میکروجلبک ها در صنعت آبزی‌ پروری چه نقشی دارند؟

اخیراً استفاده از میکروجلبک ها در صنعت آبزی‌پروری در جهت توسعه صنعتی افزایش یافته است. با توجه به افزایش جمعیت، افزایش تقاضا برای پروتئین با کیفیت بالا و کاهش ماهی‌های وحشی، پیش‌بینی می‌شود. برآوردها حاکی از آن است که تقاضا برای ماهی‌های پرورشی تا 37 درصد بین سال‌های 2016 تا 2030 افزایش یابد. میکروجلبک‌ها، گیاهان فتوسنتزی تک‌سلولی هستند که بیشتر آن‌ها غنی از پروتئین، لیپید و مواد زیستی فعال می‌باشند و بخش مهمی از پایه زنجیره غذایی آبزیان طبیعی را تشکیل می‌دهند.

افزایش تقاضا خوراک آبزیان

آبزی‌پروری به‌عنوان یک چالش در قرن 21ام نقش مهمی در تأمین غذای جهانی دارد. پیش‌بینی می‌شود که جمعیت جهان تا سال 2050 از 7.6 به 9.8 بیلیون نفر افزایش یابد که این باعث افزایش تقاضای مواد غذایی نیز می‌شود. به موازات آن با توجه به اهمیت مصرف مواد غذایی با پروتئین بالا، جهان با افزایش 110 درصدی تقاضای پروتئین با کیفیت بالا مواجه خواهد شد. در حال حاضر، 57 درصد از پروتئین جهانی توسط منابع گیاهی و 43 درصد باقی‌مانده از منابع حیوانی (گوشت قرمز، مرغ، غذاهای دریایی، تخم‌مرغ و سایر محصولات) تأمین می‌شود. از 1.7 میلیارد تن محصولات دامی تولید شده در سطح جهان در سال 2016، ماهیان وحشی و پرورشی تنها 10 درصد آن را شامل می‌شوند.

مشارکت آبزی‌پروری برای رفع نیازهای غذایی آینده به اقدامات پایدارتری برای حمایت اکوسیستم‌های آبزی و زمینی نیاز دارد. یک مشکل اساسی تا به امروز صید بی‌رویه‌ ماهی‌های دریا برای مصرف به عنوان غذا و تولید روغن ماهی است. این امر باعث کاهش جمعیت گونه‌هایی می‌شود که در شبکه غذایی آبزیان نقش اساسی دارند. همچنین توزیع ماهی خام باعث افزایش شیوع بیماری‌های باکتریایی و ویروسی می‌شود. مصرف ماهی به‌دلیل سرشار بودن از پروتئین، قابلیت هضم آسان، خوش طعم بودن، منبعی سرشار از اسیدهای آمینه ضروری، فسفولیپیدها و اسیدهای چرب امگا-3 مانند اسید ایکوزاپنتانوئیک (EPA) و اسید داکوزاهگزنوئیک (DHA) بسیار پرطرفدار است.

محصولات زراعی مانند سویا، کلزا، ذرت، گندم و جو به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان منبعی از پروتئین استفاده می‌شوند، اما قادر به تهیه مقادیر کافی از اسیدهای چرب امگا-3، لیزین و متونین نیستند و حتی می‌توانند شامل ترکیبات ضدتغذیه‌ای مانند پلی‌ساکاریدهای غیر محلول باشند. بنابراین برای جلوگیری از تأثیرات منفی آن‌ها بر رشد و سلامتی، باید مقدار مشخصی از آن‌ها در رژیم غذایی قرار بگیرد. هر چه ارتباط بین کشاورزی و آبزی‌پروری به‌دلیل تولید محصولات بر پایه مواد غذایی افزایش یابد، اثرات زیست‌محیطی آبزی‌پروری نیز گسترش می‌یابد. یک چالش اساسی در ارتباط با گسترش آبزیان به گونه‌ای است که کیفیت غذایی بالایی را ارائه دهند، باعث حفظ سیستم‌های غذایی پایدار شوند و پاسخ‌گوی تقاضای مواد غذایی مورد نیاز حمعیت رو به افزایش باشند.

خوراک‌های مبنی بر میکروجلبک‌ها به‌عنوان منابع غذایی امیدوارکننده برای آبزی‌پروری پایدار، توسعه یافته‌اند. میکروجلبک‌ها منبع اصلی مواد غذایی برای زئوپلانکتون و ماهیان کوچک استوایی هستند که در زنجیره غذایی توسط ماهی‌های بزرگتر مصرف می‌شوند و منبع ارزشمندی از مواد مغذی هستند. بسته به نوع میکروجلبک و شرایط رشد، آن‌ها معمولاً شامل 60 درصد پروتئین، 60 درصد کربوهیدرات یا 70 درصد چربی هستند. همچنین توانایی تولید رنگدانه‌های ارزشمند، مواد تقویت‌کننده و هورمون‌های رشد و متابولیت‌های ثانویه با خواص طبیعی آنتی‌اکسیدانی، ضدمیکروبی و ضدالتهاب را دارند.

برخی از گونه‌های میکروجلبک قادر به تولید اسیدهای چرب امگا-3 و رنگدانه‌ها از جمله کارتنوئید هستند. از نظر زیست‌محیطی، تولید میکروجلبک باعث توسعه قابل توجه محصولات اولیه فتوسنتزی می‌شود، همچنین قابلیت کشت در زمین‌های غیر قابل استفاده در کشاورزی و یا زمین‌های ساحلی را دارند و باعث کاهش تقاضای آب و بازیافت مواد می‌شوند، زیرا توانایی استفاده از آب دریا و یا فاضلاب‌ها را دارند. علاوه بر این، آن‌ها توانایی تبدیل دی‌اکسید کربن اتمسفری به مواد تجدیدپذیر و مواد غذایی با ارزش بالا را دارند.

صنعت میکروجلبک، پایه و اساس توسعه یک صنعت آبزی‌پروری بزرگ را فراهم می‌کند. ادغام سیستم‌های تولید میکروجلبک در آبزی‌پروری باعث ایجاد زنجیره‌های غذایی با ارزش زیست‌محیطی و تولید محصولات زیستی و زیست تخریب‌پذیر می‌شود، همچنین باعث ارائه رژیم‌های غذایی سالم و خدمات اکوسیستم برای صنعت آبزی‌پروری می‌شود. در این متن بر پیشرفت‌های کلیدی توسعه خوراک‌ آبزیان مبنی بر میکروجلبک که برای توسعه صنعت آبزی‌پروری ضروری است، تأکید می‌شود.

خوراک سلولی

میکروجلبک‌های کشت شده به‌عنوان محل تخم‌ریزی ماهی‌ها و منبع غذایی برای ماهی‌، صدف و میگو استفاده می‌شوند. آن‌ها همچنین به‌عنوان غذای زئوپلانکتون‌ها که خود منبع تغذیه سایر آبزیان هستند، استفاده می‌شوند. تقاضا برای جلبک زنده بیشتر توسط مزرعه‌های تولید محصول انجام می‌شود. با این حال، چنین سیستم‌های کوچک با بهره‌ کم منجر به هزینه‌های بالای عملیاتی می‌شوند.

تخمین زده شده است که بسته به نوع جلبک‌ها و سیستم‌های کشت مورد استفاده، حدود 30 الی 50 درصد هزینه کل تولید ماهی صرف هزینه‌های کشت میکروجلبک شود. در نتیجه یک روند رو به رشد برای جایگزینی جلبک‌های زنده با محصولات از قبل تولید شده مانند جلبک‌های خشک، خمیرهای غلیظ جلبک، خوراک‌های فرموله شده، باکتری‌ها و مخمرها وجود دارد. مضرات گزارش شده در مواد غذایی جایگزین شده شامل تخریب باکتریایی، شستشوی مواد غذایی، قابلیت کم هضم مواد دیواره سلولی و تجزیه جلبک‌های خشک است. میکروجلبک‌های زنده از نظر رشد و بقای بیشتر دارای برتری هستند.

پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌ مواد غذایی مبتنی بر درک بهتر از تغذیه حیوانات، امکان جایگزینی بیشتر جلبک‌های زنده را بدون به خطر افتادن رشد و سلامتی حیوانات فراهم آورده است. به‌عنوان مثال، جایگزینی 75 درصدی جلبک‌های زنده با مواد غذایی فرموله شده برای رسیدن به همان بهره‌وری در صدف سبز، هزینه‌های خوراک را از 221 دلار به ازای هر کیلوگرم به 138 دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش می‌دهد.

جلبک‌های کنسانتره شده با کیفیت بالا به‌عنوان یک جایگزین مناسب برای جلبک‌های زنده محسوب می‌شوند. نرخ رشد مشابهی برای استفاده از کنسانتره جلبک‌های تجاری و جلبک‌های زنده در تولید صدف مرواریدی گزارش شده است. به‌طور معمول، کنسانتره جلبک‌ها با حذف آب توسط روش‌های مختلف از جمله سانتریفیوژ کردن و تبدیل آن‌ها به یک دوغاب غلیظ، سپس اضافه کردن مواد نگهدارنده تولید می‌شوند. این مواد غیر قابل رشد، برای تغذیه آبزیان به‌صورت سلول کامل دست‌نخورده، به‌منظور حفظ مواد مغذی و خصوصیات مهم طراحی شده‌اند. هزینه کنسانتره کردن به‌دلیل نیاز به مراحل پیش‌پردازش از 200 دلار تا 620 دلار به ازای هر کیلوگرم متغیر است. سیستم‌های پیشرفته تولید میکروجلبک در مقیاس بزرگ که با برداشت، نگهداری و ذخیره‌سازی مناسب سلول‌ها و شبکه‌های توزیع کارآمد یکپارچه شده‌اند، پتانسیل قابل توجهی برای کاهش هزینه ارائه می‌دهند.

مواد غذایی فرموله شده

تجزیه و تحلیل رژیم‌های غذایی در جهت طراحی مواد لازم برای رشد بهینه آبزیان ضروری است. گزارش شده است که آبزیان به‌طور معمول حاوی پروتئین‌ها، لیپیدها، کربوهیدرات‌ها، خاکستر، فسفرها، آب، ویتامین‌ها و سایر مواد معدنی هستند. طراحی فرمولاسیون خوراک برای بهینه‌سازی تبدیل خوراک در جهت افزایش تولید ماهی مهم و ضروری است. طراحی بهینه باعث به حداقل رساندن ضایعات ماهی می‌شود و ابزاری مؤثر برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است. غذای آبزیان در محدوده ترکیبی فوق می‌تواند به‌طور کامل از میکروجلبک‌ها تولید شود، اگرچه سایر فاکتورها از جمله جذابیت خوراک (مانند بو، طعم و مزه) و در دسترس بودن مواد غذایی نیز در رشد مؤثر است.

سختی زیاد دیواره سلولی بیشتر میکروجلبک‌ها برای هضم و جذب مواد مغذی درون سلولی به‌ویژه برای ماهی‌های گوشت‌خوار مضر است. بر اساس گزارشات، شکستن دیواره سلولی گونه‌های Chlorella vulgaris و Nannochloropsis gaditana می‌تواند باعث بهبود هضم مواد مغذی موجود توسط ماهی‌های آزاد و تجمع پروتئین و قابلیت هضم چربی در تیلاپیا گردد، اما ممکن است باعث آزاد شدن ترکیبات ضد تغذیه‌ای شود. شکست دیواره سلولی با استفاده از روش‌های مکانیکی، حرارتی، شیمیایی، آنزیمی یا اولتراسونیک میسر است، اما مزایای اضافه شده در اثر شکست دیواره سلولی باید با هزینه‌ها متعادل باشد.

در حال حاضر، هزینه‌های زیاد میکروجلبک‌ها در مقایسه با مواد تشکیل دهنده، استفاده آن‌ها را به‌عنوان موادغذایی برای تولید ماهی محدود می‌کند. با توجه به اینکه تولید جلبک‌ها گران است، استفاده از آن‌ها به‌عنوان مواد فرمول شده در خوراک آبزیان به استفاده از رویکردهای بیولوژیکی با بهره‌وری بالاتر تولید و کاهش بیشتر هزینه نیاز دارد. با این حال، طیف گسترده‌ای از رنگدانه‌ها، اسیدهای چرب، ویتامین‌ها، مواد معدنی و مواد فعال زیستی تولید شده توسط میکروجلبک، آن‌ها را به مواد افزودنی و مکمل‌های غذایی با ارزش در غذای آبزیان تبدیل می‌کند. به‌عنوان مثال میکروجلبک اسپرولینا ضمن کاهش ضایعات باعث تولید مواد مکمل افزایش‌دهنده‌ سرعت رشد، افزایش‌دهنده کیفیت گوشت و سلامت می‌شود.

رنگدانه‌ها

کارتنوئیدهای با ارزش، مانند بتاکارتن و آستاگزانتین به‌دلیل خاصیت آنتی‌اکسیدانی قوی در غذای آبزیان مورد استفاده قرار می‌گیرند که به‌طور چشمگیری باعث بهبود کیفیت و ارزش ماهی‌های پرورش یافته می‌شوند. میکروجلبک‌های Haematococcus pluvialis و Dunaliella salina مقادیر زیادی از بتاکارتن و آستاگزانتین طبیعی را تولید می‌کنند. در حال حاضر رنگدانه‌های ارزان تولید شده از محصولات پتروشیمی به‌عنوان افزودنی برای غذای آبزیان استفاده می‌شوند.

اسیدهای چرب امگا-3

محتوی چربی میکروجلبک‌ها به‌طور معمول شامل 20 الی 50 درصد وزن خشک آن‌هاست. گونه‌ها با بازدهی بالا شامل 20 الی 45 درصد از زنجیره‌های بلند اسیدهای چرب غیر اشباع هستند. با توجه به نقش اسیدهای چرب غیر اشباع در سلامتی، عملکرد قلبی عروقی، سلامت ایمنی و پیشگیری از بیماری‌های مزمن، مصرف روزانه 500 میلی‌گرم از این اسیدهای چرب اشباع نشده برای انسان توصیه شده است. میکروجلبک‌ها به‌عنوان یک پتانسیل بالقوه برای پاسخ‌دهی به افزایش تقاضای جهانی برای اسیدهای چرب امگا-3 شناخته شده‌اند. با این وجود برای پاسخ‌گویی به تقاضای رو به افزایش جهان به فناوری‌های پیشرفته تولید و پردازش با کیفیت بالا، برای حفظ فعالیت‌های بیولوژیکی اسیدهای چرب نیاز است.

سلامت و رشد حیوانات

بیماری‌های آبزیان ناشی از ویروس‌ها، باکتری‌ها و سایر عوامل بیماری‌زا نگرانی اصلی صنعت آبزی‌پروری است. بر اساس گزارش‌ها، خسارت‌های گسترده صنعت ناشی از بیماری‌ها بیش از شش میلیارد دلار در سال است. در پرورش میگو تلفات 40 درصدی در اثر بیماری‌های ویروسی و باکتریایی رخ می‌دهد. مدیریت بیماری به‌طور سنتی با استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها یا سایر مواد شیمیایی بوده است که قادر به درمان عفونت‌های ویروسی نیستند و می‌توانند مقاومت پاتوژن را افزایش بدهند. بدین منظور توسعه راه‌های درمانی با استفاده از ارگانیسم‌ها، فرصتی قابل توجه برای میکروجلبک‌ها فراهم می‌کند. گزارش شده است که برخی گونه‌های خاص میکروجلبک‌ حاوی سیستم ایمنی و ترکیبات ضد میکروبی خاص هستند که باعث افزایش مقاومت در برابر پاتوژن‌های آبزی می‌شود.

سیستم ایمنی طبیعی و محرک رشد

بسیاری از گونه‌ها و ترکیبات میکروجلبک، مانند استرول‌ها و اسیدهای چرب اشباع نشده دارای فعالیت ضد باکتریایی هستند که منجر به افزایش بقا می‌شوند. مکمل‌های غذایی Chlorella یا Euglena باعث بهبود عملکرد رشد و افزایش مقاومت در برابر باکتری‌های بیماری‌زا Aeromonas hydrophila می‌شوند. اسپیرولینا باعث افزایش ایمنی ماهی کپور در برابر Aeromonas hydrophila و ماهی تیلاپیا در برابر Pseudomonas fluorescence می‌شود. علاوه بر این افزودن Dunaliella salina به رژیم غذایی میگو آسیایی باعث افزایش میزان بقای آن‌ در مقابل ویروس‌ها شد و Dunaliella salina به‌عنوان کاندیدای جالب برای تولید سیستم‌های ایمنی خاص نوترکیب شناخته شد.

روش‌های درمانی نوترکیب

در سال‌های اخیر، میکروجلبک‌ها برای تولید مواد زیستی نوترکیب مانند محرک‌های سیستم ایمنی، واکسن‌ها، محرک رشد و عوامل ضد میکروبی برای انسان و حیوانات از نظر ژنتیکی مهندسی شده‌اند. استفاده از محصولات نوترکیب برای موارد درمانی به استخراج و خالص‌سازی نیاز دارد. مدیریت هزینه‌ها می‌تواند میکروجلبک‌ها را به یک منبع غذایی با ارزش با خاصیت درمانی تبدیل کند. علاوه بر این، آن‌ها نیاز به تزریق واکسن‌ در آبزیان که باعث استرس در آن‌ها و گاهی اوقات کاهش رشد می‌شود را، کاهش می‌دهند. در نتیجه زمینه وسیعی برای بهبود کیفیت خوراک درمانی آبزیان مبنی بر میکروجلبک‌ها وجود دارد.

آبزی‌پروری در آب‌های سبز

ماهی‌های آب‌های شیرین بزرگترین بخش آبزی‌پروری را شامل می‌شوند، بنابراین هدف مهمی برای آبزی‌پروری پایدار هستند. آبزی‌پروری در آب‌های سبز یک روش مؤثر کم‌هزینه است که در سراسر آسیای جنوب شرقی مورد استفاده قرار می‌گیرد. حوضچه‌های حاوی مواد مغذی باعث رشد جمعیت‌های میکروجلبک طبیعی و تلقیح شده با زیست‌توده غنی از مواد مغذی می‌شوند.

در مقایسه با آبزی‌پروری در آب شفاف، استخرهای آب سبز مهار زیادی از عوامل بیماری‌زا ماهی و میگو را نشان داده‌اند. پرورش میگوهای آسیایی در آب‌های سبز باعث افزایش رشد آن‌ها می‌شود. به نظر می‌رسد از مزایای آب سبز تهیه خوراک با کیفیت بالا است که با ایجاد اکوسیستم‌های سالم باعث جلوگیری از تکثیر پاتوژن‌ها و سرکوب بیماری‌ها می‌شوند. تخمین زده می‌شود که 30 درصد از تولید جهانی تیلاپیا با استفاده از غذای طبیعی تأمین می‌شود. مقدار مصرف میکروجلبک در آب‌های سبز سالیانه 240 میلیون تن بر اساس وزن تازه تخمین زده می‌شود.

سیستم‌های آبزی‌پروری چند منظوره

توسعه برنامه‌های کاربردی آب سبز با هدف ایجاد سیستم‌های آبزی‌پروری یکپارچه و چندمنظوره است که بتواند پایداری اقتصادی و زیست‌محیطی از طریق کشت با ارگانیسم‌ها در سطوح مختلف را فراهم کند. این ارگانیسم‌ها توسط جریان مواد مغذی مدور در سیستم‎‌های بسته حمایت می‌شوند و باعث بازیافت آب و تصفیه پسماند که هزینه‌های قابل توجهی در صنعت آبزی‌پروری ایجاد می‌کنند، می‌شوند. ادغام آبزی‌پروری با کشاورزی سنتی در مقیاس بزرگ ممکن است این مزایا در سطح جهانی را گسترش دهد و از یک اقتصاد پایدار حمایت کند.

فناوری biofloc در خوراک آبی

با استفاده از اصول کشت در آب سبز، فناوری biofloc با استفاده از روش پیشرفته برای تولید پایدار محصولات با ارزش مورد استفاده در مواد غذایی آبزیان به سرعت نمایان می‌شود. به‌طور معمول برای کشت در فوتوبیوراکتورهای بسته، تأمین‌کنندگان تجاری در حال پیشبرد درک اکوسیستم‌های میکروبی مورد نیاز برای تهیه روش‌های دقیق در جهت تولید خوراک‌های میکروبی دریایی از نوع biofloc هستند. محصولات حاصل از این فرایند شامل مکمل‌هایی برای رشد ماهی سالمون، باراموندی، میگو و صدف است. طبق گزارشات این مکمل‌ها باعث افزایش رشد میگو تا 50 درصد در مقایسه با رژیم غذایی استاندارد می‌شود.

نتیجه‌گیری

با توجه به گسترش سریع صنعت آبزی‌پروری، راه‌حل‌های پایدار برای توسعه خوراک آبزیان که باعث توسعه اقتصاد زیستی گردد ضروری است. میکروجلبک‌ها به‌دلیل دارا بودن اسید آمینه‌های ضروری، اسیدهای چرب امگا-3، رنگدانه‌ها و آنتی‌اکسیدان‌ها منبع مهمی برای تغذیه ماهی‌ها به شمار می‌آیند. تولید خوراک آبزیان از میکروجلبک‌ها پتانسیل جایگزینی کامل برای غذای ماهی‌ها را دارد اما در حال حاضر از نظر صنعتی یک منبع ناپایدار است. بنابر گزارش‌ها، جایگزینی کامل غذای ماهی‌ها با میکروجلبک‌ها به 30 میلیارد دلار سرمایه و 111 هزار هکتار زمین نیاز دارد. تجزیه و تحلیل استفاده از میکروجلبک‌ها به‌عنوان خوراک سلولی کامل، خوراک فرموله شده، مکمل‌های رشد و سلامتی حیوانات و سیستم‌های درمانی آبزیان و همچنین خوراک‌های مبنی بر biofloc فرصت‌های قابل توجهی برای میکروجلبک‌ها به‌عنوان نقش اصلی در انقلاب آبزیان و کاهش اثرات محیطی آن از جمله نابودی زیستگاه، آلودگی آب، کاهش گونه‌های زیستی، اثرات زیست‌محیطی و شیوع بیماری‌ها ایجاد می‌کند. با این حال پیشرفت‌های اساسی برای ایجاد مجموعه‌های در حال گسترش میکروجلبک برای اهداف اصلاح نژاد، ترتیب توالی ژنوم‌ آن‌ها، شناسایی گونه‌ها و توسعه سیستم‌هایی برای تولید محصولات چند منظوره نیاز است.

کاهش قابل توجه هزینه‌ها از طریق کشف یا مهندسی فناوری‌های کم‌هزینه و گونه‌های مغذی با قابلیت هضم زیاد و توسعه رویکردهای بیولوژیکی برای به حداکثر رساندن ارزش زیست‌توده میکروجلبک، امکان پذیرش بازار از خوراک‌های آبزیان مبتنی بر میکروجلبک را فراهم می‌کند.