Comparative Nutrient Removal and Biomass Production by Chaetoceros neogracile, Isochrysis galbana, and Tetraselmis chuii in Saline Aquaculture Wastewater

Der Ozean ist ein riesiges, lebendiges System, aber die Gewässer rund um die Fischfarmen erzählen eine andere Geschichte. Wenn Fische in großen Mengen gezüchtet werden, verwandelt sich das Wasser, in dem sie leben, in eine Suppe aus Abfällen: ungenutztes Futter, Fischkot und gelöste Chemikalien wie Stickstoff und Phosphor. Wenn dieses Wasser ohne Behandlung zurück in den Ozean geleitet wird, kann es eine Kettenreaktion auslösen, die den Sauerstoffgehalt verringert und das marine Leben schädigt – ein Prozess, der als Eutrophierung bekannt ist. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Wegen, dieses Wasser auf natürliche Weise zu reinigen. Ein vielversprechender Ansatz besteht in der Verwendung von mikroskopisch kleinen Pflanzen, den Mikroalgen. Diese winzigen Organismen wirken wie Unterwasser-Staubsauger, indem sie die überschüssigen Nährstoffe absorbieren, um ihr eigenes Wachstum zu fördern. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die richtige Art von Alge zu finden, die in den salzigen, variablen Bedingungen des Fischfarm-Wassers überleben kann und gleichzeitig schnell genug wächst, um nützlich zu sein.

In einer aktuellen Studie versuchten Forscher, dieses Rätsel zu lösen, indem sie drei verschiedene Arten von marinen Mikroalgen gegen echtes Abwasser aus einer Fischfarm testeten. Das Team unter der Leitung von Aisha Khan an der Universität von Karachi wollte sehen, welche Spezies die meiste Biomasse – im Wesentlichen das meiste Pflanzenmaterial – produzieren und welche die meisten Schadstoffe entfernen konnte. Sie testeten drei spezifische Stämme: Chaetoceros neogracile, eine Art von Diatomee, die Silizium zum Aufbau ihrer Schale benötigt; Isochrysis galbana, eine winzige, runde Alge, die oft als Nahrung für marine Larven verwendet wird; und Tetraselmis chuii, eine größere, flache Alge, die relativ leicht zu ernten ist. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse zuverlässig sind, gaben die Forscher den Algen nicht einfach das rohe, unverdünnte Abwasser. Stattdessen erstellten sie eine Reihe von Mischungen, bei denen das Abwasser mit sauberem Meerwasser verdünnt wurde, um vier verschiedene Stärken zu erzeugen: 25 %, 50 %, 75 % und 100 % Abwasser. Sie schlossen auch eine Kontrollgruppe ein, in der die Algen in Standard-Labornahrung wuchsen, um zu sehen, wie sich das Abwasser im Vergleich zu idealen Bedingungen verhält, sowie eine Gruppe mit nur Abwasser und ohne Algen, um natürliche Veränderungen zu messen.

Das Experiment lief zwei Wochen lang in Glasgefäßen, wobei das Wasser auf einer konstanten Temperatur gehalten wurde und einem gleichmäßigen Licht-Dunkel-Zyklus ausgesetzt war. Die Forscher überprüften das Wasser alle paar Tage, zählten die Anzahl der Algenzellen und maßen, wie viel Stickstoff, Phosphor und organische Materie aus dem Wasser verschwunden war. Sie wogen die getrockneten Algen am Ende auch ab, um genau zu berechnen, wie viel neues Pflanzenmaterial produziert worden war. Die Ergebnisse zeigten einen klaren Kompromiss: Die Algen, die am schnellsten wuchsen, waren nicht zwangsläufig diejenigen, die das Wasser am besten reinigten.

Tetraselmis chuii erwies sich als der Champion des Wachstums. Wenn sie in Wasser platziert wurde, das zur Hälfte aus Abwasser und zur Hälfte aus sauberem Meerwasser bestand, produzierte diese Spezies die höchste Menge an Biomasse und erreichte ein Endgewicht von 0,870 Gramm pro Liter. Sie wuchs stetig und effizient und verwandelte die Nährstoffe im Wasser schneller in neue Zellen um als die anderen beiden Arten in dieser spezifischen Mischung. Doch wenn das Ziel rein die Reinigung des Wassers war, übernahm eine andere Spezies die Führung. Isochrysis galbana entfernte, als sie in Wasser mit einem Abwasseranteil von 75 % gezüchtet wurde, den höchsten Prozentsatz an Schadstoffen. Sie beseitigte 92 % des Ammoniums, 76 % des Nitrats und 87 % des Phosphats. Sie reduzierte auch den chemischen Sauerstoffbedarf – ein Maß für die organische Verschmutzung – um 63 %. Das bedeutet, dass Tetraselmis chuii zwar besser darin war, Pflanzenfutter herzustellen, Isochrysis galbana jedoch besser darin war, das Wasser sauber zu schrubben.

Die Studie hob auch hervor, dass die Konzentration des Abwassers eine signifikante Rolle spielte. In dem stärksten, unverdünnten Abwasser hatten die Algen mehr zu kämpfen, wuchsen langsamer und entfernten weniger Nährstoffe als in den verdünnten Mischungen. Dies deutet darauf hin, dass die hohen Mengen an Ammoniak und anderen Chemikalien im Rohabwasser die Algen stressen und ihre Fähigkeit einschränken können, ihre Aufgabe zu erfüllen. Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass der beste Performer für eine Aufgabe nicht der beste für die andere war. Die Spezies, die die meiste Biomasse produzierte, entfernte nicht die meisten Nährstoffe und umgekehrt. Dieser Befund ist entscheidend, denn er bedeutet, dass eine Fischfarm nicht einfach eine einzige „Superalge“ auswählen kann und erwarten kann, dass sie alles perfekt erledigt. Die Wahl der Alge hängt ganz vom Ziel der Farm ab: Wenn die Priorität darauf liegt, die Algen als Futtermittel oder Brennstoff zu ernten, ist Tetraselmis chuii in einer 50 %-Mischung die bessere Wahl. Wenn die Priorität darauf liegt, das Wasser vor der Freisetzung zu reinigen, ist Isochrysis galbana in einer 75 %-Mischung die überlegene Option.

Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse sind die Forscher vorsichtig darauf hinzuweisen, dass dies ein kontrolliertes Laborexperiment war. Die Studie wurde in kleinen Glasgefäßen über einen kurzen Zeitraum durchgeführt, was sehr unterschiedlich zu den komplexen Open-Air-Systemen ist, die in der realen Fischerei verwendet werden. Das Team stellt ausdrücklich klar, dass diese Ergebnisse noch nicht für die unmittelbare kommerzielle Nutzung bereit sind. Bevor eine dieser Algenstämme in großem Maßstab zur Behandlung von Abwasser eingesetzt werden kann, sind weitere Tests erforderlich. Zukünftige Arbeiten müssen diese Ergebnisse in Pilotanlagen validieren, die kontinuierlich laufen, testen, wie die Algen über verschiedene Jahreszeiten hinweg abschneiden, und sicherstellen, dass die geernteten Algen frei von Schadstoffen wie Schwermetallen oder Krankheitserregern sind. Vorerst liefert die Studie eine klare Karte des Potenzials und der Grenzen und zeigt, dass, obwohl Mikroalgen ein mächtiges Werkzeug zur Reinigung unserer Ozeane sind, das richtige Werkzeug von der jeweiligen Aufgabe abhängt.