Litopenaeus vannamei, comunemente noto come gambero bianco del Pacifico, è una specie eurialina apprezzata per l'elevata resa di carne, la forte tolleranza allo stress e la rapida crescita. È una delle specie di gamberetti più importanti allevate in Cina. Attualmente, i principali modelli di coltivazione della L. vannamei in Cina includono stagni all'aperto, piccoli stagni in serra e stagni ad alto livello-. Tuttavia, la produzione interna non è ancora in grado di soddisfare la domanda del mercato, rendendo necessarie importazioni significative. Inoltre, la rapida espansione di modelli come la piccola agricoltura in serra ha messo in luce problemi come un quadro tecnico incompleto, frequenti epidemie e sfide nel trattamento delle acque reflue. Nel contesto della difesa della conservazione delle risorse e dello sviluppo sostenibile, il sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS), riconosciuto come un modello di agricoltura intensiva, efficiente e rispettoso dell’ambiente, ha raccolto un’attenzione diffusa nel settore negli ultimi anni.
RAS utilizza metodi industriali per regolare attivamente l'ambiente acquatico. È caratterizzato da un basso consumo di acqua, un ingombro ridotto, un inquinamento ambientale minimo e produce prodotti sicuri e di alta-qualità con meno malattie e densità di stoccaggio più elevate. La sua produzione non è in gran parte limitata dalla geografia o dal clima. Questo modello vanta un’elevata efficienza nell’utilizzo delle risorse ed è caratterizzato da investimenti elevati e produzione elevata, rappresentando un percorso cruciale verso lo sviluppo sostenibile del settore dell’acquacoltura. Attualmente, l’allevamento domestico di L. vannamei è concentrato nelle zone costiere, utilizzando principalmente l’acqua di mare naturale. Le regioni interne, limitate dalla disponibilità di fonti idriche e dalle normative ambientali, si trovano ad affrontare un significativo disallineamento tra offerta e domanda dei consumatori. L’esplorazione del RAS utilizzando l’acqua di mare artificiale nelle aree interne riveste una grande importanza per rifornire i mercati locali e promuovere lo sviluppo economico regionale. Questo esperimento ha costruito con successo un RAS indoor per L. vannamei in un ambiente interno e ha condotto un ciclo di coltivazione di successo. I metodi e i dati riguardanti la costruzione del sistema, la preparazione artificiale dell'acqua di mare e la gestione dell'azienda agricola possono servire da riferimento per l'allevamento di L. vannamei nell'entroterra.
1. Materiali e metodi
1.1 Materiali
La sperimentazione è stata condotta presso l'allevamento originale di Leiocassis longirostris della provincia del Sichuan. Le piante post-larvi di L. vannamei (stadio P5) provenivano dalla base Huanghua di Qingdao Hainen Aquatic Seed Industry Technology Co., Ltd. ed erano in buona salute. Il mangime utilizzato era il marchio "Xia Gan Qiang" di Tongwei Group Co., Ltd. I suoi componenti principali erano: proteina grezza maggiore o uguale al 44,00%, grasso grezzo maggiore o uguale al 6,00%, fibra grezza minore o uguale al 5,00% e ceneri grezze minore o uguale al 16,00%.
1.2 Preparazione artificiale dell'acqua di mare
Come fonte d'acqua è stata utilizzata l'acqua sotterranea di un pozzo. È stato trattato in sequenza con disinfezione (polvere sbiancante 30 mg/L, aerata per 72 ore), rimozione del cloro residuo (tiosolfato di sodio, 15 mg/L) e disintossicazione [acido etilendiamminotetraacetico (EDTA), 10-30 mg/L] prima di essere utilizzato per la preparazione dell'acqua di mare artificiale.
L'acqua di mare artificiale con una salinità pari a 8 è stata preparata utilizzando cristalli di sale marino come ingrediente principale; i suoi componenti principali sono elencati inTabella 1. CaCl₂, MgSO₄ e KCl di qualità alimentare sono stati utilizzati per integrare gli elementi Ca, Mg e K. Dopo la preparazione, è stato utilizzato NaHCO₃ di qualità alimentare per regolare l'alcalinità totale a 250 mg/L (come CaCO₃) e sono stati utilizzati NaHCO₃ insieme all'acido citrico monoidrato per regolare il pH a 8,2–8,4.
1.3 Costruzione RAS
1.3.1 Concetto di progettazione generale
Combinando la progettazione indipendente con l'applicazione integrata, è stato costruito un RAS per L. vannamei utilizzando un trattamento fisico a più fasi e la biofiltrazione. Strategie operative del sistema corrispondenti, protocolli di regolazione della qualità dell'acqua e strategie di alimentazione scientifica sono state implementate in base ai requisiti di crescita dei gamberetti nelle diverse fasi, puntando a un funzionamento stabile, input economici e risultati efficienti.
1.3.2 Flusso del processo principale e parametri tecnici
Un sistema di piscicoltura esistente basato su contenitori- è stato modificato per creare il RAS di L. vannamei, costituito da vasche di coltura, un dispositivo composito di raccolta guscio/particolato (drenaggio a tre-vie), biofiltro, pompe di circolazione, ecc. Il flusso del processo è mostrato inFigura 1.
Il volume totale dell'acqua progettato del sistema era di 750 m³, con un volume del sistema di trattamento dell'acqua di 150 m³ e un volume di coltura effettivo di 600 m³. Il carico di coltura progettato era di 7 kg/m³. I principali parametri tecnici sono elencati inTabella 2.
1.3.3 Progettazione strutturale
Le sei vasche di coltura ottagonali erano disposte su due file. Considerando la comodità di gestione, la stabilità ambientale e i costi di investimento, la struttura principale dei serbatoi era di mattoni-cemento. Le dimensioni erano: lunghezza 10,0 m, larghezza 10,0 m, profondità 1,2 m, con bordi tagliati di 3,0 m. Il volume d'acqua effettivo per serbatoio era di 100 m³. Il fondo della vasca presentava una pendenza (16%) verso lo scarico centrale (Figura 2).
Il dispositivo di drenaggio a tre-vie era costituito da un collettore centrale (per gamberetti morti, conchiglie e particelle di grandi dimensioni), un collettore di sedimentazione a flusso verticale (per gusci rotti, particelle medie, feci) e una scatola di raccolta dello scarico laterale-a sifone (per gusci fini e particelle da piccole-a-medie) (Figura 2).
Un lato del serbatoio di condizionamento conteneva un telaio di materiale a spazzola in plastica per raccogliere e rimuovere gusci e particelle dallo scarico del serbatoio. In questo serbatoio è possibile effettuare regolazioni per calcio, magnesio, alcalinità totale e pH. Il volume del serbatoio era di 20 m³, con un tempo di ritenzione idraulica di 0,13 h.
La pompa di circolazione era posizionata sull'altro lato del serbatoio di condizionamento e utilizzava una pompa monostadio-per l'efficienza energetica. In base all’ecologia e al carico dei gamberetti, la velocità di ricircolo è stata progettata a 2-6 volte al giorno. La portata della pompa era di 150 m³/h, prevalenza 10 m, potenza 5,5 kW.
Il filtro a spazzola era dotato di diversi sacchetti filtranti. I sacchetti erano collegati tramite raccordi all'ingresso del filtro, fissati con fascette. Gli effluenti entravano nei sacchi tramite tubi. I sacchetti erano realizzati in polipropilene (PP), riempiti con spazzole di plastica, che intercettavano efficacemente particelle più grandi di 0,125 mm. Il serbatoio per mezzi elastici era costituito dal corpo del serbatoio (rettangolare, profondo 2 m), telai a griglia (paralleli alla superficie) e mezzi elastici installati sui telai (Figura 3). Il mezzo comprendeva numerosi anelli di plastica a doppio-anello con filamenti di poliestere, formando fasci di fibre distribuiti in tutto il serbatoio. Il suo principio di funzionamento prevedeva la creazione di un effetto di sedimentazione a flusso lento- tramite l'intercettazione dei mezzi e l'utilizzo del biofilm formato sulla sua superficie per assorbire, decomporre e trasformare azoto e fosforo inorganici.
Il biofiltro comprendeva il corpo del serbatoio (rettangolare, profondità 2 m), componenti di aerazione e bio-media (Figura 4). Il gruppo di aerazione comprendeva tubi di distribuzione dell'aria. L'aria entrava dall'alto e veniva rilasciata dal basso, creando uno schema di flusso completamente misto. Il serbatoio è stato riempito con il mezzo Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Attraverso il potenziamento mirato della nitrificazione e la regolazione dell'alcalinità, un gran numero di batteri nitrificanti si attaccano ai media, consumando materia organica e ottenendo la rimozione di ammoniaca e nitriti, costruendo così un biofiltro nitrificante. I tubi di ingresso e di uscita erano su lati opposti, con uno schermo di uscita sulla parete interna. In questo studio, il volume effettivo del biofiltro è stato fissato al 25% del volume della coltura del sistema, con un rapporto di riempimento del mezzo del 30%, utilizzando il mezzo K5.
Aerazione del sistema combinata con metodi meccanici e con ossigeno puro. Quando l'ossigeno disciolto (DO) era elevato, l'aerazione meccanica era primaria: utilizzando un ventilatore a vortice ad alta-pressione e tubi microporosi di alta-qualità come diffusori per massimizzare l'efficienza di trasferimento dell'O₂ e ridurre il rumore. Quando il DO era basso, è stata integrata l'aerazione con ossigeno puro: utilizzando un generatore di ossigeno + un'elica ad acqua a micro-bolle. Il generatore di ossigeno emette una concentrazione di O₂ superiore al 90%, dispersa tramite un disco nano-ceramico nell'elica. Sotto carico elevato, una combinazione generatore di ossigeno + cono di ossigeno fungeva da aerazione ausiliaria, utilizzando una pompa booster per creare acqua sovrasatura di ossigeno-nel cono.
1.4 Misurazione della qualità dell'acqua
Le concentrazioni di ammoniaca e nitriti (come N) sono state misurate utilizzando un analizzatore d'acqua multi-parametrico Aokedan. I solidi sospesi totali (TSS) sono stati misurati utilizzando un analizzatore multiparametrico Hach DR 900.
1.5 Gestione dell'azienda agricola e funzionamento del sistema
Il processo è iniziato l'8 agosto 2022 ed è durato 74 giorni. Tutti e sei i serbatoi erano riforniti. La dimensione del campione era di 961 individui/kg, la densità di circa 403 individui/m³, per un totale di 241.800 post-larve. La frequenza di alimentazione era di 6 volte al giorno, con una razione giornaliera decrescente da circa il 7,0% (precoce) al 2,5% (tardiva) della biomassa stimata.
La circolazione del sistema è iniziata 3 giorni dopo-stoccaggio, inizialmente a 2 cicli/giorno, aumentando successivamente a 4 cicli/giorno. All'inizio della prova è stato effettuato il drenaggio quotidiano, reintegrando solo l'acqua persa durante il drenaggio e l'evaporazione. Successivamente, a ogni poppata seguiva il drenaggio (1 ora dopo), con un ricambio giornaliero di acqua inferiore al 10% del volume di rifornimento della fase iniziale.
Inizialmente è stata utilizzata l'aerazione meccanica (soffiante a vortice). A causa del conseguente aumento del carico del sistema, è stata utilizzata una combinazione di aerazione meccanica, generatore di ossigeno + disco nano-ceramico e generatore di ossigeno + cono di ossigeno.
DO, temperatura, pH, ammoniaca e nitriti nei serbatoi sono stati misurati regolarmente. La crescita e l'alimentazione dei gamberetti sono state osservate e registrate.
1.6 Elaborazione e analisi dei dati
I dati sono stati organizzati utilizzando WPS Office Excel. I grafici sono stati creati utilizzando Origin 2021.
Le seguenti formule sono state utilizzate per calcolare il tasso di cambio dell'acqua (R), il rapporto di conversione del mangime (FCR) e il tasso di sopravvivenza (RS):
R = 100% × V₁ / (V × t) ... (1)
FCR = W / (Wₜ − W₀) ... (2)
RS = 100% × S / N ... (3)
Dove: R è il tasso di cambio giornaliero dell'acqua (%/g); V₁ è il volume totale dell'acqua scambiata (m³); V è il volume totale dell'acqua del sistema (m³); Sono le giornate della cultura (d). FCRè il rapporto di conversione del mangime; W è l'input totale di mangime (kg); Wₜ e W₀ sono la massa del raccolto finale e la massa di stoccaggio iniziale (kg). RSè il tasso di sopravvivenza (%); S è il numero totale di raccolti (individui); N è il numero totale immagazzinato (individui).
2. Risultati
2.1 Scambio d'acqua
Durante la prova il ricambio idrico totale è stato di 1.000 m³, con un tasso di cambio medio giornaliero pari al 1,8%.
2.2 Ammoniaca e nitrito
La concentrazione di ammoniaca nei serbatoi è rimasta al di sotto di 1,3 mg/L (eccetto il giorno 5), e la concentrazione di nitriti è rimasta al di sotto di 1,6 mg/L, entrambi a livelli relativamente stabili (Figura 5).
Nella fase iniziale (primi 15 giorni), l’ammoniaca del serbatoio è diminuita rapidamente mentre i nitriti sono aumentati rapidamente, indicando la formazione di biofilm nel biofiltro e la conversione dell’ammoniaca in nitrito. Nella fase intermedia-(15–50 giorni), con l'aumento dell'alimentazione, le concentrazioni di ammoniaca e nitriti sono rimaste stabili, indicando un'ossidazione sincronizzata di ammoniaca e nitriti nel biofiltro e un funzionamento stabile del sistema. Dopo il giorno 50, sia l'ammoniaca che i nitriti hanno mostrato una tendenza al ribasso, indicando probabilmente una maggiore capacità di nitrificazione e un sistema più maturo. Ciò non ha potuto essere ulteriormente confermato al termine del processo.
Figura 6mostra che le tendenze dell’ammoniaca all’ingresso e all’uscita del biofiltro erano simili, ma il divario tra le curve si è gradualmente ampliato, indicando un miglioramento della rimozione dell’ammoniaca. Le curve dei nitriti per l'ingresso e l'uscita si sono quasi sovrapposte e non hanno mostrato una tendenza generale all'aumento, suggerendo che il sistema ha mantenuto la capacità di ossidazione dei nitriti fino alla fine.
2.3 Ossigeno disciolto e alcalinità totale
Come mostrato inFigura 7, nonostante l'aumento del carico del sistema, i metodi di aerazione combinati hanno mantenuto il DO del serbatoio al di sopra di 6 mg/L. Inoltre, aggiungendo NaHCO₃, l'alcalinità totale è stata mantenuta tra 175 e 260 mg/L.
2.4 Solidi sospesi totali
Sono mostrati gli andamenti della concentrazione di TSS nei punti chiave del sistemaFigura 8. Il TSS nell'afflusso al collettore di sedimenti a flusso verticale e alla scatola laterale del sifone (parte del drenaggio a tre-vie) rifletteva le tendenze del TSS nei serbatoi. Il TSS complessivo è aumentato gradualmente, stabilizzandosi durante le fasi medio{3}}tardive (dopo il giorno 35) e ha mostrato una tendenza decrescente attraverso le fasi successive del trattamento.
2.5 Risultati agricoli
Lo stoccaggio totale è stato di 241.800 post-larve con una dimensione media di 0,52 g, in 6 vasche con una densità media di 403 individui/m³. Dopo 74 giorni il raccolto totale è stato di 3.012,2 kg, pezzatura media 15,82 g, sopravvivenza media 78,75%, resa media 5,02 kg/m³. L'input totale di mangime è stato di 3.386,51 kg, FCR1.18. I costi calcolati (sementi, mangimi, prodotti sanitari, elettricità, acqua di mare artificiale, disinfezione) ammontano a 155.870,6 CNY. I ricavi derivanti dalla vendita di gamberetti sono stati di 192.780,8 CNY, con un conseguente profitto di 36.910,2 CNY per il ciclo.
3. Discussione
Negli ultimi anni, la RAS è diventata una direzione molto promettente per l'allevamento di L. vannamei. Questa sperimentazione ha costruito un RAS comprendente vasche di coltura, raccolta di guscio/particolato composito, filtro a spazzola, biofiltro e apparecchiature di aerazione e ha condotto con successo un ciclo di agricoltura indoor nell'entroterra.
Rispetto al RAS tradizionale, questo sistema è più semplice. Strutturalmente, ha omesso attrezzature come i filtri a tamburo e gli schiumatoi di proteine, che hanno costi fissi e di manutenzione relativamente più elevati. Ha invece utilizzato dispositivi più semplici per il trattamento dell'acqua per creare un trattamento composito multi-livello per particelle e inquinanti disciolti, ottenendo un buon controllo della qualità dell'acqua con processi più semplici e costi inferiori.
Impiegando vari metodi di gestione della qualità dell’acqua adattati alle diverse fasi di crescita e ai carichi del sistema, il sistema ha mantenuto ammoniaca e nitriti rispettivamente al di sotto di 1,3 e 1,6 mg/l e DO al di sopra di 6 mg/l, ottenendo infine una resa di 5,02 kg/m³. Questo è vicino ai risultati di Yang Jing et al. Inoltre, il sistema di trattamento dell'acqua ha controllato il tasso di cambio medio giornaliero all'1,8%, sfruttando appieno la sua capacità di trattamento e riducendo significativamente i costi.
RAS offre vantaggi ambientali, sicurezza del prodotto e meno malattie. A causa delle limitazioni dei trasporti, L. vannamei detiene un grande potenziale di mercato nell'entroterra. La conduzione della RAS per L. vannamei nell’entroterra è in linea con le tendenze del settore. L’attuale allevamento di gamberetti nell’entroterra è principalmente di acqua dolce, con resa e qualità in ritardo rispetto all’allevamento marino. L’uso dell’acqua di mare artificiale in questo studio ha parzialmente risolto questa lacuna. Tuttavia, l’attuale costo elevato dell’acqua di mare artificiale richiede l’ottimizzazione dei processi RAS per la rimozione di azoto e fosforo per consentire il riutilizzo dell’acqua, che è un modo efficace per ridurre i costi e dovrebbe essere un obiettivo chiave della ricerca per L. vannamei RAS nell’entroterra.
FCRè un indicatore importante per le prestazioni di RAS. La finale FCRdi 1,18 in questo studio è paragonabile all’agricoltura intensiva tradizionale. Essendo un sistema chiuso, il vantaggio di RAS risiede nel riutilizzo degli input. Basato sul miglioramento della capacità di trattamento dell'acqua, sulla formulazione di precise strategie di alimentazione per abbassare il FCRdovrebbe essere il prossimo obiettivo di ottimizzazione.