Ιστοφυσιολογία, φυσιολογία θρέψης και οικοφυσιολογία ιχθύων εκτρεφόμενων σε συστήματα ενυδρειοπονίας

Abstract

The world’s population growth, climate change, soil degradation, water pollution and food security management are some of the problems related to food production for human consumption. Aquaponic culture is an innovative and sustainable method for both fish and plant production and is environment-friendly in relation to aquaculture fish and soil monocultures. In aquaponics, the most important source of nutrients is the fish feed. Its protein composition, the amount, and the feeding frequency affect the digestibility of feed and therefore the rate of ammonia production and nitrate ions. The flexibility of an aquaponic system allows it to grow a large variety of vegetables, herbs, ornamental and aquatic plants to cater a broad spectrum of consumers. Aquaponic products are organic and pesticide-free, with a small environmental footprint. In aquaponics, soil is not needed, and only a small amount of water is required as the systems do not typically discharge or exchange water under normal operation but instead recirculate and reuse water very effectively. The aim of the first experiment was to investigate the effect of three daily fish feeding frequencies, i.e. two, four and eight times per day (FF2, FF4, and FF8, respectively) on growth performance of sea bass (Dicentrarchus labrax) and lettuce plants (Lactuca sativa) reared in an experimental aquaponics system. Each aquaponic system was represented by all three feeding frequencies. A total of 171 juvenile sea bass individuals with an average body weight of 6.80 ± 0.09 g were used, together with 24 lettuce plants with an average initial height of 11.78 ± 0.07 cm over a 45-day trial period. FF2 fish group showed a significantly lower final weight, weight gain and specific growth rate than the FF4 and FF8 groups. Voluntary feed intake was similar for all three feeding frequencies treatmens (p > 0.05). No plant mortality was observed during the 45-day study period. All three aquaponic systems resulted in a similar leaf fresh weight and fresh and dry aerial biomass. The results of the present study showed that the FF4 or FF8 feeding frequency contributes to the more efficient utilization of nutrients for better growth of sea bass adapted to fresh water while successfully supporting plant growth to a marketable biomass. The aim the second experiment was to investigate the effect of 10 and 20% replacement of fishmeal (FM dietary group) with the superworm Zophobas morio larvae meal (ZM10 and ZM20 dietary groups) on the growth performance of sea bass (Dicentrarchus labrax) and lettuce plants (Lactuca sativa) reared in an experimental aquaponics system. Ninety juvenile sea bass with an average body weight of 21.55 g/individual were placed in aquaponic fish tanks, together with 24 lettuce plants with an average initial height of 8.90 cm/plant and an average number of leaves of 5.75/plant over a 45-day trial period. At the end of that period, all feeding groups exhibited high survival. In fact, ΖΜ10 and ZM20 groups showed similar fish weight gain and specific growth rate (SGR) (p > 0.05), but significantly lower SGR (p < 0.05) than the FM group. Nevertheless, final fish body weight and length were similar (p > 0.05) for all feeding groups. No plant mortality was observed during the 45-day study period. All three aquaponic systems resulted in similar leaf fresh weight, as well as fresh and dry aerial biomass. At the end of the experimental period, plants in the third system showed higher fresh leaf weight, total weight of fresh leaves, total dry aerial biomass, and total produced biomass compared to the other two systems. The results of the present study show that fish fed with the ZM10 diet had higher weight gain (WG) than fish fed with the ZM20 diet, while the SGRs for ZM10 and ZM20 were similar. Both ZM10 and ZM20 diets result in efficient lettuce production. This study also provides data that enlighten the feasibility of integrating insect meals as fish feeds for aquaponics which helps towards the development of an “entomo-aquaponic” approach. The purpose of the third experiment was to study the effect of three daily feeding frequencies (2, 4 and 8 number of meals) on survival, food consumption and growth of sea bass (Dicentrarchus labrax) in order to determine the most efficient feeding frequency of sea bass in aquaculture systems ensuring the mode of the combined maximum growth of seabass fish and lettuce plants (Lactuca sativa). The third experiment differed from the first, as in each aquaponic system a single feeding treatment applied (FF2, FF4 or FF8). A total of 108 sea bass (D. labrax) fry with an average initial weight of 10.84±0.16g were used, together with 24 lettuce plants (Lactuca sativa) with an initial height of 7.66±0.16cm over a 45-day trial period. At the end of the experimental procedure, significant differences (p>0.05) were not observed in the final weights and lengths of the fish. The weight gain (WG, g), the daily specific growth rate (SGR, %/day) and the lowest feed conversion ratio (FCR) were also similar along the treatments FF2, FF4 and FF8. Feeding frequency did not affect plant height, number of leaves and final underwater biomass (p>0.05). Treatments FF4 and FF8 showed statistically higher final fresh weight of the aerial part of the plant and final biomass than FF2 treatment. The results of the present study showed that increased feeding frequencies (4 or 8 times/day) did not affect the water quality of the aquaculture systems. Dividing the daily food of sea bass into multiple meals did not affect the food consumption and the fish growth. In the treatments where the fish were fed every 6 (FF4) and every 3 hours (FF8) during the 24 hours, the plants showed better growth and higher final biomass production.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να αξιολογήσει την επίδραση 3 ημερήσιων συχνοτήτων σίτισης (δύο, τέσσερα και οκτώ γεύματα ημερησίως) στην ποιότητα του νερού, την απόδοση ανάπτυξης και την ιστολογία του λαβρακιού (Dicentrarchus labrax) προσαρμοσμένου στο γλυκό νερό και στην ανάπτυξη φυτών μαρουλιού σε ένα σύστημα ενυδρειοπονίας. Επιπλέον, διερεύνησε την επίδραση 3 ημερήσιων συχνοτήτων σίτισης σε συνδυασμό με την αντικατάσταση ιχθυάλευρου (10 και 20% αντικατάσταση ιχθυάλευρου) με άλευρο εντόμων Zophobas morio. Για τον σκοπό της διδακτορικής διατριβής χρησιμοποιήθηκαν τρία πανομοιότυπα αυτόνομα συστήματα ενυδρειοπονίας κλειστού κυκλώματος με ανακυκλοφορία νερού. Για το κάθε ενυδρειοπονικό σύστημα κατασκευάστηκαν 3 δεξαμενές 100L η καθεμία για εκτροφή των ιχθύων, μία δεξαμενή 200L για καλλιέργεια των φυτών, ένα μηχανικό και ένα βιολογικό φίλτρο 175L. Διενεργήθηκαν 3 διαφορετικά πειράματα.Στο πρώτο πείραμα έγινε μελέτη της επίδρασης 3 συχνοτήτων ημερήσιας σίτισης (2, 4 και 8 γευμάτων) στην επιβίωση, κατανάλωση τροφής και ανάπτυξη του λαβρακιού (Dicentrarchus labrax) ώστε να προσδιοριστεί η αποδοτικότερη συχνότητα σίτισης του λαβρακιού σε συστήματα ενυδρειοπονίας. Δεκαεννέα ιχθύες τοποθετήθηκαν σε κάθε γυάλινο ενυδρείο και κάθε μεταχείριση σίτισης είχε τρεις επαναλήψεις. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 9 ενυδρεία εκτροφής ιχθύων λαβρακιού. Οι ιχθύες, σιτίζονταν καθημερινά 5% του μέσου βάρους τους, με διαφορετική συχνότητα (σίτιση 2, 4 και 8 φορές/ημέρα) για χρονικό διάστημα 45ημερών. Κάθε ενυδρειοπονικό σύστημα συνολικού όγκου νερού 500L εκπροσωπούνταν και από τις τρεις μεταχειρίσεις. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 171 ιχθύδια λαβρακιού (D. labrax) μέσου αρχικού βάρους 6,80±1,25g και μέσου αρχικού μήκους 8,62±0,05cm τα οποία προήλθαν από το ίδιο απόθεμα γεννητόρων και διαμοιράσθηκαν ανά 19 άτομα στις δεξαμενές εκτροφής ψαριών. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 24 φυτά μαρουλιού (Lactuca sativa) αρχικού μέσου νωπού βάρους 1,45±0,05g και αρχικού ύψους 11,63±0,18cm, τα οποία διαμοιράσθηκαν ανά 8 στις δεξαμενές καλλιέργειας φυτών, καλλιεργητικής έκτασης 1m2. Στο τέλος της πειραματικής διαδικασίας, μεγαλύτερη αύξηση βάρους (WG, g) και ημερήσιο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (SGR, %/day) εμφάνισαν οι ιχθύες που σιτίζονταν 8 (13,85±0,50g, 2,36±0,02%/ημέρα) και 4 φορές την ημέρα (13,14±0,59g, 2,23±0,03%/ημέρα) εμφανίζοντας στατιστικά σημαντικές διαφορές (p<0,05) με τους ιχθύες που σιτίζονταν 2 φορές ανά ημέρα (10,66±0,40g, 2,11±0,05%/ημέρα). Υψηλότερο συντελεστή μετατρεψιμότητας της τροφής (FCR) εμφάνισαν οι ιχθύες με 2 αριθμό γευμάτων (1,87±0,08), εμφανίζοντας στατιστικά σημαντικές διαφορές (p<0.05) σε σχέση με τους ιχθύες που σιτίζονταν με 8 και 4 αριθμό γευμάτων (1,46±0,05, 1,56±0,07), αντίστοιχα. Τα φυτά του συστήματος 3 ανέπτυξαν μεγαλύτερο ύψος βλαστού (9,63±0,44cm) διαφέροντας (p<0,05) από το σύστημα 1 (7,73±0,38cm) και 2 (7,64±0,35cm). Τα φυτά των συστημάτων 1 και 3 έφεραν μεγαλύτερο αριθμό φύλλων (43,88±2,73 και 43,63±1,68 αντίστοιχα) διαφέροντας (p<0,05) με τα φυτά του συστήματος 2 (34,00±0,87). Παρά το μειωμένο αριθμό φύλλων, τα φυτά του συστήματος 2 εμφάνισαν μεγαλύτερο βάρος φύλλου χωρίς να διαφέρει (p>0,05) με τα συστήματα 3 (10,52±0,41) και 1 (9,60±0,66). Το μέσο νωπό βάρος φύλλων, η μέση νωπή βιομάζα υπέργειου και η μέση ξηρή βιομάζα υπέργειου ήταν μεγαλύτερα στο σύστημα 3 (457,45±21,39g, 496,06±23,96g αντίστοιχα) χωρίς να διαφέρει (p>0,05) από τα συστήματα 1 (428,70±47,58g, 463,04±51,02g αντίστοιχα) και 2 (375,23±29,03g, 402,52±31,66g αντίστοιχα). Μεγαλύτερη ξηρή βιομάζα υπέργειου παρουσίασε το σύστημα 1 (23,20±2,42g), χωρίς να διαφέρει (p>0,05) από το 3 (21,47±1,57g) και το 2 (21,47±1,57g). Τέλος, μεγαλύτερη ξηρή βιομάζα υπόγειου εμφάνισε το σύστημα 3 (4,64±0,91) και τη μικρότερη το σύστημα 2 (2,32±031g) (p<0,05). Το σύστημα 1 (3,41±0,54g) δεν διέφερε (p>0,05) με κανένα από τα άλλα δυο συστήματα (p>0,05). Η τελική μέση παραγόμενη βιομάζα αντιστοιχούσε σε 3,63kg/m2. O διαμοιρασμός της ημερήσιας τροφής σε 4 και 8 φορές κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι η ιδανικότερη συνθήκη για τη μέγιστη αξιοποίηση της τροφής από τους ιχθύες και τη μέγιστη ανάπτυξη αυτών. Η τελική παραγόμενη υπέργεια βιομάζα δεν διέφερε (p>0,05) μεταξύ των συστημάτων.Στο δεύτερο πείραμα μελετήθηκε η ανάπτυξη, η αξιοποίηση της τροφής ιχθύων λαβρακιού και η ανάπτυξη φυτών μαρουλιού μετά από αντικατάσταση ιχθυαλεύρου με εντομάλευρο από Zophobas morio. Δέκα ιχθύες τοποθετήθηκαν σε κάθε γυάλινο ενυδρείο και κάθε μεταχείριση σίτισης είχε τρεις επαναλήψεις. Χρησιμοποιήθηκαν τα ίδια ενυδρειοπονικά συστήματα με το πρώτο πείραμα. Οι ιχθύες, σιτίζονταν καθημερινά 5% του μέσου βάρους τους, με σιτηρέσια διαφορετικής αντικατάστασης ιχθυαλεύρου με άλευρο προνύμφης Zophobas morio (0%, 10% και 20% αντικατάσταση) για χρονικό διάστημα 45ημερών. Κάθε ενυδρειοπονικό σύστημα εκπροσωπούνταν και από τις τρεις μεταχειρίσεις. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 90 ιχθύδια λαβρακιού (D. labrax) μέσου αρχικού βάρους 21,55±0,28g και μέσου αρχικού μήκους 12,97±0,06cm τα οποία προήλθαν από το ίδιο απόθεμα γεννητόρων και διαμοιράσθηκαν ανά 19 άτομα στις δεξαμενές εκτροφής ψαριών. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 24 φυτά μαρουλιού (Lactuca sativa) αρχικού μέσου νωπού βάρους 2,10±0,08g και αρχικού ύψους 8,9±0,10cm, τα οποία διαμοιράσθηκαν ανά 8 άτομα στις δεξαμενές καλλιέργειας φυτών, καλλιεργητικής έκτασης 1m2. Στο τέλος της πειραματικής διαδικασίας, μεγαλύτερη αύξηση βάρους (WG, g) παρουσίασαν οι ιχθύες που σιτίστηκαν με τα σιτηρέσια FM (27,86±0,98g) και ZM10 (26,17±0,96g), ενώ τη μικρότερη οι ιχθύες που σιτίστηκαν με το σιτηρέσιο ZM20 (24,46±0,89g). Υψηλότερο ημερήσιο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (SGR, %/ημέρα) εμφάνισαν οι ιχθύες που σιτίζονταν με το σιτηρέσιο FM (1,84±0,03%/ημέρα) συγκριτικά με τα ZM10 (1,75±0,02%/ημέρα) και ZM20 (1,68±0,03%/ημέρα). Ο συντελεστής μετατρεψιμότητας της τροφής δεν διέφερε μεταξύ των μεταχειρίσεων ZM20, ZM10 και FM (1,38±0,06, 1,32±0,45 και 1,24±0,05 αντίστοιχα). Τέλος, η κατανάλωση τροφής (FC, gr/ημέρα) δεν διέφερε μεταξύ των μεταχειρίσεων ZM10, FM και ZM20 (9,19±0,21gr, 8,98±0,20gr και 8,96±0,19gr αντίστοιχα). Τα φυτά των συστημάτων 3 και 2 παρουσίασαν μεγαλύτερο βάρος φύλλων (245,32±19,66g και 184,47±18,63g αντίστοιχα), μεγαλύτερο βάρος νωπής υπέργειας βιομάζας (274,83±22,73g και 215,06±19,02g αντίστοιχα) και μεγαλύτερο ξηρό βάρος υπέργειας (10,48±0,85g και 8,50±0,53g) και υπόγειας βιομάζας (1,11±0,15g και 0,79±0,26g) διαφέροντας (p<0,05) από το σύστημα 1 (141,70±9,09g, 162,16±10,31g, 7,04±0,49g και 0,59±0,04g αντίστοιχα). Το σύστημα 2 ανέπτυξε μεγαλύτερο αριθμό φύλλων και ύψος βλαστού (43,38±3,63cm και 13,7±1,04cm αντίστοιχα). Συμπερασματικά το σύστημα 3 επέδειξε την ιδανικότερη ανάπτυξη φυτών. Η τελική μέση παραγόμενη βιομάζα αντιστοιχούσε σε 1,74kg/m2. Μικρή αντικατάσταση (10%) ιχθυαλεύρου με προνύμφη εντόμου Zophobas morio στο σιτηρέσιο επιφέρει ικανοποιητική ανάπτυξη του λαβρακιού. Η αντικατάσταση ποσοστού ιχθυαλεύρου (10 και 20%) με εντομάλευρο δεν επηρέασε τη κατανάλωση (FC) και το συντελεστή μετατρεψιμότητας της τροφής (FCR) από τους ιχθύες.Σκοπός του τρίτου πειράματος ήταν να μελετήσει την επίδραση 3 συχνοτήτων ημερήσιας σίτισης (2, 4 και 8 αριθμό γευμάτων) στην επιβίωση, κατανάλωση τροφής και ανάπτυξη του λαβρακιού (Dicentrarchus labrax) ώστε να προσδιοριστεί η αποδοτικότερη συχνότητα σίτισης του λαβρακιού σε συστήματα ενυδρειοπονίας εξασφαλίζοντας με αυτό το τρόπο τη συνδυασμένη μέγιστη ανάπτυξη ιχθύων λαβρακιού και φυτών μαρουλιού (Lactuca sativa). Το τρίτο πείραμα διέφερε από το πρώτο ως προς του ότι κάθε ενυδρειοπονικό σύστημα αποτελούσε και μια ξεχωριστή μεταχείριση σίτισης. Χρησιμοποιήθηκαν τα ίδια ενυδρειοπονικά συστήματα με το πρώτο πείραμα. Δώδεκα ιχθύες τοποθετήθηκαν σε κάθε γυάλινο ενυδρείο και κάθε μεταχείριση σίτισης είχε τρεις επαναλήψεις. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 9 ενυδρεία εκτροφής ιχθύων λαβρακιού. Οι ιχθύες, σιτίζονταν καθημερινά 5% του μέσου βάρους τους, με διαφορετική συχνότητα (σίτιση 2, 4 και 8 φορές/ημέρα) για χρονικό διάστημα 45ημερών. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 108 ιχθύδια λαβρακιού (D. labrax) μέσου αρχικού βάρους 10,84±0,16g και μέσου αρχικού μήκους 10,55±0,06cm τα οποία προήλθαν από το ίδιο απόθεμα γεννητόρων και διαμοιράσθηκαν ανά 12 άτομα στις δεξαμενές εκτροφής ψαριών. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 24 φυτά μαρουλιού (Lactuca sativa) αρχικού μέσου νωπού βάρους 2,18±0,06g και αρχικού ύψους 7,66±0,16cm, τα οποία διαμοιράσθηκαν ανά 8 φυτά στις δεξαμενές καλλιέργειας φυτών, καλλιεργητικής έκτασης 1m2. Στο τέλος της πειραματικής διαδικασίας, σημαντικές διαφορές (p>0,05) δεν παρατηρήθηκαν στα τελικά βάρη (W45, g) και μήκη (L45, cm) των ιχθύων. Οι ιχθύες που σιτίζονταν 2 φορές/ημέρα εμφάνισαν μεγαλύτερο τελικό βάρος 31,58±0,91g χωρίς όμως να διαφέρουν από τους ιχθύες που σιτίζονταν 4 φορές/ημέρα (31,00±0,80g) και 8 φορές/ημέρα (31,01±0,88). Τη μεγαλύτερη αύξηση βάρους (WG, g), τον υψηλότερο ημερήσιο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (SGR, %/ημέρα) και τον χαμηλότερο συντελεστή μετατρεψιμότητας της τροφής (FCR) παρουσίασε η μεταχείριση FF2 (20,70±0,63g, 2,37±0,02%/ημέρα και 1,27±0,05 αντίστοιχα) χωρίς όμως να διαφέρει (p>0,05) από τις μεταχειρίσεις FF4 (20,19±0,52g, 2,35±0,03%/ημέρα και 1,31±0,04 αντίστοιχα) και FF8 (20,11±0,63g, 2,32±0,02%/ημέρα και 1,38±0,05 αντίστοιχα). Η συχνότητα σίτισης, δεν επηρέασε την καθ’ ύψος αύξηση των φυτών, τον αριθμό των φύλλων και τη τελική βιομάζα υπόγειου (p>0,05). Παρόλα αυτά, έδειξε να επηρεάζει το τελικό νωπό βάρος του υπέργειου τμήματος του φυτού και κατά συνέπεια τη τελική βιομάζα και παραγωγή σημειώνοντας σημαντικές διαφορές (p<0,05). Μεγαλύτερο βάρος υπέργειου (νωπό και ξηρό) παρουσίασε η μεταχείριση FF4 (292,01±19,19g και 11,74±0,91g) χωρίς να διαφέρει στατιστικά σημαντικά (p>0,05) με τη μεταχείριση FF8 (282,56±24,40g και 11,70±0,97g). Το μικρότερο βάρος υπέργειου εμφάνισε η μεταχείριση FF2 (158,40±12,70g και 6,77±0,53g) διαφέροντας (p<0,05) και από τις άλλες δυο μεταχειρίσεις. Τέλος, μεγαλύτερη υπόγεια βιομάζα, εμφάνισε η μεταχείριση FF4 (1,57±0,21g) και τη μικρότερη η μεταχείριση FF8 (1,55±0,33g) χωρίς όμως, να διαφέρουν σημαντικά (p>0,05) από τη μεταχείριση FF2 (1,03±0,21g).Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας έδειξαν ότι οι αυξημένες συχνότητες σίτισης (4, 8φορές/ημέρα) δεν επηρέασαν αρνητικά τη ποιότητα του νερού των συστημάτων ενυδρειοπονίας. Ο διαμοιρασμός της ημερήσιας τροφής του λαβρακιού σε πολλαπλά γεύματα δεν επηρέασε τη κατανάλωση αυτής από τους ιχθύες καθώς και την ανάπτυξή τους. Στις μεταχειρίσεις όπου οι ιχθύες σιτίζονταν ανά 6 (FF4) και ανά 3ώρες (FF8) κατά τη διάρκεια του 24ώρου, τα φυτά παρουσίασαν καλύτερη ανάπτυξη και μεγαλύτερη τελική φυτική παραγωγή.Η διδακτορική αυτή διατριβή υπογραμμίζει τη χρήση ευρύαλων ψαριών, όπως το λαβράκι, σε συστήματα υδροπονίας γλυκού νερού για την παραγωγή φυτών υψηλής ζήτησης, όπως το μαρούλι. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η αυξημένη συχνότητα σίτισης των ιχθύων μπορεί να έχει θετικό αντίκτυπο στη συνδυαστική καλλιέργεια, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένες παραμέτρους ανάπτυξης των ιχθύων, αλλά και σε αυξημένη φυτική βιομάζα. Αυτή η μελέτη ενισχύει την επιστημονική γνώση παρέχοντας στοιχεία που αποδεικνύουν ότι τα εντομάλευρα μπορούν να υποκαταστήσουν μερικώς το ιχθυάλευρο σε τροφές που προσφέρονται σε ιχθύες ενυδρειοπονικών συστημάτων. Δεδομένου ότι οι παράμετροι ανάπτυξης του λαβρακιού, αλλά και του μαρουλιού, ήταν εντός των ορίων που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, η παρούσα μελέτη επιβεβαιώνει την καταλληλότητα της συν καλλιέργειας λαβρακιού-μαρουλιού σε ενυδρειοπονικά συστήματα γλυκού νερού χρησιμοποιώντας άλευρο προνυμφών του εντόμου Z. morio.