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循环水产养殖系统：提高大西洋鲑鱼的生产性能
可持续发展的地球
2022 年 5 月 18 日
RAS 4.0项目由挪威食品研究机构Nofima领导，旨在优化循环水产养殖系统，以提高大西洋鲑鱼的福利和性能。 Nofima 项目负责人兼高级研究员 Jelena Kolarevic 在此进行了更多解释。
Jelena Kolarevic，Nofima 高级研究员
水产养殖无疑具有为不断增长的全球人口增加蛋白质供应的潜力。最近，它已成为生产人类消费蛋白质的增长最快且最有效的方式。 过去 20 年来，全球水产养殖活体重量从 34 吨增至 1.12 亿吨，增长了两倍，对水产养殖产品的需求也在不断增长。 近年来，挪威海产品的生产和出口也不断增加。 如今，挪威是第二大海鲜出口国，2021 年出口海鲜 310 万吨，价值 121 亿欧元。 大西洋鲑鱼是最有价值和最主要的海鲜出口项目，占去年出口总额的近68%。
然而，大西洋鲑鱼生产的可持续性及其在水产养殖中的表现在过去几十年中一直受到密切关注，因为它可能导致全球野生鱼类种群的减少。也就是说，大西洋鲑鱼是一种肉食性物种，需要在饮食中使用鱼油和鱼粉来管理其性能和福利，主要来源于凤尾鱼、鲱鱼和磷虾。由于鱼粉和鱼油的需求量很大，这些物种已成为渔业的重点目标。
为了满足对可持续生产食品不断增长的需求，人们努力用替代蛋白质来源（包括植物蛋白、微生物成分、藻类和昆虫）取代鲑鱼饲料中的鱼基产品。这是与饲料效率和鱼类营养的广泛研究同时进行的。 因此，三文鱼饲料中鱼油和鱼粉的用量已从20世纪90年代的90%减少到现在的25%。
挪威水产养殖的创新
近年来，挪威三文鱼产业面临的另一个可持续发展挑战是生产过程中病原体和寄生虫的管理。 自 2017 年以来，报告的大西洋鲑鱼死亡率占总产量的 14.7-16.1%，到 2021 年将达到 5400 万头。 对抗鲑鱼虱子一直是阻碍预期生产目标、增加运营成本、影响鱼类福利并减少鲑鱼水产养殖业利润的致命弱点。
人们已尝试限制在治疗这种寄生虫时使用化学品，以防止其获得抗药性并限制环境污染。相反，人们投入了大量资金来开发新技术，以消除鱼类的虱子或防止鲑鱼和海虱之间的接触。创新的生产技术，例如用于海笼的海虱裙或海上漂浮的半封闭密封系统，已被开发和测试作为预防虱子侵扰的方法。 循环水养殖系统（RAS） 在过去十年中已被用作增强生物安全和控制寄生虫和病原体的有效解决方案。同时，RAS 可以说提供了一种更环保的鲑鱼生产方式。
在挪威，RAS的使用是由于缺乏淡水而推动的，而淡水可以在海水网箱的养成阶段之前提高鲑鱼孵化场的产量。然而，鲑鱼虱子、逃逸者和死亡率增加等问题促使法规发生变化，允许在陆地淡水、咸水和海水中长期生产鲑鱼。目前，挪威的许多鲑鱼生产商正在 RAS 的陆地上生产更大的鱼，随后在海水中生产较短的阶段。通过这种方式，海上生产可以减少到仅七个月，同时也可以减少使用化学品和其他方法来对抗虱子的需要。然而，RAS 是挪威可行的最昂贵的鲑鱼生产方式，因为海底网箱生产的运营成本不断增加© 1 iStock/slowmotiongli-122
什么是循环水养殖系统（RAS）？
RAS 是陆基生产系统，可通过处理和再利用鱼缸中的工艺水来减少新淡水的使用。 RAS中90%以上的水通常被重复利用，而每天添加的少量新水则经过不同程度的处理，以防止虱子和潜在病原体等寄生虫的进入。对 RAS 设施的废水进行广泛处理，可以收集未使用的营养物质并重新利用它们，创造价值并减少潜在的环境污染。 RAS 生产可以靠近市场进行，减少与运输和物流相关的环境足迹，这是该技术被认为更具环境可持续性的另一个原因。然而，必须指出的是，RAS 运行的高能源需求正在削弱其可持续发展潜力。
在 RAS 处理中，未吃完的饲料和鱼的排泄物被机械去除，同时采用生物过滤去除鱼产生的潜在有毒代谢物，如氨和亚硝酸盐。气体交换过程对于使水中富含氧气并去除二氧化碳是必要的，为鱼类提供最佳生长的必要条件。
人们常说 RAS 提供完全受控的生产条件，可根据养殖动物的需求进行定制。这可以用于系统内的温度、氧气和 pH 值控制，以及水流、水速和新水的添加。然而，仍然缺乏对关键水质参数（例如氨、二氧化碳、浊度）以及投喂管理和能源使用的全自动控制。
目前，这些关键水质参数都是通过人工点测量的方式进行测量，作为日常运营决策的基础。根据系统中估计的生物量来喂鱼，这通常会导致过度喂食和水质爆炸或喂食不足，从而导致所生产的鱼的福利降低。一些水处理工艺是为最大生产能力而设计的，并且在生物量较低时无法优化以减少能源使用。
达到所需自动化水平的主要障碍是缺乏可靠的传感器来测量这些关键参数，以及缺乏描述它们之间动态关系的模型。所有这些元素通过复杂的生物/化学/物理机制相互作用，但这些机制尚未完全了解。因此，一次控制或优化一个参数是不够的——需要整个系统的整体模型才能在 RAS 中实现这一级别的控制。
RAS 4.0
2021年，挪威研究委员会资助了一项为期四年的研究项目，称为RAS 4.0，旨在为RAS中的生产条件提供生物驱动的快速响应自动化。这将通过集成新型传感器技术、数据集成和智能算法来实现，以优化控制主要水质参数、饲喂管理和能源使用。主要创新将导致在 RAS 内建立新的控制回路，重点解决所有三个方面：臭氧控制、氨控制、进料控制和日常运行中的能源使用控制。在项目结束时，我们希望将新的反馈循环集成到 RAS 操作中，并使用数字孪生 RAS 和实证测试来验证其操作。
RAS 4.0 是项目所有者 Nofima、研究合作伙伴 NORCE、挪威北极大学 UiT 以及行业合作伙伴、技术供应商 Searis、CreateView、Pure Salmon Kaldnes、OxyGuard 和挪威三文鱼生产商 Lerøy Seafood 集团之间的合作成果。
该项目利用了行业合作伙伴现有技术的专业知识以及传感器、数据标准和集成方面的专业知识。我们与 RAS 技术、鱼类生理学、行为、福利、机器学习、数据分析、智能相机和计算机视觉领域的领先研究合作伙伴一起，致力于开发智能数字方法来连接和优化一些物理、数字和生物系统的各个方面。
RAS 4.0 的目标是基于以下假设：基于 RAS 生物驱动因素的生产条件优化和控制将改善大西洋鲑鱼的福利和生产性能。根据实际生物量和食欲智能喂养鱼类，将确保鱼类最佳生长并最大限度地减少饲料浪费。智能水质控制将确保生产过程中环境条件稳定，最大限度地减少可能导致鱼类福利和死亡率下降的不可预见事件的可能性。它将允许生产者根据生产需求有效地使用能源。这些改进将提高 RAS 生产的环境和经济可持续性，并降低运营和投资风险。
信息丰富的结果
RAS 4.0 项目将创造非常有价值的知识，可供水产养殖和行业供应商使用，以最大限度地提高这些运营的可持续性。该项目的技术供应商提供用于监测鱼类或水产养殖和 RAS 操作的商用产品，或者是 RAS 供应商。该项目将促进他们现有的努力，旨在实现 RAS 的数字化和自动化，并以最佳方式将其产品集成到现有的 RAS 运营中。
对于大西洋鲑鱼生产商来说，鱼类的最佳生长性能和福利以及高效生产是可持续生产的先决条件。自动化是 RAS 开发的下一个逻辑步骤，这将使他们能够最大限度地利用现有经验并从中学习。基于数据分析预测生产过程中事件的能力是生产者最希望的另一个方面。实现 RAS 潜力将减轻增加海洋产量的压力，并确保增加对这一重要的环境可持续鱼类生产解决方案的投资。
耶莱娜·科拉雷维奇
高级研究员
诺菲玛