Строительство замкнутой биологической системы: осетр + клубника

Основная цель проводимого эксперимента –  проверить точность математической модели, описывающей замкнутую экосистему по питательным элементам. Изложенный ниже материал дополнительно отредактирован для широкого круга читателей, исключены формулы и сложные описания.

Общий вид экспериментальной установки:

• в белом пластиковом бассейне жила сотня сибирского осетра (“Ленский” осетр), слева была расположена гидропонная установка (с колеблющимся уровнем воды) для выращивания салатов, клубники или томатов, справа – система фильтров и баллон с сжатым кислородом;
• в песочном фильтре вместо песка использовались пластиковые гранулы, основная цель которых заключалась в возможности заселения их нитрифицирующими бактериями, а также для задержки взвешенных частиц, нерастворенных в воде, размером более чем 100 микрон. Такой модифицированный фильтр является одновременно и биофильтром, и механическим фильтром. Во избежание образования застойных зон (анаэробных) и закупорки биофильтра, часто проводилась обратная промывка фильтра;
• производилось отстаивание промывочной воды и использование твердого осадка для компоста;
• была установлена система аварийной сигнализации (собрана из охранной сигнализации), которая передавала сигнал на сотовый телефон главного разработчика. Ко входным реле подключены три датчика: наличие электричества в офисе, концентрация кислорода в воде и уровень воды в бассейне с рыбой.

Разработал и собрал установку Краснобородько В.В. в 1993 году.

Перед началом эксперимента были выбраны параметры воды, которые необходимо было поддерживать в течение опыта:

1. Для осетра:

– максимальная концентрация аммиака, мг/л;
– максимальная концентрация общего аммония (была вычислена, зная pH и температуру воды), мг/л;
– максимальная концентрация нитрита, мг/л;
– максимальная концентрация нитрата, мг/л;
– максимальная концентрация нерастворенных взвешенных частиц, мг/л;
– максимальная концентрация углекислого газа, мг/л;
– минимальная концентрация кислорода, мг/л;
– температура воды, С;
– диапазон pH воды (с учетом потребности растений);
– диапазон щелочности воды (был вычислен с учетом зависимости от pH и от CO2), мг/л как CaCO3;
– диапазон жесткости воды, мг/л как CaCO3.

2. Для клубники:

– максимальная концентрация растворенных веществ, мг/л;
– оптимальные концентрации макро и микроэлементов: Ca, Mg, K, N (как NO3), P (как PO4), S (как SO4), Cl, Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo.

3. Для корректировки pH воды применялись: KOH, CaO, Ca(OH)2  (как известно, продукты жизнедеятельности рыб понижают pH, а растения, наоборот, повышают. В данном случае окислительные процессы доминировали).

Первые опыты с интеграцией аквариума и клубники

Результаты эксперимента

Был накоплен большой экспериментальный материал, включающий в себя: динамику основных питательных элементов (NO3, PO4, SO4, K, Ca и Mg), поступающих с кормом для рыб и аккумулировавшихся в рыбе, растениях и твердых отходах. Вода в результате этого эксперимента никуда не выливалась, а повторно использовалась. Потери воды состояли только из испарения. Корректировка pH осуществлялась два раза в день (особенно в конце опыта, когда биомасса осетра значительно возросла),  корректировка же микроэлементов – раз в неделю. Макроэлементы не добавлялись, т.к. поступали с кормом для рыб, кроме калия и кальция, которые добавлялись в виде гидроксидов в зависимости от того, чего не хватало.

Математическая модель поведения такой биосистемы в конце опыта была доведена до совершенства. Удавалось даже без дорогостоящих тестов достаточно точно предсказывать текущие концентрации макроэлементов в воде, количество гидроксидов, необходимых для корректировки pH воды, а также некоторых микроэлементов.

Важность непрерывного контроля

Эксплуатация подобных замкнутых систем (с оборотным водоснабжением) требует обязательного присутствия обученного оператора в течение 24 часов. Это важно для быстрого устранения поломок в системе жизнеобеспечения рыб. Если плотность посадки рыб большая (автор доводил до 400 кг/м3) – для достижения максимального урожая и уменьшения расходов на отопление помещения, то возрастает  вероятность поломки узлов вашей установки. Например, при прекращении снабжения рыбы кислородом, вы рискуете через 20 минут лишиться всего поголовья рыбы!

Критичный интервал времени:

Счет идет на минуты	Отсутствие электричества, падение уровня воды в бассейнах, прекращение аэрации воздухом или чистым кислородом
Счет идет на часы	Температура, CO2, pH
Счет идет на дни	Щелочность воды, Аммоний – Аммиак, Нитрит, Нитрат

Взгляд на проектирование биосфер

Эксплуатация системы, в которой совместно выращивается рыба и сельскохозяйственные растения – очень сложное дело, требующее  знаний из трех совершенно разных, на первый взгляд, областей науки. Это аквакультура (рыбоводство),  гидропоника (тепличное хозяйство) и микробиология (культивирование бактерий в биофильтре). Животные, растения и бактерии – вот эти три действующих “лица” в любой замкнутой биологической системе, которые живут в симбиозе друг с другом. Первое описание такого совместного сосуществования дал в прошлом веке В. И. Вернадский и назвал его “Учение о Биосфере“!

Однако не все так сложно, как кажется на первый взгляд. Организмы, живущие на Земле, довольно трудно уничтожить, по крайне мере, простые формы жизни. Если описать поведение таких трех китов как: животные,  растения и бактерии или, назовем их по-другому, потребители, производители и деструкторы, то получиться дифференциальное уравнение 2-го порядка, которое не имеет прямого решения. Но мы то знаем, что жизненные формы живучи, более того, способны подстраиваться под изменяющиеся условия окружающей среды, поэтому незачем стараться учитывать все химические элементы, а достаточно сконцентрироваться на так называемых “маркерах”. По остальным химическим элементам система сама себя приведет в равновесие. Поэтому уравнение упрощается и становится вполне решаемым. В этом и заключается основная идея математической модели Краснобородько Василия. Благодаря такому подходу, удалось довольно точно рассчитывать полностью замкнутые системы и разработать методику производства запаянных живых аквариумов.

Возможно посмотрев примеры живых аквариумов, вы спросите, почему производятся только такие маленькие аквариумы с креветками, а не с рыбками? Ответ простой, что бы создать полностью замкнутую систему для маленькой рыбки, то потребуется объем минимум 200 литров воды. Собирать придется в лабораторных условиях, а взять аквариум домой будет проблематично – весить будет 200 кг.

Пример с домашним аквариумом

Зачем нужна данная технология

Для выращивания теплолюбивых видов рыб важным критерием является температура воды. В нашей климатической зоне  (Латвия) при обычном способе (например, садковый) можно выращивать осетра только 4-5 месяцев в году. Все остальное время осетр не питается и, соответственно, не растет. Поэтому он вырастает от 3 граммового малька до товарного веса 1 кг за 2- 3 года. Оптимальной температурой для роста осетра является 20°С-24°С. Подогревать воду на осетровом заводе – это тупик. Невозможно подогреть 200 м3/ч воды с 10°С до 24°С – для этого не хватит и целой электростанции!

Единственный выход из этого положения: сделать высокую посадку осетров в бассейнах и не использовать воду из реки, а очищать и не выпускать теплую воду из системы (осетр + клубника). Тогда можно всю установку разместить в отапливаемом помещении и держать температуру 20°С-24°С. Предварительные результаты показали, что можно получать до 80 кг осетра с м2 бассейна глубиной 1 м в год и 10 кг клубники с этой же площади. Осётр –  хищник, поэтому  корни растений не представляют для него интереса.

Себестоимость осетра при таком способе падает в несколько раз! Значит можно создать производство рыб на основе такой технологии. При способе выращивания в установках замкнутого водоснабжения достигается малый расход комбикорма – на 1 кг осетра расходуется 1,5 кг комбикорма, против 3 кг комбикорма при прудовом выращивании. Почему это так, понять не сложно: при прудовом разведении рыб у вас есть период зимовки, когда температура воды становиться низкой. Рыба перестает питаться и, соответственно, не набирает вес, а худеет. Летом вы ее кормите, а зимой она худеет. В замкнутой системе вы можете держать температуру воды теплой, и у вас нет периода зимовки. Рыба ест, набирает вес, расход корма получается ниже в 2 раза! Ни один рыбхоз не сможет конкурировать.

Видеоролик на youtube.com

строительство