Effect of light on ex situ production of symbiotic corals

Abstract

The increasing interest in coral culture for biotechnological applications, to supply the marine aquarium trade, or for reef restoration programs, has prompted researchers to optimize coral culture protocols, with emphasis to ex situ production. When cultured ex situ, the growth performance of corals can be influenced by several physical, chemical and biological parameters. For corals harbouring zooxanthellae, light is one of such key factors, as it can influence the photosynthetic performance of these endosymbionts, as well as coral physiology, survival and growth. The economic feasibility of ex situ coral aquaculture is strongly dependent on production costs, namely those associated with the energetic needs directly resulting from the use of artificial lighting systems. In the present study we developed a versatile modular culture system for experimental coral production ex situ, assembled solely using materials and equipment readily available from suppliers all over the world; this approach allows researchers from different institutions to perform truly replicated experimental set-ups, with the possibility to directly compare experimental results. Afterwards, we aimed to evaluate the effect of contrasting Photosynthetically Active Radiation (PAR) levels, and light spectra emission on zooxanthellae photochemical performance, through the evaluation of the maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm) (monitored non-invasively and non-destructively through Pulse Amplitude Modulation fluorometry, PAM), chlorophyll a content (also determined non-destructively by using the spectral reflectance index Normalized Difference Vegetation Index, NDVI), photosynthetic and accessory pigments, number of zooxanthellae, coral survival and growth. We studied two soft coral species, Sarcophyton cf. glaucum and Sinularia flexibilis, as they are good representatives of two of the most specious genera in family Alcyoniidae, which include several species with interest for biotechnological applications, as well as for the marine aquarium trade; we also studied two commercially important scleractinian corals: Acropora formosa and Stylophora pistillata. We used different light sources: hydrargyrum quartz iodide (HQI) lamps with different light color temperatures, T5 fluorescent lamps, Light Emitting Plasma (LEP) and Light Emitting Diode (LED). The results achieved revealed that keeping S. flexibilis fragments under the same light conditions as their mother colonies seems to be photobiologically acceptable for a short-term husbandry, notwithstanding the fact that they can be successfully stocked at lower PAR intensities. We also proved that low PAR intensities are suitable to support the ex situ culture S. cf. glaucum in captivity at lower production costs, since the survival recorded during the experiment was 100%, the physiological wellness of coral fragments was evidenced, and we did not detect significant differences in coral growth. Finally, we concluded that blue light sources, such as LED lighting, allow a higher growth for A. formosa and S. pistillata, and promote significant differences on microstructure organization and macrostructure morphometry in coral skeletons; these findings may have potential applications as bone graft substitutes for veterinary and/or other medical uses. Thus, LED technology seems to be a promising option for scleractinian corals aquaculture ex situ.

O potencial dos corais como espécies emergentes com interesse para a aquacultura evidencia-se pela sua possível comercialização em três segmentos de mercado: a) aplicações biotecnológicas para pesquisa e exploração de novos compostos bioativos, b) aquariofilia marinha, e c) restauração de recifes de coral. Deste modo, o crescente interesse na aquacultura de corais conduziu a um esforço da comunidade científica para otimizar protocolos de cultivo, nomeadamente cultivo ex situ. O desempenho dos corais cultivados ex situ, em sistemas fechados com recirculação, pode ser afetado por diversos fatores físicos, químicos e biológicos. A iluminação representa um fator chave para o cultivo de corais que se caraterizem por um modo de vida em simbiose com dinoflagelados fotossintéticos (zooxantelas), uma vez que este fator influencia diretamente o desempenho destes endossimbiontes e, consequentemente, a fisiologia e crescimento do coral hospedeiro. A viabilidade económica de uma exploração aquícola está dependente do equilíbrio entre receitas e custos de produção, sendo que no caso do cultivo ex situ de corais, o custo relacionado com a utilização de sistemas de iluminação artificial influencia de forma preponderante o custo total de produção. No presente trabalho foi desenvolvido um sistema modular e versátil para o cultivo experimental de corais, recorrendo unicamente a materiais e equipamentos disponíveis no mercado á escala global; a utilização generalizada deste sistema permitirá a execução de desenhos experimentais estatisticamente robustos, bem como comparar de forma direta os resultados obtidos por diferentes equipas de investigação. Posteriormente foi avaliado o efeito de diferentes níveis de radiação fotossintética ativa (PAR – “Photosynthetically Active Radiation”), bem como diferentes espetros de emissão (comprimento de onda), na atividade fotossintética dos endossimbiontes (zooxantelas) de corais, recorrendo ao métodos não invasivo e não destrutivo designado como Fluorometria de Pulso Modulado (PAM – “Pulse Amplitude Modulation fluorometry”), para avaliar a eficiência fotoquímica do fotossistema II (Fv/Fm). Avaliou-se a concentração de clorofila a de forma indireta, através do cálculo do índice NDVI (“Normalized Difference Vegetation Index”) que resulta da reflectância espectral obtida de forma não invasiva e não destrutiva; para além do método mencionado realizaram-se análises para obtenção da concentração de pigmentos fotossintéticos e acessórios. Por fim, avaliou-se o efeito da luz na taxa de crescimento e percentagem de sobrevivência das espécies de corais estudadas. As variáveis independentes estudadas foram as diferentes fontes de iluminação artificial utilizadas para cultivo ex situ de corais, nomeadamente: lâmpadas de halogeneto metálico (HQI – “hydrargyrum quartz iodide”) com diferentes temperaturas de cor, lâmpadas T5 fluorescentes, lâmpadas de plasma (LEP – “Light Emitting Plasma”) e lâmpadas de LED (“Light Emitting Diode”). Estudaram-se duas espécies de corais moles, Sarcophyton cf. glaucum e Sinularia flexibilis, que representam dois dos géneros com mais espécies na família Alcyoniidae, onde se incluem numerosas espécies com interesse para a biotecnologia marinha e para o mercado da aquariofilia marinha; foram igualmente estudadas duas espécies de corais duros, Acropora formosa e Stylophora pistillata, comercialmente importantes para o mercado da aquariofilia marinha, e relevantes para ações de repovoamento nos recifes de coral. Demonstrámos através dos resultados das diferentes experiências realizadas, que a cicatrização e recuperação de fragmentos de S. flexibilis mantidos após fragmentação nas mesmas condições luminosas das colónias mãe dos fragmentos são aceitáveis, embora possam igualmente ser mantidos com sucesso em regimes luminosos com uma menor intensidade do valor de PAR. Ficou também demonstrado que o cultivo do coral S. cf. glaucum em regimes luminosos com uma baixa intensidade do valor de PAR é biologicamente viável, o que permite uma redução acentuada nos custos de produção associados á iluminação artificial. Finalmente, concluiu-se que a utilização de sistemas de iluminação que emitam nos comprimentos de onda na faixa de radiação azul proporciona taxas de crescimento mais elevadas aos corais A. formosa e S. pistillata, para além de promover alterações ao nível da organização das micro e macroestruturas que integram os exosqueletos destes corais, referidos como um biomaterial com potencial para aplicação biomédica em implantes ósseos ou reconstrução maxilo-facial. Ficou também provado neste estudo, que as novas tecnologias de iluminação (LED) são bastante promissoras para o cultivo ex situ de corais.