Πειραματική οικολογία: ανθρωπογενείς επιδράσεις στο θαλάσσιο οικοσύστημα και τρόποι αντιμετώπισης

Abstract

The sea plays a significant role in regulating the Earth's climate, in the evolution and preservation of life, as well as in the historical development of human civilization through maritime transport, mineral resources, fishing, etc. However, the rapid increase in the human population entails an increasing need for food, raw materials, and energy, which has led to significant environmental pollution, including the oceans. Due to the importance of the oceans for humanity and the planet, it is essential to address environmental pressures for the "conservation and sustainable use of oceans, seas, and marine resources," as described by the 14th Sustainable Development Goal of the United Nations. To achieve this goal, marine ecology research must focus, among other things, on (1) habitat restoration, understanding the mechanisms of ecosystem responses to anthropogenic impacts, (2) the effects of emerging pollutants, and (3) understanding ecosystem functioning, with an emphasis on supporting ecosystem management and enhancing the sustainability of marine activities. Based on the above, in this doctoral dissertation, we emphasized two forms of anthropogenic impacts on the marine environment, oil spills, and aquaculture, following an experimental approach.Specifically: •We studied the effects of a method for the mitigation of major oil spills, through in-situ oil burning, on the marine microbial ecosystem. This method is promising for the rapid response to large oil spills; however, the toxicity of the combustion residues and the produced soot has not been systematically studied, especially at the food web level, which limits the systematic application of this method. For this purpose, we conducted a mesocosm experiment in which the combustion residues and the produced soot (as deposited through artificial rain) remained on the surface of the mesocosm water for 26 days, during which we studied the changes in the microbial food web caused by these two pressures. •We examined the effects of the antibiotic florfenicol on the marine microbial ecosystem. Antibiotics continue to be administered in aquaculture worldwide, with increasing trends, with most of them escaping into the natural environment. Additionally, antibiotics seem to have significant impacts not only on bacteria but also on organisms from all levels of the food web, as found in toxicity experiments with cultures; however, the ecosystem-level effects of antibiotics have not been systematically studied. For this purpose, we chose to study the effects of florfenicol, one of the most popular antibiotics used in aquaculture, on the marine microbial ecosystem through a mesocosm experiment using the commercially available formulation AQUAFLOR (Merck Animal Health). The experiment lasted a total of 15 days, with the first 5 days involving regular application of the antibiotic simulating its application in the real environment. Samples for the study of the microbial food web were collected daily throughout the experiment to assess the ecosystem-level impacts of the application of this antibiotic. •We attempted to cultivate phytoplankton within an aquaculture unit using an economically and environmentally sustainable methodology. We know that dissolved nutrients escape from aquaculture cages and are subsequently absorbed by the phytoplankton in the water column and transferred through predation to higher levels of the food web. At the same time, phytoplankton biomass has significant commercial applications, and its global demand is expected to increase significantly in the coming years. Currently, one of the main limiting factors for the further commercial exploitation of phytoplankton biomass is the high production cost. Combining the above, we designed and constructed low-cost floating bioreactors for cultivating phytoplankton in the sea, simultaneously reducing the environmental footprint of aquaculture units by removing escaping nutrients and sequestering CO2. These bioreactors were tested in an aquaculture unit in an oligotrophic environment (Rhodes) and in a unit in a slightly mesotrophic environment (Malesina). The natural plankton community of each area was used as inoculum, with the removal of predators. During these experiments, the growth of phytoplankton biomass within the bioreactors was studied, and the main groups and genera that seem to have the best potential for future cultivation and commercial exploitation were identified.

Η θάλασσα παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του κλίματος της Γης, στην εξέλιξη και διατήρησης της ζωής καθώς και στην ιστορική εξέλιξη του ανθρώπινου πολιτισμού μέσω των θαλάσσιων μεταφορών, ορυκτών πόρων, αλιείας κτλ. Όμως η ραγδαία αύξηση του ανθρώπινου πληθυσμού συνεπάγεται και αυξανόμενη ανάγκη για τροφή, πρώτες ύλες και ενέργεια κάτι που έχει οδηγήσει σε σημαντική ρύπανση του περιβάλλοντος, συμπεριλαμβανομένων των ωκεανών. Λόγω της σημασίας των ωκεανών για τον άνθρωπο και τον πλανήτη είναι απαραίτητη η αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών πιέσεων για την «διατήρηση και αειφόρο χρήση των ωκεανών, θαλασσών και θαλάσσιων πόρων», όπως περιγράφεται από τον 14ο Στόχο για την Αειφόρο Ανάπτυξη, του Οργανισμού των Ηνωμένων Εθνών. Για την επίτευξη του στόχου αυτού η έρευνα της θαλάσσιας οικολογίας πρέπει να επικεντρωθεί, μεταξύ άλλων, (1) στην αποκατάσταση των ενδιαιτημάτων, την κατανόηση των μηχανισμών απόκρισης των οικοσυστημάτων στις ανθρωπογενείς επιδράσεις, (2) στις επιπτώσεις των αναδυόμενων ρυπαντών και επίσης (3) στην κατανόηση της λειτουργίας των οικοσυστημάτων, με έμφαση στην υποστήριξη της διαχείρισης των οικοσυστημάτων και την ενίσχυση της βιωσιμότητας των δραστηριοτήτων στη θάλασσα. Με βάση τα παραπάνω, στην παρούσα διδακτορική διατριβή δώσαμε έμφαση σε δύο μορφές ανθρωπογενών επιδράσεων στο θαλάσσιο περιβάλλον, τις πετρελαιοκηλίδες και την υδατοκαλλιέργεια και ακολουθώντας μια πειραματική προσέγγιση. Συγκεκριμένα: •μελετήσαμε τις επιπτώσεις που έχει στο θαλάσσιο μικροβιακό οικοσύστημα μια μέθοδος αντιμετώπισης μεγάλων πετρελαιοκηλίδων μέσω καύσης του πετρελαίου στη θάλασσα (in-situ oil burning). Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι πολλά υποσχόμενη για την ταχεία αντιμετώπιση μεγάλων πετρελαιοκηλίδων, όμως, η τοξικότητα των υπολειμμάτων της καύσης και της παραγόμενης αιθάλης δεν έχουν μελετηθεί συστηματικά και ειδικά σε επίπεδο τροφικού πλέγματος κάτι που περιορίζει την εφαρμογή της συγκεκριμένης μεθόδου σε συστηματική βάση. Για το σκοπό αυτό διεξαγάγαμε ένα πείραμα μεσοκόσμων στο οποίο τα υπολείμματα της καύσης καθώς και η παραγόμενη αιθάλη (όπως αυτή εναποτέθηκε μέσω τεχνητής βροχής) παρέμειναν στην επιφάνεια του νερού των μεσοκόσμων για 26 μέρες, στην διάρκεια των οποίων μελετήσαμε τις μεταβολές στο μικροβιακό τροφικό πλέγμα που προκαλούνται από τις δύο αυτές πιέσεις. •εξετάσαμε τις επιδράσεις που έχει στο θαλάσσιο μικροβιακό οικοσύστημα το αντιβιοτικό φλορφαινικόλη (florfenicol). Τα αντιβιοτικά συνεχίζουν να χορηγούνται στην υδατοκαλλιέργεια παγκοσμίως και μάλιστα με αυξητικές τάσεις, με το μεγαλύτερο μέρος αυτών να διαφεύγουν στο φυσικό περιβάλλον. Επιπλέον τα αντιβιοτικά φαίνεται να έχουν σημαντικές επιπτώσεις όχι μόνο στα βακτήρια αλλά και σε οργανισμούς από όλα τα επίπεδα του τροφικού πλέγματος, όπως έχει βρεθεί μετά από πειράματα τοξικότητας με καλλιέργειες, όμως οι επιπτώσεις των αντιβιοτικών σε επίπεδο οικοσυστήματος δεν έχουν μελετηθεί συστηματικά. Για το σκοπό αυτό, επιλέξαμε να μελετήσουμε τις επιδράσεις της φλορφαινικόλης, ένα από τα πλέον δημοφιλή αντιβιοτικά που χρησιμοποιούνται στην υδατοκαλλιέργεια, στο θαλάσσιο μικροβιακό οικοσύστημα μέσω ενός πειράματος μεσοκόσμων και χρησιμοποιώντας το εμπορικά διαθέσιμο σκεύασμα AQUAFLOR (Merck Animal Health). Το πείραμα διήρκησε συνολικά 15 ημέρες, με τις πρώτες 5 ημέρες να γίνεται τακτική εφαρμογή του αντιβιοτικού προσομοιάζοντας την εφαρμογή του στο πραγματικό περιβάλλον. Δείγματα για την μελέτη του μικροβιακού τροφικού πλέγματος συλλέγονταν καθημερινά καθ΄ όλη τη διάρκεια του πειράματος προκειμένου να εκτιμηθούν οι επιπτώσεις της εφαρμογής του συγκεκριμένου αντιβιοτικού σε επίπεδο οικοσυστήματος. •δοκιμάσαμε να καλλιεργήσουμε φυτοπλαγκτόν μέσα σε μια μονάδα υδατοκαλλιεργειών με μια οικονομικά και περιβαλλοντικά βιώσιμη μεθοδολογία. Γνωρίζουμε ότι διαλυμένα θρεπτικά διαφεύγουν από τα κλουβιά των υδατοκαλλιεργειών και εν συνεχεία απορροφώνται από το φυτοπλαγκτόν της στήλης του νερού και μεταφέρονται μέσω θήρευσης στα ανώτερα επίπεδα του τροφικού πλέγματος. Παράλληλα η βιομάζα του φυτοπλαγκτού έχει σημαντικές εμπορικές εφαρμογές ενώ η παγκόσμια ζήτησή της προβλέπεται να αυξηθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια. Αυτή τη στιγμή ένας από τους βασικότερους περιοριστικούς παράγοντες για την περεταίρω εμπορική αξιοποίηση της βιομάζας του φυτοπλαγκτού είναι το αυξημένο κόστος παραγωγής. Συνδυάζοντας τα παραπάνω, σχεδιάσαμε και κατασκευάσαμε πλωτούς βιοαντιδραστήρες χαμηλού κόστος για καλλιέργεια φυτοπλαγκτού μέσα στη θάλασσα μειώνοντας παράλληλα το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των μονάδων υδατοκαλλιεργειών μέσω της απομάκρυνσης των διαφευγόντων θρεπτικών και της δέσμευσης του CO2. Οι βιοαντιδραστήρες αυτοί ποντίστηκαν δοκιμαστικά σε μια μονάδα υδατοκαλλιεργειών σε ολιγοτροφικό περιβάλλον (Ρόδος) και σε μία μονάδα σε ελαφρώς μεσοτροφικό περιβάλλον (Μαλεσίνα). Ως εμβόλιο χρησιμοποιήθηκε η φυσική κοινότητα του πλαγκτού της κάθε περιοχής με απομάκρυνση των θηρευτών. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων αυτών μελετήθηκε η ανάπτυξη της φυτοπλαγκτονικής βιομάζας μέσα στους βιοαντιδραστήρες ενώ προσδιορίστηκαν και οι βασικές ομάδες και γένη που φαίνεται να έχουν το καλύτερο δυναμικό για μελλοντική καλλιέργεια και εμπορική αξιοποίηση.