Аквакультура морских губок — это процесс выращивания морских губок в контролируемых условиях. Она ведется в мировых океанах на протяжении столетий с использованием ряда методов аквакультуры . Существует множество факторов, таких как свет, соленость , pH , растворенный кислород и накопление отходов, которые влияют на скорость роста губок. Преимущества аквакультуры морских губок реализуются в результате простоты ее создания, минимальных требований к инфраструктуре и потенциального использования в качестве источника дохода для населения, проживающего в развивающихся странах. Морские губки производятся в коммерческих масштабах для использования в качестве банных губок 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 многотрофической системы аквакультуры. Одни из немногих по-настоящему устойчивых морских губок, выращиваемых в мире, встречаются в регионе Микронезии , где используется ряд методов выращивания и производства для обеспечения и поддержания постоянной устойчивости этих выращиваемых видов.
Более 8000 видов морских губок обитают в океанических и пресноводных местообитаниях. [1] Исторически ловля губок была важной и прибыльной отраслью, с годовым уловом с 1913 по 1938 год, регулярно превышающим 181 тонну и приносящим более 1 миллиона долларов США. Однако спрос на морские губки достиг пика, и в 2003 году спрос на банные губки составил 2127 тонн, при этом мировое производство от вылова покрыло лишь четверть этого количества. [2]
Ранние исследования аквакультуры по оптимизации методов аквакультуры морских губок использовали ряд методов ведения сельского хозяйства. [3] [4] Однако коммерческое разведение губок столкнулось с серьезным сопротивлением и вмешательством со стороны рыбаков, которые считали, что их постоянный доход находится под угрозой. Сопротивление со стороны коммерческих фермеров, выращивающих губки, привело к низкому проникновению на рынок и плохому принятию потребителями продуктов аквакультуры губок. [3]
Преимущества коммерческой аквакультуры губок очевидны для тех, кто живет в развивающихся странах. [5] В этих странах аквакультура губок является как простым, так и прибыльным бизнесом, который приносит пользу местному сообществу и окружающей среде за счет минимизации как давления вылова на дикие популяции, так и ущерба окружающей среде. [6]
Выращивание губок — простой процесс, не требующий особых специальных знаний. Кроме того, простота аквакультуры губок означает, что в процессе производства может участвовать вся семья. Это приводит к прибыльному семейному бизнесу, который соответствует традиционным рассуждениям о «семейных фермах», увеличивая вероятность принятия аквакультуры морских губок. Кроме того, фермы по выращиванию морских губок обычно располагаются недалеко от семейных домов, что обеспечивает постоянный доступ, мониторинг, внесение изменений и выполнение работ на ферме. [6]
Аквакультура морских губок также обеспечивает семьям постоянный источник дохода круглый год, которым можно заниматься как полный рабочий день, так и в качестве работы на неполный рабочий день для дополнения к существующему доходу. [5]
За последние два десятилетия вновь возрос интерес к потенциалу аквакультуры губок, чтобы способствовать удовлетворению растущего мирового спроса на банные губки. Банные губки являются наиболее распространенным использованием аквакультурных морских губок сегодня. Банные губки можно определить как любой вид губки, обладающий только волокнами спонгина – упругими волокнами, состоящими из коллагенового белка. [7]
Коммерческое использование банных губок варьируется от косметических , банных и промышленных целей, при этом качество губки определяется на основе анализа качества ее скелета, причем те, которые обладают мягкими, прочными и эластичными волокнами, имеют самую высокую цену. [7]
Присутствие вторичных метаболитов, вырабатываемых симбиотическими микроорганизмами внутри губки, усиливает ее рост и выживаемость. [8] Тысячи вторичных метаболитов, полученных из губки, были успешно выделены из губок, при этом многие метаболиты обладают потенциальными лечебными свойствами, такими как цитотоксичность , противовоспалительная и противовирусная активность. [8] Поэтому они имеют значительный потенциал в фармацевтической промышленности как средство создания новых лекарств. [8] Однако эти вторичные метаболиты часто присутствуют только в следовых количествах, и единственные методы использования этих метаболитов в качестве терапевтических средств зависят от масштабирования соединений посредством химического синтеза или аквакультуры. [9]
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 торговыми марками Sea Pearls [10] в Соединенных Штатах и Jam Sponge [11] в Соединенном Королевстве. Губки вставляются во влагалище почти так же, как тампон , но после заполнения 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 рисками для здоровья, связанными с традиционными тампонами, и считают, что полезнее использовать натуральный материал. Хотя не было известных случаев синдрома токсического шока , связанных с использованием менструальных губок, известно, что губки, если их неправильно подготовить, содержат песок, щебень 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 одного раза в восемь часов. [ необходима цитата ]
Морские губки следует культивировать при солености 35 ppt (соленость морской воды). Гиперсоленость (высокая концентрация соли) в непосредственной окружающей губку среде обезвоживает клетки губки, тогда как гипосоленость (низкая концентрация соли) разбавляет внутриклеточную среду губки. pH воды должен соответствовать pH морской воды (pH 7,8–8,4) для максимального производства губок. Губки чувствительны к температуре, и экстремальные колебания температуры окружающей среды могут негативно повлиять на здоровье морских губок. Высокие температуры приводят к сбоям в культурах губок. Симбиотические бактерии, которые обычно населяют морские губки, 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 среды в регионе, из которого губка была первоначально изолирована. [12]
Фотосинтетические эндосимбионты населяют многие тропические губки, и им для выживания необходим свет. В результате некоторые губки зависят от доступности и интенсивности света для удовлетворения своих пищевых потребностей. [13] Однако у некоторых видов свет может привести к подавлению роста, поскольку они чувствительны к ультрафиолетовому излучению. [13] За исключением случаев, когда губка связана с фотосинтетическими бактериями, оптимальный рост морской губки происходит в темных условиях. [13]
Растворенный кислород поглощается через водоносную систему. Кислород в морских губках потребляется со скоростью, которая варьируется от 0,2 до 0,25 мкмоль O 2 ч −1 /см 3 объема губки. [12] Демоспонги , содержащиеся в лабораторных условиях, также могут переносить гипоксические условия в течение коротких периодов, что может отражать их приспособляемость к растворенному кислороду. [14]
В закрытых системах культивирования некоторые виды губок могут производить биоактивные и цитотоксичные метаболиты, которые могут быстро накапливаться и подавлять дальнейший рост губки. [13] Однако биофильтры, вероятно, будут неэффективны в удалении вторичных метаболитов, выбрасываемых из губки. Методы адсорбции , при которых биомолекулы прилипают к адсорбату, вероятно, будут эффективным способом удаления этих соединений. [13]
Вспышки болезни банной губки часто бывают серьезными, имея потенциал уничтожить как дикие, так и аквакультурные популяции губок. Основные факторы, которые приводят к вспышкам болезни, могут быть вызваны такими возбудителями, как вирусы, грибки, цианобактерии и штаммы бактерий. [7] [15] [16]
При выборе места для аквакультуры морских губок необходимо учитывать факторы, способствующие росту и выживанию культивируемых видов губок. Губки в значительной степени зависят от пассивного потока воды для обеспечения пищей, такой как бактерии и микроводоросли , поэтому хороший поток воды увеличивает рост и качество губок. [17] Более высокие, чем обычно, скорости потока воды могут потенциально повредить выращиваемые губки. [17] Идеальным местом для фермы морских губок будет защищенная территория, которая, однако, получает достаточный поток воды и доступность пищи для оптимизации роста губок. [7]
Аквакультура губок для производства спонгина или метаболитов извлекает выгоду из высоких регенеративных способностей тотипотентных клеток губок, используя экспланты (отрезанные части родительской губки, которые затем вырастут в полноценную губку) в качестве средства культивирования губок. [17] [18] Губки имеют неопределенный рост , при этом максимальный рост определяется ограничениями окружающей среды, а не генетикой . Во время первоначального создания фермы экспланты губок будут выбираться по их фенотипическим характеристикам быстрого роста и высококачественного спонгина или метаболитов.
Интенсивная морская аквакультура за последнее десятилетие значительно возросла и привела к значительным неблагоприятным воздействиям на окружающую среду. [19] Большие объемы сброса органического вещества из несъеденного корма и экскрементов аквакультурных видов привели к высокому уровню питательных веществ в прибрежных водах. Большое количество азота (~ 75%), выделяемого двустворчатыми моллюсками , лососем и креветками , попадает в прибрежную среду, что может привести к цветению водорослей и снижению уровня растворенного кислорода в воде.
Интегрированная система аквакультуры состоит из ряда видов на разных трофических уровнях пищевой цепи . Таким образом, отходы, генерирующие (кормовые организмы), такие как рыба и креветки, связаны с экстрактивными организмами, такими как морские ушки, губки или морские ежи, в качестве механизма удаления избытка питательных веществ из водной толщи. Морские губки имеют явное преимущество как экстрактивный организм в интегрированной мультитрофической системе аквакультуры, поскольку они обладают потенциалом действовать как биоремедиатор для удаления как патогенных бактерий, так и органических веществ. [19] Губка Hymeniacidon perlevis продемонстрировала превосходную способность удалять общий органический углерод (TOC) из морской воды в условиях интегрированной аквакультуры, [19] и может быть потенциально полезным инструментом биоремедиации для систем аквакультуры в регионах с высоким уровнем загрязнения воды. Кроме того, органическое обогащение, происходящее от рыбы, выращиваемой поблизости, может стимулировать рост губок, что приводит к более эффективной аквакультуре морских губок. [6]
Многие коммерческие фермы по выращиванию морских губок располагают свои аквакультурные площадки в более глубоких водах (>5 м), чтобы максимизировать количество эксплантов губок, которые можно вырастить, и повысить производительность. [7] Были опробованы два основных метода аквакультуры банных губок, при которых губки выращиваются либо на веревке, либо внутри сетчатого мешка.
Выживаемость губок, выращиваемых на веревках, как правило, ниже, поскольку при «нанизывании» на веревку эксплантат подвергается необратимому повреждению. [7] [20] Кроме того, губки, выращиваемые на веревке, могут быть оторваны от веревки во время штормов, когда поток воды значительно увеличивается, или отрасти от веревки и сформировать неликвидную, малоценную, характерную губку в форме пончика. Различия в росте и здоровье губок наблюдаются внутри видов, характеризующихся различиями в способности к регенерации, восприимчивости к инфекции после срезания, выносливости и потенциале роста. [7]
Более низкие уровни повреждений у некоторых видов губок, выращиваемых с помощью сетчатых мешков, могут привести к более высоким уровням выживания. Темпы роста могут быть снижены, поскольку нити сетки на мешках могут уменьшить поток воды, ограничивая доступность пищи. [21] Накопление агентов биообрастания, таких как мшанки , асцидии и водоросли на сетке, может еще больше ограничить поток воды. Тонкие нити сетки с большими зазорами и хорошо расположенным местом могут выступать в качестве средства для смягчения биообрастания и снижения скорости потока. [7]
Объединяя подходы веревки и сетчатого мешка для аквакультуры банной губки в «период питомника», можно добиться повышения качества и производительности. В методе периода питомника губки изначально выращиваются в сетчатых мешках до тех пор, пока экспланты не заживут и не восстановятся для эффективной фильтрации воды. Регенерированные экспланты переносятся на веревку для обеспечения оптимального роста до сбора урожая. Эта стратегия является трудоемкой и дорогостоящей, при этом темпы роста и выживаемость, как было установлено, не выше, чем при выращивании исключительно с использованием метода сетчатого мешка. [7]
Более экономически выгодным методом выращивания банных губок было бы перемещение губок в более крупные сетчатые мешки по мере роста губок, чтобы обеспечить достаточный поток воды и секвестрацию питательных веществ. [7]
В настоящее время банные губки производятся с использованием губки Coscinoderma matthewsi , объем производства составляет около 12 000 губок, которые продаются местным жителям и туристам в Понпеи , Федеративные Штаты Микронезии . Эти губки являются одними из немногих по-настоящему устойчиво выращиваемых морских губок в мире. [5] Губки выращиваются методом веревки, с низкими инвестиционными затратами в несколько тысяч долларов на фермерское и техническое оборудование, производя 100% натуральные губки без добавления едких химикатов во время обработки. [22]
Аквакультурное производство губок C. matthewsi было начато Институтом морских и экологических исследований Понпеи (MERIP) с целью получения устойчивого дохода для местных жителей, у которых мало вариантов заработка. Губкам требуется около двух лет, чтобы достичь размера, пригодного для сбора, при этом фридайверы регулярно удаляют водоросли и биообрастания вручную. Эти губки обрабатываются естественным путем, где их оставляют сохнуть на воздухе, а затем помещают в корзины и возвращают в лагуну, где они были выращены. Этот процесс удаляет все органические вещества из губки, оставляя после себя конечный продукт — губку для ванны. Дальнейшая обработка происходит путем размягчения губки, но отбеливатели, кислоты или красители не используются. [5]
Исследования по выращиванию морских губок для получения биоактивных метаболитов проводятся в Средиземноморье, Индо-Тихоокеанском регионе и регионе Южной части Тихого океана. Главные цели — оптимизировать методы биоактивного производства, процессы аквакультуры и условия окружающей среды для максимизации их производства.
В аквакультуре для биоактивных веществ окончательная форма экспланта не имеет значения, что позволяет использовать дополнительные методы производства. Новые методы биоактивного выращивания включают «метод сетчатого массива», который использует столб воды для вертикального подвешивания сетчатой трубки с отдельными эксплантатами, удерживаемыми в чередующихся карманах. [7] [23]
Количество губок, необходимых для аквакультуры биоактивных веществ, сокращается, поскольку вторичные метаболиты губок можно собирать повторно в течение многих лет, что снижает затраты и необходимую инфраструктуру. Несколько губок, выбранных для производства метаболитов, будут иметь высокие показатели производства целевого метаболита для оптимизации производства и прибыли. [7]
На продукцию метаболитов губок влияет ряд факторов, при этом концентрация метаболитов сильно различается между соседними эксплантами. Локальные различия в интенсивности света и биообрастании являются физическими и биологическими факторами, которые, как было обнаружено, значительно влияют на биосинтез метаболитов в губках. [24] Изменения факторов окружающей среды могут изменить микробные популяции и впоследствии повлиять на биосинтез метаболитов.
Понимание факторов окружающей среды, которые влияют на биосинтез метаболитов или экологическую роль метаболита, может быть использовано в качестве конкурентного преимущества для максимизации производства метаболитов и общего урожая. Например, если экологическая роль вторичного целевого метаболита заключалась в сдерживании хищников, имитация хищничества путем ранения губки перед сбором урожая может быть эффективной техникой для максимизации производства метаболитов. [24]
Некоторые губки, производящие метаболиты, растут чрезвычайно быстро, что говорит о том, что разведение губок может быть жизнеспособной альтернативой производству биоактивных веществ, которые в настоящее время не могут быть химически синтезированы. Хотя разведение губок для биоактивных веществ более прибыльно из-за их более высоких свойств с добавленной стоимостью, существует несколько проблем, которые отсутствуют при аквакультуре банных губок, например, высокие затраты, связанные с извлечением и очисткой метаболитов. [7]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )