Begrænsning af næringsstofudledning fra havbrug ved udplantning af makroalger

Jeg er erhvervs-PhD studerende og projektet er et samarbejde mellem DHI, Syddansk Universitet i Odense og Københavns Universitet og medfinansieret af Ministeriet for videnskab, teknologi og udvikling (se links nedenfor).

State of the art:

Ved opdræt af fisk sker der en tilførsel af næringssalte til det omgivende miljø og de danske kvælstofsudledninger fra havbrug var i år 2000 ca. 250 t N/år [1]. Mindst 80% af det totale næringstab fra havbrugene er tilgængeligt for planter (alger) og optræder som en potentiel eutrofieringskilde [2], hvilket kan føre til opblomstring af alger, iltsvind ved bunden, fiskedød osv. Kommerciel dyrkning af phycocolloid producerende rødalger i forbindelse med havbrug har potentialet til at blive både en miljømæssig gevinst (ved at fjerne næringssalte) og samtidigt blive en kommerciel ressource. Makroalger bliver dyrket kommercielt [3] og tabel 1, bilag a giver et overblik over forsøg med makroalger i laboratorie, landbaserede tanke og ved havbrug.

Som det angår af tabel 1 er makroalgers væksthastigheder beskrevet i både felt og laboratorieforsøg. Dog er makroalgers egentlige fjernelse af kvælstof (N) og fosfor (P) fra det omgivende vand er ikke så veldokumenteret, ej heller under hvilke forhold, der sker optimal N og P reduktion. Potentialet i at udnytte makroalger til at fjerne N og P fra det omgivende vand er til stede.

Art	Lab/feltforsøg	N-reduktion	P-reduktion	Vækst-hastigheder	Produktion	Indtjening	Kilde
Chondrus crispus	Laboratorie			7,3% per dag			[4]
	Laboratorie			2,3% per dag			[5]
	Felt			1-2% per dag			[6]
	Felt			3-4% per dag			[7]
	Felt				5.482ton	1.494.000CA$	[8]
Furcellaria lumbricalis	Laboratorie			3,3% per dag			[4]
F. mix	Felt				308ton	45.000CA$	[8]
Gracilaria chilensis	Felt ved havbrug			7% per dag			[2]
	extrapolering	5%	27%		34t tørvægt	34.000 US$	[2]
	Landbaserede tanke	50-95%			49kg/m²/år		[9]
G. tikvahiae	Laboratorie			17% per dag			[4]
G. cornea	Laboratorie			14% per dag			[10]
G. vermiculophylla	Laboratorie			12% per dag			[11]
Ulva rigida	Landbaserede tanke	19kg/år	1,5kg/år		50g/m²/måned		[12]
Eucheuma denticulatum	Felt			10% per dag	2.000ton/måned		[3]

Tabel 1: N- og P-reduktion, væksthastighed, produktion og indtjening for makroalgearter dyrket i laboratorie, landbaserede tanke og ved havbrug.

I danske farvande forekommer 2 kommercielt interessante makroalger, Chondrus crispus (Carrageentang) og Furcellaria lumbricalis (også kendt som F. fastigiata)(Gaffeltang). Disse arter er ikke før dyrket kommercielt i Danmark, men tidligere er naturlige populationer af F. lumbricalis blevet høstet og udnyttet. Arterne er i stand til effektivt at optage opløste næringssalte, og producerer samtidigt det værdifulde phycocolloid carragenaan, der anvendes som emulgatorer/stabilisatorer i en lang række fødevarer, især mælkebaserede produkter. Carragenaanindholdet i C. crispus varierer mellem 45-75% af tørvægten [7, 13, 14] og omsættes til 8,2-9,5 kr/kg tørvægt (CPKelco), mens F. lumbricalis er lidt mindre værdifuld (FMC. personlig komm).

Til dyrkning og karakterisering af alger i laboratoriet har SDU udviklet en fotobioreaktor (Lumostaten) [15] til fototrofe organismer. Systemet er endnu ikke testet på makroalger, men der er baggrund for det.

Lumostaten optimerer lysintensiteten, fastholder pH og foretager en datamat-styret og –registreret titrering med syrer og baser. CO₂ tilsættes som sur titrant for at balancere den mængde CO₂ som optages i cellerne. Ved at gøre reaktoren gastæt vil tilsætning af CO₂ være direkte proportional med den fotosyntetiske aktivitet. Dette kræver, at den producerede O₂ fjernes, hvilket opnås ved at tillede H₂ over en palladiumkatalysator (patent pending). Kombineret med en boblekolonne, med unikt dobbelt beluftningssystem, skabes en fremragende opblanding og høje beluftningshastigheder uden brug af mekanisk omrøring, hvilket reducerer stress [16, 17, 18]. Da alle variable styres, og vha. on-line målinger af vækstforhold, kan mange kombinationer testes og der er stor mulighed for forsøgsgentagelse, hvilket giver mange data og god baggrund for statestik.

Hypotese

Kan makroalger anvendt som biofilter ved havbrug nedsætte udskillelsen af opløst næring til det omgivende havmiljø og på samme tid konvertere næringen til et brugbart produkt?

Baggrund og indledning

Akvakulturplanen til havs har siden den første vandmiljøplan i 1987 været underlagt et særligt generelt loft for udledning af næringssalte. Den nye rapport (marts 2003) fra Havbrugsudvalget [1] anbefaler at havbrugsbekendtgørelsen ændres således, at der ved behandling af produktionsansøgninger skal foretages en konkret afvejning af, om det enkelte havbrug vil få en væsentlig effekt i forhold til de beskyttelseshensyn, der ligger i regionplanernes målsætninger for vandområderne. Dette vil sandsynligvis medføre, at der fremover tillades flere havbrug i de danske farvande.

Flere havbrug vil medføre en øget mængde næringsstof i det omgivende havmiljø, med forøget risiko for eutrofieringseffekter (opblomstring af alger, iltsvind ved bunden, fiskedød osv.).

I projektet vil det blive undersøgt i hvilken udstrækning de tilførte næringsstoffer fra havbrug kan udnyttes af makroalger til vækst, hvorefter algerne kan sælges pga. deres indhold af det værdifulde phycocolloid, carragenaan. Herved vil påvirkningen fra havbrug på det omgivende miljø mindskes, og i sidste ende vil produktionen af fisk kunne øges, kombineret med en merindkomst fra makroalgerne ved salg af disse. Hvis det kan gøres økonomisk rentabelt at producere makroalger, vil det sikkert være af større interesse for ejerne af havbrugene.

Projektet

I projektet vil det blive undersøgt hvordan og under hvilke forhold algerne Chondrus crispus og/eller Furcellaria lumbricalis produceres, således at der sikres en maksimal næringsstoffjernelse samt en økonomisk rentabel produktion. Projektet gennemføres sekventielt ved en økofysiologisk karakterisering under kontrollerede forhold i laboratoriet, etablering af en dynamisk vækstmodel til aftestning af hypoteser og planlægning af småskala feltforsøg, samt mesoskala feltforsøg ved et havbrug til verifikation af forsøgsresultater og test af forskellige fysiske systemer.

I bioreaktorsystemet vil makroalgens vækst og kvælstofsoptag optimeres ved regulering af lys, temperatur og opløste salte. Disse variable vil blive kvantificeret off- og on-line. Endvidere vil bioreaktorerne eller afledte intensive vækstsystemer blive anvendt til opformering af unge planter til udsætning ved havbrugene. På baggrund af laboratorie- og feltforsøgsresultaterne etableres en matematisk vækstmodel som overføres til en 3-D økosystemmodel (MIKE ECOLAB) til undersøgelse af arealkrav for algerne, dimensionering af dyrkningssystemer etc.

Referencer:

1. Havbrugsudvalget (Udvalget vedr. Udviklingsmulighederne for saltvandbaseret fiskeopdræt i Danmark) Rapport. Marts 2003 Ministeriet for fødevarer, Landbrug og Fiskeri. s.1-109.

2. Troell M., Halling C., Nilsson A., Buschmann A. H., Kautsky N. & Kautsky L. 1997. Integrated marine cultivation of Gracilaria chilensis (Gracilariales, Rhodophyta) and salmon cages for reduced environmental impact and increased economic output. Aquaculture 156: 45-61.

3. Hughes M. 2001. Abiotic factors and their effect on growth rate and state of health of the commercial seaweeds: Eucheuma denticulatum and Kappaphycus alvarezii (Gigartinales, Rhodophyta) – with special reference to nutrients. Master Scient Thesis

4. Bird, L. N., Chen, L. C.-M. & McLachlan, J. 1978. Effects of temperature, light and salinity on growth in culture of Chondrus crispus, Furcellaria lumbricalis, Gracilaria tikvahiae (Gigartinales, Rhodophyta), and Fucus serratus (Fucales, Phaeophyta). Bot. Mar. 22: 521-527.

5. Simpson, F. J. & Shacklock, P. F., 1979. The cultivation of Chondrus crispus. Effect of temperature on growth and carrageenan production. Botanica Marina, 22, 295-298.

6. Zertuche-González J. A., García-Lepe G., Pacheco-Ruiz I., Chee A., Gendrop V. & Guzmán J. M. (2001). Open water Chondrus crispus Stackhouse cultivation. J Appl Phyc 13: 249-253.

7. Chopin, T., Sharp, G., Belyea, E., Semple, R. & Jones, D., 1999. Open water aquaculture of the red alga Chondrus crispus in Prince Edward Island, Canada. Hydrobiologia, 398/399: 417-425.

8. Fishery Staistics 2002. Fisheries, Aquaculture and Environment, Prince Edward Island, Canada. FAO. www.fao.org

9. Troell, M., Rönnbäck, P., Halling, C. Kautsky, N. & Buschmann, A. 1999. Ecological engineering in aquaculture: use of seaweeds for removing nutrients from intensive mariculture. J. appl. Phycol. 11: 89-97.

10. Navarro-Angulo L. & Robledo D. 1999. Effects of nitrogen source, N:P ratio and N-pulse concentration and frequency on the growth of Gracilaria cornea (Gracilariales, Rhodophyta) in culture. Hydrobiologia, 398/399: 315-320.

11. Yokoya N. S., Kakita H., Obika H. & Kitamura T. 1999. Effects of environmental factors and plant growth regulators on growth of the red alga Gracilaria vermiculophylla from Shikoku Island, Japan. Hydrobiologia 398/399: 339-347.

12. Porrello S., Lenzi M., Tomassetti P., Persia E., Finoia M. G. & Mercatali I. 2003. Reduction of aquaculture wastewater eutrophication by phytotreatment ponds system: II. Nitrogen and phosphorus content in macroalgae and sediment. Aquaculture 219 (1-4): 531-544.

13. Chopin, T. & Gallant, T. 1995. Phosphorus and nitrogen nutrition in Chondrus crispus (Rhodophyta): Effects on total phosphorus and nitrogen content, carrageenan production, and photosynthetic pigments and metabolism. J. Phycol. 31: 283-293.

14. Fuller, S. W. & Mathieson, A. C. 1972. Ecological studies of economic red algae. IV. Variations of carrageenan concentration and properties in Chondrus crispus Stackhouse. J. exp. Mar. Biol. Ecol. 10: 49-58.

15. Eriksen N. T., Geest T. & Iversen, J. J. L. 1996. Phototrophic growth in the lumostat: a photobioreactor with on-line optimization of light intensity. J Appl Phyc 8: 345-52.

16. Eriksen N. T., Poulsen B. R. & Iversen J. J. L. 1998. Dual sparging laboratory-scale photobioreactor for continuous production of microalgae. J Appl Phycol 10: 377-82.

17. Poulsen B.R. & Iversen J. J. L. 1998. Characterization of gas transfer and mixing in a bubble column equipped with a rubber membrane diffuser. Biotechnol Bioeng 58: 633-41.

18. Poulsen B. R. & Iversen J. J. L. 1999. Membrane sparger in bubble column, airlift, and combined membrane-ring sparger bioreactors. Biotechnology and Bioengineering, 64: 452-458.