Challenges of Microalgae Integration in Recirculating Aquaculture Systems: Bridging Potential and Practice

単に魚を育てるだけでなく、その餌となる食べ物も育て、魚が泳ぐ水も浄化する、一つの閉じたループの中ですべてを行う養殖場を想像してみてください。これが、閉鎖循環式陸上養殖システム（RAS）が約束する未来です。これらの陸上施設では、水は川や海に排出されるのではなく、常にろ過され、再利用されます。このシステムは、細菌を利用して毒性のある魚の排泄物を無害な栄養素に変えますが、それでも水には、有害なレベルまで蓄積する可能性のある溶存窒素やリンが含まれています。何十年もの間、科学者たちは、これらの残った栄養素を単なる廃棄物として扱うのではなく、何か有用なものを育てるために利用する方法を探してきました。そこで登場するのが、水中に浮遊する微細な植物、微細藻類です。これらの極小の生物は天然の発電機のような存在です。二酸化炭素を吸い込み、酸素を放出し、魚が利用できない溶存栄養素を糧にします。もしこれらを魚の養殖場の中で直接育てることができれば、水を浄化し、新鮮な餌を提供し、さらには炭素を固定することで、真に循環的なエコシステムを作り出すことができるかもしれません。

キール大学とブレーマーハーフェン応用科学大学の研究者による最近のレビューは、このアイデアが実際に商業規模で機能するかどうかを、厳しく明確に検証しています。研究チームは、微細藻類を生きた状態で養殖場に組み込むことが、実現可能な現実なのか、それとも単なる有望な理論に過ぎないのかを確認するために、数百の研究を調査しました。彼らは、この概念が科学的に妥当であり、多くの利点を提供している一方で、ラボから実際の養殖場へと移行する道には大きな実用的障壁が立ちはだかっていることを発見しました。研究者たちは、微細藻類が余剰栄養素を吸収し、水質を改善する生物学的フィルターとして確かに機能することを確認しています。また、藻類は魚やエビの健康と成長を促進する栄養補助剤としても役立ちます。しかし、研究は、これらの利点があるにもかかわらず、この技術はまだ広範な採用には至っていないと結論付けています。主な障害は知識の不足ではなく、乱雑で変化しやすい環境の中で、藻類を生存させ、生産性を維持することの難しさと、成長した微細な生物を収穫する際の高コストにあります。

この統合による潜在的なメリットは多大です。典型的な魚の養殖場では、食べ残しの餌や魚の排泄物が水中に溶け出し、適切に管理されなければ魚に害を与えるような栄養素のスープを作り出します。微細藻類はこれらの栄養素を吸収し、新しいバイオマスへと変えることができます。このプロセスは水を浄化するだけでなく、魚にとって不可欠な酸素も生成します。さらに、藻類自体にはタンパク質や健康的な脂肪が豊富に含まれているため、養殖動物の食事において、高価な魚粉に代わるものとなる可能性があります。研究者たちは、制御された環境下では、クロレラやテトラデスムスといった特定の種類の藻類が、水中の大量の窒素やリンを除去できることを示していると指摘しています。いくつかの実験では、システムに藻類を加えることで、稚魚やエビの生存率が向上し、病気に対する抵抗力が高まりました。また、藻類は水の化学組成を安定させ、動物にストレスを与える原因となるpHの激しい変動を防ぐ役割も果たします。

しかし、小規模で制御された実験から、大規模な商業的養殖場への移行こそが困難の始まりとなります。主要な課題は、魚の養殖場が混沌とした場所であることです。水の質は、魚がどれだけ食べたか、タンクの中にどれだけの数の魚がいるか、そしてフィルターがどれほど機能しているかに応じて、絶えず変化します。微細藻類はデリケートであり、生育には特定の光量、温度、栄養分を必要とします。大きなタンク内では、藻類が密集して成長しすぎて、下の層に届く光を遮ってしまうことがあり、その結果、培養全体が停滞したり死滅したりします。「自己遮蔽（セルフ・シェーディング）」として知られるこの現象は、大きなボトルネックとなっています。さらに、藻類は、魚の排泄物の中に存在する細菌や他の微生物とも競合しなければなりません。時には、これらの望まない競合者が優勢となり、藻類の培養が崩壊してしまうこともあります。研究者たちは、非滅菌状態の養殖環境において、安定した純粋な藻類培養を維持することは非常に困難であり、しばことが一貫性のない結果を招くと明らかにしました。

たとえ藻類がよく育ったとしても、それらを水から取り出すことは、巨大な技術的・経済的問題となります。微細藻類の細胞は微小であり、非常に希薄な濃度で浮遊しているため、水から分離することが困難です。それらを収穫するプロセスには、遠心分離機や特殊なフィルターなどの多大なエネルギーと高価な装置を必要とします。研究は、藻類を収穫し乾燥させるコストが、原料としての藻類の価値をしばしば上回ってしまうことを強調しています。多くの場合、照明、ポンプ、および収穫機械を稼働させるために必要なエネルギーは、単に従来の魚の餌を購入するよりも高くなってしまいます。研究者たちは、廃水を使用して藻類を育てることは肥料の節約にはなるものの、システムを稼働させるために必要な機械や電気のコストを補うほどには節約にならないと指摘しています。

もう一つの重要な問題は、水の透明度です。魚は餌を見ることで食べることができ、視覚を利用して移動したりストレスを回避したりします。もし水が濃密な緑色の藻類の雲で満たされていれば、水は濁り、それが魚を混乱させ、摂餌量を減少させ、ストレスレベルを高めることになります。研究者たちは、繊細なバランスを取る必要があると指摘しました。つまり、水を浄化するのに十分な藻類は必要ですが、タンクを緑色のスープに変えてしまうほどではあってはならないのです。このバランスをリアルタイムで管理することは困難です。なぜなら、藻類は異なる速度で成長・死滅し、魚は予測不可能なタイミングで排泄物を出すからです。現在の技術では、これらの条件を自動的に監視・調整することに苦慮しており、養敷場運営者は「どの程度の藻類が多すぎるのか」を推測せざるを得ない状況にあります。

経済的な状況が最大の障壁であり続けています。レビューでは様々なコストを分析し、大規模な藻類池は主に廃水処理として使用される場合にはある程度の収益性が見込めるものの、魚の餌を生産するために養殖場に加えることは、コスト効率が低い場合がほとんどであることを明らかにしました。リアクター、照明、および収穫装置のための資本投資は高く、電気や労働力による運用コストはさらに高くなります。研究は、伝統的な魚の餌の価格が急騰するか、あるいは藻類の収穫コストが劇的に低下しない限り、商業的な養殖場は従来の方法を使い続けるだろうと示唆しています。数字が合う唯一のシナリオは、非常に特定の高付加価値な状況にある場合、あるいは藻類が魚の餌としてではなく、バイオ燃料や医薬品などの他の目的のために育てられる場合に限られます。

最終的に、論文は、魚が自らの食べ物を育て、自らの水を浄化する魚の養殖場というアイデアは、科学的には可能であるものの、ほとんどの農家にとって、まだ実用的な現実ではないと結論付けています。この技術は、注意深く制御された小規模な実験では機能しますが、大規模なスケールで信頼性と低コストで機能することはまだ証明されていません。研究者たちは、将来の成功は、藻類を収穫するためのより良い方法の開発、よりタフで育てやすい藻類株の創出、そして水に光を当て、混ぜるためのより安価な方法を見つけ出すことにかかっていると強調しています。これらのエンジニアリングおよび経済的な課題が解決されない限り、微細藻類の再循環式養殖システムへの統合は、標準的な業界慣行ではなく、ニッチな実験のまま留まるでしょう。ポテンシャルはありますが、それを養殖業の日常的な一部にするための道のりは、依然として長く険しいものです。