Trasformare i nutrienti in eccesso nelle acque costiere eutrofiche in proteine ​​marine per i mangimi

di Daniel Taylor e Jens Kjerulf Petersen, Centro danese di frutti di mare, DTU Acqua, Danimarca

Eutrofizzazione e lotta per controllare la perdita di nutrienti

La densità della popolazione umana e l'utilizzo delle terre per la coltivazione di alimenti si sono intensificati nelle regioni costiere nell'ultimo secolo. Questa intensificazione ha drammaticamente influenzato i processi biologici e chimici negli ecosistemi costieri attraverso un aumento del flusso di nutrienti, principalmente azoto e fosforo, dalla terra e dall'atmosfera al mare.

Essenzialmente, più la terra è nutrita (concimata) e più ci nutriamo (cibo più combustibili), più alimentiamo le acque costiere con sostanze nutritive causate dal deflusso agricolo, acque reflue, e deposizione atmosferica.

Man mano che le acque costiere si arricchiscono eccessivamente, cambiamenti del funzionamento biologico con conseguenze spesso a lungo termine. Uno dei tanti sintomi è l'aumento della crescita e della concentrazione di fitoplancton (piante unicellulari).

Le acque arricchite possono diventare così produttive con la crescita del fitoplancton che la luce solare non raggiungerà sufficientemente le profondità per supportare la vita delle piante acquatiche sul fondo del mare e preziosi habitat vegetali come le praterie di alghe vengono persi. Ulteriori aumenti delle concentrazioni di fitoplancton possono portare alla diminuzione dell'ossigeno, quando le cellule morte di fitoplancton decadono sul fondo del mare.

Negli ultimi decenni, il miglioramento della qualità delle acque costiere è stato un luogo di sviluppo delle politiche in molte regioni del mondo. Ci sono stati risultati impressionanti nell'attuazione di queste politiche, in particolare nel miglioramento del trattamento delle acque reflue.

Tuttavia, molti corpi idrici costieri, come quelli del Nord Europa, compreso il Baltico vero e proprio, sono ancora considerati pesantemente colpiti dal deflusso di nutrienti in eccesso e probabilmente continueranno ad esserlo per gli anni a venire.

Gli apporti di azoto nelle acque costiere provengono da fonti puntiformi (es. impianti di trattamento delle acque, allevamenti ittici), fonti non puntuali/diffuse (es. terreni agricoli, scarico delle acque sotterranee), o atmosferico (es. ammoniaca volatilizzata o assorbimento dei sottoprodotti della combustione).

A seguito di modifiche e miglioramenti nei programmi di gestione della qualità dell'acqua, le fonti diffuse di nutrienti sono le più significative. I metodi di trattamento progettati per ridurre al minimo l'introduzione di nutrienti nelle acque costiere sono abbondanti nell'attuazione.

Esempi classici di tali metodi di trattamento includono restrizioni nell'uso di fertilizzanti, zone umide costruite, stagni di sedimentazione, zone cuscinetto vegetative ripariali; e più recentemente, sistemi di 'agricoltura di precisione'.

Sebbene siano stati compiuti molti progressi nella riduzione dei flussi di nutrienti nelle acque costiere, l'efficienza di ulteriori implementazioni diminuisce rapidamente e spesso sono anche più costose da implementare.

Per di più, decenni di arricchimento hanno un retaggio di un maggiore arricchimento dei sedimenti del fondo marino, che sarà una fonte persistente di nutrienti attraverso molteplici processi (denominato "carico interno"), e può essere mitigato solo all'interno dell'ambiente acquatico.

Mitili di mitigazione

Un mezzo innovativo per mitigare l'arricchimento di nutrienti nelle acque costiere è sfruttare una parte della biologia costiera:la filtrazione dell'acqua dei molluschi bivalvi. Cozze, Ostriche, vongole, e altri bivalvi si nutrono filtrando le particelle fuori dall'acqua; il fitoplancton è una fonte primaria di cibo per questi animali.

La coltivazione attiva di bivalvi e l'attenzione al ripristino della barriera corallina bivalve hanno dimostrato l'impatto di filtrazione che queste popolazioni possono esibire. Gli allevamenti di cozze standard possono filtrare centinaia di migliaia di metri cubi all'ora. Il fitoplancton e la materia organica vengono assimilati nel corpo dei mitili o immobilizzati ai sedimenti, intrappolando una porzione significativa di nutrienti nelle acque arricchite.

Molto lavoro è stato fatto per analizzare i "servizi ecosistemici" forniti dai bivalvi negli ultimi decenni da numerosi ricercatori, principalmente negli Stati Uniti e nel nord Europa. Oltre un decennio di concettualizzazione e ricerca presso il Danish Shellfish Centre (DSC) - una sezione all'interno di DTU Aqua, Technical University of Denmark – si è concentrato sullo sfruttamento della filtrazione dei bivalvi nella coltivazione attiva come meccanismo intensivo per ridurre l'entità delle condizioni eutrofiche nelle acque del Baltico occidentale; denominata 'Mitilicoltura di mitigazione'.

Raccogliendo le cozze, i nutrienti che vengono prima consumati dal fitoplancton e poi convertiti in biomassa di cozze, vengono rimossi dall'ecosistema. Impiegando tecniche di coltivazione adattate dall'industria dell'acquacoltura di mitili convenzionale, le cozze ad alta densità possono essere coltivate in regioni mirate, con la possibilità di rimuovere diverse tonnellate di nutrienti dalle acque costiere per raccolto (Petersen et al, 2019).

Questa modalità serve anche come mezzo per utilizzare un gran numero di larve di cozze, che normalmente vengono consumati come zooplancton o non si depositano. Mentre le cozze di acquacoltura (che compaiono sui piatti della cena) forniscono anche questo servizio, le "cozze mitiganti" vengono generalmente raccolte con una manipolazione minima e in un periodo di crescita più breve per ridurre i costi e massimizzare il potenziale estrattivo dei nutrienti:tendono ad essere considerevolmente più piccole delle cozze che si trovano al mercato o nei ristoranti.

Come misura di mitigazione dei nutrienti, mitigazione La coltivazione delle cozze è stata adottata nei piani per gli sforzi futuri per raggiungere un buono stato ecologico nelle acque costiere danesi. In Danimarca, un obiettivo proposto è quello di raccogliere 100, 000 tonnellate di mitili di mitigazione all'anno, che comporterà la rimozione di 1-2, 000 tonnellate di azoto, corrispondente all'8-15 percento[JKP1] della domanda nazionale di riduzione in Danimarca.

Mitigazione pasti di cozze:Restituzione dei nutrienti persi

In che modo l'acquafeed e altre forme di acquacoltura si inseriscono in questa equazione? Il concetto di integrazione di organismi filtratori, come le cozze, nella produzione di specie trofiche superiori è stato reso popolare da molti, spesso definito "Acquacoltura Multitrofica Integrata" o più precisamente semplicemente "Acquacoltura Multitrofica".

Come fonte di nutrienti, però, nella maggior parte dei paesi ciò contribuisce con una quantità trascurabile di nutrienti rispetto al maggiore carico terrestre costiero.

Poiché le cozze di mitigazione tendono ad essere più piccole e di dimensioni meno uniformi rispetto a quelle coltivate per il consumo umano, la produzione di mangimi è stata la via più interessante per l'utilizzo. La crescente domanda di fonti proteiche per mangimi con profili di aminoacidi bilanciati ha richiesto una maggiore generazione e inclusione di alternative alla farina di pesce.

I pasti prodotti dalle cozze blu hanno generalmente profili di amminoacidi simili a quelli delle farine di pesce (Jönsson e Elwinger, 2009), con livelli totali di proteine ​​grezze del 65-71%. Concentrazioni di amminoacidi che tipicamente richiedono un'integrazione nelle diete sostitutive, come metionina e taurina, sono simili ai profili della farina di pesce (Árnason et al, 2015).

I tessuti delle cozze contengono importanti pigmenti e antiossidanti, compresa la mitiloxantina, un pigmento unico per i crostacei, che supera l'astaxantina nello scavenging dell'idrossile (Maoka et al., 2016). Per di più, i pasti pieni di cozze mostrano proporzioni interessanti di LC-PUFA come DHA, DPA, e EPA (Árnason et al, 2015).

Nelle diete agroalimentari, alti livelli di inclusione hanno dimostrato effetti positivi sulle galline ovaiole (Afrose et al, 2016), e digeribilità nei mangimi per suini (Nørgaard et al, 2015).

Un numero limitato di studi su specie di pesci pinna ha dimostrato un'elevata digeribilità del salmerino alpino (Salvelinus alpinus) e del pesce persico (Perca fluvialtilis) (Langeland et al, 2016), così come una maggiore appetibilità nelle diete carnivore ad alta inclusione di piante (Nagel et al, 2014). interessante, la composizione biochimica del tessuto dei mitili può essere influenzata dalle condizioni locali di crescita, a causa di diversi costituenti della comunità di fitoplancton (Pleissner et al, 2012), così come lo stato riproduttivo; poiché le concentrazioni di glicogeno e i pigmenti carotenoidi aumentano immediatamente prima della deposizione delle uova.

La determinazione di modelli di composizione differenziata in futuro potrebbe fornire opportunità per pasti specifici; però, ciò richiede ulteriori indagini, a condizione che la produzione su larga scala di pasti mescolerà probabilmente materiale proveniente da più siti e tempi.

Cozze, nella cultura della mitigazione, rappresentano quindi un'attraente fonte di proteine ​​poiché assimilano il fitoplancton già sovrabbondante nell'ambiente (zero input di mangime gestito) fornendo al contempo feedback ecologici positivi. Tali feedback (servizi ecosistemici) in altri meccanismi di mitigazione sono ampiamente compensati da un sostegno finanziario diretto o da schemi di compensazione dei costi. In sostanza, riciclando i nutrienti "persi" nel sistema alimentare e migliorando l'ambiente locale lungo il percorso.

Tuttavia, come ogni buona storia, ci sono sfide avanti. La produzione estesa di mitili di mitigazione richiede l'ottimizzazione dell'estrazione di nutrienti all'interno di uno spazio limitato che riduce anche al minimo il conflitto con altri usi delle acque costiere e gli interessi acquisiti nel paesaggio marino.

Anche l'ambiente naturale può porre ostacoli all'espansione:se le condizioni idrodinamiche sono adatte, l'insediamento naturale di cozze è sufficiente, e la pressione dei predatori (cioè gli edredoni) sono gestibili. Nei circoli politici, da locale a regionale, determinare come e dove gestire i nutrienti è colorato da un'elevata varietà di prospettive.

Poiché questo meccanismo mira a ridurre i nutrienti già presenti nell'ambiente marino, mitigazione della coltura dei mitili è destinata a integrare i programmi esistenti di gestione dei nutrienti, e questo concetto è un punto di dibattito in corso.

Infine, e che è essenziale in termini di redditività economica, la lavorazione delle farine di cozze e la razionalizzazione della produzione richiederanno ulteriori innovazioni. Le sfide di elaborazione della trasformazione delle cozze di mitigazione in un pasto sono radicate nella separazione ad alto rendimento del guscio dal tessuto prima della successiva produzione di farina.

I metodi convenzionali di cottura a vapore e di separazione vibratoria sono relativamente costosi, mentre metodi alternativi di "spremitura" o altra forma di separazione senza esclusione preliminare del guscio generalmente danno come risultato pasti con un alto contenuto di ceneri dalle parti del guscio conservate.

Ricerca attuale

Recentemente, due progetti amministrati da DSC sono stati finanziati per valutare le tecniche di ottimizzazione per massimizzare l'estrazione di nutrienti nelle unità di mitigazione documentando i loro impatti ecologici.

Il progetto BONUS OPTIMUS ha riunito un consorzio di ricerca di quattro paesi e nove partner per lo sviluppo della cultura della mitigazione nel Baltico occidentale per la successiva produzione di farina di cozze come alternativa alla farina di pesce.

Le prove sull'alimentazione intraprese in OPTIMUS includono la sostituzione nelle diete dei salmonidi. Il progetto finanziato a livello nazionale, MuMiPro, riunisce 15 partner che valutano tecniche di coltivazione ottimali nelle acque eutrofiche danesi per la produzione su larga scala di farina di cozze biologica.

L'ambizione di entrambi i progetti è dimostrare i mezzi per produrre mitili di mitigazione che massimizzino la loro impronta ecologica positiva a un ritmo economicamente sostenibile. Ciò include l'ulteriore sviluppo della lavorazione delle farine di cozze per l'alimentazione degli animali, e infine il mercato dell'acquafeed in forte crescita.

Nell'ambito del progetto MuMiPro sono attualmente oggetto di studio la sperimentazione e l'ottimizzazione di tecniche di elaborazione alternative. Trovare la combinazione tra il mantenimento di un buon profilo nutrizionale e la riduzione al minimo dei costi di lavorazione, come tutti gli altri ingredienti aquafeed, è un processo in continua evoluzione.

Gli obiettivi combinati di questi due progetti sono promuovere lo sviluppo della coltura di mitili di mitigazione come strumento di mitigazione dei nutrienti e tecniche di lavorazione per un pasto di alta qualità.