Einfluss des Klimawandels auf die Aquakultur

Das weltweite Klimasystem befindet sich im Wandel. Jährlich steigt die Durchschnittstemperatur der Ozeane an und der steigende CO2-Gehalt in der Atmosphäre führt zu einer Versauerung der Meere. Die Folgen für die Aquakultur sind bisher kaum abzusehen. Es muss aber damit gerechnet werden, dass der Klimawandel auch die Produktion in der Aquakultur beeinflussen bzw. verändern wird. Die Faktoren, die dabei eine Rolle spielen, sind ebenso divers, wie die Prozesse die von ihnen beeinträchtigt werden und reichen von rein physikalischen bis hin zu komplexen biologischen Interaktionen:
 
  1. Temperaturerhöhung und damit
- Anstieg des Meeresspiegels
- Zunahme von Sturmereignissen
- Verringerung des Sauerstoffgehaltes im Wasser
- Veränderte Verbreitung von Pathogenen und Parasiten (Befall neuer, auf Grund fehlender Koevolution nicht angepasster Wirte)
  1. Veränderung der Algenabundanz und Diversität
  2. Absenkung des pH-Wertes in den Ozeanen (Versauerung)
  3. Veränderung der Meeresströmungen (veränderte Nährstofftransporte)
 

1. Temperaturerhöhung

Mit dem Beginn der Industrialisierung (zweite Hälfte des 18. Jahrhunderts) hat sich die Emission der Treibhausgase: Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O), stark erhöht. Im Jahr 2011 betrug die Konzentration von CO2 391 ppm, die von CH4 1803 ppm und die von N2O 324 ppm. Verglichen mit der vorindustriellen Zusammensetzung der Atmosphäre bedeutet das eine Zunahme von jeweils 40, 150 und 20%. Die Herkunft der Treibhausgase ist hinreichend belegt und stammt überwiegend aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der veränderten, intensiveren Landnutzung.
CO2
Treibhausgase haben die Eigenschaft langwellige Wärmestrahlung (Wellenlänge von ca. 3 µm), die von der Erdoberfläche abgestrahlt wird, zu absorbieren bzw. teilweise wieder zu reflektieren. Dadurch erhöht sich die Oberflächentemperatur. Eine gesteigerte Temperatur wiederum begünstigt die Bildung von Wasserdampf, welcher ebenfalls langwellige Strahlung absorbiert und so die Klimaerwärmung verstärkt. Diese Prozesse haben in den vergangenen 120 Jahren dazu geführt, dass die Temperatur der Erd- und Ozeanoberfläche durchschnittlich um 0,86 °C angestiegen ist.
Oberflächenerwärmung
Ein Großteil der Energie (90%) wurde dabei von den obersten Wasserschichten (0 - 75 m) der Ozeane aufgenommen. Innerhalb der letzten 40 Jahre hat sich so pro Jahrzehnt die Wassertemperatur um 0,11 °C erhöht. Auf den ersten Blick erscheint diese Zunahme eher gering, dennoch sind die Auswirkungen zum Teil gravierend. So hat sich z. B. der Meeresspiegel in den vergangenen 120 Jahren um fast 20 cm erhöht, was besonders in flachen Küstenbereichen massive Landverluste nach sich gezogen hat.
Erhöhung des Meeresspiegels
In Kombination mit den nachweislich vermehrt auftretenden schweren Sturmereignissen hat dies auch zu einer stärkeren Gefährdung von Aquakulturanlagen (offshore oder küstennah im Inland, z. B. Teiche oder Raceways) geführt, beispielsweise durch Überspülung oder direkte Beschädigung. Alleine am 29.01.2000 wurde in Schottland der Verlust von ca. 550.000 Lachsen  aus Netzgehegeanlagen auf Wettereinflüsse zurückgeführt.
Netzgehege
Der mögliche Einfluss von entkommenen Tieren (Escapees) auf die wildlebenden Bestände können weitreichend und nachhaltig sein (Konkurrenz mit wilden Artgenossen, Einkreuzung, Übertragung von Krankheiten). Mehr zum Thema finden Sie z. B. HIER. Die Wassertemperatur beeinflusst natürlich auch direkt die Physiologie (Enzymaktivitäten) der in Aquakultur aufgezogenen Tiere. Während einige Arten von steigenden Temperaturen eher profitieren, d. h. schneller wachsen und Futter besser verwerten, wie z. B. Doraden oder Wolfsbarsche, kommen andere Arten, z. B. Salmoniden, wie Lachs oder Regenbogenforelle, mit erhöhten Temperaturen (über 18 – 19 °C) nur noch schwer zurecht.
 
In Zukunft könnte eine weitere Zunahme der Wassertemperatur dazu führen, dass in bestimmten Gebieten gewisse Fischarten nicht mehr wirtschaftlich gezüchtet werden können, z. B. Salmoniden. Da aber andere Kandidaten in Betracht kommen, die besser an die veränderten Temperaturen angepasst sind, gilt es, die Zucht solch alternativer Arten frühzeitig zu etablieren.
 
Auch der rein physikalische Effekt steigender Wassertemperaturen, der zu einer sinkenden O2-Löslichkeit/Sättigung führt (je höher die Wassertemperatur, desto weniger O2), kann für einige Arten zum Problem werden. Besonders dort, wo Tiere nahe an ihren physiologischen Belastungsgrenzen produziert werden, kommt es längerfristig zu einer Unterschreitung des artspezifischen Sauerstoffbedarfs, was im schlimmsten Fall zu hohen Verlusten führt.
 
Einer bedrohlichen Sauerstoffunterversorgung kann natürlich relativ einfach durch das künstliche Einbringen von Luft durch Belüftungsräder oder Ausströmer entgegengewirkt werden. Generell sind marine Anlagen eher von einem klimatischen Sauerstoffdefizit betroffen, da die Löslichkeit von O2 nicht nur mit steigender Temperatur, sondern auch mit zunehmendem Salzgehalt des Wassers abnimmt.

Veränderung der Diversität an Pathogenen und Parasiten

Ein weiteres Risiko der Klimaerwärmung ist das Auftreten von Pathogenen und Parasiten außerhalb ihres bisherigen Verbreitungsgebietes. Diese können dann auf einen neuen, naiven und auf Grund mangelnder Koevolution wenig angepassten Wirt treffen. Dies kann zu ungeahnten Ausbrüchen und Befallsstärken führen. Die erhöhten Temperaturen beschleunigen bei vielen Erregern den Stoffwechsel und führen dazu, dass sie schneller wachsen und sich fortpflanzen, wobei sich die Generationszeiten verkürzen und der Erregerdruck demzufolge ansteigt. Die veränderte Temperatur kann ferner einen anhaltenden Stress für den Fisch darstellen und diesen weiter schwächen.
 
Dort, wo niedrigere Temperaturen das Ausbreiten bestimmter Pathogene bisher verhindert haben, können sich diese nun etablieren und die dort ansässige Aquakulturindustrie gefährden. Parasiten haben teilweise komplexe Entwicklungszyklen, in denen die Tiere mehrere Metamorphoseschritte bis hin zum adulten Stadium durchlaufen. Während die Metamorphose in den kalten Wintermonaten, wenn überhaupt, nur verlangsamt abläuft, beschleunigt sich die Entwicklung erst wieder mit steigenden Temperaturen im Frühjahr. Werden nun ganzjährig höhere Durchschnittstemperaturen erreicht, können sich die Entwicklungszyklen und/oder die Generationszeiten (mögliche Infektionszeiten) verlängern.
Ein gutes Beispiel dafür ist der parasitisch lebende Krebs Caligus elongatus, der auch verallgemeinernd als Meer- oder Seelaus bezeichnet wird. Dieser befällt, ähnlich der Lachslaus (Lepeophtheirus salmonis), bevorzugt Salmoniden und ernährt sich von Haut, Fleisch oder Blut. Für gewöhnlich geht der Befall in den betroffenen Gebieten (z. B. in Schottland und Irland) in den kalten Jahreszeiten zurück. Somit ist zu befürchten, dass eine weitere Erhöhung der Wassertemperaturen eine Verlängerung der Erregerabundanz nach sich zieht (Massenbefall in Lachsfarmen).
 
Neben den zahlreichen Parasiten wird auch die Entwicklung und Verbreitung anderer Krankheitserreger, wie Bakterien und Viren, von den veränderten Wassertemperaturen beeinflusst. Einige Erreger sind eher bei niedrigeren Temperaturen aktiv, wie bestimmte Rhabdoviren, die die Hämorrhagische Septikämie (VHS) und die Infektiöse Hämatopoetische Nekrose (IHN) bei Salmoniden auslösen. Somit könnte ein Temperaturanstieg den Erregerdruck auch reduzieren. Bei anderen Krankheitserregern, wie dem Bakterium Yersinia ruckeri (Verursacher der in Deutschland meldepflichtigen Rotmaulseuche), werden verstärkt Ausbrüche erwartet. Zusätzlich kann sich das Wirtsspektrum verschieben. So tritt z. B. die Gattung Vibrio (Vibrio splendidus, V. aestuarianus, V. natriegens und V. parahaemolyticus) besonders bei Temperaturen über 18 °C auf und ist besonders häufig bei Invertebraten.
 
Die Behandlung kranker Tiere kann durch erhöhte Wassertemperaturen beeinträchtigt werden. So wird Wasserstoffperoxid (Behandlung von Lachsläusen) bei Temperaturen über 10 °C toxisch für Fische und kann dementsprechend nicht gefahrlos verwendet werden.
Lachslaus
Gesteigerte Wassertemperaturen können natürlich auch dazu führen, dass sich bestimmte Fischarten (z. B. Wolfsbarsch) stärker ausbreiten und so zusätzlich als Überträger für Parasiten und andere Pathogene fungieren und diese verbreiten.
 

2. Veränderung der Algenabundanz und Diversität

Weiterhin ist davon auszugehen, dass die veränderten Umwelteinflüsse zu einer Zunahme toxischer Algenblüten führen werden. Neben dem temperaturbedingt gesteigerten Wachstum bestimmter Algen (Dinophyceae - Dinoflagellaten, Prymnesiophyceae, Raphidophyceae, Bacillariophyceae - Kieselalgen) und Cyanobakterien können auch niederschlagsbedingte punktuell erhöhte Nährstoffeinträge für Algen- und Cyanobakterienblüten verantwortlich sein (Auswaschen von Nährstoffen). Die erhöhten Temperaturen steigern die Menge an Wasserdampf über Wasserflächen und erhöhen so die Niederschlagsmenge. Besonders starke Regenfälle können große Mengen an Nährstoffen (Stickstoff, Phosphat, Silikate) aus dem Inland in die Meere spülen. Diese Nährstoffe stehen dann für das Wachstum der Algen und Cyanobakterien zur Verfügung. Produzieren diese Algen Toxine (Harmful Algal Blooms - HABS, schädliche Algenblüten), kann das schwerwiegende Folgen für die Aquakultur haben.
Der Verzehr von Muscheln, welche diese Algen oder Cyanobakterien als Nahrung aus dem Wasser filtern, stellt eine Gefahr für die Gesundheit dar. Entlang der Nahrungskette können sich die Toxine auch in Fischen und Krebstieren anreichern. Bekannt ist hier die Ciguatera-Vergiftung, die durch Dinoflagellaten hervorgerufen wird (Gambierdiscus toxicus). Ciguatera greift das Nervensystem an und kann zum Tod führen. Es handelt sich um die häufigste durch den Verzehr von Speisefischen hervorgerufene Vergiftung. Häufiger treten jedoch direkte Vergiftungserscheinungen bei Fischen und Krebstieren auf, die je nach Konzentration des Toxins zum Verlust ganzer Bestände führen können.
 

3. Absenkung des pH-Wertes in den Ozeanen

Nicht nur Temperatur und Nährstoffverfügbarkeit beeinflussen die Primärproduktion, sondern auch die Erhöhung des im Wasser gelösten CO2. Zum einen erhöht sich die Menge an frei verfügbarem CO2, zum anderen wird der pH-Wert verringert (Azidifikation):

CO2 + H2O = HCO3- + H+

HCO3- = CO32- + H+

Beide Faktoren können artspezifisch das Wachstum und die Ausbildung von Toxinen verstärken, wie z. B. bei Alexandrium minutum, einem Dinoflagellaten, welcher Lähmungen hervorruft (Paralytic Shellfish Poison – PSP) oder der Kieselalge Pseudo nitzschia, deren Toxin zu Amnesie führt (Amnesic Shellfish Poison – ASP; mehr dazu im Artikel Miesmuschel im Bereich Nachgehakt).
 
Versauerung
Die Versauerung der Ozeane wirkt sich, neben dem Algenwachstum, besonders auf schalen- und skelettbildende Organismen aus. Hier dürfte entsprechend vor allem die Aquakultur von Muscheln und Krebstieren betroffen sein, da durch den verringerten pH-Wert des Meeres die Biomineralisation von Calciumkarbonat und damit die Bildung von Schalen oder Skeletten erschwert wird.
Durch den erhöhten CO2-Gehalt verschiebt sich das chemische Gleichgewicht zwischen Calciumcarbonat und Hydrogenkarbonat in Richtung Hydrogenkarbonat und wirkt so dem Aufbau von Calciumcarbonat enthaltenden Stütz- oder Schutzstrukturen entgegen. Dabei sind besonders die sensiblen Larven und Jugendstadien von Muscheln betroffen aber auch adulte Muscheln wachsen wesentlich langsamer und sind z. T. weniger krankheitsresistent.
Bei einigen Arten, wie der Miesmuschel (Mytilus edulis) und der Pazifischen Felsenauster (Crassostrea edulis) wurden bereits gezielt Zuchtlinien entwickelt, die mit den veränderten Umweltfaktoren besser zu Recht kommen.Da die Zuchtbemühungen aber noch nicht abgeschlossen sind und eine entsprechende Etablierung ebenfalls noch nicht absehbar ist, wird besonders im Bereich der Muschelzucht mit einem Rückgang der Ernteerträge gerechnet.
 
Bei der Aquakultur von Garnelen sind die zu erwartenden Effekte weniger ausgeprägt. Aber auch hier führt die Versauerung u. a. zu reduzierten Wachstumsraten (z. B. bei der Schwarzen Tigergarnele, Penaeus monodon), einer geringeren Fekundität, einer erhöhten Larvensterblichkeit und einer verringerten Temperaturtoleranz. Möglicherweise werden daher besonders sensibel reagierende Arten entweder durch robustere ersetzt werden oder züchterisch dahingehend verbessert, dass die zu erwartenden Veränderungen besser toleriert werden.
 

4. Veränderung der Meeresströmungen

Die Meeresströmungen sind die Grundlage für die großen Fischereien vor den Kontinentalhängen. Nährstoffreiches Wasser gelangt entlang dieser Kontinentalhänge an die Oberfläche (sog. Upwelling) und sorgt zusammen mit dem Sonnenlicht für starkes Algenwachstum. Diese Algen stellen wiederum sicher, dass ausreichend Nahrung für Zooplankton und schließlich auch für Fische zur Verfügung steht.
 
Neben dem Transport von Nährstoffen stehen die Meeresströmungen auch im direkten Zusammenhang mit dem globalen Klima. Der Golfstrom beispielsweise sorgt dafür, dass warmes Wasser aus der Karibik bis an die Küsten Europas transportiert wird und dadurch an den Küsten Englands Palmen gedeihen. Grundlage für das Entstehen der Meeresströmungen sind das Frieren der Polkappen und die Drehbewegungen der Erde. Wenn das Meerwasser an den Polen zu Eis gefriert, fallen große Mengen Salz aus, denn das Eis besteht aus Süßwasser. Dieses mit Salz angereicherte, schwere Wasser sinkt nach unten ab. Die Drehbewegung der Erde setzt nun wie eine Schiffsschraube das Wasser in Bewegung und es verteilt sich bis es an einem Kontinentalhang wieder an die Oberfläche gedrückt wird.
 
Durch klimatische Veränderungen wie der Erderwärmung verändern sich auch die Meeresströmungen. Verringert sich die Eisbildung an den Polkappen, schwächen sich die Ströme ab. Die Folgen einer solchen Reduktion sind kaum absehbar. Prognosen gehen davon aus, dass sich z. B. die pazifische Umwälzzirkulation, zu der auch der Humboldtstrom gehört und die weltweit den größten ozeanischen Anteil an der Wärmeversorgung der Nordhalbkugel hat, bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um max. 30% verringern wird. Zusätzlich nehmen Klimaanomalien, wie das El Niño-Phänomen, zu. Dieses sorgt dafür, dass der charakteristische Aufstieg kalten, nährstoffreichen Tiefenwassers (Humboldtstrom) vor der südamerikanischen Westküste reduziert bzw. unterbunden wird. Das Abschwächen dieser Meeresströmungen hat fatale Auswirkungen. Durch den dadurch auftretenden Mangel an Nährstoffen im Oberflächenwasser bricht die ansonsten ausgeprägte Primärproduktion zusammen. Dies ist gerade für die Aquakultur problematisch, da z. B. vor der Westküste Südamerikas der überwiegende Teil der für Fischmehl und -öl verwendeten Biomasse (Peruanischen Sardelle, Engraulis ringens) angelandet wird. Im Jahr 1998 war der durch El Niño hervorgerufene Effekt so gravierend, dass die Fangzahlen um fast 90% im Vergleich zum Vorjahr (7,7 Mio. t) zusammenbrachen.
 
[Stand 06/2018]

 

Referenzen:

Bell, J.D., Ganachaud, A., Gehrke, P.C., Griffiths, S.P., Hobday, A.J., Hoegh-Guldberg, O., Johnson, J.E., Le Borgne, R., Lehodey, P., Lough, J.M., Matear, R.J., Pickering, T.D., Pratchett, M.S., Sen Gupta, A., Senina, I., Waycott, M., 2013. Mixed responses of tropical Pacific fisheries and aquaculture to climate change. Nature Climate Change 3, 591-599.

Brander, K.M., 2007. Global fish production and climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104, 19709-19714.

Callaway, R., Shinn, A.P., Grenfell, S.E., Bron, J.E., Burnell, G., Cook, E.J., Crumlish, M., Culloty, S., Davidson, K., Ellis, R.P., Flynn, K.J., Fox, C., Green, D.M., Hays, G.C., Hughes, A.D., Johnston, E., Lowe, C.D., Lupatsch, I., Malham, S., Mendzil, A.F., Nickell, T., Pickerell, T., Rowley, A.F., Stanley, M.S., Tocher, D.R., Turnbull, J.F., Webb, G., Wootton, E., Shields, R.J., 2012. Review of climate change impacts on marine aquaculture in the UK and Ireland. Aquatic Conservation-Marine and Freshwater Ecosystems 22, 389-421.

Corrales, R.A., Maclean, J.L., 1995. Impacts of harmful algae on seafarming in the asia-pacific areas. Journal of Applied Phycology 7, 151-162.

Costello, M.J., 2006. Ecology of sea lice parasitic on farmed and wild fish. Trends in Parasitology 22, 475-483.

Davidson, K., Gowen, R.J., Harrison, P.J., Fleming, L.E., Hoagland, P., Moschonas, G., 2014. Anthropogenic nutrients and harmful algae in coastal waters. Journal of Environmental Management 146, 206-216.

Doubleday, Z.A., Clarke, S.M., Li, X., Pecl, G.T., Ward, T.M., Battaglene, S., Frusher, S., Gibbs, P.J., Hobday, A.J., Hutchinson, N., Jennings, S.M., Stoklosa, R., 2013. Assessing the risk of climate change to aquaculture: a case study from south-east Australia. Aquaculture Environment Interactions 3, 163-175.

Doubleday, Z.A., Clarke, S.M., Li, X.X., Pecl, G.T., Ward, T.M., Battaglene, S., Frusher, S., Gibbs, P.J., Hobday, A.J., Hutchinson, N., Jennings, S.M., Stoklosa, R., 2013. Assessing the risk of climate change to aquaculture: a case study from south-east Australia. Aquaculture Environment Interactions 3, 163-175.

Garnier, M., Labreuche, Y., Garcia, C., Robert, A., Nicolas, J.L., 2007. Evidence for the involvement of pathogenic bacteria in summer mortalities of the Pacific oyster Crassostrea gigas. Microbial Ecology 53, 187-196.

Hilmi, N., Allemand, D., Dupont, S., Safa, A., Haraldsson, G., Nunes, P., Moore, C., Hattam, C., Reynaud, S., Hall-Spencer, J.M., Fine, M., Turley, C., Jeffree, R., Orr, J., Munday, P.L., Cooley, S.R., 2013. Towards improved socio-economic assessments of ocean acidification's impacts. Marine Biology 160, 1773-1787.

Hinder, S.L., Hays, G.C., Edwards, M., Roberts, E.C., Walne, A.W., Gravenor, M.B., 2012. Changes in marine dinoflagellate and diatom abundance under climate change. Nature Climate Change 2, 271-275.

Last, P.R., White, W.T., Gledhill, D.C., Hobday, A.J., Brown, R., Edgar, G.J., Pecl, G., 2011. Long-term shifts in abundance and distribution of a temperate fish fauna: a response to climate change and fishing practices. Global Ecology and Biogeography 20, 58-72.

Parker, L.M., Ross, P.M., O'Connor, W.A., 2011. Populations of the Sydney rock oyster, Saccostrea glomerata, vary in response to ocean acidification. Marine Biology 158, 689-697.

Peeler, E.J., Taylor, N.G.H., 2011. The application of epidemiology in aquatic animal health -opportunities and challenges. Veterinary Research 42.

Peterson, J., Griffis, R., Zador, S. G., Sigler, M. F., Joyce, J. E., Hunsicker, M., ... , Peterson, W.T., 2018. Climate Change Impacts on Fisheries and Aquaculture of the United States. Climate Change Impacts on Fisheries and Aquaculture: A Global Analysis, 159-218.

Phillips, B. F. 2017 (Ed.). Climate Change Impacts on Fisheries and Aquaculture: A Global Analysis. John Wiley & Sons. Vol. I and II.

Qtae J., Young B. H., Kee C. C., Chang Y. J., Deok C. L. 2012. Potential Influence of Climate Change on Shellfish Aquaculture System in the Temperate Region. The Korean Journal of Malacology 28, 277-291.

Richards, R.G., Davidson, A.T., Meynecke, J.O., Beattie, K., Hernaman, V., Lynam, T., van Putten, I.E., 2015. Effects and mitigations of ocean acidification on wild and aquaculture scallop and prawn fisheries in Queensland, Australia. Fisheries Research 161, 42-56.

Rosa, R., Marques, A., Nunes, M.L., 2012. Impact of climate change in mediterranean aquaculture. Reviews in Aquaculture 4, 163-177.

Sarà, G., Gouhier, T.C., Brigolin, D., Porporato, E.M., Mangano, M.C., Mirto, S., ... Pastres, R., 2018. Predicting shifting sustainability tradeoffs in marine finfish aquaculture under climate change. Global change biology.

Stoeckl, N., Larson, S., Thomas, J., Hicks, C., Pascoe, S., Marsh, H., 2018. Socioeconomic impacts of changes to marine fisheries and aquaculture that are brought about through climate change. Climate Change Impacts on Fisheries and Aquaculture: A Global Analysis, 925-958.