Lohikalojen hapentarve, hapenkulutus ja veden hapetus- ja ilmastusmenetelmät

Transkriptio

1 Lohikalojen hapentarve, hapenkulutus ja veden hapetus- ja ilmastusmenetelmät Luoteis-Venäjän kalatalouden kehittämisohjelma Vesiviljelytekniikan ja -ympäristötekniikan koulutus Enonkoskella Tapio Kiuru, RKTL

2 Esitelmän sisältö Kaasutase vedessä happipitoisuuden mittaaminen ja raportointi Lohikalojen happivaatimukset Muut tuotantoa rajoittavat tekijät (kumulatiivinen hapenkulutus) Lohikalojen hapenkulutus Veden happipitoisuuden vaikutus kalanviljelyn ympäristökuormitukseen ilmastus- ja hapetustekniikka

3 Kaasutase vedessä Kaasun liukoisuus veteen riippuu lämpötilasta, suolapitoisuudesta, kaasun osittaispaineesta ja kokonaispaineesta Henryn lain mukaisesti: C i = 1000 K i B i x i (P-P w )/760 Jossa: C i = kylläisen liuoksen kaasupitoisuus (mg/l) K = molekyylipainon suhde molekyylitilavuuteen B = Bunsen kerroin (litra/litra atm) x = moolijakauma (%/100) = osapaine P = Paine (mm Hg) P w = veden höyryn paine I = yksittäinen kaasu

4 Hapen liukoisuus (mg/l) veteen eri korkeuksilla merenpinnasta ( m) ja eri lämpötiloissa (Weiss, 1970) Lämpötila korkeus merenpinnasta (m)

5 Lämpötila suolapitoisuus (g/l) Hapen liukoisuus veteen (mg/l) eri lämpötiloissa ja suolapitoisuuksissa, kosteasta ilmasta, paineessa (760 mm Hg). Colt, 1984

6 Happipitoisuutta mitataan titraamalla tai happimittarilla Yleisimmin käytetyt yksiköt ovat konsentraatio (mg/l tai ml/l), saturaatioprosentti (=mitattu arvo/saturaatioarvo ko. olosuhteissa * 100) ja osapaine (mmhg) (Esim. 10 ºC lämpötilassa 10 mg/l = 7 ml/l = 139,38 mmhg = 88,65 %) Kertoimet kaasun konsentraation (mg/l) muuttamiseksi osapaineeksi (mm Hg) eri lämpötiloissa (Boyd, 1990) Lämpötila (ºC) O 2 N 2 CO 2

7 Lohikalojen happivaatimukset/minimi O 2 - pitoisuus Veden vähimmäishappipitoisuus riippuu ympäristöolosuhteista, kalalajista ja sen kehitysvaiheesta. HAUDONTA Lohikalojen mädin hapenkulutus on suurimmillaan juuri ennen kuoriutumista, jolloin minimi O 2 -pitoisuus on esim. 6 ºC lämpötilassa on 7,6 mg/l ja 15,1 ºC lämpötilassa vastaavasti 10,2 mg/l.

8 Lohikalojen happivaatimukset/minimi O 2 - pitoisuus Poikas- ja jatkokasvatus Kriittinen alaraja poikasille ja aikuisille lohikaloille vaihtelee välillä 2,5-4,5 mg/l kalojen koosta ja lämpötilasta riippuen Lohikaloille turvallinen vähimmäishappipitoisuus on noin 5 mg/l Optimaaliset olosuhteet (kasvu, ruokahalu, rehukerroin, osmoottinen stressi) edellyttävät jopa 90 % kylläisyysastetta Korkean happipitoisuuden ylläpito on kuitenkin kallista ja tuotannossa on usein valittava kompromissi saatavan hyödyn ja aiheutuvien kustannusten välillä Tuotannon kannalta optimaalisten kasvuolosuhteiden ylläpito edellyttää 6-7 mg/l O2 pitoisuutta poistovedestä mitattuna.

9 Lohikalojen happivaatimukset/maksimi O 2 - pitoisuus Hapen myrkyllisyys Happiaineenvaihdunnan sivutuotteet eli ns. happiradikaalit voivat aiheuttaa eriasteisia kudosvaurioita, joiden korjaamiseen aerobisilla organismeilla on kuitenkin tehokkaat puolustusmekanismit lyhytaikaisissa (5-7 vrk) kokeissa erittäin korkeidenkaan happipitoisuuksienkaan (685 mm HG) ei ole osoitettu olevan kirjolohelle akuutisti myrkyllisiä Lohikaloille viljelyveden happipitoisuuden ylärajaksi suositellaan alle 300 mm Hg osapainetta, mutta vielä 400 mm Hg osapainetta pidetään lohikaloille turvallisena (5 ºC lämpötilassa 400 mm Hg = 32,4 mg/l ja 25 ºC lämpötilassa = 21,4 mg/l)

10 O 2 pitoisuuden fysiologiset vaikutukset Kaloilla hengityksen säätelyä ohjaa pääasiassa hapentarve hyperoksisissa olosuhteissa hengitysvolyymi pienenee ja samalla veren hiilidioksidipitoisuus nousee ja sen ph laskee. Hypoksia (hapen puute) vaikutta päinvastoin eri veren hiilidioksidipitoisuus vähenee ja sen ph nousee. Hengitysvolyymin noustessa myös osmoottinen stressi lisääntyy ja kala joutuu käyttämään enemmän energiaa nestetasapainon säätelyyn Vaikutukset verenkuvaan Verenhemoglobiinipitoisuus, hematokriitti ja punasolujen lukumäärä nousevat vähähappisissa olosuhteissa ja laskevat korkean happipitoisuuden seurauksena (esim. spring fever ) Haudonnan aikainen hapen puute Lohikalojen mädin hapensaanti ei yleensä ole ongelma haudottaessa mätiä luonnon syklissä/lämpötiloissa Lämpöhaudonnassa hapenpuute kuitenkin mahdollinen, erityisesti lajeilla joilla on suuri mätimuna Happen puutteessa alkion kasvutapa siirtyy hyperplasiasta (lihassolujen lukumäärän kasvaminen) hypertrofiaan (lihassolujen koon kasvaminen) Kalojen myöhempi kasvupotentiaali korreloi lihassolujen lukumäärän kanssa haudonnan aikainen happen puute voi heikentää kalojen myöhempää kasvua Haudonnan aikainen hyperoksia Yli 500 mm Hg happipitoisuudet voivat aiheuttaa lisääntynyttä kuolleisuutta ja yli 725 mm Hg happipitoisuudessa haudotut poikaset kuoriutuvat ilman punasoluja

11 Muut tuotantoa rajoittavat tekijät Kalanviljelyssä suoranaisten hapen myrkkyvaikutusten sijaan yläraja lisähapen käytössä tulee useimmiten vastaan välillisesti, muiden tuotantoa rajoittavien tekijöiden (kumulatiivinen hapenkulutus) kuten veden hiilidioksidi-, ammoniakki- ja kiintoainepitoisuuden tai kalatiheyden ylärajojen kautta

12 Veden hiilidioksidipitoisuus Veden korkea hiilidioksidipitoisuus nostaa veren hiilidioksidipitoisuutta ja alentaa sen hapenkuljetuskykyä: hapenkuljetuskyky alenee merkittävästi veden hiilidioksidipitoisuuden noustessa mg/l tasolle Esim. jos veden hiilidioksidipitoisuus on sen normaalia kaasun osapainetta vastaava, lohikalojen kudoksistossa riittävän happipitoisuuden takaa veden happipitoisuus 6 mg/l. Mikäli veden hiilidioksidipitoisuus on 30 mg/l saavutetaan vastaava happipitoisuus kalan kudoksistossa vasta veden happipitoisuuden ollessa 11 mg/l. kalsiumin kertymisestä johtuvat munuaisvauriot (nefrokalsinoma) lisääntyvät veden hiilidioksidipitoisuuden ylittäessä 24 mg/l Hyperoksia aiheuttaa vastaavaa veren hiilidioksidipitoisuuden nousua kuin veden korkea hiilidioksidipitoisuus nefrokalsinoman riski jo alhaisemmissa hiilidioksidipitoisuuksissa suositeltu yläraja veden hiilidioksidipitoisuudelle on 20 mg/l kirjolohen kasvu heikkenee ja rehukerroin kasvaa kuitenkin vasta hiilidioksidipitoisuuden ylittäessä 55 mg/l

13 Hiilidioksidirajoitteinen kumulatiivinen hapenkulutus Korkein käytännössä mahdollinen hapenkulutus voidaan läpivirtauslaitoksessa laskea muodostuvan hiilidioksidin perusteella: Kuluttaessaan yhden milligramman happea lohikalat tuottavat noin 1,4 mg hiilidioksidia Tuloveden maksimaalinen happipitoisuus = veden maksimi hiilidioksidipitoisuus / 1,4 + poistoveden happipitoisuus Eli jos veden hiilidioksidipitoisuus pyritään pitämään pitoisuuden 20 mg/l alapuolella voidaan hengitykseen kuluttaa happea korkeintaan 15 mg/l. Jos poistoveden happipitoisuus pidetään tasolla 6 mg/l voi tuloveden happipitoisuus tällöin olla enintään 21 mg/l

14 Happivaatimukset kohtalaisen uintinopeuden ylläpitoon hiilidioksidipitoisuuden noustessa

15 Ammonium rajoitteinen kumulatiivinen hapenkulutus Korkeassa ph:ssa hapenkulutusta rajoittaa veden ammoniakkipitoisuus ja matalassa ph:ssa sen hiilidioksidipitoisuus. Lohikalojen viljelyssä käytetyllä ph- ja lämpötila-alueella vettä voidaan lisähapettaa ja rajat lisähapen käytölle asettaa veden hiilidioksidipitoisuus. Colt, 1990

16 Veden kiintoainepitoisuus Mikäli kalatiheyttä nostetaan ilmastuksen ja/tai hapetuksen avulla nousee myös veden kiintoainepitoisuus (orgaaniset ja epäorgaaniset partikkelit) Kiintoainepartikkelit voivat fysikaalisesti vaurioittaa kiduksia, altistaa kalat bakteeriperäisille kidussairauksille, aiheuttaa stressiä ja heikentää vastustuskykyä Suositukset veden kiintoainepitoisuudelle vaihtelevat välillä mg/l. Kidusvaurioita lohikaloille aiheuttaa jo 44 mg/l ja kasvun heikkenemistä yli 55 mg/l kiintoainepitoisuudet Hapetus nostaa veden kiintoainepitoisuutta vähemmän kuin ilmastus

17 Kalatiheys kalatiheys voidaan suhteuttaa joko allastilavuuteen (kg/m3 vettä altaassa) tai virtaamaan (kg/l/min) Virtauksen mukanaan tuoma happi (kg/vrk) = 846 * virtaus (l/s) * (tuloveden O 2 -pitoisuus mg/l poistoveden O 2 -pitoisuus mg/l)/10 5 ilmastuksen ja/tai lisähapetuksen avulla allastilavuuteen suhteutettua kalatiheyttä voidaan nostaa lisäämättä virtaamaa korkea tiheys voi kuitenkin aiheuttaa epätasaista ja/tai heikentynyttä kasvua, kuntokertoimen alenemista, eväsyöpymiä, lisätä sairastumisriski ja kuolleisuutta sekä huonontaa rehukerrointa ja lisätä ympäristökuormitusta

18 Lohikalojen hapenkulutus Kalanviljelyolosuhteissa lohikalojen hapenkulutus voi vaihdella välillä mg O2/kg/h ja siihen vaikuttavat: kalojen koko lämpötila veden suolapitoisuus ruokintasuhde uintinopeus stressi Vuorokauden aika/valorytmi Fysiologiset muutokset (sukukypsyys/smoltifikaatio)

19 Lohikalojen hapenkulutus/kalakoko

20 Lohikalojen hapenkulutus/uintinopeus

21 Hapenkulutuksen laskeminen Kalamäärän perusteella laskettu hapenkulutus lohelle (Fievelstad & Smith, 1991): M = 10-0,84 * P -0,261 * T 1,378 Jossa, M = hapen kulutus (mg/kg kalaa/min.) P = kalan paino (kg) T = veden lämpötila (ºC)

22 Eri kokoisten kirjolohien hapenkulutus eri lämpötiloissa (Muller- Feuga ym. 1978)

23 Ruokinnan perusteella laskettu hapenkulutus Lohikalat kuluttavat tuotanto-olosuhteissa noin g happea syötyä rehukiloa kohti (Westers, 1979). Yhden kalakilon tuottaminen kuluttaa 0,3 kg happea (Speece, 1973) Huom. Yllämainitut arvot voivat olla pieniä nykyajan rehuille ja viljelykalakannoille!

24 Hapenkulutuksen maksimin arviointi Ruokinta nostaa hapenkulutusta 40-50% Ruoansulatuksesta ja kohonneesta metaboliasta johtuva hapenkulutusmaksimi saavutetaan 4-6 tuntia ruokinnan jälkeen Uintiaktiivisuuden nousu nostaa hapenkulutuksen lähelle maksimia myös ruokinnan aikana Säännöllisessä ruokintarytmissä kalojen hapenkulutus lähtee nousuun jo ennen ruokintaa Ruokinnasta johtuvien hapenkulutushuippujen huomioimiseksi suositellaan hapenkulutuskeskiarvon kertomista luvulla 1,44 (Westers, 1981)

25 Hapenkulutuksen maksimi vuorokauden ja tuotantokierron aikana (Colt & Watten, 1988)

26 Veden happipitoisuuden vaikutus ympäristökuormitukseen Rehukerroin huononee happipitoisuuden laskiessa alle 7 mg/l / alle 70% kylläisyyden Kuolleisuus voi lisääntyä happipitoisuuden laskiessa alle 5 mg/l Puhtaan hapen käyttö vähentää muodostuvan kiintoaineen määrää Hapen supersaturaatio ei vaikuta ympäristö- ja tuotantoparametreihin

27 Veden happipitoisuuden vaikutus fosforiaineenvaihduntaan ja fosforin eritykseen Veden happipitoisuus ei vaikuta suoraan kalan fosforiaineenvaihduntaan Normaalirehuilla (1,0 % P) veden happipitoisuus vaikuttaa kuitenkin siihen missä muodossa kala erittävät ylijäämäfosforin Hyvä veden happipitoisuus tehostaa fosforin sitoutumista kalaan vähän fosforia sisältävistä (0,7 % P) rehuista

28 Ilmastustekniikat

29 Hapetustekniikat

30 Hapetusmenetelmien hyötysuhteet ja typenpoistokyky

31 Kokonaiskaasujen saturaatio Sekä hapetuksessa että ilmastuksessa on varmistuttava ettei kokonaiskaasujen saturaatio muodostu liian korkeaksi Akuuttia kaasukuplatautia (GBD) aiheuttaa korkeampi kuin 110 % ilman tai typen aiheuttama supersaturaatio Viljelyssä useimmille lohikaloille suositellut ylärajat: mäti ja pienpoikaset < 103% smoltit ja aikuiset < 105% Krooninen altistus voi aiheuttaa ongelmia jos kokonaiskaasujen saturaatio ylittää % (herkimpiä lohi ja harmaanieriä) Korkeasta hapen osapaineesta johtuva kokonaiskaasujen ylikylläisyys vähemmän haitallista korkeasta typen osapaineesta johtuva ylikylläisyys kokonaiskaasujen saturaatio voi olla %, jos ylikylläisyys johtuu yksinomaan koholla olevasta hapen osapaineesta