Применение лазерного излучения в аквакультуре

Санкт-Петербургский Государственный Национальный Исследовательский Университет Информационных Технологий Механики и Оптики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение  лазерного излучения в аквакультуре

 

 

 

 

 

 

 

Студент: Габдулхаев И.А.

Группа:2231

Преподаватель:  Новиков

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2011 г.

Во многих странах мира традиционный рыбный промысел (в результате антропогенного влияния деятельности человека на реки и моря) постепенно стал уступать аквакультуре, т. е. искусственному разведению и выращиванию рыб. Аквакультура ценных видов рыб (например, осетровых) — это сложный технологический процесс, который требует высокого уровня квалификации рыбоводов. Вывод производителей на половозрелое состояние с высоким качеством половых продуктов, получение и оплодотворение икры, инкубирование — это только полдела. Настоящие проблемы возникают, когда появляются личинки рыб. Личинки осетровых требовательны к условиям выращивания и могут отказаться от потребляемого корма, что часто приводит к их массовой гибели. Подрастающие рыбы также могут отставать в росте и заболевать. Поэтому их следует лечить, применять различные фармакологические добавки для стимулирования роста. При этом применяемые препараты должны быть не просто эффективными, но и безопасными для потребителя. Значит, применение антибиотиков для лечения рыб не желательно, а использование гормональных препаратов — рискованно. Поэтому современному рыбоводу приходится использовать различные биологические препараты для улучшения иммунитета рыбы, уничтожения патогенной микрофлоры и многие другие. Но использование целого комплекса биометодик, направленного на каждый конкретный проблемный показатель, может привести к тому, что выращивание рыбы будет невыгодным. В результате научных изысканий учеными было предложено действенное средство, применение которого еще на раннем этапе развития эмбриона рыбки позволяет избежать многих проблем, описанных выше. Этим действенным средством является лазерное излучение.

С момента изобретения  лазерные аппараты начали уверенно завоевывать  позиции в различных областях человеческой деятельности. Лазерное излучение дало возможность решать многие научные проблемы, особенно в оптике, с принципиально новых  позиций. Мощные лазерные установки  непрерывного действия позволили создать  новые промышленные технологии, в  частности, в машиностроении. 
Лазерное излучение прочно вошло в арсенал современной медицины и биологии всех промышленно-развитых стран мира благодаря таким положительным качествам, как:

• высокая терапевтическая  эффективность и широкий спектр показаний к применению метода (включая  лечение хронических и дегенеративно-дистрофических заболеваний, когда лекарственная терапия является недостаточно эффективной); 
• отсутствие (в подавляющем большинстве) побочных эффектов, свойственных многим фармпрепаратам; 
• возможность применения низкоинтенсивной лазерной терапии в комплексе с медикаментозной терапией и другими физиотерапевтическими факторами; 
• доступность аппаратуры.

Первые данные, свидетельствующие  о биологическом действии и терапевтической  эффективности низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ), относятся к началу 70-х гг. прошлого столетия. За прошедшие почти 40 лет лазерная терапия получила широкое развитие и заняла особое место в ряду применявшихся до этого в медицинской практике лечебных физических факторов. В настоящее время диапазон использования лазеров низкой интенсивности в медицине настолько велик (лечение, реабилитация, профилактика), а спектр терапевтического действия указанного фактора физической природы настолько широк, что можно говорить о создании нового крупного направления современной физиотерапии — низкоинтенсивной лазерной терапии (НИЛТ). 
Современная клиническая практика НИЛТ предполагает использование как узкоспециализированных лазерных терапевтических аппаратов, так и многофункциональных универсальных терапевтических комплексов, позволяющих проводить весь спектр фототерапевтических процедур: наружную лазерную терапию, полостную лазерную терапию, лазерное воздействие на кровь, лазерную пунктуру, внутритканевое воздействие, а также сочетание воздействия НИЛИ с другими физическими факторами.

 

ЛАЗЕРЫ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ И РЫБОВОДСТВЕ 
Лазерное излучение нашло применение и в сельском хозяйстве. Так, НИЛИ успешно начали применять в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии. Как известно, основной метод лечения в ветеринарной практике остается медикаментозным. Однако эффективность методов медикаментозной терапии, несмотря на дороговизну лекарственных препаратов, зачастую совсем не удовлетворяет ветеринарных работников. К тому же при неудовлетворительных итогах фармакотерапии мясо таких животных мало пригодно в пищу. В связи с этим возникает потребность в современных и безвредных средствах лечения животных, а также в снижении себестоимости сельскохозяйственной продукции за счет уменьшения затрат на лечение животных. Одним из таких методов и является лазерная терапия.

 

 

 

Благодаря лазерному излучению, осуществляется эффективная стимуляция функции молочной железы при раздое первотелок, повышается естественная резистентность и стимуляция роста телят и поросят-гипотрофников, лечение и профилактика внутренних незаразных болезней животных. Кроме того, НИЛИ способствует повышению выводимости цыплят-бройлеров, а также увеличивает эмбриональную и постэмбриональную жизнеспособность сельскохозяйственной птицы. 
В последнее время исследователи начали применять НИЛИ и в рыбоводстве. Несмотря на то, что исследования пока носят сугубо научный характер и о широком внедрении их в производство говорить еще рано, но и в этой отрасли были получены положительные результаты. Так, под действием лазерного излучения клетки эмбриона, развивающегося в икринке, начинают делиться более согласованно, т. е. более симметрично. Это особенно важно в рыбоводстве, поскольку различные нарушения в эмбриональном развитии, приводящие к искривлению скелета рыбы — далеко не редкость в современной аквакультуре. В природе такие экземпляры, конечно, не выживают, а вот в заводском бассейне при изобилии корма и отсутствии хищников некоторые особи могут легко дожить и до половозрелого возраста. Кроме того, проведенные исследования показали, что НИЛИ способно увеличить выход личинок из икры. Еще в 60—70-х гг. прошлого столетия, когда у рыбоводов-осетровиков наблюдался широкий выбор производителей, икру плохого качества (с низким процентом оплодотворения) просто выбрасывали. Однако в современных условиях такая роскошь не позволительна. Как показали результаты научно-исследовательских работ, проведенных ихтиологами-биофизиками, НИЛИ способно в 3—6 раз увеличить выживаемость личинок при выклеве из икры изначально плохого качества. Большинство подобных исследований проводилось с использованием в качестве источника изучения гелий-неоновых лазеров (длина волны л = 632,8 нм, красная область спектра), которые были достаточно громоздкими (их масса нередко превышала 100 кг), что затрудняло доставку средств излучения к объекту воздействия, особенно в условиях производства.

В настоящее время широкую  популярность получили фототерапевтические аппараты, созданные на базе полупроводниковых (диодных) лазеров, а также новых источников квазимонохроматического излучения — сверхъярких светодиодов. К достоинствам таких систем следует отнести: возможность выбора длины волны в широком диапазоне, компактность, отсутствие высокого напряжения в источниках питания, легко реализуемая возможность создания аппаратуры, не требующая заземления, малая потребляемая мощность (что делает возможным их работу от встроенного автономного источника питания — малогабаритных аккумуляторов), легко реализуемая возможность изменения воздействующих параметров, надежность и долговечность, а также сравнительно низкая цена и коммерческая доступность. 
Следует отметить, что первые лазеры, допущенные к использованию в клинической практике, работали в непрерывном режиме и характеризовались средней мощностью 2—15 мВт. Однако по мере развития лазерных медицинских технологий, а также появления на лазерном рынке доступных и надежных полупроводниковых лазеров красной и ближней инфракрасной областей спектра все больший интерес со стороны специалистов-практиков начал проявляться к лазерным источникам мощностью 20—50 мВт, а затем и 100—500 мВт. При этом, как свидетельствует анализ рынка, среди новых разработок одной из наиболее продаваемых в Европе моделей являются лазерная терапевтическая установка с мощностью излучения на выходе 500 мВт (л = 808—810 нм). Заслуживает внимания и тот факт, что еще 5—6 лет тому назад терапевтическая аппаратура с мощностью излучения на выходе 500 мВт практически не производилась, и магнитолазерный аппарат «Сенс» (совместная разработка ГНУ «Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси» и ПК «Люзар») был одним из первых в данном классе терапевтических аппаратов.

БЕЛОРУССКИЕ ЛАЗЕРЫ В ПОМОЩЬ РЫБОВОДАМ 
Не многим более года тому назад авторами статьи инициированы и в настоящее время осуществляются широкомасштабные научно-исследовательские работы по применению лазерного излучения, а также излучения сверхъярких светодиодов различных областей спектра в технологии аквакультуры осетровых рыб. В качестве одного из основных источников указанного излучения используется современный фототерапевтический аппарат «Сенс 815», созданный в ГНУ «Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси». В отличие от гелий-неонового лазера, технические характеристики лазерного источника данного аппарата (область спектра, плотность мощности и режимы воздействия) позволяют максимально эффективно учитывать оптические характеристики эмбрионов осетровых рыб. Как известно, одной из главных особенностей икры осетровых рыб является ее черная окраска, что делает ее мало прозрачной для излучения видимой области спектра. Поэтому, казалось бы, что из-за наличия такого своеобразного малопрозрачного экрана, созданного природой в виде черного пигмента меланина, оптические методы могут оказаться низкоэффективными для стимуляции (коррекции) развития эмбрионов. Однако совместно выполненные исследования физиков и ихтиологов показали наличие так называемого «окна прозрачности» биологических тканей, расположенного в ближней инфракрасной области спектра, в котором обеспечивается максимальная глубина проникновения в ткань.

Отмеченные исследования выполняются на осетровом заводе ЧПУП «Акватория» (директор — Александр  Иванович Лашкевич, главный технолог — Анатолий Иванович Лашкевич) на базе фермерского хозяйства «Василек» (глава хозяйства — Василий  Федорович Вергейчик) («Белорусское сельское хозяйство». 2007. № 10. С. 79—81). Полученные данные позволяют говорить о стимулирующем воздействии лазерного излучения на различные процессы жизнедеятельности рыб. Так, при воздействии НИЛИ на эмбрионы осетровых рыб наблюдается снижение или полное уничтожение грибка рода Saprolegnia, основного бича осетровых заводов. В обычной практике рыбоводства чтобы не допустить распространения данной инфекции, рыбоводам приходится обрабатывать икру растворами химических веществ и обеззараживать воду. Однократная стимуляция лазерным излучением на стадии эмбрионального развития рыб позволяет полностью прекратить поражение оплодотворенной икры сапролегниозом, повышая при этом ее выживаемость. Стимулирующий эффект лазерного излучения наблюдается и при дальнейшем постэмбриональном развитии, при этом выживаемость повышается на таких ключевых стадиях, как выклев и переход на активное питание.  
Однако настоящий эффект лазерного воздействия начинает проявляться спустя несколько десятков суток после облучения, когда личинки уже подросли и могут именоваться как стандартная заводская осетровая молодь. На большинстве осетровых заводов (например, в России), специализирующихся именно на подращивании молоди и дальнейшем выпуске ее в естественные условия обитания, возраст молоди 40—50 дней (в зависимости от вида) является наиболее оптимальным для выпуска в реки. Именно поэтому данный этап является ключевым во всей технологии подращивания молоди, а такие показатели, как жизнестойкость (или устойчивость к разнообразным экстремальным факторам), выживаемость, рост и вес, призваны характеризовать эффективность самих мероприятий по подращиванию.

Проведенные исследования показали, что 50-дневная молодь осетровых рыб, которая на стадии эмбрионального развития подвергалась воздействию лазерного  излучения инфракрасной области  спектра (опытная группа), значительно  превосходит своих необлученных ровесников (контрольная группа) по ряду показателей. Так, масса опытной  группы превышала контроль в 1,9 раз, длину — в 1,3 раза. При этом в  опытной группе значительно повышалась жизнестойкость. Под воздействием критических  для осетровых рыб температур выживаемость молоди в опытной группе увеличивалась в 2,1 раза. При воздействии  токсических веществ выживаемость молоди в опытной группе составляла 60—70 %, тогда как в контрольной  группе этот показатель равнялся нулю. В условиях полного отсутствия корма  выживаемость молоди увеличивалась  на 3—4 дня больше, чем в контроле.

Однако отдельного обсуждения заслуживает способность лазерного  излучения стимулировать устойчивость молоди осетровых рыб к дефициту кислорода. Содержание кислорода — важнейший фактор водной среды, который как в естественных условиях, так и в условиях заводского подращивания молоди подвержен значительным колебаниям. В случае дефицита растворенного в воде кислорода у заводской молоди может наблюдаться ряд морфологических отклонений: уродства головы, недоразвитость жабр, дефекты органов обоняния и др. Чаще всего такая рыба сильно отстает в размерно-весовых показателях от нормально развивающихся особей. Более того, значительный недостаток растворенного в воде кислорода способен вызвать массовую гибель мальков рыб. 
Проведенные исследования показали, что облучение эмбрионов осетровых рыб лазерным излучением приводит к значительному снижению пороговых концентраций растворенного в воде кислорода (на 50 %), при котором наблюдается гибель молоди осетровых рыб. Значит, гибель молоди осетровых рыб, которых облучили лазером, наступает при более низкой концентрации кислорода в воде. 
Лазерное излучение, а также излучение светодиодов способно оказывать выраженное стимулирующее действие на рыбоводно-биологические характеристики молоди осетровых рыб. Это особенно актуально в связи с функционированием программы восстановления популяции стерляди в водоемах Беларуси, где основное внимание уделяется получению жизнестойкого рыбопосадочного материала стерляди и выпуску его в естественные условия обитания. Исследования могут быть полезны в технологии аквакультуры осетровых рыб, т. к. лазерное излучение способно повысить экономическую эффективность самого производства, снижая затраты на использование дополнительных кормов, увеличивая выживаемость и темп роста молоди рыб. Отдельного обсуждения требуют данные, свидетельствующие о влиянии лазерного излучения на достижение товарной навески осетров. Однако данный вопрос — отдельная тема для обсуждения. 

Используемая литература.

1)Биологические активные  вещества растительного происхождения  в скотоводстве: Монография / М.В.  Шалак, А.И. Портной, Т.В. Портная. Горки, 2005. 122 с.

2) Курдеко, А.П. Влияние микроклимата на продуктивность и здоровье животных: научно-практические рекомендации / А.П. Курдеко, А.Ф. Трофимов, М.В. Шалак [и др.]. -Горки, 2010. - 68 с.

3) Шалак, М.В. Технология переработки продукции животноводства: курс лекций / М.В. Шалак. - Горки: БГСХА, 2010. - 198 с.

4)Рыбоводно-биологическое обоснование применения оптического излучения в технологии аквакультуры осетровых [Текст] / М. В. Шалак, Н. В. Бурулин, В. Ю. Плавский // Зоотехническая наука Беларуси : сборник научных трудов. - Минск, 2008