Umwandlung überschüssiger Nährstoffe in eutrophen Küstengewässern in Meeresprotein für Futtermittel

von Daniel Taylor und Jens Kjerulf Petersen, Dänisches Muschelzentrum, DTU-Aqua, Dänemark

Eutrophierung und der Kampf gegen den Nährstoffverlust

Die Bevölkerungsdichte und die Nutzung des Landes für den Anbau von Nahrungsmitteln haben in den Küstenregionen im letzten Jahrhundert zugenommen. Diese Intensivierung hat die biologischen und chemischen Prozesse in Küstenökosystemen durch eine Zunahme des Nährstoffflusses dramatisch beeinflusst, hauptsächlich Stickstoff und Phosphor, vom Land und der Atmosphäre bis zum Meer.

Im Wesentlichen, je mehr das Land ernährt (gedüngt) wird und je mehr wir uns selbst ernähren (Nahrung plus Treibstoffe), je mehr wir Küstengewässer mit Nährstoffen versorgen, die durch landwirtschaftliche Abflüsse verursacht werden, Abwasser, und atmosphärische Ablagerungen.

Wenn die Küstengewässer überanreichert werden, biologische Funktionsveränderungen mit oft langfristigen Folgen. Eines von vielen Symptomen ist das erhöhte Wachstum und die Konzentration von Phytoplankton (einzellige Pflanzen).

Angereicherte Gewässer können durch Phytoplankton-Wachstum so produktiv werden, dass das Sonnenlicht nicht ausreichend tief reicht, um das Wasserpflanzenleben am Meeresboden zu unterstützen und wertvolle Pflanzenlebensräume wie Seegraswiesen verloren gehen. Ein weiterer Anstieg der Phytoplanktonkonzentration kann zu Sauerstoffmangel führen, wenn tote Phytoplanktonzellen auf dem Meeresboden zerfallen.

In den letzten Jahrzehnten hat Die Verbesserung der Qualität der Küstengewässer war in vielen Regionen der Welt ein Schwerpunkt der Politikentwicklung. Bei der Umsetzung dieser Politik wurden beeindruckende Erfolge erzielt, insbesondere bei der Verbesserung der Abwasserbehandlung.

Nichtsdestotrotz, viele Küstengewässer, wie in Nordeuropa, einschließlich der eigentlichen Ostsee, gelten immer noch als stark von übermäßigem Nährstoffabfluss betroffen und werden dies wahrscheinlich auch in den kommenden Jahren sein.

Stickstoffeinträge in Küstengewässer stammen aus Punktquellen (z. B. Wasseraufbereitungsanlagen, Fischfarmen), nicht punktförmige/diffuse Quellen (z. B. landwirtschaftliche Flächen, Grundwasserableitung), oder atmosphärisch (zB verflüchtigter Ammoniak oder Verbrennungsnebenproduktabsorption).

Nach Änderungen und Verbesserungen der Wasserqualitätsmanagementprogramme, diffuse Nährstoffquellen sind die bedeutendsten. Behandlungsmethoden, die darauf abzielen, den Nährstoffeintrag in Küstengewässer zu minimieren, werden häufig eingesetzt.

Klassische Beispiele für solche Behandlungsmethoden sind die Einschränkung des Düngemitteleinsatzes, konstruierte Feuchtgebiete, Absetzbecken, vegetative Uferpufferzonen; und neuerdings, Systeme der "Präzisionslandwirtschaft".

Obwohl bei der Verringerung des Nährstoffflusses in die Küstengewässer große Fortschritte erzielt wurden, die Effizienz der weiteren Umsetzung lässt schnell nach und ist auch oft teurer in der Umsetzung.

Außerdem, Jahrzehntelange Anreicherung hat ein Erbe einer verbesserten Anreicherung von Meeresbodensedimenten, die durch mehrere Prozesse eine dauerhafte Nährstoffquelle sein wird (als "innere Belastung" bezeichnet), und kann nur in der aquatischen Umwelt gemildert werden.

Mitigation Muscheln

Ein innovatives Mittel zur Minderung der Nährstoffanreicherung in Küstengewässern besteht darin, einen Teil der Küstenbiologie zu nutzen – die Wasserfilterung von Muscheln. Miesmuscheln, Austern, Venusmuscheln, und andere Muscheln ernähren sich, indem sie Partikel aus dem Wasser filtern; Phytoplankton ist eine Hauptnahrungsquelle für diese Tiere.

Die aktive Kultivierung von Muscheln und der Fokus auf die Wiederherstellung von Muschelriffen haben die Filtrationswirkung dieser Populationen gezeigt. Standardmuschelfarmen können Hunderttausende Kubikmeter pro Stunde filtern. Phytoplankton und organisches Material werden im Muschelkörper assimiliert oder an den Sedimenten immobilisiert, einen erheblichen Teil der Nährstoffe in angereichertem Wasser einfangen.

Zahlreiche Forscher haben in den letzten Jahrzehnten viel Arbeit investiert, um die von Muscheln erbrachten "Ökosystemleistungen" zu analysieren. hauptsächlich in den USA und Nordeuropa. Über ein Jahrzehnt Konzeptualisierung und Forschung am Danish Shellfish Centre (DSC) - einer Sektion innerhalb der DTU Aqua, Technische Universität Dänemark – hat sich auf die Nutzung der Muschelfiltration im aktiven Anbau als intensiven Mechanismus zur Reduzierung des Ausmaßes eutropher Bedingungen in den westlichen Ostseegewässern konzentriert; als „Mitigation Muschelkultur“ bezeichnet.

Durch das Ernten der Muscheln, die Nährstoffe, die zuerst vom Phytoplankton aufgenommen und dann in Muschelbiomasse umgewandelt werden, werden aus dem Ökosystem entfernt. Verwendung von Anbautechniken, die aus der konventionellen Muschelaquakulturindustrie adaptiert wurden, in Zielregionen können hohe Muscheldichten angebaut werden, mit dem Potenzial, pro Ernte mehrere Tonnen Nährstoffe aus den Küstengewässern zu entfernen (Petersen et al. 2019).

Dieser Modus dient auch dazu, eine große Anzahl von Muschellarven zu verwerten, die normalerweise als Zooplankton verzehrt werden oder sich nicht ansiedeln. Während Aquakulturmuscheln (die auf Tellern auftauchen) diesen Service auch bieten, „Mitigation Miesmuscheln“ werden in der Regel mit minimaler Manipulation und in einer kürzeren Wachstumszeit geerntet, um die Kosten zu senken und das Nährstoffextraktionspotenzial zu maximieren – sie sind in der Regel erheblich kleiner als die Muscheln, die auf dem Markt oder in Restaurants zu finden sind.

Als nährstoffmindernde Maßnahme Der Miesmuschelanbau wurde in die Pläne für zukünftige Bemühungen um einen guten ökologischen Zustand in dänischen Küstengewässern aufgenommen. In Dänemark, ein vorgeschlagenes Ziel ist es, 100 zu ernten, 000 Tonnen Mitigation Miesmuscheln jährlich, was zur Entfernung von 1-2 führt, 000 Tonnen Stickstoff, entsprechend 8-15 Prozent[JKP1] des nationalen Reduktionsbedarfs in Dänemark.

Mitigation Muschelmahlzeiten:Rückgabe verlorener Nährstoffe

Wie passen Aquafeeds und andere Formen der Aquakultur in diese Gleichung? Das Konzept der Integration von Filtrierern, wie Muscheln, in die Produktion von höher trophischen Arten wurde von vielen populär gemacht, oft als „integrierte multitrophe Aquakultur“ oder genauer als „multitrophe Aquakultur“ bezeichnet.

Als Nährstoffquelle, jedoch, In den meisten Ländern trägt dies im Verhältnis zu der größeren Küstenbelastung durch die Küsten nur eine vernachlässigbare Menge an Nährstoffen bei.

Da Minderungsmuscheln in der Regel kleiner und weniger einheitlich sind als solche, die für den menschlichen Verzehr gezüchtet werden, die Herstellung von Futtermehlen war der attraktivste Verwertungsweg. Die wachsende Nachfrage nach Proteinquellen für Futtermittel mit ausgewogenen Aminosäureprofilen hat eine erweiterte Erzeugung und Einbeziehung von Fischmehlalternativen erforderlich gemacht.

Aus Miesmuscheln hergestellte Gerichte haben im Allgemeinen ähnliche Aminosäureprofile wie Fischmehle (Jönsson und Elwinger, 2009), mit einem Gesamtrohproteingehalt von 65-71 Prozent. Konzentrationen von Aminosäuren, die typischerweise in Ersatznahrungen ergänzt werden müssen, wie Methionin und Taurin, ähneln Fischmehlprofilen (Árnason et al., 2015).

Muschelgewebe enthalten wichtige Pigmente und Antioxidantien, einschließlich Mytiloxanthin, ein für Schalentiere einzigartiges Pigment, welches Astaxanthin bei der Hydroxylbindung übertrifft (Maoka et al., 2016). Außerdem, Vollfett-Muschelmahlzeiten weisen attraktive Anteile an LC-PUFAs wie DHA, Datenschutz, und EPA (Árnason et al., 2015).

In der landwirtschaftlichen Haltungsdiät, hohe Aufnahmequoten haben positive Auswirkungen auf Legehennen gezeigt (Afrose et al. 2016), und Verdaulichkeit in Schweinefutter (Nørgaard et al., 2015).

Eine begrenzte Anzahl von Studien an Flossenfischarten hat eine hohe Verdaulichkeit von Saiblingen (Salvelinus alpinus) und Eurasischen Barschen (Perca fluvialtilis) gezeigt (Langeland et al., 2016), sowie erhöhte Schmackhaftigkeit in Fleischfresser-Diäten mit hohem Pflanzeneinschluss (Nagel et al., 2014). Interessant, die biochemische Zusammensetzung von Muschelgewebe kann durch die lokalen Wachstumsbedingungen beeinflusst werden, aufgrund unterschiedlicher Bestandteile der Phytoplanktongemeinschaft (Pleissner et al., 2012), sowie Fortpflanzungszustand; da Glykogenkonzentrationen und Carotinoidpigmente unmittelbar vor dem Laichen ansteigen.

Die Bestimmung unterschiedlicher Zusammensetzungsmuster in der Zukunft kann Möglichkeiten für bestimmte Mahlzeiten bieten; jedoch, dies erfordert weitere Untersuchungen, vorausgesetzt, dass bei einer groß angelegten Produktion von Mahlzeiten wahrscheinlich Material von mehreren Standorten und zu verschiedenen Zeiten gemischt wird.

Miesmuscheln, in der Minderungskultur, stellen daher eine attraktive Proteinquelle dar, da sie Phytoplankton, das bereits im Überfluss in der Umwelt vorhanden ist (null gesteuerter Futtermitteleinsatz), assimilieren und gleichzeitig positive ökologische Rückkopplungen bieten. Solche Rückkopplungen (Ökosystemleistungen) in anderen Minderungsmechanismen werden weitgehend durch direkte finanzielle Unterstützung oder Kostenausgleichsprogramme kompensiert. Im Wesentlichen, „verlorene“ Nährstoffe wieder in das Ernährungssystem zurückzuführen und dabei die lokale Umwelt zu verbessern.

Nichtsdestotrotz, wie jede gute geschichte, es stehen Herausforderungen bevor. Eine erweiterte Produktion von Mitigationsmuscheln erfordert eine Optimierung der Nährstoffgewinnung auf begrenztem Raum, die auch Konflikte mit anderen Nutzungen von Küstengewässern und Eigeninteressen an der Meereslandschaft minimiert.

Auch die natürliche Umgebung kann Expansionshindernisse darstellen:ob hydrodynamische Bedingungen geeignet sind, natürliche Muschelansiedlung ist ausreichend, und Raubtierdruck (zB Eiderenten) sind überschaubar. In politischen Kreisen, von lokal bis regional, Die Bestimmung, wie und wo mit Nährstoffen umgegangen werden soll, wird durch eine Vielzahl von Perspektiven geprägt.

Da dieser Mechanismus darauf abzielt, Nährstoffe bereits in der Meeresumwelt zu reduzieren, Mitigation Miesmuschelkultur soll bestehende Nährstoffmanagementprogramme ergänzen, und dieses Konzept ist ein ständiger Diskussionspunkt.

Zuletzt, und was für die Wirtschaftlichkeit unabdingbar ist, Die Verarbeitung von Muschelmehl und die Rationalisierung der Produktion werden weitere Innovationen erfordern. Die Herausforderungen bei der Verarbeitung von Mitigationsmuscheln in ein Mehl wurzeln in der Hochdurchsatz-Trennung der Schale vom Gewebe vor der anschließenden Mehlproduktion.

Herkömmliche Dampf- und Vibrationstrennverfahren sind relativ teuer, während alternative Verfahren des „Entsaftens“ oder einer anderen Form der Trennung ohne vorheriges Ausschließen der Schale im Allgemeinen zu Mehlen mit hohem Aschegehalt aus zurückbehaltenen Schalenteilen führen.

Aktuelle Forschung

Vor kurzem, zwei von DSC verwaltete Projekte wurden finanziert, um Optimierungstechniken zur Maximierung der Nährstoffextraktion in Minderungseinheiten zu bewerten und gleichzeitig ihre ökologischen Auswirkungen zu dokumentieren.

Das Projekt BONUS OPTIMUS hat ein Forschungskonsortium aus vier Ländern und neun Partnern zur Entwicklung einer Minderungskultur in der westlichen Ostsee für die anschließende Produktion von Muschelmehl als Fischmehlalternative zusammengeführt.

Fütterungsversuche, die in OPTIMUS durchgeführt wurden, umfassen den Ersatz in Salmonidenfutter. Das staatlich geförderte Projekt, MuMiPro, bringt 15 Partner zusammen, die optimale Anbautechniken in eutrophen dänischen Gewässern für die großtechnische Produktion von Bio-Muschelmehl evaluieren.

Das Ziel beider Projekte ist es, Mittel aufzuzeigen, mit denen Minderungsmuscheln produziert werden können, die ihren positiven ökologischen Fußabdruck zu einem wirtschaftlich vertretbaren Preis maximieren. Dazu gehört die Weiterentwicklung der Verarbeitung von Muschelmehlen für Tierfutter, und letztendlich der wachstumsstarke Aquafeed-Markt.

Die Erprobung und Optimierung alternativer Verarbeitungstechniken wird derzeit im Projekt MuMiPro untersucht. Die Kombination aus Aufrechterhaltung eines guten Nährwertprofils und Minimierung der Verarbeitungskosten finden, wie alle anderen Aquafeed-Zutaten, ist ein sich ständig weiterentwickelnder Prozess.

Die kombinierten Ziele dieser beiden Projekte bestehen darin, die Entwicklung von Miesmuschelkulturen als Mittel zur Nährstoffminderung und Verarbeitungstechniken für ein hochwertiges Mehl voranzutreiben.