Культивирование бурых водорослей в России

В России промышленное культивирование ламинариевых водорослей освоено на Японском (Laminaria japonica) и на Белом и Баренцевом (Laminaria saccharina) морях. На Баренцевом море первая опытно-промышленная ламинариевая плантация была создана в 1983 году. Результаты культивирования были признаны положительными. Урожайность составила 55—60 т/га. Последующие разработки позволили повысить урожайность до 70 т/га. Опытно-промышленное культивирование показало, что ламинариевые хозяйства в условиях Севера способны быть высокорентабельными.

Разработка и совершенствование методов выращивания ламинарии в условиях северных морей России способствовали проведению комплексных исследований биологии Laminaria saccharina. Вдохновителем и организатором этих исследований был В. Н. Макаров, возглавивший работу лаборатории альгологии и марикультуры ММБИ в 1984—1997 гг. В это время были проведены ботанические (Макаров, 1987, 1992; Макаров Шошина, 1996, 1998а, 1998б), цитологические (Воскобойников, Камнев, 1991), биохимические и физиологические (Шмелева, 1986, 1991; Шмелева и др., 1990а, 1990б; Хохряков, 1988; Кузнецов и др., 1998), экологические исследования (Хайлов, Силкин, 1988; Хайлов и др.,1991), основным объектом которых была ламинария сахаристая. Важной чертой проведенных исследований явилось изучение объекта на разных уровнях организации от стадий онтогенеза вида (микроскопического гаметофита и макроскопического спорофита) до популяций и полога ламинарий в условиях плантации.

Потребность в продуктах из водорослей и необходимые объемы культивирования ламинарии. Мировой спрос на вещества и продукты, получаемые из водорослей, расширяется и постоянно увеличиваются объемы переработки. Неуклонно растут и цены как на сырье, так и на продукты и препараты, получаемые из водорослей. Водорослеперерабатывающая промышленность нашей страны находится на весьма низком уровне. В настоящее время она вырабатывает ограниченную как по объему, так и по ассортименту продукцию. Оценить потребность в продуктах, получаемых из водорослей для внутреннего рынка, а следовательно, и объемы сырья, необходимые для их производства, можно лишь приблизительно.

Особую ценность представляет альгиновая кислота и ее соли, единственным источником которых являются бурые водоросли, в частности ламинариевые. Кроме широкого спектра их применения для различных технических нужд в текстильной, бумажной, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности следует подчеркнуть их способность сорбировать и выводить из организма человека и животных радиоактивные вещества, тяжелые металлы и другие токсические вещества. Экологическая обстановка по уровню загрязнения радиоактивными веществами и тяжелыми металлами в ряде районов нашей страны и сопредельных государств (бывшего СССР) остается неблагоприятной. Потребность в альгинатах составляет не менее 500 т/год на 1 млн человек. В нашей стране годовое производство пищевого альгината натрия составляет 35 т, технического около 300 т. Кроме медицины в других отраслях промышленности потребность составляет не менее 10 тыс.т/год. Таким образом, общая потребность в альгинате составляет не менее 15 тыс. т, тогда общий объем необходимого сырья составит 600 тыс. т (по состоянию на начало 90-х годов). Потребность в водорослях только для лечебно-профилактического питания в некоторых районах Мурманской области, где создалась неблагоприятная экологическая обстановка в результате деятельности промышленности (загрязнение тяжелыми металлами, радионуклидами), составляет не менее 20—30 тыс. т в год. Для производства такого количества водорослей потребуется 280—430 га плантаций.

Производство альгинатов — это лишь один из аспектов использования морских водорослей. Значительную ценность представляет также маннит, который используется при консервации крови. Имеются исследования, показывающие, что водоросли являются источником ряда ценных полисахаридов, обладающих противоопухолевой (в том числе злокачественных), гепариновой, радиопротекторной активностью и могут служить в качестве сырья для производства этих ценных медицинских препаратов.

Характеристика экологической безопасности культивирования ламинарии. Используемый для культивирования вид не является чужеродным, это массовый вид Баренцева и Белого морей. Локальная концентрация биомассы ламинарии на плантации при урожайности 70 т/га выше средней биомассы в природных зарослях в 2—2,5 раза, но ниже максимальной биомассы для данного региона в 3—4 раза. Как показал гидробиологический мониторинг, плантация не оказывает отрицательного влияния на окружающие биологические сообщества (Аверинцев и др.,1988). Развитие ламинариевых плантаций позволит в дальнейшем сократить объем ее промысла, что будет способствовать сохранению естественных зарослей, их стабилизации и улучшению экологической ситуации в море в целом. Методы культивирования позволяют восстанавливать деградированные под влиянием промысла заросли водорослей. Способность водорослей утилизировать радиоактивные вещества и тяжелые металлы позволяет использовать плантации в качестве биофильтров, предотвращающих или снижающих загрязнение морских акваторий.

Расширенное воспроизводство морских водорослей путем организации искусственных плантаций является безальтернативной возможностью постепенно удовлетворять спрос на продукцию из водорослей, без обострения экологической ситуации, которая неизбежна при нарастающей интенсификации промысла.

Биотехнология культивирования ламинарии сахаристой. Выращивание ламинарии производится в слое воды от 0,5 до 6—8 м на плантационных установках, представляющих собой систему из синтетических веревок и канатов, закрепленных с помощью якорей из бетонных массивов или каменных глыб весом от 0,5 до 1,5 т и поддерживаемых в толще воды с помощью наплавов. В качестве субстрата для выращивания ламинарии используются веревки, на которые производится посев зооспор ламинарии. Зооспоры ламинарии получают от зрелых спороносных растений, которые отбирают из естественных зарослей или с плантации. Для получения зооспор производится стимулирование их выхода из спорангиев. Процесс стимулирования заключается в выдерживании спороносной ламинарии при определенном режиме вне воды. После окончания стимулирования ламинарию погружают в емкость с морской водой, где в течение часа происходит интенсивный выход зооспор. Полученную суспензию разливают в посевные емкости и доводят ее разбавлением морской водой до расчетной концентрации. Затем в посевную емкость помещают субстраты, которые выдерживают в ней в течение суток. За это время зооспоры успевают осесть и закрепиться на субстратах. После окончания посева субстраты размещаются на плантации. Дальнейшее участие человека в процессе культивирования заключается в регулировании плавучести плантационных установок и поддержании их целостности.

Выбор места для плантации. Установки для выращивания ламинарий следует располагать в полузащищенных бухтах с хорошим водообменом за счет приливо-отливных течений и относительно защищенных от воздействия штормовых волн, с ровным рельефом дна, с глубинами от 10—15 до 30 м, с преобладанием илисто-песчаного грунта (для удержания якорей). Глубина в местах размещения установок должна быть таковой, чтобы исключить касание субстратов грунта. Иначе субстраты будут перепутываться, что затруднит уход за плантацией и приведет к потере урожая. Размещение установок на больших глубинах приведет к их удорожанию и затруднит водолазный контроль за техническим состоянием конструкций. В случае отсутствия опасности срыва установок льдом они могут быть размещены на участках с глубиной 10 м, если такая опасность существует, то установки следует размещать на глубинах 15 м и более, чтобы имелась возможность их притапливать на зимний период.

Подготовка емкостей для посева. Для посева можно использовать любые емкости из нетоксичного материала: ванны из нержавеющих сплавов или пластмассы. Удобными для это цели оказались спасательные плоты типа ПСН-10. Надувной тент защищает субстраты от воздействия прямых солнечных лучей, а тонкое днище обеспечивает температурный режим посевной суспензии, близкой к температуре воды в море. Удобно на плотах транспортировать субстраты к плантации. Для предупреждения интоксикации спор растворимыми веществами, которые могут быть в материале емкости, их тщательно промывают и вымачивают в течение1-2 недель с обязательной сменой воды не менее одного раза в сутки. Еще лучше емкости на этот период полностью погрузить в проточную воду или в море.

Подготовка субстратов заключается в их вымачивании и стерилизации. Вымачивание можно производить в проточной морской или пресной воде, сменяемой не реже одного раза в сутки. Это необходимо для предупреждения интоксикации спор растворимыми веществами, остающимися на капроновом волокне после его производства. Затем субстраты в течение нескольких дне (3—7) стерилизуют для удаления осевших на них микроорганизмов путем подсушивания на солнце или прогрева в воде при температуре 70—80°С в течение -2 часов или кратковременного погружения в кипящую воду. При значительном количестве бактерий на субстратах элиминация ламинарии на ранних стадиях развития резко возрастает (Раилкин и др., 1985), поэтому стерилизации субстратов следует уделять особое внимание.

Отбор маточных растений. Отбираются крупные здоровые растения со зрелыми спороносными пятнами. Спороносное пятно в зрелом состоянии имеет темно-коричневую окраску в проходящем и отраженном свете и заметно выступает над поверхностью пластины. Верхняя часть зрелого пятна может иметь более светлый оттенок в связи с начавшимся выходом спор. Маточные растения необходимо предохранять от воздействия прямых солнечных лучей, от атмосферных осадков и обсыхания, под влиянием которых споры могут быстро потерять жизнеспособность.

Стимулирование выхода зооспор заключается в выдерживании спороносных растений на воздухе. Стимулирование маточных растений проводят на вешалах в прохладном помещении, с оптимальной температурой 100С, допустима температура в пределах 5—15°С, с хорошей естественной или принудительной вентиляцией. Отобранные маточные растения или их части со спороносными пятнами промывают отфильтрованной морской водой и развешивают на вешалах так, чтобы растения не соприкасались. Продолжительность стимулирования зависит от температуры, влажности, подвижности воздуха в помещении и в каждом конкретном случае подбирается определенный режим в результате контроля за динамикой выхода спор. В большинстве случаев хороший выход спор начинается не ранее, чем через 12 часов после начала стимулирования. Длительность стимулирования можно в значительной мере увеличить (до 3—4 суток), если пластины ламинарии после исчезновения капельной влаги скрутить в трубку, проложив бумагой и поместить в холодное помещение при температуре, близкой к 00С.

Техника контроля за выходом спор заключается в следующем. На спороносное пятно у 3—5 растений пипеткой наносится несколько капель морской воды. Спустя 15 мин капли собираются и переносятся на предметное стекло и просматриваются под микроскопом. Обычно контроль ведется при увеличении в 120 раз. Выход спор считается нормальным, если в поле зрения в большинстве капель находится более 100 спор.

Перед проведением посева полезно осуществить контрольное стимулирование ламинарии для определения режима стимулирования и расчета необходимого количества маточных растений. Расчет проводится таким образом. После стимулирования части растений с определенной площадью спороносного пятна помещают в отдельные емкости и заливают морской водой. Через час кусочки вынимают из емкости, а суспезию доводят до определенного объема. С помощью камеры Горяева определяют количество спор в единице объема, подсчитывается среднее количество спор, которое можно получить от одного растения. На основе опыта культивирования известно, что нормальным является посев, когда на 1 мм2 верхней поверхности контрольного стекла насчитывается 50—100 спор (контролем служит предметное стекло, закладываемое вместе с субстратами в посевную емкость). Если предположить, что споры оседают на веревочный субстрат так же, как на стекло, можно определить полезную площадь субстрата, которая равна диаметру субстрата, умноженную на его длину. При длине субстратов, использовавшихся при культивировании ламинарии, равно 5.5 м и диаметре 5 мм, полезная площадь поверхности составит 2.75х104 мм2 и на ней должно находиться 1.4—2.8 млн спор.

Определив, сколько зооспор дает одно растений, можно рассчитать, какое количество растений необходимо для проведения посева на определенное число субстратов. Исследования показывают, что зрелое слоевище ламинарии сахаристой при правильно проведенном стимулировании может давать около 130 тыс. спор с 1 мм² спороносного пятна. Средняя площадь спороносного пятна составляет 50—60 тыс. мм². Следовательно, одно растений дает около 65х108—78х108 спор, что достаточно для посев засева 2300—2500 субстратов длиной 5.5 м. Однако добиться столь высокого выхода спор не всегда удается. Кроме того, часть спор оседает на дне и стенках емкости, в которой производится посев, часть спор не закрепляется на субстрате, поэтому приходится увеличивать количество маточных растений по отношению к теоретически рассчитанной величине в 10—20 раз.

Посев спор на искусственные субстраты. Сразу после окончания стимулирования производится посев спор на заранее подготовленные веревочные субстраты. В наших экспериментах в качестве субстрата наилучшими оказались 5-метровые отрезки капронового сеточника диаметром 5 мм. Посев спор можно проводить различными способами. Наиболее простым является способ, когда субстраты и стимулированная ламинария укладывается в емкости для посева слоями и заливается морской водой. Однако этот способ не позволяет учесть концентрацию осевших спор, что ведет к нестабильности результатов посева. Второй, часто применяемый способ, предусматривает предварительное получение суспензии спор и доведение ее до расчетной концентрации, после чего в суспензию спор опускаются заранее подготовленные субстраты. Этот способ более экономичен, так как позволяет полно и эффективно использовать маточный материал и регулировать концентрацию осевших спор.

Иногда используется посев на промежуточные субстраты с последующей пересадкой проростков. В качестве субстрата часто применяют резиновые полосы. После того как проростки достигнут не менее 15—20 см длины, их снимают с резиновых полос. Полученная рассада вплетается между прядями капроновой веревки пучками по 3—5 экземпляров через каждые 10 см. Процесс пересадки весьма трудоемок, однако в результате оптимального распределения водорослей на субстрате обеспечиваются высокие урожаи. В качестве промежуточного субстрата можно использовать капроновые нити, которые наматываются в один слой на специальные рамы. После того как ламинария на нитях достигнет в длину 2—5 мм, нити наматываются на основные капроновые веревки или отрезки нитей длиной 3—5 см вставляются между прядями веревки через каждые 10 см. Ламинария, растущая на нитях, вскоре прочно прикрепится к основным субстратам.

Разработан и апробирован точечный способ посева спор ламинарии, дающий возможность добиться оптимального распределения водорослей на субстрате и избежать трудоемкой пересадки растений с промежуточных субстратов на основные. Он заключается в следующем. Капроновая веревка плотно, в один слой наматывается на квадратные катушки (деревянные бруски со стороной квадрата 10 см). Катушки вместе с веревкой смачиваются морской водой, и каждая грань катушки вместе с веревкой опускается на несколько секунд в суспензию со спорами. Затем катушки со спорами на веревках помещаются во влажные камеры, представляющие собой емкость с плотно закрывающейся крышкой, на дно которой налито немного воды и установлены опоры для катушек так, чтобы они не касались воды. В таких влажных камерах не происходит высыхания субстратов. Таким образом обеспечивается засев спорами только определенных участков субстрата, в данном случае с шагом 10 см. Точечный посев можно осуществлять с помощью автоматической капельницы, заряженной суспензией спор путем протягивания под капельницей капроновой веревки с заданной скоростью. Точечный способ позволяет обходиться относительно небольшим количеством маточного материала и избежать плотных посадок. Опыты показали, что от одного спороносного растения можно провести посев на 3—4 тыс. субстратов (5-метровые отрезки капроновой веревки).

Контроль за ходом посева можно проводить тремя способами. При первом способе периодически просматриваются предметные стекла, заложенные вместе с субстратами и подсчитывается количество спор на единице площади. Второй способ предусматривает контроль за количеством спор на капроновом волокне субстрата. При третьем способе учитывается изменение количества спор в посевной суспензии.

Осевшие споры через 1—2 дня хорошо закрепляются, и субстраты можно помещать в море на установки для выращивания ламинарии. Перевозить субстраты к установкам необходимо в емкостях с морской водой.

Уход за плантацией. Первый год выращивания. После размещения субстратов с веревками на морских установках необходимо проводить периодический осмотр и уход за ними.

В районах, где образуется ледяной покров, перед ледоставом установки необходимо заглубить, чтобы предупредить их повреждение при подвижке льда. Весной, как только море освободится ото льда, необходимо сразу же поднять установки к поверхности моря.

Когда проростки достигнут длины 10—15 см, можно приступать к их прореживанию и пересадке. Одновременно с субстратов удаляется и основная масса организмов-обрастателей. Субстраты, на которых проростки отсутствуют или их очень мало, следует снять с установки и на их место закрепить новые, с вплетенными проростками. Пересадка ламинарии производится пучками по 3—5 экземпляров через каждые 10 см. Для пересадки желательно подбирать растения на одном субстрате приблизительно одинаковых размеров. При прореживании и пересадке необходимо предохранять проростки от прямых солнечных лучей и высыхания.

Наиболее крупные растения с высокими темпами развития следует пересаживать на отдельные субстраты для создания маточного фонда. При снятии рассады с субстратов и пересадке необходимо обращаться с растениями осторожно, чтобы избежать повреждений.

В летний период субстраты с проростками периодически очищают от обрастателей. Когда ламинария на субстратах достигнет длины 20 см, обрастателей можно не удалять, так как на растения такого размера они не оказывают существенного влияния.

Техническое обслуживание установок плантации производится согласно инструкции по их эксплуатации.

Второй год выращивания ламинарии. Уборка урожая. В тех районах, где образуется ледяной покров, осенью установки заглубляются для предупреждения их повреждения при подвижках льда, а весной после схода льда они вновь поднимаются к поверхности. В зимних условиях в районах с образованием ледового покрова никаких работ на плантации не производится. В районах, свободных ото льда, установки не заглубляются на зимний период. В течение зимы ведется технический контроль за состоянием установок после сильных штормов. Проводить работы на плантации в зимний период чрезвычайно сложно, поэтому следует ограничиться ремонтными работами при серьезных повреждениях плантации.

Уборку урожая с плантации можно начинать со второй половины июля. К этому времени ламинария достигает кондиционных размеров и массы и на ней практически отсутствуют обрастатели. Ламинария в это время представляет собой высококачественное сырье. Для получения более высокого урожая сбор ламинарии можно проводить в начале осени, когда масса растений достигает наибольшей величины, но к этому времени на пластине появляется значительное количество обрастателей, и качество сырья ухудшается. При более позднем сборе ламинарии неизбежны потери урожая.

На третий год остается только небольшая часть плантации, на которой выращиваются маточные растения для получения высококачественного спороносного материала.

После снятия урожая субстраты и горизонтальные канаты очищаются. Выборочно проверяется прочность всех элементов конструкции установок и делается заключение о возможности их повторного использования.

Совершенствование биотехнологии выращивания ламинарии. Одним из путей совершенствования биотехнологии выращивания ламинарии заключается в переходе на одногодичное выращивание в условиях плантации. Одногодичное культивирование ламинариевых водорослей, применяемое в практике водорослеводческих хозяйств в странах юго-восточной Азии (Японии, Китае, Северной Корее), а также внедряемое в Советском Приморье основано на выращивании рассады ламинарии в регулируемых условиях наземных бассейнов и последующей пересадки рассады на плантационные субстраты. Данный способ требует значительных капитальных затрат, сложного оборудования, и относительно больших энергозатрат на поддержание температурных и световых условий.

В лаборатории альгологии и марикультуры ММБИ была показана возможность и целесообразность использования проростков ламинарии сахаристой из естественных зарослей, что позволяет сократить сроки плантационного выращивания от 5 месяцев до одного года.

Кроме того был разработан метод условно-одногодичного культивирования ламинарии сахаристой с использованием компактных субстратов. Предлагаемый нами метод компактных субстратов для культивирования ламинарии позволяет сократить время плантационного выращивания ламинарии до одного года и при этом отказаться от использования дорогостоящего, требующего квалифицированного обеспечения энергозатратного оборудования. Компактные субстраты, разработанные сотрудниками лаборатории альгологии, были изготовлены кооперативом «Плантация» и для испытания на гидродинамические воздействия установлены на экспериментальной установке в губе Дальнезеленецкая (Баренцево море) осенью 1990 года. Конструктивно субстрат представляет собой плотно упакованный в форме параллелепипеда полипропиленовый канат, уложенный ровными рядами, зафиксированный с помощью двух деревянных щитов плотно стянутых с помощью стальных шпилек с резьбою и гайками на концах. В одном компактном субстрате упаковано 750 метров полипропиленового каната окружностью 30 мм. Масса сухого субстрата около 70 кг. Испытания показали, что конструкция субстратов отвечает требованиям прочности, так как выдержала многократные значительные гидродинамические нагрузки, находясь под влиянием сильных штормов. При этом каких-либо повреждении грозящих целостности субстратов не обнаружено. Были отмечены некоторые технические недостатки данной конструкции субстратов, которые будут учтены при дальнейшей их доработке и разработке новых.

Другое направление совершенствования биотехнологии выращивания ламинарии, также успешно развиваемое в лаборатории альгологии и марикультуры ММБИ, заключается в получении культуры гаметофитов, которую можно использовать для посева в любое время года, вне сроков естественного спороношения ламинарии.