Аквакультура морских губок - Aquaculture of sea sponges

Аквакультура морских губок это процесс земледелия морские губки в контролируемых условиях. Он проводился в Мировом океане на протяжении веков с использованием ряда аквакультура техники. Есть много факторов, таких как свет, соленость, pH, растворенный кислород и накопление отходов, влияющих на скорость роста губок. Преимущества аквакультуры морских губок реализуются в результате простоты ее создания, минимальных требований к инфраструктуре и возможности использования в качестве источника дохода для населения, проживающего в развивающихся странах. Морские губки производятся в промышленных масштабах для использования в качестве банных губок или для экстракции биологически активные соединения которые встречаются у некоторых видов губок. Такие методы, как метод веревки и мешка, используются для выращивания губок независимо или в рамках интегрированной многотрофической системы аквакультуры. Одни из немногих по-настоящему устойчивых морских губок, культивируемых в мире, произрастают в регионе Микронезия, с использованием ряда методов выращивания и производства для обеспечения и поддержания постоянной устойчивости этих выращиваемых видов.

История

Более 8000 видов морских губок обитают в океанических и пресноводных местообитаниях.[1] Губка Исторически рыболовство было важной и прибыльной отраслью: с 1913 по 1938 год годовой улов регулярно превышал 181 тонну и приносил более 1 миллиона долларов США. Однако этот спрос на морские губки достиг пикового уровня вылова, и в 2003 году спрос на губки для ванн составил 2 127 тонн, при этом мировое производство за счет промысла удовлетворяет лишь четверть этого объема.[2]

Рано аквакультура В исследовании методов оптимизации аквакультуры морских губок использовался ряд методов разведения.[3][4] Однако коммерческое выращивание губок столкнулось с серьезным сопротивлением и вмешательством со стороны рыбаков, которые считали, что их постоянный доход находится под угрозой. Противодействие коммерческих производителей губки привело к низкому проникновению на рынок и неудовлетворительному восприятию потребителями губчатых продуктов аквакультуры.[3]

Преимущества

Преимущества коммерческой аквакультуры губок очевидны для жителей развивающихся стран.[5] В этих странах аквакультура губок является одновременно легким и прибыльным бизнесом, который приносит пользу местному сообществу и окружающей среде, сводя к минимуму давление вылова на дикие запасы и ущерб окружающей среде.[6]

Простой

Выращивание губок - простой процесс, требующий небольших специальных знаний. Кроме того, простота выращивания губок означает, что в производственный процесс может быть вовлечена вся семья. Это приводит к прибыльному семейному бизнесу, который соответствует традиционным представлениям о «семейных фермах», увеличивая вероятность внедрения аквакультуры морских губок. Кроме того, фермы по выращиванию морских губок обычно располагаются рядом с семейными домами, что обеспечивает постоянный доступ, мониторинг, модификацию и завершение работ на ферме.[6]

Получение дохода

Аквакультура морских губок также предоставляет семьям постоянный источник дохода круглый год, который можно выполнять как на полную ставку, так и на неполный рабочий день в дополнение к существующему доходу.[5]

Использует

Банные губки

В последние два десятилетия возобновился интерес к потенциалу аквакультуры губок для удовлетворения растущего мирового спроса на губки для ванн. Губки для ванн - это наиболее распространенное использование морской губки в аквакультуре. Банные губки можно определить как губки любого вида, обладающие только губка волокна - упругие волокна из коллаген белок.[7]

Коммерческое использование губок для ванн варьируется от косметический, для ванн или для промышленных целей, качество губки основано на анализе качества каркаса губки, при этом те, которые имеют мягкие, прочные и эластичные волокна, имеют самую высокую цену.[7]

Биоактивное использование

Наличие вторичные метаболиты продуцируемый симбиотическими микроорганизмами внутри губки, способствует ее росту и выживанию.[8] Тысячи вторичных метаболитов, полученных из губки, были успешно выделены из губок, при этом многие метаболиты обладают потенциальными лечебными свойствами, такими как цитотоксичность, противовоспалительное средство и противовирусное средство Мероприятия.[8] Следовательно, они обладают значительным потенциалом в фармацевтической промышленности как средства создания новых лекарств.[8] Эти вторичные метаболиты, однако, часто присутствуют только в следовых количествах, и единственные методы использования этих метаболитов в качестве терапия в зависимости от масштабирования соединений посредством химического синтеза или аквакультуры.[9]

Менструальные губки

Хотя это все еще что-то вроде нишевого рынка, несколько компаний начали производить и продавать небольшие губки как многоразовые. женская гигиена товары. Они продаются под торговой маркой Sea Pearls.[10] в США и Jam Sponge[11] в Соединенном Королевстве. Губки вставляются в влагалище примерно так же тампон есть, но когда они заполнены, они удаляются, очищаются и используются повторно, а не выбрасываются. Преимущества альтернативы многоразовым тампонам включают рентабельность и сокращение отходов. (Поскольку губки поддаются биологическому разложению, даже когда срок службы абсорбента менструальной губки истек, ее можно компостировать.) Некоторые женщины также обеспокоены рисками для здоровья, связанными с традиционными тампонами, и считают, что для здоровья лучше использовать натуральный материал. Пока нет известных случаев синдром токсического шока были связаны с использованием менструальных губок, губки, как известно, содержат песок, песок и бактерии, поэтому необходимо учитывать возможность синдрома токсического шока. Губки обладают большей способностью поглощать менструальные выделения, чем большинство тампонов; хотя их все равно следует менять не реже, чем каждые восемь часов.[нужна цитата ]

Факторы, влияющие на рост губок

Соленость, pH, температура и свет

Морские губки следует выращивать в соленость 35ppt (соленость морской воды). Гиперсоленость (высокая концентрация соли) в окружающей среде, окружающей губку, приводит к дегидратации клеток губки, тогда как среда с пониженным содержанием соли (с низкой концентрацией соли) разбавляет внутриклеточную среду губки. Для максимального производства губки pH воды должен соответствовать pH морской воды (pH 7,8–8,4). Губки чувствительны к температуре, а экстремальные колебания температуры окружающей среды могут отрицательно сказаться на здоровье морских губок. Высокие температуры приводят к поломке культур губок. Симбиотические бактерии, которые обычно населяют морских губок, начинают размножаться с неустойчивой скоростью, когда температура воды повышается на несколько градусов. Затем эти бактерии атакуют и разрушают клетки и ткань губки. Было высказано предположение, что губки следует выращивать при температуре воды немного ниже температуры окружающей воды в регионе, из которого губка была первоначально изолирована.[12]

Фотосинтетический эндосимбионты населяют множество тропических губок, которым для выживания нужен свет. В результате некоторые губки зависят от наличия и интенсивности света для удовлетворения своих потребностей в питании.[13] Однако у некоторых видов свет может приводить к задержке роста, поскольку они чувствительны к ультрафиолетовому излучению.[13] За исключением случаев, когда губка связана с фотосинтезирующими бактериями, оптимальный рост морской губки происходит в темноте.[13]

Растворенный кислород

Растворенный кислород всасывается через водоносную систему. Кислород в морских губках расходуется со скоростью 0,2–0,25 мкмоль O.2час−1/см3 объема губки. [12]Атмосферные вещества, поддерживаемые в лабораторных условиях, также могут переносить гипоксические условия в течение коротких периодов времени, что может отражать их приспособляемость к растворенному кислороду.[14]

Уборка мусора

В закрытых системах культивирования некоторые виды губок могут продуцировать биоактивные и цитотоксические метаболиты, которые могут быстро накапливаться и подавлять дальнейший рост губок.[13] Однако биофильтры, вероятно, будут неэффективны при удалении вторичных метаболитов, выведенных из губки. Адсорбция методы, при которых биомолекулы прилипают к адсорбат вероятно, будет эффективным способом удаления этих соединений.[13]

Болезни

Вспышки болезней губок для мытья посуды часто бывают серьезными и могут уничтожить как дикие, так и выращиваемые в аквакультуре популяции губок. Основные факторы, которые приводят к вспышкам заболеваний, могут быть связаны с возбудителями, такими как вирусы, грибки, цианобактерии и бактериальные штаммы.[7][15][16]

Выбор сайта

При выборе места для выращивания морских губок необходимо учитывать факторы, способствующие росту и выживанию культивируемых видов губок. Губки в значительной степени полагаются на пассивный поток воды, чтобы обеспечить пищу, такую ​​как бактерии и микроводоросли, таким образом, хороший поток воды увеличивает рост и качество губок.[17] Скорость потока воды выше нормы может потенциально повредить выращиваемые губки.[17] Идеальное место для фермы по выращиванию морских губок - это защищенная территория, которая получает достаточный поток воды и доступность пищи для оптимизации роста губок.[7]

Способы выращивания

Использование эксплантов

Губочная аквакультура для производства губки или метаболитов использует высокие регенеративные способности тотипотент клетки губки с помощью эксплантатов (отрезанные кусочки родительской губки, которые затем вырастут в полноценную губку) в качестве средства культивирования губок.[17][18] Губки имеют неопределенный рост, при этом максимальный рост определяется экологическими ограничениями, а не генетика. Во время первоначального создания фермы эксплантаты губок будут выбраны по их фенотипическим характеристикам: быстрому росту и высокому качеству спонгина или метаболитов.

Интегрированная мульти-трофическая аквакультура

Интенсивная морская аквакультура за последнее десятилетие значительно увеличилась и привела к значительным неблагоприятным воздействиям на окружающую среду.[19] Большие объемы сброса органических веществ из несъеденных кормов и выделений аквакультурных видов привели к высоким уровням питательных веществ в прибрежных водах. Большое количество азота (~ 75%) выводится из организма двустворчатые моллюски, лосось и креветка, войти в прибрежную среду, с потенциалом развития цветение водорослей, и уменьшить растворенный кислород в воде.

An интегрированная аквакультура система состоит из ряда видов на разных трофические уровни из пищевая цепочка. Таким образом, образующиеся отходы (питающиеся организмы), такие как рыба и креветки, соединяются с экстрактивными организмами, такими как морские ушки, губки или морские ежи, в качестве механизма удаления избыточных питательных веществ из водной толщи. Морские губки имеют явное преимущество в качестве экстрактивных организмов в интегрированной многотрофической системе аквакультуры, поскольку они могут действовать как биоремедиатор удалить оба патогенные бактерии и органическое вещество.[19] Губка Гимениацидон перлевис продемонстрировал отличную способность удалять общий органический углерод (TOC) из морской воды в условиях интегрированной аквакультуры,[19] и может быть потенциально полезным биоремедиация инструмент для систем аквакультуры в регионах с высоким уровнем загрязнения воды. Кроме того, органическое обогащение, получаемое от выращиваемой поблизости рыбы, может стимулировать рост губок, что приводит к более эффективной аквакультуре морских губок.[6]

Банная губка для аквакультуры

Многие коммерческие хозяйства по выращиванию морских губок размещают свои участки аквакультуры на более глубокой воде (> 5 м), чтобы максимально увеличить количество эксплантатов губок, которые можно выращивать, и повысить продуктивность.[7] Были опробованы два основных метода аквакультуры с использованием банных губок: губки выращиваются либо на веревке, либо внутри сетчатого мешка.

Веревочный метод

Выживаемость губок, выращенных на веревках, как правило, ниже, так как эксплантат имеет неизлечимое повреждение, когда происходит «нанизывание» на веревку.[7][20] Кроме того, губки, выращенные на веревке, могут быть оторваны от веревки во время шторма, когда поток воды значительно увеличивается, или отрастают от веревки и образуют неликвидную, дешевую, характерную губку в форме пончика. Различия в росте и здоровье губок действительно наблюдаются у видов, для которых характерны различия в регенеративной способности, восприимчивости к инфекции после срезания, выносливости и потенциале роста.[7]

Метод мешка сетки

Более низкие уровни повреждения у некоторых видов губок, выращиваемых через сетчатые мешки, могут привести к более высокому уровню выживания. Скорость роста может быть снижена, поскольку сетка на мешках может уменьшить поток воды, ограничивая доступность пищи.[21] Накопление биообрастание такие агенты, как мшанки, асцидии и водоросли на сетке может дополнительно ограничить поток воды. Тонкие сетчатые нити с большими зазорами и удачно расположенным участком могут действовать как средство предотвращения биообрастания и снижения скорости потока.[7]

Комбинация методов

Комбинируя подходы к аквакультуре с использованием банных губок и веревок, и сетчатых мешков в «период выращивания питомников», можно повысить качество и производительность. В методе периода выращивания губки сначала выращивают в сетчатых мешках до тех пор, пока эксплантаты не заживут и не регенерируют, чтобы эффективно фильтровать воду. Регенерированные эксплантаты переносятся на веревку для обеспечения оптимального роста до сбора урожая. Эта стратегия является трудоемкой и дорогостоящей, при этом показатели роста и выживаемости, как установлено, не выше, чем при ведении сельского хозяйства исключительно с использованием метода мешков.[7]

Более экономически целесообразным методом выращивания губок для ванн было бы перенос губок в более крупные сетчатые мешки по мере роста губки, чтобы обеспечить адекватный поток воды и связывание питательных веществ.[7]

Производство банных губок в Микронезии

Банные губки в настоящее время производятся с использованием губки. Coscinoderma matthewsi с производством около 12000 губок, продаваемых на местном уровне жителям и туристам в Понпеи, Федеративные Штаты Микронезии. Эти губки - одни из единственных в мире морских губок, выращиваемых в условиях устойчивого развития.[5] Губки выращиваются с помощью веревочного метода с низкими инвестиционными затратами в несколько тысяч долларов на оборудование для выращивания и обслуживания, производящие 100% натуральные губки без добавления агрессивных химикатов во время обработки.[22]

Продукция аквакультуры C. matthewsi sponges был разработан Институтом морских и экологических исследований Понпеи (MERIP), чтобы попытаться обеспечить устойчивый доход для местных жителей с ограниченными возможностями заработка. Чтобы губки достигли годного для сбора размера, требуется около двух лет, при этом фридайверы обычно вручную удаляют водоросли и биообрастающие вещества. Эти губки обрабатываются естественным путем, где они сушатся на воздухе, а затем помещаются в корзины и возвращаются в лагуну, где они были выращены. Этот процесс удаляет все органические вещества из губки, оставляя после себя готовую губку для ванн. Дальнейшая обработка происходит путем смягчения губки, но без использования отбеливателей, кислот и красителей.[5]

Биоактивная аквакультура губок

Исследования по выращиванию морских губок на предмет биологически активных метаболитов проводятся в Средиземноморском, Индо-Тихоокеанском и Южнотихоокеанском регионах. Основными целями являются оптимизация биоактивных методов производства, процессов аквакультуры и условий окружающей среды для максимального увеличения их производства.

Новые методы

В аквакультуре для биоактивных веществ окончательная форма эксплантата не имеет значения, что позволяет использовать дополнительные методы производства. Новые методы биоактивного культивирования включают в себя «метод сетчатого массива», который использует столб воды для вертикального подвешивания сетчатой ​​трубки с отдельными эксплантами, помещенными в чередующиеся карманы.[7][23]

Количество губок, необходимых для получения биологически активных веществ в аквакультуре, сокращается, поскольку вторичные метаболиты губок могут собираться повторно в течение многих лет, что снижает затраты и необходимую инфраструктуру. Несколько губок, выбранных для производства метаболитов, будут иметь высокие скорости продуцирования целевого метаболита для оптимизации производства и прибыли.[7]

Факторы, влияющие на выработку вторичных метаболитов

На продукцию метаболитов губки влияет ряд факторов, причем концентрация метаболитов сильно варьируется между соседними эксплантами. Локальные различия в интенсивности света и биологическом обрастании являются физическими и биологическими факторами, которые, как было установлено, значительно влияют на биосинтез метаболитов в губках.[24] Изменения факторов окружающей среды могут изменять микробные популяции и впоследствии влиять на биосинтез метаболитов.

Понимание факторов окружающей среды, которые влияют на биосинтез метаболитов или экологическую роль метаболита, может быть использовано в качестве конкурентного преимущества для максимального увеличения производства метаболитов 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 для максимального увеличения производства метаболита.[24]

Некоторые губки, продуцирующие метаболиты, растут чрезвычайно быстро, что позволяет предположить, что губки для сельскохозяйственных культур могут 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 его более высокой добавленной стоимости свойств, есть несколько проблем, которые не возникают при аквакультурном выращивании губок для ванн, таких как высокие затраты, связанные с экстракцией и очисткой метаболитов.[7]

Рекомендации

  1. ^ Ван Сост, RWM; Альварес Б; Hajdu E; Pisera AB; Vacelet J; Manconi R; Шенберг C; Janussen D; Табачник К.Р .; Клаутау М (2008). «Всемирная база данных Porifera». Получено 25 июля 2011. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ Стор, Дж. Ф. (1957). «Индустрия губки Флориды». Штат Флорида, Совет по охране природы. Серия № 9.
  3. ^ а б Мур, HF (1910). «Практический метод выращивания губок». Бюллетень Бюро рыболовства США. 1. 28: 545–585.
  4. ^ Crawshay, LR (1939). «Исследования на рынке губок. I. Рост из посаженных черенков» (PDF). Журнал Морской биологической ассоциации Соединенного Королевства. 23: 553–574. Дои:10.1017 / s0025315400014077.
  5. ^ а б c d «Устойчивые губки». Устойчивые губки.
  6. ^ а б c Осинга, Р. Сидри М; Cerig E; Гокалп СЗ; Гокалп М (2010). «Испытания губчатой ​​аквакультуры в восточной части Средиземного моря: новые подходы к более ранним идеям». Открытый журнал морской биологии. 4: 74–81. Дои:10.2174/1874450801004010074.
  7. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Дакворт, АР (2009). «Сельскохозяйственные губки для снабжения биоактивных метаболитов и банные губки обзор». Морская биотехнология. 11 (6): 669–679. Дои:10.1007 / s10126-009-9213-2. PMID  19585169. S2CID  20472973.
  8. ^ а б c Блант, JW; Copp BR; Ху WP; Munro MHG; Northcote PT; Принсеп MR (2009). «Морские натуральные продукты: обзор». Отчеты о натуральных продуктах. 26 (2): 170–244. Дои:10.1039 / b805113p. HDL:10289/10318. PMID  19177222.
  9. ^ Шмитц, FJ (1993). Противоопухолевые и цитотоксические соединения морских организмов. Нью-Йорк: Пленум. С. 197–308.
  10. ^ http://jadeandpearl.com/sea-pearls/#.Uvb3tvv-aZF
  11. ^ http://www.jamsponge.co.uk/
  12. ^ а б Беларби, EH; Домингес MR; Carcia MCC; Gomez AC; Camacho G; Грима Э.М. (2003). «Выращивание эксплантов морской губки крамбла в закрытых системах». Биомолекулярная инженерия. 20 (4–6): 333–337. Дои:10.1016 / с1389-0344 (03) 00043-1. PMID  12919817.
  13. ^ а б c d е Тейлор, МВт; Radax R; Steger D; Вагнер М (2007). «Микроорганизмы, ассоциированные с губками: эволюция, экология и биотехнологический потенциал». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 71 (2): 295–347. Дои:10.1128 / MMBR.00040-06. ЧВК  1899876. PMID  17554047.
  14. ^ Gunda, VG; Джанапала, VR (сентябрь 2009 г.). «Влияние уровней растворенного кислорода на выживание и рост Haliclona pigmentifera (Demospongiae) in vitro». Клеточная ткань Res. 337 (3): 527–35. Дои:10.1007 / s00441-009-0843-5. PMID  19653007. S2CID  36473715.
  15. ^ Вебстер, Н.С. (2007). «Болезнь губок: глобальная угроза?». Экологическая микробиология. 9 (6): 1363–1375. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2007.01303.x. PMID  17504474.
  16. ^ Пронзато, Р. (1999). «Губочный промысел, болезни и земледелие в Средиземном море». Сохранение водных ресурсов: морские и пресноводные экосистемы. 9 (5): 485–493. Дои:10.1002 / (sici) 1099-0755 (199909/10) 9: 5 <485 :: aid-aqc362> 3.0.co; 2-n.
  17. ^ а б c Дакворт, АР; Battershill CN; Шиль Д.Р. (1997). «Влияние процедур эксплантации и факторов окружающей среды на успех культивирования трех губок». Аквакультура. 156 (3–4): 251–267. Дои:10.1016 / с0044-8486 (97) 00131-2.
  18. ^ Эйлинг, А.Л. (1983). «Скорость роста и регенерации у слабо покрытых коркой Demospongiae из умеренных вод». Биология Бык. 25: 75–82.
  19. ^ а б c Fu, Q; Wu Y; Sun L; Чжан В (2007). «Эффективная биоремедиация общего органического углерода (ТОС) в интегрированной системе аквакультуры с помощью морской губки Hymeniacidon perleve». Биотехнологии и биоинженерия. 97 (6): 1387–1397. Дои:10.1002 / бит.21352. PMID  17274061.
  20. ^ Верденаль, Б. (1990). Культивирование губок на вертикальных веревках в северо-западной части Средиземного моря. In: Rutzler K (ed) Новые перспективы в биологии губок.. Вашингтон, округ Колумбия: Пресса Смитсоновского института. С. 416–424.
  21. ^ Дакворт, АР; Баттерсхилл CN (2003). «Губная аквакультура для производства биологически активных метаболитов: влияние протоколов выращивания и окружающей среды». Аквакультура. 221 (1–4): 311–329. Дои:10.1016 / с0044-8486 (03) 00070-х.
  22. ^ OEA. «Профиль аквакультуры Понпеи Федеративных Штатов Микронезии». Управление по экономическим вопросам. Штат Понпеи.
  23. ^ де Вогд, штат Нью-Джерси (2007). «Марикультурный потенциал индонезийской рифовой губки Callyspongia (Euplacella) biru: рост, выживаемость и биологически активные соединения». Аквакультура. 262: 54–64. Дои:10.1016 / j.aquaculture.2006.09.028.
  24. ^ а б Пейдж, MJ; Northcote PT; Уэбб В.Л .; Mackey S; Хэндли SJ (2005). «Исследования в аквакультуре по производству биологически активных метаболитов новозеландской губки Mycale hentscheli». Аквакультура. 250: 256–269. Дои:10.1016 / j.aquaculture.2005.04.069.