Mussel cultivation in German coastal waters - IOW

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Mussel cultivation in German coastal waters - IOW

Workshop “Bivalve Aquaculture in the Baltic Sea – Environment, Climate

Change, Modeling” 12. July 2011; Kiel, Germany

Mussel cultivation in German coastal waters

Perspectives

Gerald Schernewski, Toni Schröder & Thomas Neumann

Leibniz Institute for Baltic Sea Research (IOW)


Background:

Zebra mussel cultivation in Szczecin Lagoon

� Zebra mussel farming is a suitable supportive measure to remove nutrients and to

protect the Baltic Sea. In the Oder/Odra mussel farming potentially could remove nearly

1000 t N per year or 2 % of the annual Oder N-loads. Its potential is limited in the Oder

Lagoon, but this is different for other systems.

� Zebra mussel farming is not a cost-effective measure to remove nutrients today. At a

N-load reduction target of 50% and more, mussel farming would become cost-efficient

and has the additional benefit of improving water transparency.

� Zebra mussel farms in the lagoon are not profitable and would require additional

subsidies.

� Zebra mussel farming can be regarded as environmental friendly as long as the

carrying capacity and specific max. density are not exceeded. Mussel meal as the major

product of Zebra mussel farming can substitute fish meal and help to implement a

sustainable fisheries.

� In the Oder Lagoon mussel farming will very likely not allow a regime shift from a

phytoplankton dominated into a clear water, macrophyte dominated system.

� Extended mussel beds seem to be no suitable nutrient retention measure but the

increasing water transparency would have positive effects on the ecosystem.


Background: SWOT-Analysis

Mussel cultivation in German Baltic coastal waters

Strenghts Weaknesses Opportunities Threats

„Native“ species

used for cultivation

Removal of

nutrients by

periodic harvest

Increased water

transparency

Fixation of CO 2

(Climate Change

mitigation measure)

Knowledge

transfer from

existing Blue

mussel cultivation

Lack of experience

in mussel cultivation

Limited experience

with processing

methods

Uncertain

commercial use

Hardly profitable

without subsidies

Requires large

scale investments

Uncertain legal

situation

Alternative jobs

for fishermen

Mussel meal as

subsitute for fish

meal

Resettlement of

macrophytes

by improved water

transparency

Increased beach

attractiveness

Water transparency

Additional income

through Tourism

Local attraction

(dishes, excursions)

Increased risk of

hypoxia by

deposited organic

material

Negative effects

on the ecosystem

Losses due to

predation and

competition

Accumulation of

pollutants

Damage by drifting

ice

Settling of

mussels on

constructions and

boats

Poor acceptance

in the region


Aktuelle Situation und nächste Schritte:

Modellentwicklung

� Integration eines Muschelmoduls in das 3D-Öksosystemmodell ERGOM sowie dessen

Parametrisierung, Kalibration, Validation und Anwendung (Toni Schröder….)

� Weiterentwicklung des ökonomischen Modells – Optimierung von Kosten, Ertrag, Farmtyp,

Verarbeitung und Vermarktung (Gerald Schernewski….)

� Flexibilisierung des Ansatzes für verschiedene Muschelarten und alle Gewässertypen der Ostsee

Miesmuschel-Kultivierung

� Kultivierung von Miesmuscheln (Peter Krost…)

� Monitoring von Muschelfarmen (Peter Krost...)

Zebramuschel-Kultivierung

� Erste Tests zur Verarbeitung und Nutzung der Zebramuschel (Anna-Marie Klamt…)

� Ernährungs-physiologische Untersuchungen zur Nutzung von Zebra-Muschelmehl als Fischmehlersatz

(Birte Drews)

� Untersuchungen zur Belastung von Zebramuscheln (Schwermetalle, org. Schadstoffe) (Rolf Schneider…)

� Versuche zur Freiland-Kultivierung der Zebramuschel (Sven Dahlke…)

� Laborversuche zur Filtrationsleistung etc. (NN…??)

Sozio-ökonomische Begleituntersuchungen

� Muschelfarmen als Alternative für Küstenfischerei (NN…)

� Akzeptanz von Muschelfarmen (NN...)

� Untersuchung zu Nutzung, Produkten und Absatz (Anna-Marie Klamt…)

� Untersuichungen zur Finanzierbarkeit von Muschelfarmen (NN...)


Funding

Zebra mussel farming will require additional funding (subsidies). The development

of strategies to provide funding for the mussel farming as a nutrient removal

measure is one of the most important tasks in Germany at the moment.

� Re-direction of agriculture

subsidies

� tax on fertilizer

� trading of nutrient quotas

� WFD Measures


Modelling – present state

� Extension of an ecological model by a mussel module

� Development of an economic model

� Linking both models via water transparency and mussel yield

� Scenario simulations with the model system

Schernewski et al.: Ecology and Society


Modelling

(300 m)


Modellbildung: Hypothesen

� Daten von Muschelbänken sind grundsätzlich nicht auf Farmen zu übertragen, da der

physiologische Zustand unklar ist, der Zugang zu Nahrung aufgrund geringer Oberfläche

begrenzt ist, die Nahrungsnachlieferung unbekannt ist.....

� Da Farmen eine Ertragsoptimierung vornehmen (Maximierung des Ertrags bei

gegebenen Rahmenbedingungen), gelten für diese Muscheln optimale

Wachstumsbedingungen. Das erlaubt einen vereinfachten Ansatz. Lediglich

Besatzdichte und Größe müssen an biologisch-physikalische Rahmenbedingungen

angepasst sein (Nahrungsmenge und Nachlieferungsrate), aber das wird durch den

Farmer optimiert.

� Muschelarten, die gleiche Lebensräume besiedeln (in gleicher Region, die sich nur

durch Salinität unterscheiden) müssen eine vergleichbare Leistungsfähigkeit (pro kg

Biomasse) haben. Ergebnisse zu Filtrationsleistung und Biomassezuwachs von

Miesmuscheln können auf Dreissena übertragen werden.

� Daten, die auf einzelnen Individuen basieren lassen sich nicht auf Bänke und Farmen

hochrechnen (fehlende Konkurrenz, Depletion-Effekt....)


Implementation in ERGOM


ermöglicht Untersuchungen zu

Auswirkungen auf Strandbereiche

(Sichttiefe)

> momentane Anwendung im

Oderhaff (145m x 90m)

Gitterverfeinerung für Kieler

Förde und Greifswalder Bodden

geplant

• Muschelvariable

– 2d - top layer (d=1m)

(erweiterbar)

– lokale Begrenzung durch

Maske


• Modellansatz:

– Betrachtung der Biomasseakkumulation und

Ableitung der Sichttiefenveränderung

• Biomasseakkumulation unabhängig von Abundanz

oder individuellem Wachstum

• dm[kg]/dt

• Effektive Massenzunahme (1a)

» m 0 = 0,1 kg/m³ => 70 mmol[N]/m³

» m e = 10 kg/m³ (Nachkalibrierung nach Erntemessung)

Aufnahmerate g 0 = 0,127 d -1


• g zusätzlich mit Temperatur- und Salzfilter

überlagert:

g = 0, wenn O 2 = 0


• Aufnahme:

– effek. Massenaufnahme

» dm eff = mus * g(T,S) [mmol[N] m -3 d -1 ]

– total filtrierte Phytoplankton- und

Detritusmenge höher

– Orlova et al. (2004)

» 9% - dm eff

» 29 % - Respiration

» 25 % - Faeces

» 37% - Pseudofaeces

dm tot ~ dm eff/0,1


• Aufnahme:

» dm tot = dm eff/0,1

» pp i/∑pp i

- Beutepräferenz

» uptake_pp i_m = dm tot * pp i/∑pp i

[mmol[N]/m³d]

d(mus) = ∑ (uptake_pp i_m) - ∑ (Abgabeterme)


• Abgabeterme:

• Mortalität

» Faeces = 0,25 * ∑ (uptake_pp i_m)

» Pseudofaeces = 0,35 * ∑ (uptake_pp i_m)

» Respiration = 0,30 * ∑ (uptake_pp i_m)

– vereinfachter Ansatz erlaubt Annahme minimaler Sterblichkeit

– Schließterm

» Mort = 0,001 d -1


• Resultierende Gleichungen:

d(mus) = dt* ( ∑ (mus * g(T,S) * pp i/∑pp i )

- 0,6 * ∑ (uptake_pp i_m) (Pseudo)Faeces Sediment

- 0,3 * ∑ (uptake_pp i_m) Respiration NH4, PO4

- 0,001*mus ) Mortalität Sediment

d(ppi) = dt * (- uptake_ppi_m)

d(NH4) = dt * (0,3 * ∑ (uptake_pp i_m))

d(PO4) = dt * (0,3 * ∑ (uptake_pp i_m) * redfield_ratio)

d(sed) = dt * (0,6 * ∑ (uptake_pp i_m) + Mort)


• Sichttiefe:

• Lichtintensität I(z) = I 0 * e -βz I(z) / Io = 0,01

» 0,01 = e -βz

» z = - ( ln(0,01) β -1 ) / 2,7 Sichttiefe [m]

β = ∑ (Abschwächungskoeffizienten (Wasser, pp i)

β = 0,125 + 0,1 ∑ z=1 (phytos) + 0,05 ∑ z=1 (detritus)

Nachkalibrierung erfolgt nach Feldmessung


• Bisherige Unsicherheiten oder Gaps:

– Aufnahmeterm:

• Wachstumsrate >> Nachkalibrierung der Erntemasse

(artenspezifisch)

• Biomassenzunahme (T,S, weitere Einflüsse ? )

– Abgabeterm:

• Abgabe (Pseudo)Faeces (T,S)

• Mortalität:

» Beachtung externer Einflüsse nötig (z.B. Fraßdruck Seevögel) ?


Ziele der Modellbildung

Entwicklung eines 3D-ökologisch-ökonomischen Modellsystems für alle

Muschelkulturen in inneren und äußeren Ostseegewässern

Exemplarische Fragestellungen:

� Welche Auswirkungen haben Muschelfarmen auf verschiedene

Küstenökosysteme und wo liegt die „carrying capacity“?

� Welche Einsatzmöglichkeiten bieten sich für Muschelfarmen und wie

effizient sind sie (Naturschutz, Tourismus-Wassertransparenz,

Eutrophierungsmanagement)?

� Wie sind Farmen räumlich anzuordnen und zu strukturieren (e.g.

Besatzdichte, Tiefe) um eine maximale ökologische und ökonomische

Effekte zu entfalten?

� Einsatz von Muschelfarmen in off-shore Windparks

� ........


Monitoring im Gelände:

Messungen idealerweise zu verschieden Zeitpunkten der Saison und bei

unterschiedlichen Bedingungen (Windrichtungen, hydrographische

Bedingungen):

� Erfassung der Muschel-Biomasse pro Flächeneinheit zu verschiedenen

Zeitpunkten (zumindest jeweils Jahresbeginn, Jahresende und Ernte)

� Wassertransparenz (Secchi) im Luv, in der Muschelfarm und an

verschiedenen Stellen im Lee der Farm.

� Messungen von Chl.a (Fluorometer) sowie

� Nährstoffe N und P

� Strömungsmessungen

� Sauerstoff (Sondenprofile)

� Untersuchung zu Muschelbesatzdichten in Farm

� Evt. CTD (Conductivity, Temperature, Depth) Sondenprofile


Muschelnetzwerke:

Etablierung von informellen Netzwerken, um Kooperation und

Erfahrungsaustausch im Bereich Forschung und Praxis zu fördern

� Deutsches Zebra-Muschel-Netzwerk (Sven Dahlke)

� Deutsches Ostsee-Muschelfarming Netzwerk als Teil eines

� Baltic-Musselfarming Network (Gerald Schernewski)

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