Кальций (Ca2+), калий (K+), магний (Mg2+) в mg  L-1 и щелочность в mEq L-1 в типичной системе DyMiCo. Планки погрешностей показывают стандартные отклонения (N=2).
Фото: Тим Уиджгерде 
image011.gif
Аммоний (NH4+), нитраты (NO3-) и фосфаты (PO43-) в мг/л в типичной системе DyMiCo. Планки погрешностей показывают стандартные отклонения (N=2).
Фото: Тим Уиджгерде 

Насосы, не причиняющие вреда планктону

Еще один аспект, связанный с темой, - использование аквариумных насосов, а точнее, рециркуляционных помп. Высокое давление и кавитация, возникающие в результате использования этих приборов, способны повредить значительное количество планктона в системе, и, соответственно, свести на нет все сохраняющие планктон качества DyMiCo. Хотя сейчас на рынке представлены насосы, не причиняющие вреда планктону, все же они не являются господствующим направлением для (домашних) аквариумов. Подобные насосы в настоящее время используются в различных отраслях: они способны перекачивать жидкость без ущерба для находящихся в ней частиц.

Решением проблемы может стать использование больших пропеллеров, которые способны перемещать большие объемы воды при меньшей скорости вращения. Насосы с низким количеством оборотов в минуту не допускают повреждения чувствительных частиц, таких как планктон, кроме того, они очень экономичны. Например, пропеллер диаметром 30 см (один фут) способен перемещать примерно 50000 литров или 13000 галлонов в час и потребляет при этом всего лишь 30 ватт! Разумеется, такой вариант не применим для домашних аквариумов, для которых были разработаны маленькие насосы с высоким количеством оборотов в минуту. В таких маленьких системах насосы, не создающие давление или кавитацию, играют важную роль в плане сохранения планктона.

image013.jpg
Модифицированный навесной мотор создает сильное течение при низких энергетических затратах.
Кроме того, уменьшается вероятность повреждения планктона.
Фото: Тим Уиджгерде 

Уменьшение размеров DyMiCo

В настоящее время, разрабатывается уменьшенная версия системы DyMiCo для использования в домашних аквариумах. Если маленький реактор продемонстрирует такие же результаты, как и его большие собратья, он, возможно, произведет переворот в морской аквариумистике. Эта система не только значительно экономнее в плане использования энергии и воды, но и способствует существенному прогрессу в содержании морских организмов. Специалисты по разведению рыб, креветок и медуз также выиграют от этой системы, потому что не будет необходимости в Kreisel для сохранения личинок. Скиммер, как прибор для фильтрации, который был одним из основных столпов морской аквариумистики на протяжении десятилетий, в течение ближайших лет может потерять свои позиции. В конце концов, мы можем вернуться к законам природы и начать полагаться на бактерии и проводимые ими геохимические процессы.

Я не вдавался во все подробности DyMiCo, поскольку цель данной статьи – познакомить читателей с данной технологией и ее возможностями для разведения животных и аквариумистики. Во второй части статьи, я поделюсь некоторыми результатами, полученными при использовании данной технологии в прошлом году. Точнее, я рассмотрю вопрос разведения живого планктона и нескольких морских беспозвоночных, имеющих коммерческое значение.

Первоисточник: advancedaquarist.com            
Переведено специально для ReefCentral.ru            
Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.            
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru    

Количество показов статьи: 4465