Kulturorganismen
Im Rahmen der am AWI durchgeführten Aquakulturforschung wird auch die Eignung verschiedener Aquakulturkandidaten biologisch untersucht. Für eine Umsetzung der Offshore Aquakultur in der Deutschen Bucht werden ausschließlich in der Nordsee heimische Arten ausgewählt und sind Gegenstand unserer Forschung.
Makroalgen
Als sogenannte “extraktive Spezies” werden auch Makroalgen untersucht, die gelöste Stoffe aus dem Wasserkörper entnehmen. Makroalgen haben in asiatischen Ländern eine lange Tradition in der Aquakultur und sind als hochwertige Lebensmittel bekannt. Der Markt in Europa muss sich in diesem Bereich erst noch entwickeln, vegetarische und vegane Ernährungsbewegungen bedeuten aber erhebliches Potenzial für Algenprodukte. Im Rahmen unserer Forschung werden hauptsächlich Zuckertang (Saccharina latissima) aus der Gruppe der Braunalgen, sowie Lappentang (Palmaria palmata) als essbare Rotalge untersucht. Darüber hinaus enthalten Algen eine Vielzahl an Naturstoffen, biochemischen Verbindungen und Molekülgruppen die auch für die medizinisch-pharmazeutische Forschung relevant sind und für die Aquakulturproduktion einen zusätzlich Mehrwert bedeuten.
Ulva spp. sind essbare grüne Algen, die in Lebensmitteln, Futtermitteln, Biomaterialien und Biostimulanzien verwendet werden. Das Interesse an der Kultivierung von Ulva wächst in Europa, aber es bleibt noch viel zu tun, um die Skalierung und Verarbeitung, die Stammauswahl, die Kontrolle der Reproduktion und die Optimierung der funktionellen Eigenschaften zu verbessern. Am AWI nutzen wir diese Art als Materialquelle für biologisch abbaubare Verpackungen, identifizieren Stämme, die sich für den landbasierte Kultivierung eignen, und optimieren ihre funktionalen Eigenschaften.
Die weltweite größte Produktion von marinen Organismen stellt die Gruppe der aquatischen Pflanzen dar. Der Zuckertang (Saccharina latissima) ist eine Braunalge, die zahlreiche, wertvolle Produkte liefert, wie z.B. Phykokolloide, die als Emulgatoren und Stabilisatoren in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie eingesetzt werden. Darüber hinaus werden sie zur Abwasserbehandlung und Nährstoffrückgewinnung von Abwässern in integrierten Aquakulturanlagen (z.B. IMTA) eingesetzt. In Deutschland wird neben Pilotprojekten auf Forschungsebene Zuckertang mit Hilfe einer extensiven Off-Bottom-Langleinentechnik in der Ostsee gezüchtet sowie in Tanks in der Nordsee.
Der Lappentang ist eine essbare Rotalge (Rhodophyta) aus dem oberen Sublitoral der Gesteinsküsten des Atlantiks von Grönland bis Portugal und der Nordsee. Er wird traditionell in Frankreich, Irland, Island und Kanada getrocknet gegessen und ist eine Quelle für Mineralien, Vitamine, Antioxidantien und Jod.
Die Rotalge pflanzt sich über Sporen fort. In der Aquakultur ist aber die vegetative Fortpflanzung weit verbreitet, wobei aus dem verzweigten Thallus apikale Spitzen zur Anzucht neuer Thalli genutzt werden können. Palmaria palmata lässt sich sehr gut in Tankkultur mit Luftzufuhr zur Umwälzung hältern. In Irland wird die Rotalge nach Aussaat von Sporen auf Seilen oder direkt auf den Seilen befestigt im Meer gezüchtet.
P. palmata ist nachgewiesen ein guter Kandidat für integrierte multi-trophische Aquakultur (IMTA). Im Projekt Offshore Site Selection zeigte der Lappentang spezifische Wachstumsraten (SGR) von 5->6 % d-1, bei 16 Stunden Tageslicht und konstanter Strahlung in Co-Kultur mit Steinbutt. Die Rotalge hat auch einen relativ hohen Proteingehalt (bis zu 21 % der Trockenmasse), was durch den Anbau in integrierter Aquakultur erhöht werden kann. P. palmata benötigt einen Standort mit Strömungsgeschwindigkeiten um 5-10 cm s-1 für optimalen Nährstoff- und CO2-Austausch über die Oberfläche der Thalli, sowie zur Verminderung von Aufwuchs. In starken Strömungen werden die Thalli von Makroalgen schlanker, was das Algen:Volumen-Verhältnis beeinflusst und daher die Nährstoffaufnahme und das Wachstum. Bei der Offshore-Standortwahl für den Anbau von Lappentang sind daher Wellenexposition und Strömungsgeschwindigkeiten zu berücksichtigen um optimale Wachstumsbedingungen zu erreichen und um den Verlust von Biomasse zu reduzieren.
Ein weiterer limitierender Faktor für das Wachstum von P. palmata in der Deutschen Bucht sind die relativ hohen Wassertemperaturen im Sommer. Der Lappentang verträgt keine Temperaturen oberhalb von 19-22°C, je nach Sub-Population. Bei 16,5 ° C wächst der Lappentang nur noch 2,2 % d-1. Optimales Wachstum von P. palmata wird bei Temperaturen zwischen 6 ° und 12 ° C erzielt. Der Lappentang wird ab einer Länge von 30-40 cm geerntet.
Gracilaria sp. ist eine Agar-produzierende Rotalge, die in tropischen Regionen häufig wegen ihres Agars angebaut wird. Ihre schnelles, vegetatives Wachstum macht sie zu einem idealen Kandidaten für die Aquakultur. Am AWI kultivieren wir diese Meeresalge als Rohstoff für biologisch abbaubare Verpackungen.
Mollusken
Im Fokus stehen auch extraktive Organismen aus der Gruppe der Weichtiere (Mollusca) wie Miesmuschel (Mytilus edulis), Europäische Auster (Ostrea edulis) und Pazifische Auster (Crassostrea gigas), die durch ihre filtrierende Lebensweise Plankton und partikuläres organisches Material aus der Wassersäule entnehmen und als Nahrung verwerten. Sie müssen als Aquakulturorganismus nicht gefüttert werden und tragen durch Bioextraktion zu einer Verringerung der organischen Partikel im Wasser bei.
Die Miesmuschel (Mytilus edulis) ist in gemäßigten Regionen weit verbreitet. Sie besetzt ästuare Brackwasserbereiche, Gezeitenzonen im Schlicksandbereich und an Gesteinsküsten sowie marine Offshorebereiche. Miesmuscheln ernähren sich filtrierend von Phytoplankton und sind daher auch in Bereichen mit erhöhtem Nährstoffeintrag zu finden. In der Deutschen Bucht formen sie große Miesmuschelbänke, die als eigenes Ökosystem bzw. als Biozönose angesehen werden, da viele andere Organismen die Miesmuschelbank als Lebensraum nutzen.
Die Grünlipp-Muschel (Perna canaliculus) ist eine in Neuseelands Küstengewässern und Fjorden endemische Art der Bivalvier. Die konzentrisch angelegte, grüne Muschelschale gibt ihr den Namen. Sie kann eine Größe von bis zu 20 cm erreichen, hält sich mit Byssusfäden an Hartsubstraten fest und ist darüber hinaus ein Hauptexport-Produkt der Neuseeländischen Seafood-Industrie. Sie wird mit bis zu 150.000-180.000 t/Jahr an Hängekulturen (Langleinen) gezüchtet, wobei die Zuchtmethoden, die Ernten und die extra dafür designten Schiffe die modernste Muschelkultur der Welt darstellen.
Die Europäische Auster (Ostrea edulis) war einst ein weit verbreiteter Organismus der Nordseegebiete und gilt heute in weiten Bereichen, wie auch in der Deutschen Bucht, als ausgestorben. Die Auster ist als gefährdete Art der OSPAR Kommission eingestuft und nur noch in kleinen Beständen um Irland, England und Dänemark, Norwegen vertreten. Aufgrund ihres langsamen Wachstums und ihrer geringeren Robustheit ist diese Art für die Aquakultur eine Herausforderung. Jedoch erzielt die Art auf dem Markt deutlich höhere Preise als andere Austernarten und ist extrem nachgefragt.
Weiterhin könnte die nachhaltige Produktion helfen Individuen dieser Art in großer Zahl zu produzieren um auch Wiederansiedlungsprojekte langfristig zu unterstützen.
Die Pazifische Auster (Crassostrea gigas) wurde in den 1960er Jahren im Rahmen holländischer Besatzmaßnahmen, als Ausgleich für den Rückgang der Europäischen Auster, in die Nordsee eingeführt und ist inzwischen weit verbreitet. Die Art zeichnet sich durch schnelles Wachstum über einen weiten Temperaturbereich und eine große Robustheit z.B. gegenüber Infektionskrankheiten aus. Sie ist die am meisten produzierte Austernart auf der Welt.
Fische
Aus der Gruppe der intensiven Aquakulturkandidaten, Organismen die gefüttert werden müssen, werden drei in der Nordsee vertretene Fischarten Steinbutt (Scophthalmus maximus), Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax) und Kabeljau (Gadus morhua) auf ihre biologische Eignung untersucht. Um ihr Potential für die Offshore Aquakultur festzustellen werden bei den ausgewählten Organismen Parameter wie Wachstum, physiologische Fitness, biochemischer Gesamtzustand und Konditionsindices untersucht. Weiterhin werden z.B. Filtrationsleistung oder Assimilationsraten gemessen, um eine Einbindung in integrierte multitrophische Aquakultursysteme (IMTA) zu bewerten.
Der Steinbutt (Scophthalmus maximus) ist einer der wertvollsten Speisefische des Nordostatlantiks. Seit den 90er Jahren sind intensive Produktionsmethoden für alle Phasen des Lebens dieser Art bekannt. Die Zucht findet vor allem in landbasierten Rezirkulationssystemen in hohen Besatzdichten statt. Die Kultur in Oberflächen-Käfigen oder Tauchkäfigen wurde erfolgreich bei moderaten Strömungsgeschwindigkeiten und relativ konstanter Temperatur demonstriert. Da die Wachstumsrate des Steinbutts unter 14 ° C und über 20 ° C stark abnimmt, ermöglichen die Temperaturen in der deutschen Bucht keine ganzjährige Zucht. Darüber hinaus reagiert diese Art empfindlich auf starke Tidenstörmungen von bis zu 1,2 ms-1, was eine wichtige Rolle für die Standortwahl in der Deutschen Bucht spielt.
Der Europäische Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax) ist eine gut etablierte Art in der Aquakultur und mit einer Produktion von über 60.000 Tonnen pro Jahr einer der europaweit am meisten kultivierten Meeresfischarten. Die Zucht findet überwiegend in Oberflächenkäfigen in ruhigen Gebieten des Mittelmeeres statt. Eine erfolgreiche Aufzucht gelang aber auch unter mehr exponierten Bedingungen in flexiblen Käfigen. Da der Wolfsbarsch eine physocliste Art ist, in denen die Schwimmblase geschlossen ist und ein Druckausgleich nur durch langsamen Gasaustausch möglich ist, benötigt der Aufstieg und das Absenken des Käfigs ausreichend Pausen, um ein Barotrauma des Fisches zu vermeiden. Der Wolfsbarsch kann die Temperaturen in der Nordsee tolerieren, dennoch ist die Durchschnittstemperatur von 10 ° C in der Nordsee unterhalb seines optimalen Temperaturbereichs für optimales Wachstum von 22-28 ° C. verlängert. Nach Modellberechnungen verlängert dies die Auswachsphase um 4-8 Monate gegenüber der Produktion von D. labrax in Käfigen im Mittelmeer.
Die rückläufigen Fänge von Kabeljau (Gadus morhua) führten zu einem wachsenden Interesse an der Zucht dieser Art. Seit mehr als dreißig Jahren hat sich die intensive Produktion von Kabeljau etabliert. Die Aufzucht erfordert die Produktion von Lebendfutter in verschiedenen Größen und die Fütterungsprotokolle müssen strikt eingehalten werden. Ein großes Problem für die Kabeljau Aquakultur ist ihre Fähigkeit, durch das Netz oder andere Materialien zu entkommen. Kabeljau ist eine der Fischarten mit der höchsten Ausbruchsrate, was sich durch Kreuzungen negativ auf die Wildpopulation auswirken. Der extreme Temperaturtoleranzbereich von -1 ° C bis 23 ° C und ein optimaler Temperaturbereich von 8 ° C bis 12 ° C macht diese Art zu einem geeigneten Kandidaten für die Aquakultur in der Deutschen Bucht. Jedoch sollte beachtet werden, daß die relativ hohen Sommertemperaturen in der Deutschen Bucht eine Gefahr von Infektionen erhöhen. Die Eignung von Kabeljau für Offshore-Aquakultur wurde erfolgreich in 3.000m3 vor der Küste von New Hampshire gezeigt. Der Kabeljau ist eine physocliste Spezies, und es müssen Pausen während der vertikalen Bewegungen des Käfigs eingehalten werden.