Μελέτη της δημιουργίας βιοϋμενίων σε μεταλλική επιφάνεια, σε κλειστό σύστημα πειραματικής μεσογειακής ιχθυοκαλλιέργειας

Abstract

Η τεχνολογία του ανακυκλούμενου νερού αποτελεί το μέλλον των συστημάτων υδατοκαλλιέργειας. Οι μικροβιακές κοινότητες που αναπτύσσονται στα κλειστά ή ανακυκλούμενα συστήματα υδατοκαλλιέργειας είναι ιδιαιτέρως σημαντικά για τη λειτουργία αυτών και τη σταθερότητα της παραγωγής. Η δημιουργία βιοϋμενίων στις επιφάνειες αποτελούν πρόβλημα για την ιχθυοκαλλιέργεια καθώς αφαιρούνται δύσκολα, συμμετέχουν στη βιο-επίστρωση και δύνανται να λειτουργούν ως πηγή παθογόνων βακτηρίων. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της ανάπτυξης βιοϋμενίου σε επιφάνειες ανοξείδωτου χάλυβα ποσοτικά καθώς και σε επίπεδο βακτηριακής σύνθεσης υπό θαλάσσιες συνθήκες. Μελετήθηκε η μικροβιακή κοινότητα σε ένα πειραματικό σύστημα ανακυκλούμενης υδατοκαλλιέργειας, όπου εκτρέφονταν τσιπούρες και λαβράκια. Αρχικά διερευνήθηκε η επίδραση της μερικής ανανέωσης του νερού του συστήματος επί του πληθυσμού των ετερότροφων θαλάσσιων βακτηρίων για χρονική περίοδο μίας εβδομάδας, υπό τη λειτουργία ή μη συστήματος αποστείρωσης νερού μέσω υπεριώδους ακτινοβολίας, λαμβάνοντας δείγματα από εννέα διαφορετικά σημεία του συστήματος. Ο πληθυσμός των πλαγκτονικών ετερότροφων βακτηρίων δεν αυξήθηκε σημαντικά 24 ώρες μετά την αλλαγή νερού, δε διέφερε μεταξύ των σημείων δειγματοληψίας και δεν παρατηρήθηκε αρνητική επίδραση του συστήματος αποστείρωσης στην αύξηση των πλαγκτονικών κυττάρων. Έπειτα, μελετήθηκε η ανάπτυξη βιοϋμενίου σε επιφάνειες ανοξείδωτου χάλυβα για ένα χρονικό διάστημα 30 ημερών. Καταγράφηκε η εξέλιξη του πληθυσμού των προσκολλημένων κυττάρων πάνω στις προς εξέταση επιφάνειες, ενώ ταυτόχρονα, καταγράφηκε και η εξέλιξη του πληθυσμιακού μικροβιακού φορτίου στο νερό. Πραγματοποιήθηκε χρήση μοριακών τεχνικών (PCR-DGGE) για τη μελέτη της εξέλιξης των μικροβιακών προφίλ αλλά και τη σύγκριση μεταξύ των μικροοργανισμών που βρίσκονται στο νερό και αυτών που συμμετέχουν στο βιοϋμένιο. Τέλος, με την ίδια τεχνική, ακολούθησε σύγκριση των μικροβιακών προφίλ που λαμβάνουμε από τις κλασσικές μικροβιολογικές τεχνικές (τρυβλία) έναντι αυτών που λαμβάνουμε απ’ ευθείας από τα περιβαλλοντικά δείγματα. Η συγκέντρωση των πλαγκτονικών ετερότροφων βακτηρίων κυμάνθηκε από 3.8 έως 5.4 log(CFU ml-1) ενώ τα αποτελέσματα της PCR-DGGE έδειξαν ότι η μικροβιακή σύνθεση του νερού παρέμεινε σταθερή, καθώς και ότι υπάρχουν πολλά είδη βακτηρίων που δεν κατάφεραν να αναπτυχθούν στο θρεπτικό μέσο ανάπτυξης. Εικοσιτέσσερις ώρες κατόπιν τοποθέτησης, οι επιφάνειες είχαν αποικηθεί από βακτήρια πληθυσμού 4.5±0.05 log(CFU cm-2), παραμένοντας στα ίδια επίπεδα μέχρι την 30η ημέρα. Τα αποτελέσματα της PCR-DGGE αποκάλυψαν μία δυναμική αλλαγή στη σύνθεση του βιοϋμενίου, η οποία όμως δεν ανιχνεύτηκε από τις κλασικές μικροβιολογικές τεχνικές. Η κλασική μικροβιολογία σε συνδυασμό με μοριακές τεχνικές αποκάλυψαν τη δυναμική στη σύνθεση των βιοϋμενίων που αναπτύχθηκαν σε επιφάνειες ανοξείδωτου χάλυβα, οι οποίες ήταν βυθισμένες στο νερό ενός κλειστού συστήματος Μεσογειακής ιχθυοκαλλιέργειας. Η παρούσα εργασία αναδεικνύει τη σημαντικότητα της διενέργειας μελετών in situ για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους, για την καλύτερη αξιολόγηση των υλικών ως προς τη δημιουργία βιοϋμενίων πάνω σε αυτά.

Recirculation is considered to be the future of aquaculture production systems. The microbial communities developed in these systems are of great importance for the function of the system and production stability. The adhesion of microorganisms on surfaces and the consequent biofilm formation is of major concern in the aquaculture sector, since biofilms are difficult to remove, cause biofouling and may act as a reservoir for potentially pathogenic bacteria. The aim of this study was to evaluate qualitative as well as quantitative the formation of biofilms on stainless steel surfaces under seawater conditions The microbial community dynamics in an experimental Recirculated Aquaculture System (RAS), where gilthead seabream and seabass were reared, was studied. Firstly, the effect of partial water change on the population of planktonic heterotrophic bacteria was evaluated for a week’s period comparing two treatments; the first treatment employed the use of UV sterilization system and the second did not. Sampling was conducted in 9 different compartments of the system and water quality parameters were monitored. Bacterial population did not increase significantly after 24h of water change, did not differ among sampling stations and there was no inhibitory effect on the increase of the number of planktonic bacteria when water UV sterilization system was employed. Then, sterilized stainless steel coupons were placed in an empty aquarium tank, part of the RAS. Sampling for microbiological analysis of tank water for planktonic bacteria and coupons for sessile bacteria was conducted at 24h, 48h, 72h and every three days thereafter until the 30th day. The bacterial community composition of the tank water as well as the biofilms and their temporal changes were assessed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) based on the 16S rRNA gene. The microbiological analysis of the tank water revealed that the water microbial load ranged from 3.8 to 5.4 log(CFU ml-1). The DGGE profiles revealed that the microbial association of the tank water remained unchanged during the experimental period. Within 24h the biofilm cells on the coupons reached a population of 4.5±0.05 log(CFU cm-2), remaining relatively stable until the 30th day. On the other hand, DGGE bacterial profiling revealed a dynamic succession of microbial species during biofilm development on stainless steel surfaces. Conventional microbiological analysis combined with molecular techniques demonstrated the dynamics of the biofilm development on stainless steel surfaces in a Mediterranean RAS. This work highlights the importance of conducting studies in situ for prolonged time periods, as an approach for better assessment of the biofilm formation on test surface materials.