两种海绵的繁殖生物学与规模化养殖关键技术研究

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海绵动物是最原始的多细胞动物,在动物进化史中占据重要位置,是理解后生动物进化的关键类群。其含有多样化的生物活性物质,是目前最具开发潜力的海洋药源生物类群之一,其特有的骨针以及骨架也可作为重要的生物材料应用于医药行业。然而,海绵药物研究以及生物材料的开发面临海绵生物量供应不足的问题。为了提供足量的海绵生物用于后续研究及生产,开展海绵养殖研究、构建规模化和可持续的海绵养殖体系势在必行。当前最主要的海绵动物养殖采取了无性繁殖方式,该方式容易导致种质退化,且种质来源不可控,难以保持可持续的生产模式以支撑未来海绵产业的发展。为探索海绵养殖的规模化和可持续性,本论文以沐浴角骨海绵和相似蜂海绵这两种各具特性的海绵动物为实验对象,通过研究和比较其无性繁殖、稚体培育以及可控生态养殖过程,旨在突破海绵动物规模化养殖技术、有性繁殖技术以及室内培养技术,为未来海绵产业的可持续发展建立原型方案。研究分为3个部分的内容:(1)两种海绵的规模化无性繁殖;(2)两种海绵的稚体培育;(3)相似蜂海绵的可控生态养殖。具体结果如下:(1)分别在海南省儋州潮间带海域和福建省东山诏安湾鱼排开展了沐浴角骨海绵和相似蜂海绵的规模化无性繁殖研究。在海南省儋州潮间带,我们首先以18个月的小规模实验对比了瓷砖法、弹簧法和穿绳法等三种养殖方式对沐浴角骨海绵存活和生长的效果,结果显示不同挂养方法之间有较大差异,其中瓷砖法无论是在存活率还是在增长率方面都表现出了更好的效果。然后我们采用瓷砖法扩大了沐浴角骨海绵养殖规模,在约300m2的潮间带区域布置了 15000个海绵移植块,12个月的大规模实验结果表明移植块存活率相对于小规模试验存活率明显较低降低,从小规模实验的86.67%降低为大规模实验的41.4%;生长率方面则表现出最初的海绵湿重增长了大约157.09%,与小规模养殖实验下的12个月相对体积增长(157%)持平。沐浴角骨海绵生长缓慢,12个月的海绵平均湿重为198.63±76.53 g,相对于最初海绵湿重,增长率大约为157.09%,最终只有16%的海绵个体湿重在300~400g范围内,达到可以采摘的要求。该结果也表明了在潮间带区域开展大规模的海绵养殖并不可行,需要重新规划养殖策略。此外,我们分析了沐浴角骨海绵的生长和存活与海水温度之间的相关性,结果表明该海绵的增长率及存活率与海水温度均无显著性相关,这表明该海绵对一定程度的温度波动并不敏感,可以承受一定程度的低温,将该海绵向北方省份比如福建省海域移植具有可行性。采用网框法对相似蜂海绵进行了 18个月的较大规模的养殖实验,共挂养1792个网框。结果显示期末海绵的存活率接近100%,增长率大约为2427.91%。可见该养殖方法可以获得良好的增殖效果,可应用于相似蜂海绵的规模化养殖。基于以上实验的个性和共性,本文推断海绵移植块生长受海绵种类差异、养殖环境差异以及养殖方式差异等因素的影响。本论文细致讨论并总结了适合于海绵大规模养殖的模式及管理要点。(2)开展了沐浴角骨海绵和相似蜂海绵幼稚体发育生物学研究,探究了幼体的释放规律、幼体的附着变态规律和稚体的适宜培育模式等内容。结果表明,沐浴角骨海绵成体在5~6月份开始释放幼体,期间每日都有释放幼体,每日的幼体释放高峰为06:00~09:00之间;该种海绵幼体的附着变态规律为选择黑暗环境下、表面粗糙并且具有生物膜的附着基质进行附着变态;该种海绵稚体的适宜培育模式为室内适宜在外循环水流条件下培养,海区适宜采用250 μm网兜保护条件下挂养。在此基础上我们探索了相似蜂海绵的稚体培养,发现塑料平皿是幼体的适宜附着基,24h内的附着率可达50.00±5.00%。稚体的适宜培育模式为采用培养皿倒扣的方式在室内培育15 d,然后在180 μm网兜保护的条件下在海区中再挂养45d,之后去除网兜保护继续挂养至成体。由此方法培养120d后获得的最大海绵稚体长度可达33.4mm,体积增长了 2万多倍,达到已有报道海绵稚体生长率中的最高纪录。本研究通过培养措施的及时变换优化了存活率和生长率之间的平衡,从而建立了一种可行的、低成本的海绵稚体培育方案。(3)研究了可控生态条件下的海绵生长。本研究首先在渔排上搭建了可持续换水的养殖装置,每个养殖装置内部安放多株相似蜂海绵移植块,持续抽取250μm筛绢网简单过滤的天然海水并以不同的流量输入到不同的养殖装置中,然后开展了持续120d的生长实验以探讨天然海水的换水率如何影响海绵生长。结果表明,当天然海水的流量分别为10± 1.66 mL/s、27.77±2.54 mL/s、60.27±1.73mL/s 和 80±1.66 mL/s 时,120 d 海绵体积增长率分别为-100%、111.59±24.67%、108.79±35.69%和174.45±33.39%。可见要维持海绵的正生长就要保证一个最低换水率;超过最低换水率后,海绵生长率随水流流量的增加而增大。虽然理论推测必然存在一个最高换水率,超过此界限海绵会因水流过急而降低生长速度,但由于实验装备的限制,本实验没有探测到最高换水率。本研究同时长期监测了养殖水体的参数,发现营养盐和水温等理化参数对相似蜂海绵的生长影响不显著。本研究证实了文献报道的海绵生长不仅需要极高水平的饵料输入,而且会释放出大量脱落的领细胞。当地海水含丰富的POM,高换水率不仅可以为海绵提供高水平的天然饵料,而且能及时排出脱落细胞。在海绵人工饵料和脱落细胞排出装置均未发明的情况下,海绵动物的可控室内养殖可以通过持续不断的高通量更换天然海水来实现。
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