Πολυτροφική υδατοκαλλιέργεια ιχθύων, ολοθουρίων και διθύρων: μείωση περιβαλλοντικών επιπτώσεων και ασφαλής κατανάλωση

Abstract

Aquaculture produces more than 50% of all fish consumed by humans, as a result of which the evolution of this sector has led to a continuous increase in production and consequently increased impacts on marine ecosystems. The main impact of aquaculture on the marine environment is organic enrichment. An innovative solution to reduce organic enrichment is the development of multitrophic aquaculture. The present thesis aimed to investigate different aspects of the application of polytrophic aquaculture in the Mediterranean marine environment, including feeding techniques as well as the impact on the environment and human health.Three pilot multitrophic aquaculture farms were developed in three distinct areas with different physicochemical conditions. The co-cultivated species were sea bream (Sparus aurata), sea bass (Dicentrarchus labrax), the Mediterranean mussel (Mytilus galloprovincialis), the oyster (Pinctada radiata), and the sea cucumber (Holothuria poli). Fish and mussels were cultivated using traditional methods with fish cages and longlines, while oysters and sea cucumbers were grown in specially designed baskets typically used in oyster farms. All co-cultivated species showed high survival rates under multitrophic conditions. Specifically, oysters and mussels demonstrated positive growth in nutrient-rich environments. Sea cucumbers, while showing high survival rates, did not gain weight under these conditions.To ensure the safety for human consumption by the co-cultivated species, concentrations of heavy metals, antibiotics, POPs, and biotoxins were measured. The concentrations from co-cultivated species were compared with natural populations. Also, an in situ detoxification experiment was conducted to examine the fish farms impact on metals and trace elements in oyster tissues. The concentrations of heavy metals in the tissue of mussels and sea cucumbers did not exceed EU safety limits, although in oysters, cadmium (Cd) exceeded EU limits, especially in areas where the organisms lived close to sediment. However, safety indicators confirmed that pollutant levels posed no health risks for human consumption. Analyses the other pollutants also confirmed that co-cultivated species were safe for consumption, with antibiotic, dioxin, and biotoxin levels within EU limits.The high commercial interest in sea cucumber, motivated efforts to enhance their cultivation methods through the study of their natural populations. Therefore, the populations of Holothuria poli and the physicochemical characteristics of sediments in two contrasting coastal areas within the same region was investigated. Monthly monitoring of Holothuria poli populations was conducted with a ROV, while sediment samples were collected seasonally. Sea cucumbers showed greater abundance and biomass in areas with silt sediment and high organic matter. The distribution of H. poli was influenced by environmental and biological factors, including food availability, sediment redox conditions, and reproductive behavior. Recognizing that sea cucumbers prefer areas with silt sediment with high organic content, a study was conducted to identify potential cultivation sites in a traditional fish farm. A fish farm, by periodically relocating fish cages to undisturbed areas, tried to managed organic enrichment in the sediment. So, by monitoring the sediment physicochemical characteristics and macrobenthic communities, tried to find suitable sites for sea cucumbers cultivation. Results showed that cage movements influenced both macrofauna composition and sediment geochemistry. Areas with reduced cage density showed gradual ecological improvement, while newly fish farm parks showed slow environmental degradation. Multitrophic aquaculture is a promising method for sustainable production of Blue Foods and reducing the environmental impact of aquaculture. Multitrophic fish farm applications in open-sea and oligotrophic environments are limited due to environmental challenges and non-existent regulatory framework. According to the Greek and European law it is not yet allowed to cultivate and commercialize organisms cultured in IMTA systems due to lack of specific IMTA food safety protocols. But with the results of this study that situation could start changing since it is apparent that fish farms effluents do not contaminate bivalves and sea cucumbers with metals, antibiotics, POPs, or biotoxins. In Greece, pilot IMTA farms showed positive results for oysters in oligotrophic waters, while mussels thrived in more eutrophic areas. On the contrary, sea cucumbers cultivation proved challenging, as Mediterranean species struggle to adapt to captive conditions. The habitat study of sea cucumbers revealed their preference for soft substrates with high organic enrichment. So, the establishment of Aquaculture Zones (AZZs) could facilitate the selection sites suitable sea cucumber cultivation.

H υδατοκαλλιέργεια παράγει πάνω από το 50% του συνόλου των ιχθύων που καταναλώνονται από τον άνθρωπο, ως αποτέλεσμα η εξέλιξη αυτού του τομέα επέφερε τη συνεχή αύξηση του όγκου παραγωγής και κατ’ επέκταση αυξημένες επιπτώσεις στο θαλάσσιο οικοσύστημα. Η κύρια επίπτωση των υδατοκαλλιεργειών στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι αυτή του οργανικού εμπλουτισμού. Μια καινοτόμος λύση για την μείωση του οργανικού εμπλουτισμού είναι η ανάπτυξη της πολυτροφικής υδατοκαλλιέργειας. Ως Πολυτροφική υδατοκαλλιέργεια ορίζεται η καλλιέργεια δύο ή περισσοτέρων ειδών υδρόβιων οργανισμών στις ίδιες εγκαταστάσεις, τα οποία προέρχονται από διαφορετικά τροφικά επίπεδα, με τρόπο που να μιμείται την ροή ενέργειας των φυσικών οικοσυστημάτων. Η παρούσα διατριβή είχε ως στόχο την διερεύνηση διαφορετικών όψεων της εφαρμογής των πολυτροφικών υδατοκαλλιεργειών στο Μεσογειακό θαλάσσιο περιβάλλον περιλαμβανομένων των τεχνικών διατροφής καθώς και των επιπτώσεων στο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία.Στο πρώτο κεφάλαιο, αναπτύχθηκαν 3 πιλοτικές μονάδες πολυτροφικής υδατοκαλλιέργειας, που χαρακτηρίζονταν από διαφορετικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά. Τα συγκαλλιεργούμενα είδη ήταν τσιπούρα (Sparus aurata), λαβράκι (Dicentrarchus labrax), το μεσογειακό μύδι (Mytilus galloprovincialis), το στρειδόχτενο (Pinctada radiata) και ολοθούρια του είδους Holothuria poli. Τα ψάρια και τα μύδια καλλιεργήθηκαν με παραδοσιακές μεθόδους, με ιχθυοκλωβούς και αρμαθιές, ενώ τα στρείδια και τα ολοθούρια καλλιεργήθηκαν σε ειδικά σχεδιασμένα καλάθια που συνήθως χρησιμοποιούνται σε στρειδοκαλλιέργειες. Για την αξιολόγηση της ανάπτυξης των ασπονδήλων χρησιμοποιήθηκαν δείκτες που βασίστηκαν σε μετρήσεις μήκους και βάρους, ενώ τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αντίστοιχα των φυσικών πληθυσμών. Όλα τα συγκαλλιεργούμενα είδη παρουσίασαν υψηλά ποσοστά επιβίωσης όταν καλλιεργήθηκαν σε πολυτροφικές συνθήκες. Ιδιαίτερα, τα στρειδόχτενα και τα μύδια εμφάνισαν θετική ανάπτυξη σε περιβάλλοντα με αυξημένη συγκέντρωση θρεπτικών συστατικών. Από την άλλη πλευρά, τα ολοθούρια, παρότι εμφάνισαν υψηλή επιβίωση, δεν παρουσίασαν αύξηση βάρους σε συνθήκες πολυτροφικής υδατοκαλλιέργειας. Για να διαπιστωθεί αν τα συγκαλλιεργούμενα είδη είναι ασφαλή προς κατανάλωση από τον άνθρωπο και αν συσσωρεύουν ρύπους που προέρχονται από ένα τυπικό ιχθυοτροφείο, εκτιμήθηκαν οι συγκεντρώσεις διαφόρων ρυπαντών. Ειδικότερα, εκτιμήθηκαν οι συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων, ιχνοστοιχείων, αντιβιοτικών, POPs και τοξινών στα τρία μεσογειακά είδη (μύδια, στρειδόχτενα και ολοθούρια) μετά την καλλιέργεια τους σε συνθήκες πολυτροφικής υδατοκαλλιέργειας. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων συγκρίθηκαν με αντίστοιχα από φυσικούς πληθυσμούς του αντίστοιχου είδους. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ένα in situ πείραμα αποτοξικοποίησης των στρειδοχτένων για να διαπιστωθεί η επίδραση της γειτνίασης με το ιχθυοτροφείο στις συγκεντρώσεις μετάλλων και ιχνοστοιχείων στην σάρκα τους. Τα αποτελέσματα της διατριβής έδειξαν ότι οι συγκεντρώσεις που μετρήθηκαν στην σάρκα των διθύρων και των ολοθουρίων δεν ξεπέρασαν τα όρια ασφαλείας που έχουν θεσπιστεί από την13Ευρωπαϊκή Ένωση. Στα στρειδόχτενα, οι υψηλότερες συγκεντρώσεις εντοπίστηκαν σε περιοχές όπου οι οργανισμοί ζουν κοντά στο ίζημα, με το κάδμιο (Cd) να υπερβαίνει τα όρια της Ε.Ε. Όμως, οι δείκτες ασφαλείας κατανάλωσης έδειξαν ότι οι συγκεντρώσεις των ρύπων δεν προκαλούν κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία. Οι αναλύσεις σε οργανικούς ρύπους, παράλληλα, έδειξαν ότι οι συγκαλλιεργούμενοι οργανισμοί είναι ασφαλείς για κατανάλωση, αφού οι συγκεντρώσεις σε αντιβιοτικά, διοξίνες και βιοτοξίνες ήταν εντός των ορίων της Ε.Ε. Η υψηλή εμπορική αξία των ολοθούριων αποτέλεσε το κίνητρο για την προσπάθεια βελτίωσης των μεθόδων καλλιέργειάς τους μέσα από την μελέτη των φυσικών τους πληθυσμών. Συνεπώς, σκοπός του επόμενου κεφαλαίου ήταν η διερεύνηση των πληθυσμών του Holothuria poli και των φυσικοχημικών μεταβλητών των ιζημάτων σε δύο διαφορετικές παράκτιες θέσεις της ίδιας γεωγραφικής περιοχής που έχει εντοπιστεί ο πληθυσμός τους. Οι πληθυσμοί των Holothuria poli μελετήθηκαν μηνιαίως με την χρήση τηλεχειριζόμενου υποβρύχιου οχήματος (Remotely Οperated underwater Vehicle – ROV), ενώ δείγματα ιζημάτων συλλέχθηκαν εποχιακά. Τα ολοθούρια είχαν υψηλότερη αφθονία και βιομάζα στην περιοχή με ιλυώδες ίζημα και αυξημένο οργανικό υλικό. Και στις δύο περιοχές παρατηρήθηκαν εποχιακά μοτίβα, με την αμμώδη περιοχή να παρουσιάζει υψηλότερη πυκνότητα και βιομάζα κατά τους θερινούς μήνες, ενώ η οργανικά εμπλουτισμένη, την άνοιξη. Η κατανομή του H. poli φάνηκε να καθορίζεται από περιβαλλοντικούς και βιολογικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της διαθεσιμότητας τροφής, του καθεστώτος οξειδοαναγωγής στο ίζημα και της συμπεριφοράς αναπαραγωγής. Διαπιστώνοντας ότι τα ολοθούρια προτιμούν να εγκαθίστανται σε περιοχές με ιλυώδες ίζημα και υψηλά ποσοστά οργανικού υλικού, διεξήχθη στην συνέχεια μελέτη μιας περιοχής που είναι εγκαταστημένο ένα τυπικό ιχθυοτροφείο για να εντοπιστούν πιθανές θέσεις καλλιέργειας των ολοθουρίων. Το συγκεκριμένο ιχθυοτροφείο χρησιμοποίησε ως διαχειριστική πρακτική την υδρανάπαυση, κατά την οποία οι ιχθυοκλωβοί μετακινούνται από μια επιβαρυμένη περιοχή, σε μια νέα αδιατάρακτη. Το τελευταίο κεφάλαιο εστιάζει στην παρακολούθηση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του ιζήματος καθώς και στην μακροβενθική κοινότητα μετά από μετακίνηση κλωβών σε μια μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας στον Ευβοϊκό κόλπο. Στη μελέτη αυτή, η μονάδα αραίωσε την πυκνότητα των υφιστάμενων πάρκων, ενώ ταυτόχρονα δημιούργησε δύο νέα πάρκα σε γειτονική περιοχή. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μετακινήσεις των ιχθυοκλωβών επηρεάζουν τόσο τη σύνθεση της μακροπανίδας όσο και τα γεωχημικά χαρακτηριστικά του ιζήματος. Στις περιοχές όπου αραιώθηκαν οι κλωβοί παρατηρήθηκε σταδιακή βελτίωση της οικολογικής κατάστασης, ενώ στην περιοχή όπου τοποθετήθηκαν για πρώτη φορά κλωβοί, υπήρξε αργή επιδείνωση των περιβαλλοντικών συνθηκών. Συνεπώς, τόσο στην περιοχή που αραιώθηκαν οι κλωβοί όσο και στις νέα πάρκα της μονάδας δημιουργούνται οι κατάλληλες συνθήκες προκειμένου να τοποθετηθεί καλλιέργεια ολοθουρίων. Η Πολυτροφική Υδατοκαλλιέργεια αναδεικνύεται ως πολλά υποσχόμενη μέθοδος για τη βιώσιμη παραγωγή γαλάζιων τροφίμων, προσφέροντας χαμηλές περιβαλλοντικές επιπτώσεις και συνεισφέροντας στους Στόχους της Βιώσιμης Ανάπτυξης. Παρά τις πρώιμες έρευνες στην Ευρώπη, η εφαρμογή της σε ανοιχτή θάλασσα και σε ολιγοτροφικά περιβάλλοντα παραμένει περιορισμένη, λόγω νομοθετικών και περιβαλλοντικών προκλήσεων. Αυτό μπορεί να αρχίζει να αλλάζει, καθώς δείχθηκε ότι η παρουσία ενός ιχθυοτροφείου δεν επιβαρύνει τα δίθυρα και τα ολοθούρια με μέταλλα, αντιβιοτικά, POPs ή τοξίνες. Στην Ελλάδα, οι πιλοτικές δοκιμές έδειξαν θετικά αποτελέσματα για τα στρειδόχτενα στα ολιγοτροφικά νερά, ενώ τα μύδια απέδωσαν καλύτερα σε σχετικά ευτροφικές περιοχές. Η καλλιέργεια ολοθουρίων έδειξε δυσκολίες, καθώς τα μεσογειακά είδη δεν προσαρμόζονται εύκολα σε συνθήκες αιχμαλωσίας. Η μελέτη του ενδιαιτήματος των ολοθουρίων αποκάλυψε ότι προτιμούν μαλακά υποστρώματα πλούσια σε οργανική ύλη. Η δημιουργία ζωνών υδατοκαλλιέργειας (ΠΟΑΥ) θα μπορούσε να διευκολύνει την επιλογή θέσεων με αυτές τις προδιαγραφές εντός των ιχθυοτροφείων για την ανάπτυξη ολοθουρίων.