av Daniel Taylor och Jens Kjerulf Petersen, Dansk Skaldjurscenter, DTU Aqua, Danmark
Eutrofiering och kampen för att kontrollera näringsförlusten
Människans befolkningstäthet och användningen av mark för att odla livsmedel har intensifierats i kustområdena under det senaste århundradet. Denna intensifiering har dramatiskt påverkat de biologiska och kemiska processerna i kustnära ekosystem genom ett ökat flöde av näringsämnen, främst kväve och fosfor, från land och atmosfär till havet.
Väsentligen, ju mer marken matas (gödslas) och desto mer matar vi oss själva (mat plus bränslen), ju mer vi matar kustvattnen med näringsämnen som orsakas av avrinning från jordbruket, avloppsvatten, och atmosfäriskt nedfall.
När kustvattnen blir överberikad, biologisk funktion förändras med ofta långsiktiga konsekvenser. Ett av många symtom är ökad tillväxt och koncentration av växtplankton (encelliga växter).
Anrikat vatten kan bli så produktivt med växtplanktontillväxt att solljus inte når tillräckligt djup för att stödja vattenlevande växtliv på havsbotten och värdefulla växtmiljöer som sjögräsängar går förlorade. Ytterligare ökningar av växtplanktonkoncentrationer kan leda till syrebrist, när döda växtplanktonceller sönderfaller på havsbottnen.
Under de senaste decennierna, förbättringen av kustvattenkvaliteten har varit en plats för policyutveckling i många regioner runt om i världen. Det har gjorts imponerande framsteg i genomförandet av denna politik, framför allt för att förbättra avloppsvattenrening.
Ändå, många kustvatten, som de i norra Europa, inklusive egentliga Östersjön, anses fortfarande vara starkt påverkade av överskott av näringsämnen och kommer sannolikt att fortsätta att vara det i många år framöver.
Kvävetillförsel till kustvatten kommer från punktkällor (t.ex. vattenreningsverk, fiskodlingar), icke-punkt/diffusa källor (t.ex. jordbruksmark, grundvattenutsläpp), eller atmosfärisk (t.ex. förflyktig ammoniak eller absorption av biprodukter från förbränning).
Efter ändringar och förbättringar av program för vattenkvalitetsledning, diffusa källor till näringsämnen är de viktigaste. Reningsmetoder utformade för att minimera näringsinförandet i kustvattnen är rikligt implementerade.
Klassiska exempel på sådana behandlingsmetoder inkluderar begränsningar i användningen av gödselmedel, anlagda våtmarker, sättningsdammar, vegetativa strandbuffertzoner; och på senare tid, system för "precisionsjordbruk".
Även om stora framsteg har gjorts för att minska näringsflöden till kustvattnen, effektiviteten av ytterligare implementering minskar snabbt och är också ofta dyrare att implementera.
Vidare, årtionden av anrikning har ett arv av förbättrad anrikning av havsbottensediment, som kommer att vara en ihållande källa till näringsämnen genom flera processer (kallas "intern belastning"), och kan endast mildras inom vattenmiljön.
Begränsande musslor
Ett innovativt sätt att minska näringsberikningen i kustvatten är att utnyttja en del av kustbiologin – filtrering av skaldjursvatten från musslor. Musslor, ostron, musslor, och andra musslor matas genom att filtrera partiklar ur vattnet; växtplankton är en primär källa till föda för dessa djur.
Aktiv odling av musslor och fokus på restaurering av musslor har visat den filtreringseffekt som dessa populationer kan uppvisa. Standard musselodlingar kan filtrera hundratusentals kubikmeter per timme. Växtplankton och organiskt material assimileras i musselkroppen eller immobiliseras till sedimenten, fånga en betydande del av näringsämnena i anrikat vatten.
Mycket arbete har gjorts för att analysera de "ekosystemtjänster" som tillhandahålls av musslor under de senaste decennierna av många forskare, mestadels i USA och norra Europa. Över ett decennium av konceptualisering och forskning vid Danish Shellfish Center (DSC) - en sektion inom DTU Aqua, Danmarks Tekniska Universitet – har fokuserat på att utnyttja tvåskaliga filtrering i aktiv odling som en intensiv mekanism för att minska omfattningen av eutrofa förhållanden i västra Östersjövatten; benämnt "reducerande musselkultur".
Genom att skörda musslorna, de näringsämnen som först konsumeras av växtplankton och sedan omvandlas till musselbiomassa, tas bort från ekosystemet. Använder odlingstekniker anpassade från den konventionella musselvattenbruksindustrin, höga tätheter av musslor kan odlas i riktade regioner, med potential att ta bort flera metriska ton näringsämnen från kustvatten per skörd (Petersen et al, 2019).
Detta läge fungerar också som ett sätt att utnyttja ett stort antal mussellarver, som normalt konsumeras som djurplankton eller misslyckas med att sedimentera. Även om vattenbruksmusslor (som dyker upp på tallrikar) tillhandahåller denna tjänst, "reducerande musslor" skördas vanligtvis med minimal manipulation och under en kortare odlingsperiod för att minska kostnaderna och maximera potentialen för utvinning av näringsämnen – de tenderar att vara betydligt mindre än de musslor som finns på marknaden eller restauranger.
Som en näringsreducerande åtgärd, lindrande musselodling har antagits i planerna för framtida insatser för att nå god ekologisk status i danska kustvatten. I Danmark, ett föreslaget mål är att skörda 100, 000 ton mildrande musslor årligen, vilket kommer att resultera i borttagning av 1-2, 000 ton kväve, motsvarande 8-15 procent[JKP1] av det nationella reduktionsbehovet i Danmark.
Begränsande musselmåltider:Återföra förlorade näringsämnen
Hur passar vattenfoder och andra former av vattenbruk in i denna ekvation? Konceptet med att integrera filtermatande organismer, som musslor, i produktionen av högre trofiska arter har populariserats av många, ofta kallad "Integrerad multitrofisk vattenbruk" eller mer exakt bara "Multitrofisk vattenbruk".
Som en källa till näringsämnen, dock, i de flesta länder bidrar detta med en försumbar mängd näringsämnen i förhållande till den större landbaserade kustbelastningen.
Eftersom lindrande musslor tenderar att vara mindre och mindre enhetliga i storlek än de som odlas för mänsklig konsumtion, produktionen av fodermjöl har varit den mest attraktiva möjligheten att utnyttja. Den växande efterfrågan på proteinkällor för foder med balanserade aminosyraprofiler har krävt utökad generering och inkludering av fiskmjölsalternativ.
Måltider framställda av blåmusslor har i allmänhet liknande aminosyraprofiler som fiskmjöl (Jönsson och Elwinger, 2009), med totala råproteinnivåer på 65-71 procent. Koncentrationer av aminosyror som vanligtvis kräver tillskott i ersättningsdieter, såsom metionin och taurin, liknar fiskmjölsprofiler (Árnason et al, 2015).
Musselvävnad innehåller viktiga pigment och antioxidanter, inklusive mytiloxantin, ett pigment unikt för skaldjur, som överträffar astaxantin vid hydroxylrensning (Maoka et al., 2016). Vidare, helfeta musselmåltider uppvisar attraktiva proportioner av LC-PUFAs som DHA, DPA, och EPA (Árnason et al, 2015).
Inom jordbrukets dieter, höga nivåer av inkludering har visat positiva effekter på äggvärphöns (Afrose et al, 2016), och smältbarhet i svinfoder (Nørgaard et al, 2015).
Ett begränsat antal studier på finfiskarter har visat hög smältbarhet hos röding (Salvelinus alpinus) och abborre (Perca fluvialtilis) (Langeland et al, 2016), såväl som ökad smaklighet i köttätande dieter med hög växtinkludering (Nagel et al, 2014). Intressant, den biokemiska sammansättningen av musselvävnad kan påverkas av de lokala tillväxtförhållandena, på grund av olika växtplanktongemenskapens beståndsdelar (Pleissner et al, 2012), såväl som reproduktivt tillstånd; eftersom glykogenkoncentrationer och karotenoidpigment ökar omedelbart före lek.
Att fastställa differentiella sammansättningsmönster i framtiden kan ge möjligheter till specificerade måltider; dock, detta kräver ytterligare undersökning förutsatt att storskalig produktion av måltider sannolikt kommer att blanda material från flera platser och tider.
Musslor, i begränsningskultur, utgör därför en attraktiv proteinkälla eftersom de assimilerar växtplankton som redan finns i överflöd i miljön (noll hanterad fodertillförsel) samtidigt som de ger positiva ekologiska återkopplingar. Sådan återkoppling (ekosystemtjänster) i andra begränsningsmekanismer kompenseras till stor del av direkt ekonomiskt stöd eller kostnadskompensationssystem. I huvudsak, återvinna "förlorade" näringsämnen tillbaka till matsystemet och förbättra den lokala miljön på vägen.
Ändå, som vilken bra historia som helst, det finns utmaningar framför oss. Utökad produktion av begränsningsmusslor kräver optimering av näringsutvinning inom begränsat utrymme som också minimerar konflikter med andra användningar av kustvatten och egenintressen i havslandskapet.
Den naturliga miljön kan också utgöra hinder för expansion:om hydrodynamiska förhållanden är lämpliga, naturlig musselbosättning är tillräcklig, och rovdjurstrycket (dvs ejder) är hanterbart. I politiska kretsar, från lokalt till regionalt, Att bestämma hur och var man ska hantera näringsämnen är färgat av en mängd olika perspektiv.
Eftersom denna mekanism syftar till att minska näringsämnen som redan finns i den marina miljön, Begränsande musselodling är avsedd att komplettera befintliga program för hantering av näringsämnen, och detta koncept är en pågående punkt för debatt.
Slutligen, och som är avgörande för ekonomisk bärkraft, förädling av musselmjöl och effektivisering av produktionen kommer att kräva ytterligare innovation. Bearbetningsutmaningar med att omvandla lindrande musslor till en måltid har sina rötter i högkapacitetsseparationen av skalet från vävnaden före efterföljande måltidsproduktion.
Konventionella metoder för ångning och vibrationsseparering är relativt dyra, medan alternativa metoder för "juicing" eller annan form av separation utan preliminär uteslutning av skal i allmänhet resulterar i måltider med hög askhalt från kvarhållna skaldelar.
Nuvarande forskning
Nyligen, två projekt som administrerades av DSC finansierades för att utvärdera optimeringstekniker för att maximera näringsextraktionen i begränsningsenheter samtidigt som deras ekologiska effekter dokumenterades.
BONUS OPTIMUS-projektet har samlat ett forskningskonsortium från fyra länder och nio partners för utveckling av begränsningskultur i västra Östersjön för efterföljande produktion av musselmjöl som ett fiskmjölsalternativ.
Utfodringsförsök som genomförts i OPTIMUS inkluderar ersättning i laxfiskdieter. Det nationellt finansierade projektet, MuMiPro, samlar 15 partners som utvärderar optimala odlingstekniker i eutrofa danska vatten för storskalig produktion av ekologisk musselmjöl.
Ambitionen med båda projekten är att visa metoder för att producera begränsningsmusslor som maximerar deras positiva ekologiska fotavtryck i en ekonomiskt lönsam takt. Detta inkluderar vidareutveckling av bearbetning av musselmjöl för djurfoder, och i slutändan den högtillväxta vattenfodermarknaden.
Testning och optimering av alternativa bearbetningstekniker är för närvarande under utredning i MuMiPro-projektet. Att hitta kombinationen av att upprätthålla en bra näringsprofil och minimera bearbetningskostnaderna, som alla andra vattenfoderingredienser, är en process som ständigt utvecklas.
De kombinerade syftena med dessa två projekt är att driva på utvecklingen av musselkultur som begränsar näringsämnen och bearbetningstekniker för en måltid av hög kvalitet.
