Improvement of water quality and bioproduction of high added-value products from the integrated cultivation of marine sponges in fish aquaculture systems
Authors: Βαραμογιάννη-Μαματσή Δέσποινα 
Published: April 2024

Η θαλάσσια καλλιέργεια, υποστηριζόμενη συνήθως από συστήματα θαλάσσιων κλωβών, αποτελεί σημαντική οικονομική δραστηριότητα για πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο και διαδραματίζει αυξανόμενο ρόλο στον εφοδιασμό ψαριών. Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει αναφερθεί έντονη δραστηριότητα στη Μεσόγειο Θάλασσα, με την Ελλάδα να είναι ένας από τους σημαντικότερους παραγωγούς τσιπούρας και λαβρακιού παγκοσμίως. Με τη σταδιακή αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, και κατά συνέπεια, των διατροφικών απαιτήσεων σε ψάρια και προϊόντων ιχθύων, τα συστήματα θαλάσσιας καλλιέργειας αναμένονται να παρουσιάσουν ακόμη μεγαλύτερη ανάπτυξη. Για την ενίσχυση της παραγωγικότητας, οι ιχθυοκαλλιεργητές χρησιμοποιούν επί του παρόντος μεγαλύτερες ποσότητες ιχθυοτροφών και χημικών ουσιών που είναι απαραίτητες για τη διασφάλιση της υγείας και την ανάπτυξη εντός της καλλιέργειας. Ένα σημαντικό μέρος αυτών των χορηγούμενων ουσιών παραμένει διαλυμένο στη στήλη του νερού ή μπορεί είτε να καταλήξει ως σωματίδια σε θαλάσσια ιζήματα, εγκυμονώντας σημαντικούς κινδύνους για την θαλάσσια και την ανθρώπινη ζωή. Οι μη καταναλωθείσες ιχθυοτροφές σε συνδυασμό με τις μαζικές εκκρίσεις περιττωμάτων και άλλων μεταβολικών αποβλήτων των ψαριών, είναι η κύρια αιτία για τον εμπλουτισμό των υδάτων και των ιζημάτων με θρεπτικά συστατικά κοντά σε ιχθυοτροφεία. Από την άλλη πλευρά, η χορήγηση θεραπευτικών ουσιών, όπως αντιβιοτικά, παρασιτοκτόνα, αναισθητικά, απολυμαντικά και ορμόνες, καθώς και η χρήση υφαλοχρωμάτων ενισχυμένων με βιοκτόνα που χρησιμοποιούνται για την πρόληψη της βιοεπικάθισης στις βυθισμένες δομές παραγωγής, μπορεί δυνητικά να οδηγήσει σε υψηλά οργανικά φορτία, χημική ρύπανση και βιοσυσσώρευση ρύπων στα εκτρεφόμενα ψάρια ή άλλους θαλάσσιους οργανισμούς που ενδιαιτούν στην ευρύτερη περιοχή. Άλλες χημικές εισροές περιλαμβάνουν βαρέα μέταλλα και πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ) που προέρχονται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες στην ξηρά και τη θάλασσα. Συνεπακόλουθα, η ρύπανση από θρεπτικά και οργανικά συστατικά δύναται να προκαλέσει μια σειρά από δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως υποβάθμιση του νερού, υποξία, βιολογική ρύπανση, ευτροφισμό και καταστροφή των οικοτόπων, με σοβαρές οικονομικές απώλειες για τους ιχθυοκαλλιεργητές. Για να περιοριστεί η ρύπανση σε μία υδατοκαλλιέργεια μέσω οικολογικά βιώσιμων και κοινωνικά αποδεκτών τρόπων, τα ολοκληρωμένα συστήματα πολυτροφικής υδατοκαλλιέργειας (ΙΜΤΑ) αναδεικνύονται ως εφικτή λύση. Τέτοια συστήματα συνδυάζουν την ιχθυοκαλλιέργεια με την εκτροφή δευτερευόντων ειδών, τα οποία καταναλώνουν τα θρεπτικά συστατικά και τα απόβλητα των ψαριών επιτυγχάνοντας συνεχή ανάπτυξη και παράγοντας βιομάζα με σημαντική οικονομική αξία. Κατά την πάροδο των χρόνων, αρκετοί οργανισμοί έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για συστήματα ολοκληρωμένης υδατοκαλλιέργειας. Μεταξύ αυτών, οι θαλάσσιοι σπόγγοι επιφυλάσσουν μεγάλο δυναμικό υπό το πρίσμα των έμφυτων ιδιοτήτων τους ως θαλάσσια φίλτρα και της ικανότητάς τους να συγκρατούν μια ποικιλία οργανικών υδατογενών ουσιών, σωματιδιακής ή διαλυμένης μορφής. Πέρα από το υψηλό δυναμικό βιοαποκατάστασης ως προς μία πληθώρα βιολογικών και οργανικών ρύπων, η βιομάζα των σπόγγων θεωρείται «ορυχείο χρυσού», δεδομένου των εφαρμογών της σε διάφορους βιοτεχνολογικούς τομείς, ως σφουγγάρια μπάνιου αλλά και πηγές βιοδραστικών ενώσεων. Αν και ελπιδοφόρα, μόνο λίγες υπάρχουσες μελέτες έχουν διερευνήσει την ιδέα της βιοαποκατάστασης/βιοπαραγωγής από την συγκαλλιέργεια σπόγγων σε ιχθυοκαλλιέργειες παγκοσμίως, ενώ αντίστοιχες μελέτες εντός Ελλάδας είναι πρακτικά ανύπαρκτες. Λαμβάνοντας υπόψη τον ακμάζοντα τομέα της υδατοκαλλιέργειας στον ελλαδικό χώρο και την πλούσια ποικιλία σε σπόγγους που υπάρχει στο Αιγαίο Πέλαγος, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η δυνατότητα ενσωμάτωσης των γηγενών ειδών σπόγγων σε ιχθυοτροφικές μονάδες. Στόχος αυτής της διατριβής είναι (α) να αξιολογήσει την ικανότητα βιοαποκατάστασης των μεσογειακών σπόγγων μέσω ελεγχόμενων εργαστηριακών πειραμάτων που περιλαμβάνουν χαρακτηριστικούς βιολογικούς και χημικούς ρύπους των ιχθυοκαλλιεργειών και (β) να διερευνήσει το δυναμικό αξιοποίησης της παραγόμενης βιομάζας των σπόγγων μέσω της στοχευμένης ανάλυσης γνωστών μεταβολιτών και του ελέγχου της βιοδραστικότητας των εκχυλισμάτων τους. Τα πειράματα καθαρισμού πραγματοποιήθηκαν για τέσσερις ευρέως διαδεδομένους μεσογειακούς σπόγγους Agelas oroides, Axinella cannabina, Chondrosia reniformis και Sarcotragus foetidus, οι οποίοι επιλέχθηκαν βάσει της υψηλής φυσικής τους αφθονίας, των μορφολογικών χαρακτηριστικών τους και της ικανοποιητικής ανάπτυξή τους σε πειραματική σπογγοκαλλιέργεια. Η ικανότητα εξυγίανσης βιολογικά ρυπασμένων υδάτων ιχθυοκαλλιέργειας αξιολογήθηκε εργαστηριακά ως προς τρεις φυτοπλαγκτονικούς οργανισμούς, σε μια προσπάθεια προσομοίωσης της απόκρισης των σπόγγων σε ευτροφικά περιβάλλοντα με άνθιση φυτοπλαγκτού (algal blooms). Τα εξεταζόμενα μικροφύκη παρουσίαζαν διαφορετικά χαρακτηριστικά μεγέθους/κινητικότητας και ανήκαν στα γένη Nannochloropsis sp. (~3.2 μm, μη κινητικό), Isochrysis sp. (~3.8 μm, κινητικό) και Phaeodactylum (~21.7 μm, μη κινητικό). Μοσχεύματα σπόγγων εκτέθηκαν για 7 ώρες σε θαλασσινό νερό εμπλουτισμένο με μικροφύκη υπό διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Αρχικά, αποδείχθηκε ότι και οι τέσσερις υποψήφιοι σπόγγοι ήταν σε θέση να διατηρήσουν την ικανότητα καθαρισμού τους σε διάστημα τεσσάρων ή πέντε διαδοχικών ημερών. Υπό έκθεση σε μία βαθμίδα κυτταρικών συγκεντρώσεων που προσομοίαζαν ολιγοτροφικά έως και εξαιρετικά ευτροφικά συστήματα, οι σπόγγοι διατήρησαν τη βέλτιστη ικανότητα φιλτραρίσματός τους. Το ίδιο παρατηρήθηκε εν μέρει και κατά την πραγματοποίηση πειραμάτων υπό διαφορετικές συνθήκες φωτισμού. Διαφορετικές προτιμήσεις πρόσληψης παρατηρήθηκαν μεταξύ των εξεταζόμενων σπόγγων για μικροφύκη με διακριτό μέγεθος και κινητικά χαρακτηριστικά. Συνολικά, οι μελετώμενοι σπόγγοι εμφάνισαν ένα ευρύ φάσμα αποτελεσματικοτήτων συγκράτησης των διαφορετικών κυττάρων φυτοπλαγκτού που εξετάστηκαν, με τις υψηλότερες μέσες τιμές να σημειώνονται για τα είδη A. oroides (70%) και S. foetidus (44%). Οι ίδιοι υποψήφιοι σπόγγοι διερευνήθηκαν περαιτέρω για την ικανότητά τους να αφαιρούν από το νερό διαλυμένους οργανικούς ρύπους που απαντώνται σε περιβάλλοντα υδατοκαλλιέργειας. Αυτή η σειρά εργαστηριακών πειραμάτων περιλάμβανε την έκθεση σε (α) μεμονωμένες χημικέςουσίες που ανήκουν στα αντιβιοτικά (π.χ. οξυτετρακυκλίνη), αντιρρυπαντικά επιχρίσματα (π.χ. diuron και Irgarol 1051) και πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (π.χ. 2,6-διμεθυλναφθαλένιο και φαινανθρένιο), αλλά και (β) πολύπλοκα οργανικά μείγματα, που περιλάμβαναν διηθήματα ιχθυοτροφών και περιττωμάτων ψαριών. Όλοι οι σπόγγοι ήταν ικανοί να προσλαμβάνουν τις διάφορες οργανικές ουσίες, επιδεικνύοντας έντονη προτίμηση στους λιπόφιλους ρύπους. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε μια ισχυρή θετική συσχέτιση μεταξύ της καθαριστικής δράσης των σπόγγων και της υδροφοβικότητας των υποστρωμάτων. Μεταξύ των σπόγγων που μελετήθηκαν, το A. oroides επέδειξε την υψηλότερη απόδοση κατακράτησης ως προς τις διαφορετικές διαλυτές οργανικές ουσίες που εξετάστηκαν, με τα υψηλότερα ποσοστά να παρατηρούνται πάντα για τους περισσότερο λιπόφιλους ρύπους. Σε μεταγενέστερο στάδιο, διερευνήσαμε τις διεργασίες που διέπουν την απομάκρυνση της διαλυμένης οργανικής ύλης(DOM) από τους σπόγγους. Σε όλα τα είδη που μελετήθηκαν, η διαδικασία ενεργητικού φιλτραρίσματος των σπόγγων βρέθηκε να παίζει κυρίαρχο ρόλο στην αφομοίωση των διαλυμένων ρύπων. Κάτι τέτοιο δικαιολογήθηκε από τους αυξανόμενους ρυθμούς που παρατηρήθηκαν μέσω αυτού του μηχανισμού σε σχέση με τις τιμές που προέκυψαν από την παθητική προσρόφηση των ρύπων στην επιφάνεια των νεκρών σπόγγων. Τέλος, επιβεβαιώθηκε ότι οι προσλαμβανόμενοι ρύποι συγκρατούνται σταθερά από τους σπόγγους και μετά βίας επαναπελευθερώνονται πίσω στο θαλασσινό νερό μέσω της εκρόφησης ή των μηχανισμών απέκκρισης των σπόγγων.Το τελικό κριτήριο για την αξιολόγηση της εφαρμοσιμότητας των γηγενών σπόγγων σε ολοκληρωμένα συστήματα υδατοκαλλιέργειας, ήταν το δυναμικό αξιοποίησης της καλλιεργούμενης βιομάζας τους. Για το λόγο αυτό, τα είδη με τις καλύτερες επιδόσεις ως προς το δυναμικό βιοαποκατάστασης, αναλύθηκαν περαιτέρω για στοχευμένα γνωστά βιομόρια και βιοδραστικότητες. Η συγκεκριμένη διαδικασία υλοποιήθηκε για σπόγγους που προέρχονταν από καλλιέργειες σε γειτνίαση με ιχθυοκλωβούς, αλλά και από παρακείμενους φυσικούς πληθυσμούς, για να εκτιμηθεί κατά πόσο οι συνθήκες καλλιέργειας επηρεάζουν τη βιοσυνθετική ικανότητά τους. Στα εκχυλίσματα που μελετήθηκαν ανιχνεύθηκε μια ευρεία γκάμα φυσικών προϊόντων, τα οποία ανήκαν στα αλκαλοειδή, βενζενοειδή, ινδόλες, λιπίδια και πολυκετίδια. Επίσης, η μεταβολομική ανάλυση αποκάλυψε χαρακτηριστικά χημικά μοτίβα ειδικά για κάθε είδος σπόγγου, με τα εκχυλίσματα των A. oroides και S. foetidus να κυριαρχούνται από αλκαλοειδή καιλιπίδια, αντίστοιχα. Ωστόσο, το πιο σημαντικό εύρημα ήταν ότι τα καλλιεργούμενα και φυσικά μοσχεύματα από καθένα είδος σπόγγου παρουσίαζαν παρόμοια χημικά αποτυπώματα, με την πλειονότητα των μεταβολιτών να εμφανίζουν μικρές διαφορές ως προς τη σχετική σύστασή τους και ως προς τις απόλυτες συγκεντρώσεις τους. Επιπλέον, τα εκχυλίσματα καλλιεργημένων σπόγγων παρουσίασαν παρόμοια ή ελαφρώς χαμηλότερη αντιβακτηριδιακή δράση έναντι του Staphylococcus aureus που είναι ανθεκτικός στη μεθικιλλίνη, σε σύγκριση με τα εκχυλίσματα που προέρχονταν από φυσικούς πληθυσμούς σπόγγων. Οι βιολογικές δοκιμασίες ως προς ανθρώπινα κύτταρα ορθοκολικού καρκινώματος (HCT-116) αποκάλυψαν οριακά δραστικά εκχυλίσματα τόσο από φυσικούς όσο και από καλλιεργημένους πληθυσμούς του είδους S. foetidus.Όπως φαίνεται, οι θαλάσσιοι σπόγγοι, μαζί με άλλους θαλάσσιους οργανισμούς, φιλοξενούν μία μεγάλη ποικιλία βιοδραστικών ενώσεων με δυνητικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές στη βιομηχανία φαρμάκων, καλλυντικών και τροφίμων. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των πιο δημοφιλών βιοδοκιμών που χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία βιοανακάλυψης φυσικών προϊόντων, μαζί με τις ιδιότητές τους και διάφορες άλλες πρακτικές λεπτομέρειες σχετικά με την επιλογή και τη χρήση τους. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις βιοδοκιμές που συνήθως εφαρμόζονται για τον έλεγχο των αντιμικροβιακών, αντιβιοφίλμ, κυτταροτοξικών, αντιικών, αντιοξειδωτικών και αντιγηραντικών ιδιοτήτων των εκχυλισμάτων. Επιπλέον, παρουσιάστηκαν οι διεργασίες ποιοτικού ελέγχου καθώς και η ροή εργασιών που ακολουθείται κατά την ταυτοποίηση και τη σταδιακή κλασμάτωση/απομόνωση των βιοδραστικών ενώσεων καθοδηγούμενης από βιοδοκιμές. Η ανασκόπηση ολοκληρώθηκε με την παρουσίαση μίας πρακτικής μελέτης στοχευμένη στην ανακάλυψη φαρμάκων, συμπληρωμάτων διατροφής και καλλυντικών, που αποτελούν τις βιομηχανικές οδούς που συχνά προμηθεύονται με φυσικά προϊόντα θαλάσσιας προέλευσης. Επίσης, επισημάνθηκαν διάφορα ζητήματα ασφάλειας και κανονισμών που είναι κρίσιμα για τη μετάβαση των υπό εξέταση ουσιών μεταξύ των διαφορετικών σταδίων ανάπτυξης και των διαφορετικών φάσεων των κλινικών μελετών, μαζί με τις προοπτικές, τις γενικότερες τάσεις και τις μελλοντικές εξελίξεις που αφορούν το πεδίο των βιοδοκιμών. Εν κατακλείδι, η σπογγoκαλλιέργεια μπορεί να θεωρηθεί ως αποτελεσματική τεχνολογία αποκατάστασης ρυπασμένων μονάδων υδατοκαλλιέργειας, αλλά και μία πολλά υποσχόμενη πηγή φυσικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Με βάση το δυναμικό βιοαποκατάστασης/βιοπαραγωγής των διαφόρων ειδών σπόγγων που μελετήθηκαν καθ’ όλη τη διατριβή, τόσο το A. oroides όσο και το S. foetidus προτείνονται ως οι καλύτεροι υποψήφιοι για μελλοντική συγκαλλιέργεια σε ιχθυοκαλλιεργητικές μονάδες.