La acuicultura de esponjas marinas es el proceso de cultivo de esponjas marinas en condiciones controladas. Se ha llevado a cabo en los océanos del mundo durante siglos utilizando diversas técnicas de acuicultura . Hay muchos factores como la luz, la salinidad , el pH , el oxígeno disuelto y la acumulación de productos de desecho que influyen en la tasa de crecimiento de las esponjas. Los beneficios de la acuicultura de esponjas marinas se obtienen como resultado de su facilidad de establecimiento, requisitos mínimos de infraestructura y el potencial de ser utilizada como fuente de ingresos para las poblaciones que viven en países en desarrollo. Las esponjas marinas se producen a escala comercial para usarse como esponjas de baño o para extraer compuestos biológicamente activos que se encuentran en ciertas especies de esponjas. Técnicas como el método de cuerda y bolsa de malla se utilizan para cultivar esponjas de forma independiente o dentro de un entorno de sistema de acuicultura multitrófico integrado. Una de las únicas esponjas marinas verdaderamente sostenibles cultivadas en el mundo se encuentra en la región de Micronesia , y se utilizan varios métodos de cultivo y producción para garantizar y mantener la sostenibilidad continua de estas especies cultivadas.
Más de 8.000 especies de esponjas marinas viven en hábitats oceánicos y de agua dulce. [1] Históricamente, la pesca de esponjas ha sido una industria importante y lucrativa, con capturas anuales desde los años 1913 a 1938 que superaron regularmente las 181 toneladas y generaron más de 1 millón de dólares estadounidenses. Sin embargo, esta demanda de esponjas marinas ha alcanzado un máximo en las tasas de captura y en 2003 la demanda de esponjas de baño fue de 2.127 toneladas, y la producción mundial procedente de la recolección sólo alcanzó una cuarta parte de esa cantidad. [2]
Las primeras investigaciones acuícolas sobre técnicas de optimización para la acuicultura de esponjas marinas utilizaron varios métodos de cultivo. [3] [4] Sin embargo, el cultivo comercial de esponjas se encontró con una fuerte resistencia e interferencia por parte de los pescadores de esponjas, quienes creían que sus ingresos continuos estaban amenazados. La oposición de los productores comerciales de esponjas resultó en una baja penetración en el mercado y una pobre adopción por parte de los consumidores de productos de esponjas acuícolas. [3]
Los beneficios de la acuicultura comercial de esponjas son evidentes para quienes viven en países en desarrollo. [5] En estos países, la acuicultura de esponjas es un negocio fácil y rentable, que beneficia a la comunidad local y al medio ambiente al minimizar tanto la presión de recolección sobre las poblaciones silvestres como el daño ambiental. [6]
Cultivar esponjas es un proceso sencillo y requiere pocos conocimientos especializados. Además, la facilidad de la acuicultura de esponjas significa que toda una familia puede participar en el proceso de producción. Esto da como resultado una empresa familiar rentable que se ajusta a los discursos tradicionales de "granjas familiares", aumentando la probabilidad de adopción de la acuicultura de esponjas marinas. Además, es común que las granjas de esponjas marinas estén ubicadas cerca de viviendas familiares, lo que permite un acceso continuo, monitoreo, modificación y trabajo en la granja. [6]
La acuicultura de esponjas marinas también proporciona a las familias una fuente continua de ingresos durante todo el año, que puede realizarse como un compromiso de tiempo completo o como un trabajo a tiempo parcial para complementar los ingresos existentes. [5]
En las últimas dos décadas se ha visto un renovado interés en el potencial de la acuicultura de esponjas para contribuir a satisfacer la creciente demanda mundial de esponjas de baño. Las esponjas de baño son el uso más común de la esponja marina de acuicultura en la actualidad. Las esponjas de baño se pueden definir como cualquier especie de esponja que posee únicamente fibras de espongina , que son fibras elásticas hechas de proteína de colágeno . [7]
Los usos comerciales de las esponjas de baño varían desde fines cosméticos , de baño o industriales, y la calidad de la esponja se basa en el análisis de la calidad del esqueleto de la esponja, siendo las que poseen fibras suaves, duraderas y elásticas las que tienen el precio más alto. [7]
La presencia de metabolitos secundarios producidos por microorganismos simbióticos dentro de la esponja mejora su crecimiento y supervivencia. [8] Miles de metabolitos secundarios derivados de esponjas se han aislado con éxito de esponjas, y muchos de ellos tienen propiedades medicinales potenciales, como citotoxicidad , actividad antiinflamatoria y antiviral . [8] Por lo tanto, tienen un potencial significativo dentro de la industria farmacéutica como medio para generar nuevos fármacos. [8] Sin embargo, estos metabolitos secundarios a menudo solo están presentes en cantidades mínimas, y los únicos métodos para utilizar estos metabolitos como terapéuticos dependen de la ampliación de los compuestos a través de la síntesis química o la acuicultura. [9]
Si bien todavía es una especie de nicho de mercado, algunas empresas han comenzado a producir y comercializar esponjas pequeñas como productos de higiene femenina reutilizables . Se comercializan bajo las marcas Sea Pearls [10] en los Estados Unidos y Jam Sponge [11] en el Reino Unido. Las esponjas se insertan en la vagina de forma muy parecida a un tampón , pero cuando están llenas se retiran, se limpian y se reutilizan, en lugar de desecharse. Las ventajas de una alternativa a los tampones reutilizables incluyen la rentabilidad y la reducción de residuos. (Dado que las esponjas son biodegradables, incluso cuando la vida absorbente de una esponja menstrual termina, se pueden convertir en abono). Algunas mujeres también están preocupadas por los riesgos para la salud asociados con los tampones tradicionales y sienten que es más saludable usar un material natural. Si bien no se conocen casos de síndrome de shock tóxico que se hayan asociado con el uso de esponjas menstruales, se sabe que las esponjas, cuando no se preparan adecuadamente, contienen arena, arenilla y bacterias, por lo que se debe considerar la posibilidad de síndrome de shock tóxico. Las esponjas tienen una mayor capacidad de absorber el flujo menstrual que la mayoría de los tampones; aunque aún así deberían cambiarse al menos cada ocho horas. [ cita necesaria ]
Las esponjas marinas deben cultivarse con una salinidad de 35 ppt (salinidad del agua de mar). La hipersalinidad (altas concentraciones de sal) en el entorno inmediato que rodea a una esponja deshidratará las células de la esponja, mientras que un entorno hiposalino (baja concentración de sal) diluye el entorno intracelular de la esponja. El pH del agua debe coincidir con el del agua de mar (pH 7,8–8,4) para maximizar la producción de esponjas. Las esponjas son sensibles a la temperatura y las fluctuaciones extremas de la temperatura ambiente pueden afectar negativamente la salud de las esponjas marinas. Las altas temperaturas provocan colapsos en los cultivos de esponjas. Las bacterias simbióticas que normalmente habitan en las esponjas marinas comienzan a reproducirse a un ritmo insostenible cuando la temperatura ambiente del agua aumenta unos pocos grados. Luego, estas bacterias atacan y destruyen las células y el tejido de la esponja. Se ha sugerido que las esponjas deben cultivarse a temperaturas del agua ligeramente inferiores a la temperatura ambiente del agua en la región de la que se aisló originalmente la esponja. [12]
Los endosimbiontes fotosintéticos habitan en muchas esponjas tropicales y éstas necesitan luz para sobrevivir. Como resultado, algunas esponjas dependen de la disponibilidad y la intensidad de la luz para satisfacer sus necesidades nutricionales. [13] Sin embargo, en algunas especies, la luz puede provocar una inhibición del crecimiento, ya que son sensibles a la radiación ultravioleta. [13] Excepto cuando la esponja tiene bacterias fotosintéticas asociadas, el crecimiento óptimo de la esponja marina ocurre en condiciones de oscuridad. [13]
El oxígeno disuelto se absorbe a través del sistema acuífero. El oxígeno en las esponjas marinas se consume a tasas que oscilan entre 0,2 y 0,25 μmol O 2 h −1 /cm 3 de volumen de la esponja. [12] Las demosponjas mantenidas en condiciones de laboratorio también pueden tolerar condiciones hipóxicas, durante períodos breves, lo que podría reflejar su adaptabilidad al oxígeno disuelto. [14]
En sistemas de cultivo cerrados, algunas especies de esponjas pueden producir metabolitos bioactivos y citotóxicos que pueden acumularse rápidamente e inhibir el crecimiento de esponjas. [13] Sin embargo, es probable que los biofiltros sean ineficaces para eliminar los metabolitos secundarios expulsados de la esponja. Es probable que los métodos de adsorción en los que las biomoléculas se adhieren a un adsorbato sean una forma eficaz de eliminar estos compuestos. [13]
Los brotes de enfermedades de las esponjas de baño suelen ser graves y tienen el potencial de destruir poblaciones de esponjas tanto silvestres como acuícolas. Los factores subyacentes que dan lugar a brotes de enfermedades pueden deberse a agentes causales como virus, hongos, cianobacterias y cepas bacterianas. [7] [15] [16]
Al elegir un lugar para el cultivo de esponjas marinas, se deben considerar los factores que promueven el crecimiento y la supervivencia de las especies de esponjas cultivadas. Las esponjas dependen en gran medida de un flujo pasivo de agua para proporcionar alimento, como bacterias y microalgas , por lo que un buen flujo de agua aumenta el crecimiento y la calidad de las esponjas. [17] Caudales de agua superiores a los normales podrían dañar potencialmente las esponjas cultivadas. [17] Una ubicación ideal para una granja de esponjas marinas sería un área protegida, pero que reciba un amplio flujo de agua y disponibilidad de alimentos para optimizar el crecimiento de las esponjas. [7]
La acuicultura de esponjas para la producción de esponjas o metabolitos aprovecha las altas capacidades regenerativas de las células totipotentes de las esponjas mediante el uso de explantes (trozos cortados de una esponja madre, que luego volverá a crecer hasta convertirse en una esponja completa) como medio para cultivar esponjas. [17] [18] Las esponjas tienen un crecimiento indeterminado , con un crecimiento máximo determinado a través de limitaciones ambientales en lugar de genética . Durante el establecimiento inicial de una granja, los explantes de esponjas se elegirán por sus características fenotípicas de crecimiento rápido y espongina o metabolitos de alta calidad.
La acuicultura marina intensiva en la última década ha aumentado considerablemente y ha provocado considerables impactos ambientales adversos. [19] Los grandes volúmenes de descarga de materia orgánica procedente de piensos no consumidos y desechos excretores de especies acuícolas han dado lugar a altos niveles de nutrientes en las aguas costeras. Grandes cantidades de nitrógeno (~ 75%) excretadas por los bivalvos , el salmón y el camarón ingresan al ambiente costero, con el potencial de desarrollar floraciones de algas y reducir el oxígeno disuelto en el agua.
Un sistema acuícola integrado consta de varias especies en diferentes niveles tróficos de la cadena alimentaria . Así, los organismos generadores de desechos (organismos alimentados), como peces y camarones, se combinan con organismos extractivos como el abulón, las esponjas o los erizos de mar, como mecanismo para eliminar el exceso de materia nutritiva de la columna de agua. Las esponjas marinas tienen una clara ventaja como organismo extractivo en un sistema de acuicultura multitrófico integrado, ya que tienen el potencial de actuar como biorremediador para eliminar tanto bacterias patógenas como materia orgánica. [19] La esponja Hymeniacidon perlevis ha mostrado una excelente capacidad para eliminar el carbono orgánico total (COT) del agua de mar en condiciones de acuicultura integrada, [19] y podría ser una herramienta de biorremediación potencialmente útil para los sistemas de acuicultura en regiones donde la contaminación del agua es alta. Además, el enriquecimiento orgánico procedente de los peces criados en los alrededores puede estimular el crecimiento de las esponjas, lo que resultaría en una acuicultura de esponjas marinas más eficiente. [6]
Muchas granjas comerciales de esponjas marinas sitúan sus sitios de acuicultura en aguas más profundas (>5 m), para maximizar la cantidad de explantes de esponjas que se pueden cultivar y aumentar la productividad. [7] Se han probado dos métodos principales de acuicultura con esponjas de baño, cultivadas sobre una cuerda o dentro de una bolsa de malla.
La supervivencia de las esponjas cultivadas sobre cuerdas es generalmente menor ya que se producen daños irrecuperables en el explante cuando se "enhebra" en la cuerda. [7] [20] Además, las esponjas cultivadas en la cuerda tienen el potencial de arrancarse de la cuerda durante las tormentas a medida que el flujo de agua aumenta significativamente, o crecer lejos de la cuerda y formar una esponja característica con forma de rosquilla, de bajo valor y no comercializable. Se producen diferencias en el crecimiento y la salud de las esponjas dentro de las especies caracterizadas por variaciones en la capacidad regenerativa, la susceptibilidad a la infección después del corte, la resistencia y el potencial de crecimiento. [7]
Niveles más bajos de daño en algunas especies de esponjas cultivadas en bolsas de malla pueden conducir a niveles más altos de supervivencia. Las tasas de crecimiento pueden disminuir ya que las hebras de malla en las bolsas pueden disminuir el flujo de agua, limitando la disponibilidad de alimentos. [21] La acumulación de agentes bioincrustantes como briozoos , ascidias y algas en la malla puede limitar aún más el flujo de agua. Los hilos de malla delgada con grandes espacios y un sitio bien ubicado pueden actuar como un medio para mitigar la bioincrustación y los caudales reducidos. [7]
Al combinar los enfoques de cuerda y bolsa de malla para la acuicultura con esponjas de baño en un "período de vivero", pueden ocurrir aumentos en la calidad y la producción. En el método del período de vivero, las esponjas se cultivan inicialmente en bolsas de malla hasta que los explantes hayan sanado y regenerado para filtrar el agua de manera eficiente. Los explantes regenerados se transfieren a una cuerda para promover un crecimiento óptimo hasta la cosecha. Esta estrategia requiere mucha mano de obra y es costosa, y se ha descubierto que las tasas de crecimiento y supervivencia no son mayores que cuando la agricultura se realiza únicamente mediante el método de bolsas de malla. [7]
Un método más viable económicamente para cultivar esponjas de baño sería transferir las esponjas a bolsas de malla más grandes a medida que se produce el crecimiento de las esponjas para permitir un flujo de agua y un secuestro de nutrientes adecuados. [7]
Actualmente se están produciendo esponjas de baño utilizando la esponja Coscinoderma matthewsi, con una producción de alrededor de 12.000 esponjas, que se venden localmente a residentes y turistas en Pohnpei , Estados Federados de Micronesia . Estas esponjas son una de las únicas esponjas marinas verdaderamente cultivadas de forma sostenible en el mundo. [5] Las esponjas se cultivan mediante el método de la cuerda, con bajos costos de inversión de unos pocos miles de dólares para equipos de cultivo y mantenimiento, produciendo esponjas 100% naturales sin agregados químicos agresivos durante el procesamiento. [22]
La producción acuícola de esponjas C. matthewsi fue llevada a cabo por el Instituto de Investigación Marina y Ambiental de Pohnpei (MERIP), para intentar generar ingresos sostenibles para los residentes de la comunidad local con pocas opciones de ganar dinero. Las esponjas tardan aproximadamente dos años en alcanzar un tamaño cosechable, y los buceadores apneístas eliminan rutinariamente a mano las algas y los agentes bioincrustantes. Estas esponjas se procesan mediante procesos naturales, donde se dejan secar al aire y luego se colocan en cestas y se devuelven a la laguna donde fueron cultivadas. Este proceso elimina toda la materia orgánica dentro de la esponja dejando el producto final de esponja de baño. El procesamiento posterior se realiza suavizando la esponja, pero no se utilizan lejías, ácidos ni colorantes. [5]
La investigación sobre el cultivo de esponjas marinas para obtener metabolitos bioactivos se lleva a cabo en las regiones del Mediterráneo, Indo-Pacífico y Pacífico Sur. Los principales objetivos son optimizar los métodos de producción de bioactivos, los procesos de acuicultura y las condiciones ambientales para maximizar su producción.
En la acuicultura de bioactivos, la forma final del explante no es motivo de preocupación, lo que permite utilizar métodos de producción adicionales. Los nuevos métodos de cultivo bioactivo incluyen el "método de matriz de malla", que utiliza la columna de agua para colgar verticalmente un tubo de malla con explantes individuales sostenidos en bolsas alternas. [7] [23]
La cantidad de esponjas necesarias para la acuicultura de bioactivos se reduce ya que los metabolitos secundarios de las esponjas se pueden recolectar repetidamente durante muchos años, lo que disminuye los costos y la infraestructura necesarios. Las pocas esponjas seleccionadas para la producción de metabolitos tendrían altas tasas de producción del metabolito objetivo para optimizar la producción y las ganancias. [7]
Varios factores afectan la producción de metabolitos de esponja, y la concentración de metabolitos varía mucho entre explantes vecinos. Las diferencias localizadas en la intensidad de la luz y la bioincrustación son factores físicos y biológicos que se ha descubierto que afectan significativamente la biosíntesis de metabolitos en las esponjas. [24] Los cambios en los factores ambientales pueden alterar las poblaciones microbianas y posteriormente afectar la biosíntesis de metabolitos.
Comprender los factores ambientales que afectan la biosíntesis de metabolitos o el papel ecológico del metabolito puede usarse como una ventaja competitiva para maximizar la producción de metabolitos y el rendimiento total. Por ejemplo, si la función ecológica del metabolito objetivo secundario fuera disuadir a los depredadores, imitar la depredación hiriendo la esponja antes de la recolección puede ser una técnica eficaz para maximizar la producción de metabolitos. [24]
Algunas esponjas que producen metabolitos crecen extremadamente rápido, lo que sugiere que cultivar esponjas puede ser una alternativa viable a la producción de bioactivos que en la actualidad no pueden sintetizarse químicamente. Aunque el cultivo de esponjas para obtener bioactivos es más lucrativo debido a sus propiedades de mayor valor agregado, existen varios desafíos que no están presentes cuando se cultivan esponjas de baño, como los altos costos asociados con la extracción y purificación de metabolitos. [7]
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