Buck, Bela H.

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Buck, Bela H.

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Buck, Bela H.

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Buck, Bela

Buck, B. H.

ORCID

0000-0001-7491-3273

GND

1261050088

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Strain selection and optimization of Ulva spp. for land-based recirculating cultivation systems
(2024-05-15)
de Avelar Cardoso, Isabel Luísa
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Bermejo, Ricardo
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Buck, Bela H.
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Buck, Bela H.
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Hofmann, Laurie
Ulva species are intertidal macroalgae spread worldwide, known for their biochemical composition (e.g., ulvan) that grants them interesting properties to explore in sectors such as food, feed, cosmetics, pharmaceutical, and bioplastics. They are known for their high growth rates, bioremediation capacity, and plasticity, which can be associated with the formation of harmful green tides. Nevertheless, Ulva is considered a good candidate to cultivate on a large scale. Recirculating aquaculture systems (RAS) are well established systems for the cultivation of fish, shrimp, and other aquatic species and can be operated as a partly flow-through or even complete closed system. Thus, allowing the cultivation of non-native species in land-based recirculating systems without introducingthese species in the wild. Land-based systems present high costs and Ulva cultivation still presents several bottlenecks that limit the possibility of a profitable scale-up process (e.g., variation in biochemical composition, different adjustments, and responses to the environment). The works presented in this dissertation aimed to select Ulva strains for later cultivation in a RAS with artificial seawater and optimize them for their later use as the main constituent of food packaging. Four strains of Ulva from two geographical origins (Ulva flexuosa, Ulva lacinulata, from the Mediterranean Sea, and U. lacinulata and Ulva linza from the NE-Atlantic Ocean) were tested and compared for their robustness and capacity to grow in high temperatures and low salinities. To test the importance of strain selection for Ulva cultivation, eco-physiological experiments were conducted. The relative growth rates (RGR) of different Ulva species and strains under different salinity (Publication I) and temperature conditions were tested (Chapter 6). Strains that presented RGRs below a 7 % day-1 RGR threshold, were considered not ideal. Ulva linza and both strains of U. lacinulata presented elevated growth rates in the temperature range tested. In the salinity experiment (Publication I) it was estimated that RGRs of the adult U. lacinulata strains would be above the 7 % day-1 threshold, even if salinity was reduced to 12 PSU. For this reason, U. lacinulata strains, particularly the NE-Atlantic strain, were considered potential candidates for vegetative cultivation in a RAS under lower salinity settings. To test the same salinity treatments as a potential method for strain optimization, the antioxidant activity (AA) from the NE-Atlantic U. lacinulata was measured for 10 days. AA showed a tendency to increase in the lowest and highest treatments (10 and 30 PSU), suggesting that biomass quality can be increased by further reducing the salinity for a short period before harvesting. Not all the species tested were good candidates for the system, thus corroborating the importance of strain selection before cultivation. Cultivating U. lacinulata strains at lower salinities could amount to a reduction in the costs for the system and an increase in biomass quality. High-quality biomass can increase the profitability of the system by enabling the biomass to be sold for a higher price. Antioxidant activity was considered a necessary property in the strains, as high levels of antioxidants can increase food’s shelf-life. The effect of irradiance on the AA of the two U. lacinulata strains was evaluated (Publication II). Both strains were grown under a saturating irradiance treatment for 5 days and their AA and photosynthetic efficiency were evaluated. Both strains showed the capacity to adapt to the saturating irradiance, but only the NE-Atlantic strain had a significant increase in AA under the saturating irradiance treatment. Thus, suggesting that a significant light increase can improve the quality of the biomass. The lack of differences found in the AA of the Mediterranean strain between the control group and the saturating treatment indicates that light dose (kept the same between the treatments) also plays a role in determining the AA of a strain. The different results from both strains corroborate once more the importance of strain selection and optimization. The NE-Atlantic Ulva lacinulata, often and spontaneously degraded without signs of fertility, and attempts at inducing reproduction were unsuccessful. As a first attempt to overcome these limitations, a successful protoplast isolation method was developed based on the methods reported in the literature. Two eco-physiological pre-treatments (light and salinity) were tested to be used before the isolation of protoplasts to reduce the costs of the isolation method. Only the 40 PSU pre-treatment reduced the cell wall of Ulva-1 (Chapter 6). To understand the constant biomass loss, the degradation process of the NE-Atlantic U. lacinulata was followed (Publication III). The degradation caused the removal of the cell wall and the release of protoplasts into the water that were able to regenerate and regrow. Protoplasts grew into three morphologies (cell masses, unattached discs, and unattached germlings), two of which very soon after regeneration and germination, released gametes into the water. A similar experiment was performed with wild material from Ulva compressa. This species became fertile and released swarmers, but a portion of the cells released were found to be protoplasts. These findings suggest that Ulva species have an unexplored asexual reproduction strategy. This is the first time that the natural formation of protoplast has been reported in Ulva species as a method of reproduction. This knowledge can help us understand Ulva species and how to deal with future degradation events that limit Ulva cultivation.
doctoral thesis
244 334
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Farming the High Seas: Biological performance of the offshore cultivated oysters Ostrea edulis and Crassostrea gigas in the North Sea.
(2012-04-13)
Pogoda, Bernadette
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Buck, Bela
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Hagen, Wilhelm
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Buck, Bela
Aquaculture production plays an increasingly important role to meet the global demand for aquatic products and expands continuously. Most mariculture organisms are produced in coastal areas, where space is scarce and stakeholder conflicts exist. For extensive cultures farming off the coast at offshore sites could be a solution to eliminate these problems and facilitate further expansion of environmentally friendly and sustainable aquaculture. The aim of this study was to examine the biological adequacy of two candidate species for such an offshore ostreiculture, the European flat oyster Ostrea edulis and the Pacific oyster Crassostrea gigas. Research focused on growth, condition and survival. Oyster spat of both species was transferred to different offshore sites in the North Sea in 2004 and 2007 and cultivated for six month during growing season. Samples were taken every six to eight weeks from April to October and growth rates, condition indices and survival rates were measured. To enable a deeper insight in oyster condition, elemental (carbon, nitrogen) and biochemical compositions (protein, glycogen and lipid levels) as well as lipid class and fatty acid compositions were investigated. Furthermore, the macroparasitic infestation of oysters at offshore cultivation sites and for comparison, at nearshore wild banks, was investigated. Low infestation rates or even a complete absence of such parasites would be a major advantage for shellfish production activities and would therefore play an important role in the list of site-selection criteria for a certain region. Results showed that both oyster species grow successfully in high-energy offshore environments. Mean growth rates were similar to those measured in individuals from coastal habitats (wild banks and cultures) and the condition index revealed normal seasonal variations in both species. Survival rates of both species were extremely high. However, at one single site a high mortality rate was observed for O. edulis at the end of the experiment. Differences in the increase of shell length and dry mass were observed between sites and size classes. Taking these results into account site selection criteria for different offshore locations are presented. Biochemical results showed an increase in glycogen from spring to early summer for both species, which is related to high food abundance during spring phytoplankton bloom. However, during summer, glycogen storage revealed clear differences between O. edulis and C. gigas: glycogen levels decreased substantially in C. gigas, eventually owing to reproductive activity only of the Pacific oyster. Total protein did not show significant seasonal variations, while lipids were accumulated during growing season, more pronounced in C. gigas, and decreased in autumn. Phospholipids and triacylglycerols were the main lipid classes in both species. Fatty acids resembled the compositions of nearshore grown oysters. This indicates that oysters exhibited a natural biological performance during offshore cultivation. Additionally, no macroparasites have been found in oysters from offshore cultivation sites, which provides a high-potential advantage for aquaculture activities in the open ocean. It can be summarized that oysters are successful candidates for offshore aquaculture operations, e.g. as a multi-use of offshore wind farming areas. As oysters are bioextractive organisms, oyster cultivation as an essential component of integrated multi-trophic aquaculture (IMTA) approaches in offshore areas is recommended in particular.
doctoral thesis
378 195
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The role of fishmeal, alternative protein sources and consumer perception in the environmental performance of turbot farming in Europe
(2023-02-13)
Hoerterer, Christina
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Johansen, Johan
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Buck, Bela H.
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Buck, Bela H.
Um auch in Zukunft die Nachfrage nach hochwertigen Fisch und Meeresfrüchten zu decken, muss die Nachhaltigkeit der der europäischen Aquakulturproduktion verbessert werden. Ziel der von der FAO angestoßenen „Blauen Transformation“ ist es, mittels technologischer Innovationen in Zuchtsystemen und Futterherstellung, die Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren sowie das Tierwohl und soziale Gerechtigkeit zu gewährleisten. Einem transdisziplinären Ansatz folgend trägt diese Arbeit zu diesem Wandel bei, indem sie nachhaltige Futterformulierungen für Steinbutt (Scophthalmus maximus) untersucht und soziale Faktoren identifiziert, welche die Wahrnehmung der Verbraucher bezüglich Aquakultur beeinflussen. Um die Umweltverträglichkeit der Steinbutt-Zucht zu verbessern, wurden Futterformulierungen entwickelt in denen der Gesamtgehalt an Fischmehl reduziert und durch nachhaltige pflanzliche und tierische Proteinquellen ersetzt wurde. Unter deutschen Verbrauchern wurde eine öffentliche Umfrage zum Verständnis von Nachhaltigkeit, sowie der Wahrnehmung und Einstellung zur Aquakultur durchgeführt. Um die Auswirkungen von Futterformulierungen auf Wachstum, Futterverwertung, Nährstoffverdaulichkeit und Stoffwechsel von Steinbutt, Jungfisch- und Auswuchsphase zu untersuchen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Fütterungsversuche durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Futterformulierungen, die auf pflanzlichen und tierischen Rohstoffen basieren, für junge Steinbutte eine geeignete Alternative zu kommerziell genutzten Formulierungen sind. Bei gleichen Wachstumsergebnissen hatten Steinbutte, welche mit der kostengünstigen, auf tierischen Rohstoffen basierenden, Formulierung gefüttert wurden, eine geringere Futterverwertung. Ein Vergleich von Stoffwechselprofilen junger Steinbutte zeigte, dass der Ersatz von Fischmehl durch alternative Proteinquellen zu Veränderungen in der Energieverteilung im Leber- und Muskelgewebe führt, ohne das Wachstums zu beeinträchtigten. Tierische Rohstoffe beeinträchtigten Wachstum und Futterverwertung von Steinbutten in der Auswuchsphase, während pflanzliche Proteine, in Kombination mit Insektenmehl und mikrobieller Biomasse, zeigten, dass 30% oder mehr des Fischmehls in kommerziellen Futtermitteln ersetzt werden könnte. Die Umfrage zeigte, dass deutsche Verbraucher, die Nachhaltigkeit der Aquakultur als gering einschätzen und geben Umweltbedenken, Tierwohl und das fehlende Angebot von vegetarischen Produkten als Gründe an warum sie Aquakulturprodukte meiden. Deshalb können nachhaltige Futterformulierungen ein treibender Faktor für eine höhere Akzeptanz der Aquakultur in the Öffentlichkeit sein und den Verbrauch von wild gefangenem Fisch hin zu nachhaltigen Aquakulturprodukte verlagern. Wieviel Fischmehl im Futter von Steinbutt ersetzt werden kann hängt stark von der Auswahl der alternativen Proteinquellen ab. Nachhaltige Futterformulierungen mit pflanzlichen Proteinen, Insekten und mikrobieller Biomasse können stark dazu beitragen die Umweltverträglichkeit der Steinbutt-Zucht in Europa zu verbessern. Dennoch ist die Fütterung von Steinbutt mit fischmehlreduziertem Futter nicht im Sinne der Verbraucher, die sich ein möglichst naturbelassenes und qualitativ hochwertiges Produkt mit gesundheitsfördernden Nährstoffen wünschen. Dieser Wunsch zusammen mit dem höheren Preis für nachhaltige Aquakulturprodukte könnte dabei die Umweltbedenken der Verbraucher überwiegen.
doctoral thesis
307 455
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Effects of alternative feed ingredients on the growth of Dicentrarchus labrax and the circadian rhythm of Scophthalmus maximus in recirculating aquaculture systems linked to consumer perception of seafood in Europe
(2022-11-18)
Petereit, Jessica
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Ferse, Sebastian
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Buck, Bela H.
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Buck, Bela H.
In dieser Dissertation werden Empfehlungen zur Steigerung des nachhaltigen Verbrauchs und der Produktion in der europäischen Aquakultur gegeben. Die Forschung basiert auf einem transdisziplinären Ansatz, der europäische Verbraucherperspektiven mit neuen Futterkonzepten für den Europäischen Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax) und der Erkennung des zirkadianen Rhythmus beim Steinbutt (Scophthalmus maximus) kombiniert, um das Wohlergehen der Tiere zu verbessern und potenzielle neue Managementstrategien für Aquakulturbetriebe zu entwickeln. Die Aquakultur ist nach wie vor der am schnellsten wachsende Sektor der Lebensmittelproduktion weltweit, und es werden nachhaltige Systeme benötigt, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten und die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) zu erreichen. Eine vielversprechende und weit verbreitete Lösung für die Zukunft der intensiven Fischzucht ist die Kombination aus Kreislaufwirtschaft und rezirkulierenden Aquakultursystemen (RAS). Dieser Ansatz könnte die Produktivität erhöhen und die Umweltbelastung und den Ressourcenverbrauch verringern, was zu einer verbesserten Wahrnehmung durch die Verbraucher führt. Das ist wichtig, da die Verbraucher die treibende Kraft hinter dem Konsum von Meeresfrüchten sind, und ihr Kaufverhalten das Erscheinungsbild nachhaltiger Fischprodukte im Supermarkt beeinflusst. Das Verständnis der Verbraucherperspektive ist daher der erste Schritt zu einer nachhaltigeren Produktion. Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit deuten darauf hin, dass die wichtigsten Faktoren für die Verbraucher, beim Kauf nachhaltiger Aquakulturprodukte, die Herkunft der Fische (einschließlich ihrer Hältungssysteme), die Nachhaltigkeit und das Wohlergehen der Tiere sind. Leider wird die Zucht von Fischen in intensiven Aquakulturen von der Öffentlichkeit nach wie vor negativ beurteilt, da es in den letzten Jahrzehnten viele schwerwiegende ökologische Probleme gegeben hat, wie z. B. den Missbrauch von Antibiotika. Die größten Bedenken beziehen sich allerdings auf den Anteil von Wildfängen im Aquakulturfutter und das Wohlergehen der Zuchttiere. Die Entwicklung alternativer Futtermittel und die Verbesserung des Wohlergehens der Fische haben daher das Potenzial, die Wahrnehmung der Verbraucher in Richtung einer positiveren Einstellung zu verändern und somit das Kaufpotential zu steigern. Durch die Entwicklung neuer Strategien könnten intensive diesen Bedenken entgegenwirken. Produktbeschreibungen und Öko-Labels könnten so zur Sensibilisierung der Verbraucher beitragen und in Verbindung mit einer Lebenszyklusanalyse (LCA) oder auch Ökobilianz ergänzt werden. Diese könnte den Kohlenstoff-Fußabdruck sowie den Energie- und Wasserverbrauch miteinbeziehen und für mehr Transparenz für den Konsumenten sorgen. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine informationsbasierte Strategie, die sich auf die Herkunft des Produktes sowie seine Nachhaltigkeit konzentriert, ein wirksames Instrument sein könnte, um das Bewusstsein der Verbraucher zu ändern als auch die Fischzüchter zu ermutigen, in nachhaltige Futtermittel und Zuchttechniken zu investieren. Ökobilianzen haben gezeigt, dass nicht nachhaltig produzierte Fischfuttermittel intensive Aquakulturbetriebe, wie z. B. RAS, stark negativ beeinträchtigen. Futtermittel für karnivore Fische enthalten oft einen hohen Anteil an Fischmehl und Fischöl, die oft als nicht nachhaltige Ressourcen angesehen werden. Aus diesem Grund befasst sich der zweite Teil meiner Doktorarbeit mit alternativen Futterkonzepten für Wolfsbarsch, um die Nachhaltigkeit zu verbessern und gleichzeitig das Fischwachstum, die Rentabilität der Zuchtbetriebe und das Wohlergehen der Tiere zu gewährleisten. Der Europäische Wolfsbarsch ist die wichtigste Aquakulturart im Mittelmeer und steht nach dem Lachs an zweiter Stelle des höchsten Pro-Kopf-Verbrauchs in der Europäischen Union. Meine Arbeit zeigt, dass Hydrolysate und Nebenprodukte aus der Aquakultur sowie pflanzliche und tierische Proteine Fischmehl aus marinen Fischbeständen ersetzen können, ohne dass dies negative Auswirkungen auf das Wachstum, die Futterverwertung, die sensorischen Eigenschaften, die Ernährungskomponenten oder das Wohlergehen der Fische hat. Dies zeigt, dass die Futtermittel des europäischen Wolfsbarsches durch die Anwendung einer Kreislaufwirtschaft und die Verwendung von pflanzlichen und tierischen Proteinen nachhaltiger werden kann. Im letzten Teil meiner Doktorarbeit habe ich das Wohlergehen von Fischen eingehender untersucht. Fische und alle anderen Lebewesen verfügen über einen zirkadianen Rhythmus (CR), der alle Stoffwechselprozesse steuert. Dieser CR ist artspezifisch, und meines Wissens liegen für Steinbutt noch keine Daten vor. Der Steinbutt ist eine sehr wertvolle Art in der europäischen Aquakultur, und das Verständnis seiner Tag- und Nachtrhythmen ist notwendig, um sein Wohlergehen und damit sein Wachstum in intensiven Aquakulturbetrieben zu verbessern. Meine Ergebnisse deuten auf Stoffwechselspitzen bei Aminosäuren und Zuckern um 15 Uhr hin, die zur Optimierung von Fütterungsregimen und Zuchtpraktiken genutzt werden könnten. Insbesondere können Tätigkeiten im Betrieb, wie Fütterung (welcher Verdauungsstress auslösen kann) oder Transport, den Stress erhöhen und sollten während der Spitzenwerte von Stress Metaboliten vermieden werden. Die Nutzung von Schwankungen des natürlichen Stoffwechsels in Kombination mit Kreislaufwirtschaft und optimierten Fütterungskonzepten könnte dazu beitragen, das Wohlergehen und das Wachstum der Tiere nachhaltig zu verbessern. Diese Arbeit vermittelt ein umfassendes Bild der Auswirkungen der verschiedenen interdisziplinären Ansätze in der europäischen Aquakultur, vom Verbraucher bis zum einzelnen Fisch. Die Verwendung nachhaltiger und regionaler Futterstoffe in der Ernährung karnivorer Fische kann nicht nur die Abhängigkeit von Rohstoffen verringern, sondern auch die Kaufbereitschaft der Verbraucher gegenüber der Aquakultur positiv beeinflussen. Durch den Einsatz von spezies-spezifischen Fütterungs- und Handhabungszeiten könnte das Wohlergehen der Fische verbessert werden ohne dem Farmer zusätzliche Kosten aufzubürgen. Somit liefert meine Arbeit Ideen für neue Aquakultur Praktiken, die sowohl die Rentabilität der Zuchtbetriebe als auch die Wahrnehmung der Verbraucher verbessern können.
doctoral thesis
374 368
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Sustainable rearing of crayfish in a recirculating aquaculture system using the example of Astacus astacus
(2019-10-11)
Seemann, Uli Bernd
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Wild, Christian
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Buck, Bela H.
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Buck, Bela H.
The aim of this study was to examine the potential of a recirculating aquaculture systems for a sustainable culture and reproduction of a European crayfish species. Since the endangered Noble crayfish Astacus astacus formerly was a common food source in Europe it presents the economically most interesting native species and was selected for this study. The collaboration with an open pond farm was established to collect and deliver scientific comparative data about crayfish performance under almost natural conditions. Abiotic and biotic parameters like water conditions, growth, density and shelter requirements were recorded. The experiments aimed at establish comparative conditions in a recirculating aquaculture system in accordance with the restrictions of such an artificial system. Results showed that Noble crayfish can be cultured and reproduced in a recirculating aquaculture system. The reproduction under artificial conditions delivered best results using a five minutes salt bath (26.6% RAS, P = 0.015) and excellent hatch rates especially in comparison to open pond systems (100% RAS vs. 20% OPS). Crayfish demands can be answered with e.g. adequate feeds and shelter constructions even though these are not available on the market and have to be manufactured. In addition, stocking densities were increased to promising numbers (RAS 10 Krebse/mAA , OPS 1-2 Krebse/mAA ). Therefore, an economic culture of Noble crayfish in a recirculating aquaculture facility is possible in the long-term but primarily given the moderate growth performance of adult crayfish (RAS 0.78/1.33% SGR) and high investment costs not worthwhile for investors since more profitable and fast-growing species can be produced for the growing market. A polyculture of Noble crayfish and Red Nile tilapia showed the advantage of a co-culture as cleaning intervals are reduced due to finfish bioturbation and feed conversion is increased without a negative impact on growth (ANOVA, p 0.05). It can be summarized that recirculating aquaculture systems can successfully be used for reproduction and culture of Noble crayfish since they deliver high controllable and secure conditions, of especially for juvenile crayfish. The species requirements can be met even though there is space for improvements in e.g. feed composition and shelter design in regard to technical and economic limitations of recirculating aquaculture systems. The high investment and maintenance costs do not bear good prospects for a mono-culture even for the high value Noble crayfish but a polyculture is within the bounds of economic possibility and offers several advantages. For crayfish conservation actions and further scientific research recirculating aquaculture systems offer excellent conditions especially in the face of the threatening crayfish plague. Taking into account economic aspects of a crayfish culture based on this cost-intensive technique a combination of recirculating aquaculture systems together with more unsecure but convenient open pond systems seems the best compromise about safety and economic arguments to produce native crayfish for restocking purposes. The combination with an open pond system opens the opportunity to not even produce summerlings but adult crayfish at reasonable prices which are necessary for complete restocking actions.
doctoral thesis
653 363

Buck, Bela H.

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