В природной системе может циркулировать только определенное количество каждого компонента. Например, предположим, что большой рыбоперерабатывающий комбинат спускает свои отходы •в небольшую, протекающую поблизости речку. Сточные воды содержат отходы рыбы, соль, кровь, а в воде присутствуют хлор и детергенты. Для упрощения рассмотрим только влияние рыбных отходов. В реке рыбные отходы разлагаются бактериями. С увеличением количества рыбных отходов численность бактерий возрастает. Бактериям для дыхания необходим кислород, что приводит к снижению его концентрации в воде. Если концентрация кислорода не опускается ниже 3—5 мг/л, природная система функционирует нормально, компенсируя биохимическое потребление кислорода (ВПК). К сожалению, такая компенсация самой системой не беспредельна. Если бактерии размножаются настолько, что содержание кислорода в воде становится ниже 3 мг/л, рыба в реке может погибнуть. При этом количество бактерий еще больше возрастает, а содержание кислорода в воде уменьшается. Отсутствие в воде кислорода приводит к увеличению численности анаэробных организмов и накоплению метана и сероводорода. Оба эти газа токсичны. Таким образом, избыток одного компонента в системе, например пищи для бактерий, способствует чрезмерному увеличению другого компонента, т. е. численности бактерий. Это в свою очередь вызывает дефицит другого компонента системы — кислорода,, что влечет за собой гибель рыб и размножение бактерий. В результате такой необходимый компонент системы, как растворенный в воде кислород, может быть полностью исчерпан, и система распадается из-за отсутствия одного из ее звеньев.
Основным преимуществом природных систем является их сбалансированность и цикличность. Цикличная природа этих систем исключает такие проблемы, как накопление продуктов метаболизма и остатков пищи, поскольку продукты обмена одного звена системы служат пищей для другого. Однако природные системы обычно функционируют чрезвычайно медленно, и продукция, пригодная для человека, довольно низка. В связи с этим желательно было бы увеличить продуктивность систем, не нарушая принципов их действия.
Существует несколько путей увеличения продуктивности водных систем, которые бывают трех типов: открытые, замкнутые и полузамкнутые. В открытых системах продукцию получают в естественном водоеме. В полузамкнутых системах вода из природного водоема поступает в систему после предварительной обработки или без нее и возвращается в водоем, пройдя по системе всего лишь раз. В замкнутую систему рабочая жидкость (как правило, вода) подается один раз и больше не заменяется или заменяется через значительные интервалы времени. Например, культивирование устриц с плотов производится в открытой системе. Если устрицы культивируются в питомнике, вода закачивается насосом из реки, проходит через питомник один раз и возвращается в реку, то это — полузамкнутая система. Домашний аквариум — это замкнутая система.
Каждая из трех систем имеет свои достоинства и недостатки, которые в той или иной степени проявляются во время ее работы. Перед автором стояла задача — указать на положительные и отрицательные стороны работы систем каждого типа с тем, чтобы читатель мог выбрать более рациональный и наиболее приемлемый в каждом конкретном случае тип системы.