海綿動物の養殖

海綿養殖は、管理された条件下で海綿を養殖するプロセスです。これは、数世紀にわたって世界中の海で、さまざまな養殖技術を使用して行われてきました。海綿の成長率に影響を与える要因は、光、塩分、pH、溶存酸素、老廃物の蓄積など多数あります。海綿養殖の利点は、その設立の容易さ、最小限のインフラ要件、および発展途上国の人々の収入源として使用できる可能性の結果として実現されています。海綿は、入浴用スポンジとして使用したり、特定の海綿種に含まれる生物学的に活性な化合物を抽出するために商業規模で生産されています。ロープとメッシュバッグ法などの技術は、海綿を単独で、または統合された多栄養段階養殖システム設定内で養殖するために使用されます。世界で養殖されている唯一の真の持続可能な海綿の1つは、ミクロネシア地域で発生し、これらの養殖種の継続的な持続可能性を確保および維持するために、いくつかの栽培および生産方法が使用されています。

海綿動物は8000種以上あり、海洋と淡水域に生息しています。^[1] 海綿動物漁業は歴史的に重要かつ利益の多い産業であり、1913年から1938年にかけては年間漁獲量が181トンを超え、100万米ドル以上の収益を上げました。しかし、海綿動物の需要は漁獲量がピークに達し、2003年にはバススポンジの需要は2,127トンでしたが、収穫による世界の生産量はその4分の1に過ぎませんでした。^[2]

海綿養殖の最適化技術に関する初期の研究では、さまざまな養殖方法が使用されました。^{[3] [4]}しかし、商業的な海綿養殖は、収入の継続が脅かされていると考える海綿漁師からの激しい抵抗と妨害に遭遇しました。商業的な海綿養殖業者の反対により、養殖海綿製品の市場浸透率が低く、消費者の採用率も低かった。^[3]

発展途上国に住む人々にとって、商業的な海綿動物養殖のメリットは明らかです。^[5]これらの国々では、海綿動物養殖は簡単で収益性の高いビジネスであり、野生種への採取圧力と環境被害を最小限に抑えることで、地域社会と環境に利益をもたらします。^[6]

海綿動物の養殖は簡単なプロセスで、専門知識はほとんど必要ありません。さらに、海綿動物の養殖は簡単なので、家族全員が生産プロセスに参加できます。これは、伝統的な「家族農場」の議論に一致する収益性の高い家族経営のビジネスとなり、海綿動物の養殖が採用される可能性が高まります。さらに、海綿動物の養殖場は家族の家の近くに位置していることが多く、継続的にアクセス、監視、変更、および農場での作業を完了できます。^[6]

海綿動物の養殖は、家族に年間を通じて継続的な収入源を提供し、フルタイムの仕事として行うことも、既存の収入を補うパートタイムの仕事として行うこともできます。^[5]

過去20年間、海綿動物の養殖が、世界的に高まるバススポンジの需要を満たす可能性に新たな関心が集まっています。バススポンジは、今日、養殖海綿動物の最も一般的な用途です。バススポンジとは、コラーゲンタンパク質からできた弾力のある繊維であるスポンジ繊維のみを持つ海綿動物のことです。^[7]

バススポンジの商業的用途は、化粧品、入浴、工業目的にまで及び、スポンジの品質はスポンジ骨格の品質の分析に基づいて決定され、柔らかく、耐久性があり、弾力性のある繊維を持つものは最も高価です。^[7]

海綿動物内の共生微生物によって生成される二次代謝産物の存在は、海綿動物の成長と生存を促進します。 ^[8]海綿動物から何千もの二次代謝産物が分離されており、多くの代謝産物は細胞毒性、抗炎症、抗ウイルス活性などの潜在的な薬効を持っています。^[8]そのため、製薬業界では新薬を生み出す手段として大きな可能性を秘めています。 [8] しかし、これらの二次代謝産物は微量しか存在しないことが多く、これらの代謝産物を治療薬として使用する唯一の方法は、化学合成または養殖による化合物のスケールアップに依存しています。^{[ 9]}

まだニッチな市場ではあるが、数社が小型スポンジを再利用可能な女性用衛生用品として製造・販売し始めている。米国ではSea Pearls ^[10] 、英国ではJam Sponge ^[11]というブランド名で販売されている。スポンジはタンポンとほぼ同じように膣に挿入されるが、いっぱいになったら取り出して洗浄し、廃棄するのではなく再利用する。再利用可能なタンポンの代替品の利点には、費用対効果と廃棄物の削減がある。（スポンジは生分解性であるため、生理用スポンジの吸収寿命が過ぎても堆肥にすることができる。）女性の中には、従来のタンポンに伴う健康リスクを懸念し、天然素材を使用する方が健康的だと感じる人もいる。生理用スポンジの使用に関連した毒素性ショック症候群の症例は知られていないが、スポンジは適切に処理されていない場合、砂、砂利、細菌を含んでいることが知られており、毒素性ショック症候群の可能性を考慮する必要がある。スポンジはほとんどのタンポンよりも月経血を吸収する能力が高いですが、それでも少なくとも 8 時間ごとに交換する必要があります。^{[引用が必要]}

海綿動物は、 35ppt（海水の塩分濃度）の塩分濃度で培養する必要があります。海綿動物の周囲の環境が塩分濃度が高いと、海綿動物の細胞が脱水し、塩分濃度が低いと、海綿動物の細胞内環境が薄まります。海綿動物の生産を最大限に高めるには、水の pH を海水（pH 7.8～8.4）と一致させる必要があります。海綿動物は温度に敏感で、周囲温度の極端な変動は海綿動物の健康に悪影響を及ぼす可能性があります。高温は海綿動物の培養を失敗に導きます。海綿動物に通常生息する共生細菌は、周囲の水温が数度上昇すると、持続不可能な速度で繁殖を始めます。これらの細菌は、海綿動物の細胞と組織を攻撃して破壊します。海綿動物は、海綿動物が元々分離されていた地域の周囲水温よりわずかに低い水温で培養すべきであると提案されています。^[12]

熱帯海綿動物の多くには光合成 共生菌が生息しており、これらの動物は生存に光を必要とします。そのため、海綿動物の中には、栄養補給のために光の利用可能性と強度に依存している種もいます。 ^[13]しかし、一部の種は紫外線に敏感であるため、光が成長阻害につながる場合があります。^[13]海綿動物が光合成細菌を伴っている場合を除き、海綿動物は暗い環境で最適に成長します。^[13]

溶存酸素は帯水層を通して吸収される。海綿動物の酸素消費量は、海綿体積1cm ^{3あたり0.2～0.25μmol O} ₂ h ^{−1の範囲である。 [12]実験室環境で飼育されている}海綿動物は、短時間であれば低酸素状態にも耐えることができ、これは溶存酸素への適応性を反映していると考えられる。^[14]

閉鎖培養システムでは、海綿動物のいくつかの種は、急速に蓄積して海綿動物のさらなる成長を阻害する可能性のある生物活性および細胞毒性代謝物を産生する可能性がある。 ^[13]しかし、バイオフィルターは海綿動物から排出された二次代謝物を除去するのに効果がない可能性が高い。生体分子が吸着物に付着する吸着法は、これらの化合物を除去する効果的な方法である可能性が高い。^[13]

バススポンジ病の発生は深刻であることが多く、野生および養殖スポンジの両方の個体群を壊滅させる可能性があります。病気の発生を引き起こす根本的な要因は、ウイルス、真菌、シアノバクテリア、細菌株などの原因物質による可能性があります。^{[7] [15] [16]}

海綿動物の養殖場所を選ぶ際には、養殖海綿動物の成長と生存を促進する要因を考慮する必要があります。海綿動物は、バクテリアや微細藻類などの餌を得るために受動的な水の流れに大きく依存しているため、良好な水流は海綿動物の成長と品質を高めます。^[17]通常よりも高い水流は、養殖海綿動物に損傷を与える可能性があります。^[17]海綿動物の養殖場の理想的な場所は、海綿動物の成長を最適化するために、保護されているが十分な水流と餌が利用できる場所です。^[7]

スポンジンまたは代謝産物の生産を目的とした海綿動物の養殖では、海綿動物の培養手段として組織片（親海綿動物から切り取ったもので、その後完全な海綿動物に再生する）を使用することで、全能性の海綿動物細胞の高い再生能力を活用している。^{[17] [18]海綿動物は}不定成長で、最大成長は遺伝ではなく環境的制約によって決定される。養殖場の初期設立時には、成長が速く、海綿動物または代謝産物の質が高いという表現型特性に基づいて海綿組織片が選択される。

過去10年間の集約的な海洋養殖は大幅に増加し、かなりの環境悪影響をもたらしました。^[19]養殖種の食べ残しの飼料や排泄物からの有機物の大量排出により、沿岸水域の栄養レベルが上昇しました。二枚貝、サケ、エビから排出される多量の窒素（約75％）が沿岸環境に流入し、藻類の大量発生を引き起こし、水中の溶存酸素を減少させる可能性があります。

統合養殖システムは、食物連鎖の異なる栄養段階にある多数の種から構成されています。したがって、魚やエビなどの廃棄物を生成する（餌となる）生物は、水柱から余分な栄養物質を除去するメカニズムとして、アワビ、海綿動物、ウニなどの抽出生物と組み合わされています。海綿動物は、病原菌と有機物の両方を除去するバイオレメディエーターとして機能する可能性があるため、統合多栄養段階養殖システムにおける抽出生物として明確な利点があります。^[19]海綿動物Hymeniacidon perlevis は、統合養殖条件下で海水から全有機炭素（TOC）を除去する優れた能力を示しており、 ^[19]水質汚染が高い地域の養殖システムにとって潜在的に有用なバイオレメディエーションツールになる可能性があります。さらに、近隣で養殖された魚に由来する有機物強化は、海綿動物の成長を刺激し、より効率的な海綿動物養殖につながる可能性があります。^[6]

多くの商業用海綿養殖場は、成長できる海綿体組織片の数を最大限にして生産性を高めるために、養殖場をより深い水域（5メートル以上）に設置しています。^[7]海綿体養殖には、ロープで育てる方法とメッシュバッグで育てる方法の2つの主な方法が試されています。

ロープで養殖された海綿は、ロープに「通す」際に組織片に回復不可能な損傷が生じるため、一般的に生存率が低い。^{[7] [20]}さらに、ロープで養殖された海綿は、水流が大幅に増加する嵐の際にロープから引きちぎられたり、ロープから離れて成長し、市場価値の低い特徴的なドーナツ型の海綿になったりする可能性がある。再生能力、切断後の感染感受性、耐寒性、成長能力の変動によって特徴付けられる種内でも、海綿の成長と健康に違いが生じる。^[7]

メッシュバッグで養殖された海綿動物のいくつかの種では、損傷レベルが低いため、生存率が高くなる可能性がある。バッグのメッシュストランドが水の流れを低下させ、餌の入手可能性を制限する可能性があるため、成長率が低下する可能性がある。 ^[21]メッシュにコケムシ、ホヤ、藻類などの生物付着物質が蓄積すると、水の流れがさらに制限される可能性がある。大きな隙間のある薄いメッシュストランドと適切な場所に設置すると、生物付着と流量低下を軽減する手段として機能する可能性がある。^[7]

ロープとメッシュバッグの両方のアプローチを組み合わせて「育成期間」のバススポンジ養殖を行うと、品質と生産量が向上する可能性があります。育成期間法では、スポンジは最初にメッシュバッグで養殖され、組織片が治癒して再生し、水を効率的に濾過できるようになります。再生した組織片はロープに移され、収穫まで最適な成長が促進されます。この戦略は労働集約的でコストがかかり、成長率と生存率はメッシュバッグ法のみで養殖する場合と変わりません。^[7]

バススポンジを養殖するより経済的な方法は、スポンジの成長に合わせて、十分な水の流れと栄養の隔離を可能にするために、スポンジをより大きなメッシュバッグに移すことです。^[7]

現在、 Coscinoderma matthewsiという海綿動物を使ってバススポンジが生産されており、約12,000個が生産され、ミクロネシア連邦ポンペイ島の住民や観光客に地元で販売されています。これらの海綿動物は、世界で数少ない真の持続可能な方法で養殖された海綿動物の1つです。^[5]これらの海綿動物はロープ法で養殖されており、養殖設備とメンテナンス設備の投資コストは数千ドルと低く、加工中に強い化学物質が添加されていない100％天然の海綿動物を生産しています。^[22]

C. matthewsiスポンジの養殖生産は、収入源の少ない地元住民に持続可能な収入をもたらすことを目的として、ポンペイ海洋環境研究所 (MERIP) によって実施されました。スポンジが収穫可能なサイズになるまでには約 2 年かかり、フリーダイバーが定期的に海藻や生物付着物を手作業で取り除きます。これらのスポンジは、自然プロセスで処理され、空気乾燥させてからバスケットに入れて、生育したラグーンに戻されます。このプロセスにより、スポンジ内の有機物がすべて除去され、最終的なバススポンジ製品が残ります。スポンジを柔らかくする処理がさらに行われますが、漂白剤、酸、着色料は使用されません。^[5]

地中海、インド太平洋、南太平洋地域では、生物活性代謝産物を採取するための海綿動物の養殖に関する研究が行われています。主な目的は、生物活性物質の生産方法、養殖プロセス、環境条件を最適化して、生産量を最大化することです。

生物活性物質の養殖では、最終的な組織片の形状は問題とならないため、追加的な生産方法を利用することができます。生物活性物質の栽培の新しい方法には、水柱を利用してメッシュチューブを垂直に吊るし、交互のポケットに組織片を1つずつ入れる「メッシュアレイ法」があります。^{[7] [23]}

スポンジの二次代謝産物は長年にわたって繰り返し収穫できるため、養殖生物活性物質に必要なスポンジの数は減り、必要なコストとインフラストラクチャが削減されます。代謝産物の生産のために選択された少数のスポンジは、生産と利益を最適化するために、対象代謝産物の生産率が高いでしょう。^[7]

スポンジ代謝産物の生産には多くの要因が影響し、代謝産物の濃度は隣接する組織片間で大きく異なります。局所的な光強度の違いや生物付着は、スポンジの代謝産物の生合成に大きく影響することが分かっている物理的・生物学的要因です。^[24]環境要因の変化は微生物の個体群を変化させ、結果として代謝産物の生合成に影響を及ぼす可能性があります。

代謝産物の生合成や代謝産物の生態学的役割に影響を与える環境要因を理解することは、代謝産物の生産と総収量を最大化するための競争上の優位性として活用することができます。例えば、二次ターゲット代謝産物の生態学的役割が捕食者を阻止することである場合、収穫前にスポンジを傷つけることで捕食を模倣することは、代謝産物の生産を最大化するための効率的な技術となる可能性があります。^[24]

代謝産物を生産するスポンジの中には、非常に速く成長するものがあり、スポンジの養殖は、現在化学合成できない生物活性物質の生産に代わる現実的な選択肢となる可能性があることを示唆している。生物活性物質を生産するためのスポンジ養殖は、付加価値が高いため収益性が高いが、代謝産物の抽出と精製に関連する高コストなど、バススポンジの養殖にはないいくつかの課題がある。^[7]

• Belarbi, E. (2003). 「海綿動物からの医薬品の生産」. Biotechnology Advances . 21 (7): 585–598. doi :10.1016/S0734-9750(03)00100-9. PMID  14516872.