Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы 7
2.1. Биологическая характеристика хлореллы и условия обеспечивающие ее культивирование 7
2.2. Технология производства хлореллы и типы существующих установок для ее культивирования 16
2.3. Перспективы использования одноклеточных водорослей как кормового средства 24
2.4. Использование хлореллы в кормлении сельскохозяйственных животных 29
3. Материал и методика 38
4. Результаты исследований 46
4.1. Отработка режима работы экспериментального цеха ' 46
4.2. Энергия роста клеток хлореллы в различные сезоны года 56
4.3. Биохимическая и кормовая характеристика хлореллы 60
4.4. Уточнение состава питательной среды для культивирования хлореллы 64
4.5. Зоотехническая и физиологическая оценка использования суспензии хлореллы при откорме свиней 73
4.5.1. Эффективность добавки суспензии хло реллы при откорме свиней (I научно-хозяйственный опыт) 73
4.5.1.1. Изменение живой массы и среднесуточного прироста свиней 77
4.5.1.2. Затраты кормов за период опыта 78
4.5.1.3. Переваримость и использование питательных веществ рациона 78
4.5.1.4. Баланс азота 80
4.5.1.5. Баланс энергии 82
4.5.1.6. Баланс кальция и фосфора 84
4.5.1.7. Физиологическое состояние свиней в связи с использованием жидких кормовых добавок 86
4.5.1.7.1. Исследование крови 86
4.5.1.7.2. Исследование мочи 86
4.5.1.7.3. Показатели убоя и качество продукции 90
4.5.2. Эффективность добавки суспензии хлореллы при концентратно-картофельном типе откорма под свинков (П научно-хозяйственный опыт) 95
4.5.2.1. Изменение живой массы, среднесуточные приросты и затраты корма 96
4.5.2.2. Переваримость питательных веществ рационов, использование азота, энергии, кальция и фосфора 99
4.5.2.2.1. Среднесуточный баланс азота 101
4.5.2.2.2. Баланс и использование энергии в организме подсвинков 102
4.5.2.2.3. Баланс кальция и фосфора 103
4.5.2.3. Результаты контрольного убоя подсвинков 106
4.5.2.4. Гематологические исследования III
4.6. Экономика выращивания и использование хлореллы ИЗ
4.7. Производственная проверка использования хлореллы при кормлении свиней 118
5. Заключение 119
6. Вывода 126
7. Предложения 128
8. Литература
- Биологическая характеристика хлореллы и условия обеспечивающие ее культивирование
- Технология производства хлореллы и типы существующих установок для ее культивирования
- Отработка режима работы экспериментального цеха
- Эффективность добавки суспензии хло реллы при откорме свиней (I научно-хозяйственный опыт)
Введение к работе
Актуальность темы. В решениях ХХУІ съезда Коммунистической партии Советского Союза ставится задача довести среднегодовое производство мяса до 17-17,5 млн. т (в убойной массе), молока до 97-99 млн. т, яиц не менее чем до 72 млрд. штук и шерсти -470-480 тыс. т \jf\.
Решение данной задачи во многом будет зависеть от обеспеченности животноводства достаточным количеством полноценных кормов. Важнейшим моментом в этом вопросе является также сбалансированность рационов по таким лимитирующим факторам питания как биологически полноценный протеин, витамины, минеральные вещества и др.
Анализ полноценности кормовой базы животноводства Белоруссии показывает, что в республике наибольший дефицит наблюдается в обеспечении животных протеином, витаминами С, Bj и В^, Д, кобальтом, медью, железом и некоторыми другими биологически активными веществами.
Для пополнения рационов указанными факторами кормления определенный интерес представляет использование некоторых видов водорослей, запасы которых в стране исчисляются в 12-15 млн. т. Среди разнообразного и обширного семейства водорослей особое место занимает хлорелла, характерной особенностью которой является высокая способность к фотосинтезу и накоплению биомассы при искусственном культивировании и в определенных условиях делает ее богатым источником белков, витаминов, макро- и микроэлементов, а также других биологически активных веществ, т.е. кормовым продуктом высокой ценности.
Питательные достоинства хлореллы и возможность получения большого количества биомассы с единицы водной поверхности послужили основанием для промышленного производства этой водоросли
в южных регионах нашей страны в условиях открытых водоемов с естественной солнечной радиацией и использованию ее в рационах сельскохозяйственных животных.
Хозяйства Белоруссии, в силу ее природно-климатических условий, не имеют возможности выращивания хлореллы открытым способом, а установки для ее культивирования в искусственных условиях до последнего времени в республике не разрабатывались, так же как не изучалась и эффективность включения ее в рационы сельскохозяйственных животных.
Цель и задачи работы. Исходя из вышеизложенного, мы в своей работе постановили перед собой следующие задачи:
Установить возможность круглогодового промышленного производства хлореллы в условиях Белоруссии.
Определить оптимальный технологический режим работы цеха, обеспечивающий высокий выход биомассы и состав питательных сред.
Дать характеристику кормовым и питательным достоинствам одноклеточной водоросли хлореллы, выращенной в производственных условиях республики.
Изучить влияние включения в рацион суспензии хлореллы на физиологическое состояние свиней и качество полученной от них продукции.
Определить зоотехническую и экономическую результативность добавок суспензии хлореллы в рационы свиней на откорме.
Новизна исследований: В результате проведения исследований впервые в условиях Белоруссии нами была разработана технология круглогодового выращивания хлореллы закрытым способом и найдены оптимальные технологические режимы работы экспериментального цеха.
Дана биологическая и зоотехническая оценка новой для животноводства республики добавки и апробировано ее использование в раци-
онах подсвинков на откорме, как метод обогащения их протеином, витаминами и минеральными веществами.
Практическая ценность работы: Установлена возможность круглогодового выращивания хлореллы и найдены оптимальные режимы работы цеха, уточнены составы питательных сред; выяснена эффективность включения суспензии хлореллы, как достаточно полноценной белково-витаминно-минеральной подкормки и биологического стимулятора при откорме подсвинков на фоне типичных для республики рационов.
Апробация результатов исследований. Разработанная технология выращивания хлореллы используется в племсовхозе "Глыбочаны" Ушачс-кого района Витебской области и Новобелицкой птицефабрике Гомельской области Белоруссии, а также во многих хозяйствах Нечерноземной зоны страны.
Материалы диссертации доложены: на научно-практической конференции, посвященной прогрессивным технологиям производства кормов в Латвии, Эстонии, Литве и Белоруссии (Рига, 1975); на научно-техническом совете МСХ БССР (Минск, 1975); на Всесоюзной научной конференции "^Актуальные вопросы доброкачественности кормов" (Горки, 1976); на расширенном заседании отдела переработки и повышения питательной ценности кормов БелНИШа (Жодино, 1981).
Материалы исследований положены также в основу создания научно-популярного фильма "О хлорелле в Белоруссии" киностудией "Белорусь-фильм" в 1975 г.
Публикация результатов исследований: Основные положения диссертации опубликованы в республиканских и союзных изданиях:
I. Первый опыт использования хлореллы в условиях БССР. - Научно-техническая информация по сельскому хозяйству, Минск, 1974, №10 (в соавторстве).
В рационе - хлорелла. - Сельское хозяйство Белоруссии, 1974, і №10 (в соавторстве).
Хлорелла в рационах подсвинков. - Свиноводство, 1975, № II.
Производство и использование хлореллы в Белоруссии. - Сб.докладов научно-производственной конференции "Прогрессивные технологии производства кормов Латвии, Литвы, Эстонии и Белоруссии", Рига, 1976 (в соавторстве).
Технология выращивания и использования хлореллы в Белоруссии. -Рекомендации, Шнек, "Ураджай", 1976 (в соавторстве).
Совершенствование технологии выращивания хлореллы на кормовые цели в условиях Белоруссии. - Труды ВАСХНИЛ "Технология приготовления, хранения и использования кормов", М., "Колос", 1978.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
Биологическая характеристика хлореллы и условия обеспечивающие ее культивирование
В настоящее время насчитывается свыше 17 тыс. видов водорослей, которые относятся к самому низшему отделу растительного мира (ГШІор/Lfid). Их разделяют обычно на одиннадцать классов или классифицируют согласно преобладающим в них пигментам на сине-зеленые, зеленые, красные и бурые.
Одноклеточная водоросль хлорелла 9UUliwidojCL,QAioieciе/рЛ /СІа) относится к группе низших протококковых зеленых водорослей. Под микроскопом она имеет вид ярко-зеленых шариков, размером от 5 до 20 микрон с тонкой, но прочной оболочкой ylZ /\
Гиалоплазма хлореллы, окружена оболочкой, а внутри клетки имеется чашевидный хроматофор с пиреноидом и ядро. Размножение бесполое при помощи автоспор, которые образуются в числе от 2 до и более в материанской клетке JJ97J.
По сообщению $44] хлорелла содержит зеленый пигмент хлорофилл и подобно другим растениям способна выделять в воздух значительное количество кислорода, а из углекислого газа и воды создавать сложные органические вещества, из которых состоит ее тело.
В 1б] отмечена способность хлореллы к интенсивному накоплению биомассы за счет быстрого, а в благоприятных условиях непрерывного, размножения.
Хлорелла интенсивно утилизирует (до 20-23,5%) световую энергию в процессе фотосинтеза, особенно в условиях постоянного перемешивания культивируемой суспензии и ее аэрации.
Характерной особенностью данной культуры является то, что в зависимости от состава минерального и газового питания, температуры среды, освещения и других факторов она может резко изменять свой химический состав. Так, по данным [Ї78І из одного и того же штамма культуры в зависимости от условий выращивания можно получить биомассу следующего состава: 58,0 - белка, 37,5 - углеводов и 4,5 жира или 8,7 - белка, 5,7 углеводов и 85,6 жира или же 28,3 - белка, 16,2 - углеводов и 45,5% жира.
Из приведенных данных видно, что в сухом веществе хлореллы может содержаться до 58,0% белка. При этом по своей полноценности белки этой водоросли приближаются к белкам животного происхождения, содержа 50-55% незаменимых аминокислот, в том числе лизина - 10,2, метионина - 1,4, триптофана - 2,1, аргинина - 15,8, гистидина -3,3, лейцина - 6,1, изолейцина - 3,5, фенилаланина - 2,8, треонина - 2,9 и валина - 5,5%.
Изучение аминокислотного состава белков хлореллы рядом авторов [l56j [l57J, Гб2] показало, что они содержат все 10 незаменимых аминокислот, составляя до 42% от массы всего содержащегося в ней белка (табл.1). Хлорелла в результате повышенного содержания в ней жира является высококаллорийньм кормом. Так, в I кг сухого вещества ее, по данным Q5CQ» сДеРжи,гся 5550 ккал.
По мнению ученых Калифорнийского университета хлореллу по энергетической и биологической ценности можно приравнять к мясокостной муке. Так, в I кг водорослей с влажностью О/о содержится 1,17 корм.ед. и 181 г переваримого протеина (цит. по [67]).
Протеин хлореллы имеет зеленый цвет, т.к. около 60% хлорофилла, содержащегося в водоросли, входит в состав протеидов. В соста ве протеина водорастворимая фракция его составляет 18%, солераст-воримая - 21% и щелочнорастворимая - 73-82% [ЇЗі].
Г.П. Серенков и др. JTl4j определили, что белки протококковых водорослей обладают, по-видимому, кислыми свойствами, т.к. в их состав входит до 60% моноаминокислот, 28% - приходится на азот оснований и 12% - на азот гуминов и аммиака. В состав азота оснований, по мнению данных авторов, в основном входят нуклеиновые кислоты.
В хлорелле содержится значительное количество ненасыщенных жирных кислот и хлорофилла, при этом последнего в 20-30 раз больше, чем, например, в сухой люцерне, что еще раз свидетельствует о высоких питательных достоинствах водорослей. Вместе с жирами в сухом веществе водорослей содержится 0,25-0,35% стеринов, которые при ультрафиолетовом облучении превращаются в витамин C[?il Богата хлорелла и витаминами. Так, по данным [ЗСГ] содержание каротиноидов в хлорелле, выращенной в открытых бассейнах, составило 389 мг в I кг сухого вещества, а выращенной в лабораторных условиях - 244 мг, бета каротина - 127 и 319 мг соответственно.
Известно, что наиболее богатым источником получения провитамина А - каротина - служит морковь. При этом, чтобы получить I кг каротина необходимо переработать более 15 тонн моркови. Сухое вещество хлореллы по содержанию каротина не уступает моркови и превосходит в этом отношении люцерну [Во], [ВТ]. Богата водоросль и другими витаминами. Так, по данным Ц7СГ в хлорелле содержалось витамина А - 500 ИЕ, витамина Bj - 4І/г, витамина Bg - 21-27 V/r, витамина Bg - 9У/г, ниацина - I76j//r, фолиевой кислоты - 485 fr/г и витамина С - 2000-5000 jj/v.
Технология производства хлореллы и типы существующих установок для ее культивирования
Установки для культивирования хлореллы лабораторного типа были известны уже более 30 лет. Одна из первых установок с рециркуляцией и аэрацией суспензии была сконструирована в 1952 году. Культиватор ее состоял из полиэтиленового мешка длиной в несколько метров и толщиной стенок 4 мм. Мешок соединялся с насосом для перемешивания. Температура суспензии водорослей обычно поддерживалась ниже 27С даже в летнее время. Размещались такие культиваторы обычно в котлованах, а в США их располагали даже на крышах зданий 51}
В Японии наиболее широкое распространение получило строительство открытых производственных установок. Они представляют собой круглые бассейны диаметром 5 м, глубиной 20ом. Находящаяся в них суспензия водорослей циркулирует с помощью насоса. Через отверстия в плечах сигнерова колеса осуществляется барботирование суспензии воздухом с добавкой углекислоты. Четыре подобных установки обычно соединяют в батарею 1б7. Полученную товарную суспензию центрифугируют и высушивают методом распыления при 100С.
В лаборатории водорослей Института микробиологии АН СССР ис-пытывались различные варианты установок каскадного типа. Деревянные или пластмассовые желоба собирались в агрегаты с переменной площадью. Несущие конструкции желобов, расположенные ступенеобразно, позволяют их поворачивать с таким расчетом, чтобы поверхность желобов была обращена к солнцу. $Жси-си-га.е. [ЙІ] ДЛЯ культивирования хлореллы и сине-зеленых водорослей сконструировал установку, представляющую из себя закрытый резервуар объемом 30 л с искусственным освещением. Он сделан из пирекса и погружен в водяной термостат, имеет в стенках три окна для внешнего освещения. Культиватор снабжен мешалкой и барботером для продувания во взвесь водорослей воздуха, содержащего 3f0 углекислоты со скоростью 350 л/мин. Воздух фильтруется через ватный фильтр. Водоросли оседают на внутренних стенках резервуара и счищаются скребками. Культура освещается электролампами мощностью 60-300 Вт. Из культиватора засев переводится в открытую установку типа водоема. При использовании установки такого типа обычно требуется 4 дня, чтобы плотность клеток водоросли в резервуаре достигла товарной концентрации, т.е. около 2 г сухого вещества на I л суспензии.
Обычно при непрерывном методе культивирования одноклеточных водорослей используют 2 способа саморегулирования наполнения емкостей.
При первом способе принос и унос суспензии водорослей из водоема или резервуара основан на непрерывном поддержании постоянной плотности клеточной популяции в единице объема. Этот процесс регулируется фотоэлементами. Когда плотность водорослей в среде достигает определенного значения, часть товарной суспензии уносится для реализации, а взамен ее притекает такой же объем свежей среды. Поскольку колебания интенсивности роста водорослей в этом случае оказываются неравномерны, данный процесс квалифицируется как полунепрерывный.
При втором способе плотность клеток в суспензии можно поддерживать непрерывным притоком питательной среды со скоростью, зависящей от продолжительности генерации растущих клеток. Этот процесс носит название непрерывного культивирования.
Авторы І46І , используя современные достижения автоматики и механизации, сконструировали аппарат для выращивания хлореллы по принципу непрерывного действия. Авторы не дают подробных сведений о его конструкции. Суть же заключается в следующем. Через закрытую систему аппарата циркулирует воздух с некоторой добавкой углекислоты со скоростью I л/мин, барботируя по пути взвесь водорослей. Суспензия водорослей с обеих сторон культиватора освещается. Культуральное пространство окружено водяной рубашкой, через которую циркулирует вода определенной температуры. Рециркуляция проводится через боковую ветвь, с которой соединен воздушный поток. Взвесь водорослей движется вдоль окон, за которыми установлен фотометрический прибор, измеряющий плотность взвеси. Электроды для измерения рН помещены в поток суспензии. рН регистрируется прибором (рН-метр), соединенным с регулирующим реле и открывающим клапан соленоида, который в свою очередь приводит в движение автоматическое устройство подачи кислоты или щелочи для поддержания постоянной величины рН в культиваторе. В цикл потока включен резервуар» кУДа автоматически добавляется дистиллированная вода или питательная среда. Устройство для отбора проб управляется соленоидом. Оно позволяет производить по мере надобности отбор проб в количестве I мл, хотя бы каждую секунду. Суспензию водорослей поддерживают под небольшим давлением, что облегчает отбор проб. Циркулирующий газ проходит через газоанализатор, регистрирующий уровень углекислоты, радиоактивного углерода и кислорода в суспензии с автоматической регистрацией данных.
Для изучения фотосинтеза в сточных водах и в смешанных культурах водорослей и микроорганизмов [176 [сконструировал специальный аппарат, где поддерживается постоянная температура с колебанием от 37 до 40С.
Отработка режима работы экспериментального цеха
Для установления эффективности использования хлореллы для нужд животноводства в условиях БССР, по инициативе Министерства сельского хозяйства в совхозе "Узденский" Минской области в 1973 г. (впервые в республике) был построен экспериментальный цех для выращивания одноклеточной водоросли хлореллы. Сметная стоимость цеха составила около девяти тысяч рублей. Цех по выращиванию хлореллы представляет собой застекленное здание типа теплицы (фото I).
Для насыщения жидкости углекислым газом подачя его осуществляется от баллона через газовый редуктор во всасывающий патрубок насоса. Проходя через насос вместе с суспензией, он хорошо перемешивается и обогащенная углекислым газом смесь поступает обратно в бассейн.
Кроме перемешивания культуры насосами дополнительно производится ее барботирование воздухом. Это осуществляется с помощью уложенных по дну бассейнов перфорированных пластмассовых труб, через которые компрессором продувается воздух. По дну бассейнов проложены металлические трубы для терморегулирования суспензии хлореллы, т.к. по мере необходимости по ним зимой пропускается горячая, а летом холодная вода.
Световой режим поддерживается на заданном уровне при помощи ртутных ламп высокого давления типа ДРЛ, подвешенных равномерно над всей поверхностью бассейнов. Высота подвески - 0,7-1,0 м. На р I м поверхности приходится 0,4-0,5 лампы, мощностью I кВт. Освещенность бассейнов находится в пределах 6-8 тыс. лк.
Тепловой режим внутри цеха поддерживается батареями отопления и электрокалорифером, установленным внутри помещения. Для проветривания цеха в стене вмонтирован вентилятор, а на остекленной части внешних ограждений установлены по 2 фрамуги.
Система освещения и терморегулирования автоматизирована с помощью установки соответствующих датчиков и реле.
Для обслуживания цеха имеются вспомогательные помещения: электрощитовая и лаборатория, в которой производятся необходимые анализы. В качестве маточника служат две эмалированные чугунные ванны.
Имеется пристройка для хранения химреактивов и запасных баллонов с углекислотой. Производительность экспериментального цеха составляел около 30ц суспензии в сутки.
Семенной материал хлореллы {Щшгвсш. VUchaz/S) завезен из института батаники Узбекской Академии наук, а в лаборатории Бел-НИШа были созданы необходимые условия для активного роста культуры, в результате чего было накоплено достаточное количество семенного материала для начала культивирования ее в производственных условиях цеха совхоза "Узденский".
Следующим этапом работы было проведение исследований по выявлению влияния основных технологических факторов на рост хлореллы (ее урожайность) в производственных условиях цеха.
Производственные опыты ставили своей целью выявление оптимального технологического режима, позволяющего получать максимальный выход суспензии с высокой концентрацией клеток. Оценка активности роста велась по среднесуточному приросту клеток хлореллы в I мл суспензии. Динамику роста хлореллы изучали путем подсчета количества клеток в камере Горяева. Изменение среднесуточного прироста клеток в I мл оцределялось в зависимости от таких технологических факторов как высота слоя жидкости в бассейнах, режим работы насоса, подача углекислого газа и барботирование при постоянных значениях температуры, освещенность и состав питательной среды.
Температура питательной среды, в которой культивировалась хлорелла, находилась в пределах 28-32С. Освещенность над водной поверхностью бассейна была отрегулирована на уровне 6-8 тыс.лк.
Выращивание хлореллы в первом (обогатительном) бассейне производилось при начальной концентрации клеток около 10 млн. в I мл, во втором (накопительном) - 26-30 млн. в I мл суспензии. Контроль за динамикой прироста клеток хлореллы проводился через каждые 6-7 ч.
Эффективность добавки суспензии хло реллы при откорме свиней (I научно-хозяйственный опыт)
Первый научно-хозяйственный опыт был проведен в совхозе "Уз-денский" Минской области в зимний период по схеме, предусматривающий установить влияние добавок в рацион суспензий хлореллы, как жидкой биологически активной добавки, при концентратном типе откорма свиней на их рост, переваримость питательных веществ, качество мясной продукции, физиологическое состояние подсвинков, а также экономические показатели откорма.
Одновременно для сравнения на этом же кормовом фоне испытыва-лась жидкая кормовая добавка в виде барды, которая довольно широко используется в откормочных хозяйствах республики.
Основной рацион, на фоне которого испытывали жидкие добавки был одинаковым и состоял из комбикорма рецепта 55-Б-І (табл. 12). Суспензия хлореллы и барда скармливались в смеси с комбикормом. За период опыта подсвинки П опытной группы получали дополнительно к основному рациону по 3,5 л суспензии хлореллы при средней концентрации клеток 60 млн. в мл. Животные I опытной группы получали к основному рациону 3,5 л барды. Контрольной группе, получающей в рационе 100% комбикорма, добавляли соответствующее количество воды, чем достигалась аналогия консистенции корма во всех группах. Кормление свиней было групповое, двухразовое в отдельных станках. Учет заданных кормов и несъеденных остатков проводился ежедневно.
Перед постановкой на опыт проводилась профилактическая дегельминтизация животных, путем дачи солей пиперазина в дозе 0,3 г на I кг живой массы. Рационы корректировались через каждые две недели опыта в соответствии с изменением живой массы животных. Продолжительность основного периода опыта составила 107 дней.
Из данных таблицы 12 видно, что в I кг комбикорма содержалось 1,04 корм.ед., 105,8 г - переваримого протеина, 43,8 г - клетчатки, 4,77 г - лизина, 4,49 г метионина+цистина, 1,77 г триптофана, 4,18 мг - каротина. Комбикорм был полноценен по набору и уровню витаминов и минеральных веществ.
Потребление питательных веществ в разрезе групп за период опыта было практически одинаковым (табл. 13)и составило по основным элементам питания - 3,32-3,46 корм.ед., 335-360 г переваримого протеина, 140-146 сьгрой клетчатки, 24,2-24,6 кальция, 16,6-18,2 фосфора. В то же время подсвинки П опытной группы, за счет включения в рацион хлореллы, получали на 7 мг больше каротина, чем в контрольной и I опытной группах.
Следует отметить хорошую поедаемость кормов рациона подсвинками всех групп, о чем свидетельствует полное отсутствие остатков.
Одним из главнейших условий эффективности откорма животных и получения высокого среднесуточного прироста их живой массы является фактор кормления. В таблице 14 приведены результаты изменения живой массы и среднесуточный црирост подсвинков за период опыта.
Данные таблицы показывают, что добавка суспензии хлореллы к основному рациону подсвинков на откорме (П опытная группа) увеличила среднесуточный прирост их живой массы на 9,2% по сравнению с контролем и составляла соответственно 605 и 554 г. Разница была статистически достоверна (Р 0,001).
Скармливание барды животным (I опытная группа) также оказало благоприятное влияние на увеличение общего и среднесуточного прироста подсвинков. Среднесуточный прирост у животных данной группы оказался выше по сравнению с контролем на 28 г, или на 5,. Однако по сравнению с "хлорелльной" группой среднесуточный прирост живой массы подсвинков бардяной группы был на 33 г, или на 4% ниже.
