آبزی‌پروری و اهمیت آن

آبزی‌پروری فرآیند کنترل‌شده‌ای از پرورش موجودات آبزی به‌خصوص برای مصرف انسان است. این مفهوم مشابه به کشاورزی است، اما در این فرآیند ماهی جایگزین دام و گیاهان می‌شود. مزارع پرورش ماهی در قفس زیرمجموعه صنعت آبزی‌پروری هستند. محصولات این صنعت، غذاهای دریایی است که در فروشگاه مواد غذایی با برچسب ماهی یا میگوی پرورشی در اختیار شما قرار می‌گیرد. پرورش آبزیان در سراسر جهان به شکل‌های مختلف در آب‌های ساحلی و دریاها، دریاچه‌ها و سدها، حوضچه‌ها و رودخانه‌های آب شیرین و حتی در مخازن در حال انجام است [1].

با توجه به افزایش بیش از حد ماهیگیری و صیدهای بی‌رویه در اقیانوس‌ها و محدودیت سایر منابع غذایی، انسان‌ها به منابع جایگزین از جمله غذاهای دریایی برای تغذیهٔ جمعیت رو به رشد زمین نیاز دارند. در حال حاضر صید سالانه آبزیان از حد خود فراتر رفته است. اقیانوس‌ها به‌طور طبیعی نمی‌توانند تقاضا برای این حجم از غذاهای دریایی را فراهم کنند، اینجاست که آبزی‌پروری به کمک ما می‌آید. آبزی‌پروری صنعتی است که نه تنها وجودش لازم است، بلکه گزینه‌ای پایدار برای مصرف‌کنندگان به‌ویژه در مقایسه با دیگر مواد پروتئینی موردنیاز انسان است [1].

با پیش‌بینی جمعیتی معادل ۱۰ میلیارد نفر تا سال ۲۰۵۰ در جهان، تقاضا برای پروتئین حیوانی ۵۲٪ افزایش خواهد یافت. رویکردهای پایدار، سازگار با محیط‌زیست و سالم برای تغذیه جهان، ضروری‌تر از هر زمان دیگری است. به‌منظور تغذیه پایدار جمعیت رو به رشد جهان با پروتئین سالم و بدون چربی، نقش آبزی‌پروری بیش از پیش اهمیت پیدا می‌کند. اصلی‌ترین مسئولیت صنعت آبزی‌پروری، افزایش منابع غذاهای دریایی قابل‌دسترس در سراسر جهان با روشی کارآمد برای صید ماهی‌هایی است که در طبیعت پرورش یافته‌اند [1, 2].

پرورش ماهی شامل چهار مرحلهٔ عمده است. اولین مرحله، آماده‌سازی محیط پرورش است. دوم، پرورش ماهی‌های بندانگشتی و کوچک، سوم پرورش کلی و چهارم، پرواربندی است. هرکدام از این مراحل از اهمیت خاص خود برخوردار بوده و نیاز به مراقبت‌ها و رسیدگی‌های خاص دارد [1].

تولید بهینه ماهی و آبزیان به میزان زیادی به کیفیت فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آب بستگی دارد. از این رو، آنچه امروز در صنعت آبزی‌پروی موفق مورد اهمیت است، نیاز به درک صحیح از کیفیت آب و به وجود آوردن یک محیط‌زیست و رشد بهینه برای پرورش آبزی است. این مهم شامل استخر با شرایط و عمق مناسب، آب سالم و با کیفیت همراه با برنامه تغذیه مناسب است که با جلوگیری از بیماری و مرگ‌ومیر آبزی، یک تولید اقتصادی مناسب را در بر خواهد داشت. کیفیت آب توسط متغیرهایی مانند اکسیژن کافی، درجه حرارت مناسب، شفافیت، کدورت و رنگ آب، دی‌اکسید کربن، pH، قلیاییت، سختی، آمونیاک محلول، نیتریت، نیترات، BOD، جمعیت پلانکتونی، سطوح محدودی از متابولیت‌ها و دیگر عوامل محیطی مؤثر بر کشت آبزی مشخص می‌شود [1].

ماهی‌ها و آبزیان هیچ نوع تغییری در محیط خود را دوست ندارند؛ بنابراین هر تغییری به ماهی، تنش وارد می‌کند و هرچه تغییرات بیشتر و سریع‌تر باشند، تنش بیشتر خواهد بود؛ بنابراین حفظ تمام عوامل برای رسیدن به حداکثر عملکرد در یک حوضچه پرورش آبزی بسیار ضروری است [1].

چالش افزایش تولید در آبزی‌پروری: کیفیت آب

بسیاری از تولیدکنندگان آبزیان به دلایل بسیاری از جمله محدودیت‌های مکان‌های عملیاتی پرورش آبزیان و هزینه بالای راه‌اندازی آن‌ها به دنبال افزایش پایدار نرخ تولید سیستم‌های آبزی‌پروری هستند. افزایش بهره‌وری، کنترل زیست‌محیطی بیشتر، امنیت زیستی مؤثرتر و بهبود عملکرد اقتصادی سامانه آبزی‌پروری از اهداف موردتوجه در افزایش پایدار نرخ تولید و پرورش آبزیان است [2].

برای افزایش نرخ تولید و پرورش آبزیان در یک مزرعه با مساحت مشخص محدودیت‌هایی وجود دارد که یکی از کلیدی‌ترین آن‌ها، کیفیت آب مورداستفاده است. از میان تمام ویژگی‌های آب مورداستفاده در سامانه پرورش آبزیان، غلظت اکسیژن محلول در آب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. اهمیت اکسیژن در پرورش آبزیان به حدی است که گاهی گفته می‌شود که اکسیژن به اندازه غذا برای آبزیان اهمیت دارد. غلظت اکسیژن محلول در آب به عوامل مختلفی همچون دما، شوری آب و… بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال غلظت اکسیژن محلول در آب سرد بیش از آب گرم است. اکسیژن محلول در استخرهای پرورش ماهی‌های گرمابی مقداری بین 2 تا 12 میلی‌گرم در لیتر دارد. غلظت اکسیژن محلول در طول شبانه‌روز از یک الگوی ثابت پیروی می‌کند به نحوی که با طلوع خورشید و در طول روز با فعال بودن فتوسنتز پلانکتون‌ها، غلظت اکسیژن محلول افزایش می‌یابد و در شب، خود پلانکتون‌ها در کنار دیگر موجودات آبزی به مصرف‌کننده اکسیژن تبدیل می‌شوند و همین امر موجب می‌شود که غلظت اکسیژن محلول در آب کاهش یابد. کمترین غلظت اکسیژن محلول در آب مربوط به دقایقی پیش از طلوع آفتاب است. بسیاری از آبزیان در غلظت اکسیژن بین 5 تا 12 میلی‌گرم در لیتر به آسودگی زندگی می‌کنند اما با کاهش غلظت اکسیژن به کمتر از 4 میلی‌گرم در لیتر، حیات و رشد و نمو آن‌ها با خطر مواجه می‌شود [2].

کاهش غلظت اکسیژن به آبزیان تنش وارد می‌کند، رشد و تغذیه آن‌ها را کاهش می‌دهد و آن‌ها را در برابر عوامل بیماری‌زا، آسیب‌پذیر می‌کند. در شرایط حاد این امر می‌تواند به مرگ کامل یک دسته از آبزیان پرورشی، منجر شود. برای افزایش تولید آبزیان، از روش‌های مختلفی اقدام به هوادهی می‌کنند. روش‌های سنتی هوادهی اغلب مکانیکی است که طی آن‌ها یا از طریق پره‌هایی که در آب حرکت می‌کنند و یا بهره‌گیری از انواع مختلف پمپ‌ها، سعی می‌شود که هوا درون آب حل شود [2].

بسیاری از روش‌های سنتی هوادهی، غلظت اکسیژن را در سطح آب افزایش می‌دهند. این بدان معناست که غلظت در عمق استخر پرورش آبزیان کمتر است و از این رو آبزیان در سطح استخر تجمع می‌کنند. این امکان برای برخی آبزیان مانند میگو میسر نیست و از این رو این روش‌ها برای این دسته از آبزیان، پاسخگو نخواهد بود. این در حالی است که تجمع آبزیان روی سطح آب نیز مشکلاتی را در رشد و پرورش آن‌ها ایجاد می‌کند؛ بنابراین دو نکته که در رابطه با اکسیژن باید موردتوجه قرار گیرد یکی غلظت مناسب آن در کل شبانه‌روز و کل دوره پروش آبزیان و دیگری توزیع یکنواخت غلظت اکسیژن در تمام حجم محیط پروش آبزیان است. از این رو شرکت‌های مختلفی در سطح جهان به دنبال ارائه روش‌های هوادهی هستند که قابلیت اطمینان بالاتر، ایمنی بیشتر و بازدهی بالاتری داشته باشد. یکی از روش‌های نوین افزایش اکسیژن محلول در آب، فناوری نانوحباب است [2].

نانوحباب و روش‌های تولید نانوحباب

به‌طورکلی حباب‌های موجود در آب به سه دسته تقسیم می‌شوند: حباب‌های معمولی یا ماکرو حباب‌ها، میکرو حباب‌ها و نانوحباب‌ها. قطر ماکرو حباب‌ها از 100 میکرومتر تا 2 میلی‌متر است. این حباب‌ها خیلی سریع به سطح آب می‌آیند و متلاشی می‌شوند. میکرو حباب‌ها کوچک‌تر هستند و قطر آن‌ها بین 1 تا 100 میکرومتر است. این حباب‌ها در آب منقبض می‌شوند و در نهایت در آن حل می‌شوند [3].

در مقایسه با این دو دسته از حباب‌ها، نانوحباب‌ها، بسیار ریز هستند و خواص منحصربه‌فردی دارند که آن‌ها را از دیگر حباب‌ها متمایز می‌کند. نانوحباب‌ها قطری کمتر از 1 میکرومتر دارند. این حباب‌ها در آب حرکت براونی دارند و به دلیل بویانسی کمتر می‌توانند مدت زمان زیاد در آب معلق بمانند و این قابلیت را دارند که خواص آب را تحت تأثیر قرار دهند [3].

 مقایسه پایداری انواع مختلف حباب‌های موجود در آب [3].

از دیگر ویژگی‌های نانوحباب‌ها باردار بودن آن‌هاست. باردار بودن این حباب‌ها موجب می‌شود که یکدیگر را دفع کنند و به هم نپیوندند تا بزرگ شوند و پایداری آن‌ها کاهش یابد. فشار درون نانوحباب‌ها بسیار بالاست. همین فشار بالا موجب می‌شود که در صورت متلاشی شدن حباب، امواج صوتی با انرژی بسیار بالایی ایجاد شود. این امواج می‌توانند ترکیبات فعالی همچون رادیکال‌های آزاد تولید کنند. این ترکیبات فعال می‌توانند ترکیبات آلی هم چون قارچ‌ها، جلبک‌ها، باکتری‌ها و دیگر عوامل بیماری‌زا را از بین ببرند. سطح ویژه بسیار بالا یکی دیگر از تمایزهای نانوحباب‌ها با حباب‌های بزرگ‌تر است [4, 5]. مقایسه ویژگی‌های انواع مختلف حباب در جدول 1 آمده است.

جدول 1- مزایای نانوحباب در مقایسه با میکروحباب و ماکروحباب [4]

روش‌های مختلفی برای تولید نانوحباب وجود دارد که در دوسته کلی قرار می‌گیرند [3]:

• انحلال و سپس آزادسازی گاز[1]: در این روش‌ها ابتدا گاز در فشار بالا در آب حل می‌شود و یک محلول فوق اشباع ایجاد می‌کند. سپس به روشی همچون کاهش فشار، گاز محلول در آب به‌صورت حباب‌های خیلی ریز، در آب تولید می‌شود.
• روش گاز پخش شده[2]: در این روش‌ها گاز و آب طی یک فرایند و با صرف انرژی، با هم مخلوط می‌شوند و شرایط به نحوی کنترل می‌شود تا حباب‌های نانومتری ایجاد شوند. روش‌های مبتنی بر غشا در این دسته قرار می‌گیرند.

مزیت‌های نانوحباب در آبزی‌پروری

بسیاری از روش‌های هوادهی مکانیکی که در آبزی‌پروری استفاده می‌شوند، حباب‌های بزرگ یا ماکروحباب از هوا یا اکسیژن تولید می‌کنند که قطر آن‌ها 0.3 سانتی‌متر یا 3.000.000 نانومتر است. به دلیل نیروی بویانسی، این حباب‌ها به سطح آب مهاجرت می‌کنند و از این رو تأثیر بسیار کمی در افزایش غلظت اکسیژن در آب دارند. حتی زمانی که میکرو حباب‌ها تولید می‌شوند که قطر آن‌ها 10.000 نانومتر است تا به کمک آن‌ها غلظت اکسیژن در آب افزایش یابد، تنها چند ثانیه پایدار هستند که بدان معناست که انتقال اکسیژن به محیط پروش آبزیان به نحو بهینه‌ای صورت نگرفته است [2].

برای افزایش انتقال اکسیژن به آب از طریق حباب‌های هوا یا اکسیژن، سامانه‌های تولید نانوحباب، توسعه یافته است. این سامانه‌ها می‌توانند هر نوع گازی را به‌صورت حباب‌های خیلی ریز به آب اضافه کنند. اندازه حباب‌ها در این سامانه‌ها کمتر از 200 نانومتر است. اندازه بسیار ریز این حباب‌های موجب می‌شود که به سمت سطح حرکت نکنند و در عوض حرکت براونی در آب داشته باشند. این امر موجب می‌شود که توزیع این نانوحباب‌ها در استخرهای پرورش آبزیان به‌صورت یکنواخت باشد و غلظت اکسیژن نزدیک به سطح آب و در کف استخر تقریباً یکسان باشد. در نتیجه آبزیان در کل حجم استخر می‌توانند رشد و تغذیه انجام دهند [2].

بررسی‌ها نشان می‌دهد که نانوحباب‌های هوا و اکسیژن به ترتیب 10 و 15 روز در آب پایدار هستند و از این رو یک روش بهینه برای افزایش غلظت اکسیژن محلول در آب محسوب می‌شوند. از طرف دیگر فروپاشی نانوحباب‌ها موجب تشکیل رادیکال‌های آزاد فعال می‌شود که می‌تواند ترکیبات آلی را اکسید کند که عاملی در جهت افزایش کیفیت آب در سامانه‌های آبزی‌پروری بسته است [2]. سامانه‌های نانوحباب‌ساز علاوه بر سیستم‌های بسته در سیستم‌های پرورش ماهی در قفس هم قابلیت استفاده دارند (شکل 2).

علاوه بر مزیت‌هایی که عنوان شد، نانوحباب‌ها تأثیرات مثبت دیگری بر آبزی‌پروری دارند که در ادامه بیان می‌شود.

1- 1 استفاده از نانوحباب برای انتقال آبزیان زنده

استفاده از نانوحباب‌ها در مخازن انتقال آبزیان زنده موجب می‌شود که درصد مرگ‌ومیر حین انتقال به نحو محسوسی کاهش یابد و بتوان تعداد بیشتری از آبزیان در واحد حجم را منتقل کرد و یا آبزیان را به‌صورت زنده تا مسافت‌های دورتری انتقال داد [6].

1- 2 استفاده از نانوحباب برای مدیریت سلامت آبزیان

بررسی‌ها نشان می‌دهد که نانوحباب‌های اوزون هم‌زمان هم می‌توانند عوامل بیماری‌زای موجود در آب را از بین ببرند و هم سطح اکسیژن محلول را افزایش دهند. از این رو استفاده از نانوحباب‌های اوزون می‌تواند در مدیریت سلامت آبزیان نقش به سزایی داشته باشد. به‌عنوان مثال حضور نانوحباب‌ها با دمای بالا در بافت بدنی ماهی موجب می‌شود که رگ‌های ماهی منبسط شوند. انبساط رگ‌ها موجب می‌شود که اکسیژن بیشتری به آبشش ها برسد که این موضوع نقشی کلیدی در عملکرد فیزیولوژیکی و سلامت ماهی دارد [6].

1- 3 تأثیر نانوحباب‌ها بر فیزیولوژی آبزیان

پژوهش‌ها اثبات کرده است که نانوحباب‌ها می‌توانند به لایه‌های زیرین بافت آبزیان نفوذ کنند. حضور نانوحباب‌ها درون بافت آبزیان اثرات مثبتی بر رشد و پرورش آبزیان دارد [6].

شکل 2 نمونه صنعتی سامانه نانوحباب برای پرورش ماهی در قفس [2].

————————————————–

[1] Dissolving–releasing gas

[2] Dispersing gas method

نمونه هایی از برخی نانومحصولات داخلی

در زمینهٔ فناوری نانوحباب شرکت‌های مختلفی در کشور فعالیت می‌نمایند که در ادامه معرفی می‌شوند.

1- 1 شرکت نانوحباب انرژی (دانش‌بنیان و نانویی)

شرکت نانوحباب انرژی در دستیابی به دانش فنی تولید حباب‌های بسیار ریز به‌منظور بهره‌مندی از فناوری‌های پیشرفته با کارایی بالا و هزینه‌های عملیاتی پایین در صنایع مختلف از قبیل آب و فاضلاب، محیط‌زیست، آبزی‌پروری، کشاورزی و صنایع غذایی موفق به طراحی و ساخت ژنراتورهای صنعتی میکروحباب، میکرونانوحباب و نانوحباب برای گازهایی از قبیل هوا، اکسیژن، ازن، نیتروژن و دی‌اکسید کربن شده است.

1- 1-1  اکسیژن‌رسانی پیشرفته در آبزی‌پروری با دستگاه‌های نانو اکسیژن واتوکس

فناوری نانوحباب به‌عنوان نسل جدید سیستم اکسیژن‌رسانی، نقش ویژه‌ای را در کاهش تلفات و افزایش میزان تولید در واحد سطح دارد. در ژنراتورهای نانوحباب ساخت شرکت نانوحباب انرژی راندمان انتقال اکسیژن به داخل آب بسیار بالا است به‌طوری‌که بهره‌برداری از حداکثر ظرفیت را از طریق حباب‌های نانو به‌عنوان منابع اکسیژن غوطه‌ور در داخل آب فراهم می‌کند. این ژنراتورها با تولید میلیاردها نانوحباب سبب افزایش بسیار زیاد مساحت فصل مشترک گاز و مایع می‌شود. تلاطم پایین در نفوذ اکسیژن از درون نانوحباب‌ها به محیط باعث پایداری بیشتر میزان اکسیژن محلول شده و خطر افت ناگهانی آن را در شب کاهش می‌دهد.

از ژنراتور نانواکسیژن واتوکس می‌توان در استخرهای پرورشی، پرورش ماهیان سردابی، گرمابی و میگو، پرورش متراکم دور از ساحل، محل‌های تخم‌ریزی و سیستم‌های مداربسته استفاده کرد. ژنراتور نانو اکسیژن واتوکس ساخت شرکت نانوحباب انرژی است.

1- 2 نانوفناوری سراج

شرکت نانوفناوری سراج طراح، توسعه‌دهنده و سازنده انواع ژنراتورهای آزمایشگاهی، نیمه‌صنعتی و صنعتی نانوحباب‌ساز است که استفاده از آن در طیف وسیعی از فرآیندهای عاری از مواد شیمیایی کاربرد دارد.

امکان بهبود رشد آبزی، افزایش تراکم و کاهش هزینه‌های جاری در سیستم هوادهی و اکسیژن‌رسانی از مزیت‌های ژنراتور نانوحباب‌ساز شرکت نانوفناوری سراج در زمینه آبزی‌پروری است. این ژنراتور امکان بهبود ضریب انتقال اکسیژن (نسبت به سیستم‌های دیفیوزر و ونتوری)، بهبود کیفیت آّب با از بین بردن پاتوژن‌ها و نسبت تبدیل غذا به وزن آبزی را با کمترین هزینه فراهم می‌آورد. این ژنراتورها با ویژند NANOX به بازار عرضه شده است .

نانوحباب‌ساز NANOX 1 به ظرفیت 1000 لیتر در ساعت و نانوحباب‌ساز NANOX 2 به ظرفیت 5000 لیتر در ساعت بوده و  قابلیت غنی‌سازی اکسیژن محلول در این دو دستگاه تا ppm 45 است. مصرف گاز اکسیژن در آن‌ها بسته به میزان اکسیژن محلول موردنیاز، حداکثر تا 5 لیتر بر دقیقه است.

=========================================================

مراجع

[1]         م. ابراهیم‌زاده, مبانی نظری و کاربردی آبزی‌پروری. تهران: انتشارات دانشگاه تربیت مدرس, 1398.

[2]          FAO, “Sustainable intensification of aquaculture using efficient nanobubble technology,” ed. Bangkok, 2022.

[3]          P. Khan, W. Zhu, F. Huang, W. Gao, and N. A. Khan, “Micro–nanobubble technology and water-related application,” Water Supply, vol. 20, pp. 2021-2035, 2020.

[4]          G. Chaurasia, “Nanobubbles: an emerging science in nanotechnology,” MGM Journal of Medical Sciences, vol. 10, pp. 327-334, 2023.

[5]          K. R. Marcelino, L. Ling, S. Wongkiew, H. T. Nhan, K. Surendra, T. Shitanaka, et al., “Nanobubble technology applications in environmental and agricultural systems: Opportunities and challenges,” Critical Reviews in Environmental Science and Technology, vol. 53, pp. 1378-1403, 2023.

[6]          H. R. Devkota, D. K. Jha, T. P. Joshi, and S. Shrestha, “APPLICATIONS OF NANOBUBBLE AERATION TECHNOLOGY FOR AQUACULTURE PRACTICES: A REVIEW,” NEPALESE JOURNAL OF AGRICULTURAL SCIENCES, p. 223.

=========================================================

نویسنده: شرکت پیشگامان فناوری دریچه

——————————————————————————————————————

برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید