Аквакультура морских губок

Аквакультура морских губок — это процесс выращивания морских губок в контролируемых условиях. Оно проводилось в Мировом океане на протяжении веков с использованием ряда методов аквакультуры . На скорость роста губок влияет множество факторов, таких как свет, соленость , pH , растворенный кислород и накопление отходов. Преимущества аквакультуры морских губок реализуются благодаря простоте ее создания, минимальным требованиям к инфраструктуре и возможности использования в качестве источника дохода для населения, живущего в развивающихся странах. Морские губки производятся в промышленных масштабах для использования в качестве губок для ванны или для извлечения биологически активных соединений , которые содержатся в определенных видах губок. Такие методы, как метод веревки и сетчатого мешка, используются для выращивания губок независимо или в рамках интегрированной мультитрофической системы аквакультуры. Одна из единственных по-настоящему устойчивых морских губок, выращиваемых в мире, встречается в регионе Микронезии , при этом для обеспечения и поддержания постоянной устойчивости этих выращиваемых видов используется ряд методов выращивания и производства.

История

Более 8000 видов морских губок обитают в океанических и пресноводных средах обитания. Ловля губок исторически была важной и прибыльной отраслью: ежегодный улов с 1913 по 1938 год регулярно превышал 181 тонну и приносил более 1 миллиона долларов США. Однако спрос на морские губки достиг пика, и в 2003 году спрос на губки для ванны составил 2127 тонн, при этом мировое производство в результате вылова покрыло лишь четверть этого количества.

Ранние исследования в области аквакультуры по оптимизации методов выращивания морских губок использовали ряд методов ведения сельского хозяйства. Однако коммерческое выращивание губок встретило серьезное сопротивление и вмешательство со стороны ловцов губок, которые считали, что их дальнейший доход находится под угрозой. Противодействие со стороны коммерческих фермеров, выращивающих губки, привело к низкому проникновению на рынок и плохому принятию потребителями продуктов из аквакультуры, выращиваемых из губок.

Преимущества

Преимущества коммерческой аквакультуры губок очевидны для тех, кто живет в развивающихся странах. В этих странах разведение губок является одновременно простым и прибыльным бизнесом, который приносит пользу местному сообществу и окружающей среде, сводя к минимуму как нагрузку на дикие запасы, так и ущерб окружающей среде.

Простой

Выращивание губок — простой процесс, не требующий особых специальных знаний. Кроме того, простота выращивания губок означает, что в производственном процессе может участвовать вся семья. В результате создается прибыльный семейный бизнес, соответствующий традиционным представлениям о «семейных фермах», что увеличивает вероятность внедрения разведения морских губок. Кроме того, фермы по выращиванию морских губок обычно располагаются рядом с семейными домами, что обеспечивает постоянный доступ, мониторинг, модификацию и выполнение работ на ферме.

Генерация дохода

Аквакультура морских губок также обеспечивает семьям постоянный источник дохода круглый год, который можно выполнять как на полный рабочий день, так и на неполный рабочий день в дополнение к существующему доходу.

Использование

Губки для ванной

За последние два десятилетия возобновился интерес к потенциалу аквакультуры губок, который может способствовать удовлетворению растущего глобального спроса на губки для ванны. Губки для ванны являются сегодня наиболее распространенным видом морской губки, выращенной в аквакультуре. Губки для ванны можно определить как любой вид губок, имеющий только спонгиновые волокна, которые представляют собой упругие волокна, состоящие из белка коллагена .

Коммерческое использование губок для ванны варьируется от косметических , банных или промышленных целей, причем качество губок основано на анализе качества скелета губки, а губки, обладающие мягкими, прочными и эластичными волокнами, имеют самую высокую цену.

Биоактивное использование

Присутствие вторичных метаболитов, продуцируемых симбиотическими микроорганизмами, усиливает ее рост и выживаемость. в губке Из губок были успешно выделены тысячи вторичных метаболитов, полученных из губок, причем многие метаболиты обладают потенциальными лечебными свойствами, такими как цитотоксичность , противовоспалительная и противовирусная активность. Таким образом, они обладают значительным потенциалом в фармацевтической промышленности как средство создания новых лекарств. Однако эти вторичные метаболиты часто присутствуют лишь в следовых количествах, и единственные методы использования этих метаболитов в качестве терапевтических средств зависят от увеличения количества соединений посредством химического синтеза или аквакультуры.

Менструальные губки

Хотя это все еще своего рода нишевый рынок, несколько компаний начали производить и продавать небольшие губки в качестве многоразовых средств женской гигиены . Они продаются под торговой маркой Sea Pearls. в США и губка для джема в Соединенном Королевстве. Губки вводятся во влагалище почти так же, как тампон , но когда они заполнены, их вынимают, очищают и используют повторно, а не выбрасывают. Преимущества альтернативы многоразовым тампонам включают экономическую эффективность и сокращение отходов. (Поскольку губки биоразлагаемы, даже когда срок впитывания менструальной губки истек, ее можно компостировать.) Некоторые женщины также обеспокоены риском для здоровья, связанным с традиционными тампонами, и считают, что полезнее использовать натуральный материал. Хотя ни один известный случай синдрома токсического шока не был связан с использованием менструальных губок, известно, что губки, если они не подготовлены должным образом, содержат песок, песок и бактерии, и поэтому следует учитывать возможность синдрома токсического шока. Губки обладают большей способностью впитывать менструальные выделения, чем большинство тампонов; хотя их все равно следует менять не реже, чем каждые восемь часов.

Факторы, влияющие на рост губок

Соленость, pH, температура и свет

Морские губки следует культивировать при солености 35 ppt (соленость морской воды). Гиперсоленость (высокая концентрация соли) в непосредственной среде, окружающей губку, приводит к обезвоживанию клеток губки, тогда как гипосолевая среда (низкая концентрация соли) разбавляет внутриклеточную среду губки. pH воды должен соответствовать pH морской воды (pH 7,8–8,4), чтобы производство губок было максимальным.Губки чувствительны к температуре, и резкие колебания температуры окружающей среды могут негативно повлиять на здоровье морских губок. Высокие температуры приводят к гибели культур губок. Симбиотические бактерии, которые обычно обитают в морских губках, начинают размножаться с неустойчивой скоростью, когда температура окружающей среды воды повышается на несколько градусов. Затем эти бактерии атакуют и разрушают клетки и ткани губки. Было предложено культивировать губки при температуре воды, немного ниже температуры окружающей воды в регионе, из которого губка была первоначально изолирована.

Фотосинтезирующие эндосимбионты обитают во многих тропических губках, и для выживания им необходим свет. В результате некоторые губки зависят от наличия и интенсивности света для удовлетворения своих потребностей в питании. Однако у некоторых видов свет может привести к задержке роста, поскольку они чувствительны к ультрафиолетовому излучению. За исключением случаев, когда с губкой связаны фотосинтезирующие бактерии, оптимальный рост морской губки происходит в темных условиях.

Растворенный кислород

Растворенный кислород поглощается через водоносную систему. Кислород в морских губках потребляется со скоростью 0,2–0,25 мкмоль O ₂ ч. ⁻¹ /см ³ объема губки. Демогубки, содержащиеся в лабораторных условиях, также могут переносить гипоксические условия в течение коротких периодов времени, что может отражать их адаптацию к растворенному кислороду.

Вывоз мусора

В закрытых системах культивирования некоторые виды губок могут продуцировать биоактивные и цитотоксические метаболиты, которые могут быстро накапливаться и подавлять дальнейший рост губок. Однако биофильтры, вероятно, окажутся неэффективными при удалении вторичных метаболитов, выделяемых из губки. Методы адсорбции , при которых биомолекулы прилипают к адсорбату, вероятно, будут эффективным способом удаления этих соединений.

Болезни

Вспышки болезни банных губок часто бывают серьезными и могут привести к уничтожению как диких, так и аквакультурных популяций губок. Основными факторами, приводящими к вспышкам заболеваний, могут быть такие возбудители, как вирусы, грибы, цианобактерии и бактериальные штаммы.

Выбор места

При выборе места для разведения морских губок необходимо учитывать факторы, которые способствуют росту и выживанию культивируемых видов губок. Губки в значительной степени полагаются на пассивный поток воды для обеспечения питания, например, бактерий и микроводорослей , поэтому хороший поток воды увеличивает рост и качество губок. Более высокий, чем обычно, расход воды может потенциально повредить выращиваемые губки. Идеальным местом для фермы по выращиванию морских губок было бы защищенное место, но с достаточным потоком воды и наличием пищи для оптимизации роста губок.

Способы выращивания

Использование эксплантов

Аквакультура губок для производства губок или метаболитов использует высокие регенеративные способности тотипотентных клеток губок за счет использования эксплантов (вырезанных частей родительской губки, которые затем вырастают в полноценную губку) в качестве средства культивирования губок. Губки имеют неопределенный рост , причем максимальный рост определяется ограничениями окружающей среды, а не генетикой . На начальном этапе создания фермы экспланты губок будут выбираться по фенотипическим характеристикам быстрого роста и высококачественного спонгина или метаболитов.

Интегрированная мультитрофическая аквакультура

Интенсивная морская аквакультура за последнее десятилетие значительно возросла и привела к значительному неблагоприятному воздействию на окружающую среду. Большие объемы сброса органических веществ из несъеденного корма и экскреторных отходов аквакультурных видов привели к повышению уровня питательных веществ в прибрежных водах. Большие количества азота (~ 75%), выделяемые двустворчатыми моллюсками , лососем и креветками , попадают в прибрежную среду, что может привести к развитию цветения водорослей и снижению растворенного кислорода в воде.

Интегрированная система аквакультуры состоит из ряда видов, находящихся на разных трофических уровнях пищевой цепи . Таким образом, образующие отходы (питающиеся организмы), такие как рыба и креветки, сочетаются с экстрактивными организмами, такими как морское ушко, губки или морские ежи, в качестве механизма удаления излишков питательных веществ из толщи воды. Морские губки имеют явное преимущество в качестве экстрактивного организма в интегрированной мультитрофической системе аквакультуры, поскольку они обладают потенциалом действовать в качестве биоремедиатора для удаления как патогенных бактерий, так и органических веществ. Губка Hymeniacidon perlevis продемонстрировала превосходную способность удалять общий органический углерод (ТОС) из морской воды в комплексных условиях аквакультуры. и может стать потенциально полезным инструментом биоремедиации для систем аквакультуры в регионах с высоким уровнем загрязнения воды. Кроме того, органическое обогащение, получаемое из рыбы, выращиваемой поблизости, может стимулировать рост губок, что приведет к более эффективной аквакультуре морских губок.

Губка для ванны, аквакультура

Многие коммерческие фермы по выращиванию морских губок размещают свои участки аквакультуры на более глубоких водах (>5 м), чтобы максимизировать количество эксплантов губок, которые можно выращивать, и повысить продуктивность. Были опробованы два основных метода аквакультуры губок для ванн: губки выращивались либо на веревке, либо внутри сетчатого мешка.

Веревочный метод

Выживаемость губок, выращиваемых на веревках, как правило, ниже, поскольку при «нанизывании» на веревку эксплантату наносится неустранимый ущерб. Кроме того, губки, выращенные на веревке, могут быть оторваны от веревки во время штормов, когда поток воды значительно увеличивается, или отрастать от веревки и образовывать неликвидную, недорогую губку характерной формы пончика. Различия в росте и здоровье губок действительно наблюдаются внутри видов, характеризующихся различиями в регенеративной способности, восприимчивости к инфекциям после обрезки, выносливости и потенциала роста.

Метод сетчатого мешка

Более низкий уровень повреждения некоторых видов губок, культивируемых в сетчатых мешках, может привести к более высокому уровню выживаемости. Скорость роста может снизиться, поскольку нити сетки на мешках могут уменьшить поток воды, ограничивая доступность пищи. Накопление агентов биообрастания, таких как мшанки , асцидии и водоросли на сетке , может еще больше ограничить поток воды. Тонкие нити сетки с большими зазорами и удачно расположенным местом могут служить средством предотвращения биообрастания и снижения скорости потока.

Комбинация методов

Комбинируя подходы к аквакультуре губок для ванн и мешков из сетки в «детский период», можно добиться увеличения качества и производства. В методе детского периода губки сначала выращивают в сетчатых мешках до тех пор, пока экспланты не заживут и не регенерируются для эффективной фильтрации воды. Регенерированные экспланты переносят на веревку, чтобы обеспечить оптимальный рост до сбора урожая. Эта стратегия является трудоемкой и дорогостоящей, при этом темпы роста и выживаемость оказались не выше, чем при выращивании исключительно с использованием метода сетчатых мешков.

Более экономически выгодным методом выращивания губок для ванны было бы перемещение губок в сетчатые мешки большего размера по мере роста губок, чтобы обеспечить адекватный поток воды и секвестрацию питательных веществ.

Производство аквакультуры губок для ванн в Микронезии

Губки для ванны в настоящее время производятся с использованием губки Coscinoderma matthewsi, при этом было произведено около 12 000 губок, которые продаются на местном уровне жителям и туристам в Понпеи , Федеративные Штаты Микронезии . Эти губки — одни из единственных в мире морских губок, выращиваемых экологически устойчивым способом. Губки выращиваются веревочным методом с небольшими инвестиционными затратами в несколько тысяч долларов на сельскохозяйственное и техническое обслуживание, что дает 100% натуральные губки без добавления агрессивных химикатов во время обработки.

Производством губок C. matthewsi в аквакультуре занимался Институт морских и экологических исследований Понпеи (MERIP), чтобы попытаться обеспечить устойчивый доход для местных жителей, у которых мало возможностей зарабатывать деньги. Губкам требуется около двух лет, чтобы достичь пригодных для сбора урожая размеров, при этом фридайверы обычно вручную удаляют водоросли и агенты биологического обрастания. Эти губки обрабатываются естественным путем: их оставляют сушиться на воздухе, затем помещают в корзины и возвращают в лагуну, где они были выращены. Этот процесс удаляет все органические вещества из губки, оставляя после себя готовую губку для ванны. Дальнейшая обработка происходит путем размягчения губки, но без использования отбеливателей, кислот и красителей.

Биоактивная аквакультура губок

Исследования по выращиванию морских губок для получения биоактивных метаболитов проводятся в Средиземноморском, Индо-Тихоокеанском и Южно-Тихоокеанском регионах. Основными целями являются оптимизация методов производства биологически активных веществ, процессов аквакультуры и условий окружающей среды для максимизации их производства.

Новые методы

В аквакультуре для получения биоактивных веществ окончательная форма экспланта не имеет значения, что позволяет использовать дополнительные методы производства. Новые методы биоактивного культивирования включают «метод сетчатой ​​матрицы», в котором столб воды используется для вертикального подвешивания сетчатой ​​трубки с отдельными эксплантатами, удерживаемыми в чередующихся карманах.

Количество губок, необходимых для получения биоактивных веществ в аквакультуре, сокращается, поскольку вторичные метаболиты губок можно собирать повторно в течение многих лет, что снижает затраты и необходимую инфраструктуру. Несколько губок, выбранных для производства метаболита, будут иметь высокую производительность целевого метаболита, что позволит оптимизировать производство и прибыль.

Факторы, влияющие на выработку вторичных метаболитов

На выработку метаболитов губок влияет ряд факторов, при этом концентрация метаболитов сильно различается между соседними эксплантатами. Локальные различия в интенсивности света и биообрастании являются физическими и биологическими факторами, которые, как было обнаружено, существенно влияют на биосинтез метаболитов у губок. Изменения факторов окружающей среды могут изменить микробные популяции и впоследствии повлиять на биосинтез метаболитов.

Понимание факторов окружающей среды, которые влияют на биосинтез метаболита или экологическую роль метаболита, может быть использовано в качестве конкурентного преимущества для максимизации производства метаболита и общего выхода. Например, если экологическая роль вторичного целевого метаболита заключалась в отпугивании хищников, имитация хищничества путем ранения губки перед сбором урожая может быть эффективным методом максимизации производства метаболита.

Некоторые губки, производящие метаболиты, растут чрезвычайно быстро, что позволяет предположить, что выращивание губок может быть жизнеспособной альтернативой производству биологически активных веществ, которые в настоящее время не могут быть синтезированы химическим путем. Хотя выращивание губок для получения биоактивных веществ является более прибыльным из-за их более высокой добавленной стоимости, существует несколько проблем, которых нет при аквакультуре губок для ванны, например, высокие затраты, связанные с экстракцией и очисткой метаболитов.

Ссылки

• Беларби, Э. (2003). «Производство лекарств из морских губок». Достижения биотехнологии . 21 (7): 585–598. дои : 10.1016/S0734-9750(03)00100-9 . ПМИД   14516872 .